粉末冶金及其成型.ppt
第五章 粉末冶金及其成型,粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能,第五章 粉末冶金及其成型,常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。,第五章 粉末冶金及其成型,（4）粉末冶金工模具材料。包括 硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。,第五章 粉末冶金及其成型,能够大量节约材料、无切削、少切削，普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于5%。能够大量节省能源 能够大量节省劳动 能够制备其他方法不能制备的材料 能够制备其他方法难以生产的零部件,粉末冶金技术的优越性与局限性：,第五章 粉末冶金及其成型,粉末冶金技术的主要应用：,汽车动力系统：,第五章 粉末冶金及其成型,汽车发动机用粉末烧结钢零件,第五章 粉末冶金及其成型,汽车变速器系统用粉末烧结钢件:,第五章 粉末冶金及其成型,齿轮保持架(Ford),温压成型连杆：,不锈钢注射成形件,第五章 粉末冶金及其成型,硬质合金刀具：,第五章 粉末冶金及其成型,铁基结构合金的高精度高质量大数量产品。致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性难加工材料的制造，全密度具有统一微观结构的高性能合金。特殊合金，主要为包含有多相的组分，通过增强密度的工艺来制造。.非平衡材料的合成非晶，微晶和亚稳合金。具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。,粉末冶金未来 The future of the powder metllurgy,5.1 粉末冶金基础,5.1.1 金属粉末的性能1.化学成分氧化物:通常，金属粉末的氧化物含量越少越好气体杂质：氧、氢、一氧化碳及氮;真空脱气处理2、物理性能材料熔点,比热,电学,磁学,光学性质,颗粒形状、大小和粒度组成比表面积颗粒密度显微硬度,球形,针形,树枝形,粒状,片形,瘤状,多角形,海绵形,不规则形,颗粒形状:颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关球形粉末-雾化法 Spherical powders多孔粉末-还原法 Porous powders树枝状粉末-电解法 Dendrite powders片状粉末-研磨法 Plate powders,5.1.1 金属粉末的性能,松装密度流动性压缩性成形性,3.工艺性能,5.1.1 金属粉末的性能,3.1 松装密度 apparent density 1)Definition:单位体积内自由松装粉末体的质量 g/cm32）意义:自动压制容积法3）测量方法:流量法，粉末自由落下4）影响因素:particle shape，size，and surface conditions，components,松装密度测定装置一,(a)装配图,(b)流速漏斗,(c)量杯,a、粒度:粒度小，松装密度小还原铁粉 d(um)6 51 68 g/cm 30.9 72.1 93.03电解铁粉 d(um)53 63 78 g/cm 32.0 52.5 63.32b、颗粒形状 形状复杂 松装密度小 粉末形状影响松装密度，从大到小排列 球形粉类球形不规则形树枝形 sphere-similar sphere-irregular-dentritical,c、表面粗糙 Surface coarsed、粒度分布 Particle size distribution 1 细分比率增加，松装密度减小;2 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉-100150 100 80 60 40 20 325 20 40 60 80 100 d松 4.5 4.9 5.2 4.8 4.6 4.3,3.2 流动性 Flow ability定义：一定量粉末(50g)流经漏斗所需的时间：sec./50 gram 意义：影响压制操作的自动装粉盒压件密度均匀性影响因素:颗粒间的摩擦 形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加,流动性差,5.1.1 金属粉末的性能,流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标的;采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性;粉末锥的底角称为natural angle of repos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；,5.1.1 金属粉末的性能,同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体,加入成形剂 减低粉末的流动性;流动性直接影响 压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能-制粒工序,改善流动性;,3.3 压缩性 Compressive ability1)定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压力下（30t/inch2）粉末压坯的密度2)意义:压坯密度，最终烧结密度和性能。3)影响因素:a 颗粒塑性，显微硬度 b 颗粒形貌：不规则的颗粒压缩性差 c 密度减少时（空隙增加）压缩性差 d 合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性,5.1.1 金属粉末的性能,3.4 成型性 Formation ability定义:粉末压制后，压坯保持既定形状的能力 用压坯强度表示意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素:颗粒之间的啮合与间隙a 不规则颗粒，颗粒间连接力强,成型性好b 颗粒越小，成型性越好;与压缩性影响后果相反,必须综合考虑,5.1.1 金属粉末的性能,5.1.2 粉末制备方法,机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。,5.1.2 粉末制备方法,5.1.2 粉末制备方法,机械法,5.1.2 粉末制备方法,滚筒式,行星式,振动式,搅动式,机械法：球磨法,滚筒式球磨：,振动球磨:,5.1.2 粉末制备方法,雾化法,外力冲击,相互接触,冷却,金属或合金先由电阻炉或感应电炉融化，再注入金属液中间包内。金属液由上方孔流出时液流与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。,气雾化和水雾化的区别,粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。