粉末冶金成形

刘国军

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，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采用。
粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比，具有以下特点：
1．粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。
2．提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。
3．利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。
1 粉末冶金基础知识
⒈1 粉末的化学成分及性能
尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体通常称为粉末，其计量单位一般是以微米（μm）或纳米（nm）。
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，要求其杂质和气体含量不超过1%～2%，否则会影响制品的质量。
2.粉末的物理性能   
⑴ 粒度及粒度分布   粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒，即二次颗粒。图7.1.1描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。实际的粉末颗粒体中不同尺寸所占的百分比即为粒度分布。
⑵ 颗粒形状 即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等，可以通过显微镜的观察确定。
⑶ 比表面积 即单位质量粉末的总表面积，可通过实际测定。比表面积大小影响着粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。
3.粉末的工艺性能 粉末的工艺性能包括流动性、填充特性、压缩性及成形性等。
⑴ 填充特性 指在没有外界条件下，粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。粉末的填充特性与颗粒的大小、形状及表面性质有关。
⑵ 流动性 指粉末的流动能力，常用50克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。流动性受颗粒粘附作用的影响。⑶ 压缩性 表示粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位压力下所达到的压坯密度表示，在标准模具中,规定的润滑条件下测定。影响粉末压缩性的因素有颗粒的塑性或显微硬度，塑性金属粉末比硬、脆材料的压缩性好；颗粒的形状和结构也影响粉末的压缩性。
⑷ 成形性 指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末能够成形的最小单位压制压力表示，或用压坯的强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构的影响。
1.2 粉末冶金的机理
1.压制的机理
压制就是在外力作用下，将模具或其它容器中的粉末紧密压实成预定形状和尺寸压坯的工艺过程。钢模冷压成形过程如图7.1.2所示。粉末装入阴模,通过上下模冲对其施压。在压缩过程中，随着粉末的移动和变形，较大的空隙被填充，颗粒表面的氧化膜破碎，颗粒间接触面积增大，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.等静压制
压力直接作用在粉末体或弹性模套上，使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。按其特性分为冷等静压制和热等静压制两大类。
⑴ 冷等静压制 即在室温下等静压制，液体为压力传递媒介。将粉末体装入弹性模具内，置于钢体密封容器内，用高压泵将液体压入容器，利用液体均匀传递压力的特性，使弹性模具内的粉末体均匀受压。因此，冷等静压制压坯密度高，较均匀，力学性能较好，尺寸大且形状复杂，已用于棒材、管材和大型制品的生产。
⑵ 热等静压制 把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中，施以高温和高压，使这些粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。在高温下的等静压制，可以激活扩散和蠕变现象的发生，促进粉末的原子扩散和再结晶及以极缓慢的速率进行塑性变形，气体为压力传递媒介。粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，制品的压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，制品的致密度和强度高，且均匀一致，晶粒细小，力学性能高，消除了材料内部颗粒间的缺 陷和孔隙，形状和尺寸不受限制。但热等静压机价格高，投资大。热等静压制已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金和金属陶瓷等制品的生产。
3.粉末轧制
将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料。这些坯体经预烧结、烧结，再轧制加工及热处理等工序，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板带材。粉末轧制制品的密度比较高，制品的长度原则上不受限制，轧制制品的厚度和宽度会受到轧辊的限制；成材率高为80%～90%，熔铸轧制的仅为60%或更低。粉末轧制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。   
4.粉浆浇注
是金属粉末在不施加外力的情况下成形的，即将粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的悬浮剂有聚乙烯醇、甘油、藻肮酸钠等，作用是防止成形颗粒聚集，改善润湿条件。为保证形成稳定的胶态悬浮液，颗粒尺寸不大于5μm～10μm，粉末在悬浮液中的质量含量为40%～70%。粉浆成形工艺参见本书6.2.2。
5.挤压成形
将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下（40℃～200℃）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可获得长度方向密度均匀的制品。
挤压成形能挤压出壁很薄直经很小的微形小管，如厚度仅0.01mm，直径1mm的粉末冶金制品；可挤压形状复杂、物理力学性能优良的致密粉末材料，如烧结铝合金及高温合金。挤压制品的横向密度均匀，生产连续性高，因此，多用于截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻等）。
6.松装烧结成形
粉末未经压制而直接进行烧结，如将粉末装入模具中振实，再连同模具一起入炉烧结成形，用于多孔材料的生产；或将粉末均匀松装于芯板上，再连同芯板一起入炉烧结成形，再经复压或轧制达到所需密度，用于制动摩擦片及双金属材料的生产。
将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同，分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下（40℃～200℃）挤压成坯块；粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可获得长度方向密度均匀的制品。
7.爆炸成形
借助于爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。爆炸成形的特点是爆炸时产生压力很高，施于粉末体上的压力速度极快。如**爆炸后，在几微秒时间内产生的冲击压力可达106MPa（相当于107个大气压），比压力机上压制粉末的单位压力要高几百倍至几千倍。爆炸成形压制压坯的相对密度极高，强度极佳。如用**爆炸压制电解铁粉，压坯的密度接近纯铁体的理论密度值。
爆炸成形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，还可压制普通压力无法压制的大型压坯。
除上述方法外，还有注射成形及热等静压制新技术等新的成形方法。

