材料工程基础第十章

1、 307 第十章粉末冶金 粉末冶金是用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料，经压制、烧结等工序， 制造某些金属制品或金属材料的方法。它既是一种生产特种金属材料的方法，又是一种少、 无切削生产金属零件的新工艺，所以，在机器制造业中应用越来越广。 粉末冶金和金属的熔炼及铸造方法有根本的不同。它是先将均匀混合的粉料压制成型， 借助于粉末原子间吸引力与机械咬合作用，使制品结合为具有一定强度的整体；然后再在 高温下烧结，由于高温下原子活动能力增加，使粉末接触面积增多，进一步提高了粉末冶 金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。粉末冶金材料存在一些微小的孔隙，它属 于多孔性材料。 粉末冶金可以制出组

2、元彼此不熔合、熔点十分悬殊的烧结合金（如钨-铜的电触点材料）； 能制出难熔合金（如钨-钼合金）、难熔金属及其碳化物的粉末制品 （如硬质合金）、金属与陶 瓷材料的粉末制品（如金属陶瓷）。粉末冶金可直接制出质量均匀的多孔性制品，如含油轴 承、过滤元件等；能直接制出尺寸准确、表面光洁的零件，一般可省去或大大减少切削加 工工时，因而制造成本可显著降低。这种方法也有一些缺点，如由于粉末冶金制品内部总 有空隙，因此普通粉末冶金制品的强度比相应的锻件或铸件约低20%30%;成形过程中 粉末的流动性远不如液态金属，因此对产品形状有一定限制；压制成形所需的压强高，因 而制品一般小于10kg ;压模成本高，只适用

3、于成批或大量生产的零件。 目前，粉末冶金常用来制造含油轴承、齿轮、凸轮、刹车片、硬质合金刀具、接触器 或继电器上钨铜触点、耐极高温度的火箭与宇航零件等。 在粉末冶金制品中，粉末的压实和烧结是重要的工序, 10. 1 . 1粉末的 压实 我们必须对其原理有所了解。 图10-1压制铁粉时密度及压缩比与压实压力之间的关系 10. 1粉末冶金基础 粉末冶金制品 的特性是由其所要 求的密度、强度等 性能来决定的，而 密度与粉末的压实 压力有着密切的联 系，见图 10-1a。 从图中可以看出， 制品密度随粉末压实压力的增加而提高。从图10-1b也可以看出，压实时的压缩比（即压实 前的原始高度与压实后的高度

4、之比）随粉末压实压力的增加而提高。一般情况下，压缩比必 须达到2. 62. 8，而相应的密度可达 67g/cm3。在工业生产中，将近 90%粉末冶金制 品的密度为5. 76. 8 g/cm3,这些制品具有非常优良的力学性能。 （单向加压），如图10-2a所示，由于粉末各个颗 当用一个可运动的冲头进行粉末压实时 粒之间以及颗粒与模具侧壁之间的摩擦， 越近，则其密度越大；如果离冲头越远， 制品才能用单向压实来获得均匀密度。 均匀的密度。为了获得很好的密度分布， 之间。 a）单向加压 z. b）双向加压 导致了制品产生不均匀的密度分布。制品离冲头 则密度越小。因此，只有近似平面形状或很薄的 如果从两

5、边加压（双向加压）,如图10-2b则可获得更 在双向加压时，可使压实前的高宽比保持在22.5 图10-2 粉末压实 10. 1. 2烧结原理 “烧结”这一术语涉及两个过程，即导致半成品强度的增加及气孔率降低。烧结时最 主要的因素是温度、时间和大气环境，烧结后所得到的性能受到粉末材料、颗粒尺寸及形 状、表面特性以及实际压实压力的影响。 如果烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，则产生固相烧结。如果烧结发生在两种 组成成分熔点之间，则产生液相烧结。固相烧结用于结构件，液相烧结用于特殊的产品。 烧结的机理是，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

