粉末冶金課程設(shè)計

1、北方民族大學(xué)課程設(shè)計報告院（部、中心） 材料科學(xué)與工程 姓 名 學(xué) 號 專 業(yè) 材料科學(xué)與工程 班 級 同組人員 課程名稱 材料工藝與設(shè)備 設(shè)計題目名稱 粉末冶金課程設(shè)計 起止時間 成 績 指導(dǎo)教師簽名 xxxxxxxxxxxx學(xué)院教務(wù)處制目錄一、前言111 粉末冶金技術(shù)的含義112 粉末冶金技術(shù)的主要作用113 粉末冶金技術(shù)的發(fā)展趨勢2二、課程設(shè)計的目的和內(nèi)容42.1 課程設(shè)計的目的42.2 課程設(shè)計的內(nèi)容5三、課程設(shè)計的方法及步驟53.1 課程設(shè)計的方法53.2 課程設(shè)計的步驟6四、模具的設(shè)計與繪制74.1模具的設(shè)計74.2 模具的測繪84.3 根據(jù)模具圖繪制制品圖9五、原料粉末的制備10

2、5.1 金屬粉末的制取105.2 Cu、Sn、W三種金屬粉末的性能參數(shù)105.3 金屬粉末的配比115.4 機械合金化相關(guān)參數(shù)的設(shè)定125.5 機械合金化的設(shè)備135.6 機械合金化的過程14六、成型工藝156.1成型的目的和意義156.2粉末壓制的特點166.3成型劑和潤滑劑的選擇及作用166.4設(shè)備及特點和參數(shù)166.5成型過程應(yīng)注意的事項19七、燒結(jié)197.1燒結(jié)溫度的確定207.2保溫時間的確定217.3燒結(jié)曲線中各段溫度及時間的確定227.4燒結(jié)氣氛的選擇237.5氬氣流量的確定237.6燒結(jié)制品缺陷分析257.7燒結(jié)設(shè)備25八、制品的后處理和性能測定258.1制品的后處理258.2

3、制品的特征及缺陷分析268.3性能測試28九、小結(jié)29十、參 考 文 獻30一、前言粉末冶金作為一種獨特的零件制造技術(shù), 因其制品少、無切削,成本低,效率高,越來越受到設(shè)計和制造人員的重視。特別是近幾十年來, 汽車工業(yè)的飛速發(fā)展, 帶動了鐵基粉末冶金行業(yè)的快速發(fā)展。同時，由于一些新技術(shù)的興起, 如機械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、噴射成形、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)得到了各國的普遍重視, 其應(yīng)用也越來越廣泛。11 粉末冶金技術(shù)的含義粉末冶金的方法其實由來已久。人類早期采用機械粉碎法制得金、銀、銅和青銅的粉末，用作陶器等的裝飾涂料。18 世紀

4、下半葉和19 世紀上半葉，俄、英、西班牙等國曾以工場規(guī)模制取海綿鉑粒，經(jīng)過熱壓、鍛和模壓、燒結(jié)等工藝制造錢幣和貴重器物。1890 年，美國的庫利吉發(fā)明用粉末冶金方法制造燈泡用鎢絲，奠定了現(xiàn)代粉末冶金的基礎(chǔ)。到1910 年左右，人們已經(jīng)用粉末冶金法制造了鎢鉬制品、硬質(zhì)合金、青銅含油軸承、多孔過濾器、集電刷等，逐步形成了整套粉末冶金技術(shù)。20 世紀30 年代，旋渦研磨鐵粉和碳還原鐵粉問世后，用粉末冶金法制造鐵基機械零件獲得了很快的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，粉末冶金技術(shù)發(fā)展迅速，新的生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備、新的材料和制品不斷出現(xiàn)，開拓出一些能制造特殊材料的領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)中的重要組成部分。粉末冶金是制取

5、金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。12 粉末冶金技術(shù)的主要作用由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。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

6、的作用。可以制備非晶、微晶、準晶、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?？梢匀菀椎貙崿F(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)。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)陶瓷和功能陶瓷材料等?？梢詫崿F(xiàn)凈近形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗?？梢猿浞掷玫V石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。13 粉末冶金技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著汽車和飛機零件

7、以及切削和成形工具的發(fā)展，粉末冶金的強度和質(zhì)量都得到了改善和提高。汽車制造業(yè)是粉末冶金件的最大用戶，1996 年它占有美國粉末治金件的最大市場份額達69%。發(fā)展粉末冶金需要制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。131 向全致密化發(fā)展粉末冶金的重點是超細粉末和納米粉的制備技術(shù)，快速冷凝制備非晶、準晶和微晶粉末技術(shù)，機械合金化技術(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)。總的趨勢是向超細、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。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。建立以“全致密化”為主要目標的新型固結(jié)技術(shù)及其過

8、程模擬技術(shù)。132 向高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展粉末冶金新的成形技術(shù)層出不窮，如：粉末注射成形、溫壓成形、流動溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。近目前, 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。有代表性的鐵基合金，將向大體積的精密制品，高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件發(fā)展；制造具有均勻顯微組織結(jié)構(gòu)的、加工困難而完全致密的高性能合金；用增強致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金；制造非均勻材料、非晶態(tài)、微晶或者亞穩(wěn)合金；加工獨特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件。133 粉末冶金產(chǎn)業(yè)化發(fā)展由于相鄰學(xué)科和相關(guān)技術(shù)的相互滲透和結(jié)合更賦予了粉末冶金新的發(fā)展活力。粉

