第四章 粉末冶金09.ppt

第四章粉末冶金,粉末冶金发展,历史部分武器,生活用具,艺术建筑现代部分硬质合金,高温材料,汽车部件,军事工程目前,粉末冶金最发达的国家瑞典Sweden，硬质合金工业非常发达,建立许多子公司，其次是北美NorthAmerican和西欧westernEuropean。德国的粉末冶金工业也是处于世界前列-工具钢。美国的粉末冶金公司主要产品用户是汽车制造商，汽车工业发达，带动了美国的粉末冶金工业发展。因为发达的汽车工业，大量用粉末冶金部件。日本的汽车工业的发展带动了粉末冶金工业发展。与中国不一样，西方或日本的粉末冶金工业是由两部分构成制粉公司制备各种粉末制品公司买进粉末，制备零部件,粉末冶金技术的优越性,能够大量节约材料、无切削、少切削，普通铸造合金切削量在30-50，粉末冶金产品可少于5。节省大量能源节省大量劳动能够制备其他方法不能制备的材料能够制备其他方法难以生产的零部件,铜基含油轴承套,铁基摩擦材料-坦克、装甲车辆制动片,铁基结构零件-真空泵转子,金刚石制品--锯片,粉末冶金产品,电动工具配件,碎纸机配件,粉末冶金产品,缝纫机配件,吸尘器配件,气泵配件,按摩器配件,自行车配件,粉末冶金产品,粉末冶金产品,粉末冶金产品,,主要内容粉末冶金成型过程粉末冶金产品及应用常用复合材料成形过程简介,4.1粉末冶金成型过程,粉末冶金主要指粉末冶金是用金属粉末或者金属和非金属粉末的混合物做原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。粉末冶金生产流程如下,一、金属粉末的制取及其特性1金属粉末的制取主要有四种方法。1矿物还原法是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，后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。矿物还原法主要适用于铁粉生产,还能生产钴、钼、钙等粉末。难熔的金属化合物粉末如碳化物、硼化物、硅化物粉末，是通过金属氧化物粉末与碳、硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的方法而获得的。碳化物粉的制取，可采用碳黑粉直接还原金属氧化物，其反应如下MO、MC泛指金属氧化物、金属碳化物,2电解法电解法是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。,,3雾化法雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流空气或惰性气体、水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到金属粉末。,4机械粉碎法机械破碎法中最常用的是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，或者经过脆性化处理的金属粉末如经过氢化处理变脆的钛粉。,,2金属粉末的特性包括化学成分、粒径分布、颗粒形状和大小以及技术特征等。1化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量≥98％-99％。但在制造高性能粉末冶金材料时，需要使用纯度更高的粉末。金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。金属粉末的比表面大、体积小，在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体。,2颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征如松装密度、流动性等的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。颗粒大小常用粒度表示。粉末粒度通常在0.1-500μm，150μm以上的定为粗粉，40-150μm定为中等粉，10-40μm的定为细粉，0.5-10μm为极细粉，0.5μm以下的叫超细粉。粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能，尤其对硬质合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈细愈好。制取细粉比较困难，经济性亦差。3粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量，也叫粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。,4技术特征粉末的成形技术特征主要有①松装密度亦称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。例如还原铁粉的松装密度为2.3-3.0g/cm3，若采用松装密度为2.3g/cm3的还原铁粉压制密度为6.9g/cm3的压坯，则压缩比粉末的充填高度与压坯高度之比为6.92.331，即若压坯高度为1cm时，模腔深度须大于3cm才行。②流动性它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。③压制性包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度，通常用压制前后粉末体的压缩比表示。成形性与粉末的物理性质有关，此外还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性，常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标。