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1、粉末冶金和陶瓷的制备材料加工工程材料加工工程 在在前前面面的的章章节中中，所所涉涉及及到到的的都都是是液液态或或固固态材材料料，本本章章所所要要讨论的的则是是粉粉末末材材料料。粉粉末末冶冶金金( (Powder Metallurgy，P/M)是是材材料料加加工工工工程程学学科科的的一一个个分分支支，是是制制取取金金属属粉粉末末或或以以金金属属粉粉末末( (或或金金属属粉粉末末与与非非金金属属粉粉末末的的混混合合物物) )为原原料料，经成成形形和和烧结，制制成成各各种种金金属属或或金金属属非非金金属属材材料料和和制制品品的的工工艺技技术。粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷生生产有有许多多相相似似之之处
2、。因因此此也也被被称称为金金属属陶陶瓷瓷法。粉末冶金材料或制品的生法。粉末冶金材料或制品的生产工工艺流程流程见图1 1。 图11粉末冶金材料或制品的工粉末冶金材料或制品的工艺流程流程 4粉末制备粉末制备坯料制备坯料制备成型成型干燥干燥烧结烧结后处理后处理热压或热等静压烧结热压或热等静压烧结成品成品粉末冶金的生产过程主要包括粉末的制取、成形和烧结。粉末冶金的生产过程主要包括粉末的制取、成形和烧结。粉末冶金的生产过程粉末冶金的生产过程示意图粉末冶金的生产过程1 1、 金属粉末的制取和准金属粉末的制取和准备 粉粉末末冶冶金金所所用用的的原原料料粉粉可可能能是是一一种种，也也可可能能是是数数种种。即即
3、使使是是一一种种粉粉料料，为了了保保证压坯坯的的质量量，可可能能需需要要多多种种不不同同粒粒度度的的粉粉末末均均匀匀混混合合。由由于于产品品最最终性性能能的的需需要要或或成成形形过程程的的要要求求，上上述述粉粉末末原原料料在在成成形形之之前前都都要要经过一一些些预处理理。预处理理包包括括粉粉末末退退火火，筛分分、混合、制粒、加混合、制粒、加润滑滑剂等。等。6粉末冶金的生产过程2 2、成形、成形成形分成形分模模模模压压成形成形成形成形和和特殊成形特殊成形特殊成形特殊成形两大两大类。特殊成形方法，比如，等静压成形，连续成形，特殊成形方法，比如，等静压成形，连续成形，无压成形，高能成形等。无压成形，
4、高能成形等。模压成形就是将预处理良好的粉末按一定量模压成形就是将预处理良好的粉末按一定量(体积或重量体积或重量)装入精密模具，用压装入精密模具，用压力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。在压制过程中，粉末与粉末、粉末在压制过程中，粉末与粉末、粉末与模壁之间摩擦的存在，造成了压与模壁之间摩擦的存在，造成了压力分布的不均匀，因而使得压坯各力分布的不均匀，因而使得压坯各部分的密度和强度分布也不均匀。部分的密度和强度分布也不均匀。模压成形因受压机能力和压模设计模压成形因受压机能力和压模设计的限制，压坯的尺寸较小，单重较的限制，压坯的尺寸较小，单重较轻，形状也较简单。轻，形
5、状也较简单。在以上诸多成形在以上诸多成形方法中，模压成方法中，模压成形仍然占主导地形仍然占主导地位。位。粉末冶金的生产过程3 3、烧结 成成形形后后的的粉粉末末毛毛坯坯还不不具具备应有有的的物物理理、机机械械性性能能，还不不能能直直接接使使用用。粉粉末末毛毛坯坯必必须在在适适当当的的温温度度和和气气氛氛中中受受热，发生生一一系系列列物物理理和和化化学学的的变化化，使使粉粉末末颗粒粒的的聚聚集集体体变成成为晶晶粒粒的的聚聚集集体体，从从而而获得得所所需需的的物物理理、机机械械性性能能，成成为可可用用的的制制品品或或材材料料。这个个过程程称称之之为烧烧结结。烧结对最最终产品品的的性性能能起起着着决
