材料成型第四章课程

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1、第四章第四章 粉末压制和常用复合粉末压制和常用复合材料成形过程材料成形过程v美国金属粉末工业联合会（美国金属粉末工业联合会（MPIFMPIF）将粉末冶金）将粉末冶金定义为：定义为：v制造金属（或无机非金属）粉末和利用金属制造金属（或无机非金属）粉末和利用金属（或无机非金属）粉末生产大块材料和一定形（或无机非金属）粉末生产大块材料和一定形状零件的方法。状零件的方法。v（The arts Of producing metal powders The arts Of producing metal powders and Of the utilization Of metal powders and

2、 Of the utilization Of metal powders for the production of massive materials for the production of massive materials and shaped objectsand shaped objects）。）。v典型的粉末冶金技术包括粉末制备和材料成典型的粉末冶金技术包括粉末制备和材料成形两大类，前者如雾化技术、化学还原技术、形两大类，前者如雾化技术、化学还原技术、溶胶凝胶技术等；后者包括烧结技术、热等溶胶凝胶技术等；后者包括烧结技术、热等静压、粉末注射成形、激光快速成形等。粉静压、粉末注射

3、成形、激光快速成形等。粉末冶金在零部件制造和材料合成方面具有近末冶金在零部件制造和材料合成方面具有近型成形（少、无切削）、材料显微组织细小、型成形（少、无切削）、材料显微组织细小、成分均匀等优点，而且能够制造传统铸造方成分均匀等优点，而且能够制造传统铸造方法无法制备的材料，如多孔材料、复合材料、法无法制备的材料，如多孔材料、复合材料、难熔金属材料和陶瓷材料。因此粉末冶金零难熔金属材料和陶瓷材料。因此粉末冶金零部件由于原材料利用率高（达部件由于原材料利用率高（达95%95%），制造成），制造成本低，材料综合性能好。本低，材料综合性能好。v一、一、粉末冶金发展现状粉末冶金发展现状v（一）粉末冶金产

4、业发展现状（一）粉末冶金产业发展现状现代粉末冶金产业主要起源于现代粉末冶金产业主要起源于2020世纪初。世纪初。v（二）粉末冶金技术发展现状（二）粉末冶金技术发展现状v二、二、粉末压制成形过程粉末压制成形过程v粉末压制是用金属粉末做成原料，经压制成粉末压制是用金属粉末做成原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。其特点是：法。其特点是：v1 1、能够生产出其他方法不能或很难制造的制、能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。品。v2 2、材料的利用率很高，接近、材料的利用率很高，接近100%100%。v3 3、粉末冶金法更为经济。、粉末冶金法更

5、为经济。v4 4、粉末冶金适宜于大批量生产的零件。、粉末冶金适宜于大批量生产的零件。v生产技术流程如下：生产技术流程如下：v原材料粉末原材料粉末 配混配混 压制成形压制成形 烧结烧结v添加剂添加剂 制品制品其他处理加工其他处理加工 制品制品v（一）（一）金属粉末的制取及其特性金属粉末的制取及其特性v1 1、金属粉末的制取、金属粉末的制取v（1 1）矿物还原法：金属矿石在一定冶金条件下被还原后，）矿物还原法：金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。以获得粉末。v（2 2）电解法：采用金属

6、盐的水溶液电解析出或熔盐电解析）电解法：采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。v（3 3）雾化法：将熔化的金属液通过喷射气流、水蒸气或水）雾化法：将熔化的金属液通过喷射气流、水蒸气或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到的金属粉末。的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到的金属粉末。v（4 4）机械粉碎法：钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进）机械粉碎法：钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属

7、粉末。处理的金属粉末。v2 2、金属粉末的特性、金属粉末的特性v（1 1）化学成分）化学成分v（2 2）颗粒形状和大小：通常，粉粒以球状或）颗粒形状和大小：通常，粉粒以球状或粒状为好。粒状为好。v（3 3）粒度分布）粒度分布v（4 4）技术特征）技术特征松装密度松装密度流动性流动性压制性压制性v（二）（二）粉末配混粉末配混v是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物进行充分地混合，此各种金属粉末及添加物进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。工序通过混粉机完成。v（三）（三）压制成形压制成形v1 1、钢模压制：、钢模压制：指在常温下，用机械式

8、压力机或液指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压将钢模内的松装粉末成形为压压机，以一定的比压将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。坯的方法。v2 2、流体等静压制：、流体等静压制：利用高压液体同时从各个方向利用高压液体同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。对粉末材料施加压力而成形的方法。v3 3、三向压制：、三向压制：综合了单向钢模压制和等静压制的综合了单向钢模压制和等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。它它适用于成形形状规则的成形方法得到的压坯。它它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方

