第五章粉末冶金成形及其他新型成形方法

粉末冶金成形及其他新型成形方法

第五章一、粉末冶金成形定義：采用成形和燒結(jié)等工序?qū)⒔饘俜勰?，或金屬與非金屬粉末的混合物，制成金屬制品的工藝方法。粉末冶金成形概述此工藝方法又被稱為金屬陶瓷法。

粉末冶金工藝的基本工序：

原料粉末的制取和準(zhǔn)備金屬粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸小于1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。金屬粉末的制取和應(yīng)用淵源久遠(yuǎn)：

古代曾用金、銀、銅、青銅及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首飾等器具的著色、裝飾；20世紀(jì)初,美國(guó)人庫(kù)利吉(W.D.Coolidge)用氫還原氧化鎢生產(chǎn)鎢粉以制取鎢絲，是近代金屬粉末生產(chǎn)的開端；此后用化學(xué)還原法制取了銅、鈷、鎳、鐵、碳化鎢等多種粉末，促進(jìn)了早期粉末冶金制品(含油多孔軸承、多孔過濾器、硬質(zhì)合金等)的發(fā)展；30年代先后采用低成本的渦流研磨法及還原法制取鐵粉，還出現(xiàn)了熔融金屬霧化法，用于制取錫、鉛、鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末；40年代初發(fā)展成為用高壓空氣霧化制取鐵粉；50年代開始用高壓水霧化制取合金鋼和多種合金粉末；60年代研究出多種霧化方式生產(chǎn)高合金粉末，促進(jìn)了高性能粉末冶金制品的發(fā)展；70年代出現(xiàn)了多種氣相和液相物理化學(xué)反應(yīng)方法，制取重要用途的包覆粉末和超細(xì)粉末。

將金屬粉末及各種添加劑均勻混合后制成所需形狀的坯塊；

坯塊燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。粉末冶金工藝過程：

粉末冶金工藝過程示意圖原料粉末添加劑混合壓制成形燒結(jié)零件成品

近代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的三個(gè)重要標(biāo)志：

克服了難熔金屬熔鑄過程中的困難；多孔含油軸承的研制成功及粉末冶金機(jī)械零件的發(fā)展，發(fā)揮了粉末冶金少、無切削的特點(diǎn)；向新材料、新工藝發(fā)展。

與液態(tài)成形相比，粉末冶金主要優(yōu)點(diǎn)：

可避免或者減少偏析、機(jī)加工量大等缺點(diǎn)；材料某些獨(dú)特的性能或者顯微組織也只能用粉末冶金方法來實(shí)現(xiàn)；一些活性金屬、高熔點(diǎn)金屬制品用其它工藝成形十分困難。金屬粉末和粉末冶金制品、材料的應(yīng)用舉例見P214表5-2。

大批量生產(chǎn)時(shí)，粉末冶金法生產(chǎn)效率高、能耗低、材料省，價(jià)格低廉。其經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見P214表5-1。

§5.1粉末冶金成形(一)粉末制備制取粉末：主要取決于該材料的性能及制取方法的成本。粉末的形成是將能量傳遞到材料，從而制造新生表面的過程。按轉(zhuǎn)變的作用原理將粉末制取方法分為：機(jī)械法

物理化學(xué)法粉末冶金生產(chǎn)實(shí)踐中，機(jī)械法和物理化學(xué)法之間并沒有明顯界限，是相互補(bǔ)充的。常用的粉末制取方法：還原法、霧化法、電解法。

1.機(jī)械粉碎法:設(shè)備分粗碎和細(xì)碎兩類。

主要起壓碎作用的有碾碎機(jī)、輥軋機(jī)、顎式破碎機(jī)等粗碎設(shè)備。主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機(jī)、棒磨機(jī)、球磨機(jī)、振動(dòng)球磨機(jī)、攪動(dòng)球磨機(jī)等細(xì)碎設(shè)備。機(jī)械粉碎是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬、合金或化合物機(jī)械地粉碎成粉末。

機(jī)械粉碎法主要有：機(jī)械研磨法機(jī)械合金化渦旋研磨冷氣流粉碎機(jī)械研磨比較適用于脆性材料，渦旋研磨和冷氣流粉碎等方法多用于塑性金屬或合金粉末制取。

2.霧化法:霧化法是將液體金屬或合金直接破碎，形成直徑小于150μm的細(xì)小液滴，冷凝而成為粉末。

霧化設(shè)備：

主要的霧化方法：水霧化或氣霧化，也稱二流霧化離心霧化真空霧化超聲波霧化

水霧化或氣霧化，也稱二流霧化水霧化

氣霧化水霧化和氣霧化示意圖

借助高壓水流或高壓氣流的沖擊來破碎液流。

離心霧化離心霧化示意圖利用離心力破碎液流。真空霧化真空(溶氣)霧化示意圖在真空中霧化。超聲波霧化超聲霧化示意圖利用超聲波能量來實(shí)現(xiàn)液流的破碎。

