现代粉末冶金技术概述

现代粉末冶金技术兰州金川科技园•粉末冶金技术的特点（优、缺点）•粉末冶金技术发展史•现代粉末冶金技术的特征与发展趋势•粉末冶金技术的主要应用•课程结构与内容现代粉末冶金技术概况采用PM技术制备材料/产品的优点：成形体的致密度可控；多孔材料晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析近型成形，原材料利用率高95%材料组元可控，利于制备复合材料制备难熔金属、陶瓷材料与核材料粉末冶金技术的特点原料粉末成形烧结•PMProductionofnotchsegment（槽型件）fortrucktransmission90铸造3895粉末冶金28.585冷成形4180锻造4950机械加工8210000100材料利用率/％零件的能耗/MJ·kg-1各种生产工艺的材料的利用率与能耗•采用PM技术制备材料/产品的缺点：•原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）；•成形模具成本高；靠产量规模降低费用；•烧结制品残余孔隙影响性能；•氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困难；公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的DehliPiller,重6吨；我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。粉末冶金技术发展史块炼铁技术•随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn(1000年)、Pt粉及Pt块(1800年）；•1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；•1914年WC、MoC粉末出现（德国）；•1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；•1956年后大量铁基、铝基零件上市；•1969年机械合金化技术出现•20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。•技术特征：•技术多样性粉末制备、成形、烧结技术多选择•工艺复杂性•手段先进性压机、烧结炉等设备与最新科技结合•性能优异性•零件复杂性•规模扩大性；成本低廉性现代粉末冶金技术特征与发展趋势•NickelSilverGears,CamsandPawls：P/Mpartsusedinafirealarmbox–density：8.0g/cm3,tensilestrength：234MPa,yieldstrength：138MPa，hardness：90HRH.a50%costsavingscomparedtothepriormethodsofmanufacturing–stampingandmachining世界粉末冶金大会获奖零件•BevelGear/IndexingRatchet–Thepartissuppliedasanetshapewithnosecondaryoperations.Itisfabricatedtoatypicaldensityof6.6g/cm3,andhasayieldstrengthof207MPa(30,000psi),anda63HRBtypicalhardness.P/Mreplacedatwo-piecemachinedandweldedassembly,offeringa70%costsavings世界粉末冶金大会获奖零件•NeedleDriverandDistalClevis–Thepartsaremadetoadensityrangeof7.68-7.72g/cm3.Thedistalclevishasa35-38HRChardnessandanelongationof10%.Tensileyieldstrengthis1100MPa(160,000psi).Theneedledriverhasa38-42HRChardnessrangeandanelongationof8%.Thetensileyieldstrengthis1070MPa(155,000psi).Metalinjectionmoldingofferedacostsavingsof90%comparedtoCNCmachiningthepartsfrombarstock世界粉末冶金大会获奖零件•SynchronizerRingwithFrictionLining–Thepartiswarmcompactedtoadensityofmorethan7.3g/cm3intheteethandmorethan7.1g/cm3intheringbody世界粉末冶金大会获奖零件•发展趋势•辐射领域越来越广材料、应用•工艺过程的变异粉末直接成形•多学科交叉点技术手段、应用领域•朝特异性能、规模化、低成本方向发展粉末冶金技术的主要应用粉末冶金零件市场汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场•典型的汽车用粉末冶金零部件•MainBearingCapSet•VALVESEATANDVALVEGUIDE•CONNECTINGRODS–ConnectingRod(fracturesplit)FordMotorCompanyhasalreadyusedmorethan25millionPowderForged(PF)connectingrods；Totalcostsavingsofover20%arereportedPMConnectingrodusedinBMWengines•OILPUMPGEARS•SYNCHRONISATIONSYSTEM•ROCKERARMS•2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨项目2000年2005年2010年汽车130002100039000摩托车140002000035000家用运输车130001430014700压缩机1405020030洗衣机13001500电风扇24002400电动工具60008000拖拉机69708713合计6811294179•国外市场–世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约为12个。