粉末冶金生产的基本工艺流程

转贴]粉末冶金生产的基本工艺流程标签：转贴粉末冶金生产基本工艺流程时间：2008-11-2621:23:53点击：2803回帖：0上一篇：[转贴]金属磨损自修复抗磨剂的性下一篇：金相显微镜的外形尺寸图(图)粉末冶金生产的基本工艺流程包括：粉末制备、粉末混合、压制成形、烧结及后续处理等。用简图表示于图7-1中。陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处，其工艺过程包括粉末制备、成形和致密化三个阶段。2．1粉末制备2．1．1粉末制备粉末是制造烧结零件的基本原料。粉末的制备方法有很多种，归纳起来可分为机械法和物理化学法两大类。（1）机械法机械法有机械破碎法与液态雾化法。机械破碎法中最常用的是球磨法。该法用直径10~20mm钢球或硬质合金对金属进行球磨，适用于制备一些脆性的金属粉末（如铁合金粉）。对于软金属粉，采用旋涡研磨法。雾化法也是目前用得比较多的一种机械制粉方法，特别有利于制造合金粉，如低合金钢粉、不锈钢粉等。将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流，用高压气体（如压缩空气）或液体（如水）喷射，通过机械力与急冷作用使金属熔液雾化。结果获得颗粒大小不同的金属粉末。图7-2为粉末气体雾化示意图。雾化法工艺简单，可连续、大量生产，而被广泛采用。（2）物理化学法常见的物理方法有气相与液相沉积法。如锌、铅的金属气体冷凝而获得低熔点金属粉末。又如金属羰基物Fe(CO)5、Ni(CO)4等液体经180~250℃加热的热离解法，能够获得纯度高的超细铁与镍粉末，称为羰基铁与羰基镍。化学法主要有电解法与还原法。电解法是生产工业铜粉的主要方法，即采用硫酸铜水溶液电解析出纯高的铜。还原法是生产工业铁粉的主要方法，采用固体碳还原铁磷或铁矿石粉的方法。还原后得到得到海绵铁，经过破碎后的铁粉在氢气气氛下退火，最后筛分便制得所需要的铁粉。图7-2粉末气体雾化示意图2．1．2粉末性能粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大影响，因而对粉末的性能必须加以了解。粉末的性能可分为物理性能、化学性能和工艺性能。物理性能有颗粒形状、粒度及粒度组成、密度、硬度、加工硬化性、塑性变形能力以及显微组织等；化学性能有化学成分；工艺性能有粉末的松装密度、流动性和压制性等。通常用下述几个主要性能来评价粉末的性能。（1）颗粒形状、粒度及粒度组成a．颗粒形状颗粒形状是决定粉末工艺性能的主要因素。用不同方法制造的粉末形状不同，如表7-2所示。颗粒的形状如图7-3所示。颗粒形状对粉末的压制成形和烧结都会带来影响。如表面光滑的粉末颗粒，其流动性好，对提高压坯的密度有利。但形状复杂的粉末，对提高制品的压坯强度有利，同时能促进烧结的进行。表7-2颗粒形状、松装密度与粉末生产方法的关系粉末生产方法粉末颗粒形状松装密度g/cm3粉末生产方法粉末颗粒形状松装密度g/cm3羰基铁粉雾化铁粉还原铁粉球形粉末球形或不规则状不规则海绵状3.02.2电解铁粉球磨研磨铁粉旋涡研磨铁粉树枝状片状碟状0.352.0~2.112345678图7-3粉末颗粒形状1球形2近球形3多角形4片状5树枝状6不规则形7多孔海绵状8碟状b．粒度及粒度分布粉末粒度是指颗粒的大小。对粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。工业上制造的粉末，粒度范围一般为0.1~400μm，粒度大小通常用目数（一英寸长度筛网上的网孔数表示）。粒度有专门的测定方法，如筛分析法、显微镜法以及沉降法等，最常用的是筛分析法。粒度大小直接影响制品的性能，如硬质合金、陶瓷材料等，要求粒度越细越好。而对常用的粉末冶金制品生产，不仅要测定粉末体平均颗粒的大小，更重要的是测定大小不同的颗粒的含量，简称为粒度分布。粉末的粒度分布对成形、烧结有一定的影响。如粉末粒度分布得当，粉末颗粒间的孔隙就小，成形密度高，烧结容易进行。（2）松装密度、流动性和压制性a．松装密度松装密度亦称松装比，是指单位容积自由松装粉末的质量，常用g/cm3表示。粉末的松装密度是一个综合性能，它受粉末粒度、粒度组成、颗粒形状及颗粒内的孔隙等因素的影响。松装密度用粉末流动仪进行测量。b．