3.還原法:用還原劑還原金屬氧化物及鹽類來制取金屬粉末，是一種廣泛采用的制粉方法。最簡(jiǎn)單的反應(yīng)以下式表示：MeO+X→Me+XO

式中:

Me-生成氧化物MeO的金屬；

X-還原劑。

此外還可通過氣相沉積法和液相沉淀法來制取金屬粉末。(二)粉末配制粉末冶金成形前，要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)處理及配制。預(yù)處理包括：退火篩分制粒1.退火

粉末預(yù)先退火可使殘留氧化物進(jìn)一步還原、降低碳和其它雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度，消除粉末的加工硬化等。

退火溫度因金屬粉末的種類而異，一般退火溫度可按下式計(jì)算：

退火一般用還原性氣氛，有時(shí)也可用惰性氣氛或者真空。T退=（0.5~0.6）T熔

式中T退-退火溫度，K；

T熔-合金的熔點(diǎn)，K。

2．篩分把顆粒大小不勻的原始粉末進(jìn)行分級(jí)，使粉末能夠按照粒度分成大小范圍更窄的若干等級(jí)。3．制粒將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序，常用來改善粉末的流動(dòng)性。4．混合將兩種或兩種以上不同成分粉末均勻混合的過程。混合包括：機(jī)械法和化學(xué)法。(三)壓坯壓坯方法包括：壓制成形無壓成形壓制成形：封閉鋼模冷壓成形高能率成形流體等靜壓制成形擠壓成形粉末塑性成形軋制成形三軸向壓制成形振動(dòng)壓制成形主要功能：將粉末成形為所要求的形狀；賦予坯體以精確的幾何形狀與尺寸；賦予坯體要求的孔隙度和孔隙類型；賦予坯體以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，以便搬運(yùn)。無壓成形：粉漿澆注松裝燒結(jié)著重了解封閉鋼模冷壓成形方法。

封閉鋼模冷壓成形：

常溫下,粉料在封閉鋼模中，按規(guī)定的單位壓力,將粉料制成壓坯的方法。工序組成：稱粉裝粉壓制保壓及脫模

1．稱粉與裝粉稱量形成一個(gè)壓坯所需粉料的質(zhì)量或容積。

采用非自動(dòng)壓模和小批量生產(chǎn)時(shí)，多用質(zhì)量法；大量生產(chǎn)和自動(dòng)化壓制成形時(shí)，一般采用容積法。裝粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。

落入法送粉器移送到型腔上，粉末自由落入型腔中。吸入法下模沖位于頂出壓坯的位置，送粉器被移送到型腔上，下模沖下降復(fù)位時(shí)，粉料被吸入型腔中。多余充填法芯棒下降到下模沖的位置，粉末落入型腔中，然后芯棒升起，將多余的粉末頂出，并被送粉器刮回，適用于薄壁深腔的壓模。2．壓制按一定的單位壓力，將裝在型腔中的粉料，集聚成達(dá)到一定強(qiáng)度、密度、形狀和尺寸要求的壓坯工序。

單向壓制雙向壓制浮動(dòng)壓制三種基本壓制方式

(1)壓坯密度的均勻性

壓坯密度的均勻性是其質(zhì)量的重要標(biāo)志。

燒結(jié)制品的強(qiáng)度、硬度及各部分性能的同一性，皆取決于密度分布的均勻程度；壓坯密度分布不均勻，在燒結(jié)時(shí)將導(dǎo)致收縮不均勻，從而使制品中產(chǎn)生很大的應(yīng)力，出現(xiàn)翹曲變形、甚至裂紋等。壓制成形時(shí)應(yīng)力求使壓坯密度分布均勻。(2)壓制過程

粉末顆粒移動(dòng)，孔隙減小，顆粒間相互擠緊；

粉末擠緊，小顆粒填入大顆粒間隙中，顆粒開始有變形；粉末顆粒表面的凹凸部分被壓緊且嚙合成牢固接觸狀態(tài)；粉末顆粒加工硬化到了極限狀態(tài)，進(jìn)一步增高壓力，粉末顆粒被破壞和結(jié)晶細(xì)化。3．脫模

壓坯從模具型腔中脫出是壓制工序中重要的一步。

剩余側(cè)壓強(qiáng)的存在使壓坯與模壁間產(chǎn)生很大的摩擦阻力，脫模力必須大于這個(gè)摩擦阻力，才能使壓坯脫出型腔。(四)燒結(jié)

燒結(jié)過程中，固體顆粒表面能的減小是燒結(jié)的“推動(dòng)力”。燒結(jié)的結(jié)果是粉末顆粒之間發(fā)生粘接，燒結(jié)體的強(qiáng)度增加，密度提高。燒結(jié)：壓坯置于基體金屬熔點(diǎn)以下溫度加熱保溫，粉末顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強(qiáng)化。顆粒聚結(jié)過程示意圖表面積:8r26.35r2不可逆的表面能減小過程。rrR(五)后處理

