粉末冶金知識講座

2.2影響產(chǎn)品性能的因素與提高產(chǎn)品性能的途徑當(dāng)前1頁，總共83頁。2.3粉末冶金產(chǎn)品的常見質(zhì)量問題及其分析當(dāng)前2頁，總共83頁。2.1粉末冶金材料的基本特點與特性概述

當(dāng)前3頁，總共83頁。

一般說來，粉末冶金材料的最基本特點是多孔性。粉末冶金材料的孔隙度范圍很廣，有1%~2%殘留孔隙度的“致密材料”，有大于15%孔隙度的多孔材料，也有高達98%孔隙度的泡沫材料。當(dāng)前4頁，總共83頁?？紫斗珠_孔、閉孔和連通孔三種。開孔：材料中與外表面相通的孔隙，閉孔：材料中與外表面不相通的孔隙，連通孔：材料中相互連通的孔隙，可以是開孔也可以是閉孔。當(dāng)總孔隙度為20%~30%時，閉孔隙度大約為1%~2%，但當(dāng)孔隙度為8%左右時，幾乎都變成了閉孔。當(dāng)前5頁，總共83頁。

與傳統(tǒng)的可鍛致密材料相比，粉末冶金材料塑性變形的規(guī)律是不同的。燒結(jié)材料斷裂時沒有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形的痕跡，只有在孔隙附近的燒結(jié)頸局部才發(fā)生明顯的屈服。（CSS曲線比較）當(dāng)前6頁，總共83頁。從燒結(jié)材料的斷裂現(xiàn)象看，一方面，孔隙減小材料的真實斷面，是應(yīng)力的集中劑，這將降低材料的臨界斷裂應(yīng)力；另一方面，孔隙是應(yīng)力的松馳劑，在裂紋進入孔隙時可松馳裂紋尖端的應(yīng)力，即減小應(yīng)力集中因子，從而提高斷裂應(yīng)力的水平。當(dāng)前7頁，總共83頁。燒結(jié)鋼的斷裂機理：新的微裂紋萌生于內(nèi)孔隙，通過孔隙合并機理發(fā)生裂紋的擴展與長大，這種合并可以是孔隙通過粉末顆粒間的橋接發(fā)生，也可以是晶間或穿晶斷裂而發(fā)生。致密鋼的斷裂的一般斷裂機理簡述。當(dāng)前8頁，總共83頁。

幾乎所有的力學(xué)行為都隨孔隙度的降低而得到改善。在孔隙度變化的很大范圍內(nèi)，強度、塑性和韌性與孔隙度存在非線性關(guān)系。一般可鍛致密材料，當(dāng)強度提高時，塑性通常變壞，而對于粉末冶金材料來說，卻可能出現(xiàn)剛好相反的關(guān)系。當(dāng)前9頁，總共83頁。除孔隙度以外，粉末冶金材料的許多力學(xué)行為還對材料中孔隙的形狀非常敏感，尤其是沖擊韌性。如在孔隙度相同時，采用鹵化鹽填料的活化燒結(jié)的鐵粉壓坯，其沖擊韌性提高5－6倍。由于材料體系的復(fù)雜性，目前關(guān)于孔隙對粉末冶金材料的定量描述還都是半經(jīng)驗性質(zhì)的。當(dāng)前10頁，總共83頁?？估瓘姸華.

Salak半經(jīng)驗方程：σs=σ0exp(-Kθ)式中，σs――燒結(jié)材料的抗拉強度；σ0――相應(yīng)可鍛致密材料的抗拉強度；K――與材質(zhì)和制造工藝有關(guān)的常數(shù)；θ――孔隙度（%）當(dāng)前11頁，總共83頁。對燒結(jié)鐵來說，可表示為：σs＝344exp(-0.043θ)MPa當(dāng)燒結(jié)鐵孔隙度為零時，抗拉強度為324Mpa，與低碳壓延退火鋼的接近。當(dāng)前12頁，總共83頁。彈性模量眾所周知，結(jié)晶物質(zhì)的強度取決于彈性模量。彈性模量表征著點陣中原子間的結(jié)合強度，是應(yīng)力－應(yīng)變曲線彈性范圍內(nèi)直線段的斜率。McAdam在大量實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上（圖2.1p150），提出了燒結(jié)鐵的彈性模量與孔隙度關(guān)系的半經(jīng)驗方程:當(dāng)前13頁，總共83頁。

