材料工程設(shè)計第10講

第10講粉末冶金選材與工藝設(shè)計粉末冶金技術(shù)的發(fā)展粉末冶金工藝過程簡介粉末冶金材料1.粉末冶金技術(shù)的發(fā)展粉末冶金，是一門特種冶金技術(shù)，與“鑄錠冶金”不同，它是通過制造金屬粉末，利用金屬粉末為基本原料經(jīng)成形與高溫?zé)Y(jié)制造金屬材料與異形制品的材料冶金與成型加工相結(jié)合的工藝技術(shù)。粉末冶金應(yīng)用的歷史悠久，早在1831年即已發(fā)展為制造白金用具的制造技術(shù)，從20世紀20年代燒結(jié)金屬含油軸承出現(xiàn)以來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，粉末冶金將材料制備與金屬成形技術(shù)相結(jié)合，逐漸形成了一門制造機、電零件的，精密、高效、低耗、節(jié)能、價廉的特種金屬成形技術(shù)，井在汽車、摩托車、家電、辦公機械、農(nóng)機、工程機械、電動工具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。粉末冶金為設(shè)計人員生產(chǎn)特殊形狀制品提供了另外一種可選擇的生產(chǎn)工藝。在許多場合，以粉末冶金工藝替代常規(guī)生產(chǎn)工藝，諸如鑄造一切削加工工藝，可改進產(chǎn)品質(zhì)量或降低生產(chǎn)成本。在另外一些場合，一些金屬制品，諸如硬質(zhì)合金、燒結(jié)金屬含油軸承，以及一些新穎、奇異的金屬制品只能用粉末冶金丁藝制作。據(jù)不完全統(tǒng)計，1991—2004年13年間，我國粉末冶金零件產(chǎn)量增長了7倍，2004年產(chǎn)量達到了62668t(據(jù)34個單位統(tǒng)計)。平均年遞增率為17.5％。2.全屬粉末生產(chǎn)和粉末冶金制品生產(chǎn)工藝金屬粉末是粉末冶金生產(chǎn)的基本原料，為滿足粉末冶金制品生產(chǎn)對金屬粉末的各種性能要求，研究開發(fā)了各種各樣的金屬粉末生產(chǎn)方法。3.粉末的性能粉末是顆粒與顆粒間的空隙所組成的集合體。粉末體的性能應(yīng)分別指單顆粒、粉末體和粉末體中孔隙等的一些性質(zhì)。單顆粒的性質(zhì)：(1)由粉末材料決定的性質(zhì)，如點陣結(jié)構(gòu)、理論密度、熔點、塑性、彈性、電磁性質(zhì)、化學(xué)成分等。(2)由粉末生產(chǎn)方法所決定的性質(zhì)，如粒度、顆粒形狀、密度、表面狀態(tài)、晶粒結(jié)構(gòu)、點陣缺陷、顆粒內(nèi)氣體含量、表面吸附的氣體與氧化物、活性等。粉末體的性質(zhì)：除了單顆粒的性質(zhì)以外，還有平均粒度、粒度組成、比表面、松裝密度、振實密度、流動性、顆粒間的摩擦狀態(tài)。粉末的孔隙性質(zhì)：總孔隙體積、顆粒間的孔隙體積、顆粒內(nèi)孔隙體積、顆粒間孔隙數(shù)量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形狀?；瘜W(xué)成分主要是指粉末中金屬的含量和雜質(zhì)含量。金屬粉末的化學(xué)分析與常規(guī)的金屬試樣分析方法相同。物理性能包括顆粒形狀與結(jié)構(gòu)、粒度和粒度組成、比表面積、顆粒密度、顯微硬度，以及光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等諸性質(zhì)。實際上，粉末的熔點、蒸氣壓、比熱容與同成分的致密材料差別很小，一些性質(zhì)與粉末冶金關(guān)系不大，粉末較重要的物理性能能主要包括顆粒形狀、粒度及粒度組成、比表面、顆粒密度、粉末體密度，一般對這些性能進行測試。工藝性能包括松裝密度、振實密度、流動性、壓縮性和成形性。4.粉末冶金制品的成形技術(shù)粉末冶金成形是將松散的粉末體加工成具有一定尺寸、形狀，以及一定密度和強度的坯塊。成形前原料準備的目的是要制備具有一定化學(xué)成分和一定粒度，以及適合的其它物理化學(xué)性能的混合料。其中包括粉末退火、混合、篩分、制粒，以及加潤滑劑等。成形方法包括普通模壓法或特殊方法，如：均壓法、滾壓法、擠壓法、鍛壓法、等靜壓法等。