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1、粉末冶金及应用实例分析粉末冶金及应用实例分析1粉末冶金简介粉末冶金简介2粉末冶金定义：粉末冶金定义：研究和制取各种金属粉末，通过成型与烧结过程和必要的后续处理，最终获得最终材料和制品的技术。粉末冶金是一种少或无切削加工的批量生产方法，可以在较低的成本下，制得形状叫复杂，结构强度叫高的结构件；是在较低成本下批量生产轴承类自润滑零件的主要方法3粉末冶金典型的工艺过程：粉末冶金典型的工艺过程：1、原料粉末制取；2、原料粉末经必要的预处理，通过不同的成型技术以获得具有一定形状和尺寸的压坯；3、将坯件在低于基体金属熔点温度下加热烧结；4、零件的后续处理。4粉末冶金机械零件传统工艺过程：粉末冶金机械零件传
2、统工艺过程：5粉末冶金机械零件新工艺过程粉末冶金机械零件新工艺过程粉末锻造：粉末锻造：6粉末冶金机械零件新工艺过程粉末冶金机械零件新工艺过程温压工艺：温压工艺：7粉末冶金机械零件新工艺过程粉末冶金机械零件新工艺过程金属注射成型：金属注射成型：8优选粉末冶金的基本原则：优选粉末冶金的基本原则：1、自润滑性零件：含油轴承类零件，件小量大2、同一品种大批量的各种结构件：形状复杂，不加工和少加工9粉末冶金零件设计粉末冶金零件设计粉末压坯的形状设计粉末压坯的形状设计10什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？首先要弄清楚粉末材料是如何被成型的：每个台阶对应一个模冲，模冲可
3、以简单理解为能单独运动并施加压力的模具冲头11什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？然后根据粉末成型压机的构造、模架、模具的结构，将粉末零件分为6种基本类型：121、型压坯指柱状、筒状、板状等形状简单的一类压坯。通常由：阴模、一个上模冲、一个下模冲（有孔的零件可以带一个芯棒）所组成的模具成型，如下图所示。132、型压坯指端部有外凸缘或内凸缘的一类压坯。通常由：阴模、一个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。143、型压坯指上、下端面都有两个台面的一类压坯。通常由：阴模、两个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。154、型压坯指下
4、端面都有三个台面的一类压坯，包括两个外台阶面类和凹槽类。通常由：阴模、一个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所示。165、型压坯指上部有两个台面，下部有三个台面的一类压坯。通常由：阴模、两个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型；“上三下四”压坯，是目前粉末冶金成型机可压制成型的、形状最复杂的压坯，如下图所示。176、型压坯指压坯带有球面或斜面、侧面工端面带有螺旋齿、多平行孔、支座和连杆等类特殊形状的压坯。因形状特殊用常规方法无法成型，除考虑密度均匀性，应补偿装粉外，还要考虑成型及脱模需要。18几种压坯形状汇总几种压坯形状汇总压坯分类阴模上模冲下模冲芯棒111有/无112有/无
