材料成形設計基礎 第四章 粉末冶金

1、第四章 粉末冶金成形 粉末冶金是采用成形和燒結等工序將金屬粉末，或金屬與非金屬粉末的混合物，制成金屬制品的工藝技術。由于粉末冶金的生產工藝與陶瓷的生產工藝在形式上類似，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是： （1）原料粉末的制取和準備。粉末可以是純金屬或它的合金、非金屬、金屬與非金屬的化合物以及其它各種化合物等； （2）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； （3）將坯塊在物料主要組元熔點以下的溫度進行燒結，使制品具有最終的物理、化學和力學性能。 粉末冶金工藝過程如圖4-1所示。 圖4-1 粉末冶金工藝過程示意圖 近代粉末冶金技術的發(fā)展有三個重要標志：一是克服

2、了難熔金屬（如鎢、鉬等）熔鑄過程中的困難，如電燈鎢絲和硬質合金的出現(xiàn)；二是多孔含油軸承的研制成功，繼之是粉末冶金機械零件的發(fā)展，發(fā)揮了粉末冶金少、無切削的特點；三是向新材料、新工藝發(fā)展。 粉末冶金方法與液態(tài)成形方法相比，其優(yōu)點主要是： （1）可避免或者減少偏析、機加工量大等缺點。用粉末冶金法生產零件制品時，金屬的總損耗只有1%5%。 （2）材料某些獨特的性能或者顯微組織也只能用粉末冶金方法來實現(xiàn)。例如，多孔材料、氧化物彌散強化合金、硬質合金等。另外，這種方法也有可能用來制取高純度的材料而不給材料帶來污染。 （3）一些活性金屬、高熔點金屬制品用其它工藝成形是十分困難的。這些材料在普通工藝過程中，

3、隨著溫度的升高，材料的顯微組織及結構受到明顯的損害，而粉末冶金工藝卻可避免。 由于粉末成形所需用的模具加工制作比較困難，較為昂貴，因此粉末冶金方法的經濟效益往往只有在大規(guī)模生產時才能表現(xiàn)出來。粉末冶金工藝的不足之處是粉末成本較高，制品的大小和形狀受到限制，燒結件的抗沖擊性較差等。但是，隨著粉末冶金技術的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)與完善，這些不足正被逐步克服。 應用：從普通機械制造到精密儀器，從五金工具到大型機械，從電子工業(yè)到電機制造，從采礦到化工，從民用工業(yè)到軍事工業(yè)，從一般技術到尖端高科技，幾乎沒有一個工業(yè)部門不在使用著粉末冶金材料或制品。金屬粉末和粉末冶金制品、材料在工業(yè)部門的應用舉例見表4-1

4、。表4-1 金屬粉末和粉末冶金材料、制品的應用 工業(yè)部門 金屬粉末和粉末冶金材料、制品應用舉例 機械加工 汽車、拖拉機、機床制造 電機制造 精密儀器 電氣和電子工業(yè) 計算機工業(yè) 化學、石油工業(yè) 軍 工 航 空 航天和火箭 原子能工程 硬質合金，金屬陶瓷，粉末高速鋼 機械零件，摩擦材料，多孔含油軸承，過濾器 多孔含油軸承，銅石墨電刷 儀表零件，軟磁材料，硬磁材料 電觸頭材料，電真空電極材料，磁性材料 記憶元件 過濾器，防腐零件，催化劑 穿甲彈頭，軍械零件，高比重合金 摩擦片，過濾器，防凍用多孔材料，粉末超合金 發(fā)汗材料，難熔金屬及合金，纖維強化材料 核燃料元件，反應堆結構材料，控制材料 用粉末冶

5、金法大量生產機械零件時，生產效率高、能耗低、材料省、價格低廉。其經濟效益對比見表4-2。 表4-2 用粉末冶金法制造機械零件與儀表零件的經濟效益對比 零件名稱 1噸零件的金屬消耗量/t 相對勞動量 1000個零件的相對成本 機械加工 粉末冶金 機械加工 粉末冶金 機械加工 粉末冶金 油泵齒輪 鈦制堅固螺母 黃銅制軸承保持架 飛機導線用鋁合金固定夾 1.801.90 1.851.95 1.751.85 1.851.95 1.051.10 1.101.12 1.151.13 1.051.09 1.0 1.0 1.0 1.0 0.30 0.50 0.45 0.35 1.0 1.0 1.0 1.0 0

