机械制造工程基础第1.5章粉末冶金成形相ppt课件

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1、 粉末冶金是以金属粉末粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物的混合物)为原料，经过成形、烧结或热成形制成金属为原料，经过成形、烧结或热成形制成金属制品或资料的一种冶金工艺技术。粉末冶金消费工艺与制品或资料的一种冶金工艺技术。粉末冶金消费工艺与陶瓷制品的消费工艺类似，因此人们又经常称粉末冶金陶瓷制品的消费工艺类似，因此人们又经常称粉末冶金方法为方法为“金属陶瓷法。金属陶瓷法。粉末冶金资料或制品种类较多，主要有粉末冶金资料或制品种类较多，主要有:难熔金属及其合金如钨、钨难熔金属及其合金如钨、钨钼合金；钼合金；组元彼此不相溶、熔点非常悬殊的特殊性能资料组元彼此不相

2、溶、熔点非常悬殊的特殊性能资料如钨如钨铜合金型电触头资料；铜合金型电触头资料；难熔的化合物和金属组成的各种复合资料如硬质难熔的化合物和金属组成的各种复合资料如硬质合金、金属陶瓷等。合金、金属陶瓷等。第第5 5章章 粉末冶金成形粉末冶金成形 粉末冶金的优点：粉末冶金的优点：1 1某些特殊性能资料的独一制造方法；例如，多孔资料、某些特殊性能资料的独一制造方法；例如，多孔资料、氧化物弥散强化合金、硬质合金等。另外，这种方法也有氧化物弥散强化合金、硬质合金等。另外，这种方法也有能够用来制取高纯度的资料而不给资料带来污染。能够用来制取高纯度的资料而不给资料带来污染。2 2可直接制出尺寸准确，外表光洁的零

3、件，是少甚至无可直接制出尺寸准确，外表光洁的零件，是少甚至无切削消费工艺；切削消费工艺；3 3节约资料和加工工时，本钱低。节约资料和加工工时，本钱低。粉末冶金的缺陷：粉末冶金的缺陷：1 1流动性较差，外形受限制；流动性较差，外形受限制；2 2压制成形的压强较高，制品尺寸较小；压制成形的压强较高，制品尺寸较小；3 3压模本钱较高。压模本钱较高。4 4制品强度较低；制品强度较低；v粉末冶金运用粉末冶金运用v粉末冶金经济效益铜基含油轴承(套)铁基摩擦资料铁基摩擦资料-坦克、装甲车辆制动片坦克、装甲车辆制动片 铁基构造零件铁基构造零件-真空泵转子真空泵转子 金刚石制品金刚石制品-锯片锯片 粉末冶金产品

4、粉末冶金产品汽车零部件粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品第第1 1节节 粉末冶金根底粉末冶金根底 粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处置、成形、粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处置、成形、烧结及后处置等。粉末冶金资料或制品的工艺流程如图烧结及后处置等。粉末冶金资料或制品的工艺流程如图5-5-1 1所示。所示。5.1.1 5.1.1 粉末性能和粉末制备粉末性能和粉末制备5.1.1.1 5.1.1.1 粉末性能粉末性能 固态物质按分散程度不同分成致密体、固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体三类。粉末体和胶体三类。致密体或常说的固体：粒径在致密体或常说的固体：粒径在l

5、l 以以上；上；胶体微粒：胶体微粒：0.1 0.1 以下；以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。粉末体或简称粉末：介于二者之间。mmm前往文档前往文档原料粉末原料粉末其他添加剂其他添加剂混合混合松装烧结松装烧结石膏模石膏模粉末浇注粉末浇注模压成形模压成形预烧结预烧结烧结烧结二次模压二次模压二次烧结二次烧结整形整形高温烧结高温烧结锻造锻造拉丝拉丝烧结烧结锻锻 造造轧轧 制制挤挤 压压冷等静压冷等静压轧轧 制制挤挤 压压烧烧 结结热热 压压热热 挤挤 压压热等静压热等静压后续处置选择：浸渍后续处置选择：浸渍热处置热处置 电镀电镀 机械加工机械加工粉末冶金资料、制品粉末冶金资料、制品图图5-1 粉末

6、冶金资料或制品的工艺流程粉末冶金资料或制品的工艺流程 金属粉末的性能对其成形和烧结过程以及制品的质量金属粉末的性能对其成形和烧结过程以及制品的质量都有艰苦影响。金属粉末的性能可以用化学成分、物理性都有艰苦影响。金属粉末的性能可以用化学成分、物理性能和工艺性能来表征。能和工艺性能来表征。1.1.粉末的化学成分粉末的化学成分 粉末的化学成分普通是指主要金属或组元的含量、杂粉末的化学成分普通是指主要金属或组元的含量、杂质或夹杂物的含量以及气体的含量。质或夹杂物的含量以及气体的含量。金 属 或 合 金 粉 末 中 的 主 要 金 属 含 量 都 不 能 低 于金 属 或 合 金 粉 末 中 的 主 要