常用的壓模壓制是指松散的粉末在壓模內(nèi)經(jīng)受一定的壓制壓力后，成為具有一定尺寸、形狀和一定密度、強度的壓坯。當(dāng)對壓模中粉末施加壓力后，粉末顆粒間將發(fā)生相對移動，粉末顆較將填充孔隙，使粉末體的體積減小，粉末顆粒迅速達到最緊密的堆積。成型方法及其工藝參數(shù)、粉體的性能對壓坯的質(zhì)量（壓坯密度和壓坯強度等）有一定影響，因此，對于不同的粉體宜采用合適的成形方法和成形工藝參數(shù)，一般情況下粉體成形需要加入合適的成形劑。在壓制過程中，由于種種原因，常常會出現(xiàn)壓制廢品。壓制廢品的種類很多，主要有分層、裂紋、掉邊掉角、壓坯密度嚴重不均勻、毛刺過大、表面劃傷、同軸度超差等。5.粉末冶金制品的燒結(jié)技術(shù)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。這就是把壓坯或松裝粉末體加熱到其基本組元熔點以下的溫度(約0.7~0.8熔點溫度)，并在此溫度下保溫，從而使粉末顆粒相互結(jié)合起來，改善其件能，這種熱處理就叫做燒結(jié)。用粉末冶金燒結(jié)的方法可以制得各種純金屬、臺金、化合物以及復(fù)合材料。燒結(jié)體按粉末原料的組成可分為：由純金屬、化合物或固溶體組成的單相系；由金屬—金屬、金屬—非金屬、金屬—化合物組成的多相系。對于燒結(jié)過程來說，由于在燒結(jié)過程中出現(xiàn)的不同情況，則可以將饒結(jié)分為：單元系燒結(jié)這是指純金屬、化合物或固溶體在其熔點以下的溫度進行的固相燒結(jié)過程；多元系燒結(jié)，指由兩種或兩種以上的組元構(gòu)成的固相燒結(jié)或液相燒結(jié)體系。影響燒結(jié)進程和制品質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間以及燒結(jié)氣氛。通常，金屬粉末燒結(jié)的動力——表面能量較小，為了能使燒結(jié)材料與鑄鍛材料的性能相競爭，需要提高燒結(jié)過程中的致密比，這可以利用多種強化燒結(jié)的方法，如：活化燒結(jié)（預(yù)氧化、添加少量合金元素、在氣氛中添加活化劑）、電火花燒結(jié)、相穩(wěn)定化、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、熱擠壓、輔助熱鍛等。6.燒結(jié)體的后處理為了提高燒結(jié)材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能和精度，以及生產(chǎn)所需要的線材、板材、帶材、管材和零部件，對燒結(jié)后的材料或制品還可進行燒結(jié)后處理，包括浸透、復(fù)壓復(fù)烷、精整、整形、鍛造、軋制、擠壓、拉絲、機加工、焊接、熱處理以及防蝕保護和外表的裝飾處理(如電化學(xué)處理、氧化處理、磷化處理等表面處理)等。有些只需要進行適當(dāng)?shù)那鍧嵦幚砑纯芍苯邮褂茫挥行┬枰M行尺寸校正以修正因燒結(jié)引起的形狀或尺寸的改變，以提高產(chǎn)品的精度；施以壓印來增加其密度和表面硬度及平滑度；多孔產(chǎn)品還需要經(jīng)浸滲處理時油、石蠟或樹脂滲入到顆粒間的孔洞里，以增加其潤滑性及耐磨性；熔滲則是利用低熔點的金屬或合金熔融后，滲入填滿材料的孔隙，達到一定的力學(xué)性能或功能特性；可以通過噴丸處理、蒸汽處理、電鍍或油漆，可以提高粉末冶金制品表面的力學(xué)性能或抗蝕性能，并增進美觀度；某些粉末冶金產(chǎn)品還可以進行機加工（如車削螺紋、切削溝槽、鉆孔等），熱處理以及焊接加工等7.粉末冶金燒結(jié)制品的性能及影響因素?zé)Y(jié)的目的是要使壓坯具有所要求的力學(xué)性能和物理性能。燒結(jié)體的常規(guī)力學(xué)性能有：靜壓強度、塑性、硬度和彈性模量，還包括沖擊韌性和疲勞強度等動態(tài)力學(xué)性能，另外對具有高硬度、脆性和致密度低的材料和多孔材料，如：硬質(zhì)合金等，還需要對燒結(jié)體的斷裂韌性提出要求。影響燒結(jié)體性能的因素很多，主要是粉末的性狀、成形的條件和燒結(jié)的條件。屬于粉末性狀的因素包括粉末的粒度和粒度組成、顆粒形狀、顆粒內(nèi)的孔隙、松裝密度、壓縮比、流動性、純度、夾雜物的分布狀態(tài)以及加工硬化程度等。