,5.1.2 粉末制备方法,气雾化颗粒形貌,水雾化铜粉颗粒形貌,5.1.2 粉末制备方法,蒸汽冷凝法,5.1.2 粉末制备方法,气 相 氢 还 原 还原剂-氢气气相金属热还原 还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）,气相还原法,碳还原法,5.1.3 金属粉末的预处理,1、退火还原氧化物消除加工硬化钝化金属，防止自燃消除杂质，提高纯度2、筛分：把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。,5.1.3 金属粉末的预处理,3、制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。4、混合：将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。（1）机械法（2）化学法：润滑剂或成形剂，造孔剂,5.2 粉末冶金工艺过程,5.2.1 金属粉末压制成型,主要功能：（1）将粉末成形为所要求的形状；（2）赋予坯体以精确的几何形状与尺寸，应考虑烧结时的尺寸变化；（3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；（4）赋予坯体以适当的强度，以便搬运。,5.2.1 金属粉末压制成型,封闭钢模压制成型工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。（1）称粉与装粉,自动装粉方式 a）落入法 b）吸入法 c）多余充填法,5.2.1 金属粉末压制成型,基本压制方式 a)单向压制 b)双向压制 c)浮动压制,（2）压制,5.2.1 金属粉末压制成型,压制过程可分为四个阶段：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，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。,5.2.1 金属粉末压制成型,5.2.1 金属粉末压制成型,压坯密度的均匀性 a.垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.压坯底部的边缘密度低。,5.2.1 金属粉末压制成型,影响压坯密度分布的因素 a.压制压力：静压力+压力损失；b.压力损失时压坯密度分布不均的主要原因；c.高度越高，密度差越大；直径越大，密度差越小；d.改善模壁的光洁度，加润滑剂e.双向压制。,5.2.1 金属粉末压制成型,压坯密度与影响因素的关系a.随压制压力的增高而增大；b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大；c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度；d.降低压制速度，提高压坯密度。,5.2.1 金属粉末压制成型,（3）脱模脱模力弹性后效,5.2.2 烧结,定义：压坯置于基体金属熔点以下温度（约0.70.8T，单位K）加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化，这一过程称为烧结。目的：依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合；提高烧结体的强度。原理：粉末在热激活状态下，表面能降低，导致空隙减小，密度增大，强度增加。影响因素：烧结温度、保温时间、加热和冷却速度,5.2.2 烧结,水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原；原子间扩散，粘性流动和塑性流动，颗粒间的接触面增大，发生再结晶和晶粒长大等；出现液相时，还可能有固相的溶解和重结晶。,5.2.3 后处理,1浸渍 利用烧结件多孔性的毛细现象浸入各种液体。润滑、提高强度和防腐能力、为了表面保护。2表面冷挤压 提高零件的尺寸精度和减小表面粗糙度。3切削加工 横槽、横孔，以及轴向尺寸精度高的面等。4热处理 可提高铁基制品的强度和硬度。5表面保护处理 对用于仪表、军工及有防腐要求的粉末冶金制品很重要。,5.3 粉末冶金新工艺,1、等静压成形 借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的等静压压力直接作用于弹性模套内的粉末上，使粉体各个方向同时均衡受压，而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯。,5.3 粉末冶金新工艺,2、爆炸成形利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力，作用于粉体进行成形的工艺。可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料，如难熔金属、高合金材料等，还可压制普通压力无法压制的大型压坯。,5.3 粉末冶金新工艺,3、挤压成形,5.3 粉末冶金新工艺,4、粉末轧制,5.3 粉末冶金新工艺,5、粉浆浇注成型金属粉末在不施加外力的情况下成形的，即将粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。,5.3 粉末冶金新工艺,6、粉末注射成形把粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体。可制作各种形状复杂的零件，材料利用率高。特别适合大批量生产体积小带有横孔、斜孔薄壁等异型零件。,5.3 粉末冶金新工艺,5.3 粉末冶金新工艺,快速原形制备技术,RSP粉末注射成形、PIM快速冷凝技术获得非晶粉末、RST粉末溅射成形、powder spray forming机械合金化技术、MA 温压成形技术,Worm Comp.纳米粉末技术,Namo-Tech等静压成形-烧结技术,ISP-sintering 高性能材料研发，等等.,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,1、避免出现脆弱的尖角,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,1、避免出现脆弱的尖角,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,2、避免模具和压坯出现局部薄壁,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,3、锥面和斜面需有一小段平直带,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,4、需要有脱模锥角或圆角,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,5.4 粉末冶金制品的结构工艺性,4、压制工艺对结构设计的要求,5.5 粉末冶金成型件的缺陷分析,5.5 粉末冶金成型件的缺陷分析,5.5 粉末冶金成型件的缺陷分析,5.5 粉末冶金成型件的缺陷分析,
