《特種塑性成型》課件-3.粉末冶金

1.粉末冶金的原理及特點(diǎn)“趁熱打鐵，不要有停頓的時(shí)間，讓它流暢?！狈勰┮苯鸲x粉末冶金是以金屬粉末為原料，經(jīng)成形和燒結(jié)，制造成各種類型的金屬制品和金屬材料的方法。技術(shù)原理以氧化物、氮化物、碳化物等非金屬化合物粉末為原料，用成形-燒結(jié)法制造材料和制品的技術(shù)。一、粉末冶金的原理粉末冶金法也稱金屬陶瓷法冶金制品鐵粉銅粉鐵基粉末銅基粉末難熔金屬制品硬質(zhì)合金金屬石墨一、粉末冶金的原理粉末冶金工藝可生產(chǎn)出用普通方法無法生產(chǎn)的特殊金屬材料。粉末冶金材料組織中含有一定量的可控微小孔隙，對聲與振動(dòng)起到阻尼作用。特點(diǎn)利用微小孔隙還可賦予粉末冶金制品特殊性能。二、粉末冶金特點(diǎn)浸以油與固體潤滑劑使其具有自潤滑性能浸漬樹脂密封相互連通的微小孔隙熔滲熔點(diǎn)較低的金屬或合金提高零件的強(qiáng)度與沖擊韌性水蒸氣增強(qiáng)材料的耐蝕性二、粉末冶金特點(diǎn)數(shù)量粉末特性特性一定范圍內(nèi)粉末組成壓制工藝燒結(jié)條件生產(chǎn)多孔材料、多孔含油軸承，并能控制制品的孔隙度二、粉末冶金特點(diǎn)金屬和金屬生產(chǎn)多種特殊性能的材料金屬和非金屬鎢-銅假合金的電接觸材料生產(chǎn)復(fù)合材料金屬和非金屬組成的摩擦材料硬質(zhì)合金彌散強(qiáng)化材料和纖維強(qiáng)化材料高溫金屬陶瓷二、粉末冶金特點(diǎn)粉末冶金方法生產(chǎn)的合金結(jié)構(gòu)均勻高速鋼避免碳化物偏析比熔鑄法生產(chǎn)的高速鋼的性能好二、粉末冶金特點(diǎn)硬質(zhì)合金刀具發(fā)汗材料鎢絲這些具有特殊性能的材料只有用粉末冶金方法才能制造出來。硬質(zhì)合金刀具發(fā)汗材料鎢絲二、粉末冶金特點(diǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)粉末冶金方法制造的機(jī)械零件尺寸精度和幾何精度高減少機(jī)加工量，節(jié)約金屬材料提高勞動(dòng)生產(chǎn)率粉末冶金又是一種少、無切削的工藝。粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的脫模斜度為零，不需要再進(jìn)行精加工。二、粉末冶金特點(diǎn)粉末冶金工藝適合制造表面粗糙度值低、減摩性能好以及形狀不規(guī)則、有細(xì)長孔或不通孔的零件。粉末冶金又是一種通用性工藝，具有廣闊的應(yīng)用范圍。單槽粉末冶金實(shí)例齒輪鏈輪桿件緊固件結(jié)構(gòu)支架軸承葉輪液壓件二、粉末冶金特點(diǎn)對零件重新設(shè)計(jì)改用粉末冶金工藝制造，可取消或減少多次組裝作業(yè)。由一個(gè)凸輪與一個(gè)齒輪或一個(gè)電樞與一根軸構(gòu)成的組合件，經(jīng)重新設(shè)計(jì)，可用一體化粉末冶金零件來替代。例如二、粉末冶金特點(diǎn)燒結(jié)連接零件也可用燒結(jié)時(shí)將兩個(gè)粉末冶金件連接成一體的方法來制造。粉末冶金零件可進(jìn)行表面涂覆裝飾性耐蝕性耐磨性尺寸公差精密或強(qiáng)度較高的零件，可對其進(jìn)行整形或復(fù)壓。零件上不能用壓制成形的部分可用切削加工來完成。二、粉末冶金特點(diǎn)粉末冶金生產(chǎn)步驟（1）不需要或只需要極少量切削加工。（2）材料利用率高達(dá)97%。（3）零件尺寸的制造公差較小，具有再現(xiàn)性。（4）零件表面粗糙度值較低。（5）對于自潤滑或過濾，可提供具有可控孔隙度的材料或制品。（6）可制造其他金屬成形工藝不能制造的形狀復(fù)雜或奇特的零件。（7）適于中批量到大批量的零件生產(chǎn)。二、粉末冶金特點(diǎn)小結(jié)成本高、制品的大小和形狀受到一定限制燒結(jié)零件的韌性較差等不足之處1.粉末冶金的原理粉末冶金是以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)為原料，經(jīng)成形和燒結(jié)，制造成各種類型的金屬制品和金屬材料的方法。2.