材料工程基礎(chǔ)第十章

1、 307 第十章粉末冶金 粉末冶金是用金屬粉末或金屬與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)壓制、燒結(jié)等工序， 制造某些金屬制品或金屬材料的方法。它既是一種生產(chǎn)特種金屬材料的方法，又是一種少、 無(wú)切削生產(chǎn)金屬零件的新工藝，所以，在機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣。 粉末冶金和金屬的熔煉及鑄造方法有根本的不同。它是先將均勻混合的粉料壓制成型， 借助于粉末原子間吸引力與機(jī)械咬合作用，使制品結(jié)合為具有一定強(qiáng)度的整體；然后再在 高溫下燒結(jié)，由于高溫下原子活動(dòng)能力增加，使粉末接觸面積增多，進(jìn)一步提高了粉末冶 金制品的強(qiáng)度，并獲得與一般合金相似的組織。粉末冶金材料存在一些微小的孔隙，它屬 于多孔性材料。 粉末冶金可以制出組

2、元彼此不熔合、熔點(diǎn)十分懸殊的燒結(jié)合金（如鎢-銅的電觸點(diǎn)材料）； 能制出難熔合金（如鎢-鉬合金）、難熔金屬及其碳化物的粉末制品 （如硬質(zhì)合金）、金屬與陶 瓷材料的粉末制品（如金屬陶瓷）。粉末冶金可直接制出質(zhì)量均勻的多孔性制品，如含油軸 承、過(guò)濾元件等；能直接制出尺寸準(zhǔn)確、表面光潔的零件，一般可省去或大大減少切削加 工工時(shí)，因而制造成本可顯著降低。這種方法也有一些缺點(diǎn)，如由于粉末冶金制品內(nèi)部總 有空隙，因此普通粉末冶金制品的強(qiáng)度比相應(yīng)的鍛件或鑄件約低20%30%;成形過(guò)程中 粉末的流動(dòng)性遠(yuǎn)不如液態(tài)金屬，因此對(duì)產(chǎn)品形狀有一定限制；壓制成形所需的壓強(qiáng)高，因 而制品一般小于10kg ;壓模成本高，只適用

3、于成批或大量生產(chǎn)的零件。 目前，粉末冶金常用來(lái)制造含油軸承、齒輪、凸輪、剎車片、硬質(zhì)合金刀具、接觸器 或繼電器上鎢銅觸點(diǎn)、耐極高溫度的火箭與宇航零件等。 在粉末冶金制品中，粉末的壓實(shí)和燒結(jié)是重要的工序, 10. 1 . 1粉末的 壓實(shí) 我們必須對(duì)其原理有所了解。 圖10-1壓制鐵粉時(shí)密度及壓縮比與壓實(shí)壓力之間的關(guān)系 10. 1粉末冶金基礎(chǔ) 粉末冶金制品 的特性是由其所要 求的密度、強(qiáng)度等 性能來(lái)決定的，而 密度與粉末的壓實(shí) 壓力有著密切的聯(lián) 系，見(jiàn)圖 10-1a。 從圖中可以看出， 制品密度隨粉末壓實(shí)壓力的增加而提高。從圖10-1b也可以看出，壓實(shí)時(shí)的壓縮比（即壓實(shí) 前的原始高度與壓實(shí)后的高度

4、之比）隨粉末壓實(shí)壓力的增加而提高。一般情況下，壓縮比必 須達(dá)到2. 62. 8，而相應(yīng)的密度可達(dá) 67g/cm3。在工業(yè)生產(chǎn)中，將近 90%粉末冶金制 品的密度為5. 76. 8 g/cm3,這些制品具有非常優(yōu)良的力學(xué)性能。 （單向加壓），如圖10-2a所示，由于粉末各個(gè)顆 當(dāng)用一個(gè)可運(yùn)動(dòng)的沖頭進(jìn)行粉末壓實(shí)時(shí) 粒之間以及顆粒與模具側(cè)壁之間的摩擦， 越近，則其密度越大；如果離沖頭越遠(yuǎn)， 制品才能用單向壓實(shí)來(lái)獲得均勻密度。 均勻的密度。為了獲得很好的密度分布， 之間。 a）單向加壓 z. b）雙向加壓 導(dǎo)致了制品產(chǎn)生不均勻的密度分布。制品離沖頭 則密度越小。因此，只有近似平面形狀或很薄的 如果從兩

