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1、 粉末冶金粉末冶金是以金属粉末是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物的混合物)为原料，通过为原料，通过成形、烧结或热成形成形、烧结或热成形制成金属制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为方法为“金属陶瓷法金属陶瓷法”。粉末冶金材料或制品种类较多，主要有粉末冶金材料或制品种类较多，主要有:难熔金属及其合金（如钨、钨难熔金属及其合金（如钨、钨钼合金）；钼合金）；组组元元彼彼此此不不相相溶溶、熔熔点点十十分分
2、悬悬殊殊的的特特殊殊性性能能材材料料（如钨（如钨铜合金型电触头材料）；铜合金型电触头材料）；难难熔熔的的化化合合物物和和金金属属组组成成的的各各种种复复合合材材料料（如如硬硬质质合金、金属陶瓷）等。合金、金属陶瓷）等。第第5 5章章 粉末冶金成形粉末冶金成形 粉末冶金的优点：粉末冶金的优点：1）某某些些特特殊殊性性能能材材料料的的唯唯一一制制造造方方法法；例例如如，多多孔孔材材料料、氧氧化化物物弥弥散散强强化化合合金金、硬硬质质合合金金等等。另另外外，这这种种方方法法也也有有可能用来制取高纯度的材料而不给材料带来污染。可能用来制取高纯度的材料而不给材料带来污染。2）可可直直接接制制出出尺尺寸寸
3、准准确确，表表面面光光洁洁的的零零件件，是是少少甚甚至至无无切削生产工艺；切削生产工艺；3 3）节约材料和加工工时，成本低。）节约材料和加工工时，成本低。粉末冶金的缺点：粉末冶金的缺点：1）流动性较差，形状受限制；）流动性较差，形状受限制；2）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；3）压模成本较高。）压模成本较高。4）制品强度较低；）制品强度较低；v粉末冶金应用粉末冶金应用v粉末冶金经济效益铜基含油轴承(套)铁基摩擦材料铁基摩擦材料-坦克、装甲车辆制动片坦克、装甲车辆制动片 铁基结构零件铁基结构零件-真空泵转子真空泵转子 金刚石制品金刚石制品-锯片锯片 粉末冶金
4、产品粉末冶金产品汽车零部件粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品第第1 1节节 粉末冶金基础粉末冶金基础 粉粉末末冶冶金金的的主主要要工工序序有有粉粉末末制制备备、粉粉末末预预处处理理、成成形形、烧烧结结及及后后处处理理等等。粉粉末末冶冶金金材材料料或或制制品品的的工工艺艺流流程程如如图图5-5-1 1所示。所示。5.1.1 5.1.1 粉末性能和粉末制备粉末性能和粉末制备5.1.1.1 5.1.1.1 粉末性能粉末性能 固固态态物物质质按按分分散散程程度度不不同同分分成成致致密密体体、粉粉末末体体和和胶胶体体三三类类。致密体或常致密体或常说说的固体的固体：粒径在粒径在l l 以上以
5、上；胶体微粒胶体微粒：0.1 0.1 以下以下；粉末体或粉末体或简简称粉末称粉末：介于二者之介于二者之间间。返回文档返回文档原料粉末原料粉末其他添加剂其他添加剂混合混合松松装装烧烧结结（石石膏膏模模）粉粉末末浇浇注注模压成形模压成形预烧结预烧结烧结烧结二次模压二次模压二次烧结二次烧结整形整形高温烧结高温烧结锻造锻造拉丝拉丝烧结烧结锻锻 造造轧轧 制制挤挤 压压冷冷等等静静压压轧轧 制制挤挤 压压烧烧 结结热热 压压热热 挤挤 压压热热等等静静压压后续处理（选择）：浸渍后续处理（选择）：浸渍热处理热处理 电镀电镀 机械加工机械加工粉末冶金材料、制品粉末冶金材料、制品图图5-1 粉末冶金材料或制品
6、的工艺流程粉末冶金材料或制品的工艺流程 金金属属粉粉末末的的性性能能对对其其成成形形和和烧烧结结过过程程以以及及制制品品的的质质量量都都有有重重大大影影响响。金金属属粉粉末末的的性性能能可可以以用用化化学学成成分分、物物理理性性能和工艺性能来表征。能和工艺性能来表征。1.1.粉末的化学成分粉末的化学成分 粉粉末末的的化化学学成成分分一一般般是是指指主主要要金金属属或或组组元元的的含含量量、杂杂质质或或夹杂夹杂物物的含量以及气体的含量的含量以及气体的含量。金属或合金粉末中的主要金属含量都不能低于金属或合金粉末中的主要金属含量都不能低于98%98%99%99%。粉末中的杂质主要指：粉末中的杂质主要
