粉末冶金简介

1、粉末冶金及应用实例分析,粉末冶金简介,粉末冶金典型的工艺过程： 1、原料粉末制取； 2、原料粉末经必要的预处理，通过不同的成型技术以获得具有一定形状和尺寸的压坯； 3、将坯件在低于基体金属熔点温度下加热烧结； 4、零件的后续处理。,粉末冶金机械零件传统工艺过程：,粉末冶金机械零件新工艺过程粉末锻造：,优选粉末冶金的基本原则： 1、自润滑性零件：含油轴承类零件，件小量大 2、同一品种大批量的各种结构件：形状复杂，不加工和少加工,粉末冶金零件设计 粉末压坯的形状设计,什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？ 首先要弄清楚粉末材料是如何被成型的：每个台阶对应一个模冲，模冲可以简单理解为能单独运动并施加压

2、力的模具冲头,什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？ 然后根据粉末成型压机的构造、模架、模具的结构，将粉末零件分为6种基本类型：,1、型压坯 指柱状、筒状、板状等形状简单的一类压坯。 通常由：阴模、一个上模冲、一个下模冲（有孔的零件可以带一个芯棒）所组成的模具成型，如下图所示。,2、型压坯 指端部有外凸缘或内凸缘的一类压坯。 通常由：阴模、一个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。,3、型压坯 指上、下端面都有两个台面的一类压坯。 通常由：阴模、两个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。,4、型压坯 指下端面都有三个台面的一类压坯，包括两个外台阶面类和凹槽类。 通

3、常由：阴模、一个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。,5、型压坯 指上部有两个台面，下部有三个台面的一类压坯。 通常由：阴模、两个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型；“上三下四”压坯，是目前粉末冶金成型机可压制成型的、形状最复杂的压坯，如下图所示。,6、型压坯 指压坯带有球面或斜面、侧面工端面带有螺旋齿、多平行孔、支座和连杆等类特殊形状的压坯。 因形状特殊用常规方法无法成型，除考虑密度均匀性，应补偿装粉外，还要考虑成型及脱模需要。,几种压坯形状汇总,思考： 如下的零件能不能用粉末冶金成型法制作？分别是什么类型的？,粉末冶金的压坯形状设计： 粉末冶金的形状千差万别，只有易

4、于粉末冶金的方法压制，才能充分发挥粉末冶金技术的优势，保证产品的质量要求。 制品压坯形状设计是在保证产品使用要求的情况下，从压制过程（装粉、压制、脱模）、模具寿命、压坯质量等方面来考虑。,1、应满足装粉均匀性要求： 制件上不能有薄壁、窄键、尖端等，这些地方难以填充粉末，使压坯密度很不均匀，容易掉边、掉角或变形开裂，还会因受力不均，造成模冲断裂：最小壁厚不能小于1mm，齿厚需要在1mm以上，齿根及顶部要有r0.3以上的过渡圆弧，这样才能是粉末易于流动和均匀充填。,如下图的零件，在压制时，尖角处往往不能成型，应将尖角处设计有r0.3的圆角。图c所示的带台阶零件，为了便于粉末流动和充填，避免尖角处应

5、力集中和开裂，台阶处应设r0.25以上的圆角,2、应满足压坯成型及脱模的需要： 一般压坯成型都是沿压坯的轴向进行的，制品是径向的孔、槽、螺纹和倒锥，通常是不能压制成型的，需要在烧结后用机加工切削来完成，设计时必须将其设计成能压制成型和脱模的形状,这样的零件能不能成型和脱模？,粉末冶金模具示意图,3、应保证模具寿命： 由于铁基烧结结构零件的成型压力一般为600mpa左右，股压模的强度和结构不然会受到一定的限制，设计压坯时应避免在压模结构中出现不坚固部位，同时应力求模具结构简单易于制造 a）小孔压坯：压制极小孔（直径小于2mm或长度长、直径小于3mm）压坯时，芯棒压制时可能弯曲或脱模时被拉长。在进