5、122有/无113有/无123有/无球面、斜面、螺旋齿等有/无19思考：如下的零件能不能用粉末冶金成型法制作？分别是什么类型的？20粉末冶金的压坯形状设计：粉末冶金的压坯形状设计：粉末冶金的形状千差万别，只有易于粉末冶金的方法压制，才能充分发挥粉末冶金技术的优势，保证产品的质量要求。制品压坯形状设计是在保证产品使用要求的情况下，从压制过程（装粉、压制、脱模）、模具寿命、压坯质量等方面来考虑。211、应满足装粉均匀性要求：制件上不能有薄壁、窄键、尖端等，这些地方难以填充粉末，使压坯密度很不均匀，容易掉边、掉角或变形开裂，还会因受力不均，造成模冲断裂：最小壁厚不能小于1mm，齿厚需要在1mm以上，
6、齿根及顶部要有R0.3以上的过渡圆弧，这样才能是粉末易于流动和均匀充填。22如下图的零件，在压制时，尖角处往往不能成型，应将尖角处设计有R0.3的圆角。图C所示的带台阶零件，为了便于粉末流动和充填，避免尖角处应力集中和开裂，台阶处应设R0.25以上的圆角232、应满足压坯成型及脱模的需要：一般压坯成型都是沿压坯的轴向进行的，制品是径向的孔、槽、螺纹和倒锥，通常是不能压制成型的，需要在烧结后用机加工切削来完成，设计时必须将其设计成能压制成型和脱模的形状24这样的零件能不能成型和脱模？25粉末冶金模具示意图粉末冶金模具示意图263、应保证模具寿命：由于铁基烧结结构零件的成型压力一般为600MPa左
7、右，股压模的强度和结构不然会受到一定的限制，设计压坯时应避免在压模结构中出现不坚固部位，同时应力求模具结构简单易于制造a）小孔压坯：压制极小孔（直径小于2mm或长度长、直径小于3mm）压坯时，芯棒压制时可能弯曲或脱模时被拉长。在进行复压时，由于侧向力、或切向力大，芯棒可能会断裂b）薄壁压坯：压制薄壁、长零件的模具十分易坏，且模具寿命很短，一般要求压坯壁厚不小于1.5mm，在压制多台阶零件时，为避免模冲因太薄而损坏，压坯台面厚度不小于1.5mm，否则应烧制后用机加工方法来完成，部分情况下可以设计成台阶模腔或台阶芯棒来压制2728c）相切圆压坯，台阶圆相切类制品29d）曲面和斜面压坯具有球形表面的
8、压坯，其中间部位应有一直带（宽度不得小于1mm），避免将模冲末端做成尖角锐边。对于有拔梢或斜度的压坯为防压制时模具相碰，阴模和模冲或芯棒移动时斜坡相接处塞粉，需要在压制放向上有一长为1mm的平行面30e）带尖角或细窄部分的压坯模具细窄处强度低，易于在应力集中处断裂，必须将压坯的尖角处设计成圆角，细窄部位应尽量设计成宽度在1mm以上，在拐角处应有圆角过渡，使模具寿命延长，同时可以改善压坯的强度31f）圆角和倒角为了避免模冲出现尖薄边缘，一般皆采用小于45角和宽度不小于0.125mm的平台，如下图所示。最佳的倒角是取对径向不大于30倒角，这使得模具具有足够的强度，模冲倒角凸出部的破裂降低到最低程度
9、，当倒角的径向角度必须大于30时，最好是在复压时成型出该倒角32特殊压坯形状设计：特殊压坯形状设计：随着粉末冶金模具制造水平及压坯成型技术的发展，将制品上的一些特殊形状设计成适合粉末冶金方法直接成型，不仅可以减少制品后续加工量，同时可以简化模具结构，延长模具寿命a）凸凹台高度压坯总高度15%的单一凸台和其斜度足够大时，往往可用具有相应凹形面的整冲成型。用这种成型方法压坯凸台与其余部分密度差较大，但模具简单，模具与零件费用较低，且轴向尺寸公差较小，如下图所示，有（a）设计改为（b）设计可以使用此法33b）沟槽在中低密度的零件上任一端都可以压出沟槽，但需要符合以下条件半圆形或弧形沟槽深压坯总高度的
