【培訓(xùn)】粉末冶金

1、粉末冶金 (powder metallurgy) .金屬傳統(tǒng)制法n金屬制品的傳統(tǒng)制法式將金屬或合金加熱熔解，燒鑄成鑄錠或直接鑄成鑄件；鑄錠需經(jīng)鍛、軋、擠等塑性加工，再經(jīng)切削研磨等機(jī)械加工才能成為有用產(chǎn)品。.n在粉末顆粒間，于加壓加熱的情形下產(chǎn)生擴(kuò)散作用而產(chǎn)生物質(zhì)交流，而達(dá)成結(jié)合作用。結(jié)合之堅(jiān)固程度與壓力、密度、時(shí)間、顆粒及環(huán)境有關(guān)。粉末冶金原理.歷史源流n公元3000年前，埃及人使用鐵粉。n西元300年，希臘Delhi Pillar重達(dá)六噸n17-19世紀(jì)，主要制造的粉末n19世紀(jì)制成各種金屬粉末。高熔點(diǎn)金屬以電解法、氫碳或鈉的還原法、汞齊法制成粉末，再凝結(jié)成塊狀。n1826年，蘇俄用常溫加壓

2、法制程高純度白金貨幣。.n1830年，Ossan研究Cu的粉末冶金法，1841年以壓機(jī)和燒結(jié)法將金屬粉制成復(fù)雜的制品。是一近代粉末冶金法的基本方法n1880年Spring研究金屬粒子間的黏著與壓力的關(guān)系。只靠壓力制成伍氏合金。n1910年Coolidge制出延性鎢線。成為近代粉末冶金工業(yè)化的第一步。歷史源流.現(xiàn)在及未來展望n現(xiàn)今采用粉末冶金制品最多的是運(yùn)輸機(jī)械方面，其次為電機(jī)電子方面。n未來粉末冶金將朝： 1.過程簡化 2.產(chǎn)品尺寸更精密 3.大型化.粉末冶金法之制造工程.n一、混合 1.混成(Blending)：同種粉末混合不同粒度。2.混合(Mixing)：數(shù)種異質(zhì)金屬粉與非金屬粉均勻混成

3、。n二、加壓成形將粉末壓縮成所需形狀大小。粉末冶金法之制造工程.n三、燒結(jié)被加壓成形之壓粉體，通過保持主成份之熔點(diǎn)2/3的溫度中控制保護(hù)氣體之燒結(jié)爐中燒結(jié)。 n四、再加壓大部分制品只燒結(jié)就可用。但嚴(yán)格要求尺寸精度，或要求高密度之制品，需進(jìn)一步將燒結(jié)品進(jìn)行再加壓。粉末冶金法之制造工程.n五、油浸液狀潤滑劑或其他非金屬物質(zhì)侵入燒結(jié)制品的孔隙以達(dá)到潤滑或耐蝕的目的。n六、溶浸低熔點(diǎn)金屬或非金屬滲入多孔性燒結(jié)零件之孔隙，以增加密度、強(qiáng)度、硬度、耐沖擊性等粉末冶金法之制造工程.粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)n一、成本低廉 1.大量制造 2.產(chǎn)品制程不需加工切削n二、能制造有孔隙的制品n三、產(chǎn)品化學(xué)成分均勻n四、制造過程

4、無材料浪費(fèi)n五、能制造高熔點(diǎn)材料 (熔解制法不可).粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)n六、不能形成合金的材料亦可拼合在一起n七、能保持材料的高純度n八、產(chǎn)品不含氣泡、沙孔等缺陷n九、可制成不能鍛造的硬脆制品.粉末冶金的缺點(diǎn)n一、金屬粉方面1.最終產(chǎn)品的質(zhì)量未必能控制自如2.粉末不順從靜水力學(xué)定律3.金屬粉昂貴.粉末冶金的缺點(diǎn)n二、制造設(shè)備、方法粉末冶金主要設(shè)備有加壓機(jī)、壓模、燒結(jié)爐、混合機(jī)。1.加壓機(jī)：常需使用昂貴的強(qiáng)力壓機(jī)2.壓模：屬消耗品3.燒結(jié)爐4.粉末易氧化、混合需長時(shí)間5.制品的尺寸及形狀.粉末制造法n金屬粉之各種制造法，原理上也有許多種類。n工業(yè)上采用最多的是機(jī)械制造法、電解法、還原法、霧化制造法。