9、末冶金新工藝層出不窮。 粉末冶金產(chǎn)業(yè)化是指這些技術(shù)已比較成熟。甚至在一些國家已有生產(chǎn)規(guī)模，但主流還處于研究成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的過程之中。其工藝、設(shè)備、市場等已為產(chǎn)業(yè)化準備了條件，可以產(chǎn)業(yè)化，取得社會效益和經(jīng)濟效益。主要是指該技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、集群化、模塊化發(fā)展。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有汽車用粉末冶金零部件，汽車制造業(yè)仍是粉末冶金(PM)發(fā)展的牽引力；粉末注射成(PowderInjection Molding(PIM)溫壓成形技術(shù)(Warm Compaction)在眾多為提高PM 件密度的生產(chǎn)方法中。溫壓成形技術(shù)被認為是最為經(jīng)濟的一種新工藝。以下產(chǎn)業(yè)化技術(shù)：溫壓技術(shù)被譽為1990 年代粉末冶金技術(shù)的一大突破

10、，于1990年取得了第一項采用一次壓制燒結(jié)工藝制備高密度鐵基（P / M ）零件的美國專利。該技術(shù)可使燒結(jié)鋼中的孔隙度降低到 6 % 左右（傳統(tǒng)為10% 以上），制品密度達到7.3g/cm3 以上，從而大大拓寬了高密度、高強度燒結(jié)鋼零件在工業(yè)上應(yīng)用的可能性。模壁潤滑和溫壓是平行的兩個提高鐵基結(jié)構(gòu)零件密度的手段。近來發(fā)展的是干模壁潤滑，采用靜電的方法，將干潤滑劑粉末吸附到模壁上的模壁潤滑，克服了濕模壁潤滑制備的壓坯表面易于粘粉，影響燒結(jié)件的表面質(zhì)量的缺點。國外用非聚四氟乙烯干粉潤滑劑以靜電吸附的方式粘著在陰模內(nèi)壁，鐵零件的壓坯密度已達7.55。注射成形金屬注射成形（Metal Injection

11、 Molding，簡稱MIM）是一種塑料注射成形與粉末冶金技術(shù)結(jié)合而成的近凈成形技術(shù)，是國內(nèi)外公認的21 世紀粉末冶金的主流技術(shù)，稱為“第五代加工技術(shù)”。而且最適于大批量生產(chǎn)三維復(fù)雜形狀的零件，可以完全實現(xiàn)自動化連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率高。目前，在美國、日本和德國，MIM 已經(jīng)成為最具競爭力的金屬成形技術(shù)，而且開始大量用于不銹鋼粉末冶金生產(chǎn)，這是由于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的 MIM 不銹鋼零件尺寸精度達0.3%0.5%，一般不需后續(xù)機加工。力學(xué)、耐蝕、表現(xiàn)等性能均與熔斷不銹鋼相當(dāng)。當(dāng)前，汽車用粉末冶金材料和技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面，美國仍處于世界領(lǐng)先地位，但最近 5 年來，歐洲粉末冶金業(yè)在材料的改進、先進

12、工藝技術(shù)開發(fā)、粉末冶金新領(lǐng)域的開拓等方面，均處于領(lǐng)先地位。從工藝技術(shù)發(fā)展方面講，成形工藝主要以傳統(tǒng)壓模為主，未來向模壁潤滑、溫壓、注射成形方向發(fā)展。而且近 5 年來，壓縮燒結(jié)粉末冶金的發(fā)展較快，其增長速度達 10%。產(chǎn)品方面，采用壓 - 燒工藝生產(chǎn)的高密度粉末冶金制品最具市場潛力，其應(yīng)用以進入汽車、摩托車和家電行業(yè)等領(lǐng)域。粉末冶金總體發(fā)展趨勢是，以汽車配套為主，向提高粉末冶金零件密度、強度、尺寸精度、復(fù)雜形狀方向發(fā)展，同時擴大粉末冶金制品應(yīng)用領(lǐng)域?？傊?，粉末冶金零部件已越來越多地用于汽車等工業(yè)，國外已達到 70%80%，市場需求巨大。二、課程設(shè)計的目的和內(nèi)容 2.1 課程設(shè)計的目的粉末冶金課程

13、設(shè)計是材料工藝與設(shè)備課程的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，同時是在其它課程設(shè)計基礎(chǔ)上，進行的一次較全面的工程設(shè)計訓(xùn)練。其基本目的：1. 綜合運用材料工藝與設(shè)備課程和其它有關(guān)先修課程的理論及生產(chǎn)實踐的知識，去分析和解決材料工藝設(shè)計中的一些基本問題，建立材料加工的基本概念和要求，同時使所學(xué)知識得到進一步的鞏固和深化。2.學(xué)習(xí)粉末冶金的基本原理，了解和掌握粉末冶金生產(chǎn)加工所需設(shè)備的原理及基本性能，選擇設(shè)備的基本原則等，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力，特別是設(shè)備選型的能力。3.通過計算和繪圖，學(xué)會運用標準、手冊和查閱相關(guān)技術(shù)資料，培養(yǎng)應(yīng)用粉末冶金技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計的基本能力。 2.2 課程設(shè)計的內(nèi)容課程

14、設(shè)計是以實際的目標物出發(fā)，通過對所學(xué)知識的綜合、概括，選擇合適的材料、工藝、設(shè)備，通過實際生產(chǎn)過程的實踐，對制品進行檢驗、分析，得到成功與否的結(jié)論。具體內(nèi)容如下：（1）粉末冶金的基本原理；課程設(shè)計的內(nèi)容課程設(shè)計的內(nèi)容（2）所選目標物設(shè)計圖紙；（3）工藝流程圖；（4）編寫設(shè)計說明書，說明材料、工藝、設(shè)備選擇依據(jù)及要求。要求完成：粉末冶金的基本原理示意圖1張；所選目標物設(shè)計圖紙一份；生產(chǎn)工藝流程圖1張；制品照片1份；設(shè)計說明書1份.三、課程設(shè)計的方法及步驟3.1 課程設(shè)計的方法311 繼承中的獨立思考任何設(shè)計都不可能由設(shè)計者完全憑空想象、不依靠其它資料所能完成的。設(shè)計時，要查閱和研究大量前人的資料