7、指：1 1）与与主主要要金金属属结结合合，形形成成固固溶溶体体或或化化合合物物的的金金属属或或非非金金属属成分，如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；成分，如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；2 2）从从原原料料和和粉粉末末生生产产过过程程中中带带进进的的机机械械夹夹杂杂，如如二二氧氧化化硅硅、三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。3）粉末表面吸附的氧、水汽和其他气体粉末表面吸附的氧、水汽和其他气体（N 2、CO2）。2.2.粉末的物理性能粉末的物理性能 粉粉末末的的物物理理性性能能：粉粉末末颗颗粒粒大大小小和和粒粒度度组组成成、粉
8、粉末末颗颗粒粒形形状状与与结结构构、显显微微硬硬度度、粉粉末末比比表表面面、粉粉末末真真密密度度以以及及粉粉末末颗颗粒粒的的晶晶格格状状态态。在在技技术术条条件件中中，通通常常只只规规定定各各级级粉粉末颗粒的百分含量末颗粒的百分含量粒度组成或筛分组成粒度组成或筛分组成。1 1）颗颗粒粒形形状状：主主要要由由粉粉末末的的生生产产方方法法决决定定，同同时时也也与与物物质质的的分分子子或或原原子子排排列列的的结结晶晶几几何何学学因因素素有有关关；决决定定粉粉末末工工艺艺性能。性能。2 2）粒粒度度组组成成：指指不不同同粒粒度度的的颗颗粒粒占占全全部部粉粉末末的的百百分分含含量量，又称粒度分布。又称粒
9、度分布。3 3）粉粉末末比比表表面面：指指每每克克粉粉末末所所具具有有的的总总表表面面积积，通通常常用用cmcm2 2/g/g或或m m2 2/g/g表示。表示。3.3.粉末的工粉末的工艺艺性能性能 粉粉末末的的工工艺艺性性能能用用粉粉末末的的松松装装密密度度、流流动动性性、压压缩缩性性与成形性与成形性来表征。来表征。1 1）松松装装密密度度是是指指粉粉末末试试样样自自然然地地充充填填规规定定的的容容器器时时，单单位体积内粉末的质量，单位为位体积内粉末的质量，单位为g gcmcm3 3。2 2）流流动动性性是是50g50g粉粉末末从从标标准准的的流流速速漏漏斗斗流流出出所所需需的的时时间间，单
10、单位位为为s s50g50g，其其倒倒数数是是单单位位时时间间内内流流出出粉粉末末的的重重量量，俗俗称为流速。称为流速。3 3）压压缩缩性性代代表表粉粉末末在在压压制制过过程程中中被被压压紧紧的的能能力力，通通常常以以在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。4 4）成成形形性性是是指指粉粉末末压压制制后后，压压坯坯保保持持既既定定形形状状的的能能力力，通通常常用用粉粉末末得得以以成成形形所所需需的的最最小小单单位位压压制制力力表表示示或或用用压压坯坯强度来表示。强度来表示。5.1.1.2 5.1.1.2 粉末的制备粉末的制备 金金属属粉粉末末的的制制取取方方法法
11、可可分分成成两两大大类类：机机械械法法和和物物理理化化学法。学法。机机械械法法是是将将原原材材料料磨磨碎碎成成粉粉而而不不改改变变原原材材料料的的化化学学成成分分的的方方法法。如如将将金金属属切切削削成成粉粉末末颗颗粒粒；把把金金属属研研磨磨成成粉粉末末；液态金属的制粒和雾化。液态金属的制粒和雾化。物物理理化化学学法法是是在在制制取取粉粉末末过过程程中中，使使原原材材料料受受到到化化学学或或物物理理的的作作用用，而而使使其其化化学学成成分分和和集集聚聚状状态态发发生生变变化化的的工工艺艺过过程程。还还原原金金属属氧氧化化物物、电电解解水水溶溶液液或或熔熔盐盐、热热离离解解羰羰基基化化合合物物、
12、冷冷凝凝金金属属蒸蒸汽汽、晶晶间间腐腐蚀蚀和和电电腐腐蚀蚀法法等等。物物理理化学制粉法是以化学制粉法是以还还原和离解等化学反原和离解等化学反应为应为基基础础的。的。工工业业上上普普遍遍采采用用的的有有：氧氧化化物物还还原原法法、电电解解法法、热热离离解解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。5.1.2 5.1.2 粉末的成形粉末的成形 5.1.2.1 5.1.2.1 成形方法成形方法 成成形形是是粉粉末末冶冶金金工工艺艺的的重重要要步步骤骤。成成形形的的目目的的是是制制得得具具有有一一定定形形状状、尺尺寸寸、密密度度和和强强度度的的压压坯坯。粉粉末末冶冶金金常常用用的