當(dāng)前14頁，總共83頁。ES＝kE0（1－θ）3.4式中，ES――燒結(jié)材料的彈性模量；E0――相應(yīng)致密材料的彈性模量；θ――孔隙度（%）k――材料或基體金屬的常數(shù)當(dāng)前15頁，總共83頁。從圖和公式可知，燒結(jié)材料的彈性模量因孔隙度增大而減小，也就是在給定應(yīng)力下，彈性應(yīng)變因孔隙度而增大是。一般，燒結(jié)多孔鐵的彈性模量是很小的，孔隙度大于30%的燒結(jié)鐵的彈性模量比銅的還低。當(dāng)前16頁，總共83頁。從圖2.1還表明，實驗數(shù)據(jù)的離散性不大，這說明彈性模量對燒結(jié)時間、原始粉末粒度及合金化程度等不敏感。借改變孔隙度來控制材料的彈性模量，是粉末冶金材料的一個重要優(yōu)點。當(dāng)前17頁，總共83頁。硬度Salak半經(jīng)驗方程：HS=H0θk1exθp(-K2θ)對于具體的燒結(jié)鐵HBs=831θ0.127exp(-0.049θ)式中，HS，HBS――燒結(jié)體硬度；H0――相應(yīng)可鍛致密材料的硬度；K1,K2――常數(shù)。當(dāng)前18頁，總共83頁。燒結(jié)材料的硬度主要取決于孔隙度，隨孔隙度增大而減小，而對孔隙形狀不敏感。燒結(jié)材料的宏觀硬度值反映的不是基體的真實硬度，因為測量硬度時，壓頭同時壓在金屬基體和孔隙上，有效承載面積減小，因此我們通常稱之為“表觀硬度”。為獲得燒結(jié)材料金屬基體的硬度，常采用顯微硬度測定法，顯微硬度與燒結(jié)材料的孔隙度幾乎無關(guān)。當(dāng)前19頁，總共83頁。延伸率延伸率是材料塑性的反映。由于燒結(jié)材料的多孔性，許多燒結(jié)材料從宏觀上很少表現(xiàn)出塑性，可以認為是脆性材料。對于像燒結(jié)鐵這樣有塑性特征的燒結(jié)體，其延伸率則同時取決于孔隙度和孔隙形狀。它們都與工藝過程和工藝參數(shù)密切相關(guān)當(dāng)前20頁，總共83頁。沖擊韌性沖擊韌性是材料的一種動態(tài)的機械性能，強烈地依賴于材料的塑性，因此燒結(jié)材料的沖擊韌性也強烈地取決于材料的孔隙度和孔隙形狀。沖擊韌性與密度的關(guān)系服從指數(shù)函數(shù)規(guī)律，隨密度增加而增高。孔隙度為15~20%的燒結(jié)材料其沖擊韌性值很小，比相應(yīng)致密材料小幾倍。當(dāng)前21頁，總共83頁。斷裂韌性與疲勞強度斷裂韌性是材料的一個新的機械性能指標(biāo)，是機械結(jié)構(gòu)帶有裂紋時的一種新的斷裂判據(jù)。疲勞斷裂時同樣涉及材料中裂紋的擴展（在交變應(yīng)力作用下）應(yīng)力強度因子K與平面應(yīng)變斷裂韌度KIC當(dāng)前22頁，總共83頁。與塑性和沖擊韌性相似，斷裂韌性與疲勞強度也強烈地取決于材料的孔隙度和孔隙形狀，還與材料的含氧量有很大關(guān)系。這里我特別提一下含氧量。一般，粉末冶金材料的含氧量要高于相應(yīng)的致密材料。材料中氧化物夾雜聚集在原始粉末顆粒界面上，造成類似孔隙的薄弱區(qū)，容易形成裂紋當(dāng)前23頁，總共83頁。原料粉末粒度、孔隙長度、孔隙曲率、孔隙間距等與疲勞強度的關(guān)系（對于孔隙度大于8%的燒結(jié)鋼）：σc＝g(H4/V2θβ)1/6式中，g――常數(shù)；H――孔隙曲率；Vθ――孔隙度體積分數(shù)；β――孔隙間距。當(dāng)前24頁，總共83頁。

