机械制造基础第七讲粉末冶金成形

第5章粉末冶金成形第一节粉末冶金基础第二节粉末冶金模具第三节常用粉末冶金材料简介第四节粉末冶金制品结构工艺性第五节粉末冶金技术的新发展碳的熔点：3550℃钨的熔点：3410℃钨灯丝是如何制造的？钨棒钨丝拉拔钨的熔点为3410℃，钨棒材如何制造？1909年美国的库利吉发明粉末冶金方法制造钨丝，其生产工艺过程：①将仲钨酸铵在500℃左右的空气中焙烧成三氧化钨②在630℃左右用氢气还原成二氧化钨③在820℃左右还原成金属钨粉④将取得的掺杂钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条⑤把方条在氢气中通电，用自电阻加热(温度达3000℃左右)的方法进行烧结，（烧结后钨条的密度可达到理论值的85%以上）⑥将这种钨条用旋锻方法加工成直径为3mm左右的钨棒⑦然后进一步用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。（例如220V、15W的白炽灯用的钨丝直径约为15µm）多孔金属材料如何制造？切削刀具材料工具钢高速钢硬质合金普通硬质合金涂层硬质合金PVDCVD陶瓷非金属陶瓷金属陶瓷超硬材料CBNPCD碳素工具钢合金工具钢硬质合金的微观形貌（×3000倍）硬质合金车刀硬质合金的性能特点：•硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC，高速钢为63～67HRC，工具钢为60HRC）；•热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）；•耐磨性好。硬质合金刀具硬质合金刀具的切削速度可达100～200m/min，比高速钢切削速度高3～5倍，比工具钢高20～30倍；刀具寿命比高速钢高5～8倍，比工具钢高20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体就是硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，使切削速度提高20~70%，寿命提高3~5倍。硬质合金是把难熔金属（钨、钽、钛、钼、铌等）的碳化物硬质颗粒，跟钴或镍的粉末混合后压制成型，再经烧结制成。硬质合金是如何制造的？表1几种成形、加工方法经济性比较方法材料利用率（%）单位能耗/（J/kg）铸造9030～38粉末冶金9529冷锻8541热锻75～8046～49机械加工40～5066～82零件名称零件金属消耗量/t相对劳动量1000个零件的相对成本机械加工粉末冶金机械加工粉末冶金机械加工粉末冶金液压泵齿轮1.80~1.901.05~1.101.00.31.00.5钛制紧固螺母1.85~1.951.10~1.121.00.51.00.5黄铜制轴承保持架1.75~1.851.15~1.131.00.451.00.35飞机导线用铝合金固定架1.85~1.951.05~1.091.00.351.00.4表2几种成形、加工方法经济性比较粉末冶金的概念是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金的特点：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；唯一性主要体现在:①难熔金属及其合金（如钨、钨—钼合金）；②难熔的化合物和金属组成的各种复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）；③组元彼此不相溶、熔点十分悬殊的特殊性能材料（如钨—铜合金型电触头材料）等。粉末冶金的特点：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；2）可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削生产工艺；3）节约材料和加工工时，成本低。4）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；5）压模成本较高，适合批量生产；6）制品强度较低；7）流动性较差，形状受限制。粉末制备烧结成形工序粉末混合粉末冶金成形主要工序后序处理清洗包装机械方法、物理方法、化学方法加入必要的润滑剂或合金元素浸油、整形、少量加工第一节粉末冶金基础一、粉末性能和粉末制备（一）粉末性能固态物质按分散程度不同分为致密体、粉末体和胶体：致密体（亦即常说的固体）：粒径在lmm以上；胶体微粒：0.1μm以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。铁粉铁粉的粒度：铁粉按分散程度不同分为粗粉、中等粉、细粉、微细粉和超细粉五个等级：粒度为150～500μm范围内的颗粒组成的铁粉为粗粉粒度在44～150μm为中等粉10～44μm的为细粉0.5～10μm的为极细粉小于0.5μm的为超细粉分级方法：旋振筛分级、气流分级金属粉末筛料机原料粉末其它添加剂混合松装烧结（石膏模）粉末浇注模压成形预烧结烧结二次模压二次烧结整形高温烧结锻造拉丝烧结锻造轧制挤压冷等静压轧制挤压烧结热压热挤压热等静压后续处理（选择）：浸渍热处理电镀机械加工粉末冶金材料、制品图5-1粉末冶金材料或制品的工艺流程（二）粉末的制备金属粉末的制取方法可分成三大类：机械法、物理、化学法。机械研磨气流研磨液体雾化蒸发凝聚气相沉积还原化合电化学法粉末的制备机械制粉化学制粉物理制粉制备粉末的三种途径：固态液态粉末气态固态粉末1、金属（合金）→金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀2、金属氧化物（盐类）→金属粉末：还原法3、金属＋非金属化合物→金属化合物粉末：还原－化合法金属氧化物＋非金属化合物液态粉末1、液态金属（合金）→金属粉末：雾化法2、金属盐溶液→金属粉末：置换法，溶液氢还原法，水溶液电解法3、金属熔盐→金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法雾化机理雾化聚并凝固旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：旋转轮法旋转杯法气态粉末1、金属蒸汽→金属粉末：蒸汽冷凝法2、气态金属羰基物→金属粉末：羰基物热离解法3、气态金属卤化物→金属粉末：气相氢还原法4、气态金属卤化物→金属化合物粉末：化学气相沉积法2)nMeClHMeHCl（气）（气）（固）（气433442SiClNHSiNHCl气固气气固气气HClTiCHHCTiCl63228342)nMeClHMeHCl（气）（气）（固）（气433442SiClNHSiNHCl气固气4382236TiClCHHTiCHCl气气固气43222510TiClBClHTiBHCl气气5422248216MoClSiClHMoSiHCl沉积物沉积剂沉积温度，℃气氛碳化物TiCBCSiCNbCWCTiCl4十CH4或C6H5CH3BCl3十CH4SiCl4十CH4NbCl5十CH4WCl6十C6H5CH3或CH41100~12001100~17001300~1500~10001000~1500H2H2H2H2H2硼化物TiB2ZrB2VB2TaBWBTiCl4十BBr3或BCl3ZrCl4十BBr3成BC3VCl4十BBr3或BCl3TaCl5十BBr3或BCl3WCl6十BBr3或BCl31100~13001700~2500900~13001300~1700800~1200H2H2H2H2H2硅化物MoSi2MoCl5十SiCl4或Mo十SiCl41100~1800H2氮化物TiNBNTaNTiCl4BCl3TaCl51100~12001200~1500~1200N2十H2N2十H2N2十H2一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件化学还原法243434COFeCOOFeOHWHWO22333氢还原法：碳还原法：223234232COAlNNCOAlOHWCHCWO22333还原化合法一、电化学制粉分类v水溶液电解v有机电解质电解v熔盐电解v液体金属阴极电解电化学制粉法铁粉的铁氧化物还原法工艺流程铁矿粉磁选筛分球磨破碎烘干煤粉石灰石烘干装罐一次还原清洗破碎破碎筛选磁选二次还原磁选破碎筛分分级称重、包装发运滚筒式球磨机振动球磨机靶式气流磨机1.加料斗；2.高压气体；3.靶板；4.被粉碎物料与气流出口二、粉末的成形（一）成形方法成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。松装烧结粉浆浇注模压成形热压成形等静压成形轧制成形离心成形挤压成形爆炸成形成形无压成形加压成形☻按成形过程中有无压力：有压（压力）成形、无压成形☻按成形过程中粉末的温度：冷压（常温）成形、温压成形、热成形☻按成形过程的连续性：间歇成形、粉末连续成形☻按成形料的干湿程度：干粉压制、可塑成形、浆料成形●成形方法的其他分类模压成形的主要功用是：将粉末成形出所要求的形状；赋予压坯以精确的几何尺寸；赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型；赋予压坯以适当的强度以便于搬运。1、粉末预处理预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，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。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程；可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。(二）压制成形2、压制成形压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图5-2模压示意图2、压制成形粉末的压缩过程一般采用压坯密度——成形压力曲线来表示，压坯密度变化分为三个阶段。图5-3压坯密度与压力滑动阶段（第Ⅰ阶段）：颗粒位移，填充孔隙压力增加，密度快速增加平衡阶段（第Ⅱ阶段）：压力续增加，压坯密度增加不明显颗粒变形阶段（第Ⅲ阶段）：压力超过一定值，压力升高，压坯密度继续增加压坯的缺点——密度分布不均匀：a)压制前b)压制后图5-4用石墨粉作隔层的单向压坯图5-2单向模压示意图（一）压坯密度分布不均匀的现象仅通过上模冲加压的单向压制Ni粉压坯：H：17.5；D：20；700MPa内部压力沿径向和轴向分布等位线图分布特点：在垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。返回文档a)填充粉料b)双向压坯c)上冲模复位d)顶出坯块图5-6双向压制粉末冶金坯块工步示意图a）单向压制b)双向压制图5-5压坯密度沿高度分布图压坯密度分布不均匀的产生原因●外摩擦力（压力损失）●内摩擦力●侧压力●压制方式●压坯形状与尺寸●压模结构与设计●润滑直接影响压制压力的传递和局部压力的大小间接影响压制压力的传递和局部压力的大小二、改善压坯密度分布不均匀性的措施1）选区合适的压制方式☆H/D≤1，而H/δ≤3时，可采用单向压制；☆H/Dl，而H/δ3时，采用双向压制；☆H/D4～10时，采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压模压制、引下式压模压制等☆对于很长的制品，需采用特殊成形（等静压、挤压等）2）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具；3）模具设计时尽量降低高径比。一、单向压模单向压模在压制过程中，相对于阴模运动的只有一个模冲，或是上模冲或是下模冲。如图5-7是压制轴套类压坯的单向手动压模，其基本组成部分有阴模、上模冲、下模冲和芯杆。一般只用来生产高度不大（高径比H/D＜1），形状简单的零件。图5-7单向手动压模二、双向压模双向压制的特点是：上下模冲相对阴模都有移动，模腔内粉末体受到两个方向的压缩，或下模冲固定不动，由上模冲和阴模对着下模冲做不同距离的移动，实现双向压制。如图5-8所示为压制套类压坯的双向手动压模。一般用来生产实体类压坯的高径比H／D＞1或管套类压坯的高度与壁厚之比H／T＞3的零件。图5-8双向手动压模三、烧结烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”的废品；如烧结温度过低或时间过短，则产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓“欠烧”的废品。粉冶材料铁基制品铜基制品硬质合金不锈钢磁性材料(Fe-Ni-C0)钨、铝、钒烧结温度℃1050-2000700-9001350-1550125012001700-3300烧结气氛发生炉煤气，分解氨分解氨，发生炉煤气真