13、成形方法如的成形方法如下下所示所示。模压成形是最基本方法模压成形是最基本方法。松松装装烧烧结结粉粉浆浆浇浇注注模模压压成成形形热热压压成成形形等等静静压压成成形形轧轧制制成成形形离离心心成成形形挤挤压压成成形形爆爆炸炸成成形形成形成形无压成形无压成形加压成形加压成形1.1.粉末预处理粉末预处理 预预处处理理包包括括：粉粉末末退退火火，筛筛分分，混混合合，制制粒粒，加加润润滑滑剂剂等。等。粉粉末末的的预预先先退退火火可可使使氧氧化化物物还还原原，降降低低碳碳和和其其他他杂杂质质的的含含量量，提提高高粉粉末末的的纯纯度度；同同时时，还还能能消消除除粉粉末末的的加加工工硬硬化、稳定粉末的晶体结构化、
14、稳定粉末的晶体结构。筛分筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混混合合一一般般是是指指将将两两种种或或两两种种以以上上不不同同成成分分的的粉粉末末混混合合均匀的均匀的过过程程。混合可采用。混合可采用机械法和化学法机械法和化学法。制制粒粒是是将将小小颗颗粒粒的的粉粉末末制制成成大大颗颗粒粒或或团团粒粒的的工工序序，以以此来改善粉末的流动性。此来改善粉末的流动性。5.1.2.2 5.1.2.2 压制成形压制成形2.2.压制成形压制成形 压压模模压压制制是是将将置置于于压压模模内内的的松松散散粉粉末末施施加加一一定定的的压压力力后后，成成为为具具
15、有有一一定定尺尺寸寸、形形状状和和一一定定密密度度、强强度度的的压压坯坯，如图如图5-25-2是压模示意图。是压模示意图。粉粉末末的的压压缩缩过过程程一一般般采采用用压压坯坯密密度度成成形形压压力力曲曲线线来来表表示示，如如图图5-35-3所所示示。压压坯坯密密度度变变化化分分为为三三个个阶阶段段。滑滑动动阶阶段段：在在压压力力作作用用下下粉粉末末颗颗粒粒发发生生相相对对位位移移，填填充充孔孔隙隙，压压坯坯密密度度随随压压力力增增加加而而急急剧剧增增加加；二二是是粉粉末末体体出出现现压压缩缩阻阻力力，即即使使再再加加压压其其孔孔隙隙度度不不能能再再减减少少，密密度度不不随随压压力力增增高高而而
16、明明显显变变化化；三三是是当当压压力力超超过过粉粉末末颗颗粒粒的的临临界界压压力力时时，粉粉末末颗颗粒粒开开始始变变形形，从从而而使其密度又随压力增高而增加。使其密度又随压力增高而增加。图图5-2 模压示意图模压示意图图图5-3 压坯密度与压力压坯密度与压力 压压坯坯密密度度分分布布不不均均匀匀：用用石石墨墨粉粉作作隔隔层层的的单单向向压压制制实实验验，得得到到如如图图5-45-4所所示示的的压压坯坯形形状状，各各层层的的厚厚度度和和形形状状均均发发生生了了变变化化，由由图图5-55-5可可知知在在任任何何垂垂直直面面上上，上上层层密密度度比比下下层层密密度度大大；在在水水平平面面上上，接接近
17、近上上模模冲冲的的断断面面的的密密度度分分布布是是两两边边大大，中中间间小小；而而远远离离上上模模冲冲的的截截面面的的密密度度分分别别是是中中间间大大，两边小。两边小。因因为为粉粉末末体体在在压压模模内内受受力力后后向向各各个个方方向向流流动动，于于是是引引起起垂垂直直于于压压模模壁壁的的侧侧压压力力。侧侧压压力力引引起起摩摩擦擦力力，会会使使压压坯坯在高度方向存在明显的压力降。在高度方向存在明显的压力降。a)压制前压制前 b)压制后压制后图图5-4 用石墨粉作隔层的单向压坯用石墨粉作隔层的单向压坯图图5-5 压坯密度沿高度分布图压坯密度沿高度分布图 为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措