7、 金 属 含 量 都 不 能 低 于98%98%99%99%。粉末中的杂质主要指：粉末中的杂质主要指：1 1与主要金属结合，构成固溶体或化合物的金属或非金属与主要金属结合，构成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如复原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；成分，如复原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；2 2从原料和粉末消费过程中带进的机械夹杂，如二氧化硅、从原料和粉末消费过程中带进的机械夹杂，如二氧化硅、三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。3粉末外表吸附的氧、水汽和其他气体粉末外表吸附的氧、水汽和其他气体N 2、CO2。2.粉末的物理性能粉

8、末的物理性能 粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒外形与构造、显微硬度、粉末比外表、粉末真密度以及粉外形与构造、显微硬度、粉末比外表、粉末真密度以及粉末颗粒的晶格形状。在技术条件中，通常只规定各级粉末末颗粒的晶格形状。在技术条件中，通常只规定各级粉末颗粒的百分含量颗粒的百分含量粒度组成或筛分组成粒度组成或筛分组成。1颗粒外形：主要由粉末的消费方法决议，同时也与物质颗粒外形：主要由粉末的消费方法决议，同时也与物质的分子或原子陈列的结晶几何学要素有关；决议粉末工艺的分子或原子陈列的结晶几何学要素有关；决议粉末工艺性能。性能。2粒度组成：指

9、不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，粒度组成：指不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，又称粒度分布。又称粒度分布。3粉末比外表：指每克粉末所具有的总外表积，通常用粉末比外表：指每克粉末所具有的总外表积，通常用cm2/g或或m2/g表示。表示。3.3.粉末的工艺性能粉末的工艺性能 粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、紧缩性粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、紧缩性与成形性来表征。与成形性来表征。1 1松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位体积内粉末的质量，单位为位体积内粉末的质量，单位为g gcm3cm3。2 2流动性是流动性是50g

10、50g粉末从规范的流速漏斗流出所需的时间，粉末从规范的流速漏斗流出所需的时间，单位为单位为s s50g50g，其倒数是单位时间内流出粉末的分量，俗，其倒数是单位时间内流出粉末的分量，俗称为流速。称为流速。3 3紧缩性代表粉末在压制过程中被压紧的才干，通常以紧缩性代表粉末在压制过程中被压紧的才干，通常以在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。4 4成形性是指粉末压制后，压坯坚持既定外形的才干，成形性是指粉末压制后，压坯坚持既定外形的才干，通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。强度来表示。5.

11、1.1.2 5.1.1.2 粉末的制备粉末的制备 金属粉末的制取方法可分成两大类：机金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。械法和物理化学法。机械法是将原资料磨碎成粉而不改动原机械法是将原资料磨碎成粉而不改动原资料的化学成分的方法。如将金属切削成粉资料的化学成分的方法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的制末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的制粒和雾化。粒和雾化。物理化学法是在制取粉末过程中，使原物理化学法是在制取粉末过程中，使原资料遭到化学或物理的作用，而使其化学成资料遭到化学或物理的作用，而使其化学成分和集聚形状发生变化的工艺过程。复原金分和集聚形状发生变化的工

12、艺过程。复原金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以复原和离解等化法等。物理化学制粉法是以复原和离解等化学反响为根底的。学反响为根底的。工业上普遍采用的有：氧化物复原法、电工业上普遍采用的有：氧化物复原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。化法。5.1.2 5.1.2 粉末的成形粉末的成形 5.1.2.1 5.1.2.1 成形方法成形方法 成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成

13、形的目的是制得具有一定外形、尺寸、密度和强度的压的是制得具有一定外形、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最根本方法。形是最根本方法。松装烧结松装烧结粉浆浇注粉浆浇注模压成形模压成形热压成形热压成形等静压成形等静压成形轧制成形轧制成形离心成形离心成形挤压成形挤压成形爆炸成形爆炸成形成形成形无压成形无压成形加压成形加压成形1.1.粉末预处置粉末预处置 预处置包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加光滑剂预处置包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加光滑剂等。等。粉末的预先退火可使氧化物复原，降低碳和其他杂质粉末的预先退火可使氧化物复

14、原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体构造化、稳定粉末的晶体构造 。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进展分级。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进展分级。混合普通是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合混合普通是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。此来改善粉末的流动性。5.1.2.2 5.1.2.2

15、压制成形压制成形2.2.压制成形压制成形 压模压制是将置于压模内的松散粉压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、外形和一定密度、强度的压坯，尺寸、外形和一定密度、强度的压坯，如图如图5-25-2是压模表示图。是压模表示图。粉末的紧缩过程普通采用压坯密粉末的紧缩过程普通采用压坯密度度成形压力曲线来表示，如图成形压力曲线来表示，如图5-35-3所示。压坯密度变化分为三个阶段。所示。压坯密度变化分为三个阶段。滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力添

