《特種塑性成型》課件-3.粉末冶金

1.粉末冶金的原理及特點“趁熱打鐵，不要有停頓的時間，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，制造成各種類型的金屬制品和金屬材料的方法。技術原理以氧化物、氮化物、碳化物等非金屬化合物粉末為原料，用成形-燒結法制造材料和制品的技術。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合金金屬石墨一、粉末冶金的原理粉末冶金工藝可生產出用普通方法無法生產的特殊金屬材料。粉末冶金材料組織中含有一定量的可控微小孔隙，對聲與振動起到阻尼作用。特點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較低的金屬或合金提高零件的強度與沖擊韌性水蒸氣增強材料的耐蝕性二、粉末冶金特點數(shù)量粉末特性特性一定范圍內粉末組成壓制工藝燒結條件生產多孔材料、多孔含油軸承，并能控制制品的孔隙度二、粉末冶金特點金屬和金屬生產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復合材料金屬和非金屬組成的摩擦材料硬質合金彌散強化材料和纖維強化材料高溫金屬陶瓷二、粉末冶金特點粉末冶金方法生產的合金結構均勻高速鋼避免碳化物偏析比熔鑄法生產的高速鋼的性能好二、粉末冶金特點硬質合金刀具發(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。硬質合金刀具發(fā)汗材料鎢絲二、粉末冶金特點工藝優(yōu)點粉末冶金方法制造的機械零件尺寸精度和幾何精度高減少機加工量，節(jié)約金屬材料提高勞動生產率粉末冶金又是一種少、無切削的工藝。粉末冶金結構零件的脫模斜度為零，不需要再進行精加工。二、粉末冶金特點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，具有廣闊的應用范圍。單槽粉末冶金實例齒輪鏈輪桿件緊固件結構支架軸承葉輪液壓件二、粉末冶金特點對零件重新設計改用粉末冶金工藝制造，可取消或減少多次組裝作業(yè)。由一個凸輪與一個齒輪或一個電樞與一根軸構成的組合件，經(jīng)重新設計，可用一體化粉末冶金零件來替代。例如二、粉末冶金特點燒結連接零件也可用燒結時將兩個粉末冶金件連接成一體的方法來制造。粉末冶金零件可進行表面涂覆裝飾性耐蝕性耐磨性尺寸公差精密或強度較高的零件，可對其進行整形或復壓。零件上不能用壓制成形的部分可用切削加工來完成。二、粉末冶金特點粉末冶金生產步驟（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雜或奇特的零件。（7）適于中批量到大批量的零件生產。二、粉末冶金特點小結成本高、制品的大小和形狀受到一定限制燒結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，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2.粉末冶金生產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，以及需要時進行燒結后的處理，進而獲得要求的制品等工序。工序粉末冶金生產工藝（1）原料粉末的制取和準備。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以下的溫度進行燒結，使制品具有最終的物理、化學和力學性能。粉末冶金生產步驟粉末冶金生產工藝機械法制粉方法物理化學法1.機械法將原材料機械地粉碎，在基本不使其化學成分發(fā)生變化的情況下獲得粉末的工藝過程。機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、粉末的生產球磨機械研磨法錘磨2.物理化學法借助化學的或物理的作用，改變原料的化學成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的工藝過程。霧化法還原法電解法應用最廣泛一、粉末的生產（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，同時噴入高壓氣體，在氣流的機械力和急冷作用下，液態(tài)金屬被霧化，冷凝成細小粒狀的金屬粉末落入盛粉桶中。2.物理化學法霧化法的特點產效率高成本低易于制造高純度粉末合金粉末易產生成分偏析難以制得小于粒徑0.55mm的細粉一、粉末的生產2.物理化學法PbSnZnAl青銅黃銅2.物理化學法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.物理化學法還原法的特點比較簡單費用低目前鐵粉大部分由還原法生產一、粉末的生產（3）電解法從金屬鹽水溶液中電解沉積金屬粉末。2.物理化學法電解法的特點電解粉末高純度高密度高壓縮性生產率低成本較高一、粉末的生產2.物理化學法18-8不銹鋼低合金鋼鎳合金粉末1.粉末的預處理與混合根據(jù)生產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、粉末冶金的生產工序2.粉末成形制得具有一定密度、強度與一定形狀、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）振動成形法3.燒結是粉末冶金的關鍵工序，對粉末冶金生產起重要的作用。成形所得坯塊顆粒間的接觸有所增加，只有通過燒結，壓坯變成了“晶體結合體”后才具有一定的物理和力學性能，滿足使用的要求。燒結以前各工序所帶來的一些缺點和問題，在一定范圍內，可以通過對燒結工藝條件的調整來糾正或彌補。