18、施：为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减减小小摩摩擦擦力力：模模具具内内壁壁上上涂涂抹抹润润滑滑油油或或采采用用内内壁壁更更光光洁的模具；洁的模具；2）采采用用双双向向压压制制以以改改善善压压坯坯密密度度分分布布的的不不均均匀匀性性，如如图图5-5所示所示；3）模具设计时尽量降低高径比。）模具设计时尽量降低高径比。粉粉末末的的压压制制一一般般在在普普通通机机械械式式压压力力机机或或液液压压机机上上进进行行。常用的压力机吨位一般为常用的压力机吨位一般为5005005000kN5000kN。如如图图5-65-6为为双向双向压压制制衬衬套的套的4 4个工步示意个工步示意图图。返回文档
19、返回文档a)a)填充粉料填充粉料 b)b)双向压坯双向压坯 c)c)上冲模复位上冲模复位 d)d)顶出坯块顶出坯块 图图5-6 5-6 双向压制粉末冶金坯块工步示意图双向压制粉末冶金坯块工步示意图5.1.3 5.1.3 烧结烧结 烧烧结结是是将将压压坯坯按按一一定定的的规规范范加加热热到到规规定定温温度度并并保保温温一一段段时间时间，使，使压压坯坯获获得一定的物理及力学性能的工序得一定的物理及力学性能的工序。烧烧结结机机理理：粉粉末末的的表表面面能能大大，结结构构缺缺陷陷多多，处处于于活活性性状状态态的的原原子子也也多多，它它们们力力图图把把本本身身的的能能量量降降低低。将将压压坯坯加加热热到
20、到高高温温，为为粉粉末末原原子子所所储储存存的的能能量量释释放放创创造造了了条条件件，由由此此引引起起粉粉末末物物质质的的迁迁移移，使使粉粉末末体体的的接接触触面面积积增增大大，导导致致孔孔隙隙减减少少，密度增高，密度增高，强强度增加，形成了度增加，形成了烧结烧结。固固相相烧烧结结：烧烧结结发发生生在在低低于于其其组组成成成成分分熔熔点点的的温温度度，如如普通普通铁铁基粉末冶金基粉末冶金轴轴承承烧结烧结。液液相相烧烧结结：烧烧结结发发生生在在两两种种组组成成成成分分熔熔点点之之间间。如如硬硬质质合合金金与与金金属属陶陶瓷瓷制制品品的的烧烧结结。液液相相烧烧结结时时，在在液液相相表表面面张张力力
21、的作用下，的作用下，颗颗粒相互靠粒相互靠紧紧，故，故烧结烧结速度快、制品速度快、制品强强度高度高。烧烧结结时时的的影影响响因因素素：烧烧结结温温度度、烧烧结结时时间间和和大大气气环环境境，粉末材料、粉末材料、颗颗粒尺寸及形状、表面特性以及粒尺寸及形状、表面特性以及压压制制压压力等力等。常常用用粉粉末末冶冶金金制制品品的的烧烧结结温温度度与与烧烧结结气气氛氛见见表表5-15-1。烧烧结结温温度度过过高高或或时时间间过过长长，都都会会使使压压坯坯歪歪曲曲和和变变形形，其其晶晶粒粒亦亦大大，产产生生所所谓谓“过过烧烧”的的废废品品；如如烧烧结结温温度度过过低低或或时时间间过过短短，则则产产品品的的结
22、结合合强强度度等等性性能能达达不不到到要要求求，产产生生所所谓谓“欠欠烧烧”的的废废品。品。粉冶材料粉冶材料铁基制品铁基制品铜基制品铜基制品硬质合金硬质合金不锈钢不锈钢磁性材料磁性材料(F(Fe e-N-Ni i-C C0 0)钨、铝、钨、铝、钒钒烧结温烧结温度度10501050 20002000700700 9009001350 1350 1550155012501250120012001700 1700 33003300烧结气氛烧结气氛发生炉煤发生炉煤气，分解气，分解氨氨分解氨，分解氨，发生炉煤发生炉煤气气真空、氢真空、氢氢氢氢、真空氢、真空氢氢表表5-1 5-1 常用粉末冶金制品的烧结温
23、度与烧结气氛常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛 5.1.4 5.1.4 后处理后处理 后后处处理的方法按其目的不同，有以下几种：理的方法按其目的不同，有以下几种：1 1）为为提提高高制制件件的的物物理理及及力力学学性性能能，方方法法有有：复复压压、复复烧烧、浸油、浸油、热锻热锻与与热热复复压压、热处热处理及化学理及化学热处热处理。理。2 2）为为改改善善制制件件表表面面的的耐耐腐腐蚀蚀性性，方方法法有有：水水蒸蒸气气处处理理、磷磷化化处处理、理、电镀电镀等。等。3 3）为为提提高高制制件件的的形形状状与与尺尺寸寸精精度度，方方法法有有：精精整整、机机械械加加工等。工等。4 4）熔熔渗渗处处理理，它它是是将将低低熔熔点点金金属属或或合合金金渗渗入入到到多多孔孔烧烧结结制制作作的的孔孔隙隙中中去去，以以增增加加烧烧结结件件的的密密度度、强强度度、塑塑性性或或冲冲击击韧度。韧度。