金属粉末制备与特性

1、金属粉末制备与特性4.1 粉末压制成形过程粉末压制的的定义：用金属粉末（或者金属与非金属粉末的混合物）作原料，经压制成型后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。粉末压制的的特点：1）能够生产出其他方法不能或者很难制造的制品。2）材料的利用率高，接近100%。3）制造方法更加经济。4）适宜于大批量生产的零件。金属粉末制备与特性4.1 粉末压制成形过程粉末压制的的技术流程： 原料粉末 制品 配混 压制成型 烧结 添加剂 其他处理加工 制品金属粉末制备与特性4.1.1 金属粉末的制备及特性 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处理后得到的

2、粉末。 主要是用于铁粉的生产，铁粉的纯度直接与铁矿石纯度有关；此外，钴、钼、钙等金属粉末与难熔金属化合物粉末亦适用此法。 （1）金属粉末的制取金属粉末制备与特性 采用金属盐的水溶液电解析出或者熔盐电解析出金属颗粒或者海绵状金属块，然后将金属块经机械粉碎处理后得到的粉末。 电解法生产的金属粉末品种多，纯度高，粉末颗粒呈树枝状或者针状，其压制性或者烧结性都较好。 4.1.1 金属粉末的制备及特性 2) 电解法（1）金属粉末的制取金属粉末制备与特性3) 雾化法 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

3、塔下的盛粉桶中。4.1.1 金属粉末的制备及特性 （1）金属粉末的制取金属粉末制备与特性 采用钢球或者硬质合金球对金属块或者大颗粒原料进行球磨，制备金属粉末的方法。特别适用于脆性材料。4)机械法4.1.1 金属粉末的制备及特性 （1）金属粉末的制取金属粉末制备与特性4.1.1 金属粉末的制备及特性 金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。 金属粉末的基本性能包括：化学成分、粒径分布、颗粒形状和大小以及技术特征等。（1）金属粉末的特性1) 成分 粉末的化学成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于9899，完全可以满足烧结

4、机械零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时，需要使用纯度更高的粉末。 金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏，增大压模的磨损。有时，少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结。金属粉末制备与特性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（N 2、CO2）。4.1.1 金属粉末的制备及特性 金属粉末制

5、备与特性 2)颗粒形状和大小 颗粒形状是影响粉末技术特征(如松装密度、流动性等)的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。 颗粒大小常用粒度表示。工业上制造的粉末粒度通常在，150m以上的定为粗粉，40-150m定为中等粉，1040m的定为细粉，为极细粉，以下的叫超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围，各种筛号表示每1平方英寸筛网上的网孔数。 粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能，尤其对硬质合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈细愈好。但制取细粉比较困难，经济性亦差。4.1.1 金属粉末的制备及特性 金属粉末制备与特性3)粒度分布 指大小不同的粉粒级别的相对含量，也叫粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品

6、的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。 4.1.1 金属粉末的制备及特性 金属粉末制备与特性4.1.1 金属粉末的制备及特性 4)技术特征 粉末的成形技术特征主要有： 松装密度 松装密度亦称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。例如还原铁粉的松装密度一般为cm3，若采用松装密度为cm3的还原铁粉压制密度为cm3的压坯，则压缩比(粉末的充填高度与压坯高度之比)为6.9:2.3=3:1，即若压坯高度为1cm时，模腔深度须大于3cm才行。 流动性 它是指50g粉末在粉末流动仪

7、中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。金属粉末制备与特性4.1.1 金属粉末的制备及特性 压制性 粉末的压制性包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度， 通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质，使其具有一定的强度，且便于生产过程中的运输，粉末需有良好的成形性。成形性与粉末的物理性质有关，此外还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性，常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成

8、形性试验的指标。金属粉末制备与特性4.1.2 粉末配混 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(如润滑剂等)进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。 添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂(如硬脂酸锌，质量比1)可改善混合粉的流动性，增加可压制性。压制后烧结前，润滑剂用加热方法(如硬脂酸锌在375425oC的热空气中)排除。 混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大，表示混合越均匀；也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合过程须谨慎，太激烈的混合将会引起变形硬化、颗粒相互磨损、起层等，故一定要按照成形技术要求和规范进行。金属粉末制备与特性4.1.3 压

