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发布日期:2020-07-07 03:42

  粉末冶金_材料科学_工程科技_专业资料。第四章 粉末冶金 粉末冶金:一种以 金属粉末或 金属与非金属粉末的 混合物为原料,经过成型和烧结而制取金属材料、复 合材料及其制品的工艺过程。 它既是制取金属材料的一种冶金方法,又是制 造机器零件

  第四章 粉末冶金 粉末冶金:一种以 金属粉末或 金属与非金属粉末的 混合物为原料,经过成型和烧结而制取金属材料、复 合材料及其制品的工艺过程。 它既是制取金属材料的一种冶金方法,又是制 造机器零件的一种加工方法。粉末冶金技术的雏形 在公元前 3000 年左右就出现了,但是直到 1909 年首 次制成电灯钨丝(钨粉成形、烧结锻打拉丝)以后, 粉末冶金技术才有了快速发展,应用范围也越来越 广泛。 一. 粉末冶金的特点 (1) 可制取多组元无偏析的金属材料、复合材料 用熔炼方法制取多组元金属材料时,如果各组 元的密度和熔点相差较大则易出现比重偏析和低熔 点组元大量挥发等问题,甚至难以制成。 而粉末冶金采用粉末混合方法,可使成分均匀, 烧结时温度低于熔炼温度,基体金属不熔化,所以 能获得无偏析的多组元材料和颗粒或纤维增强的复 合材料。 (2) 可制取多孔材料 粉末冶金没有熔炼过程,粉末颗粒间有孔 隙存在,并且分布均匀。控制粉末的粒度、成形 压力和烧结工艺,就可控制孔隙的大小及材料的 孔隙度,从而制得各种多孔材料。 多孔材料主要用于过滤、热交换和减磨材料 (如多孔含油轴承)。 (3) 可生产硬质合金与难熔金属材料 常用的难熔金属有钨、钼、钽、铌、锆、钛等,粉末冶金硬质合密度 它们的碳化物、氮化物具有极高的硬度,是硬质合 金的主要原料。 这些难熔金属及其碳化物、氮化物的熔点一般 在1800?C以上,采用熔炼方法会遇到熔化和炉衬 (或坩埚)材料选取的困难,ag8集团而采用粉末冶金工艺, 烧结温度仅为基体金属熔点的2/3到3/4,工艺上问 题较少。因此,粉末冶金是制取难熔金属材料的最 好方法。 粉末冶金法生产的硬质合金件 (4) 材料的利用率高,接近100% 粉末冶金方法生产出来的工件,在形状和尺寸 上已经达到或基本达到零件的要求,无须或只需少 量的切削加工。 (5) 适用于大批量生产 ——粉末冶金的局限性 ?金属粉末的生产成本较高,模具费用也较高; ?受设备的限制,产品的尺寸不宜过大; ?因粉末的流动性较差等因素,产品的形状不能太 复杂; 下图是一些典型粉末冶金产品的照片 二. 粉末冶金工艺过程 制取原料粉末?配料混合?压制成形 制品 ?烧结? 其它处理加工 ? 制品 三. 制取粉末的方法 原料粉末一般由专门的工厂或车间生产,直接 向用户提供粉末产品。粉末冶金用的粉末种类很多, 从材质来看,有金属粉末、合金粉末、金属化合物 粉末等;从粉末的粒度来看,从粒度为500-1000?m 的粗粉末到粒度小于0.1?m(100nm)的超细(纳米) 粉末都有。不同材质和不同粒度的粉末所采用的制 粉方法是不同的。 从制粉过程的实质来看,现有制粉的方法大致 可归纳为机械法和物理化学法两大类: 机械法——将原料机械地粉碎而制取粉末,而 化学成分基本上不发生变化。 机械法可分为机械粉碎法和雾化法: 机械粉碎法包括:机械研磨(如球磨,适于脆性 金属粉末)、旋涡研磨(适于软金属料)和冷气流粉 碎等方法。 雾化法包括:气体雾化、水雾化、旋转圆盘雾 化、旋转电极雾化等方法。 1—金属液;2—保温容器; 3—雾化器;4—高 压气体或水;5—雾化金属粉末;6—雾化塔 典型雾化法示意图 物理化学法——利用物理或化学作用,改变原材料 的化学成分或聚集状态而获取粉末的方法。 物理化学法又可分为:还原、还原—化合、气相 还原、化学气相沉积、气相冷凝或离解、液相沉积、 电解、电化学腐蚀等方法。这些方法各自又包含若 干种方法。 虽然粉末的制取方法很多,粉末冶金齿轮的一般精度等级但工业生产中,应 用最广泛的是还原法、雾化法和电解法;而气相沉 积法和液相沉积法在特殊应用时也很重要。 四. 