粉末制金及其金屬陶瓷

1、粉末冶金及金屬陶瓷技術(shù)Powder Metallurgy and Metal Ceramics 粉末冶金模具 常用粉末冶金材料簡介 粉末冶金制品結(jié)構(gòu)工藝性 返回 粉末冶金是以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)為原料，通過成形、燒結(jié)或熱成形制成金屬制品或材料的一種冶金工藝技術(shù)。粉末冶金生產(chǎn)工藝與陶瓷制品的生產(chǎn)工藝類似，因此人們又常常稱粉末冶金方法為“金屬陶瓷法”。 粉末冶金材料或制品種類較多，主要有: 難熔金屬及其合金（如鎢、鎢鉬合金）； 組元彼此不相溶、熔點十分懸殊的特殊性能材料（如鎢銅合金型電觸頭材料）； 難熔的化合物和金屬組成的各種復(fù)合材料（如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷）等。Powder

2、metallurgy is a metal powder (or a mixture of metal powder with non-metallic powder) as raw materials, molding, sintering or hot forming a metallurgical technology made metal products or materials. Similar to the powder metallurgy production process and production process of ceramics, so people ofte

3、n refer to the powder metallurgy method for metal ceramic method.More types of powder metallurgy materials or products are: refractory metals and their alloys (such as tungsten, tungsten - molybdenum alloy);-component immiscible with each other, between the melting point is very special properties o

4、f materials (such as tungsten - copper alloy electricalcontact material); refractory compounds and metal composition of the various composite materials (such as cemented carbide, cermet).粉末冶金的特點：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；2）可直接制出尺寸準確，表面光潔的零件，是少甚至無切削生產(chǎn)工藝；3）節(jié)約材料和加工工時，成本低。 4）制品強度較低；5）流動性較差，形狀受限制；6）壓制成形的壓強較高，制品尺

5、寸較?。?）壓模成本較高。The characteristics of the powder metallurgy:1) some special properties of materials, a unique manufacturing methods;2) can be prepared directly from the accurate size and smooth surface of the parts is less or even non-cutting production process;3) saving material and machining time an

6、d low cost.4) the lower strength products;5), poor mobility, shape restricted;6) compaction pressure is higher, smaller products;7) the high cost of die.粉末冶金基礎(chǔ) 粉末冶金的主要工序有粉末制備、粉末預(yù)處理、成形、燒結(jié)及后處理等。粉末冶金材料或制品的工藝流程如圖5-1所示。粉末性能和粉末制備粉末性能 固態(tài)物質(zhì)按分散程度不同分成致密體、粉末體和膠體三類。 致密體或常說的固體：粒徑在l 以上； 膠體微粒： 0.1 以下； 粉末體或簡稱粉末：介于二

7、者之間。Forming metal powders as an act of joining metal (forming metal contact between particles) in the cold state or with heating to low temperature may be studied taking account of the results obtained with cold welding of metals under pressure. As a basis for the hypothesis of metal joint formation

8、 without melting different mechanisms are assumed for contact formation. There are several hypotheses 6; recrystallization; diffusion; film; energy; dislocation; deformation; consideration of the occurrence of thermal-emf; connected with the level of electromagnetic emission; based on crystallograph

9、ic conformity between metals in contact. However, known and new experimental results cannot be described 金屬粉末的性能對其成形和燒結(jié)過程以及制品的質(zhì)量都有重大影響。金屬粉末的性能可以用化學(xué)成分、物理性能和工藝性能來表征。 1. 粉末的化學(xué)成分 粉末的化學(xué)成分一般是指主要金屬或組元的含量、雜質(zhì)或夾雜物的含量以及氣體的含量。 金屬或合金粉末中的主要金屬含量都不能低于98%99%。 粉末中的雜質(zhì)主要指：1）與主要金屬結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬成分，如還原鐵粉中的硅、錳、碳、硫、磷、氧

10、等；2）從原料和粉末生產(chǎn)過程中帶進的機械夾雜，如二氧化硅、三氧化二鋁、硅酸鹽、難熔金屬或碳化物等酸不溶物。Apart from obtaining perfect contact between particles at a certain stage of forming, an important role is also played by the mechanical component of strength in powder compaction 3. However, the effect of the mechanical component has hardly been