5、邊加壓（雙向加壓）,如圖10-2b則可獲得更 在雙向加壓時(shí)，可使壓實(shí)前的高寬比保持在22.5 圖10-2 粉末壓實(shí) 10. 1. 2燒結(jié)原理 “燒結(jié)”這一術(shù)語(yǔ)涉及兩個(gè)過(guò)程，即導(dǎo)致半成品強(qiáng)度的增加及氣孔率降低。燒結(jié)時(shí)最 主要的因素是溫度、時(shí)間和大氣環(huán)境，燒結(jié)后所得到的性能受到粉末材料、顆粒尺寸及形 狀、表面特性以及實(shí)際壓實(shí)壓力的影響。 如果燒結(jié)發(fā)生在低于其組成成分熔點(diǎn)的溫度，則產(chǎn)生固相燒結(jié)。如果燒結(jié)發(fā)生在兩種 組成成分熔點(diǎn)之間，則產(chǎn)生液相燒結(jié)。固相燒結(jié)用于結(jié)構(gòu)件，液相燒結(jié)用于特殊的產(chǎn)品。 燒結(jié)的機(jī)理是，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

6、溫，為粉末原子所貯存的能量釋放創(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(qiáng)度增加， 形成了燒結(jié)。 普通鐵基粉末冶金軸承燒結(jié)時(shí)不出現(xiàn)液相，屬于固相燒結(jié)，而硬質(zhì)合金與金屬陶瓷制 品的燒結(jié)過(guò)程將出現(xiàn)液相，屬于液相燒結(jié)。液相燒結(jié)時(shí)，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(qiáng)度高；此時(shí)，液、固相間的比例，以及有無(wú)良好的濕潤(rùn) 性對(duì)制品的性能有著重要影響。例如，硬質(zhì)合金中的鈷（粘結(jié)劑），在燒結(jié)溫度下要熔化， 它對(duì)硬質(zhì)相金屬鍵的碳化鎢有最好的濕潤(rùn)性，所以鎢鈷類硬質(zhì)合金既有高硬度，又有較好 強(qiáng)度；而鈷對(duì)非金屬健的氧化鋁、氮化硼之類的濕潤(rùn)性很差，所以目

7、前金屬陶瓷的硬度雖 高于硬質(zhì)合金，而強(qiáng)度卻低于硬質(zhì)合金。 102 粉末冶金的主要工序 粉末冶金制品生產(chǎn)包括粉末的制備、篩分與混合、壓制、燒結(jié)、后處理等工序。 10 21 粉末的制備 機(jī)械行業(yè)所用的粉末一般由專門(mén)生產(chǎn)粉末的工廠按規(guī)格要求來(lái)供應(yīng)。在制造粉末時(shí)， 通常用以下幾種方法。 1 機(jī)械方法 對(duì)于脆性材料通常采用球磨機(jī)破碎制粉；另外一種應(yīng)用較廣的方法是霧化法，它是使 熔化的液態(tài)金屬?gòu)撵F化塔上部的小孔中流出，同時(shí)噴入高壓氣體，在氣流的機(jī)械力和急冷 作用下，液態(tài)金屬被霧化、冷凝成細(xì)小粒狀的金屬粉末，落入霧化塔下的盛粉桶中。 2物理方法 常用蒸汽冷凝法，即將金屬蒸氣冷凝而制取金屬粉末。例如，將鋅、鉛

8、等的金屬蒸氣 通過(guò)冷凝便可獲得相應(yīng)的金屬粉末。 3化學(xué)方法 常用的化學(xué)方法有還原法、電解法等。 還原法是從固態(tài)金屬氧化物或金屬化合物中還原制取金屬或合金粉末。它是最常用的 金屬粉末生產(chǎn)方法之一，方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)費(fèi)用較低。如鐵粉和鎢粉，便是由氧化鐵粉和氧 化鎢粉通過(guò)還原法生產(chǎn)的。鐵粉生產(chǎn)常用固體碳將其氧化物還原，鎢粉生產(chǎn)常用高溫氫氣 將其氧化物還原。 電解法是從金屬鹽水溶液中電解沉積金屬粉末。 它的成本要比還原法和霧化法高得多。 因此，僅在其特殊性能 （高純度、高密度、高可壓縮性 ）得以利用時(shí)才使用。 10 22 篩分與混合 篩分與混合的目的是使粉料中的各組元均勻化。 在篩分時(shí)，如果粉末越細(xì)，那么