粉末冶金的特點(diǎn)粉末冶金材料組織中通常含有一定量的可控微小孔隙，這些微小孔隙對聲與振動(dòng)起到阻尼作用。利用這些微小孔隙還可賦予粉末冶金制品特殊性能。三、課堂小結(jié)2.粉末冶金生產(chǎn)工藝制取金屬粉末冶金工藝合金金屬化合物粉末將原料粉末成形，燒結(jié)，以及需要時(shí)進(jìn)行燒結(jié)后的處理，進(jìn)而獲得要求的制品等工序。工序粉末冶金生產(chǎn)工藝（1）原料粉末的制取和準(zhǔn)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他各種化合物等。（2）將金屬粉末及各種添加劑均勻混合后在專用壓模中加壓成形，得到一定形狀和尺寸的壓坯。（3）將坯塊在物料主要組員熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。粉末冶金生產(chǎn)步驟粉末冶金生產(chǎn)工藝機(jī)械法制粉方法物理化學(xué)法1.機(jī)械法將原材料機(jī)械地粉碎，在基本不使其化學(xué)成分發(fā)生變化的情況下獲得粉末的工藝過程。機(jī)械研磨是其中的一種方法，依靠擊碎、磨削等多種手段，將一定大小的塊狀金屬或合金粉碎成粉末。一、粉末的生產(chǎn)球磨機(jī)械研磨法錘磨2.物理化學(xué)法借助化學(xué)的或物理的作用，改變原料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的工藝過程。霧化法還原法電解法應(yīng)用最廣泛一、粉末的生產(chǎn)（1）霧化法使熔化的液態(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盛粉桶中。2.物理化學(xué)法霧化法的特點(diǎn)產(chǎn)效率高成本低易于制造高純度粉末合金粉末易產(chǎn)生成分偏析難以制得小于粒徑0.55mm的細(xì)粉一、粉末的生產(chǎn)2.物理化學(xué)法PbSnZnAl青銅黃銅2.物理化學(xué)法18-8不銹鋼低合金鋼鎳合金粉末（2）還原法從固態(tài)金屬氧化物或金屬化合物中還原制取金屬或金屬粉末。2.物理化學(xué)法還原法的特點(diǎn)比較簡單費(fèi)用低目前鐵粉大部分由還原法生產(chǎn)一、粉末的生產(chǎn)（3）電解法從金屬鹽水溶液中電解沉積金屬粉末。2.物理化學(xué)法電解法的特點(diǎn)電解粉末高純度高密度高壓縮性生產(chǎn)率低成本較高一、粉末的生產(chǎn)2.物理化學(xué)法18-8不銹鋼低合金鋼鎳合金粉末1.粉末的預(yù)處理與混合根據(jù)生產(chǎn)的要求分別對粉末作不同的處理粉末粒度的分級粉末退火粉末混合粉末干燥粉末的粒度(大小)粒度組成(分布)對粉末冶金制品的性能有較大的影響二、粉末冶金的生產(chǎn)工序2.粉末成形制得具有一定密度、強(qiáng)度與一定形狀、尺寸的壓坯。成形方法加壓成形無壓成形模壓成形等靜壓成形粉末鍛造粉末冶金軋制粉末冶金擠壓粉漿澆注成形注射成形二、粉末冶金的生產(chǎn)工序2.粉末成形（1）模壓成形法（2）粉漿澆注法（3）粉末冶金軋制（4）等靜壓成形（5）振動(dòng)成形法3.燒結(jié)是粉末冶金的關(guān)鍵工序，對粉末冶金生產(chǎn)起重要的作用。成形所得坯塊顆粒間的接觸有所增加，只有通過燒結(jié)，壓坯變成了“晶體結(jié)合體”后才具有一定的物理和力學(xué)性能，滿足使用的要求。燒結(jié)以前各工序所帶來的一些缺點(diǎn)和問題，在一定范圍內(nèi)，可以通過對燒結(jié)工藝條件的調(diào)整來糾正或彌補(bǔ)。燒結(jié)控制制品的孔隙度和金相組織。二、粉末冶金的生產(chǎn)工序3.燒結(jié)壓坯通過燒結(jié)才能得到物理和力學(xué)性能燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵工序4.燒結(jié)后的處理提高制件的物理及力學(xué)性能復(fù)壓、復(fù)燒、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理改善制件表面耐蝕性水蒸氣處理、磷化處理、電鍍等工藝提高制件形狀與尺寸精度精整、機(jī)械加工據(jù)產(chǎn)品的不同要求，燒結(jié)后的處理有多種方式。