《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第5章

第5章粉末冶金及其成型5.1粉末冶金基礎(chǔ)

5.2粉末冶金工藝過程

5.3粉末注射成型技術(shù)

5.4粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。它可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，又可制造各種精密的機(jī)械零件，因此在機(jī)器制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，故也叫金屬陶瓷法。粉末冶金材料工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比，具有以下特點(diǎn)：

(1)粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行的，因此可以獲得熔點(diǎn)、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多相不均質(zhì)的特殊功能復(fù)合材料和制品。

(2)提高材料性能。用特殊方法制取的細(xì)小金屬或合金粉末，凝固速度極快，晶粒細(xì)小均勻，保證了材料的組織均勻、性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素及其含量的限制，可提高強(qiáng)化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。

(3)利用各種成型工藝，可以將粉末原料直接成型為毛坯或零件，是一種少切削、無切削生產(chǎn)零件的工藝，大大減少了機(jī)械加工量，提高了材料利用率。

5.1.1金屬粉末的性能

金屬粉末的性能主要指粉末的物理性能和工藝性能，對其成型和燒結(jié)過程以及制品的性能都有重大的影響。而金屬粉末的化學(xué)成分對金屬粉末的性能也有很大的影響。5.1粉末冶金基礎(chǔ)

1.化學(xué)成分

金屬粉末的化學(xué)成分一般是指主要金屬或組分、雜質(zhì)以及氣體含量。其中金屬通常占98%~99%以上。

金屬粉末中的雜質(zhì)主要為氧化物，氧化物的存在使金屬粉末的壓縮性變壞，使壓模的磨損增大。它可分為易被氫還原的金屬氧化物(鐵、銅、鎢、鈷、鉬等的氧化物)和難還原的氧化物(如鉻、錳、硅、鋁等的氧化物)。有時(shí)含有少量的易還原金屬氧化物，有利于金屬粉末的燒結(jié)，而難還原金屬氧化物卻不利于燒結(jié)。因此，通常金屬粉末的氧化物含量越少越好。金屬粉末中的主要?dú)怏w雜質(zhì)是氧、氫、一氧化碳及氮，這些氣體雜質(zhì)使金屬粉末脆性增大，壓制性能變壞，特別是使一些難熔金屬與化合物(如鈦、鉻、碳化物、硼化物、硅化物)的塑性變壞。加熱時(shí)，氣體強(qiáng)烈析出，這也可能影響壓坯在燒結(jié)時(shí)的正常收縮過程。因此，一些金屬粉末往往要進(jìn)行真空脫氣處理，以除去氣體雜質(zhì)。

2.物理性能

粉末的物理性能主要包括顆粒形狀、顆粒大小和粒度組成，此外還有顆粒的比表面積、顆粒的密度、顯微硬度等。

金屬粉末的顆粒形狀即粉末顆粒的外觀幾何形狀，通常有球狀、樹枝狀、針狀、海綿狀、粒狀、片狀、角狀和不規(guī)則狀，它主要由粉末的生產(chǎn)方法決定，同時(shí)也與制造過程的工藝參數(shù)以及物質(zhì)的分子和原子排列的結(jié)晶幾何學(xué)因素有關(guān)。粉末的顆粒形狀直接影響粉末的流動(dòng)性、松裝密度、氣體透過性，對壓制性和燒結(jié)體強(qiáng)度均有顯著影響。通常情況下，金屬粉末的顆粒大小可用篩來測定，用“目”來表示。粉末的顆粒大小對其壓制成型時(shí)的比壓、燒結(jié)時(shí)的收縮及燒結(jié)制品的力學(xué)性能有重大影響。

粒度分布是指大小不同的顆粒級的相對含量，也稱做粒度組成，它對金屬粉末的壓制和燒結(jié)都有很大影響。

比表面積即單位質(zhì)量粉末的總表面積，可通過實(shí)際測定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性，與粒度有一定的關(guān)系，粒度越細(xì)，比表面積越大，但這種關(guān)系并不一定成正比關(guān)系。