9、同樣重量粉末的表面積就越大，表面能也越大，燒結(jié) 后制品密度和力學(xué)性能也越高，但成本也較高。 粉末應(yīng)按要求的粒度組成與配合進(jìn)行混合。在各組成成分的密度相差較大且均勻程度 要求較高的情況下，常采用濕混。例如，在粉末中加入大量酒精，以防止粉末氧化。為改 善粉末的成形性與可塑性， 還常在粉料中加入增塑劑， 鐵基制品常用的增塑劑為硬脂酸鋅。 10 23 壓 制 壓制是將松散的粉末置于封閉的模具內(nèi)加壓，使之成為具有一定形狀、尺寸、密度與 強(qiáng)度的坯塊，以便燒結(jié)。壓制是粉末冶金的關(guān)鍵工序，它對(duì)產(chǎn)品密度有很大影響，密度越 大，粉末冶金零件的強(qiáng)度越高。壓制的比壓一般約為150600MPa。粉末的壓制可在普通 機(jī)械

10、式壓力機(jī)或液壓機(jī)上進(jìn)行，常用的壓力機(jī)噸位為5005000kN。據(jù)報(bào)導(dǎo)，國(guó)外已出現(xiàn) 30000kN高速機(jī)械壓力機(jī)，可壓制814kg的零件，生產(chǎn)率為20件/min。 由于粉末的流動(dòng)性不好，壓坯各向的密度是不均勻的。單向壓制時(shí)，與上沖模接近的 壓坯部分密度大，離上沖模較遠(yuǎn)的部分密度小，采用雙向壓制時(shí)，則可減少壓坯各部分的 密度差異。 圖10-3為雙向壓制襯套的四個(gè)工步示意圖。 上沖椎 陰模 a）充填粉料 b）雙向壓坯 d）頂出坯塊 C）上沖模復(fù)位 圖10-3雙向壓制粉末冶金坯塊工步示意圖 10. 2. 4燒結(jié) 由粉末壓制出的坯塊稱為壓坯，其強(qiáng)度很低，還必須進(jìn)行燒結(jié)，使其獲得一定的強(qiáng)度 后才能使用。燒

11、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(shí)間，使壓坯獲得一 定物理與力學(xué)性能的工序。燒結(jié)也是粉末冶金的關(guān)健工序。 燒結(jié)時(shí)為了防止壓坯氧化，通常是在保護(hù)性氣氛或真空的連續(xù)式燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)。常用 粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛見(jiàn)表 10-1。 表10-1常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛 粉冶材料 鐵基制品 鋼難制品 質(zhì)合金 不銹鋼 磁性材料 Fe-Ni-Co) 燒結(jié)S度匸） 1050 1200 700 - 900 1350 Z 1S50 1250 1300 1700 3300 燒結(jié)氣蠢； 發(fā)生爐煤氣分解S 分解發(fā)生爐煤吒 氫 氫真空 氫 燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間必須嚴(yán)格控制。燒結(jié)溫

12、度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)使 壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產(chǎn)生所謂“過(guò)燒”的廢品；如燒結(jié)溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短， 則產(chǎn)品的結(jié)合強(qiáng)度等性能達(dá)不到要求，產(chǎn)生所謂“欠燒”的廢品。通常，鐵基粉末冶金制 品的燒結(jié)溫度為10001200C,燒結(jié)時(shí)間為 0. 52h。 10. 2. 5后處理 很多粉末冶金制品在燒結(jié)后即可直接使用，但有些制品還要進(jìn)行必要的后處理。常用 的方法之一是進(jìn)行精壓處理，它是將零件放入模具中并在高壓下加壓的工序。所使用的壓 力等于或大于最初的壓制壓力。精壓可提高制件密度，使零件強(qiáng)度提高。對(duì)于齒輪、球面 軸承、鎢鉬管材等燒結(jié)件，常采用滾輪或標(biāo)準(zhǔn)齒輪與燒結(jié)件對(duì)滾擠壓的方法，來(lái)進(jìn)行后處 理，以提高制

