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粉末冶金成形粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比，具有以下特点：1．粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。2．提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。3．利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。粉末冶金的品种繁多，主要有：钨等难熔金属及合金制品；用Co、Ni等作粘结剂的碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）等硬质合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的钻头、车刀、铣刀，还可制造模具等；Cu合金、不锈钢及Ni等多孔材料，用于制造烧结含油轴承、烧结金属过滤器及纺织环等。随着粉末冶金生产技术的发展，粉末冶金及其制品将在更加广泛的应用。1粉末冶金基础知识⒈1粉末的化学成分及性能尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体通常称为粉末，其计量单位一般是以微米（μm）或纳米（nm）。1.粉末的化学成分常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末，要求其杂质和气体含量不超过1%～2%，否则会影响制品的质量。2.粉末的物理性能⑴粒度及粒度分布粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒，即二次颗粒。图7.1.1描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。实际的粉末颗粒体中不同尺寸所占的百分比即为粒度分布。⑵颗粒形状即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等，可以通过显微镜的观察确定。⑶比表面积即单位质量粉末的总表面积，可通过实际测定。比表面积大小影响着粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。3.粉末的工艺性能粉末的工艺性能包括流动性、填充特性、压缩性及成形性等。⑴填充特性指在没有外界条件下，粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。粉末的填充特性与颗粒的大小、形状及表面性质有关。⑵流动性指粉末的流动能力，常用50克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。流动性受颗粒粘附作用的影响。⑶压缩性表示粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位压力下所达到的压坯密度表示，在标准模具中,规定的润滑条件下测定。影响粉末压缩性的因素有颗粒的塑性或显微硬度，塑性金属粉末比硬、脆材料的压缩性好；颗粒的形状和结构也影响粉末的压缩性。⑷成形性指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末能够成形的最小单位压制压力表示，或用压坯的强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构的影响。1.2粉末冶金的机理1.压制的机理压制就是在外力作用下，将模具或其它容器中的粉末紧密压实成预定形状和尺寸压坯的工艺过程。钢模冷压成形过程如图7.1.2所示。粉末装入阴模,通过上下模冲对其施压。在压缩过程中，随着粉末的移动和变形，较大的空隙被填充，颗粒表面的氧化膜破碎，颗粒间接触面积增大，使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强，从而形成具有一定密度和强度的压坯。2.等静压制压力直接作用在粉末体或弹性模套上，使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。按其特性分为冷等静压制和热等静压制两大类。⑴冷等静压制即在室温下等静压制，液体为压力传递媒介。将粉末体装入弹性模具内，置于钢体密封容器内，用高压泵将液体压入容器，利用液体均匀传递压力的特性，使弹性模具内的粉末体均匀受压。因此，冷等静压制压坯密度高，较均匀，力学性能较好，尺寸大且形状复杂，已用于棒材、管材和大型制品的生产。⑵热等静压制把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中，施以高温和高压，使这些粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。在高温下的等静压制，可以激活扩散和蠕变现象的发生，促进粉末的原子扩散和再结晶及以极缓慢的速率进行塑性变形，气体为压力传递媒介。粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，制品的压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，制品的致密度和强度高，且均匀一致，晶粒细小，力学性能高，消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，形状和尺寸不受限制。但热等静压机价格高，投资大。热等静压制已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金和金属陶瓷等制品的生产。3.粉末轧制将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料。这些坯体经预烧结、烧结，再轧制加工及热处理等工序，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板带材。粉末轧制制品的密度比较高，制品的长度原则上不受限制，轧制制品的厚度和宽度会受到轧辊的限制；成材率高为80%～90%，熔铸轧制的仅为60%或更低。粉末轧制适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。4.粉浆浇注是金属粉末在不施加外力的情况下成形的，即将粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的悬浮剂有聚乙烯醇、甘油、藻肮酸钠等，作用是防止成形颗粒聚集，改善润湿条件。为保证形成稳定的胶态悬浮液，颗粒尺寸不大于5μm～10μm，粉末在悬浮液中的质量含量为40%～70%。粉浆成形工艺参见本书6.2.2。5.挤压成形将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下（40℃～200℃）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可获得长度方向密度均匀的制品。