9、制成形 1） 目的：将松散的粉料通过压制或其它方法制成具有一定形状、尺寸的压坯。2） 成形机理：装入模具型腔内的金属粉料在1501600MN/m2成形压力作用下,粉粒之间的原子通过固相扩散互相渗透促进粉粒的结合。另一方面因粉粒表面凹凸不平，受压后互相合，致使压坯 密度提高，强度增大。3） 成形方法：钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制等。金属粉末制备与特性(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(压力常在150160MPa)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。(2)流体等静压制 它是利用高压流体(液体或气体)同时从

10、各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。(3)三向压制 它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。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。但它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。 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产品，如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同，可选择不同的加热及加工顺序。目前，这个生产领域发展较快。4.1.3 压制成形 金属粉末制备与特性4.1.4 压坯烧结 1） 目的 压制的型坯强度很低，必须进行烧结。烧结是将型坯按一 定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使型坯获得一定的 物理与机械性能（机械强度）的工

11、序。2） 烧结机理 粉末压坯的表面积大，表面能高，表面与内部的各种缺陷 多，处于不稳定状态。在烧结过程中，高温坯料颗粒之间易于 发生扩散、熔焊、化合、溶解和再结晶等物理化学过程。使分 散的坯料颗粒结合成为一个稳定、坚实的结晶体、即烧结体。 最终获得所需要的性能。金属粉末制备与特性4.1.4 压坯烧结 3）烧结方法 通常在保护性气氛的高温炉或真空炉内进行烧结。A 烧结规范 烧结温度：一般为基体熔点的2/33/4。即烧=(2/33/4)T熔。 保温时间：时间太短，不利于原子扩散和迁移，不利于成分， 组分均匀化；保温时间过长，易造成晶粒粗大，生产率低， 成本升高等缺点。 保护气氛：为防止粉料氧化，烧

12、结过程一般在还原性或中性气 氛下进行（如煤气，氢气等），要求高的应在真空炉内进行烧 结。金属粉末制备与特性B 烧结分类 固相烧结 ：烧结过程中各组元均不形成液相。 液相烧结：烧结时部分组元形成液相。在液相表面张力的作用下，粉粒相互靠紧，故烧结速度快，制品强度高。4.1.4 压坯烧结 金属粉末制备与特性4.1.4 压坯烧结 为了解并控制烧结品质，下面介绍在烧结过程中可能发生的一些问题，以助工程技术人员鉴别产生的原因： 1)翘曲 翘曲是常见的问题，在零件使用前能察看出来。翘曲会提高废品率。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(波动)造成的。前者可用调整压坯在炉中的方位或用匣

13、钵(一般用耐火材料制成)托住压坯，予以校正，使压坯在烧结时不发生变形。后者只能在零件的结构设计和在引起密度分布不均匀性的前道工序中予以解决。 2)过烧 过烧是烧结中另一种常见的问题。它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。前两项一般易被直接发现，晶粒成长过大只能在显微镜下观察。这类问题主要是因烧结温度过高或保温时间过长引起的。金属粉末制备与特性4.1.5 烧结后的其他处理或加工 对于一些要求较高的粉末冶金制品，烧结后还需要进行其他处理与加工，以满足要求。 (1)渗透(又叫熔渗) 把低熔点金属或合金渗人到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。通过渗透获得致密制品。此法也可用于烧结体的补充处

14、理。当金属组元液态互不相溶时，采用渗透法通过毛细管作用也可形成合金。渗透法获得的制品密度高，组织均匀细致，制品的强度一般、塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加，但此过程费用较贵，过程时间长。 (2)复压 将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次，叫做复压。复压可起一定的校形作用。 金属粉末制备与特性4.1.5 烧结后的其他处理或加工 (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 粉末

