粉末压制 材料成型技术基础

粉末压制材料成型技术基础第1页/共54页

粉末压制(粉末冶金)

金属粉末(金属和非金属粉末的混合物)做原料，经压制成形后烧结，制造各种类型零件和产品的加工方法。颗粒材料兼有液体和固体的双重特性，即整体具有一定流动性和每个颗粒本身的塑性，利用此性质实现粉末成形，获得所需产品。4.1粉末压制成形过程第2页/共54页美国金属粉末工业联合会（MPIF）将粉末冶金定义为：

制造金属（或无机非金属）粉末和利用金属（或无机非金属）粉末生产大块材料和一定形状零件的方法。（TheartsOfproducingmetalpowdersandOftheutilizationOfmetalpowdersfortheproductionofmassivematerialsandshapedobjects）。第3页/共54页

典型的粉末冶金技术包括粉末制备和粉末材料成形两大类。粉末制备雾化技术、化学还原技术、溶胶凝胶技术等；成形烧结技术、热等静压、粉末注射成形、激光快速成形等。第4页/共54页

粉末冶金在零部件制造和材料合成方面具有近形成形（少、无切削）、材料显微组织细小、成分均匀等优点，而且能够制造传统铸造方法无法制备的材料，如多孔材料、复合材料、难熔金属材料和陶瓷材料。因此粉末冶金零部件由于原材料利用率高（达95%），制造成本低，材料综合性能好。第5页/共54页第6页/共54页2000年亚洲粉末冶金零件应用市场分布%第7页/共54页粉末压制的特点1）能生产其他方法不能或很难制造的制品2）材料利用率很高3）经济效益高4）适合大批量零件生产，原材料价格昂贵，设备投资大第8页/共54页粉末压制生产技术流程原材料粉末添加剂配混压制成形烧结制品其他处理加工第9页/共54页第10页/共54页(1)金属粉末的制取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等处理以获得粉末。2）电解法：采用金属盐的水溶液电解析出或熔融的金属盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。4.1.1金属粉末的制取及其特性第11页/共54页3）雾化法：将熔化的金属液通过喷射气流、水蒸气或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到的金属粉末。4）机械粉碎法：钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末。第12页/共54页第13页/共54页第14页/共54页1）化学成分粉末的组分、杂质和气体含量2）颗粒形状和大小形状影响技术特征，通常粉粒以球状或粒状为好；大小以粒度表示。颗粒直径表示粒度：

150μm以上粗粉40～150μm中等粉

10～40μm细粉0.5～10

μm极细粉

0.5μm以下超细粉（2）金属粉末的特性第15页/共54页筛分法粒度表示目=每英寸长度上的筛孔数第16页/共54页第17页/共54页3）粒度分布不同大小颗粒的相对含量。分布广制品密度愈高，性能愈好，尤其是边角强度。4）技术特征

松装密度（松装比）单位容积自由松装粉末的质量。

流动性

50g粉末在流动仪中自由流完所需的时间。

压制性压缩性和成形性第18页/共54页

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进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。4.1.2粉末配混第19页/共54页

压制成形的基本工序：称粉、装粉、压制、保压及脱模等。（1）钢模压制常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。（2）流体等静压制利用高压液体同时从各个方向对粉末材料施加压力的成形方法。4.1.3压制成形第20页/共54页第21页/共54页（3）三向压制综合单向钢模压制和等静压制的特点。其压坯的密度和强度超过用其他成形方法，适用于成形规则零件，如圆柱形、正方形、长方形等。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新产品，如杆件、棒料等。第22页/共54页

压制质量可由压制密度、强度、精度来衡量。

密度

一般

压力↑；松装比↑；粉末的硬度和强度↓；成形速度↓；→密度↑。

强度压力↑，强度↑。

第23页/共54页第24页/共54页

压坯通过高温加热，粉粒间原子发生扩散等过程，使压坯粉粒接触面结合起来，成为一体。烧结过程在专用的烧结炉中进行，主要技术因素为烧结温度、保温时间、与炉内气氛。4.1.4压坯烧结第25页/共54页烧结的基本过程接触点烧结开始中间阶段最终阶段第26页/共54页固相烧结与液相烧结

固相烧结粉粒在高温下仍然保持固态。烧结温度T烧结=（2/3～3/4）T熔点

液相烧结烧结温度超过其中某组成粉粒的熔点，高温下出现固、液共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。第27页/共54页液相烧结过程第28页/共54页烧结过程生产的缺陷1）翘曲：由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体中的密度分布不均所致。2）过烧：温度过高或保温时间过长，导致翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。3）分解反应及多晶转变4）粘接剂残留物第29页/共54页(1)