5、.n使用機(jī)械的方法把材料變成粉末，共計(jì)有四種機(jī)構(gòu)：1.沖擊：快速、瞬間的沖擊力2.研磨：摩擦運(yùn)動(dòng)3.剪切：劈裂有如軋碎的操作4.壓縮：適用脆性不易變形的材料以下介紹常用幾種機(jī)械制造法一、機(jī)械制造法一、機(jī)械制造法.n切削金屬加工產(chǎn)生大量廢料(不用的切削)，經(jīng)研磨，則可得較細(xì)渡化的粉粒。優(yōu)點(diǎn)：資源回收再利用缺點(diǎn)：1.無法控制粉末特性2.生產(chǎn)緩慢一、機(jī)械制造法一、機(jī)械制造法.n球磨一、機(jī)械制造法一、機(jī)械制造法.n球磨不適用：易生冷焊現(xiàn)象、具延展性的材料適用：脆性材料缺點(diǎn)：1.能量在噪音噪音及摩擦熱摩擦熱的消耗大2.粒度越小所需要的時(shí)間和能量相對(duì)很大3.粉末加工硬化、不規(guī)則形狀、堆積性不良一、機(jī)械制造

6、法一、機(jī)械制造法.二、電解法二、電解法.n優(yōu)點(diǎn)：高純度、呈樹枝狀或海綿狀、成形性佳、燒結(jié)性優(yōu)異。n缺點(diǎn)：1.粉末不規(guī)則狀，堆積性差。2.鹽浴的化學(xué)性非常敏感，污染物可阻止陰極生成產(chǎn)物。3.僅有元素粉末適用。4.產(chǎn)品須經(jīng)后續(xù)處理及清洗。二、電解法二、電解法.n霧化法法提供了大部分的粉末，因?yàn)榛瘜W(xué)性及形狀均可被掌握。 以下介紹氣霧法、水霧法。三、霧化制造法三、霧化制造法.n氣霧法.需加熱超越熔融需加熱超越熔融n氣霧法.n優(yōu)點(diǎn)：保持高合度原料的完整性粉末均勻呈球形，有良好堆積性n氣霧法.n水霧法.n水霧法與氣霧法不同點(diǎn)：1.因冷卻速度過快，粉末呈不規(guī)則狀。2.粉末表面粗糙，含氧化物。為改善此兩項(xiàng)缺點(diǎn)

7、，合成油已逐漸取代水。n水霧法.粉末特性n粉末本身性質(zhì)有粒度及粒度分布、顆粒形狀、化學(xué)成分。n與制品關(guān)聯(lián)較大的性質(zhì)有視密度、敲密度、流動(dòng)度、壓縮度、成形性、燒結(jié)性。.n粒度及粒度分布很難做正確的判斷。各種測(cè)定法中各有測(cè)定的可能粒度范圍。粒度趨向于細(xì)粉時(shí)，粉末的外觀密度降低，加壓粉體的強(qiáng)度增加，但其壓縮性很差。細(xì)粉多時(shí)燒結(jié)性好，但燒結(jié)時(shí)收縮性很大。粉末特性.n粉末形狀及其定型因素 了解粒形可推測(cè)其壓縮性、成形性、燒結(jié)性等。對(duì)粉末冶金制造工程極為重要。粉末特性.n化學(xué)成分粉末因其表面積大所以易于氧化，且其表面容易附著水或瓦斯。現(xiàn)行解決方法：氫還原粉末的化學(xué)組成是以目標(biāo)值為前提。氧及不純物之存在將特