燒結控制制品的孔隙度和金相組織。二、粉末冶金的生產工序3.燒結壓坯通過燒結才能得到物理和力學性能燒結是粉末冶金工藝中的關鍵工序4.燒結后的處理提高制件的物理及力學性能復壓、復燒、浸油、熱鍛與熱復壓、熱處理及化學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、機械加工據(jù)產品的不同要求，燒結后的處理有多種方式。二、粉末冶金的生產工序1.粉末冶金生產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，以及需要時進行燒結后的處理，進而獲得要求的制品等工序。三、課堂小結3.粉末鍛造的特點與應用將燒結好的坯料進行預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合的一種新技術，且兼有兩者優(yōu)點。粉末熱鍛常用的粉末鍛造方法粉末冷鍛粉末鍛造燒結鍛造鍛造燒結粉末鍛造克服普通粉末冶金件密度低的缺點獲得較均勻的細晶組織提高構件強度及韌性使粉末鍛件的物性指標接近、達到普通鍛件水平粉末鍛造保持普通粉末冶金技術的少、無切削的特點，通過合理設計預成形坯和實行少、無飛邊鍛造，能夠生產質量高、精度高、形狀復雜的結構零件.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粉末鍛造高密度高強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（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）生產效率高，節(jié)省加工工序；（6）顯著地改善了勞動條件(降噪及減少熱輻射)。一、粉末鍛造工藝特點粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價格還較高零件韌性較差一、粉末鍛造工藝特點粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價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成形坯件，然后將預成形的坯件加熱至鍛造溫度后放在鍛壓設備上的模具中進行閉式模鍛或擠壓。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、粉末鍛造工藝特點精度高粉末鍛件力學性能好內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%。粉末鍛造生產形狀復雜零件的效率高。一、粉末鍛造工藝特點粉末鍛造的不足之處零件尺寸形狀受到一定限制粉末價格還較高零件韌性較差粉末鍛造在許多領域中得到應用，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)中應用更突出。適于粉末鍛造工藝的汽車零件發(fā)動機連桿、齒輪、氣門挺桿、交流電動機轉子、閥門、起動機齒輪、環(huán)形齒輪手動變速箱轂套、倒車空套齒輪、離合器、軸承座圈、同步器中各種齒輪自動變速箱內座圈、壓板、外座圈、停車自動齒輪、離合器、凸輪、差動齒輪底盤后軸承端蓋、扇形齒輪、萬向軸節(jié)、側齒輪、輪彀、錐齒輪、環(huán)形齒輪最能發(fā)揮粉末鍛造優(yōu)點有良好的動平衡性能具有均勻的材質分布二、粉末鍛造的應用1.粉末鍛造的特點六個特點2.粉末鍛造的應用粉末鍛造在許多領域中得到應用，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)中應用更突出。三、課堂小結4.粉末鍛造預成型坯的設計與鍛造方法預成形坯的設計是從鍛件的質量、密度、形狀和尺寸出發(fā)，考慮預成形坯的密度、形狀和尺寸。基本原則在鍛造時有利于致密和充滿模膛；在充滿模膛時應盡可能使預成形坯有較大的橫向塑性流動。塑性變形有利于致密和改善性能。一、粉末鍛造預成型坯的設計過大的塑性變形可能在鍛件表面或心部產生裂紋，因此其塑性變形量不能大于預成形坯塑性變形所允許的極限值。考慮預成形坯在充滿型腔時，各部分盡可能處于三向壓應力狀態(tài)下成形，避免或減少拉應力狀態(tài)。一、粉末鍛造預成型坯的設計1.預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，預成形坯密度的選擇主要考慮預成形坯要有足夠的強度，保證在生產工序傳輸過程中不被破壞，形狀完整為基準。一般冷壓制后的預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。為了獲得無飛邊的粉末鍛件，預成形坯質量公差必須控制在±5%左右。一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計形狀設計預成形坯的設計尺寸的確定2.預成形坯的設計（1）近似形狀預成形坯與終鍛件形狀近似。有利于鍛造時以鐓粗的方式成形。塑性變形量小，可以避免產生裂紋。適于制造連桿和直齒輪類零件。一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計（2）簡單形狀預成形坯形狀較簡單，與鍛件形狀差別較大。是鍛件形狀的一種簡化，經(jīng)簡化的預成形坯鍛造時，不僅是高度方向的鐓粗變形或壓實，而且通過較大的塑性流動充滿模具型腔。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性能。一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計2.預成形坯的設計(a)零件形狀及尺寸