•国内与国外差距–产品水平低•在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS07—8级，形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但一般企业约相差2—3级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距–工艺装备落后•多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业–企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大日本住友电工（株）650人，年产粉末冶金零件24000吨，年销售额近2亿美元，人均年销售额255.4万元人民币；台湾保来得公司530人，年销售额6210万美元，人均年销售额97.25万元人民币。宁波粉末冶金厂400人，年销售额1.2亿元，人均年销售额30万元；扬州保来得公司300人，年销售额1.8亿元，人均年销售额60万元；国内一般粉末冶金厂人均年销售2万元。•粉末制备技术•雾化制粉*•还原法•机械合金化*•气相沉积•溶胶凝胶•自蔓燃反应合成•喷雾热解*•纳米材料与纳米结构?课程结构与内容•粉末成形技术•喷射沉积•注射成形*•挤压成形•粉末锻造•粉末轧制•温压成形*•冷热等静压及特种固结技术•爆炸成形•粉末烧结技术•微波烧结*•反应烧结•液相烧结•超固相线液相烧结•电火花烧结•快速原位成形原料：元素粉末、合金粉末成形：热压（热等静压、挤压...）冷压（模压、冷等静压...）烧结：真空、气氛、外场其它制备技术：复压、精整、熔浸...其它后续处理技术：热处理、机加工...粉末的基本性质一、基本概念（一）名词粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000µm的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙）粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒一次颗粒（单颗粒）（singleparticle）二次颗粒（secondaryparticle）颗粒团（particleagglomerates）：由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（easytodisperse）团粒：造粒的产物（二）粉末颗粒的聚集状态二次颗粒示意图a—单颗粒b—二次颗粒a2—一次颗粒c—晶粒一次、二次颗粒内部都可能存在孔隙a粉末体示意图可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团颗粒之间存在孔隙粉末性能简介（PowderProperties）一、基本概念二、粉末性能三、粉末粒度SchoolofMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineering（一）粉末的化学性能ChemistryProperty化学性质主要指粉末的化学组成（chemicalcomposition）●主要成分（如铁粉中的Fe）含量—对粉末性能有决定影响；●化学组成还包括杂质的种类和含量—对粉末性能也有重要影响。●主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。SchoolofMaterialsScienceandEngineering粉末中的杂质类型●与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素alloyingelements）：Fe-C，Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti，LaNi5（电池材料）等。●原料机械夹杂（mechanicalimpurities）：主要为非金属类机械夹杂物no-metallicimpurities：Si、Al氧化物、硅酸盐等。●表面吸附物（chemicaladsorptionandphysicaladsorption）：水，氧，空气●制粉过程中带进的杂质电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等SchoolofMaterialsScienceandEngineering●机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能，对材料韧性toughness，特别是冲击韧性impactingtoughness性影响显著。●夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的形状shape对材料的力学性能影响不同●表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影响明显。SchoolofMaterialsScienceandEngineering化学成分测定针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。杂质O含量测定：●氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。氢损值=（A-B）/（A-C）x100%A—粉末（5克）加烧舟tray的质量；B—氢气中煅烧后残留remained物加烧舟的质量；C—烧舟的质量●酸不溶物法—ISO-4496（二）粉末的物理性能PhysicalProperties•颗粒形状及结构（Particleshapeandstructure）•颗粒大小（粒度）及粒度组成•比表面积•颗粒密度•颗粒硬度•熔点•热学、电学、磁学、光学性质等1.粉末颗粒形状（Particleshape）（1）颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。☻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颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响（2）颗粒形状的分类（定性描述qualitativedescription）Particleshapeandthesuggestedqualitativedescriptors2.粉末颗粒密度（Particledensity）●真密度:粉末材料理论密度D1●有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2●似密度（表观密度）:包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3D1=m/（V-V孔）=m/（V-V开-V闭）D2=m/（V-V开）D3=m/VV