15、，要借鑒其它生產(chǎn)設(shè)計人員的最新研究成果，但在設(shè)計中，不能全盤照抄，應(yīng)根據(jù)具體的生產(chǎn)環(huán)境，生產(chǎn)條件和要求，獨立思考，大膽進行改進和創(chuàng)新。只有如此，才能高質(zhì)量地完成一個設(shè)計，也只有這樣，才能通過課程設(shè)計來提高學(xué)生自身的綜合素質(zhì)。312 要從材料、工藝、設(shè)備的現(xiàn)有狀況來設(shè)計任何一個產(chǎn)品的設(shè)計都要考慮生產(chǎn)條件，工藝流程都需要合理配置，并且布局要合理，對于一個連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)尤其重要。因此在設(shè)計中，應(yīng)從材料、工藝、設(shè)備的現(xiàn)有狀況來設(shè)計。313 設(shè)計方法設(shè)計產(chǎn)品零件圖；設(shè)計產(chǎn)品生產(chǎn)工藝；按照產(chǎn)品要求選擇原材料、各種輔料等。進行工藝計算，按照產(chǎn)量計算出所需的原材料、各種輔料的需求量；根據(jù)產(chǎn)品要求，和加工過程中

16、的各個工序進行設(shè)備選型和模具設(shè)計、制造；對前面的設(shè)計工作進行全面校核，檢查，然后送交技術(shù)負責(zé)人進行審核，審批；依據(jù)審查通過的技術(shù)文件組織生產(chǎn)。314 標準和規(guī)范在設(shè)計、生產(chǎn)中應(yīng)盡可能選用標準設(shè)備，一般只有在標準設(shè)備不能滿足生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量要求的情況下，才自己設(shè)計設(shè)備。在自己設(shè)計所需設(shè)備時，要注意使用機械行業(yè)的設(shè)計標準和規(guī)范，一般來說，凡有標準或規(guī)范的，要盡量按照標準或規(guī)范進行設(shè)計。3.2 課程設(shè)計的步驟321 設(shè)計準備了解設(shè)計要求，設(shè)計任務(wù)和步驟，在設(shè)計前，應(yīng)通過查閱有關(guān)資料，盡可能多地掌握設(shè)計任務(wù)的情況，了解設(shè)計對象，并準備好設(shè)計中所需資料和工具。3.2.2 計算各種工藝參數(shù)和工藝流程圖在設(shè)計

17、準備的基礎(chǔ)上，計算各種工藝參數(shù)，所需原料和各種輔料，水電需求等。同時繪制出工藝流程圖（如圖3-1）。圖3-1 本次課程設(shè)計的工藝流程圖3.2.3 按照計算出的各種工藝參數(shù)進行設(shè)備選擇按照計算出的各種工藝參數(shù)，選擇所需設(shè)備，并查閱出各種設(shè)備的體積、高度等。3.2.4 簡單的成本核算按照計算出的各種工藝參數(shù)，將產(chǎn)品價格，總值、各種原材料、輔料、水電、工人工資、各種稅收等列表，計算出企業(yè)利潤等。3.2.5 編制設(shè)計說明書設(shè)計說明書中應(yīng)包括：目錄（標題、頁次）；設(shè)計的目的和意義；工藝參數(shù)的計算；設(shè)備的選擇依據(jù)；成本核算；設(shè)計小節(jié)；參考文獻等。4、 模具的設(shè)計與繪制 4.1模具的設(shè)計粉末成形是粉末冶金的

18、主要工序之一，而粉末冶金模具的設(shè)計是粉末成形的重要環(huán)節(jié)。粉末冶金模具設(shè)計的基本原則是：1.要充分發(fā)揮粉末冶金少、無切削工藝特點，保證坯件達到所需的幾何形狀、精度和表面光潔度、坯體密度及其分布這三項基本要求；2.合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)和選擇模具材料，使零件具有足夠高的強度、剛度和硬度，具有耐磨性和使用壽命，同時還要便于操作、調(diào)節(jié)，保證安全可靠；3.注意模具結(jié)構(gòu)的可加工性和模具制造成本問題，從模具設(shè)計要求和模具加工條件出發(fā)，合理地提出模具加工的技術(shù)要求（如公差、精度、表面光潔度和熱處理硬度等），既要保證坯件質(zhì)量，又要便于加工制造。但是由于本次課程設(shè)計時間緊，任務(wù)重，再加之實驗室現(xiàn)有一套模具，我們本著節(jié)約

19、時間、節(jié)約成本、合理利用資源的原則，就沒有再次重復(fù)的設(shè)計模具，而是將現(xiàn)有的模具測繪，然后生成二維裝配圖、爆炸圖以及工程圖。這樣不僅合理利用了資源，而且也方便了其他組同學(xué)展開課程設(shè)計的內(nèi)容。 4.2 模具的測繪4.2.1模具測繪的步驟首先，用游標卡尺測量各模具的主要尺寸，然后將模具的各個零件在計算機中建模，將各個零件裝配到一起使之還原成模具，然后出相應(yīng)的二維圖。4.2.2模具測繪所用儀器1 游標卡尺；2 計算機（其中要裝有pro/eWildfire 5.0、Auto CAD等必要的CAD軟件）4.2.3在pro/eWildfire 5.0進行模具建模從簡單到復(fù)雜，將每個零件在pro/eWildf

