材料工程设计第10讲

第10讲粉末冶金选材与工艺设计粉末冶金技术的发展粉末冶金工艺过程简介粉末冶金材料1.粉末冶金技术的发展粉末冶金，是一门特种冶金技术，与“铸锭冶金”不同，它是通过制造金属粉末，利用金属粉末为基本原料经成形与高温烧结制造金属材料与异形制品的材料冶金与成型加工相结合的工艺技术。粉末冶金应用的历史悠久，早在1831年即已发展为制造白金用具的制造技术，从20世纪20年代烧结金属含油轴承出现以来，随着汽车产业的发展，粉末冶金将材料制备与金属成形技术相结合，逐渐形成了一门制造机、电零件的，精密、高效、低耗、节能、价廉的特种金属成形技术，井在汽车、摩托车、家电、办公机械、农机、工程机械、电动工具等领域得到了广泛应用。粉末冶金为设计人员生产特殊形状制品提供了另外一种可选择的生产工艺。在许多场合，以粉末冶金工艺替代常规生产工艺，诸如铸造一切削加工工艺，可改进产品质量或降低生产成本。在另外一些场合，一些金属制品，诸如硬质合金、烧结金属含油轴承，以及一些新颖、奇异的金属制品只能用粉末冶金丁艺制作。据不完全统计，1991—2004年13年间，我国粉末冶金零件产量增长了7倍，2004年产量达到了62668t(据34个单位统计)。平均年递增率为17.5％。2.全属粉末生产和粉末冶金制品生产工艺金属粉末是粉末冶金生产的基本原料，为满足粉末冶金制品生产对金属粉末的各种性能要求，研究开发了各种各样的金属粉末生产方法。3.粉末的性能粉末是颗粒与颗粒间的空隙所组成的集合体。粉末体的性能应分别指单颗粒、粉末体和粉末体中孔隙等的一些性质。单颗粒的性质：(1)由粉末材料决定的性质，如点阵结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、电磁性质、化学成分等。(2)由粉末生产方法所决定的性质，如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、颗粒内气体含量、表面吸附的气体与氧化物、活性等。粉末体的性质：除了单颗粒的性质以外，还有平均粒度、粒度组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦状态。粉末的孔隙性质：总孔隙体积、颗粒间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形状。化学成分主要是指粉末中金属的含量和杂质含量。金属粉末的化学分析与常规的金属试样分析方法相同。物理性能包括颗粒形状与结构、粒度和粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度，以及光学、电学、磁学和热学等诸性质。实际上，粉末的熔点、蒸气压、比热容与同成分的致密材料差别很小，一些性质与粉末冶金关系不大，粉末较重要的物理性能能主要包括颗粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗粒密度、粉末体密度，一般对这些性能进行测试。工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。4.粉末冶金制品的成形技术粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块。成形前原料准备的目的是要制备具有一定化学成分和一定粒度，以及适合的其它物理化学性能的混合料。其中包括粉末退火、混合、筛分、制粒，以及加润滑剂等。成形方法包括普通模压法或特殊方法，如：均压法、滚压法、挤压法、锻压法、等静压法等。常用的压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。当对压模中粉末施加压力后，粉末颗粒间将发生相对移动，粉末颗较将填充孔隙，使粉末体的体积减小，粉末颗粒迅速达到最紧密的堆积。成型方法及其工艺参数、粉体的性能对压坯的质量（压坯密度和压坯强度等）有一定影响，因此，对于不同的粉体宜采用合适的成形方法和成形工艺参数，一般情况下粉体成形需要加入合适的成形剂。在压制过程中，由于种种原因，常常会出现压制废品。压制废品的种类很多，主要有分层、裂纹、掉边掉角、压坯密度严重不均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。5.粉末冶金制品的烧结技术压坯或松装粉末体的强度和密度都是很低的。为了提高压坯或松装粉末体的强度，需要在适当的条件下进行热处理。这就是把压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的温度(约0.7~0.8熔点温度)，并在此温度下保温，从而使粉末颗粒相互结合起来，改善其件能，这种热处理就叫做烧结。