6、.50 0.50 0.35 0.40 第一節(jié)粉末冶金工藝 （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。例如，一塊1m3的金屬可制成大約2×1018個直徑為1m的球形顆粒，其表面積大約為6×106 m2。要形成這么大的表面，需要很大的能量。 制取方法：機械法和物理化學法兩大類。機械法制取粉末是將原材料機械地粉碎，而化學成分基本不發(fā)生變化的工藝過程；物理化學法則是借助化學或物理的作用，改變原材料的化學成分或聚集狀態(tài)，而獲得粉末的工藝過程。 但是，在粉末冶金生產實踐中，機械法和物理化學法之間并沒有明顯的界

7、限，而是相互補充的。例如，可使用機械法去研磨還原法所得粉末，以消除應力、脫碳以及減少氧化物。 1機械粉碎法 機械粉碎是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬、合金或化合物機械地粉碎成粉末。依據(jù)物料粉碎的最終程度，可以分為粗碎和細碎兩類。以壓碎為主要作用的有碾碎、輥軋以及鄂式破碎等；以擊碎為主的有錘磨；屬于擊碎和磨削等多方面作用的機械粉碎有球磨、棒磨等。實踐表明，機械研磨比較適用于脆性材料，塑性金屬或合金制取粉末多采用渦旋研磨、冷氣流粉碎等方法。（1）機械研磨法 包括減小粉末粒度；合金化；固態(tài)混料；改善、轉變或改變材料的性能等。研磨后的金屬粉末會有加工硬化、形狀不規(guī)則、出現(xiàn)流動性變壞和團塊等特征。

8、 （2）機械合金化 是一種高能球磨法。用這種方法可制造具有可控細顯微組織的復合金屬粉末。它是在高速攪拌球磨的條件下，利用金屬粉末混合物的重復冷焊和斷裂，進行機械合金化的。也可以在金屬粉末中加入非金屬粉末來實現(xiàn)機械合金化。用機械合金化制造的材料，其內部的均一性與原材料粉末的粒度無關。因此，用較粗的原材料粉末（50100m）可制成超細彌散體（顆粒間距小于1m）。制造機械合金化彌散強化高溫合金的原材料，是工業(yè)上廣泛采用的純金屬粉末，粒度約為1200m。 （3）渦旋研磨 在渦旋研磨中一方面依靠沖擊作用，另一方面還依靠顆粒間、顆粒與工作室內壁間以及顆粒與回轉打擊子相碰時的磨損作用。這種方法最初是用來生產

9、磁性材料使用的純鐵粉，以及各種合金鋼粉末的。由于渦旋研磨所得粉末較細，為了防止粉末被氧化，在工作室中可以通入惰性氣體或還原性氣體作為保護氣氛。 （4）冷氣流粉碎 利用高速高壓的氣流作為載體，帶著較粗的顆粒，通過噴嘴轟擊位于擊碎室中的靶子后，氣流壓力立即從7MPa的高壓降到0.1MPa，發(fā)生絕熱膨脹，從而使金屬靶和擊碎室的溫度降到室溫以下，甚至零度以下，并將冷卻了的顆粒粉碎。氣流壓力愈大，制得的粉末粒度愈細。冷氣流沖擊方法適用于粉碎硬質的、以及比較昂貴的材料，可迅速將6目或更小的顆粒原料變成微米級的顆粒。該方法工藝簡單、生產費用低、作業(yè)溫度低（可防止氧化和自燃）、能保持高純度以及控制被粉碎材料的

10、粒度。 2霧化法 各種霧化高質量粉末與新的致密技術相結合，出現(xiàn)了許多粉末冶金新產品，其性能往往優(yōu)于相應的鑄鍛產品。霧化法是將液體金屬或合金直接破碎，形成直徑小于150m的細小液滴，冷凝而成為粉末。該法可以用來制取多種金屬粉末和各種合金粉末。實際上，任何能形成液體的材料都可以通過霧化來制取粉末。 制造大顆粒粉末時，只要讓熔融金屬通過小孔或篩網自動注入空氣或水中，冷凝后便得到金屬粉末。這種方法制得的粉末粒度較粗，一般為0.51mm，它適于制取低熔點金屬粉末。 借助高壓水流或高壓氣流的沖擊來破碎液流，稱為水霧化或氣霧化，也稱二流霧化，如圖4-2所示；用離心力破碎液流稱為離心霧化，如圖4-3所示；在真