刘国军

2 粉末冶金工艺
2.1 粉末制备
金属粉末的制备方法分为两大类：机械法和物理化学法。还有新研制的机械合金化法，汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决定着粉末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。
2.2 粉末的预处理
粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。
1. 退火
粉末的预先退火可以使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为金属熔点的0.5～0.6K。通常，电解铜粉的退火温度约为300，电解铁粉或电解镍粉的约为700℃，不能超过900℃。退火一般用还原性气氛，有时也用真空或惰性气氛。
2.分级
将粉末按粒度大小分成若干级的过程。分级使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适应成形工艺要求，常用标准筛网筛分进行分级。
3.混合
指将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。混合基本上有两种方法：机械法和化学法，广泛应用的是机械法，将粉末或混合料机械的掺和均匀而不发生化学反应。机械法混料又可分为干混和湿混，铁基等制品生产中广泛采用干混；制备硬质合金混合料则常使用湿混。湿混时常用的液体介质为酒精、汽油、丙酮、水等。化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物。
常需加入的添加剂，用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂（汽油、橡胶溶液、石蜡等），用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的润滑剂（硬质酸锌、二硫化钼等）。
4.制粒
将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。常用的制粒设备有振动筛、滚筒制粒机、圆盘制粒机等。
2.3 成形
成形是将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程。常用的成形方法有模压、轧制、挤压、等静压、松装烧结成形、粉浆浇注和爆炸成形等。
1.模压
即粉末料在压模内压制。室温压制时一般需要约1吨/厘米2以上的压力，压制压力过大时，影响加压工具；并且有时坯体发生层状裂纹、伤痕和缺 陷等。压制压力的最大限度为12—15吨／厘米2。超过极限强度后，粉末颗粒发生粉碎性破坏。   

图7.2.1 常用的模压方法
1、8—固定模冲 2、6—固定阴模 3—粉末
4、5、7、10—运动模冲 9—浮动阴模

常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。⑴ 单向压制 即固定阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制的方法，如图7.2.1(a)所示。单向压制模具简单，操作方便，生产效率高，但压制时受摩擦力的影响，制品密度不均匀，适宜压制高度或厚度较小的制品。
⑵ 双向压制 阴模中粉末在相向运动的模冲之间进行压制的方法，如图7.2.1(b)所示。双向压制比较适宜高度或厚度较大的制品。双向压制压坯的密度较单向压制均匀，但双向同时加压时，压坯厚度的中间部分密度较低。
⑶ 浮动压制 浮动阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制，如图7.2.1(c)。阴模由弹簧支承，处于浮动状态，开始加压时，由于粉末与阴模壁间摩擦力小于弹簧支承力，只有上模冲向下移动；随着压力增大，当二者的摩擦力大于弹簧支承力时，阴模与上模冲一起下行，与下模冲间产生相对移动，使单向压制转变为压坯的双向受压，而且压坯双向不同时受压，这样压坯的密度更均匀。