渗透（熔渗）渗透将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法。制品密度高，组织均匀细致，塑性和韧性有较大提高，但费用较贵。（2）复压复压将烧结后的粉末压制件放入模具中压一次。起一定的校形作用。4.1.5烧结后的其他处理及加工第30页/共54页（3）粉末金属锻造利用粉末冶金提供坯料，然后将其进行模锻加工。（4）精压 精压烧结后进行锻造和冲压整形的工序。精压后空隙度接近为零，提高制品的性能和使用寿命。（5）其他处理浸油、机械加工、喷砂、热处理第31页/共54页1）压制+烧结2）压制+烧结+复压3）压制+预烧结+精压+烧结4）压制+预烧结+精压+烧结+复压根据要求选择不同成形过程第32页/共54页4.2粉末压制产品及应用第33页/共54页

粉末压制机械结构零件又称烧结结构件，这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。在汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。4.2.1粉末压制机械结构零件第34页/共54页(1)含油轴承材料利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料，用作轴承、衬套等。

空隙度高含油多润滑好，强度低，适宜于低载、中速条件工作；空隙度低含油少，强度高，适宜于中高载荷，低速条件工作。4.2.2粉末压制轴承材料第35页/共54页烧结含油轴承工作原理示意图第36页/共54页（2）金属塑料减磨材料粉末压制多孔制品与聚四氟乙烯、二硫化钼或二硫化钨等固体润滑剂复合制成，是一种具有良好综合性能的无油润滑减磨材料。特点：工作时不需润滑油，工作温度范围较宽，能在真空、水和其他液体中工作。第37页/共54页(1)多孔性材料多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒及灭火装置等。

过滤器是最典型的制品，主要用来过滤燃料油、交换空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。常使用的粉料有青铜、镍、不锈钢等。4.2.3多孔性材料及摩擦材料第38页/共54页(2)摩擦材料烧结材料结构上的多孔性和复合材料特点，可制成摩擦系数大，耐磨性、耐热性及导热性好摩擦材料

其产品有刹车片、离合器片等，用于制动与传递扭矩。粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。第39页/共54页

硬质合金将难熔的金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）和金属粘结剂（钴、镍等）粉末混合，压制成形，并经烧结而成的一类粉末压制制品。

硬质合金硬度高、热硬性好，耐磨性好，用硬质合金制作刀具，寿命可提高5－8倍，切削速度比高速钢高十几倍。硬质合金还广泛用于制作模具、量具和耐磨零件等。4.2.4硬质合金第40页/共54页1）钨钴类（YG）：主要组成为碳化钨（WC）和钴Co），有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具。含钴越高，强度和韧度越好，而硬度、耐磨性降低，一般多用作粗加工。常用牌号：YG3、YG6、YG8等硬质合金分类第41页/共54页2）钨钴钛类（TY）：主要组成为碳化钨、碳化钛（TiC）和钴。此类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，硬度高，热硬性也较好，切削加工时刀具表面形成氧化钛薄膜，切屑不易粘附，适宜制作切削高韧度钢材的刀具。常用牌号：YT5、YT10、YT15第42页/共54页3)钨钽类（YW）：主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽（TaC）和钴。特点：抗弯强度高。制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。常用牌号：YW1、YW2第43页/共54页（1）钢结硬质合金

钢结硬质合金是通过钢胶结碳化物，在钢的基体上分布大量的一次碳化钨的金属基复合材料，碳化钨30～50%，其余为钢。具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能；力学性能保持了合金钢和硬质合金的基本特性，且有所发展。广泛用于工模具和结构零件。4.2.5粉末压制钢结硬质合金及高速钢第44页/共54页（2）粉末压制高速钢雾化法生产高速钢粉粒，通过粉末压制过程生产的粉末高速钢坯料没有偏析，制品寿命提高一倍，并具有一定加工性能。第45页/共54页（1）难熔金属耐热材料难熔金属：熔点越过2000度以上的金属。如钨（3380℃）、钽（2600℃）、铌（2468℃）这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉末。4.2.6耐热材料及其它材料第46页/共54页（2）耐热合金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。组织细致均匀，高温蠕变强度与抗拉强度比铸造材料高。第47页/共54页（3）其他材料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。