,二、粉末配混粉末配混是根据产品配料计算并按特定粒度分布把各种金属粉末及添加物如润滑剂等进行充分混合，此工序通过混粉机完成。添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂如硬脂酸锌，质量比0.25％-1％可改善混合粉的流动性，增加可压制性。压制后烧结前，润滑剂用加热方法如硬脂酸锌在375-425℃的热空气中排除。混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大，表示混合越均匀；也就越有利于制品的性能要求。,三、压制成形压制成形的方法有很多，如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的有1钢模压制指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压压力常在150-160MPa将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。2流体等静压制它是利用高压流体液体或气体同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。3三向压制它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品，如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同，可选择不同的加热及加工顺序。目前，这个生产领域发展较快。,四、压坯烧结烧结是粉末压制技术的关键性过程之一，烧结过程中，通过高温加热发生粉粒之间原子扩散等过程，使压坯中粉粒的接触面结合起来，成为坚实的整块。由于粉末冶金制品组成成分与配方的不同，烧结过程可是固相烧结或是液相烧结如硬质合金、金属陶瓷等特殊产品的烧结。固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态，采用的烧结温度为,式中T烧结-烧结温度；T熔点-粉粒熔化温度。液相烧结的烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点，高温下出现固、液相共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。实际上在烧结温度下并不允许液相处于完全自由流动状态。如钨钴硬质合金的烧结温度随钴含量不同在1380-1490℃之间。,烧结保温时间也影响制品品质。当出现液相烧结时，若液相相对量较大，则往往采用下限烧结温度而延长保温时间以防烧结时液相从表面渗出。常见问题1翘曲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波动造成的。前者可用调整压坯在炉中的方位或用匣钵一般用耐火材料制成托住压坯，予以校正，使压坯在烧结时不发生变形。后者只能在零件的结构设计和在引起密度分布不均匀性的前道工序中予以解决。2过烧过烧是烧结中另一种常见的问题。它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。,五、烧结后的其他处理或加工要求较高粉末冶金制品，烧结后还需要进行其他处理与加工。1渗透又叫熔渗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称为熔渗。渗透法获得的制品密度高，组织均匀细致，制品的强度一般、塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加，但此过程费用较贵，过程时间长。2复压将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次，叫做复压。复压可起一定的校形作用。3粉末金属锻造先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。4精压对于某些制品，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冲压整形的工序。5其他后续处理粉末冶金制品有一些后续工序，如含油轴承的浸油处理，以及机械加工、喷砂处理，有时还须进行一些必要的热处理等。,根据技术要求，生产粉末金属零件可选择下述过程①压制烧结；②压制烧结复压；③压制预烧结精压烧结；④压制预烧结精压烧结复压。通常情况下①类过程的应用约占80％；②类过程的应用也不少。较复杂的③类和④类过程仅用于某些特殊零件。近年来，由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发，经一次压制就可获得较高强度零件。,4.2粉末冶金产品及应用,现代汽车、飞机、工程机械、仪器仪表、航空航天、军工、核能、计算机等工业中，需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件，粉末冶金在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务。一、粉末冶金机械结构零件粉末冶金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、应用面最广。汽车工业中广泛采用粉末冶金制造零件。烧结结构件总产量的60％-70％，用于汽车工业，如发动机、变速箱、转向器、起动马达、减震器、车门锁等中都使用有烧结零件。此外，摩托车上也有许多烧结零件。电动工具、办公机械、缝纫机、自行车、家用电器、液压元件、纺织机械、机床、船舶等行业也广泛采用烧结零件。,二、粉末冶金轴承材料多孔含油轴承材料利用粉末冶金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。