在鐵基粉末冶金材料作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用時，大多情況下都被用作耐磨件。除自潤滑型減磨材料外，在無潤滑磨損條件下，孔隙在磨損過程中的作用，至今還未得出一致的結(jié)論。但有一點比較一致，即孔隙是材料磨損過程中產(chǎn)生磨屑的源之一。硬度較高的材料，在對偶微凸體壓應(yīng)力的作用下，孔隙會以邊緣碎裂并在剪切應(yīng)力作用下裂紋擴展而產(chǎn)生磨屑，對象燒結(jié)鐵這類塑性較好的材料，孔隙將更容易產(chǎn)生犁削作用而產(chǎn)生磨屑，使磨損加大。同時，孔隙也起留集磨屑的作用，這使得磨耗減小?？紫对诟邷啬p條件下的作用不如室溫時明顯。當(dāng)前25頁，總共83頁。

綜上所述，孔隙對燒結(jié)體力學(xué)行為、斷裂過程及磨損過程大多是負面影響。但有的時候，孔隙的特殊功能作用卻是難以替代的，例如：當(dāng)前26頁，總共83頁。貯油象含油軸承，濕式摩擦材料等。這類產(chǎn)品，由于材料內(nèi)部貯有油類物質(zhì)并與表面相連，工作時它們或通過泵吸作用或是通過擠出使材料工作表面產(chǎn)生一層油膜，從而達到獨特的自潤滑和冷卻作用。當(dāng)前27頁，總共83頁。過濾過濾是孔隙的又一獨特功能。利用材料連通開孔可對許多氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)進行過濾凈化，或通過浸入催化劑，作為催化劑的載體，使氣體或液體經(jīng)過時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達到轉(zhuǎn)化或催化的作用。同時，利用粉末顆粒度選擇與工藝過程可很容易地控制孔隙的孔徑大小而達到不同的過濾精度。青銅基、鈦基、不銹鋼基、陶瓷基過濾器和催化載體在石化、釀造、化工、制藥、食品、冶金、汽車等諸多領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用。當(dāng)前28頁，總共83頁。消音止火利用材料內(nèi)部孔隙對聲波的漫反射原理而達到消音作用；火焰經(jīng)過孔隙被“吞沒”。應(yīng)用：如氧乙炔防回火裝置，汽車尾氣消音防火裝置等。當(dāng)前29頁，總共83頁。

粉末冶金材料的另一組織特征是具有雙相或多相從相圖上看來完全不互溶的組織狀態(tài)，這一特點是其它致密材料很難做到的。而在粉末冶金材料制造工藝過程中，是很容易實現(xiàn)的。一種方法是直接混入不互溶的組分進行壓燒；另一種是先做成一多孔骨架材料，通過熔浸的方法將第二相物質(zhì)滲入。這種材料嚴(yán)格意義是講也是復(fù)合材料。當(dāng)前30頁，總共83頁。最具代表性的例子：鎢銅。鎢熔點3400多度，比重25.3g/cm3,銅熔點1083度，比重8.92g/cm3，熔點比重相差如此大又完全不互溶的物質(zhì)，用熔煉的工藝是不可能實現(xiàn)的。這種材料既具有很高的耐熱性，優(yōu)良的傳導(dǎo)性，又具有象耐電弧燒蝕等特性，因此被廣泛應(yīng)用于電工觸頭，電子封裝材料，電極和航空航天領(lǐng)域的發(fā)汗材料等。當(dāng)前31頁，總共83頁。另外，如纖維、晶須、顆粒增強型金屬基、陶瓷基、樹脂基復(fù)合材料也都可以用粉末冶金工藝來制造。當(dāng)前32頁，總共83頁。幾種典型材料的組織比較（金相圖譜）

燒結(jié)Fｅ－C組織中的孔隙燒結(jié)Fｅ－(Cｕ)－C組織與普通碳鋼粉末冶金燒結(jié)鋼的滲碳體組織當(dāng)前33頁，總共83頁。燒結(jié)Fｅ－C組織中的孔隙

