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1、材料成形原理与工艺 之 烧结成形篇 吴国清 粉末冶金及其成型 第18章 n概念 n金属粉末的性能 n粉末制备备方法 n粉末冶金工艺过艺过 程 n粉末冶金新工艺艺 n粉末冶金制品的结结构工艺艺性 n粉末冶金成型件的缺陷分析 内容内容 粉末冶金 powder metallurgy n制取金属或用金属粉末 或金属粉末与非金属 粉末的混合物 作为为原料 经过经过 成形和烧结烧结 制造金属材料 复合以及各种类类型制品的工 艺艺技术术 烧结是指粉末或压坯在低于主要组分熔点的温 度下借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程 固相烧结 烧结温度低于所有组分的熔点 液相烧结 烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分
2、的熔点 加压烧结 无压烧结 粉末冶金材料或制品种类类 n难难熔金属及其合金 如钨钨 钨钨 钼钼合金 n组组元彼此不相溶 熔点十分悬悬殊的特殊性能材料 如钨钨 铜铜合金型电电触头头材料 n难难熔的化合物和金属组组成的各种复合材料 如硬质质合金 金属陶瓷 等 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30 60 的体积孔隙度 孔径1 100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
3、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 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 粉末冶金技术的
4、主要应用 汽车动力系统 汽车发动机用粉末烧结钢零件 齿轮保持架 Ford 温压成型连杆 汽车变速器系统用粉末烧结钢件 不锈钢注射成形件 硬质合金刀具 1 某些特殊性能材料的唯一制造方法 2 可直接制出尺寸准确 表面光洁的零件 是少甚 至无切削生产工艺 3 节约材料和加工工时 成本低 4 制品强度较低 5 流动性较差 形状受限制 6 压制成形的压强较高 制品尺寸较小 7 压模成本较高 粉末冶金的特点 粉末冶金未来 n铁基结构合金的高精度 高质量 大数量产品 n致密高性能材料 主要是理想的密度和牢固性 n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 n特殊合金 主要为包含有多相的组分 通
5、过增强密度 的工艺来制造 n非平衡材料的合成非晶 微晶和亚稳合金 n具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺 金属粉末的性能 1 化学成分 n氧化物 通常 金属粉末的氧化物含量越少越好 n气体杂质 氧 氢 一氧化碳及氮 真空脱气处理 3 工艺性能 u松装密度 u流动性 u压缩性 u成形性 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 松装密度 apparent density 1 Definition 单位体积内自由松装粉末体的质量 g cm3 2 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 partic
6、le shape size and surface conditions components 松装密度测定装置 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 32 b 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 颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关 n球形粉末 雾化法 Spheric
7、al powders n多孔粉末 还原法 Porous powders n树枝状粉末 电解法 Dendrite powders n片状粉末 研磨法 Plate powders 球形球形 针针形形 树树枝形枝形 粒状粒状 片形片形 瘤状瘤状 多角形多角形 海海绵绵形形 不不规则规则形形 c 表面粗糙 Surface coarse d 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 100 150 100 80 60 40 20 325 20 40 60 80 100 d松 4 5 4 9 5
8、2 4 8 4 6 4 3 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 n形状复杂 表面粗糙 流动性差 n理论密度增加 比重大 流动性增加 n粒度组成 细粉增加 流动性差 n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 n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 angl
9、e 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 n如果粉末的相对密度不变 颗粒密度越高 流动性越好 n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 n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 压缩性 Compressive ability 1 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
10、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 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 粉末制备方法 机械法 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 雾化聚并凝固 外力冲击相互接触冷却 雾化法 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
11、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 水雾化 气雾化 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
12、末的金相组织会不一样 气雾化颗粒形貌 水雾化铜粉颗粒形貌 蒸汽冷凝法 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 被还原 物料 还原剂 举 例 备 注 固体 固体 固体 固体 气体 熔体 FeO C Fe CO WO3 3H2 W 3H2O ThO2 2Ca Th 2CaO 固体碳还原 气体还原 金属热还原 气体 气体 气体 固体 气体 熔体 WCl6 3H2 W 6HCl TiCl4 2Mg Ti 2MgCl2 气相氢还原 气相金属热 还原 溶液 溶液 熔盐 固体 气体 熔体 CuSO4 Fe Cu FeSO4 Me
13、 NH3 nSO4 H2 Me NH4 2SO4 n 2 NH3 ZrCl4 KCl Mg Zr 产物 置换 溶液氢还原 金属热还原 金属粉末的预处预处 理 1 退火 n还原氧化物 n消除加工硬化 n钝化金属 防止自燃 n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 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 粉末冶金工艺过艺过 程 原料粉末其
14、它添加剂剂 热压松装烧结粉浆烧注 混合 压制等静压制轧制 挤 压 烧结烧结 浸适热处理 电镀 预烧结 高温烧 结 复压 锻打复烧 拉 丝 烧缩 精 整 锻造 轧制挤压 烧结 浸油 热处理 粉末冶金成品 金属粉末压压制成型 n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 松装烧结 粉浆浇注 模压成形 热压成形 等静压成形 轧制成形 离心成形 挤压成形 爆炸成形 成形 无压成形加压成形 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
15、 a 落入法 b 吸入法 c 多余充填法 基本压制方式 a 单向压制 b 双向压制 c 浮动压制 2 压制 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 3 脱模 脱模力 弹性后效 烧结烧结 定义 压坯置于基体金属熔点以下温度 约0 7 0 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
16、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 n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 n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 n出现液相时 还可能有固相的溶解和重结晶 后处处理 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 粉末冶金新工艺艺 n快速原形制备备技术术 RSP n粉末注射成形 PIM n快速冷凝技术获术获 得非晶粉末 RST n粉末溅溅射成形 powder spray forming n机械合金化技术术 MA n温压压成形技术术 Worm Comp n纳纳米粉末技术术 Namo Tech n等静压压成形 烧结烧结 技术术 ISP sintering