流动性粉末流动性是指单位质量的粉末自由下落到流完的时间，常用s/50g表示。粉末流动性反映的是粉末充填一定形状容器的能力，对实现自动压制和对于压制形状复杂的制品的均匀装粉很重要。粉末的流动性也是一个综合性能，主要取决于粉末之间的摩擦系数，即与粉末形状、粒度、粒度组成及表面吸水和气体量等有关。流动性也用粉末流动仪进行测量。c．压制性粉末压制性包括压缩性和成形性。粉末压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力。一般是用一定压力（如400MPa）下压制的压坯密度（g/cm3）来表示。它的好坏决定压坯的强度和密度。粉末的压缩性主要由粉末的硬度、塑性变形能力与加工硬化性能决定，并在相当大的程度上与颗粒的大小及形状有关。粉末成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。一般用给予压坯适当强度（仅只搬运不破碎或不会发生变形的强度）所需之压力来表示。粉末的成形性直接反映的是压坯强度，因而也可用压坯的抗压强度或抗弯强度定量地表示。粉末的成形性主要与颗粒形状、粒度及粒度组成等物理性质有关。（3）化学成分粉末的化学成分应包括主要金属或合金组元的含量及杂质的含量。为满足一般制品的制造要求，金属或合金粉末中的合金组元的含量都不能低于98~99%，在制造磁性合金和某些特殊用途的合金材料时其纯度要求更高。粉末的杂质主要是指与主要金属结合的Si、Mn、C、S、P、O等一些元素；SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不熔物；粉末表面吸附的氧、水气、N2、CO2等气体。粉末的杂质对后续工艺过程及最终制品质量都会有较显著的影响。因而必须严格控制。如铁粉要求酸不溶物在0.2%以下，氢还原减重在0.2%以下。2．2粉末混合粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程。混合的质量不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。混合主要分为机械法和化学法两种。其中广泛应用的是机械法。机械法又分为干混和湿混。铁基制品生产中常采用干混；制备硬质合金混合料常采用湿混，如在混料时加入一定比例硬质合金球于汽油中进行充分湿磨。化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物，如用来制取钨-铜-镍高密度合金，铁-镍磁性材料，银-钨触头合金等混合物原料。为了改善粉料的压制性能、使产品密度分布均匀、减少压模磨损和有利于脱模，常加入少量的润滑剂，如铁基制品需加入适量的硬脂酸锌，其技术要求见表7-4。在烧结过程中硬脂酸锌发生分解、挥发便在制品的相应部位留下所需的孔隙并使产品最终孔隙互相连通，还将起到造孔的目的。表7-3硬脂酸锌的技术要求金属锌含量水份游离酸熔点粒度外观10.2-11.2%＜0.2%＜0.5%＞120℃-200目白色用于粉末混合的常用混料机类型见图7-4所示。装粉量、粉末比重差别、混合制度、混料机的结构及转数、混合时间和混合介质都将影响混合的均匀度。混料应保证特定材料组合的化学成分、工艺性能及混合均匀度等技术要求。V型混料机双锥形混料机旋转立方混料机偏心转动六角型混料机水平旋转混料机偏心转动混料机图7-4各种混料机的外形示意图陶瓷粉料为有机化合物，且颗粒极细，需要进行塑化和造粒处理，才能用于成形。所谓塑化是指在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性的过程。塑化剂是指使坯料具有可塑能力的物质，根据其在陶瓷成型中的不同作用，可分为黏结剂、增塑剂和溶剂三类。黏结剂（通常有聚乙烯醇、聚乙二醇及石蜡等）使常温下粉料颗粒黏合在一起，使坯料具有成型性能并有一定强度，高温时氧化、分解和挥发。增塑剂（通常有甘油、草酸等）溶于有机黏合剂中，在粉料间形成液态层，提高坯料的可塑性。溶剂（通常有水、无水酒精、丙酮、苯、乙酸乙酯等）能溶解黏结剂和增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体。所谓造粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程，常用来改善细粉的充填性。