3.工藝性能

粉末的工藝性能包括松裝密度、流動(dòng)性、壓縮性與成型性。工藝性能也主要取決于粉末的生產(chǎn)方法和粉末的處理工藝(球磨、退火、加潤滑劑、制粒等)。

松裝密度亦稱松裝比，是金屬粉末的一項(xiàng)主要特性，指金屬粉末在規(guī)定條件下，自由充填標(biāo)準(zhǔn)容器所測得的單位體積松裝粉末的質(zhì)量，與材料密度、顆粒大小、顆粒形狀和粒度分布有關(guān)。松裝密度影響粉末成型時(shí)的壓制與燒結(jié)，也是壓模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。一般粉末壓制成型時(shí)，將一定體積或重量的粉末裝入壓模中，然后壓制到一定高度或施加一定壓力進(jìn)行成型，若粉末的松裝密度不同，壓坯的高度或孔隙度就必然不同。例如還原鐵粉的松裝密度一般為(2.3~3.0)g／cm3，若采用松裝密度為2.3g／cm3的還原鐵粉壓制密度為6.9g／cm3的壓坯，則壓縮比(粉末的充填高度與壓坯高度之比)為6.9∶2.3＝3∶1，即若壓坯高度為1cm時(shí)，模腔深度須大于3cm才行。粉末流動(dòng)性是50g粉末從標(biāo)準(zhǔn)的流速漏斗(又稱流速計(jì))流出所需的時(shí)間，單位為s／50g。時(shí)間愈短，流動(dòng)性愈好。一般來說，等軸狀粉末、粗顆粒粉末流動(dòng)性好。流動(dòng)性受顆粒間黏附作用的影響，因此，顆粒表面如果吸附水分、氣體或加入成型劑會降低粉末的流動(dòng)性。粉末流動(dòng)性直接影響壓制操作的自動(dòng)裝粉和壓件密度的均勻性，流動(dòng)性好的粉末有利于快速連續(xù)裝粉及復(fù)雜零件的均勻裝粉。壓縮性是指金屬粉末在壓制過程中的壓縮能力。它取決于粉末的硬度、塑性變形能力與加工硬化性，并在相當(dāng)大的程度上與顆粒的大小及形狀有關(guān)。壓縮性一般用一定壓力下壓制時(shí)獲得的壓坯密度來表示。經(jīng)退火后的粉末壓縮性較好。

成型性是指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末得以成型的最小單位壓制力表示，或者用壓坯的強(qiáng)度來衡量。為保證壓坯品質(zhì)，使其具有一定的強(qiáng)度，且便于生產(chǎn)過程中的運(yùn)輸，粉末需有良好的成型性。成型性與粉末的物理性質(zhì)有關(guān)，還受到粒度、粒形與粒度組成的影響。為了改善成型性，常在粉末中加入少量潤滑劑，如硬脂酸鋅、石蠟、橡膠等。通常用壓坯的抗彎強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度作為成型性試驗(yàn)的指標(biāo)。5.1.2金屬粉末的制備方法

金屬粉末的各種性能均與制粉方法有密切關(guān)系，一般由專門生產(chǎn)粉末的工廠按規(guī)格要求來供應(yīng)，其制造方法很多，可分為以下幾種。

1.機(jī)械方法

機(jī)械法制取粉末是將原材料機(jī)械地粉碎，常用的有機(jī)械粉碎和霧化法兩種。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，包括機(jī)械研磨、渦旋研磨和冷氣流粉碎等方法。實(shí)踐表明，機(jī)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。而霧化法是目前廣泛使用的一種制取粉末的機(jī)械方法，易于制造高純度的金屬和合金粉末。將熔化的液態(tài)金屬從霧化塔上部的小孔中流出，同時(shí)噴入高壓氣體，在氣流的機(jī)械力和急冷作用下，液態(tài)金屬被霧化、冷凝成細(xì)小粒狀的金屬粉末，落入霧化塔下的盛粉桶中。任何能形成液體的材料都可以通過霧化來制取粉末，這種方法得到的粉末稱為霧化粉。

2.物理方法

常用的物理方法為蒸氣冷凝法，即將金屬蒸氣經(jīng)冷凝后形成金屬粉末，主要用于制取具有大的蒸氣壓的金屬粉末。例如，將鋅、鉛等金屬蒸氣冷凝便可以獲得相應(yīng)的金屬粉末。

3.化學(xué)方法

常用的化學(xué)方法有還原法、電解法等。

還原法是使用還原劑從固態(tài)金屬氧化物或金屬化合物中還原制取金屬或合金粉末。它是最常用的金屬粉末生產(chǎn)方法之一，方法簡單，生產(chǎn)費(fèi)用較低。比如鐵粉通常采用固體碳還原法，即把經(jīng)過清洗、干燥的氧化鐵粉以一定比例裝入耐熱罐，入爐加熱后保溫，得到海綿鐵，經(jīng)過破碎后得到鐵粉。電解法是從水溶液或熔鹽中電解沉積金屬粉末的方法，生產(chǎn)成本較高，電解粉末純度高，顆粒呈樹枝狀或針狀，其壓制性和燒結(jié)性很好，因此，在有特殊性能(高純度、高密度、高壓縮性)要求時(shí)使用。5.1.3金屬粉末的預(yù)處理

