第5章 粉末冶金成形 粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等 工艺将金属粉末（或与非金属粉末）的混合物制 成制品的加工方法 特 点 既可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊 材料，又可以制造各种精密的机械零件 省工省料 模具和金属粉末成本较高 批量小时或制品尺寸过大时不宜采用 普通粉末冶金制品的密度较低且很不均匀，强 度比相应的铸件或锻件约低20%30%；一般只适 用于中、小型制品的成批、大量生产。 常用的粉末冶金材料 硬质合金 用高硬度、难熔的金属碳化物（WC 、 TiC等）粉末为硬质点，以Co、Mo、 Ni等作为粘结剂，经过混合、压制和 烧结而成的非铁合金 硬度高硬度高、耐磨性好，耐热性好耐磨性好，耐热性好 制造刃具及和不受冲击和振动的高耐磨零件制造刃具及和不受冲击和振动的高耐磨零件 烧结减摩材料 铁与石墨或青铜与石墨粉末烧结 一般用于中速，轻载荷的含油轴承一般用于中速，轻载荷的含油轴承 烧结摩擦材料 用铁、铜等作基体，加入石棉、 Al2O3等摩擦组元及石墨或MoS2 广泛用来制造机器上的制动带和离合器片等广泛用来制造机器上的制动带和离合器片等 烧结钢 以碳钢或合金钢粉末为主制成的材料。 精 度较高、表面光洁、有减振、消声作用 用于制造电钻齿轮和油泵齿轮等用于制造电钻齿轮和油泵齿轮等 (P36) 5.1 粉末冶金基础 5.1.1 粉末的化学成分及性能 粉末通常指尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体， 颗粒尺寸一般以微米（m）或纳米（nm）计量 1、粉末的化学成分 常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉 末,杂质和气体的含量一般不超过1%2% 颗粒形状 常见的有球状、粒状、片状和针状等 粒度 单个粉末颗粒的线性尺寸 粒度分布 按粒度不同分为若干级，每一级粉末 （按质量、数量或体积）所占的百分比。 比表面积 单位质量粉末的总表面积 2、 粉末 的物 理性 能 3、 粉 末 的 工 艺 性 能 流动性： 粉末的流动能力，采用球形或接近球形的 颗粒及较宽的粒度分布，有利于提高粉末 的流动性。 松装密度：在规定条件下粉末自由填充单位容积的质 量。采用密度较高的粉末、球形或接近 球形的颗粒、较粗的粒度或较宽的粒度 分布，均有利于提高粉末的松装密度 压缩性：在加压条件下粉末被压缩的程度，提高压 制压力或松装密度、减小压制速度或粉末 颗粒的强度，均有利于提高粉末的压缩性， 从而提高压坯的密度。 成形性：粉末被压缩成一定形状并在后续加工中 保持这种形状的能力，在一定压力下获 得的压坯强度越高，则成形性越好。 5.1.2 粉末冶金的机理 z 压制和烧结是粉末冶金的二个重要工序 1压制的机理 压制是在模具或其它容 器中，在外力作用下，将 粉末紧实成具有预定形状 和尺寸的工艺过程。 压缩过程中，随着粉 末的移动和变形，较大的 空隙被填充，颗粒表面的氧化 膜被破碎，接触面积增大，使 原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强，从 而形成具有一定密度和强度的压坯。 2烧结的机理 烧结是粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下 的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高 其强度，是粉末冶金的一个关键工序 水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力的消除 以及粉末颗粒表面氧化物的还原等，粉末表层原子间的相互扩 散和塑性流动。还会产生再结晶和晶粒长大，有时还会出现固 相的熔解和重结晶 v 以上各过程往往相互重叠，相互影响 5.2 粉末冶金工艺 金属粉末的制取预处理坯料的成形烧结 后处理等 5.2.1 粉末的制取 机械法和物理化学法两大类 1机械法 用机械力将原材料粉 碎而化学成分基本不 发生变化的工艺过程 球磨法：用于脆性材料及合金 研磨法：用于金属丝或小块边 角料 雾化法：用于熔点较低的金属 2物理化学法 借助物理或化学作用，改变物料的化学成分或聚集 状态而获取粉末的方法 还原法：用还原剂还原金属氧化物或盐类，使其成为金属 粉末的方法，最常用，工艺简便、成本较低，适用于由金 属氧化物或卤族化合物制粉。 电解法：在溶液或熔盐中通入直流电，使金属离子电解析 出成为金属粉末的方法。可制得高纯度粉末，但成本较高， 适用于从金属盐类中制取粉末 热离解法：将金属与CO、H2或Hg作用，生成化合物或汞 齐（即汞合金），再加热使其分解出CO、H2或Hg，从而制 得金属粉末的方法。用于能与CO、H2或Hg作用生成化合物 或汞齐的金属。 5.2.2 粉末的预处理 1分级 将粉末按粒度分成若干级的过程。 使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适 应成形工艺的要求。 2混合 将两种或两种以上不同成分的粉末均匀掺合的过程 通过混合可获得所需的组分。 为提高粉料的成形性能，常需加入某些添加剂，如用于提 高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂，用于减少颗粒间及 压坯与模壁间摩擦的润滑剂。 3制粒 为改善粉末流动性而使较细颗粒团聚成粗粉团粒 的工艺。 5.2.3 成形 将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程 1模压： 通过模冲加压使刚性封闭模中的粉末密实成形 单向压制：模具简单，操 作方便，生产效率高，但制 品密度不均匀，适于压制高 度或厚度较小的制品。 