粉末冶金工艺的基本程序模板.doc

粉末冶金工艺基础工序粉末冶金成形基础、粉末冶金成形及粉末冶金材料介绍，可使大家掌握粉末冶金材料及成形工艺特点，了解它们和传统材料工艺不一样。了解粉末冶金材料种类及应用。 关键和难点：粉末冶金成形工艺和粉末冶金材料及应用 粉末冶金是制取金属粉末并经过成形和烧结等工艺将金属粉末或和非金属粉末混合物制成制品加工方法，既可制取用一般熔炼方法难以制取特殊材料，又可制造多种精密机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采取。. 中国最大资料库下载粉末冶金材料和工艺和传统材料工艺相比，含有以下特点： 1粉末冶金工艺是在低于基体金属熔点下进行，所以能够取得熔点、密度相差悬殊多个金属、金属和陶瓷、金属和塑料等多相不均质特殊功效复合材料和制品。 2提升材料性能。用特殊方法制取细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，确保了材料组织均匀，性能稳定，和良好冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量限制，可提升强化相含量，从而发展新材料体系。 3利用多种成形工艺，能够将粉末原料直接成形为少余量、无余量毛坯或净形零件，大量降低机加工量。提升材料利用率，降低成本。. 中国最大资料库下载粉末冶金品种繁多，关键有：钨等难熔金属及合金制品；用Co、Ni等作粘结剂碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）等硬质合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中钻头、车刀、铣刀，还可制造模具等；Cu合金、不锈钢及Ni等多孔材料，用于制造烧结含油轴承、烧结金属过滤器及纺织环等。伴随粉末冶金生产技术发展，粉末冶金及其制品将在愈加广泛应用。1 粉末冶金基础知识 1 粉末化学成份及性能 尺寸小于1mm离散颗粒集合体通常称为粉末，其计量单位通常是以微米（m）或纳米（nm）。 . 中国最大资料库下载1.粉末化学成份 常见金属粉末有铁、铜、铝等及其合金粉末，要求其杂质和气体含量不超出1%2%，不然会影响制品质量。 2.粉末物理性能 粒度及粒度分布 粉料中能分开并独立存在最小实体为单颗粒。实际粉末往往是团聚了颗粒，即二次颗粒。图7.1.1描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒情形。实际粉末颗粒体中不一样尺寸所占百分比即为粒度分布。 颗粒形状 即粉末颗粒外观几何形状。常见有球状、柱状、针状、板状和片状等，能够经过显微镜观察确定。 比表面积 即单位质量粉末总表面积，可经过实际测定。比表面积大小影响着粉末表面能、表面吸附及凝聚等表面特征。 3.粉末工艺性能. 中国最大资料库下载粉末工艺性能包含流动性、填充特征、压缩性及成形性等。 填充特征 指在没有外界条件下，粉末自由堆积时松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。粉末填充特征和颗粒大小、形状及表面性质相关。 流动性 指粉末流动能力，常见50克粉末从标准漏斗流出所需时间表示。流动性受颗粒粘附作用影响。 压缩性 表示粉末在压制过程中被压紧能力，用要求单位压力下所达成压坯密度表示，在标准模具中,要求润滑条件下测定。影响粉末压缩性原因有颗粒塑性或显微硬度，塑性金属粉末比硬、脆材料压缩性好；颗粒形状和结构也影响粉末压缩性。 成形性 指粉末压制后，压坯保持既定形状能力，用粉末能够成形最小单位压制压力表示，或用压坯强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构影响。 1.2 粉末冶金机理 1.压制机理 压制就是在外力作用下，将模具或其它容器中粉末紧密压实成预定形状和尺寸压坯工艺过程。钢模冷压成形过程图7.1.2所表示。粉末装入阴模,经过上下模冲对其施压。在压缩过程中，伴随粉末移动和变形，较大空隙被填充，颗粒表面氧化膜破碎，颗粒间接触面积增大，使原子间产生吸引力且颗粒间机械楔合作用增强，从而形成含有一定密度和强度压坯。