10、30%矩形沟槽平行于压制方向深度压坯总高度的20%34c）孔零件中位于压制方向，不论多复杂的通孔，都可以单轴向压制，并容易成型，而对于盲孔，则需要注意：、避免图（a）所示的底面面向凸缘的盲孔形式、图（b）所示的上端盲孔需要较浅，且有脱模斜度、图（b）、（c）所示的下端孔可以使用活动芯棒或下模冲成型、图（d）的异形孔可以成型，单异形难做，改为圆孔会对模具寿命，芯棒制造、模具精度等有较大提高35d）字母、数字标志零件上的编号、文字及类似标志可以在垂直压制方向的表面上压制出来。如果零件需要进行复压时，也可以在复压作业时将它们压制在零件表面。凸出或凹入的文字都可以压制成型。36不同压坯形状压制面的选择
11、：不同压坯形状压制面的选择：压制面是指成型时压坯的方向，其对零件的影响至关重要1、从压制成型过程来看a）多台阶压坯：考虑到多台阶的补偿装粉，如下图所示，需要注意：外台阶朝外台阶朝上、内台阶朝下、平端面朝上、小头朝下上、内台阶朝下、平端面朝上、小头朝下的原则37b）带有孔槽的压坯：为了便于压坯脱模，应使孔槽平行于压制方向c）带有特殊形状的压坯：一般将难加工或异形的面放在压制成型的放向，将易加工的结构后续通过机加工实现382、从保证压坯质量的角度来考虑a）压坯密度均匀性：如下图（a）由于减小了压坯的长细比，从而可以提高压坯的密度均匀性；图（b）采用凹坑向下的方向压制，可以部分地减少凹坑的装粉，有助
12、于改善密度分布，凹坑越深改善越明显；图（c）凸脐朝上，因上模冲下行，压坯上部密度提高以免因凸脐部分少装粉所带来的密度偏低的不足。39b）提高压坯局部密度：将有螺旋齿的面作为上表面，可以提高齿部密度；将内圆弧及锥齿面向上也有助于提高局部的密度；c）将有精度要求的面放在侧面40d）避免锥面压制皱纹：外锥大头朝上，内锥小头朝上；如图（c）所示，外形用补偿装粉法，内形是用粉末侧向移动成型法413、考虑生产条件简化模具结构：图（a1）方式需要上二下二的模具压制，图（a2）则可以使用上一下二的方式压制；对于图（b），在两个台阶相接处有一斜坡，很难解决密度差的问题，如果用仿形装粉法可以大大降低密度差，且模具
13、结构简单，生产效率高，报废少42粉末冶金零件设计粉末冶金零件设计粉末压坯的密度设计粉末压坯的密度设计43粉末压坯密度大小设计：粉末压坯密度大小设计：一般来说，材料的密度越大，其物理力学性能越高，故常用密度作为粉末冶金材料的分类标准：低密度：低密度：5.6-6.2g/cm3，一般为含油轴承和烧结机械零件，在任何生产条件下均可顺利压制成型中密度：中密度：6.2-6.8g/cm3，选用压制性好的原料，可以一次压制成型较高和高密度：较高和高密度：大于6.8g/cm3烧结零件需要选用压制性好的原材料，如果形状简单，一次成型可以达到6.8-7.1g/cm3，如果零件台阶较多，可以使用复压复烧工艺来实现44
