第五章 粉末冶金成形及其他新型成形方法

1、第五章 采用和等工序将， 或与的混合物，制成 金属制品的工艺方法。 此工艺方法又被称为金属陶瓷法。 粉末冶金工艺的基本工序： 原料粉末的制取和准备 金属粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸 小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、 合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合 物粉末。 金属粉末的制取和应用渊源久远： 古代曾用金、银、铜、青铜及其某些氧化物 粉末作涂料，用于陶器、首饰等器具的着色、 装饰； 20世纪初,美国人库利吉(W.D.Coolidge)用氢 还原氧化钨生产钨粉以制取钨丝，是近代金 属粉末生产的开端； 此后用化学还原法制取了铜、钴、镍、铁、 碳化钨等多种粉末，促进了早期粉末冶金制

2、 品(含油多孔轴承、多孔过滤器、硬质合金 等)的发展； 30年代先后采用低成本的涡流研磨法及还原法 制取铁粉，还出现了熔融金属雾化法，用于制 取锡、铅、铝等低熔点金属粉末； 40年代初发展成为用高压空气雾化制取铁粉； 50年代开始用高压水雾化制取合金钢和多种合 金粉末； 60年代研究出多种雾化方式生产高合金粉末， 促进了高性能粉末冶金制品的发展； 70年代出现了多种气相和液相物理化学反应方 法，制取重要用途的包覆粉末和超细粉末。 将金属粉末及各种添加剂均匀混合后 制成所需形状的坯块； 坯块烧结，使制品具有最终的物理、 化学和力学性能。 粉末冶金工艺过程： 粉末冶金工艺过程示意图 原料粉末 添加

3、剂 混合 压制成形烧结零件成品 近代粉末冶金技术发展的三个重要标志： 克服了难熔金属熔铸过程中的困难； 多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金 机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、 无切削的特点； 向新材料、新工艺发展。 与液态成形相比，粉末冶金主要优点： 可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点； 材料某些独特的性能或者显微组织也只能用 粉末冶金方法来实现； 一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺 成形十分困难。 金属粉末和粉末冶金制品、材料的 应用举例见P214表5-2。 大批量生产时，粉末冶金法生产效 率高、能耗低、材料省，价格低廉。其 经济效益对比见P214表5-1。 5.1 粉末冶金成形 按转变

4、的作用原理将粉末制取方法分为： 机械法 物理化学法 粉末冶金生产实践中，机械法和物理化学 法之间并没有明显界限，是相互补充的。 常用的粉末制取方法：还原法、雾化法、电解法。 设备分粗碎和细碎两类。 主要起压碎作用的有碾碎机、辊轧机、 颚式破碎机等粗碎设备。 主要起击碎和磨削作用的有锤碎机、棒 磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨 机等细碎设备。 机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块 状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末。 机械粉碎法主要有： 机械研磨法 机械合金化 涡旋研磨 冷气流粉碎 机械研磨比较适用于脆性材料，涡 旋研磨和冷气流粉碎等方法多用于塑性 金属或合金粉末制取。 雾化法是将液体金

5、属或合金直接破 碎，形成直径小于150m的细小液滴， 冷凝而成为粉末。 雾化设备： 主要的雾化方法： 水雾化或气雾化，也称二流雾化 离心雾化 真空雾化 超声波雾化 水雾化或气雾化，也称二流雾化 水雾化 气雾化 水雾化和气雾化示意图 借助高压水 流或高压气流 的冲击来破碎 液流。 离心雾化 离心雾化示意图 利用离心力 破碎液流。 真空雾化 真空(溶气)雾化示意图 在真空中雾化。 超声波雾化 超声雾化示意图 利用超声波 能量来实现液 流的破碎。 用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取 金属粉末，是一种广泛采用的制粉方法。 最简单的反应以下式表示： MeO+XMe+XO 式中: Me-生成氧化物MeO的

6、金属； X-还原剂。 预处理包括： 1.退火 退火温度因金属粉末的种类而异，一 般退火温度可按下式计算： T退=（0.50.6）T熔 式中 T退-退火温度，K； T熔-合金的熔点，K。 2筛分 3制粒 4混合 混合包括：机械法和化学法。 压坯方法包括： 压制成形 无压成形 封闭钢模冷压成形： 常温下,粉料在封闭钢模中，按规定 的单位压力,将粉料制成压坯的方法。 1称粉与装粉 称量形成 一个压坯所 需粉料的质 量或容积。 采用非自动压模和小批量生产时， 多用质量法； 大量生产和自动化压制成形时，一 般采用容积法。 装粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。 落入法 送粉器移送 到型腔上，粉 末自由落