2.4 烧结
1.烧结的方法
不同的产品、不同的性能烧结方法不一样。
⑴ 按原料组成不同分类。可以将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结。
单元系烧结是纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物(Al2O3、B4C、BeO、MoSi2等)熔点以下的温度进行固相烧结。多元系固相烧结是由两种或两种以上的组元构成的烧结体系，在其中低熔成分的熔点温度以下进行的固相烧结。粉末烧结合金多属于这一类。如Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、W-Mo、Ag-Au、 Fe-Cu、W-Ni、Fe-C、 Cu-C、Cu-W、Ag-W等。多元系液相烧结以超过系统中低熔成分熔点的温度进行的烧结。如W-Cu-Ni、W-Cu、WC-Co、TiC-Ni、Fe-Cu(Cu>10%、Fe-Ni-Al、Cu-Pb、Cu-Sn、 Fe-Cu(Cu<10%)等
⑵ 按进料方式不同分类。分为为连续烧结和间歇烧结。
连续烧结 烧结炉具有脱蜡、预烧、烧结、制冷各功能区段，烧结时烧结材料连续地或平稳、分段地完成各阶段的烧结。连续烧结生产效率高，适用于大批量生产。常用的进料方式有推杆式、辊道式和网带传送式等。
间歇烧结 零件置于炉内静止不动，通过控温设备，对烧结炉进行需要的预热、加热及冷却循环操作，完成烧结材料的烧结过程。间歇烧结可依据炉内烧结材料的性能确定合适的烧结制度，但生产效率低，适用于单件、小批量生产，常用的烧结炉有钟罩式炉、箱式炉等。
除上述分类方法外。按烧结温度下是否有液相分为固相烧结和液相烧结；按烧结温度分为中温烧结和高温烧结（1100～1700℃），按烧结气氛的不同分为空气烧结，氢气保护烧结（如钼丝炉、不锈钢管和氢气炉等）和真空烧结。另外还有超高压烧结、活化热压烧结等新的烧结技术。
2.影响粉末制品烧结质量的因素
影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末体的性状、成形条件和烧结的条件。烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加压状况等。
⑴ 烧结温度和时间 烧结温度的高低和时间的长短影响到烧结体的孔隙率、致密度、强度和硬度等。烧结温度过高和时间过长，将降低产品性能，甚至出现制品过烧缺 陷；烧结温度过低或时间过短，制品会因欠烧而引起性能下降。
⑵ 烧结气氛 粉末冶金常用的烧结气氛有还原气氛、真空、氢气氛等。烧结气氛也直接影响到烧结体的性能。在还原气氛下烧结防止压坯烧损并可使表面氧化物还原。如铁基、铜基制品常采用发生炉煤气或分解氨，硬质合金、不锈钢常采用纯氢。活性金属或难熔金属（如铍、钛、锆、钽）、含TiC的硬质合金及不锈钢等可采用真空烧结。真空烧结能避免气氛中的有害成分（H2O、O2、H2）等的不利影响，还可降低烧结温度（一般可降低100～150℃）。
2.5 后处理
指压坯烧结后的进一步处理，根据产品具体要求决定是否需要后处理。常用的后处理方法有复压、浸渍、热处理、表面处理和切削加工等。
1.复压 为提高烧结体物理和力学性能而进行的施加压力处理，包括精整和整形等。精整是为达到所需尺寸而进行的复压，通过精整模对烧结体施压以提高精度。整形是为达到特定的表面形状而进行的复压，通过整形模对制品施压以校正变形且降低表面粗糙度值。复压适用于要求较高且塑性较好的制品，如铁基、铜基制品。
2.浸渍 用非金属物质（如油、石蜡和树脂等）填充烧结体孔隙的方法。常用的浸渍方法有浸油、浸塑料、浸熔融金属等。浸油即在烧结体内浸入润滑油，改善其自润滑性能并防锈，常用于铁、铜基含油轴承。浸塑料是采用聚四氟乙烯分散液，经固化后，实现无油润滑，常用于金属塑料减摩零件。浸熔融金属可提高强度及耐磨性，铁基材料常采用浸铜或铅。
3.热处理 对烧结体加热到一定温度，再通过控制冷却方法等处理，以改善制品性能的方法。常用的热处理方法有淬火、化学热处理、热机械处理等，工艺方法一般与致密材料相似。对于不受冲击而要求耐磨的铁基制件可采用整体淬火，由于孔隙的存在能减少内应力，一般可以不回火。而要求外硬内韧的铁基制件可采用淬火或渗碳淬火。热锻是获得致密制件常用的方法，热锻造的制品晶粒细小，且强度和韧性高。
4.表面处理 常用的表面处理方法有蒸汽处理、电镀、浸锌等。蒸汽处理是工件在500～560℃的热蒸汽中加热并保持一定时间，使其表面及孔隙形成一层致密氧化膜的表面工艺，用于要求防锈、耐磨或防高压渗透的铁基制件。电镀应用电化学原理在制品表面沉积出牢固覆层，其工艺方法同致密材料。电镀用于要求防锈、耐磨及装饰的制件。
此外，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。电火花加工、电子束加工、激光加工等特种加工方法以及离子氮化、离子注入、气相沉积、热喷涂等表面工程技术已用于粉末冶金制品的后处理，进一步提高了生产效率和制品质量。

