第五章 粉末冶金成形及其他新型成形方法

1、第五章 采用和等工序?qū)?，或與的混合物，制成金屬制品的工藝方法。此工藝方法又被稱(chēng)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(kāi)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(guò)濾器

2、、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(kāi)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(guò)程：粉末冶金工藝過(guò)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)

3、重要標(biāo)志： 克服了難熔金屬熔鑄過(guò)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(wú)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)P214表5-1。5.1 粉末冶金成形按轉(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

4、法和物理化學(xué)法之間并沒(méi)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。 設(shè)備分粗碎和細(xì)碎兩類(lèi)。 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。 霧化法是將液體金屬或合金直接破碎，形成直徑小于150m的細(xì)小液滴，冷凝而成為粉末。 霧化設(shè)備： 主要的霧化方

5、法： 水霧化或氣霧化，也稱(chēng)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(chēng)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)液流的破碎。 用還原劑還原金屬氧化物及鹽類(lèi)來(lái)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+XMe+XO 式中: Me-生成氧化物MeO的金屬； X-還原劑。 預(yù)處理包括： 1.退火 退火溫度因金屬粉末的種類(lèi)而異，一般退火溫度可按下式計(jì)算： T退=（0.50.

6、6）T熔 式中 T退-退火溫度，K； T熔-合金的熔點(diǎn)，K。 2篩分3制粒 4混合 混合包括：機(jī)械法和化學(xué)法。壓坯方法包括： 壓制成形 無(wú)壓成形 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。1稱(chēng)粉與裝粉 稱(chēng)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

7、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。壓制成形時(shí)應(yīng)力求使壓坯密度分布均勻。(2)壓制過(guò)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(kāi)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

8、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。 燒結(jié)過(guò)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。顆粒聚結(jié)過(guò)程示意圖表面積:8r2 6.35r2不可逆的表面能減小過(guò)程。rrR 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： 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C45(或圓角，R0.5mm)，C=13mm 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)

9、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 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=H 5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(guò)低) 改進(jìn)措施：改進(jìn)措施： 改 用 雙向摩

10、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(guò)大側(cè)面積過(guò)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(guò)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(guò)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：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 (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 (二)硬質(zhì)合金 碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮等難熔碳化物粉末 鈷等金屬粉末(三)粉末冶金多孔材料 快速成形技術(shù) 半固態(tài)合金成形 電磁成形 液壓成形 快速成形技術(shù)根據(jù)材料堆積原理