第五章 粉末冶金成形及其他新型成形方法

1、第五章 采用和等工序將， 或與的混合物，制成 金屬制品的工藝方法。 此工藝方法又被稱為金屬陶瓷法。 粉末冶金工藝的基本工序： 原料粉末的制取和準備 金屬粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸 小于1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、 合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合 物粉末。 金屬粉末的制取和應用淵源久遠： 古代曾用金、銀、銅、青銅及其某些氧化物 粉末作涂料，用于陶器、首飾等器具的著色、 裝飾； 20世紀初,美國人庫利吉(W.D.Coolidge)用氫 還原氧化鎢生產鎢粉以制取鎢絲，是近代金 屬粉末生產的開端； 此后用化學還原法制取了銅、鈷、鎳、鐵、 碳化鎢等多種粉末，促進了早期粉末冶金制

2、 品(含油多孔軸承、多孔過濾器、硬質合金 等)的發(fā)展； 30年代先后采用低成本的渦流研磨法及還原法 制取鐵粉，還出現了熔融金屬霧化法，用于制 取錫、鉛、鋁等低熔點金屬粉末； 40年代初發(fā)展成為用高壓空氣霧化制取鐵粉； 50年代開始用高壓水霧化制取合金鋼和多種合 金粉末； 60年代研究出多種霧化方式生產高合金粉末， 促進了高性能粉末冶金制品的發(fā)展； 70年代出現了多種氣相和液相物理化學反應方 法，制取重要用途的包覆粉末和超細粉末。 將金屬粉末及各種添加劑均勻混合后 制成所需形狀的坯塊； 坯塊燒結，使制品具有最終的物理、 化學和力學性能。 粉末冶金工藝過程： 粉末冶金工藝過程示意圖 原料粉末 添加

3、劑 混合 壓制成形燒結零件成品 近代粉末冶金技術發(fā)展的三個重要標志： 克服了難熔金屬熔鑄過程中的困難； 多孔含油軸承的研制成功及粉末冶金 機械零件的發(fā)展，發(fā)揮了粉末冶金少、 無切削的特點； 向新材料、新工藝發(fā)展。 與液態(tài)成形相比，粉末冶金主要優(yōu)點： 可避免或者減少偏析、機加工量大等缺點； 材料某些獨特的性能或者顯微組織也只能用 粉末冶金方法來實現； 一些活性金屬、高熔點金屬制品用其它工藝 成形十分困難。 金屬粉末和粉末冶金制品、材料的 應用舉例見P214表5-2。 大批量生產時，粉末冶金法生產效 率高、能耗低、材料省，價格低廉。其 經濟效益對比見P214表5-1。 5.1 粉末冶金成形 按轉變

4、的作用原理將粉末制取方法分為： 機械法 物理化學法 粉末冶金生產實踐中，機械法和物理化學 法之間并沒有明顯界限，是相互補充的。 常用的粉末制取方法：還原法、霧化法、電解法。 設備分粗碎和細碎兩類。 主要起壓碎作用的有碾碎機、輥軋機、 顎式破碎機等粗碎設備。 主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機、棒 磨機、球磨機、振動球磨機、攪動球磨 機等細碎設備。 機械粉碎是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊 狀金屬、合金或化合物機械地粉碎成粉末。 機械粉碎法主要有： 機械研磨法 機械合金化 渦旋研磨 冷氣流粉碎 機械研磨比較適用于脆性材料，渦 旋研磨和冷氣流粉碎等方法多用于塑性 金屬或合金粉末制取。 霧化法是將液體金

5、屬或合金直接破 碎，形成直徑小于150m的細小液滴， 冷凝而成為粉末。 霧化設備： 主要的霧化方法： 水霧化或氣霧化，也稱二流霧化 離心霧化 真空霧化 超聲波霧化 水霧化或氣霧化，也稱二流霧化 水霧化 氣霧化 水霧化和氣霧化示意圖 借助高壓水 流或高壓氣流 的沖擊來破碎 液流。 離心霧化 離心霧化示意圖 利用離心力 破碎液流。 真空霧化 真空(溶氣)霧化示意圖 在真空中霧化。 超聲波霧化 超聲霧化示意圖 利用超聲波 能量來實現液 流的破碎。 用還原劑還原金屬氧化物及鹽類來制取 金屬粉末，是一種廣泛采用的制粉方法。 最簡單的反應以下式表示： MeO+XMe+XO 式中: Me-生成氧化物MeO的

6、金屬； X-還原劑。 預處理包括： 1.退火 退火溫度因金屬粉末的種類而異，一 般退火溫度可按下式計算： T退=（0.50.6）T熔 式中 T退-退火溫度，K； T熔-合金的熔點，K。 2篩分 3制粒 4混合 混合包括：機械法和化學法。 壓坯方法包括： 壓制成形 無壓成形 封閉鋼模冷壓成形： 常溫下,粉料在封閉鋼模中，按規(guī)定 的單位壓力,將粉料制成壓坯的方法。 1稱粉與裝粉 稱量形成 一個壓坯所 需粉料的質 量或容積。 采用非自動壓模和小批量生產時， 多用質量法； 大量生產和自動化壓制成形時，一 般采用容積法。 裝粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。 落入法 送粉器移送 到型腔上，粉 末自由落

