粉末冶金原理綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中南大學(xué)粉末冶金原理綜述學(xué) 院 ：指導(dǎo)老師 ：姓 名 ：學(xué) 號(hào) ： 2015年 11 月 12日粉末冶金原理綜述一、前言粉末冶金是一門制造金屬粉末，并以金屬粉末（有時(shí)也添加少量非金屬粉末）為原料，經(jīng)過混合成形和燒結(jié)生產(chǎn)金屬材料、復(fù)合材料和各種類型制品的冶金工程與材料科學(xué)和機(jī)械零件制造技術(shù)。它包括兩部分內(nèi)容：制造金屬粉末（也包括合金粉末，以下統(tǒng)稱“金屬粉末”）；用金屬粉末（有時(shí)也添加少量非金屬粉末）作原料，經(jīng)過混合、成形和燒結(jié)，制造材料（稱為“粉末冶金材料”）或制品（稱為“粉末冶金制品”）。近些年來, 由于一些新技術(shù)的興起, 如機(jī)械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、噴射成

2、形、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成、燒結(jié)硬化等, 使得粉末冶金材料和技術(shù)得到了各國(guó)的普遍重視, 其應(yīng)用也越來越廣泛。目前, 粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展。粉末冶金最突出的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：一是能夠制造目前使用其他工藝無法制造或難于制造的材料和制品，如多孔、發(fā)汗、減震、隔音等材料和制品，鎢、鉬、鈦等難熔金屬材料和制品，金屬-塑料、雙金屬等復(fù)合材料及制品。二是能夠直接制造出合乎或者接近成品尺寸要求的制品，從而減少或取消機(jī)械加工，其材料利用率可以高達(dá)95%以上，它還能在一些制品中以鐵代銅，做到了“省材、節(jié)能”。二、粉末冶金特點(diǎn)粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物

3、理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無切削工藝。（1）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性 能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末 高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。 （2）可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。 （3）可以容易地實(shí)

4、現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。 （4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 （5）可以實(shí)現(xiàn)凈近形成形和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。 （6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。三、粉末冶金的生產(chǎn)過程（1）生產(chǎn)粉末。粉末的生產(chǎn)過程包括粉末的制取、粉料的混合等步驟。為改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡膠或石蠟等增塑劑。（2）壓制

5、成型。粉末在500600MPa壓力下，壓成所需形狀。（3）燒結(jié)。在保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行。燒結(jié)不同于金屬熔化，燒結(jié)時(shí)至少有一種元素仍處于固態(tài)。燒結(jié)過程中粉末顆粒間通過擴(kuò)散、再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學(xué)過程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。（4）后處理。一般情況下，燒結(jié)好的制件可直接使用。但對(duì)于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進(jìn)行燒結(jié)后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。粉末制造方法主要有物理化學(xué)法和機(jī)械粉碎法兩大類。前者包括還原法、電解法和羰基法等；后者包括研磨法和霧化法。還原法是用還原劑把金屬氧化物中的氧奪取出來，從而得到金

6、屬粉末的一種方法。還原劑是指能夠奪取氧化物中氧的物質(zhì)。制取金屬粉末所用的還原劑，是指能夠除掉金屬氧化物中氧的物質(zhì)。就金屬氧化物而言，凡是與其中氧的親合力大于這種金屬與氧的親合力的物質(zhì)，都稱其為這種金屬氧化物的還原劑。粉末還原退火的目的主要有以下三個(gè)方面：去除金屬粉末顆粒表面的氧化膜；除掉顆粒表面吸附的氣體和水分等異物；消除顆粒的加工硬化。 為了滿足對(duì)粉末的各種要求，也就要有各種各樣生產(chǎn)粉末的方法，這些方法不外乎使金屬、合金或者金屬化合物從固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末狀態(tài)。在固態(tài)下制備粉末的方法包括從固態(tài)金屬與合金制取金屬與合金粉末的有機(jī)械粉碎法和電化腐蝕法從固態(tài)金屬氧化物及鹽類制取金屬與合金粉末

