材料制备技术-粉末冶金

第一节概述第二节粉体制备技术第三节成型技术第三章粉末冶金粉末冶金定义制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的制品的技术科学。汽车变速器系统用粉末烧结钢件:汽车发动机用粉末烧结钢零件金属切削刀片硬质合金刀具：钨基高密度合金Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永磁精细陶瓷制品金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例地质、采矿工具硬质合金，金刚石-金属材料机械加工硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车、拖拉机制造机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机床制造、纺织机械机械零件，多孔含油轴承等机车制造多孔含油轴承，摩擦材料等造船多孔含油轴承，摩擦材料，油漆用铝粉等冶金矿山机械多孔含油轴承，机械零件，等电机制造多孔含油轴承，铜-石墨电刷，硬磁材料精密仪器、仪表零件硬磁材料，软磁材料，功能陶瓷等工业炉电热材料，电真空材料电气和电子工业电接触材料，电真空材料，磁性材料，功能陶瓷无线电和电视磁性材料，功能陶瓷等五金和办公用具机械零件等医疗器械机械零件，特殊器械等化学、石油工业过滤器，防腐零件，催化剂载体等军事工业穿甲弹头，炮弹箍，军械零件等航空摩擦材料，过滤器，粉末超合金等航天和火箭难熔金属及合金，纤维强化材料，发汗材料等原子能工业核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料等常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。粉末冶金发展简史•约3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；•3世纪，印度人用同样方法制得“德里柱”，重达6.5吨；•19世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺；•现代粉末冶金从1909年，W.D.Coolidge的电灯钨丝问世开始。现代粉末冶金发展的三个重要标志：•1909年制造电灯钨丝的技术成功（W粉成形、烧结、锻打、拉丝）；1923年硬质合金研制成功。•20世纪30年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零件•向新材料、新工艺发展：20世纪40年代，金属陶瓷、弥散强化材料（如烧结铝）；60年代末～70年代初，粉末高速钢、粉末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。粉末冶金材料和制品出现年代钨1909难熔碳化物1900～1914电触头材料1917～1920WC-Co硬质合金1923～1925烧结摩擦材料1929多孔青铜轴承1921～1930WC-TiC-Co硬质合金1929～1932烧结磁铁1936多孔铁轴承1936机械零件、合金钢机械零件1936～1946烧结铝1946金属陶瓷（TiC-Ni）1949钢结硬质合金1957粉末高速钢1968与传统材料制备方法的比较IM(IngotMetallurgy)熔铸法熔(melting)、炼(refining)、铸(casting)铸件(castings)机加工(machining)零件铸坯(ingots)塑性成形(plasticforming)热处理(heattreatment)机加工（切削(cutting)）零件挤压(extrusion)、轧制(rolling)、拉拔(drawing)、冲压(punching)、锻造(forging)PM(PowderMetallurgy)粉末冶金法制粉(powdermaking)压型(pressing)烧结(sintering)粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金、材料制备、压力加工、热工、机械、自动控制等学科技术。（一）一般特点1．优点（1）可生产普通熔铸法难于生产的材料①多孔材料（孔隙度可控）；②假合金（如Cu-W）；③复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；④特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越①避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。②钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。（3）对制品成型有明显优势①是一种少切削、无切削工艺（近净成型nearnet-shape）；②可大批量生产同一零件；③形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；④不需或可简化机械的精加工作业；⑤节能、省材；⑥可制造自润滑材料。2．缺点①粉末成本高；②形状、尺寸受到一定限制；③成形模具较贵；一般要生产量在5000～10000个/批，才经济。④烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。与其他成型工艺比较（制造金属结构件）1．和熔铸技术比较粉末冶金优势：①粉末冶金制件表面光洁度高；②制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；③合金化与制取复合材料的可能性大④组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；⑤在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：①形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件）②适于制造大型零件；③零件生产批量小时，经济；④一般说来，工、模具费用低。2．和热模锻技术比较粉末冶金优势：①粉末冶金制件精度比精锻高；②粉末锻造节省材料、重量控制精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；③粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。热模锻优势：①可制造大型零件；②锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末锻造件相当；③可制造形状复杂程度较高的制品。（1）制粉（2）物料准备（3）成形（4）烧结单元系烧结多元系烧结固相烧结液相烧结热压（热等静压）、熔浸等。（5）烧结后处理粉末冶金一般工艺粉末冶金生产工艺2.1金属粉末的性能1、化学成分氧化物:通常，金属粉末的氧化物含量越少越好气体杂质：氧、氢、一氧化碳及氮;真空脱气处理2、物理性能材料熔点,比热,电学,磁学,光学性质,颗粒形状、大小和粒度组成比表面积颗粒密度显微硬度球形,针形,树枝形,粒状,片形,瘤状,多角形,海绵形,不规则形颗粒形状:颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关球形粉末-雾化法Sphericalpowders多孔粉末-还原法Porouspowders树枝状粉末-电解法Dendritepowders片状粉末-研磨法Platepowders松装密度、流动性、压缩性、成形性3、工艺性能1）松装密度apparentdensity（1)Definition:单位体积内自由松装粉末体的质量g/cm3（2）意义:自动压制容积法（3）测量方法:流量法，粉末自由落下（4）影响因素:particleshape，size，andsurfaceconditions，components松装密度测定装置(a)装配图(b)流速漏斗(c)量杯a、粒度粒度小，松装密度小还原铁粉电解铁粉b、颗粒形状形状复杂松装密度小粉末形状影响松装密度，从大到小排列球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形sphere-similarsphere-irregular-dentriticalc、表面粗糙Surfacecoarsed、粒度分布Particlesizedistribution1细分比率增加，松装密度减小;2粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉2）流动性Flowability定义：一定量粉末(50g)流经漏斗所需的时间：sec./50gram意义：影响压制操作的自动装粉盒压件密度均匀性影响因素:颗粒间的摩擦形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加,流动性差同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体,加入成形剂减低粉末的流动性;流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标的;采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性;粉末锥的底角称为naturalangleofrepos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；流动性直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能---制粒工序,改善流动性;3）压缩性Compressiveability(1)定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压力下（30t/inch2）粉末压坯的密度(2)意义:压坯密度，最终烧结密度和性能。(3)影响因素:a颗粒塑性，显微硬度b颗粒形貌：不规则的颗粒压缩性差c密度减少时（空隙增加）压缩性差d合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性4）成型性Formationability定义:粉末压制后，压坯保持既定形状的能力用压坯强度表示意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素:颗粒之间的啮合与间隙a不规则颗粒，颗粒间连接力强,成型性好b颗粒越小，成型性越好;与压缩性影响后果相反,必须综合考虑2.2粉末制备方法机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。固态三种途径：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＋非金属化合物机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。机械研磨法、气流研磨法粉碎的基本形式物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。滚筒式行星式振动式搅动式球磨法在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为，不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质滚筒式球磨转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速V临2。搅动球磨:横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。只要