20、ire 5.0中建模（如圖4-1），然后在進行裝配（如圖4-2）。（a） （b） （c） （d）圖4-1 部分零件圖（a 底座，b 模套，c 上模具，d左右模具） （a） （b）圖4-2 裝配圖（a 檢測用模具，b 制品用模具）在Auto CAD中進行二維工程圖的繪制 將轉(zhuǎn)換成dwg格式的圖用Auto CAD打開，進行簡單的修改，以彌補數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來的圖形損失，然后按照中國的標準進行繪制，標注等，具體的二維圖請參見附件。 4.3 根據(jù)模具圖繪制制品圖根據(jù)已繪制出來的模具圖，用Auto CAD大致繪制出制品圖，以供其他組同學(xué)參考，具體制品圖見附件。5、 原料粉末的制備5.1 金屬粉末的制取 制取粉

21、末是粉末冶金的第一步，粉末既是粉末冶金工業(yè)的一大產(chǎn)品，同時又可以為后續(xù)工序（成型和燒結(jié)）提供原料。現(xiàn)在的制粉方法可以分為機械法和物理化學(xué)法兩大類。具體的方法有：礦物還原法、霧化法、機械粉碎法、電解法等。由于金屬的特性，使得制粉比較困難，因此金屬粉末的價格一般很貴。這也是制約粉末冶金的一個主要因素。本課程設(shè)計所用的粉末為購買的200目的粉末。5.2 Cu、Sn、W三種金屬粉末的性能參數(shù) 金屬粉末的特性在粉末冶金工業(yè)生產(chǎn)中，一般測定粉末體的三項性能：即化學(xué)成分、物理性能和工藝性能?；瘜W(xué)成分包括主要金屬的含量和雜質(zhì)的含量。物理性能主要包括：粉末的顆粒形狀；粉末的粒度和粒度組成；粉末的比表面積。工藝性

22、能包括：松裝密度；振實密度；流動性；壓縮性；成形性。 通過查閱相關(guān)資料，我們了解到銅（Cu）、錫（Sn）均為重有色金屬，純銅（Cu）又稱紫銅，密度為8.96g/cm3，熔點為1083,具有面心立方晶格,無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，純銅有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，化學(xué)穩(wěn)定性?？勾髿夂退母g性強，并且是抗磁性金屬,塑性好(=50%),但強度較低(b=230250MPa).硬度很低(4050HBS),不能熱處理強化,只能通過冷加工變形強化。 鎢（W）則是高熔點金屬，熔點為3407,熔點最高，硬度大，密度高，高溫強度好。 金屬錫柔軟，易彎曲，熔點231.89C，沸點2260C。有三種同素異形體：白錫為四方晶系，密度

23、7.28 克/立方厘米;，硬度2，延展性好；灰錫為金剛石形立方晶系，密度5.75 克/立方厘米;；脆錫為正交晶系，密度6.54 克/厘米。 具體物理性能如表1： 5.3 金屬粉末的配比粉末配混是根據(jù)產(chǎn)品配料計算并按特定的粒度分布把各種金屬粉末及添加物(如油酸熔點是286等)進行充分地混合，此工序通過混粉機完成。添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技術(shù)特征。混合粉的特性常用混勻度表示?；靹蚨仍酱螅硎净旌显骄鶆?；也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合過程須謹慎，太激烈的混合將會引起變形硬化、顆粒相互磨損、起層等，故一定要按照成形技術(shù)要求和規(guī)范進行。本設(shè)計所采用的磨介為顆粒狀黑色-SiC燒結(jié)球，含

24、SiC97以上。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機械強度高于剛玉，可作為磨料和其他工業(yè)材料使用。在本實驗中各樣品的磨料比為4:1在成型前，粉末混合料中常常要添加一些能改善成形過程的物質(zhì)，即潤滑劑和成型劑。添加劑對制品成型于質(zhì)量有著重要的影響，其中油酸主要在機械合金化的過程中起到溶劑的作用，選用這該種溶劑主要是考慮到它們不與物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且沸點低易揮發(fā)，無毒，對混合后粉末的松裝密度影響不大，來源廣泛，成本低。本設(shè)計所添加的成形劑為聚乙烯醇，潤滑劑為甘油，濕混液體介質(zhì)為無水乙醇，設(shè)計中原料配比如下表5-2：表5-2：粉末冶金原料配比樣品abc總質(zhì)量/g438438783Cu含量/838485W 含

25、量/12108Sn含量/567Cu質(zhì)量/g363.54367.92665.55W 質(zhì)量/g52.5643.8062.64Sn質(zhì)量/g21.9026.2854.81聚乙烯醇/g2.192.193.92油酸/g0.4380.4380.783無水乙醇/mL適量適量適量 注：（1）粉體的總質(zhì)量為銅（Cu）、錫（Sn）、鎢（W）質(zhì)量,添加劑（即所加的油酸）不包括在內(nèi)。此次課程設(shè)計的銅（Cu）、錫（Sn）、鎢（W）三種金屬粉末的配比屬于探索性的實踐,并無成功的確切數(shù)據(jù)可以參考,因此,我們在查閱相關(guān)資料,參考其它相關(guān)銅合金,主要是以參考錫青銅的配比后設(shè)定了三種金屬粉末的配比.通過參考錫青銅的相關(guān)資料,我們了