双向压制：压坯密度较单向 压制均匀，适于压制高度或 厚度较大的制品 浮动模压制：浮动模压制 压坯密度较均匀，适于压制 高度或厚度较大的制品。 2粉末轧制 将粉末引入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的 方法。 适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合 金等的板材及带材。 3挤压成形 将置于挤压筒内的粉末、压 坯或烧结体通过模孔压出的成 形方法 设备简单、生产率高，可以 获得沿长度方向密度均匀的制 品。 用于生产截面较简单的条、棒 和螺旋形条、棒（如麻花钻） 4等静压制 对粉末（或压坯）表面或对装粉末（或压坯）的软 膜表面施以各向大致相等的压力的压制方法 (1) 冷等静压制： 在室温下的等静压 制，压力传递媒介通常为液体 冷等静压制压坯密度较高，较均匀，力 学性能较好，形状可较复杂，尺寸可较大 (2) 热等静压制： 高温下的等静压制 同时进行压制和烧结，压制压力和烧 结温度均低于冷等静压制，能耗较低，生 产效率较高；制品密度高且均匀，晶粒细 小，力学性能较高，形状和尺寸不受限制 ；但投资大。 用于粉末高速钢，难熔金属，高温合 金和金属陶瓷等制品的生产 5松装烧结成形 粉末未经压制有直接进行的烧结。 可用于多孔材料的生产 6粉浆浇注 将粉末中加入悬浮剂、水等并调成粉浆，再注入石 膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。 粉浆浇注设备简单、成本低，但生产效率低， 适于成形形状复杂的大型制品 用于生产硬质合金、高温合金等制品。 7爆炸成形 借助爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。 可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料，如 难熔金属、高合金材料等，且成形密度接近于理论 密度。可压制普通压力机无法压制的大型压坯。 5.2.4 烧结 按一定的规范加热到规定高温并保温一段时间 ，使压坯获得一定物理与力学性能的工序。 1连续烧结和间歇烧结 (1)连续烧结：待烧结材料连续地或平稳、分段地通过具有 脱腊、预热、烧结或冷却区段的烧结炉进行烧结的方式。 生产效率高，适用于大批、大量生产 (2) 间歇烧结：在炉内分批烧结零件的方式。 通过对炉温控制进行所需的预热，加热及冷却循环 生产效率较低，适用于单件、小批生产 2固相烧结和液相烧结 (1)固相烧结：烧结速度较慢，制品强度较低 (2) 液相烧结：烧结速度较快，制品强度较高，用于 具有特殊性能的制品如硬质合金、金属陶瓷等 3影响粉末制品烧结质量的因素 粉末制品的烧结质量取决于烧结温度、烧结时间 和烧结气氛等因素。 (1) 烧结温度和时间： 烧结温度过高或或过低， 时间过长或过短，都会使产品性能下降 (2) 烧结气氛： 烧结时通常采用还原性气氛，以 防压坯烧损并可使表面氧化物还原。对于活性金属或 难熔金属还可采用真空烧结。 5.2.5 后处理 根据产品的具体要求，可对烧结后的压坯进一步 处理 。常用的后处理方法复压、浸渍、热处理、表常用的后处理方法复压、浸渍、热处理、表 面处理等。面处理等。 还可通过锻压、焊接、切削加工、特种加工等方法进一步 改变烧结体的形状或提高精度，以满足零件的最终要求。 1尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大 以及窄槽、球面等，以利于制模和压实， 2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹 5.3 粉末冶金零件结构的工艺性 3避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块 4避免沿压制方向截 面积渐增，以利压实 。各壁的交接处应采 用圆角过渡，以利于 压实及避免应力集中 q 1.5 非金属材料 1.5.1 高分子材料 (P37) 机械工程材料中常用的高分子材料有塑料、橡胶 、合成纤维、涂料和胶粘剂等 1塑料 塑料是以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某 阶段可流动成形的材料 (1) 塑料的分类： 按用途和受热时的性能进行分类。 1）按用途分类： 通用塑料：力学性能和使用温度较低的塑料 （PE、PP等） 约占塑料总产量的70% 工程塑料：力学性能和使用温度较高的塑料 （ABS、 强度较高，刚性较大，韧性也较好，价格 PA等） 较高，常用于制造机械零件和工程构件。 2）按受热时的性能分类： 按受热时的性能不同分类 热塑性塑料：在整个特征温度范围内，能反复加热 （ABS、PA等） 软化和反复冷却硬化，且在软化状态 通过流动能反复模塑为制品 力学性能较好，加工成形方便，耐热性较差 热固性塑料：固化时，能变成基本不溶、不熔的 （PF等） 产物。有较高的耐热性，受压时亦 不易变形,但力学性能较差。 (2) 工程塑料的性能特点和应用：工程塑料密度小，比工程塑料密度小，比 强度（强度强度（强度/ /密度）高，耐磨性、减振性较好，密度）高，耐磨性、减振性较好， 易于成形；强度、硬度较低，导热性、耐热性易于成形；强度、硬度较低，导热性、耐热性 较差，且易老化。较差，且易老化。 工程塑料可用于替代金属制造工程构件和机械零件工程塑料可用于替代金属制造工程构件和机械零件 丙、丁、苯树脂(ABS) 硬度高，耐冲击，表面可电镀，但耐候性和耐热性差 水表外壳、电话机外壳、泵叶轮、汽车挡泥板、小汽车车身 聚丙烯（PP） 最轻的塑料，力学性能较高，密度小，耐腐蚀性 化工容器、管道、法兰接头、汽车零件、仪表罩壳 尼龙（P