為了具有一定粒度又具有一定物理、化學(xué)性能，金屬粉末在成型前要經(jīng)過一些預(yù)處理。預(yù)處理包括粉末退火、篩分、制粒、加入潤滑劑等。

退火的目的可使氧化物還原，降低碳和其他雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度，同時(shí)，還能消除粉末的加工硬化，穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu)等。用還原法、機(jī)械研磨法、電解法、霧化法以及羰基離解法所制得的粉末都要經(jīng)退火處理。此外，為防止某些超細(xì)金屬粉末的自燃，需要將其表面鈍化，也要做退火處理。經(jīng)過退火后的粉末，壓制性得到改善，壓坯的彈性后效相應(yīng)減小。例如，將銅粉在氫氣保護(hù)下于300℃左右還原退火，將鐵粉在氫氣保護(hù)下于600℃～900℃還原退火，這時(shí)粉末顆粒表面因還原而呈現(xiàn)活化狀態(tài)，并使細(xì)顆粒變粗，從而改善粉末的壓制性。粉末在氫氣保護(hù)下處理時(shí)，還有脫氧、脫碳、脫磷、脫硫等反應(yīng)，其純度得到了提高。篩分的目的是使粉末中的各組元均勻化。篩分是一種常用的測定粉末粒度的方法，適于40μm以上的中等和粗粉末的分級和粒度測定。其操作為：稱取一定重量的粉末，使粉末依次通過一組篩孔尺寸由大到小的篩網(wǎng)，按粒度分成若干級別，用相應(yīng)篩網(wǎng)的孔徑代表各級粉末的粒度。只要稱量各級粉末的重量，就可以計(jì)算用重量百分?jǐn)?shù)表示的粉末的粒度組成。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)采用泰勒篩制。習(xí)慣上以網(wǎng)目數(shù)(簡稱目)表示篩網(wǎng)的孔徑和粉末的粒度。所謂目數(shù)，就是篩網(wǎng)1英寸長度上的網(wǎng)孔數(shù)，因目數(shù)都注明在篩框上，故有時(shí)稱篩號。目數(shù)越大，網(wǎng)孔越細(xì)。

制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序，常用來改善粉末的流動(dòng)性。將液態(tài)物料霧化成細(xì)小的液滴，與加熱介質(zhì)(氮?dú)饣蚩諝?直接接觸后液體快速蒸發(fā)而干燥，獲得制粒。在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中，為了便于自動(dòng)成型，使粉末能順利充填模腔，就必須先進(jìn)行制粒。粉末冶金零件在壓制和脫模過程中，粉末和模具之間摩擦力很大，必須在粉末中加入潤滑劑。加入潤滑劑可以改善壓制過程，降低壓制壓力，改善壓塊密度分布，增加壓塊強(qiáng)度。常用的潤滑劑有硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、石蠟等。但由于松裝密度較小，潤滑劑加入后易產(chǎn)生偏析，易使壓坯燒結(jié)后產(chǎn)生麻點(diǎn)等缺陷。近年來，出現(xiàn)了一些潤滑劑的新品種，如高性能專用潤滑劑Kenolube、Metallub等，可以大大改善粉末之間和粉末與橫壁之間的摩擦，穩(wěn)定和減小壓坯的密度誤差。5.1.4粉末冶金材料的應(yīng)用及發(fā)展

粉末冶金由于在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)越性，在國民經(jīng)濟(jì)中起到越來越大的作用。可以說，現(xiàn)在沒有一個(gè)工業(yè)部門不使用粉末冶金材料和制品的，從普通機(jī)械制造到精密儀器，從日常生活到醫(yī)療衛(wèi)生，從五金工具到大型機(jī)械，從電子工業(yè)到電機(jī)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(shù)到尖端技術(shù)，粉末冶金材料和制品都得到了廣泛的應(yīng)用。粉末冶金材料及制品的分類與應(yīng)用列于表5-1中。表5-1粉末冶金材料及應(yīng)用粉末冶金材料和制品的發(fā)展方向如下：

(1)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。

(2)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。

(3)用增強(qiáng)致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金。

(4)制造非均勻材料、非晶態(tài)、微晶或者亞穩(wěn)合金。

(5)加工獨(dú)特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件。

粉末冶金的工藝流程如圖5-1所示，主要包括粉末混合、壓制成型、燒結(jié)和后處理。5.2粉末冶金工藝過程

圖5-1粉末冶金的工藝流程5.2.1粉末混合

粉末混合是將金屬或合金粉末與潤滑劑、增塑劑等相混合，以獲得各種組分均勻分布的粉末混合物?；旌弦话闶侵笇煞N以上不同成分的粉末混合均勻的過程。有時(shí)候，為了需要也將成分相同而粒度不同的粉末進(jìn)行混合，這種過程稱為和批?；旌隙傻姆勰┓Q為混合粉。

混合常用的方法有兩種，即機(jī)械法和化學(xué)法。其中用得最廣泛的是機(jī)械法，即用各種混合機(jī)(如球磨機(jī)、V形混合機(jī)、錐形混合器等)將粉末機(jī)械地?fù)胶途鶆蚨话l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械法混合又可分為干混和濕混，干混在鐵基制品生產(chǎn)和鎢粉、碳化鎢粉末生產(chǎn)中廣泛采用；濕混在制備硬質(zhì)合金混合料時(shí)經(jīng)常采用，濕混時(shí)使用的液體介質(zhì)常為酒精、汽油、丙酮、水等。化學(xué)法混合是將金屬或化合物粉末與添加金屬的鹽溶液混合，或者是各組元全部以某種鹽的溶液形式混合，然后經(jīng)沉淀、干燥、還原等處理而得到均勻分布的混合物?；旌虾玫姆勰┩ǔＰ枰^篩，除去較大的夾雜物和潤滑劑的塊狀凝聚物，并且應(yīng)盡可能及時(shí)使用，否則應(yīng)密封儲存起來，運(yùn)輸時(shí)應(yīng)減少震動(dòng)，防止混合料發(fā)生偏析。5.2.2金屬粉末壓制成型