當(dāng)前34頁，總共83頁。

當(dāng)前35頁，總共83頁。燒結(jié)Fｅ－(Cｕ)－C珠光體組織與普通碳鋼

當(dāng)前36頁，總共83頁。

當(dāng)前37頁，總共83頁。粉末冶金燒結(jié)鋼滲碳體組織當(dāng)前38頁，總共83頁。

當(dāng)前39頁，總共83頁。a.Fe-C在普通碳鋼中，化合碳含量與抗拉強度密切相關(guān)?？估瓘姸纫蚧咸己吭黾佣杆僭龈?，一直到化合碳含量達到1.0%；之后，隨著化合碳含量增高到1.6%緩慢地增加到最大值。當(dāng)前40頁，總共83頁。對于燒結(jié)鐵－碳合金，也有一條類似曲線?；咸己渴峭ㄟ^控制添加石墨量來改變的。開始抗彎強度隨化合碳含量增加而迅速增高；在化合碳含量為0.85%時，即共析成分附近達到最大值；在化合碳含量0.9~1.0%之間急劇下降。這是由于大部分晶粒－晶粒間是通過滲碳體聯(lián)結(jié)，致使?jié)B碳體呈網(wǎng)狀，并與引起應(yīng)力集中的孔隙緊密相連所致。因此我們通常是在將碳含量控制在共析點水平上。當(dāng)前41頁，總共83頁。一般負荷較低的零件如墊圈、襯套、鏈輪等可應(yīng)用這種燒結(jié)合金，對負荷較高的零件則需要進行熱處理。下表為燒結(jié)碳鋼的力學(xué)性能指標(biāo)及其與SAE鋼的比較。當(dāng)前42頁，總共83頁。當(dāng)前43頁，總共83頁。當(dāng)前44頁，總共83頁。b.Fe-Cu-C-(P)也叫燒結(jié)銅鋼這是粉末冶金鐵基零件中應(yīng)用最普遍的。在普通致密鋼中，加銅是極少出現(xiàn)的。因此無法與之進行比較。燒結(jié)銅鋼在燒結(jié)狀態(tài)下的強度較高，這可能是由于銅的沉淀強化和淬透性增高所致。燒結(jié)銅鋼熱處理時，力學(xué)性能顯著增高。在淬火－回火時，產(chǎn)生析出硬化現(xiàn)象。下表為一些燒結(jié)銅鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)前45頁，總共83頁。當(dāng)前46頁，總共83頁。c.燒結(jié)Fe-Ni-Cu-Mo-C合金一般，燒結(jié)Fe-Ni-C合金時，通常添加一定量的銅，常稱燒結(jié)鎳鋼。這類材料要控制化合碳含量有一定的困難，因為必須精細地調(diào)整燒結(jié)氣氛，以免燒結(jié)時脫碳。為此，在歐洲廣泛地采用了無碳燒結(jié)鐵基結(jié)構(gòu)零件。其中應(yīng)用最多的是燒結(jié)Fe-Ni-Cu。當(dāng)前47頁，總共83頁。Ni與Cu同時強化Fe時，強化作用不是累加的，而是顯著高于計算值。表6-20是燒結(jié)Fe-Ni-Cu合金的Ni、Cu含量和密度與力學(xué)性能的關(guān)系。當(dāng)前48頁，總共83頁。

當(dāng)前49頁，總共83頁。在上述合金中加入碳時，燒結(jié)合金或合金熱處理后的抗拉強度顯著提高，但延伸率下降。當(dāng)前50頁，總共83頁。

當(dāng)前51頁，總共83頁。典型的燒結(jié)鎳鋼的化學(xué)成分和機械性能標(biāo)準(zhǔn)分別示于表6-18與6-23中。燒結(jié)鎳鋼中添加合金元素Mo的主要目的為了增高燒結(jié)合金的淬透性，進一步增高抗拉強度。因此燒結(jié)鎳銅鉬鋼屬于高強度熱處理燒結(jié)鋼。當(dāng)前52頁，總共83頁。當(dāng)前53頁，總共83頁。