6、行复压时，由于侧向力、或切向力大，芯棒可能会断裂 b）薄壁压坯：压制薄壁、长零件的模具十分易坏，且模具寿命很短，一般要求压坯壁厚不小于1.5mm，在压制多台阶零件时，为避免模冲因太薄而损坏，压坯台面厚度不小于1.5mm，否则应烧制后用机加工方法来完成，部分情况下可以设计成台阶模腔或台阶芯棒来压制,c）相切圆压坯，台阶圆相切类制品,d）曲面和斜面压坯 具有球形表面的压坯，其中间部位应有一直带（宽度不得小于1mm），避免将模冲末端做成尖角锐边。 对于有拔梢或斜度的压坯为防压制时模具相碰，阴模和模冲或芯棒移动时斜坡相接处塞粉，需要在压制放向上有一长为1mm的平行面,e）带尖角或细窄部分的压坯 模具细

7、窄处强度低，易于在应力集中处断裂，必须将压坯的尖角处设计成圆角，细窄部位应尽量设计成宽度在1mm以上，在拐角处应有圆角过渡，使模具寿命延长，同时可以改善压坯的强度,f）圆角和倒角 为了避免模冲出现尖薄边缘，一般皆采用小于45角和宽度不小于0.125mm的平台，如下图所示。最佳的倒角是取对径向不大于30倒角，这使得模具具有足够的强度，模冲倒角凸出部的破裂降低到最低程度，当倒角的径向角度必须大于30时，最好是在复压时成型出该倒角,特殊压坯形状设计： 随着粉末冶金模具制造水平及压坯成型技术的发展，将制品上的一些特殊形状设计成适合粉末冶金方法直接成型，不仅可以减少制品后续加工量，同时可以简化模具结构，

8、延长模具寿命 a）凸凹台 高度压坯总高度15%的单一凸台和其斜度足够大时，往往可用具有相应凹形面的整冲成型。用这种成型方法压坯凸台与其余部分密度差较大，但模具简单，模具与零件费用较低，且轴向尺寸公差较小，如下图所示，有（a）设计改为（b）设计可以使用此法,b）沟槽 在中低密度的零件上任一端都可以压出沟槽，但需要符合以下条件 半圆形或弧形沟槽深压坯总高度的30% 矩形沟槽平行于压制方向深度压坯总高度的20%,c）孔 零件中位于压制方向，不论多复杂的通孔，都可以单轴向压制，并容易成型，而对于盲孔，则需要注意： 、避免图（a）所示的底面面向凸缘的盲孔形式 、图（b）所示的上端盲孔需要较浅，且有脱模斜

9、度 、图（b）、（c）所示的下端孔可以使用活动芯棒或下模冲成型 、图（d）的异形孔可以成型，单异形难做，改为圆孔会对模具寿命，芯棒制造、模具精度等有较大提高,d）字母、数字标志 零件上的编号、文字及类似标志可以在垂直压制方向的表面上压制出来。如果零件需要进行复压时，也可以在复压作业时将它们压制在零件表面。凸出或凹入的文字都可以压制成型。,不同压坯形状压制面的选择： 压制面是指成型时压坯的方向，其对零件的影响至关重要 1、从压制成型过程来看 a）多台阶压坯：考虑到多台阶的补偿装粉，如下图所示，需要注意：外台阶朝上、内台阶朝下、平端面朝上、小头朝下的原则,b）带有孔槽的压坯：为了便于压坯脱模，应使

10、孔槽平行于压制方向 c）带有特殊形状的压坯：一般将难加工或异形的面放在压制成型的放向，将易加工的结构后续通过机加工实现,2、从保证压坯质量的角度来考虑 a）压坯密度均匀性：如下图（a）由于减小了压坯的长细比，从而可以提高压坯的密度均匀性；图（b）采用凹坑向下的方向压制，可以部分地减少凹坑的装粉，有助于改善密度分布，凹坑越深改善越明显；图（c）凸脐朝上，因上模冲下行，压坯上部密度提高以免因凸脐部分少装粉所带来的密度偏低的不足。,b）提高压坯局部密度：将有螺旋齿的面作为上表面，可以提高齿部密度；将内圆弧及锥齿面向上也有助于提高局部的密度； c）将有精度要求的面放在侧面,d）避免锥面压制皱纹：外锥大