11、空中霧化叫做真空霧化，如圖4-4所示；利用超聲波能量來實現(xiàn)液流的破碎稱作超聲波霧化，如圖4-5所示。 圖4-2 水霧化和氣霧化示意圖 a）水霧化 b）氣霧化 圖4-3 離心霧化示意圖 圖4-4 真空(溶氣)霧化示意圖 圖4-5 超聲霧化示意圖 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。還原劑可呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，被還原的物料也可以是固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)物質。用不同還原劑和被還原的物質進行還原作用來制取粉末的例子見表4-3。 表4-3 還原法廣義的使用范圍 被還原物料 還原劑 舉 例 備 注 固體 固體 固體 固體 氣體 熔體 FeO+CFe+CO WO3+3H2

12、W+3H2O ThO2+2CaTh+2CaO 固體碳還原 氣體還原 金屬熱還原 氣體 氣體 氣體 固體 氣體 熔體 WCl6+3H2W+6HCl TiCl4+2MgTi+2MgCl2 氣相氫還原 氣相金屬熱還原 溶液 溶液 熔鹽 固體 氣體 熔體 CuSO4+FeCu+FeSO4 Me(NH3)nSO4+H2Me+(NH4)2SO4+(n-2)NH3 ZrCl4+KCl+MgZr+產物 置換 溶液氫還原 金屬熱還原 還原是通過還原劑奪取氧化物或鹽類中的氧（或酸根），而使其轉變?yōu)榻饘僭睾偷蛢r氧化物（低價鹽）的過程。最簡單的反應可用下式表示： MeO+XMe+XO 式中 Me生成氧化物MeO的任

13、何金屬； X還原劑。 對于還原反應來說，還原劑X對氧的化學親和力必須大于被還原金屬對氧的親和力。 此外，還可以通過氣相沉積法和液相沉淀法來制取金屬粉末。 綜上所述，制取粉末的方法是多種多樣的，并且在工程中應用的所有金屬材料幾乎都可以加工成為粉末形態(tài)。在選擇制取粉末的方法時，應該考慮到對粉末所提出的性能要求和遵循的經濟原則。當需要采用廉價的粉末作原料時，經濟問題便是先決條件。但是當需要粉末具有嚴格的性能要求時，則可選用昂貴的制粉方法。一些金屬和合金粉末推薦的制取方法見表4-4。表4-4 金屬和合金粉末的推薦制取方法 金屬或合金 推薦制取方法 鋁 銅 銅合金 鐵 鋼 鎳 精密合金 反應金屬（鈦、鋯

14、） 高熔點金屬（釩、鉬、錸、鉭、鉿） 特殊合金、超合金 氣霧化，空氣霧化，研磨 電解，水霧化，氧化物還原，硫酸鹽沉淀 水霧化，機械研磨 氧化物還原，機械研磨，水霧化，離心霧化，電解，氣霧化 氣霧化，水霧化，蒸氣霧化 羰基法，電解，氧化物還原，水霧化，氣霧化 空氣霧化，電解，混合還原 氯化物還原，離心霧化，化學沉積 氧化物還原，化學沉積，離心霧化 氣霧化，水霧化 （二）粉末配制 粉末冶金成形前，要對粉末進行預處理及配制。預處理包括：退火、篩分、制粒等。 1.  退火 粉末的預先退火可使殘留氧化物進一步還原、降低碳和其它雜質的含量，提高粉末的純度，消除粉末的加工硬化等。用還原法、機械研磨

15、法、電解法、霧化法以及羰基離解法所制得的粉末都要經退火處理。此外，為防止某些超細金屬粉末的自燃，需要將其表面鈍化，也要作退火處理。經過退火后的粉末，壓制性得到改善，壓坯的彈性后效相應減小。退火對粉末性能的影響見表4-5。表4-5 不同條件下退火1h還原鐵粉化學成分的變化 粉 末 退火條件 元素質量分數(shù)（%） 溫度/ 氣 氛 wFe wC wMn wSi 原始粉末 退火粉末 退火粉末 退火粉末 退火粉末 800 800 1100 1100 H2 H2+10%HCl H2 H2+10%HCl 97.7 98.9 99.2 99.5 99.6 0.06 0.03 0.03 0.03 0.02 0.3