16、加而急剧添加；二是粉末体出压力添加而急剧添加；二是粉末体出现紧缩阻力，即使再加压其孔隙度不现紧缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显能再减少，密度不随压力增高而明显变化；三是当压力超越粉末颗粒的临变化；三是当压力超越粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开场变形，从而界压力时，粉末颗粒开场变形，从而使其密度又随压力增高而添加。使其密度又随压力增高而添加。图图5-2 模压表示图模压表示图 图图5-3 压坯密度与压力压坯密度与压力 压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图验，得到如图5-45-4所示的压坯外形，各层的厚度

17、和外形均发所示的压坯外形，各层的厚度和外形均发生了变化，由图生了变化，由图5-55-5可知在任何垂直面上，上层密度比下层可知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在程度面上，接近上模冲的断面的密度分布是两密度大；在程度面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。两边小。由于粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引由于粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。在高度

18、方向存在明显的压力降。a)压制前压制前 b)压制后压制后图图5-4 用石墨粉作隔层的单向压坯用石墨粉作隔层的单向压坯图图5-5 压坯密度沿高度分布图压坯密度沿高度分布图 为了改善压坯密度的不均匀性，普通采取以下措施：为了改善压坯密度的不均匀性，普通采取以下措施：1 1减小摩擦力：模具内壁上涂抹光滑油或采用内壁更光减小摩擦力：模具内壁上涂抹光滑油或采用内壁更光洁的模具；洁的模具；2 2采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性，如图采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性，如图5-55-5所示；所示；3 3模具设计时尽量降低高径比。模具设计时尽量降低高径比。粉末的压制普通在普通机械式压力机或液压机

19、上进展。粉末的压制普通在普通机械式压力机或液压机上进展。常用的压力机吨位普通为常用的压力机吨位普通为5005005000kN5000kN。如图如图5-65-6为双向压制衬套的为双向压制衬套的4 4个工步表示图。个工步表示图。前往文档前往文档a)a)填充粉料填充粉料 b)b)双向压坯双向压坯 c)c)上冲模复位上冲模复位 d)d)顶出坯块顶出坯块 图图5-6 5-6 双向压制粉末冶金坯块工步表示图双向压制粉末冶金坯块工步表示图5.1.3 5.1.3 烧结烧结 烧结是将压坯按一定的规范加热到规定烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物温度并保温一段时间，使压坯获得一

20、定的物理及力学性能的工序。理及力学性能的工序。烧结机理：粉末的外表能大，构造缺陷烧结机理：粉末的外表能大，构造缺陷多，处于活性形状的原子也多，它们力图把多，处于活性形状的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放发明了条件，由此末原子所储存的能量释放发明了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度添加，增大，导致孔隙减少，密度增高，强度添加，构成了烧结。构成了烧结。固相烧结：烧结发生在低于其组成成分固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度

21、，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相外表张力的作用下，颗液相烧结时，在液相外表张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。烧结时的影响要素：烧结温度、烧结时间和大气环境，烧结时的影响要素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末资料、颗粒尺寸及外形、外表特性以及压制压力等。粉末资料、颗粒尺寸及外形、外表特性以及压制压力等。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气

22、氛见表常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-15-1。烧。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓亦大，产生所谓“过烧的废品；如烧结温度过低或时间过烧的废品；如烧结温度过低或时间过短，那么产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓过短，那么产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓“欠烧的废品。欠烧的废品。粉冶资料粉冶资料铁基制品铁基制品铜基制品铜基制品硬质合金硬质合金不锈钢不锈钢磁性资料磁性资料(Fe-Ni-(Fe-Ni-C0)C0)钨、铝、钨、铝、钒钒烧结温烧结温度度10501050 20002000700700

23、 9009000 0 1550155012501250120012001700 1700 33003300烧结气氛烧结气氛发生炉煤发生炉煤气，分解气，分解氨氨分解氨，分解氨，发生炉煤发生炉煤气气真空、氢真空、氢氢氢氢、真空氢、真空氢氢表表5-1 5-1 常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛 5.1.4 5.1.4 后处置后处置 后处置的方法按其目的不同，有以下几种：后处置的方法按其目的不同，有以下几种：1 1为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处置及化学热处置。浸油、热锻与热复压、热处置及化学热处置。2 2为改善制件外表的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处置、磷为改善制件外表的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处置、磷化处置、电镀等。化处置、电镀等。3 3为提高制件的外形与尺寸精度，方法有：精整、机械加为提高制件的外形与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。工等。4 4熔渗处置，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制熔渗处置，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制造的孔隙中去，以添加烧结件的密度、强度、塑性或冲击造的孔隙中去，以添加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。韧度。