1.封閉鋼模壓制成型方法

粉末冶金的壓制成型方法很多，主要有封閉鋼模壓制、流體等靜壓制、粉末鍛造、三軸向壓制成型、高能成型、震動(dòng)壓制、擠壓、連續(xù)成型等。其中封閉鋼模冷壓成型在粉末冶金成型生產(chǎn)中占有重要地位，它是指在常溫下于封閉鋼模中用規(guī)定的比壓將粉末成型為壓坯的方法。封閉鋼模壓制成型過程由稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模組成。

裝粉通常采用定量裝粉，可分為質(zhì)量法和容積法兩種。用稱取一個(gè)壓坯所需粉料質(zhì)量來定量的方法為質(zhì)量法；用量取一個(gè)壓坯所需粉料容積來定量的方法為容積法。通常小批量生產(chǎn)多采用質(zhì)量法，大批量生產(chǎn)一般采用容積法。

壓制示意圖如圖5-2。壓制過程中，在壓力作用下，金屬粉末首先發(fā)生相對移動(dòng)，使孔隙之間的空氣逐步向外逸出，粉末顆粒間相互嚙合。在顆粒相互接觸處先后產(chǎn)生彈性變形、塑性變形以及脆性斷裂(或冷焊現(xiàn)象)，顆粒間從點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)為面接觸。

圖5-2壓制示意圖

圖5-3壓制方法(a)單向壓制；(b)雙向壓制；(c)浮動(dòng)模壓制；(d)引下法

１)單向壓制

單向壓制是陰模與下模沖不動(dòng)，僅在上模沖上施加壓力，如圖5-3(a)所示。這種方式適用于壓制無臺階類厚度較薄的零件。壓制過程中，單向壓模相對于陰模運(yùn)動(dòng)的只有一個(gè)模沖，或是上模沖或是下模沖，這種壓模適用于生產(chǎn)高徑比H／D＜１、形狀簡單的零件。圖5-4是有孔類壓坯的單向手動(dòng)壓模，壓模結(jié)構(gòu)由陰模、上模沖、下模沖和芯桿組成。壓制時(shí)，下模沖和芯桿固定不動(dòng)，上模沖向下加壓，壓縮粉末體，用壓床滑塊行程控制壓坯高度。脫模時(shí)，將陰模移至右邊脫模座上，用上模沖向下頂出壓坯即可。

圖5-4有孔類壓坯的單向手動(dòng)壓模

2)雙向壓制

雙向壓制是陰模固定不動(dòng)，上、下模沖從兩面同時(shí)加壓，特點(diǎn)是上、下模沖相對陰模都移動(dòng)，模腔內(nèi)粉末體受到兩個(gè)方向壓縮，如圖5-3(b)所示。這種方式適用于壓制無臺階的厚度較大的零件。

3)浮動(dòng)模壓制

浮動(dòng)模壓制時(shí)，陰模由彈簧支承著，在壓制過程中，下模沖固定不動(dòng)，一開始在上模沖上加壓，隨著粉末被壓縮，陰模壁與粉末間的摩擦逐漸增大，當(dāng)摩擦力大于彈簧的支承力時(shí)，陰模即與上模沖一起下降(相當(dāng)于下模沖上升)，實(shí)現(xiàn)雙向壓制，如圖5-3(c)所示。圖5-5為套類壓坯浮動(dòng)式雙向手動(dòng)壓模，壓制是調(diào)節(jié)彈簧可調(diào)節(jié)陰模和芯桿的浮動(dòng)量，陰模的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)與上模沖一起向下作不等距離移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了上、下模沖的雙向壓制，又與芯桿的浮動(dòng)一起改善了壓坯密度的均勻性。

圖5-5套類壓坯浮動(dòng)式雙向手動(dòng)壓模

4)引下法

如圖5-3(d)所示，一開始上模沖壓下既定距離，然后和陰模一起下降，陰模的下降速度可以調(diào)整。若陰模的下降速度與上模沖相同，稱之為非同時(shí)壓制；當(dāng)陰模的下降速度小于上模沖時(shí)，稱之為同時(shí)壓制。壓制終了時(shí)，上模沖回升，陰模被進(jìn)一步引下，位于下模沖上的壓坯，即呈靜止?fàn)顟B(tài)脫出。零件形狀復(fù)雜時(shí)，宜采用這種壓制方式。

保壓是指在壓制過程中，在最大壓制壓力下保持一定的時(shí)間，以保證壓坯的形狀，提高壓坯密度。通常對于形狀復(fù)雜或體積較大的壓坯，必須采取保壓的方法，而對于形狀簡單和體積小的壓坯，一般不必采取保壓。

脫模是指壓坯從模具型腔中脫出，壓坯脫出后，會產(chǎn)生彈性恢復(fù)而脹大，此現(xiàn)象為回彈或彈性后效。脫模方式主要有兩種，即拉下式和頂出式脫模。拉下式脫模是指下模沖不動(dòng)，陰模通過成型設(shè)備的下壓頭向下拉，將壓坯脫出模腔的方法。頂出式脫模是指陰模不動(dòng)，下模沖通過成型設(shè)備下壓頭向上頂，將壓坯脫出模腔的方法。