16、0 0.30 0.23 0.30 0.10 0.40 0.40 0.30 0.25 退火溫度根據(jù)金屬粉末的種類而異，一般退火溫度可按下式計算： T退=（0.50.6）T熔。 式中 T退退火溫度，單位為K； T熔合金的熔點，單位為K。 有時，為了進一步提高粉末的化學純度，退火溫度也可超過上述計算值。 退火一般用還原性氣氛，有時也可用惰性氣氛或者真空。要求清除雜質和氧化物，即進一步提高粉末化學純度時，要采用還原性氣氛（氫、離解氨、轉化天然氣或煤氣）或者真空退火。為了消除粉末的加工硬化或者使細粉末粗化防止自燃時，可以用惰性氣體作為退火氣氛。退火氣氛對粉末壓制性能的影響見表4-6。 表4-6 退火氣氛

17、對粉末壓制性能的影響 壓坯壓力/MPa 壓坯的孔隙率（%）（電解鐵粉，750，2h） H2 HCl 真空/Pa 200 400 600 800 1000 34.4 23.8 16.9 12.6 11.3 32.0 21.0 14.7 11.3 8.0 4 2.5 1.65 1.2 0.9 2篩分 把顆粒大小不勻的原始粉末進行分級，使粉末能夠按照粒度分成大小范圍更窄的若干等級。通常用標準篩網制成的篩子或振動篩來進行粉末的篩分。 3制粒 將小顆粒的粉末制成大顆粒或團粒的工序，常用來改善粉末的流動性。在硬質合金生產中，為了便于自動成形，使粉末能順利充填模腔就必須先進行制粒。能承擔制粒任務的設備有滾筒

18、制粒機、圓盤制粒機和振動篩等。 4混合 將兩種或兩種以上不同成分的粉末均勻混合的過程。有時需將成分相同而粒度不同的粉末進行混合，稱為合批。混合質量不僅影響成形過程和壓坯質量，而且會嚴重影響燒結過程的進行和最終制品的質量。 混合有機械法和化學法兩種方法： （1）機械法 常用的混料機有球磨機、V型混合器、錐形混合器、灑桶式混合器、螺旋混合器等。機械法混料又可分為干混和濕混。鐵基等制品生產中廣泛采用干混，制備硬質合金混合料則經常使用濕混。濕混時常用的液體介質為酒精、汽油、丙酮等。為了保證濕混過程能順利進行，對濕混介質的要求是：不與物料發(fā)生化學反應，沸點低易揮發(fā)，無毒性，來源廣泛，成本低等。濕混介質的

19、加入量必須適當，否則不利于研磨和高效率的混合。 （2）化學法 將金屬或化合物粉末與添加金屬的鹽溶液均勻混合，或者是各組元全部以某種鹽的溶液形式混合，然后來制取如鎢銅鎳高密度合金、鐵鎳磁性材料、銀鎢觸頭合金等混合物原料。 粉末混合料中常常要添加一些能改善成形過程的物質，即潤滑劑或成形劑，或者添加在燒結過程中能造成一定孔隙的造孔劑。這類物質在燒結時可揮發(fā)干凈，例如可選用石蠟、合成橡膠、樟腦、塑料以及硬脂酸或硬脂酸鹽等物質來做添加劑。 此外，生產粉末冶金過濾材料時，在提高制品強度的同時，為了保證制品有連通的孔隙，可加入充填劑。能起充填作用的物質有碳酸鈉等，它們既可以防止形成閉孔隙，還會加劇擴散過程，