2.等静压制 压力直接作用在粉末体或弹性模套上，使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而取得密度分布均匀和强度较高压坯过程。按其特征分为冷等静压制和热等静压制两大类。 冷等静压制 即在室温下等静压制，液体为压力传输媒介。将粉末体装入弹性模具内，置于钢体密封容器内，用高压泵将液体压入容器，利用液体均匀传输压力特征，使弹性模具内粉末体均匀受压。所以，冷等静压制压坯密度高，较均匀，力学性能很好，尺寸大且形状复杂，已用于棒材、管材和大型制品生产。 热等静压制 把粉末压坯或装入特制容器内粉末体置入热等静压机高压容器中，施以高温和高压，使这些粉末体被压制和烧结成致密零件或材料过程。在高温下等静压制，能够激活扩散和蠕变现象发生，促进粉末原子扩散和再结晶及以极缓慢速率进行塑性变形，气体为压力传输媒介。粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压联合作用，强化了压制和烧结过程，制品压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，制品致密度和强度高，且均匀一致，晶粒细小，力学性能高，消除了材料内部颗粒间缺点和孔隙，形状和尺寸不受限制。但热等静压机价格高，投资大。热等静压制已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金和金属陶瓷等制品生产。 3.粉末轧制 将粉末经过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯方法。将金属粉末经过一个特制漏斗喂入转动轧辊缝中，可轧出含有一定厚度、长度连续、强度适宜板带坯料。这些坯体经预烧结、烧结，再轧制加工及热处理等工序，就可制成含有一定孔隙度、致密粉末冶金板带材。粉末轧制制品密度比较高，制品长度标准上不受限制，轧制制品厚度和宽度会受到轧辊限制；成材率高为80%90%，熔铸轧制仅为60%或更低。粉末轧制适适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等板材及带材。 4.粉浆浇注 是金属粉末在不施加外力情况下成形，立即粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸收水分使之干燥后成形。常见悬浮剂有聚乙烯醇、甘油、藻肮酸钠等，作用是预防成形颗粒聚集，改善润湿条件。为确保形成稳定胶态悬浮液，颗粒尺寸小于5m10m，粉末在悬浮液中质量含量为40%70%。粉浆成形工艺参见本书6.2.2。5.挤压成形 将置于挤压筒内粉末、压坯或烧结体经过要求模孔压出。根据挤压条件不一样，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末和一定量有机粘结剂混合在较低温度下（40200）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可取得长度方向密度均匀制品。 挤压成形能挤压出壁很薄直经很小微形小管，如厚度仅0.01mm，直径1mm粉末冶金制品；可挤压形状复杂、物理力学性能优良致密粉末材料，如烧结铝合金及高温合金。挤压制品横向密度均匀，生产连续性高，所以，多用于截面较简单条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻等）。6.松装烧结成形 粉末未经压制而直接进行烧结，如将粉末装入模具中振实，再连同模具一起入炉烧结成形，用于多孔材料生产；或将粉末均匀松装于芯板上，再连同芯板一起入炉烧结成形，再经复压或轧制达成所需密度，用于制动摩擦片及双金属材料生产。 将置于挤压筒内粉末、压坯或烧结体经过要求模孔压出。根据挤压条件不一样，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末和一定量有机粘结剂混合在较低温度下（40200）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可取得长度方向密度均匀制品。 7.