粉末冶金成形

1、粉末冶金成形,返回,5.5 粉末冶金技術(shù)的新發(fā)展,浙江科技學院,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合材料（如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷）等。,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

2、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，制品尺寸較??； 7）壓模成本較高。,第1節(jié) 粉末冶金基礎(chǔ),粉末冶金的主要工序有粉末制備、粉末預處理、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。,5.1.1 粉末性能和粉末制備 5.1.1.1 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：介于二者之間。,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成分、物理性能和

3、工藝性能來表征。,1. 粉末的化學成分 粉末的化學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。,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

4、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。,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

5、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。,5.1.1.2 粉末的制備 金屬粉末的制取方法可分成兩大類：機械法和物理化學法。 機械法是將原材料磨碎成粉而不改變原材料的化學成分的方法。如將金屬切削成粉末顆粒；把金屬研磨成粉末；液態(tài)金屬的制粒和霧化。 物理化學法是在制取粉末過程中，使原材料受到化學或物理的作用，而使其化學成分和集聚狀態(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

6、腐蝕法等。物理化學制粉法是以還原和離解等化學反應為基礎(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。,5.1.2 粉末的成形,5.1.2.1 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。,1.粉末預處理 預處理包括：粉末退火，篩分，混合，制粒，加潤滑劑等。 粉末的預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

7、以上不同成分的粉末混合均勻的過程?；旌峡刹捎脵C械法和化學法。 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。,5.1.2.2 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；三是當壓力超過粉末顆粒的臨界壓力時，粉末顆粒開始

8、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

9、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。,5.1.3 燒結(jié) 燒結(jié)是將壓坯按一定的規(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

10、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，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

11、等性能達不到要求，產(chǎn)生所謂“欠燒”的廢品。,表5-1 常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛,5.1.4 后處理,后處理的方法按其目的不同，有以下幾種： 1）為提高制件的物理及力學性能，方法有：復壓、復燒、浸油、熱鍛與熱復壓、熱處理及化學熱處理。 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。,第2節(jié) 粉末冶金模具,粉末冶金模具主要是指在粉末壓制成形、燒結(jié)、后處理等工序中所用到的模具。 根據(jù)用途可分為：壓模

12、、精整模、復壓模、鍛模、擠壓模、熱壓模、等靜壓模、粉漿澆鑄模、松裝燒結(jié)模等。 按制作材料又可分為：鋼模、硬質(zhì)合金模、石墨模、塑料橡皮模和石膏模等。 在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的是壓制、精整、復壓和鍛造用的鋼模及硬質(zhì)合金模。本節(jié)重點介紹壓模的幾種常見類型。,5.2.1 單向壓模,單向壓模在壓制過程中，相對于陰模運動的只有一個模沖，或是上模沖或是下模沖。如圖5-7是壓制軸套類壓坯的單向手動壓模，其基本組成部分有陰模、上模沖、下模沖和芯桿。一般只用來生產(chǎn)高度不大（高徑比h/d1）、形狀簡單的零件 。,圖5-7 單向手動壓模,5.2.2 雙向壓模,雙向壓制的特點是：上下模沖相對陰模都有移動，模腔內(nèi)粉末體受

13、到兩個方向的壓縮，或下模沖固定不動，由上模沖和陰模對著下模沖做不同距離的移動，實現(xiàn)雙向壓制。如圖5-8所示為壓制套類壓坯的雙向手動壓模。 一般用來生產(chǎn)實體類壓坯的高徑比hd1或管套類壓坯的高度與壁厚之比ht3的零件。,圖5-8 雙向手動壓模,5.2.3 摩擦芯桿壓模 摩擦芯桿壓模壓制特點：芯桿和上模沖同速同向?qū)χ潭ǖ年幠：拖履_移動壓縮粉末體，或者是陰模和上模沖同速同向?qū)χ潭ǖ男緱U和下模沖運動壓縮粉末體。如圖5-9所示為套類零件摩擦芯桿浮動壓模。 一般用于壓制較長的薄壁套類零件的壓坯。,圖5-9 摩擦芯桿浮動壓模,組合壓模是幾種壓制方式（如單向壓制、雙向壓制和摩擦芯桿壓制等）及其壓模結(jié)構(gòu)的