20、從而提高制品的強度。充填劑常常以鹽的水溶液方式加入。（三）粉末成形主要功能在于： （1）將粉末成形為所要求的形狀； （2）賦予坯體以精確的幾何形狀與尺寸，這時應考慮燒結時的尺寸變化； （3）賦予坯體要求的孔隙度和孔隙類型； （4）賦予坯體以適當?shù)膹姸?，以便搬運。 根據(jù)成形時是否從外部施加壓力，可分為壓制成形和無壓成形兩大類。 壓制成形主要有：封閉鋼模冷壓成形、流體等靜壓制成形、粉末塑性成形、三軸向壓制成形、高能率成形、擠壓成形、軋制成形、振動壓制成形等； 無壓成形主要有：粉漿澆注、松裝燒結等。 下面著重介紹封閉鋼模冷壓成形方法。 封閉鋼模冷壓成形是指在常溫下,粉料在封閉的鋼模中，按規(guī)定的單位壓

21、力,將粉料制成壓坯的方法。這種成形過程通常由下列工序組成：稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模。 1稱粉與裝粉 稱量形成一個壓坯所需粉料的質量或容積。采用非自動壓模和小批量生產時，多用質量法；大量生產和自動化壓制成形時，一般采用容積法。 裝粉方式有三種，如圖4-6所示。落入法（圖4-6a）是送粉器移送到陰模和芯棒形成的型腔上，粉末自由落入型腔中；吸入法（圖4-6b）是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（或陰模和芯棒升起）復位時，粉料被吸入型腔中；多余充填法（圖4-6c）是芯棒下降到下模沖的位置，粉末落入陰模型腔內，然后芯棒升起，將多余的粉末頂出，并被送粉器刮回，此法適用于薄壁深

22、腔的壓模。 圖4-6 自動裝粉方式 a）落入法 b）吸入法 c）多余充填法 2壓制 按一定的單位壓力，將裝在型腔中的粉料，集聚成達到一定強度、密度、形狀和尺寸要求的壓坯工序。 在封閉鋼模中冷壓成形時，最基本的壓制方式有三種，如圖4-7所示。其它壓制方式，或是基本方式的組合，或是用不同結構來實現(xiàn)。 圖4-7 三種基本壓制方式 a)單項壓制 b)雙向壓制 c)浮動壓制 （1）壓坯密度的均勻性 不同的壓制方式，壓坯密度的不均勻程度有差別。但無論哪一種方式，不僅密度沿高度分布不均勻，而且沿壓坯斷面的分布也是不均勻的。造成壓坯密度不均勻的原因是在壓制過程中，粉末顆粒之間、粉末顆粒與模沖、模腔壁之間存在磨

23、擦，使壓力損耗而造成的。采取各種措施，可減輕密度分布的不均勻性，但無法完全消除磨擦。 壓坯密度的均勻性是其質量的重要標志，燒結制品的強度、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。此外，壓坯密度分布不均勻，在燒結時將導致收縮不均勻，從而使制品中產生很大的應力，出現(xiàn)翹曲變形、甚至裂紋等。因此壓制成形時，應力求使壓坯密度分布均勻。 為了減小粉末顆粒與模壁之間的磨擦，延長壓模的壽命，一方面可減小模壁的粗糙度；另一方面可在粉料中添加潤滑劑。減小粉末與模壁之間的磨擦，可在相同的壓力下，提高壓坯密度和降低脫模力。常使用的潤滑劑有石蠟、硬脂酸鹽、油酸鹽、樟腦、滑石、礦物油、植物油、肥皂、石墨及合

24、成樹脂等。 （2）壓制過程 粉末裝在模腔中，形成許多大小不一的拱洞。加壓時，粉末顆粒產生移動，拱洞被破壞，孔隙減小，隨之粉粒從彈性變形轉為塑性變形，顆粒間從點接觸轉為面接觸。由于顆粒間的機械嚙合和接觸面增加，原子間的引力使粉末體形成具有一定強度的壓坯。 壓制過程大體上可分為四個階段： 粉末顆粒移動，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)，進一步增高壓力，粉末顆粒被破壞和結晶細化。 實際上這四個階段并無嚴格的分界，而且依據(jù)粉末的性能、壓制方式及其它條件等有差異。 3脫模 壓坯