常用的有铁-石墨和青铜-石墨含油轴承材料。含油轴承工作时，由于摩擦发热，使润滑油膨胀从合金孔隙中压到工作表面，起到润滑作用。运转停止后，轴承冷却，表面上润滑油由于毛细管现象的作用，大部分被吸回孔隙，少部分仍留在摩擦表面，使轴承再运转时避免发生干摩擦。三、多孔性材料及摩擦材料1多孔性材料粉末冶金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。过滤器主要用来过滤燃料油、净化空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。2摩擦材料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。因此对材料性能的要求是摩擦系数要大，耐磨性、耐热性与热传导性要好。,四、硬质合金硬质合金是将难熔金属碳化物和金属粘结剂钴、镍粉末混合，压制成形，经烧结而成的一类粉末压制制品。金属碳化物作为基体，软而韧的钴或镍起粘结作用。1钨钴类YG钨钴类硬质合金有较好强度和韧度，适宜制作切削脆性材料刀具。如切削铸铁、脆性有色合金、电木等。含钴愈高，强度和韧度愈好，硬度、耐磨性降低，因此，含钴量较多的牌号一般多用作粗加工，而含钴量较少的牌号多用于作精加工。2钨钴钛类YT钨钴钛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，加工钢材时刀具表面会形成一层氧化钛薄膜，使切屑不易粘附，故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样含钴量较高如YT5，含钴9％的牌号用作粗加工。3钨钽类YW组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽TaC和钴。抗弯强度高。主要有YW184WC、6TiC、4TaC、6Co，YW282WC、6TiC、4TaC、8Co两种。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。,五、钢结硬质合金及高速钢1钢结硬质合金是一种新型工模具材料。主要特点①合金的基本组成是碳化物加合金钢。是通过钢来胶结碳化物，或者是大量的一次碳化物分布在钢基体上的金属基复合材料。②钢的组成物在显微组织中占有一定的比例，合金具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能。尤其是通过不同的热处理可使同一成分的合金在一定范围内表现出不同的力学性能。③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。2粉末冶金高速钢高速钢含碳量及合金元素含量较高，铸态的显微组织中出现大量骨骼状碳化物，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较严重，这对高速钢的使用性能与技术性能带来不良影响。如热变形塑性差，热处理变形较大，淬火开裂的敏感性强，磨削性能差，切削刃抗弯强度低及易于剥落崩裂等，故影响刀具的品质和使用寿命。粉末冶金高速钢牌号主要有两种W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V。,六、耐热材料及其他材料1难熔金属耐热材料难熔金属是指熔点超过2000℃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末。2耐热合全材料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。粉末冶金得到的耐热合金材料的组织细致均匀，尤其高温蠕变强度与抗拉强度比铸造材料要高得多。3其他材料通过粉末冶金还能获得在特殊条件或核能工业中所使用的材料。,4.3常用复合材料成形过程简介,目前，各类复合材料中使用最多且最重要的是纤维复合材料。故这里主要简介制造机器构件的纤维复合材料成形过程。一、纤维制取方法纤维复合材料中的纤维，主要使用的有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维和金属细丝。对它们的制取方法大致有如下几种①熔体抽丝法②热分解法③拔丝法④气相沉积法,二、纤维复合材料成形方法复合材料均是基体材料与增强物组合起来而形成的。分两大类1固态法纤维复合材料中的基体与增强物短纤维、晶须、颗粒等在成形过程中均处于固体状态。基体材料主要是塑性好的Al、Cu、Ti及其合金等金属基体。当增强物为短纤维、晶须或颗粒时，其成形过程与粉末压制冶金成形相似。2液态法基体材料在成形时处于熔融状态，与固体增强物复合后，通过基体材料的固化或凝固而获得复合材料零件制品方法。基体在熔融态时流动性好，在一定的外界条件单独的热作用，也可热和压力复合作用下容易进入增强物间隙中，故液态法在纤维复合材料成形过程中应用较多。基体材料采用最多的是树脂，也有金属材料。液态法可用来直接制造纤维复合材料零件，也广泛用来制造纤维复合丝、复合带、复合板，锭坯等作为二次加工成零件的原材料。,由玻璃、碳、硼纤维等与树脂它们的复合又叫增强塑料成形复合材料制品的液态法，按成形过程的特征主要有喷射成形法压制成形法纤维缠绕成形法连续成形法层压成形法复合涂镀法即将增强物主要是细颗粒或短纤维悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面，形成复合材料层；等离子等热喷镀法将金属和增强物同时喷镀在底板上形成复合材料层。复合涂镀法一般用来在零件表面形成一层复合涂层，起提高耐磨、耐热等作用。对于金属基复合材料还挤压铸造法、真空压力浸渍法等等。,