爆炸成形 借助于爆炸波高能量使粉末固结成形方法。爆炸成形特点是爆炸时产生压力很高，施于粉末体上压力速度极快。如炸药爆炸后，在几微秒时间内产生冲击压力可达106MPa（相当于107个大气压），比压力机上压制粉末单位压力要高几百倍至几千倍。爆炸成形压制压坯相对密度极高，强度极佳。如用炸药爆炸压制电解铁粉，压坯密度靠近纯铁体理论密度值。 爆炸成形可加工一般压制和烧结工艺难以成形材料，如难熔金属、高合金材料等，还可压制一般压力无法压制大型压坯。 除上述方法外，还有注射成形及热等静压制新技术等新成形方法。2.烧结机理 烧结是粉末或压坯在低于其关键组分熔点温度以下热处理过程，目标是经过颗粒间冶金结合以提升其强度。伴随温度升高，粉末或压坯中产生一系列物理、化学改变：水和有机物蒸发或挥发、吸附气体排除、应力消除和粉末颗粒表面氧化物还原等，接着粉末表层原子间相互扩散和塑性流动。伴随颗粒间接触面增大，会产生再结晶和晶粒长大，有时出现固相熔化和重结晶。以上各过程常常会相互重合，相互影响，使烧结过程变得十分复杂。烧结过程中制品显微组织改变图7.1.3所表示。 2 粉末冶金工艺2.1 粉末制备 金属粉末制备方法分为两大类：机械法和物理化学法。还有新研制机械合金化法，汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决定着粉末颗粒大小、形状、松装密度、化学成份、压制性、烧结性等。2.2 粉末预处理 粉末预处理包含粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。 1. 退火 粉末预先退火能够使氧化物还原，降低碳和其它杂质含量，提升粉末纯度；同时，还能消除粉末加工硬化、稳定粉末晶体结构。退火温度依据金属粉末种类而不一样，通常为金属熔点0.50.6K。通常，电解铜粉退火温度约为300，电解铁粉或电解镍粉约为700，不能超出900。退火通常见还原性气氛，有时也用真空或惰性气氛。 2.分级 将粉末按粒度大小分成若干级过程。分级使配料时易于控制粉末粒度和粒度分布，以适应成形工艺要求，常见标准筛网筛分进行分级。 3.混合 指将两种或两种以上不一样成份粉末均匀化过程。混合基础上有两种方法：机械法和化学法，广泛应用是机械法，将粉末或混合料机械掺和均匀而不发生化学反应。机械法混料又可分为干混和湿混，铁基等制品生产中广泛采取干混；制备硬质合金混合料则常使用湿混。湿混时常见液体介质为酒精、汽油、丙酮、水等。化学法混料是将金属或化合物粉末和添加金属盐溶液均匀混合；或是各组元全部以某种盐溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布混合物。 常需加入添加剂，用于提升压坯强度或预防粉末成份偏析增塑剂（汽油、橡胶溶液、石蜡等），用于降低颗粒间及压坯和模壁间摩擦润滑剂（硬质酸锌、二硫化钼等）。 4.制粒 将小颗粒粉末制成大颗粒或团粒工序，常见来改善粉末流动性。常见制粒设备有振动筛、滚筒制粒机、圆盘制粒机等。 2.3 成形 成形是将粉末转变成含有所需形状凝聚体过程。常见成形方法有模压、轧制、挤压、等静压、松装烧结成形、粉浆浇注和爆炸成形等。 1.模压 即粉末料在压模内压制。室温压制时通常需要约1吨/厘米2以上压力，压制压力过大时，影响加压工具；而且有时坯体发生层状裂纹、伤痕和缺点等。压制压力最大程度为1215吨厘米2。超出极限强度后，粉末颗粒发生粉碎性破坏。 图7.2.1 常见模压方法1、8固定模冲 2、6固定阴模 3粉末4、5、7、10运动模冲 9浮动阴模常见模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。 单向压制 即固定阴模中粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制方法，图7.2.1(a)所表示。单向压制模具简单，操作方便，生产效率高，但压制时受摩擦力影响，制品密度不均匀，适宜压制高度或厚度较小制品。 双向压制 阴模中粉末在相向运动模冲之间进行压制方法，图7.2.1(b)所表示。双向压制比较适宜高度或厚度较大制品。双向压制压坯密度较单向压制均匀，但双向同时加压时，压坯厚度中间部分密度较低。 