浸漬表面冷擠壓切削加工熱處理表面保護(hù)處理

常用的后處理方法：

后處理：金屬粉末壓坯燒結(jié)后的進(jìn)一步處理。三、模壓成形粉末冶金制品結(jié)構(gòu)工藝

1．避免模具出現(xiàn)脆弱的尖角。

尖角改倒角C×45°(或圓角，R≥0.5mm)，C=1~3mm避免組合模沖出現(xiàn)脆弱的尖角利用模沖加工和提高其強(qiáng)度避免相切

2．避免模具和壓坯出現(xiàn)局部薄壁壁厚應(yīng)不小于1.5mm利于裝粉均勻，增強(qiáng)壓坯，燒結(jié)收縮均勻

避免局部薄壁

增大最小壁厚

利于裝粉和壓坯密度均勻，增強(qiáng)模沖及壓坯

利于壓坯密度均勻，減小燒結(jié)變形。

鍵槽改為平面結(jié)構(gòu)3．錐面和斜面需有一小段平直帶壓制時(shí)避免模具損壞在斜面的一端加0.5mm的平直帶4．需要有脫模錐角或圓角簡(jiǎn)化模沖結(jié)構(gòu)圓柱改為圓錐，斜角>5°，或改為圓角，R=H5．避免垂直于壓制方向的側(cè)凹利于成形避免側(cè)凹6．適應(yīng)壓制方向的需要利于成形和脫模圓柱面改成帶一段平直部分7．壓制工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求垂直于壓制方向的孔螺紋不當(dāng)設(shè)計(jì)修改后形狀倒錐不當(dāng)設(shè)計(jì)修改后形狀粉末冶金成形件缺陷分析

1．局部密度(中間密度過低)改進(jìn)措施：

改用雙向摩擦壓制；減小模壁粗糙度；在模壁上或粉料中加潤(rùn)滑劑。側(cè)面積過大：模壁粗糙；模壁潤(rùn)滑差；粉料壓制性差。2．超差一端密度過低

密度高或低

薄壁處密度低

3．裂紋拐角處裂紋

對(duì)角裂紋

側(cè)面龜裂

4．皺紋(即輕度重皮)內(nèi)臺(tái)拐角皺紋外球面皺紋

過壓皺紋

5．缺角掉邊掉棱角側(cè)面局部剝落

6．表面劃傷

改進(jìn)措施：提高模壁的硬度、減小粗糙度；消除模瘤，加強(qiáng)潤(rùn)滑。模腔表面粗糙度大或硬度低；模壁產(chǎn)生模瘤；模腔表面局部被啃或劃傷。

此外，還有尺寸超差及不同心

度超差等缺陷。

四、粉末冶金非模壓特殊成形方法

1．粉末鍛造成形(二)粉末注射成形

將粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合，形成具有流變性的物質(zhì)，采用注射機(jī)將其具有零件形狀的模腔，形成坯件，再脫除坯件中粘結(jié)劑并經(jīng)燒結(jié)成為制品。(三)金屬粉末軋制成形五、幾種典型粉末冶金制品與材料(一)粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼經(jīng)惰性氣體霧化為粉末，經(jīng)冷等靜壓制成坯件，高溫、高壓下熱等靜壓實(shí)現(xiàn)致密固結(jié)。(二)硬質(zhì)合金硬質(zhì)基體碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮等難熔碳化物粉末

粘接金屬鈷等金屬粉末(三)粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料可制成：宇航用發(fā)汗材料；過濾器；催化劑載體；含油自潤(rùn)滑軸承§5.2其他新型成形方法簡(jiǎn)介

快速成形技術(shù)半固態(tài)合金成形電磁成形液壓成形一、快速成形技術(shù)分層實(shí)體成形法(LOM法)立體印刷成形法(SLA法)選擇性激光燒結(jié)法(SLS法)熔融沉積成形法(FDM法)快速成形技術(shù)根據(jù)材料堆積原理制造實(shí)物產(chǎn)品。

分層實(shí)體成形法(LOM法)(laminatedobjectmanufacturing)2.立體印刷成形法(SLA法)（stereolithographyapparatus）

SLA（stereolithographyapparatus）是基于液態(tài)光敏樹脂光固化原理工作的，其工作原理如圖所示,液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，紫外波長(zhǎng)的激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下于液面上按截面輪廓信息掃描，光點(diǎn)經(jīng)過的地方，受輻射的液體就固化，這樣一次平面掃描便加工出一個(gè)與分層平面圖形相對(duì)應(yīng)的層面，并與前一層已固化部分牢固地粘結(jié)起來。如此反復(fù)直到整個(gè)產(chǎn)品完成。3.選擇性激光燒結(jié)法(SLS法)（selectedlasersintering）SLS與SLA工藝在材料、激光器和材料進(jìn)給方式上有較大差別。工作原理如圖所示：成形時(shí)先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件的實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行后一層的鋪粉燒結(jié)。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。4.熔融沉積成形法(FDM法)（fuseddepositionmodeling）FDM也稱絲狀材料選擇性熔覆，工作原理如圖所示：三維噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓的信息，做x-y運(yùn)動(dòng)。絲材（如塑料絲）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