26、解到錫青銅是以錫為主要元素的銅合金,錫在銅中可形成固溶體,也可以形成金屬化合物,因此錫的含量不同,錫青銅的組織及性能也就不同.抗拉強度隨Sn 含量的增加而升高，當(dāng)Sn 的含量6%時，伸長率就開始降低，當(dāng)Sn 的含量 20%時，因組織中出現(xiàn)大量的 相。合金變脆，強度也隨之降低。工業(yè)用錫青銅的Sn 含量均在3%-14%之間，很少能達到20%。Sn 含量10%的合金。因塑性低，只適用于鑄造。5.4 機械合金化相關(guān)參數(shù)的設(shè)定 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顯微組織的復(fù)合金屬粉末。它是在高速攪拌磨的條件下，利用金屬粉末混合物的重復(fù)冷焊和斷裂進行機械合金化的。機械合金化和機械粉碎由于

27、目的的不同，所以工藝參數(shù)的選擇有較大的差別。機械粉碎主要以粉碎為目的，而機械合金化除粉碎外，各種成分的均勻混合、揉搓、冷焊也是非常重要的。影響機械合金化的主要因素有：球磨機轉(zhuǎn)速和球磨時間、球磨介質(zhì)的選擇、球料比和填充系數(shù)、球磨氣氛、工藝控制劑和球磨溫度?？紤]到課程設(shè)計的時間緊迫，設(shè)定機械合金化所用的時間為4h。由于球磨機的容量有限，加入里面的物質(zhì)較多，所以在磨的時候，我們把磨料比按4:1加入。球磨機的轉(zhuǎn)速為250r/min。5.5 機械合金化的設(shè)備5.5.1 攪拌球磨機 將球磨介質(zhì)和物料按一定比例裝人球磨桶，在主電機的驅(qū)動下，攪拌軸帶動攪拌器產(chǎn)生的高速運動力使研磨介質(zhì)球與被粉碎物料作無規(guī)則運動

28、，介質(zhì)球和物料之間發(fā)生相互撞擊、摩擦和剪切，全部動能均有效地用于物料的破碎，從而實現(xiàn)對物料的超細粉碎。裝料、取料和工作時攪拌器研磨裝置連同電機一起通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)升降，并由限位套和滑塊固定螺釘限位。攪拌球磨機的球磨時間主要取決于被加工物料的特性，如原始粒度、硬度、添加料的數(shù)量和料與乙醇的比例，也取決于球磨介質(zhì)的物性，如介質(zhì)的直徑、真密度和硬度，以及轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和攪拌器的形式。針對不同的被粉碎物料選取不同的球磨介質(zhì)、轉(zhuǎn)機械合金化的過程。5.5.2 電熱恒溫干燥箱 電熱恒溫干燥箱外殼由鋼板沖壓折制、焊接成型，外殼表面采用高強度的靜電噴塑涂裝處理，漆膜光滑牢固，工作室采用碳鋼板或鏡面不銹鋼板折制而

29、成，工作室與外殼之間填充保溫棉。工作室的內(nèi)部放有擱板，用來放置各種試驗物品，工作室的底部裝有電加熱元件并有進氣孔。冷空氣經(jīng)過加熱后從工作室底的兩側(cè)風(fēng)孔進入工作室，再從工作室頂部排出，形成自然對流，從而保證工作室內(nèi)部溫度均勻。門封條采用硅橡膠條密封，箱門上設(shè)有可供觀察用的雙層鋼化玻璃視鏡，外殼的頂部設(shè)有排氣孔，排氣量的大小可以自行調(diào)節(jié)。電熱恒溫干燥箱外殼的底部為電器箱，電器箱的前面板上裝有溫度控制儀、電源開關(guān)等,電器箱內(nèi)裝有電器元件。 5.6 機械合金化的過程5.6.1 選用原料及其用量 金屬粉末: 銅粉，錫粉，鎢粉。 添加劑：聚乙烯醇，油酸。其質(zhì)量配比同表5-2。5.6.2 混料 使用電子天平

30、稱取所需的粉料量，要求一人進行操作，在托盤上將粉料混合到一起放入球磨機料桶中。5.6.3 磨料 將混好的物料在攪拌球磨機內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)2.5h，球磨機的轉(zhuǎn)速為250r/min，加入了90.6克磨介，最后稱得磨介質(zhì)量為87.9克。5.6.4 干燥 設(shè)定干燥箱的干燥溫度為120，將得到的粉末在此溫度下加熱保溫4個小時后自然冷卻。其干燥曲線如下圖示:六、成型工藝 6.1成型的目的和意義制取的粉末經(jīng)過篩分與混合混料均勻，并加入適當(dāng)?shù)脑鏊軇┰龠M行壓制成型，顆粒間的原子通過固相擴散和機械咬合作用使制件結(jié)合為具有一定強度的整體。壓力越大則制件密度越大，強度相應(yīng)增加。有時為減小壓力和增加制件密度，也可采用熱等靜壓

31、成型的方法。粉末的壓制成型是主要且基本的工序，其過程包括稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模等。壓制成型的方法有很多種如鋼模壓制、流體等靜壓制、三向壓制、粉末鍛造、擠壓、震動壓制、高能率成形等。本次試驗采用單向壓制通過單向加壓成型制備紀念牌。1）制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使具有一定的密度和強度，成型方法為加壓成型中最多用的模壓成型。2）粉末壓制（這里主要指粉末冶金）是用金屬粉末（或者金屬和非金屬粉末的混合物）作原料，經(jīng)壓制成型后燒結(jié)后制的各種類型的零件和產(chǎn)品的方法。3）顆粒狀材料兼有固體和液體的雙重性，即整體具有一定的流動性和每個顆粒的塑性，正式利用這種特性來實現(xiàn)粉末的成型，獲得所需的產(chǎn)品。6.2粉