2．壓坯密度

在壓制成型過程中，將發(fā)生粉末顆粒與顆粒之間、粉末顆粒與模壁之間的摩擦、壓力的傳遞以及壓坯密度和強(qiáng)度的變化等復(fù)雜現(xiàn)象。得到一定的壓坯密度是壓制過程的主要目的。壓坯密度表示壓制對粉末密實(shí)的有效程度，是在粉末冶金制品的生產(chǎn)中需要控制的最重要的性能之一，可以決定以后燒結(jié)時(shí)材料的形狀。實(shí)踐表明，壓坯密度分布不均勻是壓制過程的主要特征。

1)壓坯密度分布

在單向壓制時(shí)，壓坯沿其高度方向上的密度分布是不均勻的。對于圓柱形壓模，在任何垂直面上，上層密度比下層密度大。在水平面上，接近上模沖斷面的密度分布為兩側(cè)大中間小，而遠(yuǎn)離上模沖截面的密度分布則為中間大兩側(cè)小。但是，在靠近模壁處，由于外摩擦的作用，軸向壓力的降低比壓坯中心大，導(dǎo)致壓坯底部的邊緣密度比中心的密度低。因此，壓坯各部分的致密化程度也就有所不同。

2)影響壓坯密度分布的因素

在壓制過程中，除通過上模沖施加的壓制壓力外，還有側(cè)壓力、摩擦力、內(nèi)應(yīng)力等，各力對壓坯分別產(chǎn)生不同的作用。在鋼模壓制過程中，作用在壓坯各個(gè)斷面上的力并不完全一樣。在壓坯的同一個(gè)橫截面上，中心部位和靠近模壁的部位，以及沿壓坯高度的上中下各部位所受的力都不相同。

一般來講，壓制壓力主要為兩部分，一部分用于使粉末顆粒產(chǎn)生位移、變形，以及克服粉末顆粒之間的摩擦力，使粉末壓緊，稱為凈壓力；另一部分用于克服粉末顆粒與模壁之間的摩擦力，為壓力損失。壓制總壓力為凈壓力與壓力損失之和。壓力損失是模壓中造成壓坯密度分布不均勻的主要原因。

壓坯密度的大小受到壓制壓力、粉末顆粒性能、壓坯尺寸及壓模潤滑條件等因素的影響。

實(shí)驗(yàn)證明，增加壓坯的高度會使壓坯各部分的密度差增大；而加大直徑則會使密度的分布更加均勻。壓坯高度與直徑的比值越大，壓坯密度差就越大。為了減少密度差，應(yīng)降低壓坯的高徑比。采用模壁光潔度高的壓模，并在模壁上涂潤滑油，能夠降低摩擦系數(shù)，改善壓坯的密度分布。

另外，壓坯中密度分布的不均勻性，可以通過雙向壓制得到很大的改善，因?yàn)殡p向壓制時(shí)，與上、下模沖接觸的兩端密度較高，而中間部分密度較低。

3)壓坯密度與影響因素的關(guān)系

壓坯密度與幾個(gè)重要變量的關(guān)系如圖5-6所示。由圖可知：

(1)壓坯密度隨壓制壓力增高而增大，這是因?yàn)閴褐茐毫Υ偈诡w粒移動(dòng)、變形及斷裂。

(2)壓坯密度隨粉末的粒度或松裝密度增大而增大。

(3)粉末顆粒的硬度和強(qiáng)度減低時(shí)，有利于顆粒變形，從而促進(jìn)壓坯密度增大。

(4)減低壓制速度時(shí)，有利于粉末顆粒移動(dòng)，從而促進(jìn)壓坯密度增大。

圖5-6壓坯密度與影響因素的關(guān)系曲線

3．脫模力

脫模力是指使壓坯從壓模中脫出所需的壓力。在壓制過程中，粉末由于受力而發(fā)生彈性變形和塑性變形，壓坯內(nèi)存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，壓力消除后，壓坯仍緊緊箍在壓模內(nèi)，要將壓坯從陰模中脫出，必須要有一定的脫模力。脫模力與壓制壓力、粉末性能、壓坯密度和尺寸、壓模及潤滑條件等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)得到，鐵粉壓坯的脫模力約為壓制壓力的13%左右；而硬質(zhì)合金壓坯的脫模力約為壓制壓力的30%左右。壓坯從壓模中脫出后，尺寸會脹大，一般稱之為彈性后效或回彈。由于彈性后效的作用，壓坯尺寸會發(fā)生改變，甚至造成開裂。彈性后效是壓模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。5.2.3燒結(jié)