14、小知识：小知识：温压：温压：在传统的粉末冶金设备上采用特制的温压专用粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，将温压专用粉加热到130-150后压制成坯，再经过后续烧结等处理，制取粉末零件。其密度可达7.25-7.5g/cm3，其中以7.3g/cm3密度较易实现液相烧结：液相烧结：通过加入适量的合金元素，提高烧结温度，在烧结过程中产生一定量的液相，强化烧结，通过液相来填充孔隙，并使烧结产生很大的收缩，以获得密度大于7.4g/cm3的粉末冶金零件熔渗：熔渗：将金属熔体靠毛细管力渗入到多空系统中，从而可以获得密度大于7.4g/cm3的粉末冶金零件热锻：热锻：将原料粉末用刚性模具或冷静压成型技术预成
15、型，预烧结或经烧结，在热状态下锻造烧结坯，实现高密度（7.4g/cm3）的粉末冶金制品的方法45粉末压坯密度均匀设计：粉末压坯密度均匀设计：粉末在压制过程中由于其受力情况和运动特点，使压坯密度分布不均匀，即粉末压坯存在密度差。由于烧结体强度决定于密度最小部分，故设计压坯时希望密度差越小越好：1、等高压坯密度均匀设计a）细长类零件：如图所示的衬套类零件压坯，在采用单向压制时，其上下密度差达0.46g/cm3，硬度差达25HB，其压溃值低于200MPa；如采用双向压制，其上、下与中间的密度差小于0.13g/cm3，硬度差可以控制在5HB范围内46b）薄壁类零件：如下图所示，二个零件的外径与高度相同
16、，但内径不同，壁厚不同，采用双向压制后，左侧零件整体密度为6.55g/cm3，上端密度为6.62g/cm3，中间密度为6.44g/cm3，下端密度为6.61g/cm3；右侧零件整体密度为6.47g/cm3，上端密度为6.64g/cm3，中间密度为6.33g/cm3，下端密度为6.61g/cm3。可以看出壁厚越小，整体密度越低，上、中、下密度差也越大，这是阴模内壁与芯棒表面对粉末的摩擦阻力增大所致。47c）高精度齿轮零件：对于侧正比大的齿轮（包括带轮、链轮、棘轮等相似零件）类压坯，在压制过程中，齿面对压坯的摩擦阻力很大，使得齿面本身、齿面和心部之间都产生很大的密度差，对于小模数齿轮情况更严重故齿
17、轮类零件常出现齿面压不实，易出现压形裂纹，烧结变形大，甚至出现烧结裂纹，热处理裂纹等。对于用粉末冶金方法生产的齿轮，往往齿形精度、齿向精度不易达到要求，在设计高精度要求的齿轮零件时，应采取相应的措施控制齿面密度差，如装粉均匀性及压制方式的选择482、不等高压坯密度均匀设计a）多台阶类零件：工作中主要承受载荷的工作段要求有较高强度，所以可以适当提高工作段的密度。如下图所示的带边衬套类零件及带边带轮，它们的台阶边主要起安装限位作用，所以可以用高度限位保证其台阶厚度即可，密度偏差并不影响其使用。49多台阶压坯的各台阶的厚薄差别很大，且台阶形状的复杂程度不同，这会影响各台阶粉末充填量，从而引起各台阶密
18、度不同。如图所示的变速凸轮，其宽窄两处的密度差较大，产生的原因主要有两个方面：一是由于形状复杂，引起装粉不均匀，二是在压形时，台阶处的粉料横向移动，使得宽窄两处装粉比发生了变化，产生了密度差。反映到压坯上就是大端面上色质明显灰、亮度不同，甚至造成大台阶厚薄不均，严重时，制品翘曲、端面各部硬度差较大50当多台阶压坯精度要求高时，即使密度分布均匀，因台阶壁厚及形状差异，由于台阶的压形回弹不同，壁厚的台阶回弹量大，壁薄零件回弹量小。如下图的电机壳体，密度基本均匀时，上端的外径比下端外径大0.06mm；如果上端密度适当小于下端时，上、下端直径差变小，如将密度调到一定范围内，可以使壳体外径直线度小于0.
