材料成型第四章课程

第四章,粉末压制和常用复合材料成形过程,美国金属粉末工业联合会（MPIF）将粉末冶金定义为：制造金属（或无机非金属）粉末和利用金属（或无机非金属）粉末生产大块材料和一定形状零件的方法。（TheartsOfproducingmetalpowdersandOftheutilizationOfmetalpowdersfortheproductionofmassivematerialsandshapedobjects）。,典型的粉末冶金技术包括粉末制备和材料成形两大类，前者如雾化技术、化学还原技术、溶胶凝胶技术等；后者包括烧结技术、热等静压、粉末注射成形、激光快速成形等。粉末冶金在零部件制造和材料合成方面具有近型成形（少、无切削）、材料显微组织细小、成分均匀等优点，而且能够制造传统铸造方法无法制备的材料，如多孔材料、复合材料、难熔金属材料和陶瓷材料。因此粉末冶金零部件由于原材料利用率高（达95%），制造成本低，材料综合性能好。,一、粉末冶金发展现状（一）粉末冶金产业发展现状现代粉末冶金产业主要起源于20世纪初。（二）粉末冶金技术发展现状,二、粉末压制成形过程粉末压制是用金属粉末做成原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。其特点是：1、能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。2、材料的利用率很高，接近100%。3、粉末冶金法更为经济。4、粉末冶金适宜于大批量生产的零件。,生产技术流程如下：原材料粉末配混压制成形烧结添加剂制品其他处理加工制品,（一）金属粉末的制取及其特性1、金属粉末的制取（1）矿物还原法：金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。（2）电解法：采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。（3）雾化法：将熔化的金属液通过喷射气流、水蒸气或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到的金属粉末。（4）机械粉碎法：钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末。,2、金属粉末的特性（1）化学成分（2）颗粒形状和大小：通常，粉粒以球状或粒状为好。（3）粒度分布（4）技术特征松装密度流动性压制性,（二）粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。,（三）压制成形1、钢模压制：指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。2、流体等静压制：利用高压液体同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。3、三向压制：综合了单向钢模压制和等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。它它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形等。另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制新产品，如杆件、棒料等。,（四）压坯烧结1、烧结烧结过程在专用的烧结炉中进行，主要技术因素为烧结温度、保温时间、与炉内气氛。2、固相烧结与液相烧结固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态。液相烧结指烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点，高温下出现固、液共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。3、烧结过程中可能发生的问题（1）翘曲：一般是由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体中的密度分布不均造成的。（2）过烧：它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。,（五）烧结后的其他处理及加工1、渗透（熔渗）把低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法叫渗透。通过渗透可获得致密制品，此法也可用于烧结体的补充处理。2、复压将烧结后的粉末压制件放到压形模中压一次，叫复压。它可起一定的校形作用。,3、粉末金属锻造以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。4、精压对于某些制品，为了严格保证其尺寸精度，及进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序。,5、其他后续处理（1）压制+烧结（2）压制+烧结+复压（3）压制+预烧结+精压+烧结（4）压制+预烧结+精压+烧结+复压,三、粉末压制产品及应用（一）粉末压制机械结构零件粉末压制机械结构零件又称烧结结构件，这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。在汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。,（二）粉末压制轴承材料1、多孔含油轴承材料是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料，用作轴承、衬套等。常用的有铁石墨和青铜石墨含油轴承材料。2、金属塑料减磨材料这是一种具有良好综合性能的无油润滑减磨材料。这种材料的特点是工作时不需润滑油，有较宽的工作温度范围。,（三）多孔性材料及摩擦材料1、多孔性材料多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒以及一些灭火装置等。过滤器是最典型的制品，主要用来过滤燃料油、交换空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。常使用的粉料有青铜、镍、不锈钢等。2、摩擦材料摩擦材料用来制作刹车片、离合器片等，用于制动与传递扭矩。粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。,（四）硬质合金硬质合金是将一些难熔的金属碳化物和金属粘结剂粉末混合，压制成形，并经烧结而成的一类粉末压制制品。硬质合金硬度高、热硬性好，耐磨性好，用硬质合金制作刀具，寿命可提高58倍，切削速度比高速钢高十几倍。但由于硬质合金硬度太高且又较脆，很难进行机械加工因而，常将硬质合金制成一定规格的刀片，镶焊或装夹在刀体上使用。硬质合金还广泛用于制作模具、量具和耐磨零件等。,硬质合金有三类：1、钨钴类：主要组成为碳化钨和钴，有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具。含钴越高，强度和韧度越好，而硬度、耐磨性降低，因此，一般多用作粗加工。2、钨钴钛类：主要组成为碳化钨、碳化钛和钴。此类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，因而硬度高，热硬性也较好，故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样含钴量较高的用作粗加工。3、钨钽类：主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽和钴。其特点是抗弯强度高。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。,（五）粉末压制钢结硬质合金及高速钢1、钢结硬质合金其主要特点是：（1）合金的基本组成是碳化物加合金钢。（2）具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能。（3）在力学性能上不仅保持了合金钢和硬质合金的基本特性，且还有不同程度的发展。,2、粉末压制高速钢高速钢是一种用量较大的工具钢，高速钢的含碳量尤其是合金元素含量较高，属于莱氏体钢，其分布极不均匀且粗大。即使经过热轧或锻造后，碳化物的偏析及不均匀度仍然较严重，这对高速钢的使用性能与技术性能带来不良影响。生产粉末压制高速钢粉粒的方法主要是雾化法。通过粉末压制过程生产的粉末高速钢坯料可进行锻造，以改变外形尺寸并适当地提高密度。,（六）耐热材料及其它材料1、难熔金属耐热材料难熔金属耐热材料是指熔点越过2000度以上的金属。这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉末。2、耐热合金材料以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加