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1、第四章粉末壓制和常用復合材料成形過程,41 概述,一、粉末壓制成形的定義 粉末壓制(這里主要指粉末冶金)是用金屬粉末(或者金屬和非金屬粉末的混合物)做原料，經壓制成形后燒結而制造各種類型的零件和產品的方法。,二、粉末壓制的特點 粉末壓制的特點為： 1、能夠生產出其他方法不能或很難制造的制品。 可制取像難熔、極硬和特殊性能的材料，例如：鎢絲、硬質合金、磁性材料、高溫耐熱材料等； 又能生產凈形和近似凈形加工的優(yōu)質機械零件，如：多孔含油軸承、精密齒輪、擺線泵內外轉子、活塞環(huán)等。 2、材料的利用率很高，接近100。 3、雖然用其他方法也可以制造，但用粉末冶金法更為經濟。 4、一般說來，金屬粉末的價格較

2、高，粉末冶金的設備和模具投資較大，零件幾何形狀受一定限制，因此粉末冶金適宜于大批量生產的零件。,三、粉末壓制生產技術流程 粉末壓制生產技術流程如下：,421金屬粉末的制取及其特性,一、金屬粉末的制取 金屬粉末的生產有多種方法，其中主要有：礦物還原法、電解法、霧化法、機械粉碎法等。 1、礦物還原法制取粉末 礦物還原法是金屬礦石在一定冶金條件下被還原后，得到一定形狀和大小的金屬料，然后將金屬料經粉碎等處理以獲得粉末。 礦物還原法主要適用于鐵粉生產，也能生產鈷、鉬、鈣、難熔的金屬化合物粉末（如碳化物、硼化物、硅化物粉末）等。,采用鐵礦石還原海綿鐵粉末的生產流程,2、電解法 電解法是采用金屬鹽的水溶液

3、電解析出或熔鹽電解析出金屬顆粒或海綿狀金屬塊，再用機械法進行粉碎。 電解法生產的金屬品種多，純度高，粉末顆粒呈樹枝狀或針狀，其壓制性和燒結性都較好。,3、霧化法制取粉末 霧化法是將熔化的金屬液通過噴射氣流(空氣或惰性氣體)、水蒸汽或水的機械力和急冷作用使金屬熔液霧化，而得到金屬粉末。 由于霧化法制得的粉末純度較高，又可合金化，粉末有其特點，且產量高、成本較低，故其應用發(fā)展很快。可用來生產鐵、鋼、鉛、鋁、鋅、銅及其合金等的粉末。,4、機械粉碎法 機械破碎法中最常用的是鋼球或硬質合金球對金屬塊或粒原料進行球磨。 適宜于制備一些脆性的金屬粉末，或者經過脆性化處理的金屬粉末(如經過氫化處理變脆的鈦粉)

4、。,一些重要的金屬粉末生產方法,二、金屬粉末的特性 金屬粉末的特性對粉末的壓制、燒結過程、燒結前強度及最終產品的性能都有重大影響。 金屬粉末的基本性能包括：化學成分、粒徑分布、顆粒形狀和大小以及技術特征等。,1、化學成分 粉末的化學成分通常指主要金屬或組分、雜質及氣體的含量。金屬粉末中主要金屬的含量大都不低于9899。 金屬粉末中最常存在的夾雜物是氧化物。氧化物使金屬粉末的壓縮性變壞，增大壓模的磨損。 金屬粉末中含有的主要氣體是氧、氫、一氧化碳及氮，這些氣體使金屬粉末脆性增大和壓制性變壞，加熱時，氣體強烈析出，可能會影響壓坯在燒結時的正常收縮。因此，對一些金屬粉末往往要進行真空脫氣處理。,2、

5、顆粒形狀和大小 顆粒形狀是影響粉末技術特征(如松裝密度、流動性等)的因素之一。通常，粉粒以球狀或粒狀為好。 顆粒大小常用粒度表示。工業(yè)上制造的粉末粒度通常在0.1500m。 150m以上的定為粗粉；40150m定為中等粉；1040m的定為細粉；0.510m為極細粉；0.5m以下的叫超細粉。 粉粒大小直接影響粉末冶金制品的性能，尤其對硬質合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈細愈好。但制取細粉比較困難，經濟性亦差。,3、粒度分布 指大小不同的粉粒級別的相對含量，也叫粒度組成。 粉末粒度組成的范圍廣，則制品的密度高，性能也好，尤其對制品邊角的強度尤為有利。,4、技術特征 粉末的成形技術特征主要有：松裝密度、

6、流動性、壓制性。 （1）松裝密度 松裝密度亦稱松裝比，指單位容積自由松裝粉末的質量。受粉末粒度、粒形、粒度組成及粒間孔隙大小決定。松裝比的大小影響壓制與燒結性能，同時對壓模設計是一個十分重要的參數。 （2）流動性 它是指50g粉末在粉末流動儀中自由下降至流完后所需的時間。時間愈短，流動性愈好。流動性好的粉末有利于快速連續(xù)裝粉及復雜零件的均勻裝粉。 （3）壓制性 粉末的壓制性包括壓縮性與成形性。壓縮性的好壞決定壓坯的強度與密度，通常用壓制前后粉末體的壓縮比表示。粉末壓縮性主要受粉末硬度、塑性變形能力與加工硬化性決定。,422粉末配混,粉末配混是根據產品配料計算并按特定的粒度分布把各種金屬粉末及添