32、末壓制的特點1）能夠生產(chǎn)出其他方法不能或難以制造的產(chǎn)品?？梢灾迫∠耠y熔極硬和特殊性能的材料。2）材料的利用率很高，接近100%。3）雖然用其他方法可以制造，但是粉末冶金更為經(jīng)濟。4）一般來說，金屬粉末的價格較高，粉末冶金的設(shè)備和模具投資較大，零件的幾何形狀受一定限制，因此適用于大批量生產(chǎn)的零件。6.3成型劑和潤滑劑的選擇及作用成型劑是為了改善粉末成型性能而添加的物質(zhì)，可以增加壓坯強度，防止粉末混合料離析以及消除壓坯內(nèi)的物理缺陷。潤滑劑是降低粉末顆粒之間及粉末與模壁和模沖間的摩擦，改善密度分布，減少壓膜磨損和有利于脫模而添加的一種物質(zhì)。加入成型劑或潤滑劑后，還可以明顯提高模具的壽命。在本次試驗中

33、，我們選擇了用水溶解了的聚乙烯醇和油酸作為成型劑以達到增塑和潤滑的目的。6.4設(shè)備及特點和參數(shù)6.4.1設(shè)備和參數(shù)本次試驗所用的設(shè)備是實驗室的液壓式壓機（圖6-1），其最大壓力可達80噸，考慮目標物（紀念牌）的尺寸及其原料的性能要求，選擇了最大壓力為20噸。每個紀念牌我們稱取80克粉，其加壓方式為先快后慢，時間為60s，卸壓方式為先慢后快，時間為30s，保壓時間為1分鐘。在本次課程設(shè)計中由于屬于探索性的實踐,并無成功的確切數(shù)據(jù)可以參考，所以在成型時壓力并不是固定的一個值而是在不斷的變化。本次課程設(shè)計所做樣品的成型數(shù)據(jù)如表6-1：本次課程設(shè)計所做樣品的壓制方式如圖6-2：6.4.2壓機特點生產(chǎn)速

34、率高，磨損少。可控制裝粉的深度，壓坯高度尺寸精度高。設(shè)備價格及運轉(zhuǎn)費用低于其他設(shè)備。過載保護能力好。壓機在下死點附近工作距離長，也就是保壓時間長，即使壓縮性和成型性較差的原料成型時也不會產(chǎn)生裂紋。表6-1 本次課程設(shè)計所做樣品的成型數(shù)據(jù)編號壓前質(zhì)量（g）壓后質(zhì)量（g）壓力（t）18077.621028078.301538077.621548078.471558076.431568078.291678079.101688078.271898077.8218108078.9820118078.0520128078.4520138078.8020148078.6820158077.792016807

35、8.8120178079.0920188078.9820流動性（s）1組2組3組15.9717.0316.55圖6-1 實驗室的液壓式壓機圖6-2 本次課程設(shè)計所做樣品的壓制方式6.4.3脫模劑選擇在壓制的時候，我們發(fā)現(xiàn)模具在脫模的時候很難脫模紀念牌上的字體沒有完全凸顯出來為了達到最好的效果，在老師和同學(xué)們的集體智慧下，經(jīng)過一系列的科學(xué)實驗最終確定了試驗方法。為了便于脫模，我們在主壓頭上鋪了一層塑料薄膜，再涂上一層油酸，起到潤滑作用。得到的紀念牌字體凸顯的效果較好。6.5成型過程應(yīng)注意的事項1）加壓不能過快，以防粉料從模具中逸出。2）加壓時壓力應(yīng)預(yù)設(shè)為1025噸之間，等壓力加到預(yù)設(shè)的噸位時再緩

36、慢加壓，壓制完成后應(yīng)先緩慢缷壓，再快速缷壓，以防制品產(chǎn)生裂紋。3）壓制完成一次后必須將模具清理后再進行裝粉。圖6-3 壓制完成后的一個樣品型坯七、燒結(jié) 壓坯或松裝粉末體的強度和密度都是很低的,為了提高壓坯或松裝粉末體的強度,需要在適當(dāng)?shù)臈l件下進行熱處理,從而使粉末顆粒相互結(jié)合起來,改善其性能,這種熱處理叫燒結(jié)。在生產(chǎn)過程中，原料或半成品中含有高于工藝要求的水分或溶劑，需要不同程度的脫除，同時干燥的成品便于裝卸、運輸、存儲及使用。 燒結(jié)是粉末冶金生產(chǎn)過程必不可少的最基本工序之一,對粉末冶金材料和制品的性能有著決定性的影響。在燒結(jié)過程中,壓坯要經(jīng)歷一系列的物理化學(xué)變化。開始是水分或有機物的蒸發(fā)或揮

37、發(fā),吸附氣體的排除,應(yīng)力的消除,粉末顆粒表面氧化的還原;隨之是顆粒間發(fā)生原子擴散,粘性流動和塑性流動,顆粒間的接觸增大,發(fā)生在結(jié)晶,晶粒長大等。燒結(jié)過程在專用的燒結(jié)爐中進行。主要技術(shù)因素為燒結(jié)溫度、保溫時間與爐內(nèi)氣氛。7.1燒結(jié)溫度的確定燒結(jié)過程從致密化機理上看是一個包含擴散、流動和化學(xué)反應(yīng)的綜合反應(yīng)的綜合反應(yīng)的綜合過程，而從唯象上看是粉末中孔隙（或空穴）遷出體外的過程。黃培云基于這種空穴遷移過程中的物質(zhì)（空穴）守恒，同時考慮擴散，流動和物理化學(xué)反應(yīng)的作用，建立了綜合燒結(jié)理論，由于該種作用，燒結(jié)體的空穴濃度隨位置與時間而變化其中 C：燒結(jié)體內(nèi)空穴濃度 t：時間 X： X軸上的距離 d：空穴擴散