8、別對(duì)燒結(jié)體有所妨礙。粉末特性.n視密度和敲密度視密度亦為填充密度。由自然落下填充一定體積容器的粉末質(zhì)量可推算。敲密度是給予振動(dòng)后測(cè)得的值。球形密度高不規(guī)則形密度小粉末特性.n流動(dòng)性粉末流動(dòng)的難易度。工業(yè)上自動(dòng)沖床要求流性順暢的粉末。一般細(xì)粉的流動(dòng)性很差，施以熱處理改善之。n壓縮性對(duì)三種以上的成形壓力，壓粉密度或相對(duì)密度的曲線撐為壓縮性曲線。盡可能低的密度到高壓縮性的粉末，就是壓縮性佳的粉末。粉末特性.n成形性粉末成形的難易度。測(cè)定成形后壓粉體之強(qiáng)度或邊緣強(qiáng)度。成形性與粒形、成形壓力有關(guān)。n燒結(jié)性燒結(jié)時(shí)希望以較低溫度、較短時(shí)間，得到高強(qiáng)度、高密度的燒結(jié)原件。粒度、粒度分布、粒形及表面積，皆會(huì)影響

9、燒結(jié)性。粉末特性.粉末冶金流程圖 粉末的制造 粉末的預(yù)處理 燒結(jié) 加壓成形.粉末的預(yù)處理 n金屬粉末在使用前，需要做一些適當(dāng)?shù)奶幚怼?機(jī)械處理 溫?zé)崽幚?造粒.機(jī)械處理n傾倒會(huì)改變粉末的特性，尤其是形狀方面。n如樹枝狀的粉末其樹枝容易折斷。 不規(guī)則的粉末在搬運(yùn)的時(shí)候易改變其密度。n圓球狀的粉末最安定。n結(jié)論：將粉末充分的研磨以減低其形狀的影響。.n在研磨時(shí)受氧化程度及冷作加工的影響。n氧化程度 影響燒結(jié)速度n冷作加工 硬度增加使粉末的可壓性減少.溫?zé)崽幚韓對(duì)粉末施以適當(dāng)?shù)臏責(zé)崽幚?，可使粉?1、合金化 以前常用2、退火3、鍍層 V合金的磁性材料4、圓球化 UO2鍍?cè)赟iC的表面.造粒n造粒的目

10、的： 1、去除粉末上附著的空氣 2、使粉體之間的摩擦力減少 1、使粉末適合高壓處理 2、得到精確的尺寸 3、理想的機(jī)械性質(zhì).n預(yù)處理完后，粉末特性加下 1、顆粒間之摩擦力小，流動(dòng)性大 2、適當(dāng)?shù)拇侄确植?3、含有適當(dāng)?shù)乃?4、適當(dāng)?shù)脑炝ｎw體毛密度.加壓n為了得燒結(jié)制品之良好特性，故將粉末加壓而得到所希望形狀的壓粉體。n壓粉體是金屬粉相互間壓著的狀態(tài)。n為了要使壓粉體的密度均勻，在加壓成形時(shí)的密度亦須均勻。.n最簡單的加壓方式：使用圓筒形壓模。n石墨作為潤滑劑，以減低密度差。.機(jī)械強(qiáng)度n粉體的機(jī)械強(qiáng)度主要由粉體相互糾纏所造成。n糾纏度 ，機(jī)械強(qiáng)度.如何增強(qiáng)粉體的強(qiáng)度? 1、增加粉末的表面積。

11、2、減少粉末的氧化程度及污染。 3、增加壓粉體的密度。 4、減少某些添加劑的用量，如石墨的用量。 石墨會(huì)跑到粉末界面中間， 而使粉末糾纏的程度減少。 .兩個(gè)常用的加壓方法n熱均壓成型(HIP：heat isostatic pressing) 常用于復(fù)合材料、核燃料集合體的擴(kuò)散接合 n冷間均壓成形法(CIP：cold isostatic pressing) 常用于非金屬材料粉末、陶瓷材料等.熱均壓成型(HIP：heat isostatic pressing)n溫度可達(dá)150020000Cn工業(yè)生產(chǎn)用的大型HIP的使用溫度有1200、1400、20000Cn工作物承受的是各方向均等的成形壓力，故其