7、加物(如潤滑劑等)進行充分地混合，此工序通過混粉機完成。 添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技術特征。如加入潤滑劑(如硬脂酸鋅，質量比0.251)可改善混合粉的流動性，增加可壓制性。壓制后燒結前，潤滑劑用加熱方法(如硬脂酸鋅在375425的熱空氣中)排除。 混合粉的特性常用混勻度表示?；靹蚨仍酱?，表示混合越均勻；也就越有利于制品的性能要求。,423壓制成形,粉末的壓制成形是主要且基本的工序。它的過程包括稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模等。 壓制成形的方法有很多，如鋼模壓制、流體等靜壓制、三向壓制、粉末鍛造、擠壓、振動壓制、高能率成形等。,一、鋼模壓制 指在常溫下，用機械式壓力機或液壓機，以一定的

8、比壓(壓力常在150160MPa)將鋼模內的松裝粉末成形為壓坯的方法。這種方法應用最多且最廣泛。,雙向壓制示意圖 (a)單沖頭 (b)組合沖頭,二、流體等靜壓制 它是利用高壓流體(液體或氣體)同時從各個方向對粉末材料施加壓力而成形的方法。,等靜壓制示意圖 1-工件；2-橡膠或塑料模；3-高壓容器；4-高壓泵,三、三向壓制 它綜合了單向鋼模壓制與等靜壓制的特點。這種方法得到的壓坯密度和強度超過用其他成形方法得到的壓坯。但它適用于成形形狀規(guī)則的零件，如圓柱形、正方形、長方形、套筒等。,三向壓制示意圖 1-側向壓力；2-軸向沖頭；3-放氣孔,424壓坯燒結,一、燒結及其主要技術因素 燒結是粉末壓制技

9、術的關鍵性過程之一，通過高溫加熱發(fā)生粉粒之間原子擴散等過程，使壓坯中粉粒的接觸面結合起來，成為堅實的整塊，獲得所要求的力學與物理性能。 燒結過程在專用的燒結爐中進行。 主要技術因素為燒結溫度、保溫時間與爐內氣氛。,1、燒結溫度 固相燒結指粉粒在高溫下仍然保持固態(tài)。采用的燒結溫度為： T燒結(2/33/4)T熔點 液相燒結指燒結溫度超過了其中某種組成粉粒的熔點，高溫下出現固、液共存狀態(tài)，燒結體將更為致密堅實，進一步保證了燒結體品質。 通常較高的燒結溫度可促使粉粒間原子擴散易于進行，從而使燒結體的硬度和強度升高。在燒結溫度下不允許液相處于完全自由流動狀態(tài)。,2、保溫時間 燒結保溫時間也影響制品品質

10、。 保溫時間與設備情況和裝爐量有關，一般小件保溫時間短，大件保溫時間長；當出現液相燒結時，若液相相對量較大，則往往采用下限燒結溫度而延長保溫時間以防燒結時液相從表面滲出。,3、爐內氣氛 在燒結中高溫長時間加熱下，粉粒表面容易發(fā)生氧化，造成廢品。因此，燒結必須在真空或保護氣氛中進行，若采用還原性氣體作保護氣氛則更為有利。 如硬質合金和某些磁性材料采用真空或氫氣；鐵、銅制品往往采用發(fā)生爐煤氣與分解氨。,二、燒結過程中可能發(fā)生的問題 壓坯燒結過程中常出現的主要缺陷有：翹曲和過燒。 1、翹曲：一般是由于燒結時沒有支撐好壓坯，或壓坯體中的密度分布不均造成的。 2、過燒：它會引起翹曲、壓坯脹大或壓坯內部晶

11、粒成長過大。,425燒結后的其他處理或加工,對于一些要求較高的粉末冶金制品，燒結后還需要進行其他處理與加工，以滿足要求。 一、滲透(又叫熔滲) 把低熔點金屬或合金滲入到多孔燒結制品的孔隙中去的方法稱為熔滲。通過滲透獲得致密制品。 二、復壓 將燒結后的粉末壓制件再放到壓形模中壓一次，叫做復壓。復壓可起一定的校形作用。,三、粉末金屬鍛造 以金屬粉末為原料，先用粉末冶金法制成具有一定形狀和尺寸的預成形坯，然后將預成形坯加熱后置于鍛模中鍛成所需零件的方法。 四、精壓 對于某些制品，為了嚴格保證其尺寸精度，及進一步提高密度，常在燒結后進行鍛造或沖壓整形的工序。 五、其他后續(xù)處理 粉末冶金制品有一些后續(xù)工