7、的有還原法，從金屬和非金屬粉末、金屬氧化物和非金屬粉末制取金屬化合物粉末的有還原化合法。在液態(tài)下制備粉末的方法包括：從液態(tài)金屬與合金制金屬與合金粉末的霧化法；從金屬鹽溶液臵換和還原制金屬、合金以及包覆粉末的臵換法、溶液氫還原法；從金屬熔鹽中沉淀制金屬粉末的熔鹽沉淀法；從輔助金屬浴中析出制金屬化合物粉末的金屬浴法；從金屬鹽溶液電解制金屬與合金粉末的水溶液電解法；從金屬熔鹽電解制金屬和金屬化合物粉末的熔鹽電解法。在氣態(tài)下制備粉末的方法包括：從金屬蒸氣冷凝制取金屬粉末的蒸氣冷凝法；從氣態(tài)金屬羰基物離解制取金屬、合金以及包覆粉末的羰基物熱離解法；從氣態(tài)金屬鹵化物氣相還原制取金屬、合金粉末以及金屬、合金

8、涂層的氣相氫還原法；從氣態(tài)金屬鹵化物沉積制取金屬化合物粉末以及涂層的化學(xué)氣相沉積法。 但是，從過程的實(shí)質(zhì)來看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納為兩大類，即機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法是將原材料機(jī)械地粉碎，而化學(xué)成分基本上不發(fā)生變化；物理化學(xué)法是借助化學(xué)的或物理的作用，改變?cè)牧系幕瘜W(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的。粉末的生產(chǎn)方法很多，從工業(yè)規(guī)模而言，應(yīng)用最廣泛的是還原法、霧化法和電解法；而氣相沉積法和液相沉淀法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要。用于粉末冶金的粉末性能測(cè)定一般有三項(xiàng)：化學(xué)成分、物理性能和工藝性能。用于粉末冶金的粉末物理性能主要包括以下三項(xiàng)：粉末的顆粒形狀；粉末的粒度和粒度組成；粉末的比表面。 用

9、于粉末冶金的粉末工藝性能主要包括以下五項(xiàng)：松裝密度；振實(shí)密度：流動(dòng)性；壓縮性；成形性。由于粉末的制取方法不同，其顆粒形狀也不同。大體有不規(guī)則狀、片狀、多面體狀、樹枝狀、粒狀、球狀、滴狀、纖維狀。粉末的粒度范圍是指在兩個(gè)規(guī)定的粒度之間變動(dòng)的粉末顆粒的粒度。如果某粉末的粒度范圍為-80+150目，就是說這些粉末的粒度等于或小于80目，而大于150目。換句話說就是，這些粉末通過了80目篩，而卻通不過150目篩。四、世界粉末冶金的發(fā)展現(xiàn)狀2003年全球粉末貨運(yùn)總量約為88萬噸，其中美國(guó)占51%，歐洲18%，日本13%，其它國(guó)家和地區(qū)18%。鐵粉占整個(gè)粉末總量的90%以上。從2001年起，世界鐵粉市場(chǎng)持

10、續(xù)增長(zhǎng)，4年時(shí)間增加了近20%。 現(xiàn)粉末冶金機(jī)械零件生產(chǎn)企業(yè)，西歐約100家，北美約140家(含內(nèi)制廠30家)，日本約45家。汽車行業(yè)仍然是粉末冶金工業(yè)發(fā)展的最大動(dòng)力和最大用戶?，F(xiàn)狀汽車上使用的粉末冶金零部件日趨增多，它可分為兩類，一類是只能用粉末冶金法，而不能用其他方法制造的，如含油軸承、摩擦零件、多孔性金屬制品、硬質(zhì)合金及難熔金屬制品等；另一類是燒結(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，雖可用鑄造、鍛造、沖壓、機(jī)械加工等傳統(tǒng)工藝制造，但采用粉末冶金法制造比較經(jīng)濟(jì)合理。北美平均每輛汽車粉末冶金零件用量最高，為19.5公斤，歐洲平均為9公斤，日本平均為8公斤。盡竹我國(guó)的汽車產(chǎn)量居世界第4位，但汽車行業(yè)對(duì)粉末冶金制品的

11、使用和發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大差距。粉末冶金鐵基零件在汽車上主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳送系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置等。汽車發(fā)展的兩大趨勢(shì)分別為降低能耗和環(huán)保；主要技術(shù)手段則是采用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和輕量化。歐洲對(duì)汽車尾氣過濾為粉末冶金多孔材料又提供了很大的市場(chǎng)。在目前的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下，粉末冶金金屬多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。特殊的粉末成形方法主要有以下五種：等靜壓成形；連續(xù)成形；無壓成形；高能成形；注射成形。通過混粉，可使性能不同的粉末組元形成均勻的混合物，以利于壓制和燒結(jié)，保證制品的材料均勻，性能穩(wěn)定?；旆蹠r(shí)間須根據(jù)對(duì)于粉料的具體要求和設(shè)備情況而定。時(shí)間過短，混合不均勻；而時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)

