粉末冶金的优缺点及其技术

粉末冶金的优缺点及其技术粉末冶金工艺的优点：1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶 金方法来制造2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需 要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本用粉末冶金方 法制造产品时，金属的损耗只有 1-5%,而用一般熔铸方法生产时，金属 的损耗可能会达到 80%3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混 入由堆坍和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行, 不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性5、 粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加 工 费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本 粉末冶金工艺的基本工序是：1、 原料粉末的制备现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和 物 理化学法而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分 为： 电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-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泛的是还原法、雾化法和电解法2、 粉末成型为所需形状的坯块成型的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型和无压成型加压成型中应用最多的是模压成型3、坯块的烧结烧结是粉末冶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机械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固相烧结，烧结温度比所用的 金属 及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，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除普通饶结外，还有松装烧 结、熔浸 法、热压法等特殊的烧结工艺4、产品的后序处理烧结后的处理，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、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 想的效果粉末冶金材料和制品的今后发展方向：1、 有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零 部件发展2、 制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能金3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金4、 制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金5、加工独特的 和非一般形态或成分的复合零部件粉末冶金工艺缺点：1:在没有批量的情况下要考虑零件的大小2:模具费用相对来说要高出铸造模具粉末冶金(P/M)技术是一门重要的材料制备及成形技术，被称为是解 决高科技、新材料问题的钥匙…。

高性能、低成本、净近成形一直以来是 粉末冶金工作者重要研究课题之一粉末冶金法能实现工件的少切削、无 切削加工，是一种高效、优质、精密、低耗节能制造零件的先进技术进 入 20 世纪 80 年代许多行业，特别是汽车工业比以往任何时候更加依赖于 粉末冶金技术，尽可能多地采用粉末冶金高性能的零部件是提高汽车尤其 是轿车在市场中的竞争能力的一种有力手段高密度的P/M产品是保证其 具有优异的力学性能的关键因素因此，为扩大粉末冶金P/M零部件的应 用范围，必须提高其密度以获得力学性能优异的粉末冶金零部件目前， 常用来提高P/M零部件密度的技术途径主要有：压缩性铁粉的应用复压复烧浸铜高温烧结粉末热锻等等由于这些工艺存在着不同程度的成本和工件尺寸精度保证困难等技 术 问题，使本富于竞争力的粉末冶金零件的潜力难以得到充分发挥而流 动 温压粉末成型技术的发展使之成为提高P/M零件密度的有效途径1. 流动温压粉末成型技术的发展1. 1 温压技术的发展20 世纪 80 年代末， Hoeganaes 公司的 Musella 等人为提高零件密度, 在扩散粘结铁粉制备工艺的研究基础上，将粉末和模具加热到一定温度进 行压制，开发出一种所谓温压的新工艺，即ANCORDENSE T艺。

温压工艺 就是采用特制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统，将混有特殊聚合物 润滑剂的金属粉末和模具加热至130~150°C,然后按传统粉末压制工艺进 行压制和烧结以提高压坯密度的新方法据资料分析，虽然温压工艺比常规 的一次压制烧结工艺的相对成本提高了 20%,但比渗铜工艺、复压烧结工 艺、粉末热锻工艺分别降低了 20%、30%和 80%的成本，开拓了粉末冶金应 用的潜力因而被誉为“开创粉末冶金零件应用新纪元的一次新型制造技 术”，为零部件在性能和成本之间找到一个理想的结合点，也被认为是进 人 90 年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步〃目 前，在粉末制备、工艺优选、温压及烧结行为、致密化机理等方面均进行 了广泛的研究，并实现了工业化生产1. 2 金属注射成形技术的发展金属注射成形MIM(Metal Injection Molding)是传统粉末冶金工艺 及 现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近净成形技术最早可 追 溯于20世纪30 年代开始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制备，随后的儿 十 年间粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形直到1979年，由Wiech等人 组建的 Parmatech 公司的金属注射成形产品获得两项大奖，以及当时 的 Wiech和Rivers先后获得专利，粉末注射成形才开始转向以金属注射 成形 为主导。

1. 3 流动温压粉末成型技术的产生 金属粉末注射成形技术适用于大批量制造具有复杂儿何形状、高性 能、高精度的零件，在产业化方面也取得突破性进展但该工艺在粉末中 需要加人较多的粘结剂，粉末需用WlOum的超细近球形粉，从混料到脱 脂、 烧结，工序较复杂，工艺要求严格，特别是需要较长的脱脂和烧结时 间，造成制造成本往往偏高流动温压成形(WFC： Warm FlowCompaction)正是在金属粉末温压的基础上，结合了金属粉末注射成形工艺的优点，通过 加人适量的粗粉和微细粉末以及加大热塑性润滑剂的含量 而大大提高了 混合粉末的流动性、填充性和成形性由于在压制时混合粉末 变成具有 良好流动性的粘流体，既具有液体的优点，又有很高的粘度，并 减小摩擦 力，使压制压力在粉末中分布均匀，还得到了很好的传递这 样，粉末在 压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹，从而使密度也得 到了很大的 改善该技术由徳国 Fraunhofer 先进材料及制造研究所 (IFAM) 于 2001 年 首次报道流动温压可以在 80\30°C 温度下，在传统压片机上精密成形形状非常复杂 的工件，如带有及压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔等的复杂工件，而不 需要其后的二次机加工。

