第五章粉末冶金及其成型

第五章粉末冶金及其成型PowderMetallurgy本章主要内容►粉末冶金基础►粉末冶金工艺过程►粉末注射成型技术►粉末冶金制品的结构工艺性粉末冶金是制取金属粉末（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。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为“金属陶瓷法”。粉末冶金材料或制品种类较多，主要有:难熔金属及其合金（如钨、钨—钼合金）；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）；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）等。常用的粉末冶金材料(1)硬质合金：以高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）粉末为硬质点，加入Co、Mo或Ni等作为粘结剂。用于：刃具、冷作模具、量具和不受冲击和振动的高耐磨零件。(2)烧结减摩材料：铁+石墨、青铜+石墨工作时要求减少摩擦的材料：含油轴承含油轴承特别适宜：不能经常加油的场合。(3)烧结摩擦材料：基体铁、铜+摩擦组元石棉、AL2O3+润滑剂石墨（MoS2）能满足摩擦材料的性能要求用于：机器上的制动带和离合器片等。(4)烧结钢：以碳钢或合金钢粉末为主并用粉末冶金法制成的材料用于：制造电钻齿轮和油泵齿轮等粉末冶金的特点：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）既可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可以制造各种精密的机械零件4）制品强度较低；5）流动性较差，形状受限制；6）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；5.1粉末冶金基础粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处理、成形、烧结及后处理等。粉末冶金材料或制品的工艺流程如下图所示。固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体三类:致密体或常说的固体：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。一.金属粉末的性能1.化学成分金属粉末的化学成分一般是指主要金属或组分、杂质以及气体含量。其中金属通常占98%~99%以上。杂质：主要是氧化物，含量越少越好气体杂质：氢、氧、一氧化碳及氮；增大金属粉末脆性，影响压制性能；真空脱气处理一.金属粉末的性能2.物理性能物理性能主要包括颗粒形状、颗粒大小和颗粒度组成，此外还有颗粒的比表面积、颗粒的密度、显微硬度等。此外，材料熔点、比热、电学、磁学、光学性质。1）颗粒形状：主要由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关；决定粉末工艺性能。•颗粒形状和制粉工艺相关：•球形粉末-----雾化法•多孔粉末-----还原法•树枝状粉末-----电解法•片状粉末-----研磨法粉末形状直接影响粉末的流动性、气体透过性，对压制性及烧结制品的力学性能有显著影响。一.金属粉末的性能2.物理性能2）粒度组成：指不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，又称粒度分布。金属粉末的颗粒大小用筛来测定，用“目”表示。目：每平方英寸筛网上的空眼数目。50目：50×50目数越大，表明颗粒越细。3）粉末比表面积：指每克粉末所具有的总表面积，通常用cm2/g或m2/g表示。粒度越细，比表面积越大。粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、压缩性与成形性来表征。1）松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位体积内粉末的质量，单位为g／cm3。测量方法：流量法，粉末自由落下影响因素：粉末形状、大小、组分等。松装密度影响粉末成型时的压制与烧结，也是压模设计的主要参数。3.粉末的工艺性能2）流动性是50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为s／50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。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，表明粗糙，流动性差密度增加，比重大，流动性增加颗粒组成，细粉增加，流动性差3.粉末的工艺性能3）压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，通常以在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。意义:压坯密度，最终烧结密度和性能影响因素：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合金元素或非金属夹杂，会降低粉末压缩性3.粉末的工艺性能4）成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，通常用粉末得到成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素：颗粒之间的啮合和间隙a不规则颗粒间连接力强，成型性好b颗粒越小，成型性越好；3.粉末的工艺性能二.金属粉末的制备方法1.机械方法机械粉碎雾化法3.化学方法2.物理方法机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成分的方法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的制粒和雾化。蒸汽冷凝法：即将金属蒸汽经冷凝后形成金属粉末，主要用于制取具有大的蒸汽压的金属粉末。还原法、电解法机械粉碎水雾化和气雾化示意图a）水雾化b）气雾化a）b）离心雾化示意图蒸汽冷凝法还原法三.金属粉末的预处理为了具有一定粒度又具有一定物理、化学性能，金属粉末在成型前要经过一些预处理。预处理包括粉末退火、筛分、制粒、加入润滑剂等。退火的目的：使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，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等。筛分的目的：使粉末中的各组元均匀化，也是一种常用的测定粉末粒度的方法。制粒：是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。四.粉末冶金材料的应用及发展四.粉末冶金材料的应用及发展五金工具、大型机械、电子工业、电机制造、化工等等各行各业都有应用。表5-1金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用四.粉末冶金材料的应用及发展五金工具、大型机械、电子工业、电机制造、化工等等各行各业都有应用。表5-1金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用四.