粉末配混 根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种原料 粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分的混合,一般 通过混粉机完成。混匀度越大,表示混合越均匀。 五. 成型方法 成型就是将松散的原料粉末密实成具有一定形状、 尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。成型的方法很 多,可以分为普通模压成型和特殊成型两大类: 1. 普通模压成型 普通模压成型是将配制好的粉料装在钢制压模内, 通过模冲对粉料加压,卸压后压坯从凹模内取出。 成型压力越大,粉 末颗粒之间的孔隙越 少,压坯的密度、强 度越高。压坯的强度 主要来自粉末颗粒之 间的机械啮合力和粉 末颗粒表面原子之间 的引力。但是在生产 中,为了使压坯具有 足够的强度,往往在 成形前添加成形剂。 动画 图4-2 模压成形示意图 1—上模冲,2—凹模, 3—粉料, 4—下模冲 普通模压成形的主要优点: 生产效率高、压坯表面光洁。 普通模压成形的主要缺点: 压坯的密度不均匀、不能压制形状复杂的工件。 动画 压坯密度的 不均匀分布 自动模压机工作情景 2.特殊成型 除了普通模压成形,还有许多成形方法。这些 成形方法按其工作原理和特点分为:等静压成形、连 续成形、无压成形、注射成形、高能成形等,统称为 特殊成形。 (1) 等静压成型 等静压成型又分为冷等静压和热等静压二种。 前者一般采用水或油作为压力介质,加压时不加热; 后者常用气体(如氩气)作压力介质,加压的同时还 要加热,即成型和烧结一次完成。 等静压制的基本原理为: 用高压泵将流体介质(液体或气 体)压入耐高压的钢质密封容器内, 高压流体的静压力直接作用于装在 弹性模套内的粉末体上;粉末体在 各个方向上同时均衡地受压,从而 获得密度均匀和强度较高的压坯。 等静压制的原理图 1—排气阀,2—压紧螺母,3—盖顶,4—密封圈,5—高压容器, 6—橡皮塞,7—模套,8—压制粉料,9—压力介质入口 冷等静压机 用热等静压法制取 的铟锡氧化物导电 陶瓷——ITO靶材 全自动控制的热等静压机 冷等静压一般采用橡胶模套,而热等静压由于要加 热则一般使用金属模套,粉末冶金原料厂家且在热等静压之前还必须将 金属模套抽真空。 等静压制和普通钢模压制相比: 主要优点:压坯的密度高且均匀,压坯的强度较高, 能够压制凹形、空心等复杂形状的压坯,能够压制各 种金属和非金属粉末。 主要缺点:压坯表面较粗糙,生产效率较低。 由于等静压设备,特别是热等静压设备价格昂贵, 所以这种方法主要用来生产一些重要的或要求密度很 高的粉末冶金产品及高级陶瓷材料。 (2) 连续成型 粉末连续成型方法包括粉末轧制法、粉末挤压 法和喷射成型法等。 这些方法的特点是: 粉末体在压力的作用下,由松散状态连续变化成 为具有一定密度和强度以及所需尺寸形状的压坯。 粉末连续成型主要用来生产各种板、带、条材或 管、棒状及其它形状的型材。 粉末轧制成型示意图 1—粉末自由区 2—喂料区 3—压轧区 动画 粉末挤压成型示意图 1—粉料 2—金属包套 3—挤压嘴 4—挤压筒 5—推压杆 动画 动画 (3) 粉末爆炸成型 ——高能成型 爆炸成形是利用炸药爆炸时产生的巨大冲击压力 (可达106MPa),将粉末体压成相对密度极高的压坯。 爆炸成形的特点: ?制品具有优良的综合性能; ?尺寸及表面精度很高; ?能压制出形状复杂的零件和一般压力机无法 压制的大型预成形件; ?成本较低。 爆炸成形装置可以分为直 接加压式和间接加压式两 种: 直接加压式:当雷管引 爆炸药时,瞬时产生巨 大的压力和冲击波压缩 钢管内的粉末体,使其 致密成形。 ? 直接式爆炸成形装置示意图 1—雷管,2—木塞,3—钢垫, 4—粉末,5—钢管,6—硬纸壳, 7—炸药 间接加压式:炸药 爆炸时,冲击能以极 高的速度推动钢冲头 对容器内的液体施加 ? 压力(类似等静压), 液体将把橡胶袋内的 粉末体压实。 间接式爆炸成形装置示意图 1—缓冲装置,2—雷管,3—炸药,4—钢冲头,5— 液体,6—粉末和橡胶包套,7—高压容器 六. 