9、形等。零件，如圆柱形、正方形、长方形等。v另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制新产品，如杆件、棒料等。制品或轧制新产品，如杆件、棒料等。v（四）（四）压坯烧结压坯烧结v1 1、烧结、烧结v烧结过程在专用的烧结炉中进行，主要技术因素为烧结温度、烧结过程在专用的烧结炉中进行，主要技术因素为烧结温度、保温时间、与炉内气氛。保温时间、与炉内气氛。v2 2、固相烧结与液相烧结、固相烧结与液相烧结v固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态。固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态。v液相烧结指烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点，高温液相烧结指烧结温度超过

10、了其中某种组成粉粒的熔点，高温下出现固、液共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保下出现固、液共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。证了烧结体品质。v3 3、烧结过程中可能发生的问题、烧结过程中可能发生的问题v（1 1）翘曲：一般是由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体）翘曲：一般是由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体中的密度分布不均造成的。中的密度分布不均造成的。v（2 2）过烧：它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长）过烧：它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。过大。v（五）（五）烧结后的其他处理及加工烧结后的其他处理及加工v1 1、渗透（熔渗）、渗透（熔渗）v把低熔

11、点金属或合金渗入到多孔烧结制品的把低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法叫渗透。通过渗透可获得致孔隙中去的方法叫渗透。通过渗透可获得致密制品，此法也可用于烧结体的补充处理。密制品，此法也可用于烧结体的补充处理。v2 2、复压、复压v将烧结后的粉末压制件放到压形模中压一次，将烧结后的粉末压制件放到压形模中压一次，叫复压。它可起一定的校形作用。叫复压。它可起一定的校形作用。v3 3、粉末金属锻造、粉末金属锻造v以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所

12、需零件的方法。形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。v4 4、精压、精压v对于某些制品，为了严格保证其尺寸精度，对于某些制品，为了严格保证其尺寸精度，及进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或及进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序。冲压整形的工序。v5 5、其他后续处理、其他后续处理v（1 1）压制）压制+烧结烧结v（2 2）压制）压制+烧结烧结+复压复压v（3 3）压制）压制+预烧结预烧结+精压精压+烧结烧结v（4 4）压制）压制+预烧结预烧结+精压精压+烧结烧结+复压复压v三、三、粉末压制产品及应用粉末压制产品及应用v（一）粉末压制机械结构零件（一）粉末压制机械结构零件v粉末压

13、制机械结构零件又称烧结结构件，这粉末压制机械结构零件又称烧结结构件，这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。在汽车工业中广泛采用粉末压制制造最广。在汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。零件。v（二）粉末压制轴承材料二）粉末压制轴承材料v1 1、多孔含油轴承材料、多孔含油轴承材料v是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料，用作轴承、衬套等。常用的滑油的减磨材料，用作轴承、衬套等。常用的有铁石墨和青铜石墨含油轴承材料。有铁石墨和青铜石墨含油轴承材料。v2 2、金属塑料减磨材料、金属塑料减磨材料v这是一

14、种具有良好综合性能的无油润滑减磨材这是一种具有良好综合性能的无油润滑减磨材料。这种材料的特点是工作时不需润滑油，有料。这种材料的特点是工作时不需润滑油，有较宽的工作温度范围。较宽的工作温度范围。v（三）多孔性材料及摩擦材料（三）多孔性材料及摩擦材料v1 1、多孔性材料、多孔性材料v多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒以及一些灭火装置等。过滤器是最典型的制以及一些灭火装置等。过滤器是最典型的制品，主要用来过滤燃料油、交换空气、以及品，主要用来过滤燃料油、交换空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。常使用的粉化学工业上过滤液体与气体等。常使用的粉料有青铜、镍、

15、不锈钢等。料有青铜、镍、不锈钢等。v2 2、摩擦材料、摩擦材料v摩擦材料用来制作刹车片、离合器片等，用摩擦材料用来制作刹车片、离合器片等，用于制动与传递扭矩。于制动与传递扭矩。v粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。v（四）（四）硬质合金硬质合金v硬质合金是将一些难熔的金属碳化物和金属硬质合金是将一些难熔的金属碳化物和金属粘结剂粉末混合，压制成形，并经烧结而成粘结剂粉末混合，压制成形，并经烧结而成的一类粉末压制制品。硬质合金硬度高、热的一类粉末压制制品。硬质合金硬度高、热硬性好，耐磨性好，用硬质合金制作刀具，硬性好，耐磨性好，用硬质合金制作刀具，寿命可提高