11、头朝上，内锥小头朝上；如图（c）所示，外形用补偿装粉法，内形是用粉末侧向移动成型法,3、考虑生产条件 简化模具结构：图（a1）方式需要上二下二的模具压制，图（a2）则可以使用上一下二的方式压制；对于图（b），在两个台阶相接处有一斜坡，很难解决密度差的问题，如果用仿形装粉法可以大大降低密度差，且模具结构简单，生产效率高，报废少,粉末冶金零件设计 粉末压坯的密度设计,粉末压坯密度大小设计： 一般来说，材料的密度越大，其物理力学性能越高，故常用密度作为粉末冶金材料的分类标准： 低密度：5.6-6.2g/cm3，一般为含油轴承和烧结机械零件，在任何生产条件下均可顺利压制成型 中密度：6.2-6.8g/

12、cm3，选用压制性好的原料，可以一次压制成型 较高和高密度：大于6.8g/cm3烧结零件需要选用压制性好的原材料，如果形状简单，一次成型可以达到6.8-7.1g/cm3，如果零件台阶较多，可以使用复压复烧工艺来实现,小知识： 温压：在传统的粉末冶金设备上采用特制的温压专用粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，将温压专用粉加热到130-150后压制成坯，再经过后续烧结等处理，制取粉末零件。其密度可达7.25-7.5g/cm3，其中以7.3g/cm3密度较易实现 液相烧结：通过加入适量的合金元素，提高烧结温度，在烧结过程中产生一定量的液相，强化烧结，通过液相来填充孔隙，并使烧结产生很大的收缩，

13、以获得密度大于7.4g/cm3的粉末冶金零件 熔渗：将金属熔体靠毛细管力渗入到多空系统中，从而可以获得密度大于7.4g/cm3的粉末冶金零件 热锻：将原料粉末用刚性模具或冷静压成型技术预成型，预烧结或经烧结，在热状态下锻造烧结坯，实现高密度（ 7.4g/cm3 ）的粉末冶金制品的方法,粉末压坯密度均匀设计： 粉末在压制过程中由于其受力情况和运动特点，使压坯密度分布不均匀，即粉末压坯存在密度差。由于烧结体强度决定于密度最小部分，故设计压坯时希望密度差越小越好： 1、等高压坯密度均匀设计 a）细长类零件：如图所示的衬套类零件压坯，在采用单向压制时，其上下密度差达0.46g/cm3，硬度差达25hb

14、，其压溃值低于200mpa；如采用双向压制，其上、下与中间的密度差小于0.13g/cm3，硬度差可以控制在5hb范围内,b）薄壁类零件：如下图所示，二个零件的外径与高度相同，但内径不同，壁厚不同，采用双向压制后，左侧零件整体密度为6.55g/cm3，上端密度为6.62g/cm3，中间密度为6.44g/cm3，下端密度为6.61g/cm3；右侧零件整体密度为6.47g/cm3，上端密度为6.64g/cm3，中间密度为6.33g/cm3，下端密度为6.61g/cm3。可以看出壁厚越小，整体密度越低，上、中、下密度差也越大，这是阴模内壁与芯棒表面对粉末的摩擦阻力增大所致。,c）高精度齿轮零件：对于侧

15、正比大的齿轮（包括带轮、链轮、棘轮等相似零件）类压坯，在压制过程中，齿面对压坯的摩擦阻力很大，使得齿面本身、齿面和心部之间都产生很大的密度差，对于小模数齿轮情况更严重 故齿轮类零件常出现齿面压不实，易出现压形裂纹，烧结变形大，甚至出现烧结裂纹，热处理裂纹等。对于用粉末冶金方法生产的齿轮，往往齿形精度、齿向精度不易达到要求，在设计高精度要求的齿轮零件时，应采取相应的措施控制齿面密度差，如装粉均匀性及压制方式的选择,2、不等高压坯密度均匀设计 a）多台阶类零件： 工作中主要承受载荷的工作段要求有较高强度，所以可以适当提高工作段的密度。如下图所示的带边衬套类零件及带边带轮，它们的台阶边主要起安装限位