二、粉末冶金的生產(chǎn)工序1.粉末冶金生產(chǎn)工藝粉末冶金工藝包括制取金屬、合金和金屬化合物粉末，將原料粉末成形，燒結(jié)，以及需要時(shí)進(jìn)行燒結(jié)后的處理，進(jìn)而獲得要求的制品等工序。三、課堂小結(jié)3.粉末鍛造的特點(diǎn)與應(yīng)用將燒結(jié)好的坯料進(jìn)行預(yù)熱后成形零件的一種工藝，是傳統(tǒng)粉末冶金與精密鍛造相結(jié)合的一種新技術(shù)，且兼有兩者優(yōu)點(diǎn)。粉末熱鍛常用的粉末鍛造方法粉末冷鍛粉末鍛造燒結(jié)鍛造鍛造燒結(jié)粉末鍛造克服普通粉末冶金件密度低的缺點(diǎn)獲得較均勻的細(xì)晶組織提高構(gòu)件強(qiáng)度及韌性使粉末鍛件的物性指標(biāo)接近、達(dá)到普通鍛件水平粉末鍛造保持普通粉末冶金技術(shù)的少、無切削的特點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)預(yù)成形坯和實(shí)行少、無飛邊鍛造，能夠生產(chǎn)質(zhì)量高、精度高、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件.成形精確材料利用率高鍛造能量低模具壽命高成本低特點(diǎn)粉末鍛造高密度高強(qiáng)度高韌性粉末冶金零件開辟廣闊的前景成為重要的發(fā)展方向工藝特點(diǎn)（1）成形性能好，材料利用率高，且不留任何的加工余量及輔料；（2）成形制品的力學(xué)性能明顯優(yōu)于普通模鍛件；（3）鍛件尺寸精度高及表面粗糙度較低；（4）模具單位壓力僅為普通模鍛的1/4～1/3,甚至更低，模具壽命可提高10～20倍；（5）生產(chǎn)效率高，節(jié)省加工工序；（6）顯著地改善了勞動(dòng)條件(降噪及減少熱輻射)。一、粉末鍛造工藝特點(diǎn)粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價(jià)格還較高零件韌性較差一、粉末鍛造工藝特點(diǎn)粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價(jià)格還較高零件韌性較差粉末鍛造的工藝過程首先將粉末金屬壓制成預(yù)成形坯件，然后將預(yù)成形的坯件加熱至鍛造溫度后放在鍛壓設(shè)備上的模具中進(jìn)行閉式模鍛或擠壓。一般粉末冶金的制件密度6.2～6.8g/cm3加熱鍛造后提高到金屬理論密度95%～100%一、粉末鍛造工藝特點(diǎn)精度高粉末鍛件力學(xué)性能好內(nèi)部組織無偏析無各向異性高速鋼工具壽命可提高2倍以上。粉末鍛造連桿的疲勞壽命比普通鍛造提高10%~20%。粉末鍛造生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件的效率高。一、粉末鍛造工藝特點(diǎn)粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價(jià)格還較高零件韌性較差粉末鍛造在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，主要用來制造高性能的粉末制品，尤其是在汽車制造工業(yè)中應(yīng)用更突出。適于粉末鍛造工藝的汽車零件發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、齒輪、氣門挺桿、交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、閥門、起動(dòng)機(jī)齒輪、環(huán)形齒輪手動(dòng)變速箱轂套、倒車空套齒輪、離合器、軸承座圈、同步器中各種齒輪自動(dòng)變速箱內(nèi)座圈、壓板、外座圈、停車自動(dòng)齒輪、離合器、凸輪、差動(dòng)齒輪底盤后軸承端蓋、扇形齒輪、萬向軸節(jié)、側(cè)齒輪、輪彀、錐齒輪、環(huán)形齒輪最能發(fā)揮粉末鍛造優(yōu)點(diǎn)有良好的動(dòng)平衡性能具有均勻的材質(zhì)分布二、粉末鍛造的應(yīng)用1.