12、產(chǎn)生許多不利因素，如鐵、銅等金屬粉末會(huì)產(chǎn)生加工硬化，也會(huì)使顆粒形狀和粒度分布發(fā)生變化。制造粉末冶金模具主要零件要根據(jù)其具體使用情況，對(duì)材料的耐磨性、加工性、成本等項(xiàng)因素，進(jìn)行綜合考慮，合理選擇。其硬度必須達(dá)到HRC55以上。選用碳素工具鋼、合金工具鋼和硬質(zhì)合金等，均能滿足硬度和強(qiáng)度方面的要求。陰模和芯棒可采用碳素工具鋼（T10A、T12A等）、合金工具鋼（GCr15、Cr12、9CrSi、Cr12Mo、Cr12W、Cr12MoV、CrWMn、CrW5），高速鋼（W18Cr4V、W9Cr4V、W12Cr4V4Mo），硬質(zhì)合金（鋼結(jié)硬質(zhì)合金、YG15、YG8）；沖頭可采用碳素工具鋼（T8A、T10

13、A），合金工具鋼（GCr15、Cr12、9CrSi、Cr12Mo、CrWMn、CrW5）；壓套可采用合金工具鋼（GCr15、9CrSi、Cr12、Cr12Mo、CrWMn、CrW5）。壓制批量大的壓件，須采用耐磨性好的材料，如高速鋼、硬質(zhì)合金等；壓制批量小的壓件，可采用碳素工具鋼等廉價(jià)材料。壓制形狀復(fù)雜的壓件，要用合金工具鋼等易加工且熱處理變形小的材料；壓制銅、鉛等軟金屬粉末，宜用碳素工具鋼或合金工具鋼；壓制鎢、鉬等硬金屬粉末材料，以及硬質(zhì)合金、摩擦材料，須采用硬質(zhì)合金材料。壓制高密度壓件，應(yīng)采用耐磨性好的材料；對(duì)于高精度壓制模，宜選用耐磨材料，且要盡可能選用硬質(zhì)合金。粉末冶金壓制模各主要零件

14、的處理硬度是：陰模，要求鋼件為HRC60-63，鋼結(jié)硬質(zhì)合金HRC64-72，硬質(zhì)合金件為HRA88-90；芯棒，要求為HRC60-63，細(xì)長(zhǎng)芯棒硬度可適當(dāng)降低，機(jī)動(dòng)芯棒連接處局部硬度為HRC35-40；沖頭，要求為HRC56-60；壓套，要求為HRC53-57。保護(hù)套，不進(jìn)行熱處理；或進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HRC28-32。燒結(jié)是粉末冶金的主要工序之一。一般是把粉末或壓坯加熱到其主要成分熔點(diǎn)的2/34/5的溫度，使其顆粒間發(fā)生粘結(jié)等物理化學(xué)過程而成為具有所要求的材料或制品的工藝過程。燒結(jié)保護(hù)氣氛一般為還原性或中性氣體，如氫氣、分解氨、一氧化碳 、氮?dú)夂驼婵盏?。多孔是粉末冶金材料的重要特點(diǎn)之一。

15、利用這一特點(diǎn)，可以：制造發(fā)汗材料。即在普通粉末冶金材料孔隙中含浸低熔點(diǎn)物質(zhì)，在高溫工作時(shí)，含浸物熔化滲出，使材料“發(fā)汗”散熱。這樣即可用普通材料替代昂貴的耐熱合金，又進(jìn)一步提高耐熱零件的使用溫度；制造過濾材料。用以濾氣、濾液和濾毒等；含浸減磨劑，制造含油和無油潤(rùn)滑軸承；含浸香料，制造含香工藝品等；在某些情況下用鐵來代替銅、鉛等有色金屬。；制造減振、消音、絕熱等材料；增加材料比表面，用其充當(dāng)物質(zhì)的載體（如攜帶催化劑等）。五、粉末冶金發(fā)展趨勢(shì)、（1）發(fā)展粉末制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。重點(diǎn)是超細(xì)粉末和納米粉的制備技術(shù)，快速冷凝制備非晶、準(zhǔn)晶和微晶粉末技術(shù)，機(jī)械合金化技術(shù)，自蔓延高溫合成技術(shù)，粉末粒度、結(jié)構(gòu)、形貌、成分控制技術(shù)。總的趨勢(shì)是向超細(xì)、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。（2）建立以“凈近形成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模過程理論，如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。（3）建立以“全致密化”為主要目標(biāo)的