粉末冶金材料的应用及发展5.2粉末冶金工艺过程粉末冶金成型过程示意图一.粉末混合粉末混合是将金属或合金粉末与润滑剂、增塑剂等相混合，以获得各种组分均匀分布的粉末混合物。机械法：用各种混合机（球磨机等）将粉末机械地掺和均匀而不发生化学反应。化学法：将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液混合，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、还原等处理而得到均匀分布的混合物。二.金属粉末压制成型1.封闭钢模压制成型方法成型过程：称粉、装粉、压制、保压、脱模在常温下于封闭钢模中或其它容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定形状和尺寸的工艺过程。用规定的比压将粉末成型为压坯的方法图5-1粉末压制过程a)装粉b)压制开始c)压制结束1—下模冲2—阴模3—上模冲图5-3压制方法a)单项压制b)双向压制c)浮动压制单项压制阴模与下冲模不动，仅在上冲模上施加压力，这种方式适用于压制无台阶类厚度较薄的零件。双向压制阴模固定不动，上、下冲模从两面同时加压，特点是上、下冲模相对阴模都移动，模腔内粉末体上受到两个方向压缩。适用于压制无台阶厚度较大的零件。浮动模压制阴模由弹簧支撑着，在压制过程中，下冲模固定不动，一开始在上冲莫加压，当阴模壁与粉末间的摩擦大于弹簧的支撑离力时，阴模与上冲模一起下降，实现双向压制。引下法一开始上冲模压下既定距离，然后和阴模一起下降，阴模的下降速度可以调整。压制过程可分为四个阶段a粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间互相挤紧；b粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒见习中，颗粒开始有变形；c粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；d粉末颗粒加工硬化到达极限状态，进一步增加压力，粉末颗粒被破坏并结晶细化。2.压坯密度压坯密度表示压制对粉末密实的有效程度，是在粉末冶金制品的生产中需要控制的最重要的性能之一。压坯密度分布单向压制时，压坯沿其高度方向上的密度分布是不均匀的。对于圆柱形压模，在任何垂直面上，上层密度比下层密度大。在水平面上，接近上模冲断面的密度分布为两侧大中间小，而远离上模冲断面的密度分布为中间大两侧小。影响压坯密度分布的因素压制力分为净压力和压力损失两部分，其中，压力损失是模压中造成压坯密度分布不均的主要原因。压坯密度大小受到压制压力、粉末颗粒性能、压坯尺寸及压模润滑条件等因素的影响。为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）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；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比。压坯密度与影响因素的关系压坯密度与几个重要变量的关系：（1）压坯密度随压制压力增高而增大，这是因为压制压力促使颗粒移动、变形及断裂。（2）压坯密度随粉末的粒度或松装密度增大而增大。（3）粉末颗粒的硬度和强度降低时，有利于颗粒变形，从而促进压坯密度增大。（4）降低压制速度时，有利于粉末颗粒移动，从而促进压坯密度增大。3.脱模力脱模力：是指使压坯从压模中拖出所需的压力。压坯从压模中脱出后，尺寸会胀大，一般称之为弹性后效或回弹。三.烧结基本原理：定义：压坯置于基体金属熔点以下温度加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化。颗粒聚结过程示意图假设原来有两个半径均为r的球形颗粒，当聚结为一个更大的半径为R的球时，根据体积不变原理，表面积由原来的8πr2变为6.35πr2，是一个表面能减小的过程。也就是说，烧结是一个自发的不可逆过程。固相烧结、液相烧结三.烧结影响因素：烧结温度、保温时间、加热和冷却速度烧结温度过高或或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降目的：依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合，提高烧结体的强度使压坯获得一定物理与力学性能2.烧结工艺预烧:为了保证润滑剂的充分排除以及氧化膜的彻底还原，预烧应有一定时间，且时间长短与润滑剂添加量和压坯大小有关。3.烧结气氛的控制为了避免粉末冶金零件压坯在烧结过程中的氧化、脱碳、渗碳等现象，烧结炉内需要通入可控的保护气氛。烧结：主要因素是烧结温度、烧结时间和大气环境。通常，铁基粉末制品的烧结温度为1000℃-1200℃，烧结时间为0.5h-2h。预热区1段、预热区2段、烧结区、预冷区、冷却区3.烧结气氛的控制4.后处理（1）复压、烧结、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。（2）水蒸气处理、磷化处理、电镀等。（3）精整、机械加工等。（4）熔渗处理，提高产品强度、硬度。还可通过锻压、焊接、切削加工、特种加工等方法进一步改变烧结体的形状或提高精度，以满足零件的最终要求。5.硬质合金粉末冶金成型由硬质基体和黏接金属两部分组成。图5-8硬质合金生产工艺流程5.3粉末注射成型技术•金属粉末注射成型技术(MetalPowderInjectionMolding，简称MIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术。•基本工艺过程是：首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混炼，经制粒后在加热塑化状态下用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。5.3粉末注射成型技术一.特点•金属粉末注射成型技术是集塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科透与交叉的产物，利用模具可注射成型坯件并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状的结构零件。•该工艺技术不仅具有常规粉末冶金工艺工序少、无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了传统粉末冶金工艺制品、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁、复杂结构件的缺点，特别适合于大批量生产小型、复杂以及具有特殊要求的金属零件。汽车发动机油泵齿轮气动电动工具零件汽车玻璃升降器齿轮玩具五金配件汽车减振器部件粉末冶金结构件二.工艺性1.工艺过程金属粉末注射成型基本工艺包括混炼、注射、脱脂、烧结、二次加工等环节。二.工艺性2.粉末要求粉末粒度为微米级以下，以保证均匀的分散度、良好的流变性能和较大的烧结速率，形状近球形。MIM工艺所用金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm；从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗的粉末。MIM粉末原料制备羰