16、寿命可提高5 58 8倍，切削速度比高速钢高十倍，切削速度比高速钢高十几倍。但由于硬质合金硬度太高且又较脆，几倍。但由于硬质合金硬度太高且又较脆，很难进行机械加工因而，常将硬质合金制成很难进行机械加工因而，常将硬质合金制成一定规格的刀片，镶焊或装夹在刀体上使用。一定规格的刀片，镶焊或装夹在刀体上使用。硬质合金还广泛用于制作模具、量具和耐磨硬质合金还广泛用于制作模具、量具和耐磨零件等。零件等。v硬质合金有三类：硬质合金有三类：v1 1、钨钴类：主要组成为碳化钨和钴，有较好的强、钨钴类：主要组成为碳化钨和钴，有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具。含钴越度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具

17、。含钴越高，强度和韧度越好，而硬度、耐磨性降低，因此，高，强度和韧度越好，而硬度、耐磨性降低，因此，一般多用作粗加工。一般多用作粗加工。v2 2、钨钴钛类：主要组成为碳化钨、碳化钛和钴。、钨钴钛类：主要组成为碳化钨、碳化钛和钴。此类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，因而硬此类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，因而硬度高，热硬性也较好，故适宜制作切削高韧度钢材度高，热硬性也较好，故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样含钴量较高的用作粗加工。的刀具。同样含钴量较高的用作粗加工。v3 3、钨钽类：主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽、钨钽类：主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽和钴。其特点是抗弯强度高。这类硬

18、质合金制作的和钴。其特点是抗弯强度高。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。材料。v（五）五）粉末压制钢结硬质合金及高速钢粉末压制钢结硬质合金及高速钢v1 1、钢结硬质合金、钢结硬质合金v其主要特点是：其主要特点是：v（1 1）合金的基本组成是碳化物加合金钢。）合金的基本组成是碳化物加合金钢。v（2 2）具有一定的锻造、焊接、热处理及机械）具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能。加工等技术性能。v（3 3）在力学性能上不仅保持了合金钢和硬质）在力学性能上不仅保持了合金钢和硬质合金的基本特性，且还有不同程度的发展

19、。合金的基本特性，且还有不同程度的发展。v2 2、粉末压制高速钢、粉末压制高速钢v高速钢是一种用量较大的工具钢，高速钢的高速钢是一种用量较大的工具钢，高速钢的含碳量尤其是合金元素含量较高，属于莱氏含碳量尤其是合金元素含量较高，属于莱氏体钢，其分布极不均匀且粗大。即使经过热体钢，其分布极不均匀且粗大。即使经过热轧或锻造后，碳化物的偏析及不均匀度仍然轧或锻造后，碳化物的偏析及不均匀度仍然较严重，这对高速钢的使用性能与技术性能较严重，这对高速钢的使用性能与技术性能带来不良影响。带来不良影响。v生产粉末压制高速钢粉粒的方法主要是雾化生产粉末压制高速钢粉粒的方法主要是雾化法。通过粉末压制过程生产的粉末高

20、速钢坯法。通过粉末压制过程生产的粉末高速钢坯料可进行锻造，以改变外形尺寸并适当地提料可进行锻造，以改变外形尺寸并适当地提高密度。高密度。v（六）耐热材料及其它材料（六）耐热材料及其它材料v1 1、难熔金属耐热材料、难熔金属耐热材料v难熔金属耐热材料是指熔点越过难熔金属耐热材料是指熔点越过20002000度以上的金属。度以上的金属。这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉末。末。v2 2、耐热合金材料、耐热合金材料v以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加工比较困以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加工比较困难，金属消耗量大，也常采用粉末冶金法制造。难，金属消耗量大，也常采用粉末冶金法制造。v3 3、其他材料、其他材料v通过粉末冶金不能获得在特殊条件或核能工业中所通过粉末冶金不能获得在特殊条件或核能工业中所使用的材料。使用的材料。v四、四、我国粉末冶金产业和技术的发展我国粉末冶金产业和技术的发展v1 1、开拓市场，提高粉末冶金零部件在汽车工、开拓市场，提高粉末冶金零部件在汽车工业的需求业的需求v2 2、加强粉末冶金行业联合，提高竞争力、加强粉末冶金行业联合，提高竞争力v3 3、发展先进粉末冶金装备，提高生产水、发展先进粉末冶金装备，提高生产水v4 4、发展高附加值产品，提升技术水平、发展高附加值产品，提升技术水平