燒結(jié)是一種高溫?zé)崽幚?，將壓坯或松裝粉末體置于適當(dāng)?shù)臍夥罩?，在低于其主要成分熔點(diǎn)的溫度下保溫一定時(shí)間，以獲得具有所需密度、強(qiáng)度和各種物理及力學(xué)性能的材料或制品的工序。它是粉末冶金生產(chǎn)過程關(guān)鍵的、基本的工序之一，目的是使粉末顆粒間產(chǎn)生冶金結(jié)合，即使粉末顆粒之間由機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變成原子之間的晶界結(jié)合。用粉末燒結(jié)的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復(fù)合材料。

1.燒結(jié)基本原理

燒結(jié)過程與燒結(jié)爐、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)條件的選擇和控制等方面有關(guān)，因此，燒結(jié)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，示意圖如圖5-7所示。燒結(jié)前壓坯中粉末的接觸狀態(tài)為顆粒的界面，可以區(qū)分并可分離，只是機(jī)械結(jié)合。燒結(jié)狀態(tài)時(shí)，粉末顆粒接觸點(diǎn)的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為冶金結(jié)合，顆粒界面為晶界面。隨著燒結(jié)的進(jìn)行，結(jié)合面增加，直至顆粒界面完全轉(zhuǎn)變成晶界面，顆粒之間的孔隙由不規(guī)則的形狀轉(zhuǎn)變成球形的孔隙。

圖5-7燒結(jié)過程示意圖燒結(jié)的機(jī)理是：粉末壓坯具有很大的表面能和畸變能，并隨粉末粒徑的細(xì)化和畸變量的增加而增加，結(jié)構(gòu)缺陷多，因此處于活性狀態(tài)的原子增多，粉末壓坯處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，并力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫，為粉末原子所儲存的能量釋放創(chuàng)造了條件，由此引起粉末物質(zhì)的遷移，使粉末體的接觸面積增大，導(dǎo)致孔隙減小，密度增大，強(qiáng)度增加，形成了燒結(jié)。按燒結(jié)過程中有無液相出現(xiàn)和燒結(jié)系統(tǒng)的組成，燒結(jié)可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。如果燒結(jié)發(fā)生在低于其組成成分熔點(diǎn)的溫度，粉末或壓坯無液相形成，則產(chǎn)生固相燒結(jié)；如果燒結(jié)發(fā)生在兩種組成成分熔點(diǎn)之間，至少有兩種組分的粉末或壓坯在液相狀態(tài)下，則產(chǎn)生液相燒結(jié)。固相燒結(jié)用于結(jié)構(gòu)件，液相燒結(jié)用于特殊的產(chǎn)品。液相燒結(jié)時(shí)，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結(jié)速度快，制品強(qiáng)度高。普通鐵基粉末冶金軸承燒結(jié)時(shí)不出現(xiàn)液相，屬于固相燒結(jié)；而硬質(zhì)合金與金屬陶瓷制品燒結(jié)過程將出現(xiàn)液相，屬于液相燒結(jié)。

2．燒結(jié)工藝

粉末冶金零件燒結(jié)工藝根據(jù)零件的材料、密度、性能等要求，確定工藝條件及各項(xiàng)參數(shù)。燒結(jié)工藝參數(shù)包括兩個(gè)方面，一為燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度；二為合適的燒結(jié)氣氛及控制氣氛中各成分的比例。

粉末冶金零件壓坯完成一次燒結(jié)需要不同的溫度和時(shí)間。通常燒結(jié)分三個(gè)階段，分別是預(yù)燒、燒結(jié)和冷卻。

為了保證潤滑劑的充分排除以及氧化膜的徹底還原，預(yù)燒應(yīng)有一定時(shí)間，且時(shí)間長短與潤滑劑添加量和壓坯大小有關(guān)。預(yù)燒之后，將燒結(jié)零件送入高溫區(qū)燒結(jié)，燒結(jié)溫度可根據(jù)燒結(jié)組元熔點(diǎn)、粉末的燒結(jié)性能及零件的要求有關(guān)。通常對于固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度為主要組元熔點(diǎn)溫度的0.7～0.8倍。燒結(jié)結(jié)束后，燒結(jié)零件進(jìn)入冷卻區(qū)，冷卻至規(guī)定溫度或室溫，然后出爐。零件從高溫冷卻至室溫會發(fā)生組織結(jié)構(gòu)和相溶解度的變化，將會影響產(chǎn)品的最終性能，冷卻速度對其有決定作用，因此，需要控制冷卻速度。燒結(jié)時(shí)最主要的因素是燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和大氣環(huán)境，此外，燒結(jié)制品的性能也受粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等因素的影響。燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間必須嚴(yán)格控制。燒結(jié)溫度過高或燒結(jié)時(shí)間過長，都會使壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產(chǎn)生所謂“過燒”的廢品；如燒結(jié)溫度過低或燒結(jié)時(shí)間過短，則產(chǎn)品的結(jié)合強(qiáng)度等性能達(dá)不到要求，產(chǎn)生所謂“欠燒”的廢品。通常，鐵基粉末制品的燒結(jié)溫度為1000℃～1200℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5h～2h。

