粉末冶金原料标准粉末冶金原理黄培云课后题答

发布日期:2020-08-21 17:10

  粉末冶金MIM法及PM法介绍_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。MIM&PM介绍 1 目录 第一章 1.1 MIM介绍………………………… 3 1.2 MIM材料 …………………………4 第三章 2.1 PM绍 …………………………19 2.2 PM材料

  MIM&PM介绍 1 目录 第一章 1.1 MIM介绍………………………… 3 1.2 MIM材料 …………………………4 第三章 2.1 PM绍 …………………………19 2.2 PM材料 ………………………20 1.3 MIM制造流程 ……………………5 1.4 后续加工及检验流程……………14 1.5 MIM优点及材料 ………………15 第四章 2.3 PM制造流程 …………………22 2.4 PM优点 ………………………24 2.5 PM应用领域 ………………… 25 4.1 MIM与MIM与其他制程比较…26 4.2 MIM、PM与P&M的比较 …… 28 1.6 应用领域 ……………………… 16 第三章 2.1 P&M介绍 ……………………… 17 2.2 P&M制造流程 ………………… 18 2 第一章 1.1 MIM 概念: MIM 介绍 金属注射成形 ( Metal injection Molding ,MIM ) 是一种将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射 于模型中的成形方法。(与热塑性物质(如塑料或石蜡等)混合的金属粉末,在注塑机上塑压成形的工艺) 合金刀 齿轮 钻头 3 1.2 MIM常用材料 MIM技术适用材料: MIM工艺适用的材料非常广,包括低合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金、钨 合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、Kovar合金、精细陶瓷等。见表1 常用 的PIM材料及其应用领域。 表1 常用的MIM材料及其应用领域 材料体系 合金牌号、成分 应用领域 汽车 低合金钢 不锈钢 硬质合金 陶瓷 重合金 Fe-2Ni、 Fe-8Ni 316L 、17-4PH、 420、 440C WC-Co Al 2O3 、 ZrO2 、 SiO2 W-Ni-Fe、 W-Ni-Cu、 W-Cu 汽车、机械等行业的各种结构件 医疗器械、钟表零件 各种刀具、钟表、手表 IT电子、日常生活用品、钟表 军工业、通讯、日用品 钛合金 磁性材料 工具钢 Ti、Ti-6Al-4V Fe、 NdFeB、 SmCo5、Fe-Si CrMo4、M2 医疗、军工结构件 各种磁性能部件 各种工具 工具 4 1.3 MIM制造流程说明 5 1.3.1:金属粉末 一:铁粉造粒常见一般可分两类: 1.气喷粉 ………顆粒较圆(见左下图) 2.水喷粉 ………成不规则状(见下图) 二:粉末制备: 1.雾化制粉(见左右图) 、2.还原法、3.机械合金化 4.气相沉积、5.溶胶凝胶、6.自蔓燃反应合成、7.电解 雾化制粉 气喷粉 x2500倍 水喷粉 x2500倍 6 1.3.2 结合剂 结合剂又称粘结剂 功能: 1.具有提高粉粒的流动性外,并兼具有润滑和润湿(Wetting)作用,可防止微细粉末的结块 (agglomeration),及在射出成形阶可能引起模壁的摩擦损耗和粉粒结合剂的相分离(Phase separation), 2.可以避免产生异质(Anisotropic)胚体,及不同大小、方向的收缩变形问题. 3.结合剂亦可作为胚体经脱脂后主干,籍有少许残留结合剂的键结作用,提升胚体强度和保型性,并 形成多孔性介质通道,以利下一阶段热分解(Thermal degradation)的快速进行。 