7、入型 腔中。 吸入法 下模冲位于 顶出压坯的位 置，送粉器被 移送到型腔上， 下模冲下降复 位时，粉料被 吸入型腔中。 多余充填法 芯棒下降到下模 冲的位置，粉末落 入型腔中，然后芯 棒升起，将多余的 粉末顶出，并被送 粉器刮回，适用于 薄壁深腔的压模。 2压制 按一定的单位压力，将装在型腔中的 粉料，集聚成达到一定强度、密度、形状 和尺寸要求的压坯工序。 单向压制 双向压制 浮动压制 三种基本压制方式 (1)压坯密度的均匀性 压坯密度的均匀性是其质量的重要标志。 压制成形时应力求使压坯密度分布均匀。 (2)压制过程 粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧； 粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，

8、颗粒开 始有变形； 粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固 接触状态； 粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高 压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。 3脱模 压坯从模具型腔中脱出是压制工序 中重要的一步。 剩余侧压强的存在使压坯与模壁间产 生很大的摩擦阻力，脱模力必须大于这 个摩擦阻力，才能使压坯脱出型腔。 烧结过程中，固体 颗粒表面能的减小是 烧结的“推动力”。 烧结的结果是粉 末颗粒之间发生粘接， 烧结体的强度增加， 密度提高。 颗粒聚结过程示意图 表面积:8r2 6.35r2 不可逆的表面能减小过程。 r r R 浸渍 表面冷挤压 切削加工 热处理 表面保护处理 常用的后处理方法： 三、

9、模压成形粉末冶金制品结构工艺 1 避 免 模 具 出 现 脆 弱 的 尖角。 尖角改倒角 C45(或圆角， R0.5mm)， C=13mm 避免组合模冲出现脆弱的尖角 利用模冲加工和提高其强度 避免相切 2避免模具和压坯出现局部薄壁 壁厚应不小于1.5mm 利于装粉均匀，增强压坯，烧结收缩均匀 避免局部薄壁 增大最小壁厚 利于装粉和压坯密度均匀，增强模冲及压坯 键槽改为平面结构 3锥面和斜面需有一小段平直带 压制时避免模具损坏 在斜面的一 端加0.5mm 的平直带 4需要有脱模锥角或圆角 简化模冲结构 圆柱改为圆锥， 斜角5，或改 为圆角，R=H 5避免垂直于压制方向的侧凹 利于成形 避免侧凹

10、 6适应压制方向的需要 利于成形和脱模 圆柱面改成带 一段平直部分 7压制工艺对结构设计的要求 垂直于压制方向的孔 螺纹 不当设计 修改后形状 倒锥 不当设计修改后形状 粉末冶金成形件缺陷分析 1局部密度(中间密度过低) 改进措施：改进措施： 改 用 双 向摩擦压制； 减小模壁粗 糙度；在模 壁上或粉料 中加润滑剂。 侧面积过大侧面积过大：模壁粗糙；模壁润 滑差；粉料压制性差。 2超差 一端密度过低 密度高或低 薄壁处密度低 3裂纹 拐角处裂纹 对角裂纹 侧面龟裂 4皱纹(即轻度重皮) 内台拐角皱纹 外球面皱纹 过压皱纹 5缺角掉边 掉棱角 侧面局部剥落 6表面划伤 改进措施：改进措施：提高模壁的硬度、减小 粗糙度；消除模瘤，加强润滑。 模腔表面粗糙度大或硬度低；模壁产 生模瘤；模腔表面局部被啃或划伤。 此外，还有尺寸超差及不同心 度超差等缺陷。 四、粉末冶金非模压特殊成形方法 1粉末锻造成形 (二)粉末注射成形 (三)金属粉末轧制成形 五、几种典型粉末冶金制品与材料 (一)粉末冶金高速钢 (二)硬质合金 碳化钨、碳化钛、 碳化钽、碳化铌等难 熔碳化物粉末 钴等金属粉末 (三)粉末冶金多孔材料 快速成形技术 半固态合金成形 电磁成形 液压成形 快速成形技术根据材料堆积 原理制造实