15、冶金制品有一些后续工序，如含油轴承的浸油处理，以及机械加工、喷砂处理，有时还须进行一些必要的热处理等。金属粉末制备与特性 根据技术要求，生产粉末金属零件可选择下述过程： 压制+烧结； 压制+烧结+复压； 压制+预烧结+精压+烧结； 压制+预烧结+精压+烧结+复压。 通常情况下：类过程的应用约占80；但类过程的应用也不少。而较复杂的类和类过程仅用于某些特殊零件。近年来，由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发，经一次压制就可获得较高强度零件。 4.1.5 烧结后的其他处理或加工金属粉末制备与特性4.2 粉末压制产品及应用4.2.1 粉末压制机械结构零件 它是用碳钢或合金钢的粉末为原料，采用粉末

16、冶金方法制造结构零件。这种制品的精度较高、表面光洁，不需或少需切削加工即为成品零件。 可用于制造液压泵齿轮、电钻齿轮、凸轮等。金属粉末制备与特性4.2.2 粉末压制轴承材料(1) 多孔含油轴承材料 多孔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。 金属粉末制备与特性 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%)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

17、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30110HBS。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3570 HBS。2）铜基含油轴承常用的是青铜粉末与石墨粉末制成的冶金材料，它具有较好的热导性、耐蚀性抗咬合性，但承压能力较铁基含油轴承小。 含油轴承材料一般用于制作中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制作不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器(如电风扇、电唱机)等的轴承，在汽车、拖拉机机床电机中也得到广泛应用。 金属粉末制备与特性(2)金属塑料减摩材料 使用这两类轴承可大大简化机器、仪

18、器仪表等的结构或机构，减小其体积。4.2.2 粉末压制轴承材料金属粉末制备与特性4.2.3 多孔性材料及摩擦材料 (1)多孔性材料 粉末压制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。过滤器是最典型的多孔性材料制品。过滤器主要用来过滤燃料油、净化空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。 (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。因此对材料性能的要求是摩擦系数要大，耐磨性、耐热性与热传导性要好。金属粉末制备与特性4.2.4 硬质合金 硬质合金是金属陶瓷的一种，它是以金属碳化物（如WC、TiC、TaC等）为基体，再加入适量金属粉末（如Co、Ni、Mo等）作

19、粘结剂而制成的具有金属性质的粉末冶金材料。 1 硬质合金的性能特点 （1）高硬度、耐磨性好、高热硬性 （2）抗压强度、弹性模量高 抗压强度高可达6000MPa，但抗弯强度低，只有高速钢的1/31/2。弹性模量很高，韧性很差。 （3）耐蚀性和抗氧化性良好，热膨胀因数比钢低 缺点：抗弯强度低、脆性大、导热性差 加工：采用电加工（电火花、线切割）和专门的砂轮磨削 金属粉末制备与特性 (1) 钨钴类硬质合金 由碳化钨和钴组成,常用代号有YG3、YG6、YG8等。代号中“YG”为“硬”、“钴”两字的汉语拼音字首，后面的数字表示钴的含量（质量分数100）。 （2）钨钴钛类硬质合金 由碳化钨、碳化钛和钴组成

20、，常用代号有YT5、YT15、YT30等。代号中“YT”为“硬”、“钛”两字的汉语拼音字首，后面的数字表示碳化钛的含量（质量分数100）。硬质合金中，碳化物含量越多，钴含量越少，则硬质合金的硬度、热硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低。 （3）钨钽类硬质合金 主要成分为WC、TiC、TaC和Co。其代号用YW1、YW2表示。 2硬质合金分类及编号金属粉末制备与特性4.2.5 粉末压制钢结硬质合金及高速钢 (1)钢结硬质合金 钢结硬质合金是50年代出现的一种新型工模具材料。它具备下面几个主要特点： 合金的基本组成是碳化物加合金钢。从结构上看是通过钢来胶结碳化物，或者是大量的一次碳化物分布在钢基体上

21、的金属基复合材料。 由于钢的组成物在显微组织中占有一定的比例，因此，钢结硬质合金具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能。尤其是通过不同的热处理可使同一成分的合金在一定范围内表现出不同的力学性能。 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。金属粉末制备与特性4.2.5 粉末压制钢结硬质合金及高速钢 (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，在铸态的显微组织中出现大量骨骼状碳化物，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