WFC技术既克服了传统冷压在成形复杂儿何形状 方面的不足，又避免了注射成形技术的高成本，是一项极具潜力的新技术, 具有广阔的应用前景流动温压工艺儿乎适用于所有的粉末体系，但最适合于成形低合金钢、Ti 以及 WC、 Co 等硬质合金粉2. 流动温压粉末成型技术的特点 流动温压工艺是在温压工艺基础上结合了金属注射成形的优点而发 展起来的，它是一种新型的粉末冶金零件近净成形技术在对温压的研究 中，人们发现温压成形时在径向产生了很大的径向压力，从而在注射成形就形技术中注射喂料的良好流动性和成形性给予了启发，将两者的优势结合起 来 并对混合粉料加以优化就产生了流动温压粉末成型技术流动温压工艺是将具有良好流动性的混合粉末装入型腔中，然后在一定温度下压制成 具有较复杂儿何外形的工件，不需专门脱脂工艺而直接烧结制得粉末冶 零件的新技术其主要特点可概括如下2. 1 可成形具有复杂几何形状的零件、釆用流动温压可以直接成形及压制方向相垂直的凹槽、孔和螺纹孔等 工件而采用冷压制造此类形状的工件却是非常困难英至是不可能的，一 般 需要通过其后的机加工才能完成即使用数控压片机来实现复杂和精准 的 动作也只能生产出较为简单的此类工件。

Fraunhofer 研究人员也用带有微小锥度的成形冲头成功地直接成形了较 深 的盲孔工件，盲孔的壁高和壁厚的比率可达到旷 7,壁厚的变化范围可 在「3mm为了系统地研究流动温压工艺中粉末的流动行为， Fraunhofer 研 究人员采用了如图1所示的特制模具-弓I该模具为两半用螺栓联接而 成，水平孔和垂直孔的直径都是16mm研究人员对T孔'通孔、L孔形型 腔模具进行了研究，及压制方向垂直的侧孔的长度可以通过螺栓来调节 用流动温压工艺成功制备出了T型工件实验结果表明，混合粉末的良好 流动性足以避免在拐角处产生裂纹利用流动温压工艺还可成形零件更复杂的儿何外形混合粉末的良好 流动性使得流动温压工艺可以精密地成形工件的精细轮廓因此，流动温 压 工艺可以用于成形螺纹用带有外螺纹型芯的模具经压制成形后，将型 芯从 半成品中拧出，然后进行烧结就可制得螺纹根据收缩率选取适当的 型芯直 径就可压制出所需的螺纹而不需要二次机加工这也许是流动温压 工艺最 显著的应用对流动温压进行了初步研究，制造出一套研究流动温 压流动趋 势的特制装置，并实现十字型零件的成形2. 2 压坯密度高'密度较均匀流动温压由于装粉密度较高，因此经温压后的半成品密度可以达到很 高的值。

除密度提高外，由于粉末流动性好，成形的零件密度也更加均 匀 或者说采用简单的模冲（不需要辅助的浮动多轴模冲）就可成形多 台阶的 粉末冶金工件对于难成形的纯Ti粉，应用流动温压也取得了明显的结果如采用Ti 粉成形的 T 型工件的密度分布（在零件图上用 re 数字标出）如下图所 示 从图中可以看出，采用流动温压可以获得较高的密度，工件除具有较 好的 烧结性能外，密度分布也较均匀图中“5”处距离零件中心轴有 14mm, 在冷压时密度偏低，这主要是阴模模壁的摩擦和压力的传递不均造 成的Ti基半成品和成品在不同位置的密度分布（ri无空隙密度为4. 5g/cm3） 2. 3 对材料的适应性好流动温压工艺可适用于各种金属粉末，包括低合金钢粉、不锈钢粉、 纯 Ti 粉和硬质合金粉末等 Fraunhofer 研究人员对各种金属粉末进行了 流动温压工艺研究，都取得了较显著的结果，其中包括低合金钢粉（ D i sto layAE） '不锈钢316L粉'纯Ti粉和WC-Co硬金属粉末流动温压工艺原 则上可适用于所有的粉末系，唯一的要求是该粉末必须具有足够好的烧结 性能，以便最终达到所要求的密度和性能2. 4 工艺简单，成本低用传统粉末冶金方法成形零件在垂直于压制方向上的凹槽'横孔等外 形，需要设计非常复杂的模具或通过烧结后的二次机械加工才能完成。

虽 然注射成形技术在成形零件的复杂外形方面儿乎不受什么限制，但是由于 添加的粘结剂数量较多，在加热过程中会因为重力影响使工件发生变形， 因此往往需要额外增加一道较复杂和较昂贵的专门脱脂工序，使得注射成 形技术比常规粉末冶金技术成本高，所以注射成形的零件不一定能够取代 可满足其设计功能的常规粉末冶金零件，从而使注射成形技术的应用范围 受到了一定的限制而流动温压粉末成型技术既可直接成形复杂儿何外形而不需要其后 的 二次机加工；另一方面，在流动温压成形工艺中，所用的特殊粘结剂和 润 滑剂含量适中，所配置的混合粉末具有很高的粘度和临界剪切强度，在 加 热过程中不会发生变形，因而可直接在烧结过程中去除粘结剂因此， 及 传统粉末成形工艺和注射成形工艺相比，流动温压粉末成型技术对成形 复 杂儿何外形的零件来说，既简化了生产工艺，又大大降低了制造成本3. 流动温压粉末成型技术的应用前景流动温压成形技术结合了传统压制和金属注射成形的优点，成形零件 时既缩短了工艺流程，又降低了成本，同时使零件的密度和复杂性方面也 得到了提高，应用前景好流动温压可以在传统的粉。