MIM典型结合剂 序号 F1 F2 F3 F4 F5 F6 体系 石蜡系 石蜡/聚合物系 聚合物/石蜡系 聚合物 水溶性聚合物系 催化脱脂聚合物系 主要结合剂 石蜡 石蜡 PP、PE、PS(HIGH MW) HIGH MW PS 10-20%PMMA PA 次要结合剂 蜂蜡 PE、PP、PA、PS、PEVA、PEA 石蜡 低分子量树脂 PEG 10-20%非催化聚合物 添加剂 硬脂酸 硬脂酸、油酸、邻苯二甲酸 硬脂酸 石油 未知 未知 *PE:聚乙烯、PP:聚丙烯、PA:聚醛树脂、PS:聚苯乙烯、PEG:聚乙二醇、PMMA:聚甲基丙烯甲酯、PEA:聚乙烯胺 PEVA:聚乙烯乙烯乙酸共聚物 7 1.3.3: 混料 + 结合剂(Original Binder) 混炼比例依材料特色、铁粉不同比例也 会有差异一般结合剂占5%~8% 金属粉末( Metal Powder) 混炼比例依材料特色、铁粉不同比例也 会有差异一般铁粉占92%~95% 1.3.4: 混炼 将已选取金属粉末和结合剂,依适当成分比例充分混合后,经由混炼、造粒,粉末冶金原理黄培云课后题答案制出适合射出成形 机使用素料(Feedstock) 8 1.3.5 射出成型 将以具塑质特性的素料,射入金属模具内部加以成形,固化后脱模,即形成生胚(Green compact) 成形方式:喷射沉积、注射成形、挤压成形、粉末锻造、粉末轧制、温压成形、冷热等静压及特种 固结技术、爆炸成形 金属射出成型机 射出流程说明 9 1.3.6 脱脂 将生胚内部外加之结合剂成分予以去除,次过程称为:脱脂(Debinding) 而经过脱脂后产品则称为:棕胚(Brown compact) 脱脂 3、通过溶剂萃取等脱脂方法去除大部分的粘接剂,粉末冶金原料标准余下 部分用于支撑产品形状已使得零件可以进入烧结炉。 10 1.3.6 烧结 将棕胚施以高温烧结处理,即可获取高致密度的金属零件产品。 烧结分为:微波烧结、反应烧结、液相烧结、超固相线液相烧结、电火花烧结、原位成形 烧结 4、脱脂后产品进入烧结炉,先去除残留的粘接剂,随后被 加热到很高的温度,使金属颗粒收缩形成致密的金属部件。 大多数MIM材料,烧结后的相对密度在95%-98% 这使的产品性能与锻造材料相似 11 1.3.7: 一般烧结炉种类可分: 1.线.连续烧结炉(见右图) 以真空烧结举例: 一.真空烧结的优点有: 真空烧结炉 最稳定烧结方式 连续烧结炉 1.极佳的制程稳定性,产品的制造品质控制容易 2.烧结品品质极佳,表面不含有氧化层。材质不会有偏析的现象 3.高速升温和恒温之控制甚佳,亦可达到高压气淬,制程有极佳的效率。 4.工作环境比一般连续炉为佳,炉体不会放热,保温性良好,没有大量的排气,操作安静(除了机械帮 浦会发出噪音外)。 5.以操作成本和操作效率比较,线.真空炉的操作全属自动化,操作简单。 二.真空烧结的缺点: 真空炉不论是批次式或连续式,其最大的缺点是设备的成本比较高。 12 真空烧结流程说明 萃取 烧结 烧结排放 针对不同工件, 制订该工件最 稳定烧结排放 方式 13 1.4: 后续加工及检验流程 后加工细分为 加工:整形、攻牙等 热处理:渗碳、淬火、回火等 振动研磨、喷沙、抛光等 表面处理:喷漆、电镀、电泳(ED)等 后加工 5、根据产品要求不同,可以选择机加工、热处理、电镀、抛光、 PVD、拉丝、镭雕等处理方式得到符合要求的产品 再加工(部分) 品质检验 制成品 出货影像式量測 针对小工件或抽样数多 时,利用CNC量測系统 达到检验时效及准确性. 2.自动量产全检设备 针对客戶端,部分重点尺 寸需要确保时,我司会采 取100%全检. 14 1.5.1 MIM工艺的技术特点 MIM是将金属粉末(例如不锈钢粉末)与塑胶混合后射出成形,因此可以得到与塑胶相同的 成形结果。之后再以加热法或溶剂法,将混合的塑胶去除,进行烧结。这种技术不同於压缩的粉 末冶金法,表层部与中心部的密度没有落差,可以生產均匀而高密度的產品。 1.5.2 MIM工艺的技术优点 MIM技术作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术,具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造方法无法 比拟的优势,在制备具有三维复杂几何形状、均匀组织结构和高性能的近净成形产品方面具有独特的优势, 具体如下: 1.能象生产塑料制品一样,一次成形生产形状复杂的小型金属陶瓷等零部件(重量:0.1-500g、产品品质量越 大?材料成本比例越大、且制程时间越长) 2.制件各部分组织均匀、尺寸精度高、相对密度高( 产品强度、硬度、延伸率等力学性能高,耐磨性好,耐 疲劳,组织均匀、密度?95% - 99.5%混合密度、近铸造或锻造件) 3.产品成本低,表面光洁度好,烧结精度好?一般0.003~0.005 inch/inch、精密0.05% ,一般无需后续加工。