烧结 ——是粉末冶金生产过程中必不可少的工序 粉末冶金从根本上说,是由 粉末成型 和粉末 毛 坯烧结 这两道基本工序组成的。在特殊情况下(如 粉末松装烧结),成型工序可以没有,但是烧结工 序或相当于烧结的高温工序(如热压、热锻)却是 不可缺少的。 1. 烧结概念和分类 烧结是粉末或粉末压坯,在适当的温度和气氛条 件下加热,使粉末颗粒之间通过原子扩散发生粘结,ag8集团, 粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体,从而获得具 有所需物理性能和机械性能的制品或材料。 烧结的方法分类: 按粉末原料的组成可以分成: 单相系:由纯金属、化合物或固溶体组成 多相系:由金属—金属、金属—非金属 或 金属 — 化合物组成 按烧结过程有无明显的液相出现和烧结系统的组成 可以分成: 单元系(只有固相)烧结 多元系固相烧结 多元系液相烧结 熔浸烧结 是液相烧结的特例,它是多孔骨架的固相烧结 与低熔点金属浸透骨架后的液相烧结同时存在。 按烧结方式又可分为: 气体(或填料)保护烧结、真空烧结, 连续烧结、间歇烧结, 加压(包括热等静压)烧结、无压烧结, 活化烧结, 电阻烧结、电火花烧结等。 2. 烧结的基本过程 粉末的等温烧结过程,按时间大致可以分成 三个阶段: (1) 粘结阶段 ——形成烧结颈 烧结初期,粉末颗粒间的原始接触点或面转变 成晶体结合,即通过形核、长大的结晶过程形成烧 结颈。在此阶段,颗粒内部的晶粒不发生变化,颗 粒外形也基本未变,整个烧结体尚未发生收缩 (图a), 密度增加极少;但烧结体的强度和导电性由于颗粒 结合面增大而有明显增加。 (2) 烧结颈长大阶段 动画 原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩大,颗粒间距 缩小,形成连续的孔隙网络。随着晶粒长大,孔隙 大量消失(如图b),烧结体收缩密度和强度增加。 图4-11 球形颗粒的烧结模型 a 烧结前颗粒的原始接触,b 烧结早期烧结颈长大,c、d 烧结后期孔隙球化 (3) 闭孔隙球化和缩小阶段 动画 当烧结体密度达到 90%以后,多数孔隙被完全分 隔而成为封闭的孔隙,闭孔隙形状趋于球形,并不断 缩小(图c, d)。粉末冶金原理教材这个阶段可以延续很长时间,但是仍 残留少量的闭孔隙不能消除。 图4-11 球形颗粒的烧结模型 a 烧结前颗粒的原始接触,b 烧结早期烧结颈长大,c,d 烧结后期孔隙球化 上述三个阶段仅仅说明烧结的主要过程,其 实烧结过程中还有一些可能出现的现象,如粉末 表面气体或水分的挥发、氧化物的还原和离解、 金属的回复和再结晶以及晶体的长大、颗粒内应 力的消除,等等。 烧结的方法和方式要根据粉末的组成、产品 的性能要求、工件的形状尺寸、生产批量等因素 来选择。在满足质量要求的前提下,尽量选择生 产成本低的烧结方法和方式。 3. 压坯烧结的主要技术因素 (1) 烧结温度 固相烧结:T烧结=(2/3~3/4)T熔点 液相烧结:采用下限烧结温度,避免液相处于完 全自由流动状态。 (2) 烧结保温时间 一般小件保温时间短,大件保温时间长;对于 液相烧结,若液相相对量较大,则采用下限烧结 温度而延长保温时间。 (3) 炉内气氛 烧结必须在真空或保护气氛中进行,若是还原 性气体做保护气体则更为有利。 4. 后处理 为了进一步提高粉末冶金制品的性能和形状、 尺寸精度,往往需要对烧结后的坯件再进行后处 理(如:切削加工、锻造、轧制、焊接、热处理、 浸渗处理等)。 粉末锻造: 目的是为了把粉末预成形坯件锻造成致密、 无裂纹、符合形状尺寸要求的零件。 它是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来 的一种新工艺,因此兼有粉末冶金和精密模锻二 者的优点。 粉末冶金制品的热处理: 主要有淬火、渗碳淬火、碳氮共渗、渗硼、硫化处理等 ?淬火可以提高工件的硬度。 ?渗入合金元素则可以提高表面硬度,并能够堵 塞孔隙。硫化处理是为了提高耐磨性能,用于铁 基减磨材料。 ?浸渗处理包括:浸油、浸塑料、浸熔融金属等。 主要是为了降低摩擦系数,提高耐磨性,常用的 含油轴承就是经过浸油处理的。