将陶瓷粉料造粒的常用方法分为这样三类：普通造粒法—将加入适量粘结剂的混料在滚筒、圆盘和擦筛机上制成粒；压块造粒法—将加入适量粘结剂的混料在较低的压力下预压成块，然后粉碎过筛；喷雾造粒法—将加入粘结剂的液体料在干热气氛中雾化转化为干燥粉体。7．2．3压制成形压制成形是指将松散的粉末体密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯的工艺过程。压制成形方法有很多，如模压成形、等静压成形、粉末连续成形、粉末注射成形和粉浆浇注成形等，而模压成形是最广泛使用的粉末成形技术。模压成形通常在机械式压机或油压机上，于室温及一定压力下进行的。粉末冶金的压制压力一般为140~840MPa，陶瓷材料的压制压力一般为40~100MPa。它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压、保压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出的工艺过程，如图7-5所示。上模冲阴模下模冲a松装b压缩c脱模图7-5压制过程示意图2．3．1装粉一般采用容积法，即将粉末装入具有规定容积的阴模型腔中。常用装粉方法有下列三种：（1）落入法（7-6a）送粉器移到阴模与芯棒形成的型腔上，粉末自由落入型腔中。（2）吸入法（7-6b）下模冲位于顶出压坯的位置，送粉器移型腔上，下模冲下降（或阴模一芯棒升起）复位时，将粉末吸入型腔中。（3）过量装粉法（7-6c）芯棒下降到下模冲的位置，粉末落入阴模型腔中后，芯棒升起将多余的粉末顶出，并被送粉器刮走。这种方法适用于成形薄壁零件压坯时。a落入法b吸入法c过量装粉法图7-6自动装粉方法以上各种填料方法的目的只有一个，就是将压坯要求的粉料均匀而准确地装入料腔。2．3．2压制（1）受力情况用图7-7所示的一简单立方体，作为粉末体在压模中受力的示意图。a．压制压力(F总)：施加于上模冲使粉末体成形的力。压制压力主要消耗有两部分：使粉末体致密所需的净压力（F1）和用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力（F2）即：F总=F1+F2图7-7压坯受力示意图b．侧压力(Ｐ侧)：粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个等量、反向的作用力。由于粉末颗粒之间和粉末体与阴模壁之间的摩擦等因素的影响，从而粉末对压模侧面的压力始终小于压制压力。如压制铁粉时，Ｐ侧与F总成正比例关系（Ｐ侧=0.38~0.41F总）。c．外摩擦力：粉末在压模中受压向下运动时，由于侧压力的存在，粉末与模壁之间产生摩擦力，其大小等于摩擦系数与侧压力的乘积。（2）粉末的运动和变形粉末体在压模内受力后，由松装变成致密状态，形成具有一定的形状和强度的压坯。这是由于粉末颗粒受不平衡力作用后产生运动（位移）和变形的结果。a．粉末的位移粉末体在压模中自由松装时，由于粉体颗粒的摩擦力和机械咬合，使颗粒相互搭接，造成比颗粒大很多倍的孔隙，这种现象称为“拱桥效应”，如图7-8所示。粉末体在受力后，粉末体内的“拱桥”遭到破坏，粉末颗粒重新排列位置，彼此填充孔隙，增加接触，粉末体的孔隙度大大降低。粉末颗粒的位移情况，可用如图7-9所示的模型图较形象地表示出来。当然，粉末体在受压状态时所发生的位移情况要复杂得多，可能同时发生几种位移，而且，位移总是伴随着变形而发生的。图7-9粉末位移的几种形式a粉末颗粒的接近b粉末颗粒的分离c粉末颗粒的滑动图7-8“拱桥效应”示意图d粉末颗粒的转动e粉末颗粒历粉碎而产生的移动b．粉末的变形粉末颗粒受力后，相互接触的颗粒运动受阻相互挤压而产生变形，粉末颗粒也如所有固体物质受力变形一样，出现弹性变形、塑性变形和脆性断裂三种情况。粉末的受力情况虽属于三向受力的应力状态，但是造成粉末运动和变形的不平衡力，只有沿压制方向的正压力起作用，压坯受侧压力较正压力小得多。摩擦力与粉末运动方向相反，影响粉末运动速度，而对粉末运动方向不起作用。因此粉末运动及变形的最大特征是：①粉末主要沿压制方向作直线运动，少量的横向移动。②压坯中的孔隙都在横向被压扁。（3）密度的分布及强度的大小a．压坯密度图7-10表示了不同粉末的压力与密度之间的关系。施加压力后，“拱桥”破坏、颗粒位移