12、序，如含油軸承的浸油處理，以及機械加工、噴砂處理，有時還須進行一些必要的熱處理等。,生產粉末金屬零件過程： 1、壓制+燒結； 2、壓制+燒結+復壓； 3、壓制+預燒結+精壓+燒結； 4、壓制+預燒結+精壓+燒結+復壓。 通常情況下：1類過程的應用約占80；但2類過程的應用也不少。而較復雜的3類和4類過程僅用于某些特殊零件。,43粉末壓制產品及應用,一、粉末壓制機械結構零件 粉末壓制機械結構零件又稱燒結結構件，這類制品在粉末冶金工業(yè)中產量最大、應用面最廣。在汽車工業(yè)中廣泛采用粉末壓制制造零件。,汽車變速箱中粉末壓制件,二、粉末壓制軸承材料 1、多孔含油軸承材料 是一種利用粉末壓制材料制作的多孔性

13、浸滲潤滑油的減磨材料，用作軸承、襯套等。常用的有鐵石墨和青銅石墨含油軸承材料。 含油軸承工作時，由于摩擦發(fā)熱，使?jié)櫥团蛎洀暮辖鹂紫吨袎旱焦ぷ鞅砻?，起到潤滑作用。運轉停止后，潤滑油由于毛細管現象的作用，大部分被吸回孔隙。 2、金屬塑料減磨材料 這是一種具有良好綜合性能的無油潤滑減磨材料。這種材料的特點是工作時不需潤滑油，有較寬的工作溫度范圍。,三、多孔性材料及摩擦材料 1、多孔性材料 粉末壓制多孔性材料制品有過濾器、熱交換器、觸媒以及一些滅火裝置等。過濾器是最典形的多孔性材料制品。過濾器主要用來過濾燃料油、凈化空氣、以及化學工業(yè)上過濾液體與氣體等。 2、摩擦材料 摩擦材料用來制作剎車片、離合器

14、片等，用于制動與傳遞扭矩。粉末摩擦材料主要分為銅基與鐵基兩大類。,四、硬質合金 硬質合金是將一些難熔的金屬碳化物(如碳化鎢、碳化鈦等)和金屬粘結劑(如鈷、鎳等)粉末混合，壓制成形，并經燒結而成的一類粉末壓制制品。 由于高硬度的金屬碳化物作為基體，軟而韌的鈷或鎳起粘結作用，使硬質合金既有高的硬度和耐磨性，又有一定的強度和韌度。 硬質合金廣泛用于制作刀具、模具、量具和耐磨零件等。 用硬質合金制作刀具，壽命可提高58倍，切削速度比高速鋼高十幾倍。,硬質合金有三類： 1、鎢鈷類(YG) 主要組成為碳化鎢(WC)和鈷(Co)。常用牌號有YG3、YG6、YG8等。 鎢鈷類硬質合金有較好的強度和韌度，適宜制

15、作切削脆性材料的刀具。如切削鑄鐵、脆性有色合金、電木等。且含鈷愈高，強度和韌度愈好，而硬度、耐磨性降低，因此，含鈷量較多的牌號一般多用作粗加工，而含鈷量較少的牌號多用于作精加工。,2、鎢鈷鈦類(YT) 主要組成為碳化物、碳化鈦(TiC)和鈷。常用牌號有YT5、YT10、YTl5等。 鎢鈷鈦類硬質合金含有比碳化鎢更硬的碳化鈦，因而硬度高，熱硬性也較好，加工鋼材時刀具表面會形成一層氧化鈦薄膜，使切屑不易粘附，故適宜制作切削高韌度鋼材的刀具。同樣含鈷量較高(如YT5含鈷9)的牌號用作粗加工。,3、鎢鉭類(YW) 主要組成為碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭(TaC)和鈷。其特點是抗彎強度高。牌號主要有YWl(8

16、4WC、6TiC、4TaC、6Co)，YW2(82WC、6TiC、4TaC、8Co)兩種。 這類硬質合金制作的刀具用于加工不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼等難加工的材料。,五、其它粉末壓制制品 粉末壓制鋼結硬質合金 粉末壓制高速鋼 耐熱材料 ,44粉末壓制零件或制品的結構特征,結構技術特征就是指制品的結構是否適應所采用的成形過程或制造方法，使制品在整個生產過程中達到優(yōu)質、高產、低耗。 粉末壓制成形零件結構設計的一些基本原則為： 一、壓制件應能順利地從壓模中取出,二、應避免壓制件出現窄尖部分 窄尖部分會出現裝粉不足，使壓制成形因難。窄尖部分還會影響壓模的強度和壽命。,三、零件的壁厚應盡量均勻，臺肩盡可能的少，高(長)寬(直徑)比不超過2.5(厚壁零件不超過4) 零件的高度太高，壓制方向上的臺肩多，各部分壁厚相差過大等，都會造成壓制件的密度分布不均勻。,四、制品的尺寸精度及表面粗糙度 壓制燒結零件的尺寸精度，應以能滿足零件的技術要求為準；既不要盲目地追求過高的尺寸精度，這樣不僅大大增加生產成本；又不要不必要地降低尺寸精度，從而抹煞粉末壓制的技術特點。 制品的表面粗糙度取決壓模的表面粗糙度。燒結后一般在1015m，若想進一步降低表面粗糙度，則需要進行復壓校形或精壓。,