11、studied 12. In order to describe strength f.g for green compacts prepared by cold compaction of ductile metals the Barshin equation 2 is used: f.g = f.c.M. (1) Here f.c is the strength of compacted metal; is dimensionless contact cross section; M is the scale of f.g distortion taking account of para

12、meters described in 1 on which f.g depends and that is not in Eq. (1) = li Z = 2rel.g Z (2) 3）粉末表面吸附的氧、水汽和其他氣體（N 2、CO2）。2.粉末的物理性能 粉末的物理性能：粉末顆粒大小和粒度組成、粉末顆粒形狀與結(jié)構(gòu)、顯微硬度、粉末比表面、粉末真密度以及粉末顆粒的晶格狀態(tài)。在技術(shù)條件中，通常只規(guī)定各級粉末顆粒的百分含量粒度組成或篩分組成 。1）顆粒形狀：主要由粉末的生產(chǎn)方法決定，同時也與物質(zhì)的分子或原子排列的結(jié)晶幾何學(xué)因素有關(guān)；決定粉末工藝性能。2）粒度組成：指不同粒度的顆粒占全部粉末的百分含

13、量，又稱粒度分布。3）粉末比表面：指每克粉末所具有的總表面積，通常用cm2/g或m2/g表示。 Physical properties of powder Physical properties of powder: powder particle size and particle size composition of the powder particle shape and structure, hardness, powder surface area, powder true density and powder particles of the lattice state. Te

14、chnical conditions, usually only requires that the percentage content of the powder particles at all levels - size composition or screening composition.1) particle shape: determined by the powder production methods, but also the substance molecules or atoms arranged in crystalline geometry factor; d

15、etermine the powder process performance.2) the size composition: refers to particles of different particle size accounts for the percentage content of all the powder, also known as the particle size distribution.3) powder surface area: Refers to the total surface area per gram of powder, usually cm2

16、 / g or m2 / g.3.粉末的工藝性能 粉末的工藝性能用粉末的松裝密度、流動性、壓縮性與成形性來表征。1）松裝密度是指粉末試樣自然地充填規(guī)定的容器時，單位體積內(nèi)粉末的質(zhì)量，單位為gcm3。2）流動性是50g粉末從標(biāo)準的流速漏斗流出所需的時間，單位為s50g，其倒數(shù)是單位時間內(nèi)流出粉末的重量，俗稱為流速。3）壓縮性代表粉末在壓制過程中被壓緊的能力，通常以在規(guī)定單位壓力下粉末的壓坯密度表示。4）成形性是指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，通常用粉末得以成形所需的最小單位壓制力表示或用壓坯強度來表示。 Powder technological properties of powder l

17、oose apparent density, fluidity, compressibility and formability to characterization.1) bulk density of the powder sample is naturally filling provisions of the container, the quality of the powder per unit volume, in units of g/cm3,2) mobility is the time required for 50g powder flow rate from the

18、standard funnel outflow unit s/50g its reciprocal outflow of the powder weight per unit time, commonly known as the flow rate.3) compression on behalf of the powder was pressed in the pressing process ability, usually in the green density of powder under the pressure of the provisions of the unit.4)

19、 forming means of powder compaction, the compacts ability to maintain a given shape, usually use the powder to be the smallest unit of forming the required pressing force expressed or green strength to represent. .粉末的制備 金屬粉末的制取方法可分成兩大類：機械法和物理化學(xué)法。 機械法是將原材料磨碎成粉而不改變原材料的化學(xué)成分的方法。如將金屬切削成粉末顆粒；把金屬研磨成粉末；液態(tài)金屬

20、的制粒和霧化。 物理化學(xué)法是在制取粉末過程中，使原材料受到化學(xué)或物理的作用，而使其化學(xué)成分和集聚狀態(tài)發(fā)生變化的工藝過程。還原金屬氧化物、電解水溶液或熔鹽、熱離解羰基化合物、冷凝金屬蒸汽、晶間腐蝕和電腐蝕法等。物理化學(xué)制粉法是以還原和離解等化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的。 工業(yè)上普遍采用的有：氧化物還原法、電解法、熱離解法、球磨法、渦旋研磨法、霧化法。 粉末的成形 成形方法 成形是粉末冶金工藝的重要步驟。成形的目的是制得具有一定形狀、尺寸、密度和強度的壓坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模壓成形是最基本方法。 松裝燒結(jié)粉漿澆注模壓成形熱壓成形等靜壓成形軋制成形離心成形擠壓成形爆炸成形成形無壓成形加壓成形1.

