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1、粉末冶金工艺和铸造工艺的异同粉末冶金工艺和铸造工艺的异同The similarities and differences of powder metallurgy and casting process第1页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部粉末冶金粉末冶金粉末冶金概念：粉末冶金是一门研究制造各 种金属粉末并以该粉末为原料，通过压制成形、 烧结和必要的后续处理来制取金属材料和制品 的科学技术。是一种少或无切削加工的批量生 产方法，可以在较低的成本下，制得形状叫复 杂，结构强度叫高的结构件；是在较低成本下 批量生产轴承类自润滑零件的主要方法。第2页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术
2、部粉末冶金的应用版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部 第3页粉末冶金的历史粉末冶金技术可追溯到远古。早在纪元前，人们就在原 始的炉子里用碳还原铁矿，得到海绵铁块，再进行捶打， 制成各种器件。19世纪初叶，用粉末冶金法制得海绵铂粉， 经冷压，再在铂熔点温度的三分之二左右进行加热处理， 然后进一步锻打成各种铂制品，后来，随着冶金炉技术的 发展，经典的粉末冶金工艺逐渐被熔铸法取代。直到1909 年库力奇的电灯钨丝问世后，粉末冶金技术才得到迅速发 展。第4页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部现代粉末技术发展的三个重要标志第 一 个标志是20世纪初由于电气技术的迅速发展，迫切地寻找各 种新
3、的电光源材料。1880年爱迪生发明电灯采用的碳四光源有严重缺 陷，直至用粉末冶金工艺才解决了钨丝的制造技术，使电灯真正给人 类带来了光明，从而使粉末冶金的传统工艺重新获得了新生。随后， 许多难熔金属材料如钨、铂、钮、钥生产，粉末冶金工艺成为唯一的 方法。 第二个标志是21世纪30年代，采用粉末冶金工艺制造多孔含油轴承 获得成功，接着采用廉价的铁粉制成铁基含油轴承，并迅速在汽车工 业、纺织工业等方面得到广泛应用。 第三个标志是粉末冶金新工艺，新材料在近二三十年来不断向高水平 新领域方面拓展，热等静压、粉末锻压等新工艺出现，金属陶瓷、弥 散强化材料、粉末高速钢等 新型材料相继问世。第 5 页版权所
4、有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部第 6 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部优选粉末冶金的基本原则：优选粉末冶金的基本原则：1、自润滑性零件：含油轴承类零件，件小量大2、同一品种大批量的各种结构件：形状复杂，不加工和少加工第 7 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？首先要弄清楚粉末材料是如何被成型的：每个台阶对应一个模冲， 模冲可以简单理解为能单独运动并施加压力的模具冲头第 8 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？然后根据粉
5、末成型压机的构造、模架、模具的结构，将粉末零件分 为6种基本类型：第 9 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部粉末冶金典型的工艺过程：粉末冶金典型的工艺过程：1、原料粉末制取。原料粉末制取。现有的制粉方法大体可分为两现有的制粉方法大体可分为两 类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分为类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分为 ：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分为：电化：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分为：电化 腐蚀法、还原法、化合法、还原腐蚀法、还原法、化合法、还原- -化合法、气相沉化合法、气相沉 积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广
6、 泛的是还原法、雾化法和电解法。泛的是还原法、雾化法和电解法。2 2、将将粉末压制成型为所需形状的坯块粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的。成型的 目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有 一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压 成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压 成型，还有挤压成型、爆炸成型等。成型，还有挤压成型、爆炸成型等。第 10 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部3 3、坯块的烧结坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。烧结是粉末冶
7、金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的系和多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低，则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔点低，则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧
8、结等特殊的烧结工艺。烧结等特殊的烧结工艺。第 11 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部4 4、产品的后序处理产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品。烧结后的处理，可以根据产品 要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、 热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造 也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效 果。果。第 12 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部粉末冶金机械零件传统工艺过程：粉末冶金机械零件传统工艺
9、过程：第 13 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部粉末性能粉末所有性能的总称。它包括：粉末的几何性能(粒度、 比表面、孔径和形状等)；粉末的化学性能(化学成分、纯 度、氧含量和酸不溶物等)；粉体的力学特性(松装密度、 流动性、成形性、压缩性、堆积角和剪切角等)；粉末的 物理性能和表面特性(真密度、光泽、吸波性、表面活性 、电位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上决定了粉 末冶金产品的性能。第 14 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部(1)粒度。它影响粉末的加工成形、烧结时收缩和产品的最终 性能。某些粉末冶金制品的性能几乎和粒度直接相关，例如 ，过滤材料的过滤精度在经验上可由