6、决定定性性的的作作用用，是是粉粉末末冶冶金金生生产过程中最重要的工序之一。程中最重要的工序之一。 烧结温温度度约为主主成成分分熔熔点点的的2/32/3。保保护气气氛氛可可用用氢气气等等还原原性性气气体体，氨氨气气、园园气气等惰性气体或者在真空中等惰性气体或者在真空中进行行烧结。8粉末冶金的生产过程4 4、 后后处理理 经过烧结后后，大大部部分分制制品品已已可可使使用用。但但对一一些些尺尺寸寸精精度度要要求求严格格，或或对使使用用性性能能有有特特殊殊要要求求的的制制品品还需需进行行后后处理理。后后处理理有有多多种种方方式式，如如精精整整、浸浸油油、机机加加工工、热处理理和和电镀等等。锻造造也也可
7、可用用来来对粉末冶金制品粉末冶金制品进行后行后处理。理。 粉末冶金的技术经济特点1) 1) 能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料 能能控控制制制制品品的的孔孔隙隙度度，生生产产多多孔孔材材料料。适适当当地地选选择择和和控控制制粉粉末末粒粒度度、压压制制压压力力、烧烧结结温温度度和和时时间间等等参参数数，或或在在原原料料粉粉中中预预先先混混入入一一定定量量低低熔熔点点金金属属粉粉末末或或在在低低温温下下易易挥挥发发的的有有机机物物粉粉末末，即即能能得得到到质质量量均均匀匀的的多多孔孔材材料料。这这种种多多孔孔材材料料可可用用作作含含油油轴轴
8、承承，广广泛泛地地应应用用在在汽车、家庭电动设备等方面。汽车、家庭电动设备等方面。 使使互互不不相相溶溶的的金金属属金金属属或或金金属属非非金金属属组组合合成成具具有有特特殊殊性性能能的的材材料料。例例如如铜铜石石墨墨、银银石石墨墨电电刷刷材材料料，钨钨铜铜假假合合金金型型电电触触头头材料等。材料等。 能能生生产产各各种种复复合合材材料料。例例如如，由由难难熔熔化化合合物物和和金金属属组组成成的的硬硬质质合合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。 2)2)生生产出的材料性能更出的材料性能更优越越 高高合合金金粉粉末末冶冶金金材材
9、料料，如如粉粉末末高高速速钢、粉粉末末超超合合金金材材料料，可可避避免免成成分分偏偏析析，组织均匀，晶粒均匀，晶粒细小，性能小，性能稳定，因而定，因而热加工性能也大加工性能也大为改善。改善。 可可生生产难熔熔金金属属材材料料或或制制品品。现代代科科学学技技术虽已已发展展到到很很高高水水平平，但但材材料料如如果果熔熔点点过高高，在在工工业上上熔熔化化仍仍有有困困难。目目前前，适适于于熔熔炼法法生生产的的金金属属熔熔点点约在在20002000以以下下，金金属属及及碳碳化化物物一一般般均均须依依靠靠粉粉末末冶冶金金法法制制取取。最最近近，等等离离子子喷射射法法可可以以得得到到1000010000以以
10、上上的的高高温温，使使难熔熔金金属属的的熔熔化化成成为可可能能。但但是是，与与熔熔液液不不起起化化学学反反应，而而自自身身也也不不熔熔化化的的耐耐火火材材料料容容器器尚尚未未制制成成，因因而而熔熔炼法法制制取取难熔熔金金属属还存在存在许多困多困难。粉粉末末冶冶金金法法可可直直接接将将金金属属粉粉末末制制成成成成品品或或接接近近成成品品的的最最终形形状状和和尺尺寸寸的的制制品品，因因而不需要或只需很少的切削加工，而不需要或只需很少的切削加工，可可节约金属材料，提高金属材料，提高劳动生生产率。率。粉末冶金的技术经济特点11事物总是一分为二的，粉末冶金作为一种先进的工艺技术在应事物总是一分为二的，粉
11、末冶金作为一种先进的工艺技术在应用上也存在一些不足之处。例如，粉末的成本较高，粉末冶金用上也存在一些不足之处。例如，粉末的成本较高，粉末冶金制品的尺寸和形状也受到限制等。随着粉末冶金技术以及相关制品的尺寸和形状也受到限制等。随着粉末冶金技术以及相关技术的发展，这些不足正在逐步解决。粉末冶金必将在国民经技术的发展，这些不足正在逐步解决。粉末冶金必将在国民经济的发展中发挥愈来愈大的作用。济的发展中发挥愈来愈大的作用。粉末冶金的技术经济特点金属粉末的生产方法生生产方法方法简要要说明明应用范用范围机机械械法法固固体体粉粉碎碎球球磨磨通通过滚动或或振振动筒筒的的运运动，使球撞使球撞击物料，粉碎成粉末物料