21、粉末預(yù)處理 預(yù)處理包括：粉末退火，篩分，混合，制粒，加潤滑劑等。 粉末的預(yù)先退火可使氧化物還原，降低碳和其他雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度；同時，還能消除粉末的加工硬化、穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu) 。 篩分的目的在于把顆粒大小不同的原始粉末進行分級。 混合一般是指將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。混合可采用機械法和化學(xué)法。 制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F粒的工序，以此來改善粉末的流動性。 壓制成形2.壓制成形 壓模壓制是將置于壓模內(nèi)的松散粉末施加一定的壓力后，成為具有一定尺寸、形狀和一定密度、強度的壓坯，如圖5-2是壓模示意圖。 粉末的壓縮過程一般采用壓坯密度成形壓力曲線來表示，如圖5-3

22、所示。壓坯密度變化分為三個階段?；瑒与A段：在壓力作用下粉末顆粒發(fā)生相對位移，填充孔隙，壓坯密度隨壓力增加而急劇增加；二是粉末體出現(xiàn)壓縮阻力，即使再加壓其孔隙度不能再減少，密度不隨壓力增高而明顯變化；三是當(dāng)壓力超過粉末顆粒的臨界壓力時，粉末顆粒開始變形，從而使其密度又隨壓力增高而增加。 圖5-2 模壓示意圖圖5-3 壓坯密度與壓力 壓坯密度分布不均勻：用石墨粉作隔層的單向壓制實驗，得到如圖5-4所示的壓坯形狀，各層的厚度和形狀均發(fā)生了變化，由圖5-5可知在任何垂直面上，上層密度比下層密度大；在水平面上，接近上模沖的斷面的密度分布是兩邊大，中間?。欢h離上模沖的截面的密度分別是中間大，兩邊小。 因

23、為粉末體在壓模內(nèi)受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側(cè)壓力。側(cè)壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。 a) 壓制前 b) 壓制后圖5-4 用石墨粉作隔層的單向壓坯 a）單向壓制 b) 雙向壓制 圖5-5 壓坯密度沿高度分布圖 為了改善壓坯密度的不均勻性，一般采取以下措施： 1）減小摩擦力：模具內(nèi)壁上涂抹潤滑油或采用內(nèi)壁更光潔的模具；2）采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性，如圖5-5所示；3）模具設(shè)計時盡量降低高徑比。 粉末的壓制一般在普通機械式壓力機或液壓機上進行。常用的壓力機噸位一般為5005000kN。 如圖5-6為雙向壓制襯套的4個工步示意圖。 燒結(jié) 燒結(jié)是將

24、壓坯按一定的規(guī)范加熱到規(guī)定溫度并保溫一段時間，使壓坯獲得一定的物理及力學(xué)性能的工序。 燒結(jié)機理：粉末的表面能大，結(jié)構(gòu)缺陷多，處于活性狀態(tài)的原子也多，它們力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫，為粉末原子所儲存的能量釋放創(chuàng)造了條件，由此引起粉末物質(zhì)的遷移，使粉末體的接觸面積增大，導(dǎo)致孔隙減少，密度增高，強度增加，形成了燒結(jié)。 固相燒結(jié)：燒結(jié)發(fā)生在低于其組成成分熔點的溫度，如普通鐵基粉末冶金軸承燒結(jié)。 液相燒結(jié)：燒結(jié)發(fā)生在兩種組成成分熔點之間。如硬質(zhì)合金與金屬陶瓷制品的燒結(jié)。液相燒結(jié)時，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結(jié)速度快、制品強度高。 燒結(jié)時的影響因素：燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間和大氣環(huán)境

25、，粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等。 常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛見表5-1。燒結(jié)溫度過高或時間過長，都會使壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產(chǎn)生所謂“過燒”的廢品；如燒結(jié)溫度過低或時間過短，則產(chǎn)品的結(jié)合強度等性能達不到要求，產(chǎn)生所謂“欠燒”的廢品。 粉冶材料鐵基制品銅基制品硬質(zhì)合金不銹鋼磁性材料(Fe-Ni-C0)鎢、鋁、釩燒結(jié)溫度10502000700 9001350 1550125012001700 3300燒結(jié)氣氛發(fā)生爐煤氣，分解氨分解氨，發(fā)生爐煤氣真空、氫氫氫、真空氫表5-1 常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛 后處理 后處理的方法按其目的不同，有以下幾種：1）為