粉末鍛造的特點(diǎn)六個(gè)特點(diǎn)2.粉末鍛造的應(yīng)用粉末鍛造在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，主要用來制造高性能的粉末制品，尤其是在汽車制造工業(yè)中應(yīng)用更突出。三、課堂小結(jié)4.粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)與鍛造方法預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)是從鍛件的質(zhì)量、密度、形狀和尺寸出發(fā)，考慮預(yù)成形坯的密度、形狀和尺寸?；驹瓌t在鍛造時(shí)有利于致密和充滿模膛；在充滿模膛時(shí)應(yīng)盡可能使預(yù)成形坯有較大的橫向塑性流動(dòng)。塑性變形有利于致密和改善性能。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)過大的塑性變形可能在鍛件表面或心部產(chǎn)生裂紋，因此其塑性變形量不能大于預(yù)成形坯塑性變形所允許的極限值?？紤]預(yù)成形坯在充滿型腔時(shí)，各部分盡可能處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形，避免或減少拉應(yīng)力狀態(tài)。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)1.預(yù)成形坯的密度選擇粉末鍛件的最終密度主要是由鍛造變形所決定，預(yù)成形坯密度的選擇主要考慮預(yù)成形坯要有足夠的強(qiáng)度，保證在生產(chǎn)工序傳輸過程中不被破壞，形狀完整為基準(zhǔn)。一般冷壓制后的預(yù)成形坯密度為理論密度的80%左右。對于鐵基制品的密度選擇在6.2～6.6g/cm3范圍內(nèi)。為了獲得無飛邊的粉末鍛件，預(yù)成形坯質(zhì)量公差必須控制在±5%左右。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)形狀設(shè)計(jì)預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)尺寸的確定2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)（1）近似形狀預(yù)成形坯與終鍛件形狀近似。有利于鍛造時(shí)以鐓粗的方式成形。塑性變形量小，可以避免產(chǎn)生裂紋。適于制造連桿和直齒輪類零件。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)（2）簡單形狀預(yù)成形坯形狀較簡單，與鍛件形狀差別較大。是鍛件形狀的一種簡化，經(jīng)簡化的預(yù)成形坯鍛造時(shí)，不僅是高度方向的鐓粗變形或壓實(shí)，而且通過較大的塑性流動(dòng)充滿模具型腔。優(yōu)勢易于制造且壽命長塑性變形量較大，有利于提高粉鍛件的力學(xué)性能。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)(a)零件形狀及尺寸

采取近似形狀制坯，鍛造時(shí)只是簡單的軸向壓實(shí)，由于沒有水平方向的塑性流動(dòng)，不能滿足力學(xué)性能要求。長頸法蘭零件及預(yù)成形坯形狀設(shè)計(jì)一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)(a)零件形狀及尺寸(b)近似形狀預(yù)成形坯(c)簡單形狀預(yù)成形坯長頸法蘭零件及預(yù)成形坯形狀設(shè)計(jì)一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)(b)近似形狀預(yù)成形坯預(yù)成形坯的形狀通過鐓粗充滿法蘭的盤部(c)簡單形狀預(yù)成形坯預(yù)成形坯是通過擠壓成形頸部徑向應(yīng)變?yōu)棣?