3   粉末冶金零件结构的工艺性
粉末冶金材料常用的成形方法是在刚性封闭模具中将金属粉末压缩成形，模具成本较高；由于粉末流动性较差，且又受到摩擦力的影响，压坯密度一般较低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变截面的制品还难以成形。因此，采用压制成形的零件结构的设计应注意下列问题。
⑴ 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，如图7.3.1所示。
⑵ 避免局部薄壁，以便装粉压实和防止出现裂纹,如图7.3.2所示。
⑶ 避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块。
⑷ 避免沿压制方向截面积渐增，以利于压实。各壁的交接处应采用圆角或倒角过渡，避免出现尖角，以利于压实及防止模具或压坯产生应力集中。
4: 粉末冶金材料
粉末冶金是一项很有发展的新技术、新工艺，已广泛应用在农机、汽车、机床、冶金、化工、轻工、地质勘探、交通运输等各方面。粉末冶金材料有工具材料及机械零件和结构材料。工具材料大致有粉末高速钢、硬质合金、超硬材料 、陶瓷工具材料及复合材料等。机械零件和结构材料有粉末减摩材料，包括多孔减摩材料和致密减摩材料；粉末冶金铁基零件及粉末冶金非铁金属零件等。
1.硬质合金
硬质合金由硬质基体（质量分数为70%～97% ）和粘结金属两部分组成。硬质基体是难熔金属的碳化物，如碳化钨及碳化钛等；粘结金属为铁族金属及合金，以钴为主。
⑴ 硬质合金的种类和牌号
硬质合金为一种优良的工具材料，主要用作切削刀具、金属成形工具、矿山工具、表面耐磨材料及高刚性结构部件。类型有含钨硬质合金，钢结硬质合金，涂层硬质合金，细晶粒硬质合金等。钢结硬质合金是一种新型的工模具材料，性能介于高速工具钢和硬质合金之间，是以一种或几种碳化物（如WC、TiC）为硬化相，以碳钢或合金钢（如高速工具钢、铬钼钢等）粉末为粘结剂，经配料、压制、烧结而制成的粉末冶金材料。退火处理后，可进行切削加工；淬火、回火处理后，有相当于硬质合金的高硬度和耐磨性，一定的耐热、耐蚀和抗氧化性。适于制造麻花钻、铣刀等形状复杂的刀具、模具和耐磨件。
含钨硬质合金按其成分和性能特点分为钨钴类（WC -Co系）、钨钛钴类（WC-TiC-Co系）、钨钛钽（铌）类[WC-TiC-TaC(NbC)-Co系、WC –TaC(NbC)-Co系]。
钨钴类硬质合金的主要化学成分是碳化钨（WC）及钴。牌号为“YG+数字”（YG为“硬钴”汉语拼音字首），数字表示钴平均质量分数。如YG6表示钴平均质量分数为6%，余量为碳化钨的钨钴类硬质合金。该类合金的抗弯强度高，能承受较大的冲击，磨削加工性较好，但热硬性较低（800～900℃），耐磨性较差，主要用于加工铸铁和非铁金属的刃具。
钨钛钴类硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛（TiC）及钴。牌号为“YT+数字”（YT为“硬钛”汉语拼音字首），数字表示碳化钛平均质量分数。如YT15表示TiC为15%，其余为WC和Co的硬质合金。该类硬质合金的热硬性高（900～1100℃），耐磨性好，但抗弯强度较低，不能承受较大的冲击，磨削加工性较差，主要用于加工钢材。
钨钛钽（铌）类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金。它是由碳化钨、碳化钛、碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）和钴组成。牌号为“YW+顺序号”（YW表示“硬万”汉语拼音字首），如YW1表示万能硬质合金。该类硬质合金是在上述硬质合金中添加TaC或NbC，它的热硬性高（>1000℃），其它性能介于钨钴类与钨钛钴类之间，它既能加工钢材，又能加工非铁金属。

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