26、提高制件的物理及力學(xué)性能，方法有：復(fù)壓、復(fù)燒、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理。2）為改善制件表面的耐腐蝕性，方法有：水蒸氣處理、磷化處理、電鍍等。3）為提高制件的形狀與尺寸精度，方法有：精整、機械加工等。4）熔滲處理，它是將低熔點金屬或合金滲入到多孔燒結(jié)制作的孔隙中去，以增加燒結(jié)件的密度、強度、塑性或沖擊韌度。 常用粉末冶金材料簡介 粉末冶金常用來制作減摩材料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料、硬質(zhì)合金、難熔金屬材料、過濾材料、金屬陶瓷、無偏析高速工具鋼、磁性材料、耐熱材料等。 硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是粉末冶金工具材料的一種，主要用于制造高速切削硬而韌材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受沖擊、振動的

27、高耐磨零件。1.硬質(zhì)合金的性能特點 1）具有很高的常溫硬度（6981HRC），高的熱硬性(可達9001000)，優(yōu)良的耐磨性。2）具有高的抗壓強度（可達6000 MPa），但抗彎強度較低；3）良好的耐蝕性(抗大氣、酸、堿等)和抗氧化性；4）線膨脹系數(shù)小。 2.切削加工用硬質(zhì)合金分類、分組代號 切削加工用硬質(zhì)合金按其切屑排出形式和加工對象的范圍可分為三個主要類別，分別以字母P、M、K表示。 P適用于加工長切屑的黑色金屬，以藍色作標(biāo)志； M適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色全屬，以黃色作標(biāo)志； K適于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料，以紅色作標(biāo)志。切削加工用硬質(zhì)合金用途分組代號與硬質(zhì)

28、合金牌號對照見表5-2，表5-3。 3.硬質(zhì)合金的應(yīng)用 1）用作刀具材料。硬質(zhì)合金作刀具材料的用量最大，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭等；2）用作模具材料。用硬質(zhì)合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷沖模、冷擠模和冷鐓模等；3）用作量具及耐磨零件。如千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)等。 含油軸承材料 含油軸承材料是一種具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造軸承零件。這種材料壓制成軸承后，放在潤滑油中浸潤，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛細現(xiàn)象作用下，可吸附大量潤滑油(一般含油率為12%30)，故稱為含油軸承。 常用的含油軸承有鐵基和銅基含油軸承兩類。1）鐵基含油軸承是鐵-石墨(0.5%)粉末冶金材料或鐵-硫(0.5%

29、1)-石墨(1%2)粉末冶金材料；鐵-石墨粉末冶金材料的組織為珠光體(大于40%)十鐵索體十滲碳體(小于5%)十石墨+孔隙，硬度30110HBS。鐵-硫-石墨粉末冶金材料的組織除了與鐵-石墨粉末冶金材料相同的組織以外還有硫化物，可進一步改善摩擦條件，硬度為3570 HBS。2）銅基含油軸承常用的是青銅粉末與石墨粉末制成的冶金材料，它具有較好的熱導(dǎo)性、耐蝕性抗咬合性，但承壓能力較鐵基含油軸承小。 含油軸承材料一般用于制作中速、輕載荷的軸承，尤其適宜制作不能經(jīng)常加油的軸承，如紡織機械、電影機械、食品機械、家用電器(如電風(fēng)扇、電唱機)等的軸承，在汽車、拖拉機機床電機中也得到廣泛應(yīng)用。 粉末冶金制品及金屬陶瓷結(jié)構(gòu)工藝性 考慮粉末冶金零件結(jié)構(gòu)工藝性時，總的原則是零件應(yīng)盡量平整簡單，即不帶倒角、尖角、凸起、凹槽以及難于直接壓制或脫模出的內(nèi)、外螺紋、倒錐度、與壓制方向垂直的孔、槽等。一般需要從壓制困難性、脫模困難性、粉末均勻填充困難性和壓模強度、壽命等諸方面考慮。 考慮壓制困難性及簡化模具 零件的內(nèi)、外螺紋、倒錐度、與壓制方向垂直的孔、槽等均不能直接壓制出 。圖5-10a中與壓制方向垂直的退刀槽需改為圖5-10b的結(jié)構(gòu)；圖5-11a所示零件，應(yīng)在模具上做出墊塊