用粉末冶金烧结的方法可以制得各种纯金属、台金、化合物以及复合材料。烧结体按粉末原料的组成可分为：由纯金属、化合物或固溶体组成的单相系；由金属—金属、金属—非金属、金属—化合物组成的多相系。对于烧结过程来说，由于在烧结过程中出现的不同情况，则可以将饶结分为：单元系烧结这是指纯金属、化合物或固溶体在其熔点以下的温度进行的固相烧结过程；多元系烧结，指由两种或两种以上的组元构成的固相烧结或液相烧结体系。影响烧结进程和制品质量的主要工艺参数有烧结温度、烧结时间以及烧结气氛。通常，金属粉末烧结的动力——表面能量较小，为了能使烧结材料与铸锻材料的性能相竞争，需要提高烧结过程中的致密比，这可以利用多种强化烧结的方法，如：活化烧结（预氧化、添加少量合金元素、在气氛中添加活化剂）、电火花烧结、相稳定化、热压烧结、热等静压烧结、热挤压、辅助热锻等。6.烧结体的后处理为了提高烧结材料的力学、物理、化学性能和精度，以及生产所需要的线材、板材、带材、管材和零部件，对烧结后的材料或制品还可进行烧结后处理，包括浸透、复压复烷、精整、整形、锻造、轧制、挤压、拉丝、机加工、焊接、热处理以及防蚀保护和外表的装饰处理(如电化学处理、氧化处理、磷化处理等表面处理)等。有些只需要进行适当的清洁处理即可直接使用；有些需要进行尺寸校正以修正因烧结引起的形状或尺寸的改变，以提高产品的精度；施以压印来增加其密度和表面硬度及平滑度；多孔产品还需要经浸渗处理时油、石蜡或树脂渗入到颗粒间的孔洞里，以增加其润滑性及耐磨性；熔渗则是利用低熔点的金属或合金熔融后，渗入填满材料的孔隙，达到一定的力学性能或功能特性；可以通过喷丸处理、蒸汽处理、电镀或油漆，可以提高粉末冶金制品表面的力学性能或抗蚀性能，并增进美观度；某些粉末冶金产品还可以进行机加工（如车削螺纹、切削沟槽、钻孔等），热处理以及焊接加工等7.粉末冶金烧结制品的性能及影响因素烧结的目的是要使压坯具有所要求的力学性能和物理性能。烧结体的常规力学性能有：静压强度、塑性、硬度和弹性模量，还包括冲击韧性和疲劳强度等动态力学性能，另外对具有高硬度、脆性和致密度低的材料和多孔材料，如：硬质合金等，还需要对烧结体的断裂韧性提出要求。影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末的性状、成形的条件和烧结的条件。属于粉末性状的因素包括粉末的粒度和粒度组成、颗粒形状、颗粒内的孔隙、松装密度、压缩比、流动性、纯度、夹杂物的分布状态以及加工硬化程度等。属于成形条件的因素包括成形压力、加压速度、压坯形状、压模的设计和精度、压制方法、粉末和压模的润滑状况等。属于烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度、烧结时间、冷却速度、烧结气氛以及烧结加压状况等等。在稳定的条件下，电、热、磁等现象都可以用完全相似的方法描述，即概括地用传导性来表示。电导率、热导率、磁导率和电容率等部属于传导性。对于不同条件下使用的材料对其物理性能要求不同，如：对于减磨材料还需要考察烧结体的孔隙率、孔径和渗透性等物理性能8.粉末冶金机械零件烧结铁基机械零件：①粉末冶金机械零件的塑性相韧性达不到铸锻钢件的水平，但其小能量多次冲击的性能较好，并能达到一定的强度，可适应某些齿轮等零部件的工作要求；②这种制造方法的生产工艺简单、成本低廉和能耗少，因此在机械制造、汽车制造、仪表制造、农机制造以及纺织机械等工业部门中得到愈来愈广泛的应用；③在烧结铁基制品中，常采用合金元素来强化材质的性能，常用的强化合金元素有磷、铜、锰、硅、镍、铝等。按合金元素的不同，烧结铁基材料可以分为烧结碳素钢、烧结铁—铜基合金以及烧结合金钢三大类。例如，铁—铜、铁—碳—铜、铁—碳—铜—镍、铁—碳—铜—磷、铁—锰—钼、铁—镍—铝、铁—锗—镍—铬等等烧结铁基材料；④粉末冶金铁基零件可以通过热处理、化学热处理、机械热处理等手段来进一步提高其力学性能和物理性能。粉末冶金不锈钢：①粉末冶金不锈钢多孔性零件用于储存液体(如在轴承中)、过滤、计量液体或气体，在电话话筒和助听器中用于消声，在飞机中可制造流体除冰器；在器具市场是粉末冶金不锈钢的另一个相当大的应用，可以作电冰箱自动制冰器的推出盘、垃圾处理零件、电工刀、罐头开启工具以及水泵叶轮等；②当用于办公机械时，采用粉末冶金不锈钢零件可以省掉锻轧棒料时所需的昂贵机械加工，如作为非磁性卡片挡板、口述记录机开关、计算机按钮等；其它还可以用作汽车零件、金属构件、电气和电子元件、装饰品、医疗器械以及娱乐器材等。8.粉末冶金机械零件烧结铜基机械零件：①常用的烧结铜基合金有青铜(铜—锡)和黄铜(铜—锌)以及铜—镍—锌、铜—镍、铜—铝等合金系。