6、温，为粉末原子所贮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。 普通铁基粉末冶金轴承烧结时不出现液相，属于固相烧结，而硬质合金与金属陶瓷制 品的烧结过程将出现液相，属于液相烧结。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；此时，液、固相间的比例，以及有无良好的湿润 性对制品的性能有着重要影响。例如，硬质合金中的钴（粘结剂），在烧结温度下要熔化， 它对硬质相金属键的碳化钨有最好的湿润性，所以钨钴类硬质合金既有高硬度，又有较好 强度；而钴对非金属健的氧化铝、氮化硼之类的湿润性很差，所以目

7、前金属陶瓷的硬度虽 高于硬质合金，而强度却低于硬质合金。 102 粉末冶金的主要工序 粉末冶金制品生产包括粉末的制备、筛分与混合、压制、烧结、后处理等工序。 10 21 粉末的制备 机械行业所用的粉末一般由专门生产粉末的工厂按规格要求来供应。在制造粉末时， 通常用以下几种方法。 1 机械方法 对于脆性材料通常采用球磨机破碎制粉；另外一种应用较广的方法是雾化法，它是使 熔化的液态金属从雾化塔上部的小孔中流出，同时喷入高压气体，在气流的机械力和急冷 作用下，液态金属被雾化、冷凝成细小粒状的金属粉末，落入雾化塔下的盛粉桶中。 2物理方法 常用蒸汽冷凝法，即将金属蒸气冷凝而制取金属粉末。例如，将锌、铅

8、等的金属蒸气 通过冷凝便可获得相应的金属粉末。 3化学方法 常用的化学方法有还原法、电解法等。 还原法是从固态金属氧化物或金属化合物中还原制取金属或合金粉末。它是最常用的 金属粉末生产方法之一，方法简单，生产费用较低。如铁粉和钨粉，便是由氧化铁粉和氧 化钨粉通过还原法生产的。铁粉生产常用固体碳将其氧化物还原，钨粉生产常用高温氢气 将其氧化物还原。 电解法是从金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。 它的成本要比还原法和雾化法高得多。 因此，仅在其特殊性能 （高纯度、高密度、高可压缩性 ）得以利用时才使用。 10 22 筛分与混合 筛分与混合的目的是使粉料中的各组元均匀化。 在筛分时，如果粉末越细，那么

9、同样重量粉末的表面积就越大，表面能也越大，烧结 后制品密度和力学性能也越高，但成本也较高。 粉末应按要求的粒度组成与配合进行混合。在各组成成分的密度相差较大且均匀程度 要求较高的情况下，常采用湿混。例如，在粉末中加入大量酒精，以防止粉末氧化。为改 善粉末的成形性与可塑性， 还常在粉料中加入增塑剂， 铁基制品常用的增塑剂为硬脂酸锌。 10 23 压 制 压制是将松散的粉末置于封闭的模具内加压，使之成为具有一定形状、尺寸、密度与 强度的坯块，以便烧结。压制是粉末冶金的关键工序，它对产品密度有很大影响，密度越 大，粉末冶金零件的强度越高。压制的比压一般约为150600MPa。粉末的压制可在普通 机械

10、式压力机或液压机上进行，常用的压力机吨位为5005000kN。据报导，国外已出现 30000kN高速机械压力机，可压制814kg的零件，生产率为20件/min。 由于粉末的流动性不好，压坯各向的密度是不均匀的。单向压制时，与上冲模接近的 压坯部分密度大，离上冲模较远的部分密度小，采用双向压制时，则可减少压坯各部分的 密度差异。 图10-3为双向压制衬套的四个工步示意图。 上冲椎 阴模 a）充填粉料 b）双向压坯 d）顶出坯块 C）上冲模复位 图10-3双向压制粉末冶金坯块工步示意图 10. 2. 4烧结 由粉末压制出的坯块称为压坯，其强度很低，还必须进行烧结，使其获得一定的强度 后才能使用。烧

11、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 定物理与力学性能的工序。烧结也是粉末冶金的关健工序。 烧结时为了防止压坯氧化，通常是在保护性气氛或真空的连续式烧结炉内烧结。常用 粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表 10-1。 表10-1常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛 粉冶材料 铁基制品 钢难制品 质合金 不锈钢 磁性材料 Fe-Ni-Co) 烧结S度匸） 1050 1200 700 - 900 1350 Z 1S50 1250 1300 1700 3300 烧结气蠢； 发生炉煤气分解S 分解发生炉煤吒 氢 氢真空 氢 烧结过程中，烧结温度和烧结时间必须严格控制。烧结温