=ln(26.55/15)=0.571一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)2.預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)(c)簡單形狀預(yù)成形坯方案是反擠壓成形法蘭頸部預(yù)成形坯內(nèi)孔與芯軸之間變形時(shí)接觸過早，就會(huì)因摩擦作用而生產(chǎn)拉應(yīng)變，導(dǎo)致頸的頂部開裂。要求預(yù)成形坯內(nèi)孔與芯軸之間留有一定間隙，避免內(nèi)表面過早接觸芯軸，需選擇合適的孔徑。一、粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)粉末鍛造粉末冶金鍛造燒結(jié)鍛造鍛造燒結(jié)粉末鍛造：直接將粉末預(yù)成形坯加熱后鍛造；燒結(jié)鍛造：將預(yù)成形坯燒結(jié)后進(jìn)行加熱鍛造；鍛造燒結(jié)：將預(yù)成形坯加熱鍛造后再燒結(jié)。方法簡單鍛件性能較好，但易于鍛裂。二、粉末鍛造方法粉末鍛造成形方案a：熱復(fù)壓法(d/d0=1)

類似于粉末體的壓制成形小變形量鍛造預(yù)成形坯具有精確的外形尺寸和質(zhì)量，其形狀與終鍛件非常接近，僅考慮加入模具型腔的間隙所引起的高度增加的壓縮變形量。這種方法在成形過程中沒有宏觀的金屬流動(dòng)二、粉末鍛造方法粉末鍛造成形方案a熱復(fù)壓法(d/d0=1)

b：無飛邊閉式鍛造(d/d0>1)

預(yù)成形坯一般設(shè)計(jì)得較為簡單，但質(zhì)量公差同樣要求嚴(yán)格。與前一方法的主要區(qū)別在于需要經(jīng)過大的塑性變形來充滿型腔。二、粉末鍛造方法粉末鍛造成形方案a：熱復(fù)壓法(d/d0=1)

b：無飛邊閉式鍛造(d/d0>1)

c：開式小飛邊鍛造(d/d0>1)預(yù)成形坯不像前兩種方法那樣嚴(yán)格，質(zhì)量的波動(dòng)可通過飛邊調(diào)節(jié)，鍛造成形時(shí)塑性變形量較大。二、粉末鍛造方法熱復(fù)壓法用于密度要求不高的零件生產(chǎn)，鍛造的殘余孔隙度在0～2%。要使密度提高，需要很大的壓力。無飛邊閉式鍛造開式小飛邊鍛造用于要求高密度的場合。但是粉末鍛件并不總是要求高密度，而是與產(chǎn)品性能有關(guān)。二、粉末鍛造方法鍛件成形的復(fù)雜程度鍛造設(shè)備工藝條件合理選擇成形方法1.粉末鍛造預(yù)成型坯的設(shè)計(jì)預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)是從鍛件的質(zhì)量、密度、形狀和尺寸出發(fā)，考慮預(yù)成形坯的密度、形狀和尺寸。2.粉末鍛造的方法粉末鍛造按其成形方式有三種方法三、課堂小結(jié)5.粉末鍛造的發(fā)展趨勢目錄國外發(fā)展歷程1中國發(fā)展歷程2粉末鍛造應(yīng)用趨勢3粉末鍛造的發(fā)展歷程粉末鍛造將粉末燒結(jié)的預(yù)成形坯經(jīng)加熱后，在閉式模中鍛造成零件的工藝。將傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)和精密模鍛相結(jié)合的工藝能以較低的成本和較高的生產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。高質(zhì)量高精度形狀復(fù)雜一、國外發(fā)展歷程粉末鍛造的研究源于20世紀(jì)60年代初期1964年美國GMC公司研究了粉末鍛造汽車連桿英國GKN公司對粉末鍛造材料、工藝及預(yù)成形坯的力學(xué)物理性能進(jìn)行了研究。1970年紐約召開的第三屆國際粉末冶金會(huì)議對粉末鍛造的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。美國粉末鍛造處于領(lǐng)先地位GMC公司首先使用粉末鍛造生產(chǎn)汽車后轎差速器齒輪。一、國外發(fā)展歷程1972年FederalMogul大規(guī)模生產(chǎn)粉末鍛件用于自動(dòng)變速機(jī)構(gòu)軸承座圈月產(chǎn)量達(dá)10萬件1976年FederalMogul建立兩條粉鍛生產(chǎn)線