表 面粗度好Ra 5。制造良好表面抛 4.产品质量稳定,生产效率高,原材料利用率高,生产自动化程度高,工序简单,易于实现大批量、规模化生 产。 5.可适用精密复杂的几何物体及各种合金、混合及特性材料的广泛应用 6.厚度?0.5mm 7.性质:可用材质范围广?可做高強度、高韧性、高硬度、耐高溫、电性、磁性、高散热性、低热膨胀性材料 等产品 15 1.6 MIM技术的应用领域 1.计算机及其辅助设施:如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件 2.工具:如钻头、刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、扳手、电工工具,手工具等 3.家用器具:如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头 等零部件 4.医疗机械用零件:如牙矫形架、剪刀、镊子 5.军用零件:导弹尾翼、零件、弹头、药型罩、引信用零 6.电器用零件:微型马达、电子零件、传感器件 7.机械用零件:如松棉机、纺织机、卷边机、办公机械等 8.汽车船舶用零件:如离合器内环、拔叉套、分配器套、汽门导管、同步毂、安全气囊 16 第二章 2.1 P&M介绍 P&M介绍 P&M技术是结合MIM的前制程,调整结合剂的配方,加上不同与MIM后制程的机械注射挤压制程所改良出 来的一种全新的生产制作流程 2.2 P&M制造流程说明: 17 2.3P&M的优点 一.简化工序 1.1运用调配结合剂的比例来改善后段制程,简化工序。 1.2减少混炼及脱脂的工序。 二.可缩短生产时间 除了1.1项的工序简化,加上变更毛胚制作过程,以及烧结的时间缩短了近达7-8小时。 三.是一种不影响产品品质下的低生产成本生产技术。 产品应用如下:汽、机车零件,电动代步车、运动器材、食品机器、计算机周边零件、手机零件、电动 、气动、手动工具零件、事务机器、针车、纺织、电机、农机零件、油帮浦、齿轮、含油轴承、不锈 钢零件、各种锁具及小五金等 18 第三章 3.1: PM 概念 PM 介绍 粉末冶金是一种以金属粉末为原料,经压制和烧结制成 各种制品的加工方法。 粉末冶金技术包含三个主要步骤,首先,主要组成材料 被造粒成细小颗粒的粉末; 然后,将粉末填入成型模具内, 施以一定的压力,先形成具有所需零件形状和尺寸的生坯体 (green body), 最后,对此坯体进行高温烧结。 齿轮 凹凸轮 减震器配件 19 3.2 PM材料及用途介绍: 1.粉末冶金材料是指用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料,通过配料、压制成形、烧结等工艺过程而 制成的材料。这种工艺过程称为粉末冶金法,是一种不同于熔炼和铸造的方法。其生产过程与陶瓷制品 相类似,粉末冶金原理黄培云烧结所以又称金属陶瓷法。 2.粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷 、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。 通常按用途分为7类: ①粉末冶金减摩材料:又称烧结减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体 润滑剂制得。材料表面间的摩擦系数小,在有限润滑油条件下,使用寿命长、可靠性高;在干摩擦 条件下,依靠自身或表层含有的润滑剂,即具有自润滑效果。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端 面密封等。 ②粉末冶金多孔材料:又称多孔烧结材料。由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成型、烧结制成。 材料内部孔道纵横交错、互相贯通,一般有30%~60%的体积孔隙度,孔径1~100微米。透过性能和 导热、导电性能好,耐高温、低温,抗热震,抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置 、防冻装置等。 ③粉末冶金结构材料:又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷,并能在摩擦磨损条件下工 作。由于材料内部有残余孔隙存在,其延展性和冲击值比化学成分相同的铸锻件低,从而使其应用 范围受限。 