16、作用，所以可以用高度限位保证其台阶厚度即可，密度偏差并不影响其使用。,多台阶压坯的各台阶的厚薄差别很大，且台阶形状的复杂程度不同，这会影响各台阶粉末充填量，从而引起各台阶密度不同。如图所示的变速凸轮，其宽窄两处的密度差较大，产生的原因主要有两个方面：一是由于形状复杂，引起装粉不均匀，二是在压形时，台阶处的粉料横向移动，使得宽窄两处装粉比发生了变化，产生了密度差。反映到压坯上就是大端面上色质明显灰、亮度不同，甚至造成大台阶厚薄不均，严重时，制品翘曲、端面各部硬度差较大,当多台阶压坯精度要求高时，即使密度分布均匀，因台阶壁厚及形状差异，由于台阶的压形回弹不同，壁厚的台阶回弹量大，壁薄零件回弹量小。

17、如下图的电机壳体，密度基本均匀时，上端的外径比下端外径大0.06mm；如果上端密度适当小于下端时，上、下端直径差变小，如将密度调到一定范围内，可以使壳体外径直线度小于0.02mm,b）端面异形类零件： 当压坯的端面形状难以用组合模冲成型时，往往将模冲的端面做成凹凸形式，用这种模具成型有较大的密度差，如下图所示，图的零件其整体密度为7.0g/cm3，但齿部密度低至6.62g/cm3，齿背密度为7.03g/cm3；如对压坯形状做一些改变，将图中b处上设计成与a部齿相对应的齿形，如图所示，改变了装粉状况，从而起到调节密度分布的作用。,粉末冶金零件设计 粉末压坯的尺寸及精度设计,压坯的尺寸限制： 1、

18、高度方向的限制：压坯的最大高度决定于压机容许的模具最大装粉深度。 标准机械式压机，在压制能力为0.15-5mn时，最大装粉深度为100-200mm左右，压机的最大装粉深度是根据常用的成型压坯高度确定，和压机的压制能力无关。 压坯高度与装粉深度关系：压坯高度h（mm），压坯密度d（g/cm3），混合料的松装密度a（g/cm3），装粉深度f（mm） f=（dh）/a 式中d/a称为装粉比,2、径向尺寸方向的限制：径向尺寸大小（受压截面积）的上限取决于粉末成型压机的能力，而其下限主要受压模的工作性和成型操作的限制。现在用粉末冶金制造的零件，直径最小1.6mm，最大200mm左右。 压坯在垂直方向的横

19、截面积s（mm2），将粉压到既定压坯密度所需的单位压力p（mpa），则压制成型时，施加于压坯上的总压力p（n）为 p=sp 假定压机的压制能力为pmax（n），则成型压的最大截面积smax（mm2）为 smaxpmax/p 一般铁基粉末零件的单位成型压力约400-700mpa，它除决定于压坯密度外，还因所用铁粉种类、材料组成配比、碳添加量等有关,尺寸及位置精度设计： 1、尺寸精度 a）尺寸取向：单轴向粉末压制时，从轴向施加压力，因此，零件的径向尺寸精度取决于模具尺寸精度；轴向尺寸取决于压机动作精度： 液压机用压力控制，轴向高度偏差约：（0.10-0.15）mm 机械压机由压头行程控制，轴向偏差： （0.03-0.05）mm b）工艺方法：大致分为三个级别，粗、中、精度,烧结工艺的径向精度大致约为it9-11，高度精度大致为it12，烧结件的精度取决于压坯的精度 蒸汽处理对尺寸精度的影响不大 热处理对尺寸精度的影响很大，其程度不小于烧结对尺寸精度的影响 精整：精整几乎使产品的径向尺寸精度提高了一倍，径向尺寸可达到