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第5章粉末冶金成形5.1粉末冶金基础5.2粉末冶金模具5.3常用粉末冶金材料简介5.4粉末冶金制品结构工艺性返回5.5粉末冶金技术的新发展粉末冶金是以金属粉末(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。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）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；7）压模成本较高。第1节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图5-1所示。5.1.1粉末性能和粉末制备5.1.1.1粉末性能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l以上；胶体微粒：0.1以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。mmμm金属粉末的性能对其成形和烧结过程以及制品的质量都有重大影响。金属粉末的性能可以用化学成分、物理性能和工艺性能来表征。1.粉末的化学成分粉末的化学成分一般是指主要金属或组元的含量、杂质或夹杂物的含量以及气体的含量。金属或合金粉末中的主要金属含量都不能低于98%∼99%。粉末中的杂质主要指：1）与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；2）从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂，如二氧化硅、三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。3）粉末表面吸附的氧、水汽和其他气体（N2、CO2）。2.粉末的物理性能粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒形状与结构、显微硬度、粉末比表面、粉末真密度以及粉末颗粒的晶格状态。在技术条件中，通常只规定各级粉末颗粒的百分含量——粒度组成或筛分组成。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。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。3）粉末比表面：指每克粉末所具有的总表面积，通常用cm2/g或m2/g表示。3.粉末的工艺性能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。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。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。4）成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。5.1.1.2粉末的制备金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。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。物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学或物理的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的工艺过程。还原金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以还原和离解等化学反应为基础的。工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。5.1.2粉末的成形5.1.2.1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。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最基本方法。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。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。混合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。5.1.2.2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，如图5-2是压模示意图。粉末的压缩过程一般采用压坯密度——成形压力曲线来表示，如图5-3所示。压坯密度变化分为三个阶段。滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力增加而急剧增加；二是粉末体出现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显变化；三是当压力超过粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开始变形，从而使其密度又随压力增高而增加。图5-2模压示意图图5-3压坯密度与压力压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发生了变化，由图5-5可知在任何垂直面上，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。因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。a)压制前b)压制后图5-4用石墨粉作隔层的单向压坯a）单向压制b)双向压制图5-5压坯密度沿高度分布图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，如图5-5所示；3）模具设计时尽量降低高径比。粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力机吨位一般为500～5000kN。如图5-6为双向压制衬套的4个工步示意图。5.1.3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。烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状态的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形成了烧结。固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。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，发生炉煤气真空、氢氢氢、真空氢表5-1常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛5.1.4后处理后处理的方法按其目的不同，有以下几种：1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电镀等。3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。第2节粉末冶金模具粉末冶金模具主要是指在粉末压制成形、烧结、后处理等工序中所用到的模具。根据用途可分为：压模、精整模、复压模、锻模、挤压模、热压模、等静压模、粉浆浇铸模、松装烧结模等。按制作材料又可分为：钢模、硬质合金模、石墨模、塑料橡皮模和石膏模等。在工业生产中应用最广泛的是压制、精整、复压和锻造用的钢模及硬质合金模。本节重点介绍压模的几种常见类型。5.2.1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5.2.2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5.2.3摩擦芯杆压模摩擦芯杆压模压制特点：芯杆和上模冲同速同向对着固定的阴模和下模冲移动压缩粉末体，或者是阴模和上模冲同速同向对着固定的芯杆和下模冲运动压缩粉末体。如图5-9所示为套类零件摩擦芯杆浮动压模。一般用于压制较长的薄壁套类零件的压坯。图5-9摩擦芯杆浮动压模组合压模是几种压制方式（如单向压制、双向压制和摩擦芯杆压制等）及其压模结构的综合运用。即在设计压制模具时，综合各种压模的结构特点，设计成多种形状的组合模冲来完成复杂零件的压制成形工序，并采取几种压制方式综合运用来保证压坯质量；所以，组合压模是形式最多且应用最广泛的压模结构。5.2.4组合压模第3节常用粉末冶金材料简介粉末冶金常用来制作减摩材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。5.3.1硬质合金硬质合金是粉末冶金工具材料的一种，主要用于制造高速切削硬而韧材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件。1.硬质合金的性能特点1）具有很高的常温硬度（69～81HRC），高的热硬性(可达900～1000０Ｃ)，优良的耐磨性。2）具有高的抗压强度（可达6000MPa），但抗弯强度较低；3）良好的耐蚀性(抗大气、酸、碱等)和抗氧化性；4）线膨胀系数小。2.切削加工用硬质合金分类、分组代号切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象的范围可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。P适用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志；M适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色全属，以黄色作标志；K适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，以红色作标志。切削加工用硬质合金用途分组代号与硬质合金牌号对照见表5-2，表5-3。3.硬质合金的应用1）用作刀具材料。硬质合金作刀具材料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等；2）用作模具材料。用硬质合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷冲模、冷挤模和冷镦模等；3）用作量具及耐磨零件。如千分尺、块规、塞规等。5.3.2含油轴承材料含油轴承材料是一种具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造轴承零件。这种材料压制成轴承后，放在润滑油中浸润，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛细现象作用下，可吸附大量润滑油(一般含油率为12%～30％)，故称为含油轴承。常用的含油轴承有铁基和铜基含油轴承两类。1）铁基含油轴承是铁-石墨(0.5%～３％)粉末冶金材料或铁-硫(0.5%～1％)-石墨(1%～2％)粉末冶金材料；铁-石墨粉末冶金材料的组织为珠光体(大于40%)十铁索体十渗碳体(小于5%)十石墨+孔隙，硬度30～110HBS。铁-硫-石墨粉末冶金材料的组织除了与铁-石墨粉末冶金材料相同的组织以外还有硫化物，可进一步改善摩擦条件，硬度为35～70HBS。2）铜基含油轴承常用的是青铜粉末与石墨粉