當(dāng)前54頁，總共83頁。燒結(jié)鎳銅鉬鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能示于表6-24；熱處理后它們的機械性能和熱處理條件分別示于表6-25當(dāng)前55頁，總共83頁。當(dāng)前56頁，總共83頁。當(dāng)前57頁，總共83頁。由于錳鉻釩與氧的親和力大，以單質(zhì)組元加入在通常的燒結(jié)氣氛中很難合金化，一般均采用MCM或MVM母合金粉的形式加入。這類合金的突出優(yōu)點在于，它們的淬透性優(yōu)于燒結(jié)燒結(jié)鎳鋼，在通常的燒結(jié)條件下，燒結(jié)冷卻后的顯微組織為馬氏體結(jié)構(gòu)。此外，在給定的強度范圍內(nèi)，每種合金元素的含量僅為0.2~0.6%，成本顯著低于燒結(jié)鎳鋼。當(dāng)前58頁，總共83頁。電動工具中大量應(yīng)用了上述粉末冶金鐵基零件，下表列舉了一些具體應(yīng)用的例子。當(dāng)前59頁，總共83頁。當(dāng)前60頁，總共83頁。當(dāng)前61頁，總共83頁。從上述介紹可知，C、Cu,Ni,Mo、Mn,Cr,V、P,S等元素是粉末冶金燒結(jié)鋼中最常使用的合金元素。與非燒結(jié)鋼不同，燒結(jié)鋼對合金元素的選擇不但要考慮其對最終材料性能的影響，還要考慮燒結(jié)時坯料尺寸的變化以及燒結(jié)后材料內(nèi)部孔隙形貌的影響等。當(dāng)前62頁，總共83頁。碳碳在燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件制造中與在一般煉鋼中同樣重要。用于提高材料強度和硬度。碳能促進燒結(jié)收縮。銅非燒結(jié)鋼中很小使用銅作為合金元素。而在燒結(jié)鋼中則大量使用。銅能提高燒結(jié)體的強度，改善熱處理的淬透性；銅會使燒結(jié)體發(fā)生膨脹。Kirkendulleffect當(dāng)前63頁，總共83頁。鎳馬氏體時效鋼和不銹鋼中大量使用鎳，在燒結(jié)鎳鋼中一般含鎳1~5%。加入鎳可提高材料的強韌性，促進燒結(jié)收縮。合金化時間較長，常與銅一起使用。鉬與非燒結(jié)鋼類似，鉬主要是為了增高淬透性，同時也對燒結(jié)鋼在燒結(jié)狀態(tài)的機械性能有良好影響。當(dāng)前64頁，總共83頁。錳、鉻、釩是非燒結(jié)鋼中常見的合金元素，主要是提高淬透性和合金的抗氧化性。在燒結(jié)鋼中也類似。磷在非燒結(jié)鋼中，除銅磷鋼之類鋼種外，磷是有害元素。在燒結(jié)鋼磷是最有效的強化元素之一。它強烈地促進燒結(jié)收縮。硫在一般鋼中也被看成是有害元素。在燒結(jié)鋼中卻能改善材料的延伸率、切削加工性能、減摩性能及封閉材料中孔隙。硫的加入會促進燒結(jié)膨脹。當(dāng)前65頁，總共83頁。2.2影響產(chǎn)品性能的因素與提高產(chǎn)品性能的途徑

當(dāng)前66頁，總共83頁。影響因素與提高途徑

粉末冶金產(chǎn)品性能與其它材料產(chǎn)品一樣，不外乎材料本身的基本理化性能、機械力學(xué)性能和產(chǎn)品的一些特殊性能如：電磁性能、摩擦磨損性能、耐蝕性、幾何形狀、尺寸精度等等。影響產(chǎn)品性能的因素大體上可以歸納為以下三種：原料粉末及配方、工藝過程、工藝參數(shù)。當(dāng)前67頁，總共83頁。成分即配方對材料性能的影響我們前面已作介紹，這里不再贅述。同樣的成分，不同的原料粉末特性，采取不同的工藝和不同的工藝參數(shù)，產(chǎn)品的性能會有巨大差異。當(dāng)前68頁，總共83頁。原料粉末

金屬粉末的性能對其成形和燒結(jié)過程，以及粉末冶金零件的性能都有重大影響。金屬粉末的基本性能大體上可分為：純度或化學(xué)成分、物理性能及工藝性能。當(dāng)前69頁，總共83頁?；瘜W(xué)成分一般是批主要金屬或組份、雜質(zhì)或夾雜及氣體的含量。當(dāng)前70頁，總共83頁。物理性能包括顆粒形狀、顆粒大?。６龋┡c粒度組成（粒度分布）。當(dāng)前71頁，總共83頁。a.

顆粒形狀與制粉方法和工藝參數(shù)有關(guān)，它是決定粉末工藝性能的因素之一。有球形、樹枝狀、針狀、海綿狀、粒狀、片狀、不規(guī)則狀等當(dāng)前72頁，總共83頁。a.

顆粒大?。６龋┲赣靡话惴蛛x方法不易分開的粉末的最小單位，有一次顆粒和二次顆粒之分。單位：微米，平均粒度。它對其壓制成形時的比壓、燒結(jié)時的收縮及燒結(jié)零件的機械性能都有重大影響。當(dāng)前73頁，總共83頁。a.

粒度組成（粒度分布）指大小不同的顆粒級的相對含量，通常用各級顆粒大小的重量百分數(shù)的分布曲線來表示。它對粉末充填密度等工藝性能影響很大。當(dāng)前74頁，總共83頁。工藝性能粉末工藝性能包括粉末的松裝密度、流動性、壓縮性和成形性等，它們都是金屬粉末的重要特性，都有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前75頁，總共83頁。a.

松裝密度指粉末在規(guī)定的條件下，自由流入一定容積的容器時，單位體積松裝粉