20 ④粉末冶金摩擦材料:又称烧结摩擦材料。由基体金属(铜、铁或其他合金)、润滑组元(铅、石墨、 二硫化钼等)、摩擦组元(二氧化硅、石棉等)3部分组成。其摩擦系数高,能很快吸收动能,制 动、传动速度快、磨损小;强度高,耐高温,导热性好;抗咬合性好,耐腐蚀,受油脂、潮湿影响 小。主要用于制造离合器和制动器。 ⑤粉末冶金工模具材料:包括 硬质合金 、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀,晶粒细小,没有偏析,比 熔铸高速钢韧性和耐磨性好,热处理变形小,使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯 件。 ⑥粉末冶金电磁材料:包括电工材料和磁性材料。电工材料中,用作电能头材料的有金、银、铂等贵金 属的粉末冶金材料和以银、铜为基体添加钨、镍、铁、碳化钨、石墨等制成的粉末冶金材料;用作 电极的有钨铜、钨镍铜等粉末冶金材料;用作电刷的有金属-石墨粉末冶金材料;用作电热合金和热 电偶的有钼、钽、钨等粉末冶金材料。磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料有磁性粉末、 磁粉芯、软磁铁氧体、矩磁铁氧体、压磁铁氧体、微波铁氧体、正铁氧体和粉末硅钢等;硬磁材料 有硬磁铁氧体、稀土钴硬磁、 磁记录材料 、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各种转换、传递、 储存能量和信息的磁性器件。 ⑦粉末冶金高温材料:包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、 金属陶瓷 、弥散强化和纤维强化材料 等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。 ZCF-1磁粉 ZCF-2磁粉 21 3.3 PM整体流程 原料 常温成型 成型 一般铜系烧结 一般铁系烧结 高温烧结 温压成型 烧结 热处理: 蒸汽处理 后处理 精整 机加工 洗净 出货 油浸 22 2.3.1 PM主要流程介绍: 粉末冶金的生产过程: 1.生产粉末:粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入 汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。 2.压制成型:粉末在500~600MPa压力下,压成所需形状。 3.烧结:在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化,烧结时至少有一种元素仍处于固态。 烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程,成为具有一定 孔隙度的冶金产品。 4.后处理:一般情况下,烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的 制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。 23 3.4 粉末冶金工艺的优点: 1. 制备绝大多数难熔金属、陶瓷材料与核材料及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2.由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯(近型成形),而不需要或很少需要随后的机械加工,故能大大 节约金属,降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时,金属的损耗只有1-5%,而用一般熔铸方法生产时 ,金属的损耗可能会达到80%。 3.由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料,也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质,而烧结一 般在真空和还原气氛中进行,不怕氧化,也不会给材料任何污染,故有可能制取高纯度的材料。 4.粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。粉末冶金应用哪些产品 5.粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品,特别是齿轮等加工费用高的产品,用粉末冶金法制造能大大 降低生产成本。 6.粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法,也是一种无切屑或少切屑的加工方法(切削加工仅40~ 50% )。它具有生产率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等优点。但金属粉末和模具费用高, 制品大小和形状受到一定限制,制品的韧性较差。 7.制品的致密度可控,如多孔材料、高密度材料等; 8.晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析; 9.材料组元可控,利于制备复合材料; 特征:技术多样性;粉末制备、成形、烧结技术多选择;工艺复杂性;手段先进性;性能优异性;零件复杂性; 规模扩大性;成本低廉性。 3.5 粉末冶金工艺缺点 24 1:在没有批量的情况下要考虑 零件的大小. 2:模具费用相对来说要高出铸造模具. 3.6 粉末冶金的应用 汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技 产业等迅猛发展。 汽车上已大量采用粉末烧结金属,据统计,在日本每台车上约有40~60个烧结零件。在美国制造汽 车所用粉末金属1995年就已经达到12.7kg/车,其应用范围包括机械零件、滑动零件、摩擦零件、多孔材 料、磁性材料、超硬工具材料、电工材料等。例如,一种粉末金属精密铸造连杆在发动机制造业十分流 行,巴依尔公司已将这种连杆作为轿车和摩托车发动机的标准件。克莱斯勒公司也已经在2.0L和2.4L发动 机上使用这种粉末金属连杆;通用公司也已经将这种连杆用于4.6LNorthstar和4.0LAuroraV8发动机。福特 公司Modular发动机的装配式凸轮轴的凸轮采用粉末金属制造。粉末金属在发动机上的进一步应用是在有 色粉末金属缸套的基础上开发完整的汽缸系统,即活塞/活塞环/缸套系统。 结语 粉末冶金(P/M)技术是一门重要的材料制备与成形技术,被称为是解决高科技、新材料问题的钥匙 …。高性能、低成本、净近成形一直以来是粉末冶金工作者重要研究课题之一。粉末冶金法能实现工件 的少切削、无切削加工,是一种高效、优质、精密、低耗节能制造零件的先进技术。进入20世纪80年代 许多行业,特别是汽车工业比以往任何时候更加依赖于粉末冶金技术,尽可能多地采用粉末冶金高性能 的零部件是提高汽车尤其是轿车在市场中的竞争能力的一种有力手段。高密度的P/M产品是保证其具有优 异的力学性能的关键因素。因此,为扩大粉末冶金P/M零部件的应用范围,必须提高其密度以获得力学性 能优异的粉末冶金零部件。目前,常用来提高P/M零部件密度的技术途径主要有: 粉末冶金材料的发展方兴未艾,汽车工业是粉末冶金的最大市场,随着粉末品质的不断提高,粉末 制造成本的不断下降,成形机设备的费用不再偏高,粉末冶金材料的应用会越来越广。 25 总结 MIM与其他制程比较 26 1.MIM 与传统粉末冶金相对比 MIM可以制造复杂形状的产品,避免更多的二次机加工、产品密度高、耐蚀性好、强度高、延展性好。 可以将2个或更多PM产品组合成一个MIM产品,节省材料和工序。 2 .MIM与机械加工相对比 MIM 设计可以节省材料、降低重量、可以将注射后的浇口料重复破碎使用,不影响产品性能,材料利用率 高、通过模具一次成形复杂产品,避免多道加工工序、可以制造难以机械加工材料的复杂形状零件。 3.MIM 与精密铸造相对比( 1.精準度方面MIM可以生產能比精密铸造更精密度,製造出来的工件表面粗度更 细緻、更光滑。) MIM 可以制造薄壁产品,最薄可以做到0.2mm、产品表面粗糙度更好、更适宜制细盲孔和通孔、大大减少了 二次机加工的工作量、可以快速的大批量、低成本制造小型零件。 27 MIM、PM与P&M的比较 MIM 原料成分 粉末粒径(um) PM 40以上 低 低 80-85 HRC45-48 二维复杂形状 =10 P&M 0.5-100 低 高 95-99.99 HRC51-55 三维复杂形状 0.5-20um 高 高 95-99.9 HRC53-55 三维复杂形状 =200 成本 产品寿命 产品密度(%) 产品硬度 产品形状 产品重量(g) 28 谢谢 29