14、綜合運用。即在設(shè)計壓制模具時，綜合各種壓模的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計成多種形狀的組合模沖來完成復雜零件的壓制成形工序，并采取幾種壓制方式綜合運用來保證壓坯質(zhì)量；所以，組合壓模是形式最多且應用最廣泛的壓模結(jié)構(gòu)。,5.2.4 組合壓模,第3節(jié) 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。,5.3.1 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），

15、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，以紅色作標志。切削加工用硬質(zhì)合金用途分組代號與硬質(zhì)合金牌號對照見表5-2，表5-3。,3.硬質(zhì)合金的應用 1）用作刀具材料

16、。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。,5.3.2 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%1)-石墨(1%2)粉末冶金材料；鐵-石墨粉末冶金材料

17、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用。,5.3.3 鐵基結(jié)構(gòu)材料,鐵基結(jié)構(gòu)材料是以碳鋼或合金鋼粉末為主要原

18、材料，采用粉末冶金方法制造結(jié)構(gòu)零件。 用這類材料制造的結(jié)構(gòu)零件具有制品精度較高、表面粗糙度值低，不需或只需少量切削加工，節(jié)省材料，提高生產(chǎn)率等特點。制品還可通過熱處理方法強化和提高耐磨性。 這類材料廣泛用于制作各種機械零件，如機床上的調(diào)整墊圈、調(diào)整環(huán)法蘭盤、偏心輪，汽車制造中的油泵齒輪差速器齒輪、止推環(huán)以及拖拉機上的傳動齒輪、活塞環(huán)等。,第4節(jié) 粉末冶金制品結(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

19、等諸方面考慮。,5.4.1 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，應在模具上做出墊塊（圖5-11b）,5.4.2 考慮脫模困難性,在壓制過程中，由于壓制壓力較大而陰模會發(fā)生彈性膨脹；當壓力去除后，壓坯阻礙陰模彈性收縮，壓坯受徑向壓力。壓坯脫出陰模的部分，由于本身彈性后效作用而向外膨脹。這使得在脫模過程中，壓坯受到方向相反的切應力作用，如圖5-12所示。,在壓坯脫模過程中，壓坯上的一些薄弱部位有可能在上述切應力作用下發(fā)生毀壞。所以零件在結(jié)構(gòu)上應盡可能避免薄

20、壁、深而窄的槽、銳邊、小而薄的凸臺等形狀。如圖5-13a所示結(jié)構(gòu)宜改成圖5-13b。圖5-14a脫模不便，改成圖5-14b結(jié)構(gòu)為妥。,圖5-12 壓坯脫模過程中的切應力,5.4.3 考慮粉末均勻填充及壓坯密度,密度均勻是壓坯質(zhì)量的一個重要指標。在壓制薄壁或截面上厚度差異較大的壓坯時，裝粉不易均勻，薄壁和尖角處難于充填粉末，引起壓坯密度很不均勻，燒結(jié)時易發(fā)生變形或開裂。 壓坯的最小壁厚取決于零件尺寸。一般偏心孔零件最薄處壁厚t1mm（圖5-15a所示）。設(shè)計圓柱體空心件最小壁厚規(guī)定為1.2mm；實際設(shè)計中，壁厚t與高度h有關(guān)，一般取h/t20（圖5-15b）。 零件結(jié)構(gòu)帶有尖角時，不利于裝粉、密度不易均勻、且模具制造困難、壽命低，宜將尖角改為圓弧。,5.4.4 考慮壓模強度及壽命 主要應考慮壓模結(jié)構(gòu)上一些薄弱部位易