采取近似形狀制坯，鍛造時只是簡單的軸向壓實，由于沒有水平方向的塑性流動，不能滿足力學性能要求。長頸法蘭零件及預成形坯形狀設計一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計(a)零件形狀及尺寸(b)近似形狀預成形坯(c)簡單形狀預成形坯長頸法蘭零件及預成形坯形狀設計一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計(b)近似形狀預成形坯預成形坯的形狀通過鐓粗充滿法蘭的盤部(c)簡單形狀預成形坯預成形坯是通過擠壓成形頸部徑向應變?yōu)棣?=ln(26.55/15)=0.571一、粉末鍛造預成型坯的設計2.預成形坯的設計(c)簡單形狀預成形坯方案是反擠壓成形法蘭頸部預成形坯內孔與芯軸之間變形時接觸過早，就會因摩擦作用而生產拉應變，導致頸的頂部開裂。要求預成形坯內孔與芯軸之間留有一定間隙，避免內表面過早接觸芯軸，需選擇合適的孔徑。一、粉末鍛造預成型坯的設計粉末鍛造粉末冶金鍛造燒結鍛造鍛造燒結粉末鍛造：直接將粉末預成形坯加熱后鍛造；燒結鍛造：將預成形坯燒結后進行加熱鍛造；鍛造燒結：將預成形坯加熱鍛造后再燒結。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：熱復壓法(d/d0=1)

類似于粉末體的壓制成形小變形量鍛造預成形坯具有精確的外形尺寸和質量，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二、粉末鍛造方法粉末鍛造成形方案a熱復壓法(d/d0=1)

b：無飛邊閉式鍛造(d/d0>1)

預成形坯一般設計得較為簡單，但質量公差同樣要求嚴格。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)預成形坯不像前兩種方法那樣嚴格，質量的波動可通過飛邊調節(jié)，鍛造成形時塑性變形量較大。二、粉末鍛造方法熱復壓法用于密度要求不高的零件生產，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，而是與產品性能有關。二、粉末鍛造方法鍛件成形的復雜程度鍛造設備工藝條件合理選擇成形方法1.粉末鍛造預成型坯的設計預成形坯的設計是從鍛件的質量、密度、形狀和尺寸出發(fā)，考慮預成形坯的密度、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粉末鍛造應用趨勢3粉末鍛造的發(fā)展歷程粉末鍛造將粉末燒結的預成形坯經(jīng)加熱后，在閉式模中鍛造成零件的工藝。將傳統(tǒng)的粉末冶金技術和精密模鍛相結合的工藝能以較低的成本和較高的生產率實現(xiàn)大批量生產。高質量高精度形狀復雜一、國外發(fā)展歷程粉末鍛造的研究源于20世紀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、工藝及預成形坯的力學物理性能進行了研究。1970年紐約召開的第三屆國際粉末冶金會議對粉末鍛造的發(fā)展起了很大的推動作用。美國粉末鍛造處于領先地位GMC公司首先使用粉末鍛造生產汽車后轎差速器齒輪。一、國外發(fā)展歷程1972年FederalMogul大規(guī)模生產粉末鍛件用于自動變速機構軸承座圈月產量達10萬件1976年FederalMogul建立兩條粉鍛生產線