25、從模具型腔中脫出是壓制工序中重要的一步。壓制時由于側壓力的存在，使陰模向外脹變形，而壓坯是在已脹大了的陰模型腔中成形的。當卸壓后，側壓力消失，陰模彈性恢復，向內收縮，壓迫已成形的壓坯，壓坯產生抗壓應力，迫使陰模收縮不到原位（指未壓制時），而在某一位置達到陰模收縮力與壓坯抗壓應力之間的平衡，這個卸壓后引起的力，叫做剩余側壓強。這個力的存在使壓坯與模壁間產生很大的磨擦阻力，脫模力必須大于這個磨擦阻力，才能使壓坯脫出型腔。 壓坯從模腔中脫出后，剩余側壓強消失，陰模收縮到原位，壓坯彈性恢復而脹大，這種脹大現(xiàn)象，叫做回彈或彈性后效。此值與模具尺寸計算有直接的關系。這種回彈可用回彈率來表示，即線性相對伸長

26、的百分率。普通還原鐵粉的壓坯，其沿壓制方向的回彈率約0.6%左右，垂直于壓制方向約0.2%左右。 （四）燒結 燒結：壓坯置于基體金屬熔點以下溫度（約0.70.8T，單位K）加熱保溫，粉末顆粒之間產生原子擴散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強化，這一過程稱為燒結。 燒結對粉末冶金材料和制品的性能有著決定性的影響。燒結的結果是粉末顆粒之間發(fā)生粘接，燒結體的強度增加，密度提高。在燒結過程中，壓坯要經過一系列的物理化學變化。開始是水分或有機物的蒸發(fā)或揮發(fā)，吸附氣體的排除，應力的消除，粉末顆粒表面氧化物的還原；繼之是原子間發(fā)生擴散，粘性流動和塑性流動，顆粒間的接觸面增大，發(fā)生再結晶和晶粒長大等。出現(xiàn)液

27、相時，還可能有固相的溶解和重結晶。這些過程彼此之間并無明顯的界限，而是穿插進行，互相重疊，互相影響。加之一些其它燒結條件，使整個燒結過程變得很復雜。用粉末燒結的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復合材料。 在燒結過程中，固體顆粒表面能的減小是燒結的“推動力”，也即熱力學條件。圖4-8為顆粒聚結過程示意圖。 圖4-8 顆粒聚結過程示意圖 假設原來有兩個半徑均為r的球形顆粒，當聚結為一個更大的半徑為R的球時，根據(jù)體積不變原理，表面積由原來的8r2變?yōu)?.35r2，是一個表面能減小的過程。也就是說，燒結是一個自發(fā)的不可逆過程。 （五）后處理 金屬粉末壓坯燒結后的進一步處理，叫做后處理。后處理的

28、種類很多，一般由產品的要求來決定。常用的幾種后處理方法如下。 1浸漬 利用燒結件多孔性的毛細現(xiàn)象浸入各種液體。如為了潤滑目的，可浸潤滑油、聚四氟乙烯溶液、鉛溶液等；為了提高強度和防腐能力，可浸銅溶液；為了表面保護，可浸樹脂或清漆等。浸漬有的可在常壓下進行，有的則需在真空下進行。 2表面冷擠壓 為了提高零件的尺寸精度和減小表面粗糙度，可采用整形；為了提高零件的密度，可采用復壓；為了改變零件的形狀，可采用精壓。復壓后的零件往往需要復燒或退火。 3切削加工 橫槽、橫孔，以及軸向尺寸精度高的面等。 4熱處理 可提高鐵基制品的強度和硬度。由于孔隙的存在，對于孔隙度大于10%的制品，不得采用液體滲碳或鹽浴

29、爐加熱，以防鹽液浸入孔隙中，造成內腐蝕。另外，低密度零件氣體滲碳時，容易滲透到中心。對于孔隙度小于10%的制品，可用與一般鋼一樣的熱處理方法，如整體淬火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火等。為了防止堵塞孔隙可能引起的不利影響，可采用硫化處理封閉孔隙。淬火最好采用油作為介質，高密度制品，若為了冷卻速度的需要，亦可用水作為淬火介質。 5表面保護處理 對用于儀表、軍工及有防腐要求的粉末冶金制品很重要。粉末冶金制品由于存在孔隙，這給表面防護帶來困難。目前，可采用的表面保護處理有蒸汽發(fā)藍處理，浸油，浸硫并退火，浸清漆，滲鋅，浸高軟化點石蠟或硬脂酸鋅后電鍍（銅、鎳、鉻、鋅等）、磷化、陽極化處理等。 （六）實例 1粉