浮动压制 浮动阴模中粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制，图7.2.1(c)。阴模由弹簧支承，处于浮动状态，开始加压时，因为粉末和阴模壁间摩擦力小于弹簧支承力，只有上模冲向下移动；伴随压力增大，当二者摩擦力大于弹簧支承力时，阴模和上模冲一起下行，和下模冲间产生相对移动，使单向压制转变为压坯双向受压，而且压坯双向不一样时受压，这么压坯密度更均匀。 2.4 烧结1.烧结方法 不一样产品、不一样性能烧结方法不一样。 按原料组成不一样分类。能够将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结。 单元系烧结是纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物(Al2O3、B4C、BeO、MoSi2等)熔点以下温度进行固相烧结。多元系固相烧结是由两种或两种以上组元组成烧结体系，在其中低熔成份熔点温度以下进行固相烧结。粉末烧结合金多属于这一类。如Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、W-Mo、Ag-Au、 Fe-Cu、W-Ni、Fe-C、 Cu-C、Cu-W、Ag-W等。多元系液相烧结以超出系统中低熔成份熔点温度进行烧结。如W-Cu-Ni、W-Cu、WC-Co、TiC-Ni、Fe-Cu(Cu10%、Fe-Ni-Al、Cu-Pb、Cu-Sn、 Fe-Cu(Cu1000），其它性能介于钨钴类和钨钛钴类之间，它既能加工钢材，又能加工非铁金属。常见硬质合金牌号、成份、性能见表7.4.1。 表7.4.1常见硬质合金牌号、成份、性能(摘自YS/T40094) 牌 号 化学成份w/% 密度/g/cm3 力学性能（大于） WC TiC TaC Co 硬度HRA b/MPa YG3X 96.5 0.5 3 15.015.3 91.5 1079 YG6 94.0 6 14.615.0 89.5 1422 YG6X 93.5 10%钨、铬、钼、钒等合金元素。其中碳确保高速钢含有高硬度和高耐磨性，钨和钼提升钢热硬性，铬提升钢淬透性，而钒则提升钢耐磨性。 3.铁和铁合金粉末冶金 在粉末冶金生产中，铁粉用量比其金属粉末大得多。铁粉60%70%用于制造粉末冶金零件。关键类型有铁基材料、铁镍合金、铁铜合金及铁合金和钢。粉末冶金铁基结构零件含有精度较高，表面粗糙值小，不需或只需少许切削加工，节省材料，生产率高，制品多孔，可浸润滑油，减摩、减振、消声等特点。广泛用于制造机械零件，如机床上调整垫圈、调整环、端盖、滑块、底座、偏心轮，汽车中油泵齿轮、活塞环，拖拉机上传动齿轮、活塞环，和接头、隔套、油泵转子、挡套、滚子等。 粉末冶金铁基结构材料牌号用“粉”、“铁”、“构”三字汉语拼音字首“FTG”，加化合碳含量万分数、主加合金元素符号及其含量百分数、辅加合金元素符号及其含量百分数和抗拉强度组成。如FTG60-20，表示化合碳量0.4%0.7%,抗拉强度200MPa粉末冶金铁基结构材料；FTG60Cu3Mo-40，表示化合碳量0.4%0.7%，合金元素含量Cu2%4%、Mo0.5%1.0%，抗拉强度400MPa粉末冶金铁基结构材料；FTG60Cu3Mo-40（55R），表示该烧结铜钼钢热处理后抗拉强度为550MPa。 表7.4.3 铁镍合金应用 成 分 应 用 36Ni64Fe 要求尺寸稳定性最高设备，温度在200以下 31Ni6Co63Fe 要求膨胀系数靠近零零件 39Ni17Co54Fe 硬玻璃密封 426Ni58Fe 软玻璃密封 5026Ni50Fe 电子零件 首 页前一页后一页4.摩擦材料和减摩材料 粉末冶金摩擦材料是一个复合材料,它由高摩擦系数组元、高耐磨组元和高机械强度组元所组成，用作离合器和制动器材料；粉末冶金减摩材料能够控制材料孔隙，而这些孔隙中能够浸渗油，也能以固体润滑剂分布在金属里复合材料形式来制造，其中自润滑轴承在粉末冶金制品中占相关键地位。摩擦材料和减摩材料是粉末冶金特殊制品。 粉末冶金摩擦材料依据基体金属不一样分为铁基材料和铜基材料，其辅助组元为润滑组元和摩擦组元。