3．燒結(jié)氣氛的控制

為了避免粉末冶金零件壓坯在燒結(jié)過程中的氧化、脫碳、滲碳等現(xiàn)象，燒結(jié)爐內(nèi)需要通入可控的保護(hù)氣氛。鐵基粉末冶金零件燒結(jié)時(shí)，由于不同階段的燒結(jié)對氣氛的要求不同，因此，現(xiàn)代燒結(jié)爐的保護(hù)氣氛是分段輸入的。

預(yù)熱區(qū)1段是壓坯中潤滑劑燒結(jié)清除區(qū)(亦稱脫蠟區(qū))，通常采用的是放熱型氣氛或混有一定比例空氣的氮、空氣混合氣體。預(yù)熱區(qū)2段是氧化物還原區(qū)，通常采用吸熱性氣氛或還原性氮基氣氛。

燒結(jié)區(qū)是高溫區(qū)，對兩個(gè)以上的組元的壓坯，在此區(qū)域?qū)l(fā)生合金化反應(yīng)，因此氣氛必須要有維持燒結(jié)零件成分的作用。如果需維持一定碳勢，即在一定溫度下維持氣體成分的一定比例，則通常采用可控碳勢氣氛，如吸熱性氣氛或添加有甲烷的氮基氣氛，并通過調(diào)節(jié)氣氛中CO2、H2O或CH4的含量來維持一定的碳勢。預(yù)冷區(qū)為重新滲碳區(qū)，采用滲碳性氣氛，如CO、CH4含量較高的吸熱性氣氛或含甲烷的氮基氣氛，以恢復(fù)或增加碳的含量。

冷卻區(qū)的氣氛主要起保護(hù)作用，防止燒結(jié)零件變黑或變藍(lán)，以便獲得正常的顯微結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定、再現(xiàn)性好的燒結(jié)零件。通常采用氮?dú)夂陀休p度還原的燒結(jié)氣氛。

常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛見表5-2。表5-2常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛5.2.4后處理

很多粉末冶金制品在燒結(jié)后可以直接使用，但有些制品還需要必要的后處理。后處理的方法按其目的的不同，分為以下幾種：

(１)為提高制品的物理性能及力學(xué)性能，后處理方法有復(fù)壓、燒結(jié)、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理。

(２)為改善制品表面的耐腐蝕性，后處理方法有水蒸氣處理、磷化處理、電鍍等。

(３)為提高制品的形狀與尺寸精度，后處理方法有精整、機(jī)械加工等。例如，對于齒輪、球面軸承、鎢鉬管材等結(jié)構(gòu)件，常采用滾輪或標(biāo)準(zhǔn)齒輪與燒結(jié)件對滾擠壓的方法進(jìn)行精整，以提高制品的尺寸精度，降低其表面粗糙度；對不受沖擊而要求硬度高的鐵基粉末冶金零件，可進(jìn)行淬火處理；對表面要求耐磨而心部又要求有足夠韌性的鐵基粉末冶金零件，可以進(jìn)行表面淬火；對含油軸承，則需在燒結(jié)后進(jìn)行浸油處理；對于不能用油潤滑或在高度重載下工作的軸瓦，通常將燒結(jié)的銅合金在真空下浸漬聚四氟乙烯液，以制成摩擦系數(shù)小的金屬塑料減磨件。還有一種后處理方法是熔滲處理，它是將低熔點(diǎn)金屬或合金滲入到多孔燒結(jié)制品的孔隙中去，以增加燒結(jié)件的密度、強(qiáng)度、塑性或沖擊韌性。

后處理的主要工藝目的遵循粉末體在壓制過程的變形規(guī)律，盡量利用各種結(jié)構(gòu)特征，改善復(fù)雜形狀零件壓制時(shí)的均勻性，從而保證壓坯的質(zhì)量。5.2.5硬質(zhì)合金粉末冶金成型

硬質(zhì)合金由硬質(zhì)基體和黏接金屬兩部分組成。硬質(zhì)合金是一種優(yōu)良的工具材料，主要用于切削工具、金屬成型工具、表面耐磨材料以及高剛性結(jié)構(gòu)部件。硬質(zhì)基體采用難熔金屬化合物，主要是碳化鎢和碳化鈦，還有碳化鉭、碳化鈮和碳化釩等，保證合金具有較高的硬度和耐磨性。黏接金屬用鐵族金屬及其合金，以鈷為主，使合金具有一定的強(qiáng)度和韌度。硬質(zhì)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(zhì)合金的生產(chǎn)工藝流程如圖5-8所示。

圖5-8硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝流程

5.3.1粉末注射成型技術(shù)的特點(diǎn)

粉末注射成型是傳統(tǒng)粉末冶金、現(xiàn)代塑料注射成型工藝與陶瓷燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新型成型技術(shù)，工藝流程如圖5-9所示。5.3粉末注射成型技術(shù)首先將粉末與黏結(jié)劑混合，混合料制粒后，經(jīng)注射成型得到所需形狀的預(yù)成型坯。黏結(jié)劑使混合料具有黏性流動(dòng)的特征，可借助模腔進(jìn)行填充，并保證喂料裝填的均勻性。對預(yù)成型坯進(jìn)行脫脂處理排除黏結(jié)劑后，再對脫脂坯進(jìn)行燒結(jié)。有些燒結(jié)產(chǎn)品還要進(jìn)行進(jìn)一步致密化處理、熱處理或機(jī)械加工。