10、原始粉末颗粒的平均粒 度除以10求得；硬质合金产品的性能与wc相的晶粒有很大关 系，要得到较细晶粒度的硬质合金，惟有采用较细粒度的wc 原料才有可能。生产实践中使用的粉末，其粒度范围从几百 个纳米到几百个微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易 氧化和吸水。当小到几百个纳米时，粉末的储存和输运很不 容易，而且当小到一定程度时量子效应开始起作用，其物理 性能会发生巨大变化，如铁磁性粉会变成超顺磁性粉，熔点 也随着粒度减小而降低。第 15 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部(2)粉末的颗粒形状。它取决于制粉方法，如电 解法制得的粉末，颗粒呈树枝状；还原法制得 的铁粉颗粒呈海绵片状；气体雾化
11、法制得的基 本上是球状粉。此外，有些粉末呈卵状、盘状 、针状、洋葱头状等。粉末颗粒的形状会影响 到粉末的流动性和松装密度，由于颗粒间机械 啮合，不规则粉的压坯强度也大，特别是树枝 状粉其压制坯强度最大。但对于多孔材料，采 用球状粉最好。第 16 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部（3）力学特性粉末的力学性能即粉末的工艺性能， 它是粉末冶金成形工艺中的重要工艺参数。粉末的 松装密度是压制时用容积法称量的依据；粉末的流 动性决定着粉末对压模的充填速度和压机的生产能 力；粉末的压缩性决定压制过程的难易和施加压力 的高低；而粉末的成形性则决定坯的强度。第 17 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有
12、限公司-技术部（4）化学性能主要取决于原材料的化学纯度及 制粉方法。较高的氧含量会降低压制性能、压坯 强度和烧结制品的力学性能，因此粉末冶金大部 分技术条件中对此都有一定规定。例如，粉末的 允许氧含量为0.2%1.5%，这相当于氧化物含 量为1%10%。第 18 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部粉末的制备粉末的制备金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成分的方 法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的 制粒和雾化。物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学或物理 的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的
13、工艺过程。还原 金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属 蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以还原和离解 等化学反应为基础的。工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解法、球 磨法、涡旋研磨法、雾化法。第 19 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部成形方法成形方法成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状 、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压 成形是最基本方法。松 装 烧 结松 装 烧 结粉 浆 浇 注粉 浆 浇 注模 压 成 形模 压 成 形热 压 成 形热 压 成 形等 静 压 成 形等 静 压 成 形轧 制
14、 成 形轧 制 成 形离 心 成 形离 心 成 形挤 压 成 形挤 压 成 形爆 炸 成 形爆 炸 成 形成形成形无压成形无压成形加压成形加压成形第 20 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部压制成形 1.粉末预处理预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂 等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质 的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬 化、稳定粉末的晶体结构 。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级 。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合 均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以 此来改善粉末
15、的流动性。第 21 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部压模压制是将置于压模内的松散粉 末施加一定的压力后，成为具有一 定尺寸、形状和一定密度、强度的 压坯，如图5-2是压模示意图。粉末的压缩过程一般采用压坯 密度成形压力曲线来表示，如 图5-3所示。压坯密度变化分为三个 阶段。一是滑动阶段：在压力作用 下粉末颗粒发生相对位移，填充孔 隙，压坯密度随压力增加而急剧增 加；二是粉末体出现压缩阻力，即 使再加压其孔隙度不能再减少，密 度不随压力增高而明显变化；三是 当压力超过粉末颗粒的临界压力时 ，粉末颗粒开始变形，从而使其密 度又随压力增高而增加。模压示意图压坯密度与成型压力之 间关系第
16、 22 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图 5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发生了变化，由图5-5可 知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上 模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的 密度分别是中间大，两边小。因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于 压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明 显的压力降。a) 压制前b) 压制后用石墨粉作隔层的单向压坯第 23 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具 ；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性，3）模具设计时尽量降低高径比。粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力 机吨位一般为5005000kN。第 24 页版权所有：深圳市御嘉鑫五金有限公司-技术部烧结烧结烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间， 使压坯获得一