13、件的尺寸精度、降低其表面粗糙度。 對(duì)不受沖擊而要求硬度高的鐵基粉末冶金零件可以進(jìn)行淬火處理；對(duì)表面要求耐磨， 而心部又要求有足夠韌性的鐵基粉末冶金零件，可以進(jìn)行表面淬火。 對(duì)于含油軸承，則需在燒結(jié)后進(jìn)行浸油處理。對(duì)于不能用油潤(rùn)滑或在高速重載下工作 的軸瓦，通常用燒結(jié)的銅合金在真空下浸漬聚四氟乙烯液，以制成摩擦系數(shù)小的金屬塑料 減摩件。 還有一種后處理方法稱為熔滲處理，是將低熔點(diǎn)金屬或合金滲入到多孔燒結(jié)制件的孔 隙中去，以增加燒結(jié)件的密度、強(qiáng)度、硬度、塑性或沖擊韌性。 10. 3粉末冶金零件的制造工藝特點(diǎn) 今以兩種粉末冶金機(jī)械零件為例，來(lái)說(shuō)明它們的制造工藝特點(diǎn)。 10. 3. 1含油軸承 目前機(jī)

14、械行業(yè)廣泛使用的含油軸承，有鐵基的（98%鐵粉+2%石墨粉）和銅基的（99%的 錫青銅粉+1 %石墨粉）兩種。前者可以取代部分銅合金，價(jià)格便宜；而后者的減摩性更好。 它們的生產(chǎn)流程是： 粉料混合 壓制壓力是 400600MPa，在保護(hù)性氣氛（分解氨或發(fā)生爐煤氣）中燒結(jié)，燒結(jié)后有 20%30%的孔隙，表面光潔，一般不再需切削加工。 鐵基含油軸承所浸的油中加有7 % 左右的石油硫酸鋇，以防生銹。為排除孔隙中的空氣，一般采用真空浸油。這種軸承的組 分中含有石墨，孔隙中又含油，軸在其中時(shí)形成膠狀的石墨潤(rùn)滑油膜，因而長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)可不 用加油。目前，含油軸承廣泛用作機(jī)床、紡織、食品機(jī)械、儀表及實(shí)用電器上承載壓

15、力不 大的軸承。 10. 3. 2粉末冶金鍛造齒輪 除了上述純粉末冶金制品以外，近年來(lái)還發(fā)展了粉末冶金鍛造工藝，由此更擴(kuò)大了粉 末冶金制品在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用范圍。 粉末冶金鍛造齒輪是將燒結(jié)后的粉末冶金齒輪，放在封閉模膛內(nèi)經(jīng)鍛造而成。這種齒 輪的材料全部利用，沒(méi)有飛邊廢料，此時(shí)不僅獲得尺寸準(zhǔn)確、表面光潔的外形，而且工件 基本上不需切削加工，因而粉末冶金鍛造齒輪的總成本只有普通鍛造齒輪的一半。 粉末冶金鍛造結(jié)合了粉末冶金與精密模鍛的優(yōu)點(diǎn)，克服了普通粉末冶金制品孔隙多、 強(qiáng)度較低、沖擊韌性較差的缺點(diǎn)。它的制品質(zhì)地均勻、晶粒細(xì)化、無(wú)各向異性，其性能甚 至超過(guò)模鍛件。 由于粉末冶金鍛造制品在經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)后已預(yù)成形，所以鍛?？梢院?jiǎn)化，鍛壓設(shè)備 噸位可降低，因而工裝與鍛壓設(shè)備的投資遠(yuǎn)比熱鍛模少，工藝準(zhǔn)備周期可縮短，而且材料 利用率高。目前這種工藝主要用于汽車與農(nóng)業(yè)機(jī)械，除制造齒輪外，還用于制造凸輪、閥 頭、小型曲軸、連桿等零件。 104 粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性 由于粉末的流動(dòng)性不好，使有些制品形狀不易在模具內(nèi)壓制成形，或者壓坯各處的密 度不均勻，影響了成品質(zhì)量。所以，粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性有其自己的特點(diǎn)。 1.壁后不能太薄，一般不小于 2mm，并盡量使壁厚均勻。法蘭只設(shè)計(jì)在工件的