12、，粉碎成粉末脆性金属及合金脆性金属及合金研研磨磨用用气气流流或或液液流流，带动物物料料颗粒相互碰撞摩擦而成粉末粒相互碰撞摩擦而成粉末脆脆性性、韧性性金金属属丝或或小小块边角余料角余料液液体体粉粉碎碎雾化化法法用用高高压气气体体、高高压液液体体或或高高速速旋旋转的的叶叶片片，将将熔熔融融金金属属打打散散成成雾状状液液滴滴，冷冷却却后后成成粉末粉末较低熔点的金属低熔点的金属物物理理化化学学法法还原法原法用用还原原剂还原原金金属属氧氧化化物物或或盐类，使其成，使其成为粉末粉末金金属属氧氧化化物物或或卤族族化化合合物物电解法解法在在溶溶液液或或熔熔盐中中，通通入入直直流流电，使使金金属属离离子子重重新
13、新获得得外外层电子，子，变成金属粉末成金属粉末金属金属盐类热离解法离解法金金属属与与CO,H2或或Hg作作用用, ,生生成成化化合合物物, ,加加热后后分分解解出出CO,H2或或Hg,制得金属粉末制得金属粉末能能与与CO，H2或或Hg生生成成化合物的金属化合物的金属化学置化学置换法法用用活活性性( (负电性性) )大大的的金金属属，置置换活活性性小小的的金金属属离离子子制制得得粉末粉末较贵重的金属重的金属颗粒形状与粉末生产方法的关系 颗粒粒形状形状粉末生粉末生产方法方法颗粒形状粒形状粉末生粉末生产方法方法球球形形气气相相沉沉积, ,液液相相沉沉淀淀树枝状枝状水溶液水溶液电解解近球形近球形气气体
14、体雾化化, ,置置换( (溶液溶液) )不不规则形形水水雾化化, ,机机械械粉粉碎碎, ,化化学沉淀学沉淀多角形多角形机械粉碎机械粉碎多多孔孔海海绵状状金属氧化物金属氧化物还原原片片状状塑塑性性金金属属机机械械研研磨磨碟碟状状金属旋金属旋涡研磨研磨14粉末的制取及特征粉末的形状和结构粉末的形状和结构粉粉末末颗粒粒的的形形状状直直接接影影响响粉粉末末的的流流动性性、松松装装密密度度、透透气气性性、压制制性性及及烧结强度度等等制制粉粉工工艺对粉粉末末颗粒粒的的晶晶体体结构构起起主主要要作作用用。一一般般情情况况下下，粉粉末末颗粒粒为多多晶晶体体结构构。晶晶粒粒内内存存在在亚结构构，同同时晶晶体体还
15、存存在在严重重的的不不完完整整性性，如如空空隙隙、畸畸变、夹杂等等，晶晶粒粒内内部部往往往往含含有有较高的空位高的空位浓度和位度和位错密度。密度。粉末压制（a）金属粉末压制成形轴衬；（）金属粉末压制成形轴衬；（b）压制成形一个正齿轮的典型模具）压制成形一个正齿轮的典型模具粉末料在模具中经压制成为一定形状成形体的过程。模具中的密度变化不同模具中金属粉末压制过程中密度的变化: (a) 和(c) 单动压力机; (b) 和 (d) 双动压力机. 注意在 (d)中两个凸模的独立运动带来了比c）更均匀的密度。 (e)在单动压力机上 压制铜粉末时的等压线。等静压成型等静压成型是将待压制试样置于高压容器中，利
16、用等静压成型是将待压制试样置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压的一种成型方法。各个方向对试样进行均匀加压的一种成型方法。热等静压冷等静压18冷等静压管状零件冷等静管状零件冷等静压原理原理图19热等静压热等静等静压工工艺原理原理压力和温度按力和温度按图随随时间变化化其它成型方式粉末轧制粉末冶金制品的轧制成性属于连续成型过程。金属粉末由供料装置不断送入转动方向相反且处于同一平面的两个轧辊之间的缝隙，通过轧辊的压力将其压实成连续的坯料。轧制成型的粉末冶金制品通常是截面形状较为简单的带状或板状。粉末轧制成