30、末冶金工具材料及其成形 粉末冶金工具材料主要包括粉末高速鋼、硬質合金和超硬材料等。 （1）粉末高速鋼及其成形 高速工具鋼由于具有優(yōu)良的力學性能和耐磨性，廣泛用來制作切削工具、成形工具和耐磨零件等。但是，用傳統(tǒng)的鑄鍛方法生產的高速鋼會產生偏析，從而形成化學成分不均勻、且晶粒粗大不勻的顯微組織，降低了高速鋼的韌度，影響了其使用性能。粉末高速鋼由于其生產方法上的特點，可以使其具有細的晶粒結構，不存在碳化物聚集，將偏析降到了最低程度，因而提高了工具的壽命。 典型的粉末高速鋼生產方法有三種：無偏析工藝（ASP工藝）、坩堝顆粒冶金法（CPM工藝）和全致密工藝。目前也有通過液相燒結來制取粉末高速鋼的研究。

31、無偏析工藝是將高速鋼首先在惰性氣體中霧化成粉末，然后將粉末振實、裝入包套進行冷等靜壓制，再于高壓、高溫下將冷等靜壓后的坯料熱等靜壓至完全致密。固結后，按常規(guī)的塑性成形方法將鋼坯加工成所要求的尺寸。 主要優(yōu)點：可以提高合金中合金元素的含量、碳化物分布均勻性和不產生合金缺陷，從而使粉末高速鋼在提高耐磨性的同時不會降低其韌度，并具有較高的屈服強度。這種方法生產的粉末高速鋼，按其合金成分不同，可分別用于：制造冷加工用的工具；對高溫硬度有要求的切削工具；切削大多數(shù)不銹鋼和高溫合金的刀具；高速切削的場合以及切削極難加工的工具材料等。 坩堝顆粒冶金法是將高壓氣霧化的預合金顆粒裝入包套后進行熱等靜壓，使之完全

32、致密化。然后用常規(guī)的塑性成形方法將鋼坯加工成所要求尺寸的坯料和棒料。這種工藝能將合金工具鋼中的合金偏析減至極小。此外，還可以生產合金元素含量較高的工具鋼。例如，CPMT15合金是標準工具鋼材料中最耐磨最耐熱的合金牌號之一，然而它的使用一直受到常規(guī)生產方法的限制，很難生產。只有使用坩堝顆粒方法之后才使得這種工具鋼的生產成了可能。在CPMT15粉末高速鋼中，大多數(shù)碳化物的尺寸都小于3m，而常規(guī)方法生產的高速鋼，有的碳化物尺寸可達到34m，平均尺寸為6m。表4-7為CPM工具鋼的化學成分。其中CPM10V鋼在高達480的溫度下仍具有極好的耐磨性和韌度，可用作粉末冶金壓制模具和許多其它的工具、模具，往

33、往可以取代昂貴的硬質合金工具。T15粉末高速鋼是航空工業(yè)中用來加工普通方法難以加工的高溫合金和鈦合金的主要切削工具鋼。 表4-7 CPM工具鋼的成分 合 金 組成（%） wC wCr wV wW wMn wMo wCo wFe CPM10V CPM Rex76 CPM Rex42 CPM Rex25 CPM Rex20 CPM T15 2.40 1.50 1.10 1.80 1.30 1.55 5.30 3.75 3.75 4.0 3.75 4.0 9.8 3.0 1.10 5.0 2.0 5.0 0.3 10.0 1.5 12.5 6.25 12.25 0.5 1.3 5.25 9.5 6.

34、5 10.5 9.0 8.0 5.0 其余 其余 其余 其余 其余 其余 全致密工藝是用水霧化粉末進行冷等靜壓或模壓成形，然后真空燒結到完全致密化。這種工藝可以大量生產尺寸精密、形狀復雜的零部件。 優(yōu)點：這種方法可以制造出相對密度接近100%的零部件，避免因含少量孔隙（即使是1%2%）造成材料的淬硬性、伸長率、沖擊韌度極大地降低。此外，這種工藝生產的零部件無需機械加工，從而可以減少材料的切屑，節(jié)約原材料。 粉末冶金高速鋼的用途：制作銑刀銑削耐熱高合金鋼、奧氏體不銹鋼，制作鉸刀、絲錐和鉆頭等孔加工刃具，制作拉刀拉削滲碳鋼、高溫合金等難切削材料。還可用于制作齒輪滾刀，沖裁模具的沖頭和凹模，冷鐓、成