屬于成形條件的因素包括成形壓力、加壓速度、壓坯形狀、壓模的設(shè)計和精度、壓制方法、粉末和壓模的潤滑狀況等。屬于燒結(jié)條件的因素包括加熱速度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、冷卻速度、燒結(jié)氣氛以及燒結(jié)加壓狀況等等。在穩(wěn)定的條件下，電、熱、磁等現(xiàn)象都可以用完全相似的方法描述，即概括地用傳導(dǎo)性來表示。電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和電容率等部屬于傳導(dǎo)性。對于不同條件下使用的材料對其物理性能要求不同，如：對于減磨材料還需要考察燒結(jié)體的孔隙率、孔徑和滲透性等物理性能8.粉末冶金機械零件燒結(jié)鐵基機械零件：①粉末冶金機械零件的塑性相韌性達不到鑄鍛鋼件的水平，但其小能量多次沖擊的性能較好，并能達到一定的強度，可適應(yīng)某些齒輪等零部件的工作要求；②這種制造方法的生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉和能耗少，因此在機械制造、汽車制造、儀表制造、農(nóng)機制造以及紡織機械等工業(yè)部門中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用；③在燒結(jié)鐵基制品中，常采用合金元素來強化材質(zhì)的性能，常用的強化合金元素有磷、銅、錳、硅、鎳、鋁等。按合金元素的不同，燒結(jié)鐵基材料可以分為燒結(jié)碳素鋼、燒結(jié)鐵—銅基合金以及燒結(jié)合金鋼三大類。例如，鐵—銅、鐵—碳—銅、鐵—碳—銅—鎳、鐵—碳—銅—磷、鐵—錳—鉬、鐵—鎳—鋁、鐵—鍺—鎳—鉻等等燒結(jié)鐵基材料；④粉末冶金鐵基零件可以通過熱處理、化學(xué)熱處理、機械熱處理等手段來進一步提高其力學(xué)性能和物理性能。粉末冶金不銹鋼：①粉末冶金不銹鋼多孔性零件用于儲存液體(如在軸承中)、過濾、計量液體或氣體，在電話話筒和助聽器中用于消聲，在飛機中可制造流體除冰器；在器具市場是粉末冶金不銹鋼的另一個相當(dāng)大的應(yīng)用，可以作電冰箱自動制冰器的推出盤、垃圾處理零件、電工刀、罐頭開啟工具以及水泵葉輪等；②當(dāng)用于辦公機械時，采用粉末冶金不銹鋼零件可以省掉鍛軋棒料時所需的昂貴機械加工，如作為非磁性卡片擋板、口述記錄機開關(guān)、計算機按鈕等；其它還可以用作汽車零件、金屬構(gòu)件、電氣和電子元件、裝飾品、醫(yī)療器械以及娛樂器材等。8.粉末冶金機械零件燒結(jié)銅基機械零件：①常用的燒結(jié)銅基合金有青銅(銅—錫)和黃銅(銅—鋅)以及銅—鎳—鋅、銅—鎳、銅—鋁等合金系。銅基材料具有耐腐蝕的特點，有一定的強度和韌性，較容易進行機械加工。燒結(jié)銅基合金零件采用一般的壓制、燒結(jié)法。②燒結(jié)銅基合金多用來制造含油軸承、摩擦材料、電器接點材料、過濾材料以及發(fā)汗材料的滲透金屬。此外，也可用來制造小型齒輪、凸輪、墊圈、螺母等高密度饒結(jié)銅基機械零件。燒結(jié)鋁基合金：幾乎所有粉末冶金生產(chǎn)工藝均可用來生產(chǎn)燒結(jié)鋁基材料。成形工藝可用模壓、等靜壓、軋制和擠壓等。燒結(jié)可以在低露點(-40℃)的惰性或還原性氣氛中進行，也可用真空燒結(jié)。為進一步提高燒結(jié)體的密度和強度，可以采用復(fù)壓、冷鍛或熱鍛等工藝，燒結(jié)鋁材料可以進行熱處理，也可以進行機械拋光和電化學(xué)處理。辦公機械市場使用的燒結(jié)鋁基零件的品種最多。其它有增長潛力的市場為汽車零件、航空、航天零件、電動零件、設(shè)備器具以及結(jié)構(gòu)零件。高強度的鍛軋粉末冶金鋁臺金在武器方面可應(yīng)用于迫擊炮與火炮炮彈的引信、藥簡、火炮炮彈和火箭彈頭等。8.粉末冶金機械零件燒結(jié)鈦和鈦合金：①燒結(jié)鈦和鈦合金是70年代取得技術(shù)上的突破后才開始工業(yè)應(yīng)用的。鈦的相對密度低，強度高，耐蝕性好，使用濕度范圍廣(540~-253℃)。