12、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。通常，铁基粉末冶金制 品的烧结温度为10001200C,烧结时间为 0. 52h。 10. 2. 5后处理 很多粉末冶金制品在烧结后即可直接使用，但有些制品还要进行必要的后处理。常用 的方法之一是进行精压处理，它是将零件放入模具中并在高压下加压的工序。所使用的压 力等于或大于最初的压制压力。精压可提高制件密度，使零件强度提高。对于齿轮、球面 轴承、钨钼管材等烧结件，常采用滚轮或标准齿轮与烧结件对滚挤压的方法，来进行后处 理，以提高制

13、件的尺寸精度、降低其表面粗糙度。 对不受冲击而要求硬度高的铁基粉末冶金零件可以进行淬火处理；对表面要求耐磨， 而心部又要求有足够韧性的铁基粉末冶金零件，可以进行表面淬火。 对于含油轴承，则需在烧结后进行浸油处理。对于不能用油润滑或在高速重载下工作 的轴瓦，通常用烧结的铜合金在真空下浸渍聚四氟乙烯液，以制成摩擦系数小的金属塑料 减摩件。 还有一种后处理方法称为熔渗处理，是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制件的孔 隙中去，以增加烧结件的密度、强度、硬度、塑性或冲击韧性。 10. 3粉末冶金零件的制造工艺特点 今以两种粉末冶金机械零件为例，来说明它们的制造工艺特点。 10. 3. 1含油轴承 目前机

14、械行业广泛使用的含油轴承，有铁基的（98%铁粉+2%石墨粉）和铜基的（99%的 锡青铜粉+1 %石墨粉）两种。前者可以取代部分铜合金，价格便宜；而后者的减摩性更好。 它们的生产流程是： 粉料混合 压制压力是 400600MPa，在保护性气氛（分解氨或发生炉煤气）中烧结，烧结后有 20%30%的孔隙，表面光洁，一般不再需切削加工。 铁基含油轴承所浸的油中加有7 % 左右的石油硫酸钡，以防生锈。为排除孔隙中的空气，一般采用真空浸油。这种轴承的组 分中含有石墨，孔隙中又含油，轴在其中时形成胶状的石墨润滑油膜，因而长期运转可不 用加油。目前，含油轴承广泛用作机床、纺织、食品机械、仪表及实用电器上承载压

15、力不 大的轴承。 10. 3. 2粉末冶金锻造齿轮 除了上述纯粉末冶金制品以外，近年来还发展了粉末冶金锻造工艺，由此更扩大了粉 末冶金制品在机械行业的应用范围。 粉末冶金锻造齿轮是将烧结后的粉末冶金齿轮，放在封闭模膛内经锻造而成。这种齿 轮的材料全部利用，没有飞边废料，此时不仅获得尺寸准确、表面光洁的外形，而且工件 基本上不需切削加工，因而粉末冶金锻造齿轮的总成本只有普通锻造齿轮的一半。 粉末冶金锻造结合了粉末冶金与精密模锻的优点，克服了普通粉末冶金制品孔隙多、 强度较低、冲击韧性较差的缺点。它的制品质地均匀、晶粒细化、无各向异性，其性能甚 至超过模锻件。 由于粉末冶金锻造制品在经过压制、烧结后已预成形，所以锻模可以简化，锻压设备 吨位可降低，因而工装与锻压设备的投资远比热锻模少，工艺准备周期可缩短，而且材料 利用率高。目前这种工艺主要用于汽车与农业机械，除制造齿轮外，还用于制造凸轮、阀 头、小型曲轴、连杆等零件。 104 粉末冶金制品的结构工艺性 由于粉末的流动性不好，使有些制品形状不易在模具内压制成形，或者压坯各处的密 度不均匀，影响了成品质量。所以，粉末冶金制品的结构工艺性有其自己的特点。 1.壁后不能太薄，一般不小于 2mm，并尽量使壁厚均匀。法兰只设计在工件的