挤压成形能挤压出壁很薄直经很小的微形小管，如厚度仅0.01mm，直径1mm的粉末冶金制品；可挤压形状复杂、物理力学性能优良的致密粉末材料，如烧结铝合金及高温合金。挤压制品的横向密度均匀，生产连续性高，因此，多用于截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻等）。6.松装烧结成形粉末未经压制而直接进行烧结，如将粉末装入模具中振实，再连同模具一起入炉烧结成形，用于多孔材料的生产；或将粉末均匀松装于芯板上，再连同芯板一起入炉烧结成形，再经复压或轧制达到所需密度，用于制动摩擦片及双金属材料的生产。将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下（40℃～200℃）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可获得长度方向密度均匀的制品。7.爆炸成形借助于爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。爆炸成形的特点是爆炸时产生压力很高，施于粉末体上的压力速度极快。如炸药爆炸后，在几微秒时间内产生的冲击压力可达106MPa（相当于107个大气压），比压力机上压制粉末的单位压力要高几百倍至几千倍。爆炸成形压制压坯的相对密度极高，强度极佳。如用炸药爆炸压制电解铁粉，压坯的密度接近纯铁体的理论密度值。爆炸成形可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料，如难熔金属、高合金材料等，还可压制普通压力无法压制的大型压坯。除上述方法外，还有注射成形及热等静压制新技术等新的成形方法。2.烧结的机理烧结是粉末或压坯在低于其主要组分熔点温度以下的热处理过程，目的是通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。随着温度升高，粉末或压坯中产生一系列的物理、化学变化：水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原等，接着粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动。随着颗粒间接触面的增大，会产生再结晶和晶粒长大，有时出现固相的熔化和重结晶。以上各过程常常会相互重叠，相互影响，使烧结过程变得十分复杂。烧结过程中制品显微组织的变化如图7.1.3所示。2粉末冶金工艺2.1粉末制备金属粉末的制备方法分为两大类：机械法和物理化学法。还有新研制的机械合金化法，汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决定着粉末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。2.2粉末的预处理粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。1.退火粉末的预先退火可以使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为金属熔点的0.5～0.6K。通常，电解铜粉的退火温度约为300，电解铁粉或电解镍粉的约为700℃，不能超过900℃。退火一般用还原性气氛，有时也用真空或惰性气氛。2.分级将粉末按粒度大小分成若干级的过程。分级使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适应成形工艺要求，常用标准筛网筛分进行分级。3.混合指将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。混合基本上有两种方法：机械法和化学法，广泛应用的是机械法，将粉末或混合料机械的掺和均匀而不发生化学反应。机械法混料又可分为干混和湿混，铁基等制品生产中广泛采用干混；制备硬质合金混合料则常使用湿混。湿混时常用的液体介质为酒精、汽油、丙酮、水等。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。常需加入的添加剂，用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂（汽油、橡胶溶液、石蜡等），用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的润滑剂（硬质酸锌、二硫化钼等）。4.制粒将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。常用的制粒设备有振动筛、滚筒制粒机、圆盘制粒机等。2.3成形成形是将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程。常用的成形方法有模压、轧制、挤压、等静压、松装烧结成形、粉浆浇注和爆炸成形等。1.模压即粉末料在压模内压制。室温压制时一般需要约1吨/厘米2以上的压力，压制压力过大时，影响加压工具；并且有时坯体发生层状裂纹、伤痕和缺陷等。压制压力的最大限度为12—15吨／厘米2。超过极限强度后，粉末颗粒发生粉碎性破坏。图7.2.1常用的模压方法1、8—固定模冲2、6—固定阴模3—粉末4、5、7、10—运动模冲9—浮动阴模常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。⑴单向压制即固定阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制的方法，如图7.2.1(a)所示。单向压制模具简单，操作方便，生产效率高，但压制时受摩擦力的影响，制品密度不均匀，适宜压制高度或厚度较小的制品。⑵双向压制阴模中粉末在相向运动的模冲之间进行压制的方法，如图7.2.1(b)所示。双向压制比较适宜高度或厚度较大的制品。双向压制压坯的密度较单向压制均匀，但双向同时加压时，压坯厚度的中间部分密度较低。⑶浮动压制浮动阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制，如图7.2.1(c)。阴模由弹簧支承，处于浮动状态，开始加压时，由于粉末与阴模壁间摩擦力小于弹簧支承力，只有上模冲向下移动；随着压力增大，当二者的摩擦力大于弹簧支承力时，阴模与上模冲一起下行，与下模冲间产生相对移动，使单向压制转变为压坯的双向受压，而且压坯双向不同时受压，这样压坯的密度更均匀。2.4烧结1.烧结的方法不同的产品、不同的性能烧结方法不一样。⑴按原料组成不同分类。可以将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结。单元系烧结是纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物(Al2O3、B4C、BeO、MoSi2等)熔点以下的温度进行固相烧结。多元系固相烧结是由两种