38、系數(shù)V：空穴流動速度 ：燒結(jié)終點的空穴濃度 K：化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) 燒結(jié)過程可以由下列方程描述：令 為燒結(jié)前樣品密度； d：燒結(jié)后樣品密度； ：致密金屬密度。則有：與呈直線關(guān)系。（T：燒結(jié)溫度）燒結(jié)溫度與燒結(jié)密度的關(guān)系由下圖反映注：圖2.4、2.5均摘自粉末冶金基礎(chǔ)理論與新技術(shù)。擬合后，兩直線方程分別為：圖2.4： 1 圖2.5： 2其中，根據(jù)7個方塊壓坯的的密度，可以求出平均的壓坯密度，燒成密度d按照粉末冶金大部分制品的經(jīng)驗值，可取96%的理論密度，即：d=0.96*dm 代入1式可得:T1 代入2式可得:T2 故燒結(jié)溫度應(yīng)在T1T2左右。但是由于本次課程設(shè)計時間緊，任務(wù)重，方塊壓坯我們沒有壓

39、制。我們只是在理論上以及參考前人的工藝大致的確定了一個燒結(jié)溫度理論范圍。根據(jù)大多數(shù)粉末冶金技術(shù)人員的經(jīng)驗：燒結(jié)溫度一般為熔點（主要成分）絕對溫度的，其底限略高于結(jié)晶溫度。上限從技術(shù)、經(jīng)濟上考慮，并結(jié)合燒結(jié)時間同時選擇。（注：此處，Cu為主要成分，)Sn在232熔化后由于毛細管力作用，會被吸入到銅粉顆粒間的孔隙中去，形成粘結(jié)介質(zhì)，其中會發(fā)生銅和錫的相互擴散，即Sn擴散到Cu中。與此同時，發(fā)生Cu在Sn相中的熔解擴散。該情況一般描述了Cu-Sn粉末混合料壓制的自潤滑軸承在燒結(jié)過程（800830）中所發(fā)生的現(xiàn)象。由于Sn熔化，并被吸入孔隙中，因此，壓坯中原先有錫粉存在的地方變成了孔隙。根據(jù)其理論，結(jié)

40、合經(jīng)驗定為780。7.2保溫時間的確定根據(jù)液相燒結(jié)致密化過程中致密化系數(shù)與燒結(jié)時間的關(guān)系可以得出大概的保溫時間，其中致密化系數(shù)為：=（d-）/（-）100% 在圖7-3中對應(yīng)的燒結(jié)時間約為150min，同時結(jié)合指導(dǎo)老師的經(jīng)驗，將保溫時間定為180min。圖7-3 液相燒結(jié)致密化過程7.3燒結(jié)曲線中各段溫度及時間的確定已經(jīng)壓制好的坯料由于壓制操作過程中以及在空氣中放置時，會吸收空氣中的水分，故需對坯料進行二次干燥。二次干燥主要是為排除坯料中的自由水，故溫度不需要太高，升溫到150即可，保溫時間為15min。在混料及磨粉過程中，加入了成型劑油酸，并且在壓坯過程中，坯料上表面覆蓋了聚乙烯薄膜，在燒結(jié)

41、過程中，必先將這些有機物除去。已知PE熔點為140，油酸的沸點為286。加熱至350，保溫45min，可以將有機物全部除去，得到純凈的合金成分。由于Cu-Sn合金結(jié)晶間隔大，液相流動性差，Sn原子擴散較慢，難以達到平衡組織，容易產(chǎn)生偏析，所以不采用直接升溫到燒成溫度，而是先加熱到500，保溫1h，這樣有利于Cu-Sn合金中的Sn擴散，使其形成更加均勻的低共熔點的混合物，同時可減少高溫區(qū)的保溫時間，為后面的燒成創(chuàng)造條件。關(guān)于燒成溫度的確定，結(jié)合前面的綜合燒結(jié)理論T約為628768，粉末冶金經(jīng)驗理論值溫度631812，再根據(jù)指導(dǎo)老師前幾屆的實踐經(jīng)驗，將燒成溫度定在780，燒成時間3h。具體燒成溫度

42、-時間如圖7-4：隨爐冷卻保溫3h圖7-4 燒成曲線7.4燒結(jié)氣氛的選擇燒結(jié)氣氛對于保證燒結(jié)過程的順利進行和產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。其主要作用是防止空氣進入爐內(nèi)、燒除潤滑劑或是壓坯脫蠟排除吸附氣體、還原顆粒表面氧化物和控制或改變材料成分等。燒結(jié)氣氛有：氧化氣氛；還原氣氛；惰性或中性氣氛；可控碳勢氣氛；氮化氣氛。本實驗中有金屬的存在，在空氣中加熱會氧化，故應(yīng)做氣體保護。考慮成本等方面因數(shù)，最終選擇氣作為保護氣體。7.5氬氣流量的確定將爐內(nèi)裝料完成之后，首先打開Ar氣閥門，先通Ar氣排盡爐腔內(nèi)的空氣。測量的爐腔內(nèi)體積：。因爐門破裂漏氣較為嚴重，故開始是設(shè)置流量為4L/min，通氣5min，以完全排除爐內(nèi)

43、空氣。然后開始升溫加熱，可將流量增加到5L/min，130保溫結(jié)束之后，還將繼續(xù)升溫，考慮到在高溫下金屬原子活性更大，更易被氧化，故將流量加大到6L/min，500到780時調(diào)到7.5L/min以對燒結(jié)體做更好的保護。在780以后，即燒成之后的隨爐冷卻階段，考慮到氣體的余量，可以適當(dāng)減少流量，減小到6L/min，直到最后冷到室溫。具體的氬氣流量確定如圖7-5：圖7-5 氣流量時間曲線表7-1 燒結(jié)過程相關(guān)數(shù)據(jù)一覽表時間（min）溫度（0C）保溫時間（min）Ar流量（L/min）備注01554室溫排出馬弗爐內(nèi)的空氣51515150155515min 的升溫階段Ar的流量為53015045350