②鈦粉可以用氫化—脫氫法及旋轉(zhuǎn)電極法制取，后者可保證純度。粉末冶金鈦基航空結(jié)構(gòu)材料大多用熱鍛、熱等靜壓、熱壓、熱擠等熱成形固結(jié)工藝，以增加其密度，改善其性能。③典型的粉末冶金欽基合金為Ti-6Al-4V，可用來作飛機架配件。④燒結(jié)鈦合金還可做化工閥門、軸承套、過濾器．炮彈錐體以及在醫(yī)學(xué)上用來創(chuàng)造臀部、膝部、肘、鄂部、手指及肩部的整個和部分關(guān)節(jié)的替換物等。燒結(jié)鈹和鈹合金：鈹是只能用粉末冶金工藝制造的幾種金屬之一。將高純度電解鈹用沖擊碾磨制成鈹粉，然后用真空熱壓或冷熱等靜壓法將鈹粉固結(jié)成接近致密金屬的理論密度，從而使粉末冶金鈹材料取得了重大進展。鈹是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，在空氣中能形成有保護性的氧化物表面膜，在815℃以下高溫氧化不嚴重，導(dǎo)電性好，無磁性，X射線可穿透熱中于吸收橫截面小，中子散射截面大。鈹在核能、X射線、航空航天領(lǐng)域有著愈來愈多的應(yīng)用。鈹是一種質(zhì)量輕、尺寸穩(wěn)定的材，廣泛地應(yīng)用于慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。鈹能有效地吸收熱量，在多種導(dǎo)彈系統(tǒng)中作為隔熱屏及某些飛機機種的散熱材料。鉸的其它用途還有精密儀器、X射線窗口、人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、機械緊固件、高速旋轉(zhuǎn)軸以及唱機拾音器芯座零件等。光學(xué)工業(yè)廣泛用作支承結(jié)構(gòu)和鏡基片。9.粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料的成分是由三部分組成：(1)基體組元，其中基本組元保證材料的承受能力、熱穩(wěn)定性和耐磨性，它占摩擦材料質(zhì)量的50％一90％。輔助組元則是用來改善基本組元的性能；(2）潤滑組元，一般用石墨和鉛，也可用鉍代替鉛，它一般占摩擦材料質(zhì)量的5％一25%，有利于材料的抗卡性能和抗粘結(jié)性能，提高材料的耐磨性：(3)摩擦組元，多用二氧化硅、石棉、碳化硅、三氧化二鋁、氮化硅等。其作用是可以提高摩擦材料的摩擦系數(shù)和耐磨性，防止焊接。粉末冶金摩擦材料主要分為銅基和鐵基兩大類。銅基摩擦材料工藝性能好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，抗粘結(jié)、抗卡滯性能好。鐵基摩擦材料在高溫高負荷下能顯示出更良好的摩擦性能，機械強度高，可在400~1100℃范圍內(nèi)使用。10.粉末冶金磁電和功能材料磁性材料大部分可用熔鑄法也可用粉末冶金法生產(chǎn)。與熔鑄法相比，粉末冶金磁性材料有以下優(yōu)點：可以生產(chǎn)出具有特殊性能的磁性材料，如鐵氧體、磁介質(zhì)等；能用單疇疇制出優(yōu)質(zhì)硬磁材料；材料的晶粒細、強度大、無縮孔、無偏折等弊病。龍其是燒結(jié)釹鐵硼，適用于生產(chǎn)體積小、形狀復(fù)雜的異型、小型磁體，成品率高達98％。粉末冶金電工材料是用粉末冶金方法制造、廣泛用作電器與儀表中的分斷和接通電路用的電接觸元件—電觸頭材料；電阻焊用的電極；電機上使用的電刷以及電加熱元件和熱電偶材料。形狀記憶合金除60年代發(fā)現(xiàn)的鈦—鎳合金外，又先后發(fā)現(xiàn)銀-鎘、金—鎘、銅—鋁—鎳、銅—金—鋅、銅—錫、銅—鋅等合金。這些材料大多是采用粉末冶金方法制得的。貯氫材料：

(1)以鑭—鎳為代表的稀土系；(2)以鈦—鐵為代表的鈦系；(3)以鎂—鎳為代表的鎂系材料。一般用真空燒結(jié)方法制得。另外，也可以制備超導(dǎo)材料。11.粉末冶金多孔材料粉末冶金多孔材料是以金屆粉末或合金粉末為原料．采用各種粉末冶金工藝方法制造的。粉末冶金多孔材料是以金屆粉末或合金粉末為原料．采用各種粉末冶金工藝方法制造的。粉末冶金多孔材料使用的原料有各種純金屬、合金、難熔化合物等球形和非球形粉末以及金屬纖維，常用的有鐵、銅、青銅、黃銅、鎳、鎢、鈦、不銹鋼、鎳—銅、碳化鎢等粉末以及不銹鋼、鎳—