现代粉末冶金技术,兰州金川科技园,粉末冶金技术的特点（优、缺点） 粉末冶金技术发展史 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 粉末冶金技术的主要应用 课程结构与内容,现代粉末冶金技术概况,采用PM技术制备材料/产品的优点： 成形体的致密度可控；多孔材料 晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析 近型成形，原材料利用率高95% 材料组元可控，利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料,粉末冶金技术的特点,原料粉末,成形,烧结,PM Production of notch segment （槽型件）for truck transmission,采用PM技术制备材料/产品的缺点： 原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）； 成形模具成本高；靠产量规模降低费用； 烧结制品残余孔隙影响性能； 氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困难；,公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（8001000C）。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的Dehli Piller, 重6吨；我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。 1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。,粉末冶金技术发展史,块炼铁技术,随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年)、Pt粉及Pt块(1800年）； 1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础； 1914年WC、MoC粉末出现（德国）； 1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命； 1956年后大量铁基、铝基零件上市； 1969年机械合金化技术出现 20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。,技术特征： 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 压机、烧结炉等设备与最新科技结合 性能优异性 零件复杂性 规模扩大性；成本低廉性,现代粉末冶金技术特征与发展趋势,Nickel Silver Gears, Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box density ： 8.0g/cm3, tensile strength： 234MPa, yield strength：138MPa， hardness ：90HRH. a 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing stamping and machining,世界粉末冶金大会获奖零件,Bevel Gear/Indexing Ratchet The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a 63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings,世界粉末冶金大会获奖零件,Needle Driver and Distal Clevis The parts are made to a density range of 7.68-7.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strength is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock,世界粉末冶金大会获奖零件,Synchronizer Ring with Friction Lining The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body,世界粉末冶金大会获奖零件,发展趋势 辐射领域越来越广 材料、应用 工艺过程的变异 粉末直接成形 多学科交叉点 技术手段、应用领域 朝特异性能、规模化、低成本方向发展,粉末冶金技术的主要应用,粉末冶金零件市场,汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场,典型的汽车用粉末冶金零部件 Main Bearing Cap Set VALVE SEAT AND VALVE GUIDE,CONNECTING RODS Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ；Total cost savings of over 20% are reported,PM Connecting rod used in BMW engines,OIL PUMP GEARS SYNCHRONISATION SYSTEM,ROCKER ARMS,2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨,国外市场 世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约为12个。 国内与国外差距 产品水平低 在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS078级，形位公差可达89级，与国外水平相比低12级，但一般企业约相差23级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距 工艺装备落后 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业,企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大,日本住友电工（株） 650人，年产粉末冶金零件24000吨，年销售额近2亿美元，人均年销售额255.4万元人民币； 台湾保来得公司 530人，年销售额6210万美元，人均年销售额97.25万元人民币。,宁波粉末冶金厂 400人，年销售额1.2亿元，人均年销售额30万元； 扬州保来得公司 300人，年销售额1.8亿元，人均年销售额60万元； 国内一般粉末冶金厂 人均年销售2万元。,粉末制备技术 雾化制粉* 还原法 机械合金化* 气相沉积 溶胶凝胶 自蔓燃反应合成 喷雾热解* 纳米材料与纳米结构?,课程结构与内容,粉末成形技术 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,粉末烧结技术 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 快速原位成形,原料：元素粉末、合金粉末,成形：热压（ 热等静压、挤压.） 冷压（模压、冷等静压.）,烧结：真空、气氛、外场,其它制备技术：复压、精整、熔浸.,其它后续处理技术：热处理、机加工.,粉末的基本性质,一、基本概念,（一）名词,粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000 m的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙） 粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒 一次颗粒（单颗粒）（single particle） 二次颗粒（secondary particle） 颗粒团（particle agglomerates ）：由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（easy to disperse） 团粒：造粒的产物,粉末性能简介 （Powder Properties）,一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,（一）粉末的化学性能 Chemistry Property,化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition） 主要成分（如铁粉中的Fe）含量对粉末性能有决定 影响； 化学组成还包括杂质的种类和含量对粉末性能也有 重要影响。 主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。,School of Materials Science and Engineering,粉末中的杂质类型 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements ）： Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（电池材料）等。 原料机械夹杂 （mechanical impurities） ： 主要为非金属类机械夹杂物no-metallic impurities： Si、Al 氧化物、硅酸盐等。 表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）： 水，氧，空气 制粉过程中带进的杂质 电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等,School of Materials Science and Engineering, 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能， 对材料韧性toughness，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。 夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的形状shape对材料的力学性能影响不同 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影响明显。,School of Materials Science and Engineering,化学成分测定 针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 杂质O含量测定： 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x 100% A粉末（5克）加烧舟tray的质量；B氢气中煅烧后残留remained物加烧舟的质量；C烧舟的质量 酸不溶物法ISO-4496,（二）粉末的物理性能 Physical Properties,颗粒形状及结构（Particle shape and structure） 颗粒大小（粒度）及粒度组成 比表面积 颗粒密度 颗粒硬度 熔点 热学、 电学、 磁学、光学性质等,1. 粉末颗粒形状（Particle shape）,（1） 颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。 球形粉末-雾化法 Spherical powders 多孔粉末-还原法 Porous powders 树枝状粉末-电解法 Dendrite powders 片状粉末-研磨法 Plate powders 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响,（2）颗粒形状的分类 （定性描述 qualitative description）,Particle shape and the suggested q