44、4563045min 的升溫階段Ar的流量還為590350105500601655001827801807.5165182min的升溫階段Ar的流量為7.53627805622006362562min的冷卻階段Ar的流量都為67.6燒結(jié)制品缺陷分析制品燒結(jié)之后出現(xiàn)了三方面的缺陷，氧化皮過厚，翹曲和內(nèi)部孔隙。由于爐內(nèi)的高溫作用，在爐腔密封狀況不好情況下，即使通入保護氣體，金屬成分也可能被氧化。另外，在最后的隨爐冷卻過程中，由于沒有記錄保護氣體的最終耗盡時間，很可能在爐溫較高的情況下氬氣已經(jīng)用完，這也是造成氧化的一個潛在原因。在壓制過程中采用的是單向壓制，壓坯密度不均勻，燒結(jié)時膨脹率不同是造成翹曲

45、的主要原因；另外，在加熱時爐腔內(nèi)溫度分布不均勻也是翹曲的原因之一。內(nèi)部孔隙的形成一是由于壓制時壓力不夠，二是在燒結(jié)過程中，保溫時間不夠充分，金屬原子擴散沒有完全進行完，導(dǎo)致致密化不充分。7.7燒結(jié)設(shè)備馬弗爐（如圖7-6）：型號，最高燒結(jié)溫度1300圖7-6 馬弗爐八、制品的后處理和性能測定 8.1制品的后處理燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。對于一些要求較高的粉末冶金制品，燒結(jié)后還需要進行其他處理與加工，以滿足要求。1)滲透(又叫熔滲)：把低熔點金屬或合金

46、滲人到多孔燒結(jié)制品的孔隙中去的方法稱為熔滲。通過滲透獲得致密制品。此法也可用于燒結(jié)體的補充處理。當(dāng)金屬組元液態(tài)互不相溶時，采用滲透法通過毛細管作用也可形成合金。滲透法獲得的制品密度高，組織均勻細致，制品的強度一般、塑性與抗沖擊能力都有較大幅度增加，但此過程費用較貴，過程時間長。 2)復(fù)壓 ：將燒結(jié)后的粉末壓制件再放到壓形模中壓一次，叫做復(fù)壓。復(fù)壓可起一定的校形作用。 3)粉末金屬鍛造：以金屬粉末為原料，先用粉末冶金法制成具有一定形狀和尺寸的預(yù)成形坯，然后將預(yù)成形坯加熱后置于鍛模中鍛成所需零件的方法。 4)精壓：對于某些制品，為了嚴格保證其尺寸精度，及進一步提高密度，常在燒結(jié)后進行鍛造或沖壓整形

47、的工序。 5)其他后續(xù)處理 粉末冶金制品有一些后續(xù)工序，如含油軸承的浸油處理，以及機械加工、噴砂處理，有時還須進行一些必要的熱處理等。根據(jù)技術(shù)要求，生產(chǎn)粉末金屬零件可選擇下述過程： 壓制+燒結(jié)；壓制+燒結(jié)+復(fù)壓； 壓制+預(yù)燒結(jié)+精壓+燒結(jié)； 壓制+預(yù)燒結(jié)+精壓+燒結(jié)+復(fù)壓。通常情況下：類過程的應(yīng)用約占80；但類過程的應(yīng)用也不少。而較復(fù)雜的類和類過程僅用于某些特殊零件。近年來，由于可壓實性粉末材料及高耐磨模具材料的開發(fā)，經(jīng)一次壓制就可獲得較高強度零件。由于時間和設(shè)備等因素的限制，我們在燒結(jié)后,并沒有做其他的處理。但是,燒結(jié)后的制品表面被氧化，顏色有點發(fā)黑。為了讓它的外表達到我們的要求,呈紅褐色,

48、我們把一定濃度的稀鹽酸倒入一個干凈的方形搪瓷盤中,再用刷子刷洗制品表面，使黑色的氧化層反應(yīng)溶解，露出以銅為主的顏色。接著我們又用砂紙對制品進行了打磨，讓它恢復(fù)了原有的色彩。8.2制品的特征及缺陷分析8.2.1我們所得制品的特征 制品的表面無開裂，有一層氧化皮。正面文字清晰，圖案稍微有些模糊，背面完整，整體力學(xué)性能較好，部分制品有翹曲。后處理前 后處理后8.2.2制品缺陷分析8.2.2.1制品的氧化實驗所用為惰性氣體保護，但由于馬弗爐爐膛破裂，導(dǎo)致密封性變差，不能完全排除空氣，空氣中的氧氣與制品反應(yīng)。8.2.2.2制品的變形（1）制品在機械合金化的過程中粉末混合不均勻，在燒結(jié)過程中制品的各個部位內(nèi)應(yīng)力不同造成變形。（2）制品在壓制過程中沒用嚴格按照壓制曲線操作，在壓制過程中制品局部不均勻，在燒結(jié)過程中制品的各個部位內(nèi)應(yīng)力不同造成變形。8.2.2.3制品表面部分脫落（1）制品在機械合金化的過程中粉末混合不均勻，在燒結(jié)過程中制品的各個 部位內(nèi)應(yīng)力不同造成脫落。（2）制品在壓制過程中可能沒有嚴格按照壓制曲線操作，在壓制過程中制品局部不均勻，在燒結(jié)過程中制品的各個部位內(nèi)應(yīng)力不同造成脫落。（3）制品表面由于氧化與里面化