7、入型 腔中。 吸入法 下模沖位于 頂出壓坯的位 置，送粉器被 移送到型腔上， 下模沖下降復 位時，粉料被 吸入型腔中。 多余充填法 芯棒下降到下模 沖的位置，粉末落 入型腔中，然后芯 棒升起，將多余的 粉末頂出，并被送 粉器刮回，適用于 薄壁深腔的壓模。 2壓制 按一定的單位壓力，將裝在型腔中的 粉料，集聚成達到一定強度、密度、形狀 和尺寸要求的壓坯工序。 單向壓制 雙向壓制 浮動壓制 三種基本壓制方式 (1)壓坯密度的均勻性 壓坯密度的均勻性是其質量的重要標志。 壓制成形時應力求使壓坯密度分布均勻。 (2)壓制過程 粉末顆粒移動，孔隙減小，顆粒間相互擠緊； 粉末擠緊，小顆粒填入大顆粒間隙中，

8、顆粒開 始有變形； 粉末顆粒表面的凹凸部分被壓緊且嚙合成牢固 接觸狀態(tài)； 粉末顆粒加工硬化到了極限狀態(tài)，進一步增高 壓力，粉末顆粒被破壞和結晶細化。 3脫模 壓坯從模具型腔中脫出是壓制工序 中重要的一步。 剩余側壓強的存在使壓坯與模壁間產 生很大的摩擦阻力，脫模力必須大于這 個摩擦阻力，才能使壓坯脫出型腔。 燒結過程中，固體 顆粒表面能的減小是 燒結的“推動力”。 燒結的結果是粉 末顆粒之間發(fā)生粘接， 燒結體的強度增加， 密度提高。 顆粒聚結過程示意圖 表面積:8r2 6.35r2 不可逆的表面能減小過程。 r r R 浸漬 表面冷擠壓 切削加工 熱處理 表面保護處理 常用的后處理方法： 三、

9、模壓成形粉末冶金制品結構工藝 1 避 免 模 具 出 現 脆 弱 的 尖角。 尖角改倒角 C45(或圓角， R0.5mm)， C=13mm 避免組合模沖出現脆弱的尖角 利用模沖加工和提高其強度 避免相切 2避免模具和壓坯出現局部薄壁 壁厚應不小于1.5mm 利于裝粉均勻，增強壓坯，燒結收縮均勻 避免局部薄壁 增大最小壁厚 利于裝粉和壓坯密度均勻，增強模沖及壓坯 鍵槽改為平面結構 3錐面和斜面需有一小段平直帶 壓制時避免模具損壞 在斜面的一 端加0.5mm 的平直帶 4需要有脫模錐角或圓角 簡化模沖結構 圓柱改為圓錐， 斜角5，或改 為圓角，R=H 5避免垂直于壓制方向的側凹 利于成形 避免側凹

10、 6適應壓制方向的需要 利于成形和脫模 圓柱面改成帶 一段平直部分 7壓制工藝對結構設計的要求 垂直于壓制方向的孔 螺紋 不當設計 修改后形狀 倒錐 不當設計修改后形狀 粉末冶金成形件缺陷分析 1局部密度(中間密度過低) 改進措施：改進措施： 改 用 雙 向摩擦壓制； 減小模壁粗 糙度；在模 壁上或粉料 中加潤滑劑。 側面積過大側面積過大：模壁粗糙；模壁潤 滑差；粉料壓制性差。 2超差 一端密度過低 密度高或低 薄壁處密度低 3裂紋 拐角處裂紋 對角裂紋 側面龜裂 4皺紋(即輕度重皮) 內臺拐角皺紋 外球面皺紋 過壓皺紋 5缺角掉邊 掉棱角 側面局部剝落 6表面劃傷 改進措施：改進措施：提高模壁的硬度、減小 粗糙度；消除模瘤，加強潤滑。 模腔表面粗糙度大或硬度低；模壁產 生模瘤；模腔表面局部被啃或劃傷。 此外，還有尺寸超差及不同心 度超差等缺陷。 四、粉末冶金非模壓特殊成形方法 1粉末鍛造成形 (二)粉末注射成形 (三)金屬粉末軋制成形 五、幾種典型粉末冶金制品與材料 (一)粉末冶金高速鋼 (二)硬質合金 碳化鎢、碳化鈦、 碳化鉭、碳化鈮等難 熔碳化物粉末 鈷等金屬粉末 (三)粉末冶金多孔材料 快速成形技術 半固態(tài)合金成形 電磁成形 液壓成形 快速成形技術根據材料堆積 原理制造實