润滑组元有石墨和铅，占摩擦材料5%25%，改善材料抗粘、抗卡性，提升耐磨性；摩擦组元有SiO2、SiC、Al2O3等，提升材料摩擦系数，改善耐磨性，预防焊合。据工作条件不一样，分为干式和湿式材料，湿式材料宜在油中工作。其牌号由“粉摩”两字汉语拼音字首“FM”，加基体金属骨架组元序号（铜基为1，铁基为2）、次序号和工作条件汉语拼音字首“S”或“G”组成。如FM101S，表示次序号为01铜基、湿式粉末冶金摩擦材料；FG203G，表示次序号为03铁基、干式粉末冶金摩擦材料。 粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料，含有多孔性，关键用来制造滑动轴承。这种轴承材料压制成轴承后，放在润滑油中因毛细现象可吸附润滑油（通常含油率12%30%），故称含油轴承。轴承在工作时，因为发烧膨胀使孔隙变小；轴旋转时带动轴承间隙中空气层，降低了摩擦表面静压力，在粉末空隙内外形成压力差，使润滑油被抽到工作表面。停止工作时，润滑油又渗透孔隙中，故含油轴承可自动润滑。 粉末冶金减摩材料牌号由粉末冶金滑动轴承“粉”、“轴”两字汉语拼音字首“FZ”，加上基体主加组元序号（铁基为1，铜基为2）、辅加组元序号和含油密度组成。如FZ1360，表示辅加组元为碳、铜，含油密度为5.76.2g/cm3铁基粉末滑动轴承用减摩材料。 表7.4.5 烧结铜基轴承衬套抗拉强度和硬度 成 分/% 平均极限抗拉强度 /MPa 平均硬度 /HV Cu Pb Sn 60 40 78.84 32 70 30 89.59 37 74 22 4 121.84 50 80 10 10 186.34 70 表7.4.5列出了烧结铜基轴承衬套抗拉强度和硬度，表5.4.6列出了烧结多孔锡青铜（89Cu11Sn）孔隙率(包含表面孔隙)和强度关系，表5.4.6列出了油浸渍多孔轴承物理性能。 表7.4.6 油浸渍多孔轴承物理性能 成 分 孔隙率/% 极限抗拉强度/ MPa 抗压强度/ MPa 热膨胀系数/ 90Cu-10Sn 1823 129.01 143.34 0.1810-6 75Fe-25Cu 2025 179.18 215.01 0.1410-6 95Al-5Cu 1820 143.34 172.01 0.2510-6 5.粉末冶金非铁金属机械零件 烧结金属非铁金属材料应用较多是铜及其合金，另外还有铝烧结制品、烧结钛及钛合金。 烧结铜及铜合金 烧结纯铜应用较少，只用于要求高导电性和无磁性零件。常见烧结铜基合金有青铜（铜-锡）和黄铜（铜-锌），还有铜-镍-锌、铜-镍、铜-铝等合金系。铜基材料含有耐腐蚀特点，有一定强度和韧性，较轻易进行加工，采取通常压制烧结工艺即可生产。 烧结铜基合金多用于制造含油轴承、摩擦材料、电器接点材料及发汗材料渗透金属，作为高密度机械零件常见于制作小型齿轮、凸轮、垫圈、螺母等，也可用粉末轧制方法生产带材。 铝烧结制品 铝基材料和铁基、铜基材料性能相近，但质量轻，节省能源。铝烧结制品和其压铸件相比尺寸精度高、组织均匀，粉末铸造铝基材料抗拉强度和屈服强度均高于一般铝锻件。铝烧结材料可用做精密机械零件、多孔含油轴承材料和过滤材料，在交通运输、仪器仪表、家庭用具、宇宙飞行等方面全部有应用。 烧结铝制件几乎能够用全部粉末冶金工艺生产。成形工艺有模压、等静压、轧制、挤压等。烧结在低露点（-40）惰性或还原性气氛中进行，也可在真空中进行烧结。经过复压、冷锻或热锻深入提升烧结件密度和强度。为取得美观表面可进行机械抛光、化学处理和电化处理。铝和铜合金性能比较分别如表7.4.9。 表7.4.9 铝和铜合金性能比较 材 料 密度/ g/cm2 抗拉强度/MPa 硬 度 90Cu-10Sn 8.0 320.99 80RF 80Cu-20Zn 8.0 263.92 50RF 64Cu-18Ni-18Zn 8.3 320.99 32HRB 烧结201AB铝合金 2.64 344.42 8590HRC 烧结601AB铝合金 2.55 260.86 8085HRC 烧结钛及钛合金 钛密度小、强度高、耐蚀性好、使用温度范围广（540-253）。钛基航空结构材料多用热锻、热等静压、热压、热挤压、粉末热轧等热成形工艺，以增加制品密度，改善制品性能。经典钛基合金为Ti-6Al-4V，用于制做飞机机架配件。. 中国最大资料库下载