12、密度、物理和機(jī)械性質(zhì)均具良好的等方性。.熱均壓成型示意圖.HIP的優(yōu)點(diǎn)1、易于維護(hù)的管路系統(tǒng)。2、工作物之裝卸方式采底部進(jìn)出方式。3、裝有微處理機(jī)控制系統(tǒng)。4、保護(hù)用的環(huán)墻厚壁。.冷間均壓成形法(CIP：cold isostatic pressing)n粉體承受來自高壓液體的成形力量，為一種高效率的成形法，廣用于陶瓷粉末。.CIP示意圖n少量而形狀、尺寸多變化或是大件的成品。.CIP的優(yōu)點(diǎn)1、壓粉體可獲得組織均勻而密度值高的成品。 不會(huì)產(chǎn)生扭曲變形的不良現(xiàn)象2、幾合形狀不受任何限制。3、粉粒體和模間無摩擦現(xiàn)象，故形成鐵、銅等軟質(zhì)粉時(shí)無須加潤滑劑。.燒結(jié)n借著加熱使壓粉體收縮、致密化之過程稱為燒

13、結(jié)。而燒結(jié)的物體稱為燒結(jié)體。n燒結(jié)的原因? 在燒結(jié)后可使體積收縮、應(yīng)力松弛、扭度的消退和表面積的縮減。 降低非平衡狀態(tài)下產(chǎn)生之晶格缺陷 (高自由能) .燒結(jié)的機(jī)構(gòu)n黏性流動(dòng)是經(jīng)由拉力與壓力所生的剪應(yīng)力，而使物質(zhì)粒子朝其方向移動(dòng)。是一種物質(zhì)與分子的流動(dòng)。n表面擴(kuò)散：原子沿著粒子之表面朝頸部移動(dòng)。(發(fā)生在燒結(jié)初期、較低溫度)n內(nèi)部擴(kuò)散：原子通過粒子之內(nèi)部朝頸部移動(dòng)。n蒸發(fā)凝著：物體凸面的壓力大于凹面。凸面的分子流向凹面。.燒結(jié)機(jī)構(gòu)示意圖.燒結(jié)爐的簡介n金屬網(wǎng)帶爐n駝背式爐篩網(wǎng)輸送帶式爐n滾輪式膛式爐n其他n共通處：有脫臘部、氣密性、冷卻裝置。.n將壓粉體加中的潤滑劑在燒結(jié)前先去除。 脫臘n使燒結(jié)爐

14、內(nèi)的氣體不因外在氣體(氫、水氣)侵入而受影響。 氣密性n快速冷卻至不受大氣氧化之溫度。 冷卻裝置.金屬網(wǎng)帶爐n用于一般性、較輕組件的燒結(jié)方式。n粉體利用過爐內(nèi)的金屬網(wǎng)帶來輸送。n燒結(jié)溫度在1150度C以下、制品在70kgf以下.金屬網(wǎng)帶爐示意圖.駝背式爐篩網(wǎng)輸送帶式爐n將加熱部提高，使質(zhì)輕而純度高的瓦斯能積于加熱部。n其使用溫度也是1150度C。.駝背式爐篩網(wǎng)輸送帶式爐示意圖.滾輪式膛式爐n將粉體機(jī)件之的墊盤擺放在滾輪上輸送。而做出：預(yù)熱、脫臘、加熱、冷卻之構(gòu)造。n經(jīng)濟(jì)性地運(yùn)轉(zhuǎn)。.滾輪式膛式爐示意圖.實(shí)際的應(yīng)用n高熔點(diǎn)金屬、燒結(jié)超硬材料、精密陶瓷、 燒結(jié)超合金、燒結(jié)耐熱材料、燒結(jié)集電材料、磁性材料.燒結(jié)耐熱材料n在高溫時(shí)，具有良好的機(jī)械性質(zhì)、耐氧化性及耐腐蝕性。n粉末冶金法在耐熱材料上的應(yīng)用有： 1、縮短制造工程 2、減低制品不良率 3、增加復(fù)雜形狀物的產(chǎn)量 4、省略細(xì)加工工程.燒結(jié)鈦合金n常用于飛機(jī)用零件及耐蝕機(jī)器。n飛機(jī)用鈦合金零使用一普方法制造時(shí)質(zhì)量不佳，但使用粉末冶金法則佳，且可得到接近最終形狀。.精密陶瓷nAlumina(Al2O3)：硬