17、型示意图烧结各种金属粉末的烧结温度和时间烧结金属粉末的两种金属粉末的两种烧结机理机理 (a) 固固态传输机理机理; (b) 液液态传输机理；机理；R粒子半径粒子半径, r 内内颈半径，半径，r外外颈半径半径23粉末冶金的设计考虑设计原则：1. 压制的形状必须尽可能的简单均匀。尖锐的轮廓、过薄的截面、厚度的变化和高的长径比应该避免。2. 必须提供从模具中退出压实坯件而不损坏坯件的通路；例如，孔洞或凹壁应与推出机构的行程平行。还应设计斜度，以避免沿压实件的边缘和拐角形成碎屑。3. 与大多数其它加工工艺一样，为了提高工具和模具寿命及降低生产成本，粉末冶金零件也应该在满足其应用要求的前提下有尽可能大的
18、尺寸公差。4. 粉末冶金烧结零件的尺寸公差通常控制在；通过附加工艺如，机加工、磨削等可以大幅度提高尺寸精度。粉末冶金技术的发展趋势( (l) 具具有有代代表表性性的的铁基基合合金金，其其大大体体积的的精精密密制制品品，高高质量量的的结构零部件。构零部件。(2)(2)制造具有均匀制造具有均匀显微微组织结构的、加工困构的、加工困难而完全致密的高性而完全致密的高性能合金。能合金。 (3)(3)用用增增强致致密密化化过程程来来制制造造一一般般含含有有混混合合相相组成成的的特特殊殊合合金金。 (4)(4)非均匀材料、非晶非均匀材料、非晶态、微晶或者、微晶或者亚稳合金。合金。 (5)(5)加工独特的和非一
19、般形状或成分的复合零部件加工独特的和非一般形状或成分的复合零部件 陶瓷的制备2526原料原料粘土粘土生产过程生产过程粘粘土土混混合合成成型型干干燥燥烧烧结结成成品品冷冷却却陶瓷成形2728陶瓷成形陶瓷成形工艺特点工工艺（Process）优势（Advantages）局限（局限（Limitations）注浆成型法大型零件，复杂形状，低设备成本低生产率，尺寸精度限制.挤压法可生产中空形状以及小直径零件；高生产效率。 零件具有恒定的截面积，厚度受到限制。干压法精度高，自动化控制生产效率高。在长径比大的零件上密度变化；模具需要高耐磨性；设备成本高。湿压法形状复杂，高生产率。 零件的尺寸和尺寸精度受到限制
20、；工具成本可能高。热压成形硬度高，密度大的零件。 需要保护气体，模具寿命短。等静压制均匀的密度分布. 设备可能昂贵.旋坯成形自动化控制生产率高；工具成本低。局限于轴对称零件；尺寸精度受限制。喷射造型法形状复杂，高生产率。设备可能昂贵.许多技术都可以将陶瓷成形为有用的产品。29陶瓷成形1. 粉浆浇注粉浆浇注成形陶瓷零件的过程。将陶瓷或金属粉末分散在液态介质中制成悬浮液，是指具有良好的流动性。将此悬浮液注入一定形状的模腔中，通过模具的吸水作用使悬浮液固化，制得具有一定形状的 生坯。石膏模注浆出浆修坯铸件30陶瓷成形2.热压铸成形热压铸成形将瓷料和熔化的蜡类黏结剂，经搅拌混合均匀，倒入热压铸机，用压
21、缩空气把加热熔化的料浆压入金属模腔，使料浆在模具内凝固成型。此法优点是：操作简便，可成型各种形状复杂的制品，生坯的强度高、表面光洁度好，模具磨损小，劳动生产率较高，但坯件致密度较低，烧成前需要有脱蜡工序，对致密度要求高的制品常难满足要求。 塑性成形(a) Extruding and (b) jiggering operations. Source: R. F. Stoops.包括：挤压、喷射成形，旋坯成形等32坯体干燥与陶瓷烧成1、坯体干燥 采用注浆法成形的泥浆，含水率一般在30%-35%，呈流动状态；用塑性成形的泥料，含水率为15%-26.7%，呈可塑状态；即使干压或半干压的制品，其含水量也
22、为0.1%-8%。 干燥过程主要是除去坯体内部水分，赋予坯体一定的干燥强度，使坯体能够以一定的强度适应运输、修坯、粘接及施釉等加工工序的要求，同时避免在烧结时由于水分大量汽化而带来的能量损失和各种缺陷。陶瓷坯体的干燥，古老的方法是采用借助大气的温度和空气的流动来排除水分的自然干燥法，后来发展到人工干燥。包括利用热空气干燥；将坯体两端加上电压利用电阻热的工频点干燥；将高频、微波和红外等电磁波辐射到湿坯上的辐射干燥等。33坯体干燥与陶瓷烧成2、陶瓷烧成 干燥后的陶瓷坯体被称为生坯。在一定条件下，对生坯进行热处理，经过一系列物理化学变化，得到具有一定矿物组成和显微结构，达到所要求的理化性能指标的成坯过程称为烧结。 陶瓷生产中最常采用的是在大气条件下、在窑炉中烧成。