铜基材料具有耐腐蚀的特点，有一定的强度和韧性，较容易进行机械加工。烧结铜基合金零件采用一般的压制、烧结法。②烧结铜基合金多用来制造含油轴承、摩擦材料、电器接点材料、过滤材料以及发汗材料的渗透金属。此外，也可用来制造小型齿轮、凸轮、垫圈、螺母等高密度饶结铜基机械零件。烧结铝基合金：几乎所有粉末冶金生产工艺均可用来生产烧结铝基材料。成形工艺可用模压、等静压、轧制和挤压等。烧结可以在低露点(-40℃)的惰性或还原性气氛中进行，也可用真空烧结。为进一步提高烧结体的密度和强度，可以采用复压、冷锻或热锻等工艺，烧结铝材料可以进行热处理，也可以进行机械抛光和电化学处理。办公机械市场使用的烧结铝基零件的品种最多。其它有增长潜力的市场为汽车零件、航空、航天零件、电动零件、设备器具以及结构零件。高强度的锻轧粉末冶金铝台金在武器方面可应用于迫击炮与火炮炮弹的引信、药简、火炮炮弹和火箭弹头等。8.粉末冶金机械零件烧结钛和钛合金：①烧结钛和钛合金是70年代取得技术上的突破后才开始工业应用的。钛的相对密度低，强度高，耐蚀性好，使用湿度范围广(540~-253℃)。②钛粉可以用氢化—脱氢法及旋转电极法制取，后者可保证纯度。粉末冶金钛基航空结构材料大多用热锻、热等静压、热压、热挤等热成形固结工艺，以增加其密度，改善其性能。③典型的粉末冶金钦基合金为Ti-6Al-4V，可用来作飞机架配件。④烧结钛合金还可做化工阀门、轴承套、过滤器．炮弹锥体以及在医学上用来创造臀部、膝部、肘、鄂部、手指及肩部的整个和部分关节的替换物等。烧结铍和铍合金：铍是只能用粉末冶金工艺制造的几种金属之一。将高纯度电解铍用冲击碾磨制成铍粉，然后用真空热压或冷热等静压法将铍粉固结成接近致密金属的理论密度，从而使粉末冶金铍材料取得了重大进展。铍是最轻的结构金属，在空气中能形成有保护性的氧化物表面膜，在815℃以下高温氧化不严重，导电性好，无磁性，X射线可穿透热中于吸收横截面小，中子散射截面大。铍在核能、X射线、航空航天领域有着愈来愈多的应用。铍是一种质量轻、尺寸稳定的材，广泛地应用于惯性制导系统。铍能有效地吸收热量，在多种导弹系统中作为隔热屏及某些飞机机种的散热材料。铰的其它用途还有精密仪器、X射线窗口、人造卫星的结构件、机械紧固件、高速旋转轴以及唱机拾音器芯座零件等。光学工业广泛用作支承结构和镜基片。9.粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料的成分是由三部分组成：(1)基体组元，其中基本组元保证材料的承受能力、热稳定性和耐磨性，它占摩擦材料质量的50％一90％。辅助组元则是用来改善基本组元的性能；(2）润滑组元，一般用石墨和铅，也可用铋代替铅，它一般占摩擦材料质量的5％一25%，有利于材料的抗卡性能和抗粘结性能，提高材料的耐磨性：(3)摩擦组元，多用二氧化硅、石棉、碳化硅、三氧化二铝、氮化硅等。其作用是可以提高摩擦材料的摩擦系数和耐磨性，防止焊接。粉末冶金摩擦材料主要分为铜基和铁基两大类。铜基摩擦材料工艺性能好，摩擦系数稳定，抗粘结、抗卡滞性能好。铁基摩擦材料在高温高负荷下能显示出更良好的摩擦性能，机械强度高，可在400~1100℃范围内使用。10.粉末冶金磁电和功能材料磁性材料大部分可用熔铸法也可用粉末冶金法生产。与熔铸法相比，粉末冶金磁性材料有以下优点：可以生产出具有特殊性能的磁性材料，如铁氧体、磁介质等；能用单畴畴制出优质硬磁材料；材料的晶粒细、强度大、无缩孔、无偏折等弊病。龙其是烧结钕铁硼，适用于生产体积小、形状复杂的异型、小型磁体，成品率高达98％。粉末冶金电工材料是用粉末冶金方法制造、广泛用作电器与仪表中的分断和接通电路用的电接触元件—电触头材料；电阻焊用的电极；电机上使用的电刷以及电加热元件和热电偶材料。形状记忆合金除60年代发现的钛—镍合金外，又先后发现银-镉、金—镉、铜—铝—镍、铜—金—锌、铜—锡、铜—锌等合金。这些材料大多是采用粉末冶金方法制得的。贮氢材料：

(1)以镧—镍为代表的稀土系；(2)以钛—铁为代表的钛系；(3)以镁—镍为代表的镁系材料。一般用真空烧结方法制得。另外，也可以制备超导材料。11.粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料是以金届粉末或合金粉末为原料．采用各种粉末冶金工艺方法制造的。粉末冶金多孔材料是以金届粉末或合金粉末为原料．采用各种粉末冶金工艺方法制造的。粉末冶金多孔材料使用的原料有各种纯金属、合金、难熔化合物等球形和非球形粉末以及金属纤维，常用的有铁、铜、青铜、黄铜、镍、钨、钛、不锈钢、镍—铜、碳化钨等粉末以及不锈钢、镍—