圖5-9粉末注射成型技術(shù)工藝流程圖粉末注射成型技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以直接制造出有最終形狀的零部件，節(jié)省原材料，減少機(jī)械加工量。粉末注射成型可制作各種形狀復(fù)雜的金屬，產(chǎn)品材料利用率高，表面光潔度好，精度高，生產(chǎn)成本低，由于易于填模，使成型坯密度均勻，燒結(jié)產(chǎn)品性能優(yōu)異。粉末注射成型技術(shù)完全克服了傳統(tǒng)粉末冶金難于生產(chǎn)復(fù)雜零件、精密鑄造存在的偏析以及機(jī)加工工序長、原材料利用率低的缺點(diǎn)，特別適應(yīng)大批量生產(chǎn)體積小或帶有橫孔、斜孔、橫向凹凸面、薄壁等異形零件。采用該方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品尺寸精度高，力學(xué)性能和耐蝕性能好，而且材料適應(yīng)性廣，合金鋼、不銹鋼、高比重金屬、硬質(zhì)合金、精細(xì)陶瓷、磁性材料等可以制成粉末的金屬、合金、陶瓷等均可用此技術(shù)制成零部件。此外，該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，材料性能優(yōu)異，產(chǎn)品尺寸精度高，因此被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成型技術(shù)”。5.3.2粉末注射成型件的工藝性

1.工藝過程

金屬粉末注射成型基本工藝包括混煉、注射、脫脂、燒結(jié)、二次加工等環(huán)節(jié)。首先是選取符合粉末注射成型工藝要求的金屬粉末和黏結(jié)劑，然后在一定的溫度下采用恰當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖宛そY(jié)劑混合成均勻的具有黏塑性的流體，經(jīng)制粒后在注射成型機(jī)上注射成型，獲得的生坯經(jīng)脫脂處理后燒結(jié)致密化而得到各種復(fù)雜形狀的零部件。粉末注射成型的設(shè)備，包括混料機(jī)、混煉制粒機(jī)、注射成型機(jī)、真空燒結(jié)爐等，采用常規(guī)的粉末注射成型工藝生產(chǎn)。

2.粉末

粉末的種類、特點(diǎn)和選用，對粉末注射成型制品的性能及其應(yīng)用范圍的拓展起著十分重要的作用。粉末注射成型要求粉末粒度為微米級以下，以保證均勻的分散度、良好的流變性能和較大的燒結(jié)速率，形狀近球形。此外對粉末的松裝密度、振實(shí)密度、粉末長徑比、自然坡度角、粒度分布也有一定的要求。目前生產(chǎn)粉末注射成型用粉末的主要方法有羰基法、氣體霧化法、水霧化法、等離子體霧化法、層流霧化法和粉體包覆法等。羰基法以Fe(CO)5為原料，將其加熱蒸發(fā)。在催化劑(如分解氨)的作用下，氣態(tài)Fe(Co)5分解得到鐵粉，生產(chǎn)的粉末純度高、形狀穩(wěn)定、粒度極細(xì)，它最適合于粉末注射成型，但僅限于Fe、Ni等粉體，不能滿足品種的要求。

3.黏結(jié)劑和混煉

在粉末注射成型中，黏結(jié)劑直接影響著混合、注射成型、脫脂等工序，并對注射成型坯的質(zhì)量、脫脂及尺寸精度、合金成分等有很大的影響。黏結(jié)劑是粉末注射成型技術(shù)的靈魂，它的加入和脫除是粉末注射成型的關(guān)鍵技術(shù)。粉末注射成型所使用的黏結(jié)劑包括熱塑性體系、熱固性體系、水溶性體系、凝膠體系及特殊體系。其中熱塑性黏結(jié)劑體系是粉末注射成型中主要使用的黏結(jié)劑。混煉是一個(gè)復(fù)雜的改善粉末流動(dòng)性和完成分散的過程。常用的混煉裝置有雙螺桿擠出機(jī)、Z形葉輪混料機(jī)、雙行星混煉機(jī)等?；鞜挄r(shí)的加料速率、混煉溫度、轉(zhuǎn)速等都會影響混煉的效果?；鞜捁に嚹壳巴ǔＲ揽拷?jīng)驗(yàn)，混煉技術(shù)因缺少工藝模型，故效率較低。

4.注射成型

注射成型的目的是獲得所需形狀的無缺陷成型坯，其關(guān)鍵問題是有關(guān)成型的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，其中包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)。利用塑料模具的原理將粉末注射成型的模具逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，模具設(shè)計(jì)和制作的時(shí)間將減少，也可盡量多地使用多模腔模具以提高注射效率。

5.脫脂和燒結(jié)

粉末注射成型工藝中黏結(jié)劑的脫脂技術(shù)是最重要的環(huán)節(jié)，也是粉末注射成型技術(shù)中最難實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)。一般黏結(jié)劑占成型坯體積的40%以上，在脫脂過程中成型坯極易出現(xiàn)宏