22、响。如热变形塑性差，热处理变形较大，淬火开裂的敏感性强，磨削性能差，切削刃抗弯强度低及易于剥落崩裂等，故影响刀具的品质和使用寿命。 目前国内外所生产的粉末高速钢牌号主要有两种：W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V。 金属粉末制备与特性4.2.6 耐热材料及其他材料 (1)难熔金属耐热材料 难熔金属是指熔点超过2 000 oC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)耐热合全材料 以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加工比较困难，金属消耗量大，也常采用粉末冶金法制造。粉末冶金得到的耐热合金材料的组织细致均匀，尤其高温蠕变强度与抗拉强度比铸造材料要高得多。 (3)其他材料

23、通过粉末冶金还能获得在特殊条件或核能工业中所使用的材料。金属粉末制备与特性4.3 粉末压制零件或制品的结构特征 结构技术特征就是指制品的结构是否适应所采用的成形过程或制造方法，使制品在整个生产过程中达到优质、高产、低耗。 用粉末压制法制造零件，设计师必须了解粉末压制成形过程的特点，对零件或制品的几何形态及尺寸在技术上和经济上的可能性和限制性作充分考虑及评价。有时，原来设计的用常规机械制造加工的零件，虽也可用粉末压制法制造，但若针对粉末压制过程特点稍加修改一下零件的结构设计，则可能改善零件制造的结构技术特征和降低零件的生产成本。粉末压制法与一般采用的铸或锻一机械加工相比，在零件或制品结构上有一定

24、的限制。 金属粉末制备与特性1压制件的形状 2压制件的密度 长径比L/D2,不能超过3。 沿压制方向截面应均匀一致。 阶梯圆柱形制件每级直径之差不宜大于3，每级的长径比应小 于3。 压制件的形状必须有利于脱模，防止锐棱、尖角、倒锥、阶梯、螺纹、筋、垂直于压制方向的孔、槽等结构，对制件的成 形及脱模有重要影响。4.3 粉末压制零件或制品的结构特征金属粉末制备与特性3压制件的尺寸精度 确定压制件的尺寸精度时应考虑其使用性和经济性及工艺性。 压制件的径向尺寸精度一般容易达到，而轴向尺寸精度的控制比较困难。4.3 粉末压制零件或制品的结构特征金属粉末制备与特性烧结压制件的径向尺寸精度4.3 粉末压制零

25、件或制品的结构特征金属粉末制备与特性整形后压制件的径向尺寸精度压制件侧面的平行度公差4.3 粉末压制零件或制品的结构特征金属粉末制备与特性4压制件的表面粗糙度 压制件的表面粗糙度主要取决于模具相应表面的模壁粗糙度，模具型面的粗糙度取决于加工方法，如研磨后可达Ra .1 m 。 压制件的表面粗糙度Ra一般为0.4 m ， 不应低于Ra3.2 m。4.3 粉末压制零件或制品的结构特征5壁厚压制件的最小壁厚与粉末密度的均匀性、模具强度和烧结变形有关。一般压制件的壁厚不应小于2mm。金属粉末制备与特性 44 陶瓷制品成形过程简介 441 概述 陶瓷制品是人类最早使用的制品，它的生产已经有许多个世纪了。早期的陶瓷器是由粘土、长石、石英等天然原料制成的。在古代文化时期，发现了粘土加水后具有相当的可塑性，而且能模压成形，成形后的器件在太阳下晒干，再置于炉中煅烧便硬固。这些制品通常称为传统陶瓷(又称普通陶瓷)，现在一般也把其归属为硅酸盐产品。金属粉末制备与特性 现代陶瓷的独特之处是具有精确控制的组成和结构，并且可设计成比传统陶瓷更能满足某些应用的要求。现代陶瓷包括氧化物陶瓷，磁性陶瓷，原子核燃料，以及氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。 现代陶瓷制品的成形属粉末或颗粒状材料成形，