19、02mm51b）端面异形类零件：当压坯的端面形状难以用组合模冲成型时，往往将模冲的端面做成凹凸形式，用这种模具成型有较大的密度差，如下图所示，图的零件其整体密度为7.0g/cm3，但齿部密度低至6.62g/cm3，齿背密度为7.03g/cm3；如对压坯形状做一些改变，将图中b处上设计成与a部齿相对应的齿形，如图所示，改变了装粉状况，从而起到调节密度分布的作用。52粉末冶金零件设计粉末冶金零件设计粉末压坯的尺寸及精度设计粉末压坯的尺寸及精度设计53压坯的尺寸限制：压坯的尺寸限制：1、高度方向的限制：压坯的最大高度决定于压机容许的模具最大装粉深度。标准机械式压机，在压制能力为0.15-5MN时，最
20、大装粉深度为100-200mm左右，压机的最大装粉深度是根据常用的成型压坯高度确定，和压机的压制能力无关。压坯高度与装粉深度关系：压坯高度H（mm），压坯密度D（g/cm3），混合料的松装密度A（g/cm3），装粉深度F（mm）F=（DH）/A式中D/A称为装粉比542、径向尺寸方向的限制：径向尺寸大小（受压截面积）的上限取决于粉末成型压机的能力，而其下限主要受压模的工作性和成型操作的限制。现在用粉末冶金制造的零件，直径最小1.6mm，最大200mm左右。压坯在垂直方向的横截面积S（mm2），将粉压到既定压坯密度所需的单位压力p（MPa），则压制成型时，施加于压坯上的总压力P（N）为 P=Sp
21、假定压机的压制能力为Pmax（N），则成型压的最大截面积Smax（mm2）为 SmaxPmax/P一般铁基粉末零件的单位成型压力约400-700MPa，它除决定于压坯密度外，还因所用铁粉种类、材料组成配比、碳添加量等有关55尺寸及位置精度设计：尺寸及位置精度设计：1、尺寸精度a）尺寸取向：单轴向粉末压制时，从轴向施加压力，因此，零件的径向尺寸精度取决于模具尺寸精度；轴向尺寸取决于压机动作精度：液压机用压力控制，轴向高度偏差约：（0.10-0.15）mm机械压机由压头行程控制，轴向偏差：（0.03-0.05）mmb）工艺方法：大致分为三个级别，粗、中、精度5657烧结工艺的径向精度大致约为IT9
22、-11，高度精度大致为IT12，烧结件的精度取决于压坯的精度蒸汽处理对尺寸精度的影响不大热处理对尺寸精度的影响很大，其程度不小于烧结对尺寸精度的影响精整：精整几乎使产品的径向尺寸精度提高了一倍，径向尺寸可达到IT6-7，但精整后的热处理会使精整的精度完全破坏精整的影响见下表：全精整内外同时整单内侧或外侧58c）化学成分：材料的化学成分对压坯的精度亦有影响，见下表592、位置精度a）同轴度：同轴度：装粉的均匀性、模冲与芯棒和阴模的配合间隙大小、模冲定位部分导向长度都会影响烧结零件的同轴度。自动压制时，轴套类零件的同轴度可以控制在IT8左右b）垂直度：垂直度：压机导柱与工作台面之间的垂直度、模具连
23、接部件之间的垂直度偏差、模具配合间隙以及装粉的均匀性都会影响烧结零件的垂直度。一般情况烧结零件的垂直度为IT9-IT10c）平行度：平行度：烧结零件的平行度一般取决于精整模具和压机的平行度以及精整方式。由于烧结零件的侧面平行于压制方向，故其平行度约为IT7-IT8，烧结零件端面的平行度约为IT9-IT10d）径向跳动：径向跳动：装粉的均匀性、模冲与芯棒和阴模的配合间隙大小、模冲定位部分导向长度都会影响烧结零件的径向跳动。一般情况下，烧结零件的径向跳动为IT8左右60下表为Fe-Cu-C合金制品的位置精度参考表：613、压件的粗糙度压件的表面粗糙度主要取决于模具成型面的粗糙度及模具的硬度压件侧面的粗糙度一般较低，不整形时，可达到Ra2.5，整形后可以达到Ra0.5；压件端面：由于种种原因整形时，这部分表面与模壁间没有显著的相对移动，故整形与否对粗糙度无明显影响模具设计时应考虑压件的精度要求，对于不影响使用的部分应放宽要求，模具设计时应考虑压件的精度要求，对于不影响使用的部分应放宽要求，这样有利于改善经济性。对于粉末实现不了的精度，可以选用后续加工这样有利于改善经济性。对于粉末实现不了的精度，可以选用后续加工的方法来实现，但这会增加成本，影响效率。的方法来实现，但这会增加成本，影响效率。62