35、形、壓制和擠壓模，以及滾絲模。此外，還可以用作沖孔工具材料等。 （2）硬質合金及其成形 硬質合金由硬質基體和粘接金屬兩部分組成。硬質基體保證合金具有高的硬度和耐磨性，采用難熔金屬化合物，主要是碳化鎢和碳化鈦，其次是碳化鉭、碳化鈮和碳化釩。粘接金屬賦予合金一定的強度和韌度，采用鐵族金屬及其合金，以鈷為主。 硬質合金的品種很多，其制造工藝也有所不同，但基本工序大同小異，硬質合金的生產工藝流程如圖4-9所示。  圖4-9 硬質合金生產工藝流程 硬質合金是一種優(yōu)良的工具材料，主要用于切削工具、金屬成形工具、礦山工具、表面耐磨材料以及高剛性結構部件。硬質合金的種類、性能及用途見表4-8。 表4

36、-8 硬質合金的種類性能及用途 種    類 性能及用途 含鎢硬質合金 WC-Co系 可用于加工鑄鐵等脆性材料或作為耐磨零部件和工具使用 WC-TiC-Co系 可用于加工產生連續(xù)切屑的韌性材料 WC-TiC-TaC（NbC）-Co系 WC-TaC（NbC）-Co系 鋼結硬質合金 以鋼為粘接劑，碳化鈦為硬質相。主要用作冷沖模、切削工具和耐熱模具等 涂層硬質合金 在硬質合金基體上沉積碳化鈦，表面硬度高。適合于高速連續(xù)切削，工件表面質量好 細晶粒硬質合金 高強度、高韌度和高耐磨性。用于加工高強度鋼、耐熱合金和不銹鋼的切斷刀、小直徑的端銑刀、小絞刀、麻花鉆頭、微型鉆頭以及

37、打印針和精密模具 TiC基硬質合金 硬度HRA9192、抗彎強度可達19301650MPa?？捎糜诤辖鸫旨庸さ母咚偾邢?碳化鉻基硬質合金（CrC-Ni） 常溫及高溫硬度高，耐磨性好，抗氧化性及耐腐蝕性能高?？勺髑邢麾伡扳伜辖鸬墓ぞ卟牧?2粉末冶金多孔材料及其成形 采用粉末冶金方法制成的、孔隙度通常大于15%的金屬材料。其內部孔隙彎曲配置，縱橫交錯，孔隙度和孔徑大小可以控制和再生。具有優(yōu)良、穩(wěn)定的滲透性能，過濾精度高，具有足夠的強度和塑性，有耐高溫、抗熱震等一系列優(yōu)良性能。它可在高溫或低溫下工作，壽命長，制造簡單。而普通濾紙、濾布的強度低，過濾速度慢，不能在高溫下使用，并且難以再生，還易變形和難

38、保證過濾精度。塑料多孔材料雖由球形顆粒制造，過濾性能好，但強度低，使用溫度一般不超過100。陶瓷或玻璃多孔材料的塑性、可加工性和耐急冷急熱性能差，因而應用有限。各種紡織用金屬材料絲網孔易變形，影響過濾精度。粉末冶金多孔材料正好彌補了上述材料的不足，得到了較快的發(fā)展。 粉末冶金多孔材料因其高的孔隙度而有很大的孔隙內表面，決定了它具有許多特殊的物理化學性能和作用，例如物質的貯存作用，過濾和分離作用，熱交換作用，吸附、催化作用，電極化作用以及不良的傳導作用等，因而應用相當廣泛。例如，利用其物質貯存作用可以制成含油自潤滑軸承、含香金屬制品；利用熱交換作用可以制成宇航用發(fā)汗材料、氧-乙炔用防爆止火器；利用過濾和分離作用可以制成各種過濾器；利用其電極化作用可制成燃料電池的多孔電極等。粉末冶金多孔材料的應用舉例見表4-9。 表4-9 粉末冶金多孔材料的應用 機能與特性 用 途 應用實例 過濾 氣-固分離 過濾各種氣體與氣態(tài)化