材料成型技术-第四章-粉末压制和常用复合材料成形过程

第四章粉末压制和常用复合材料成形过程,41 概述,一、粉末压制成形的定义 粉末压制(这里主要指粉末冶金)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。,二、粉末压制的特点 粉末压制的特点为： 1、能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。 可制取像难熔、极硬和特殊性能的材料，例如：钨丝、硬质合金、磁性材料、高温耐热材料等； 又能生产净形和近似净形加工的优质机械零件，如：多孔含油轴承、精密齿轮、摆线泵内外转子、活塞环等。 2、材料的利用率很高，接近100。 3、虽然用其他方法也可以制造，但用粉末冶金法更为经济。 4、一般说来，金属粉末的价格较高，粉末冶金的设备和模具投资较大，零件几何形状受一定限制，因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。,三、粉末压制生产技术流程 粉末压制生产技术流程如下：,421金属粉末的制取及其特性,一、金属粉末的制取 金属粉末的生产有多种方法，其中主要有：矿物还原法、电解法、雾化法、机械粉碎法等。 1、矿物还原法制取粉末 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，然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，也能生产钴、钼、钙、难熔的金属化合物粉末（如碳化物、硼化物、硅化物粉末）等。,采用铁矿石还原海绵铁粉末的生产流程,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。 电解法生产的金属品种多，纯度高，粉末颗粒呈树枝状或针状，其压制性和烧结性都较好。,3、雾化法制取粉末 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。 由于雾化法制得的粉末纯度较高，又可合金化，粉末有其特点，且产量高、成本较低，故其应用发展很快。可用来生产铁、钢、铅、铝、锌、铜及其合金等的粉末。,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)。,一些重要的金属粉末生产方法,二、金属粉末的特性 金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。 金属粉末的基本性能包括：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大都不低于9899。 金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏，增大压模的磨损。 金属粉末中含有的主要气体是氧、氢、一氧化碳及氮，这些气体使金属粉末脆性增大和压制性变坏，加热时，气体强烈析出，可能会影响压坯在烧结时的正常收缩。因此，对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理。,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。工业上制造的粉末粒度通常在0.1500m。 150m以上的定为粗粉；40150m定为中等粉；1040m的定为细粉；0.510m为极细粉；0.5m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。但制取细粉比较困难，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：松装密度、流动性、压制性。 （1）松装密度 松装密度亦称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。 （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。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。 （3）压制性 粉末的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。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。,422粉末配混,粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分地混合，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0.251)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375425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。,423压制成形,粉末的压制成形是主要且基本的工序。它的过程包括称粉、装粉、压制、保压及脱模等。 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。,一、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150160MPa)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种方法应用最多且最广泛。,双向压制示意图 (a)单冲头 (b)组合冲头,二、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。,等静压制示意图 1-工件；2-橡胶或塑料模；3-高压容器；4-高压泵,三、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。但它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。,三向压制示意图 1-侧向压力；2-轴向冲头；3-放气孔,424压坯烧结,一、烧结及其主要技术因素 烧结是粉末压制技术的关键性过程之一，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，获得所要求的力学与物理性能。 烧结过程在专用的烧结炉中进行。 主要技术因素为烧结温度、保温时间与炉内气氛。,1、烧结温度 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： T烧结(2/33/4)T熔点 液相烧结指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。 通常较高的烧结温度可促使粉粒间原子扩散易于进行，从而使烧结体的硬度和强度升高。在烧结温度下不允许液相处于完全自由流动状态。,2、保温时间 烧结保温时间也影响制品品质。 保温时间与设备情况和装炉量有关，一般小件保温时间短，大件保温时间长；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。,3、炉内气氛 在烧结中高温长时间加热下，粉粒表面容易发生氧化，造成废品。因此，烧结必须在真空或保护气氛中进行，若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。 如硬质合金和某些磁性材料采用真空或氢气；铁、铜制品往往采用发生炉煤气与分解氨。,二、烧结过程中可能发生的问题 压坯烧结过程中常出现的主要缺陷有：翘曲和过烧。 1、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造成的。 2、过烧：它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。,425烧结后的其他处理或加工,对于一些要求较高的粉末冶金制品，烧结后还需要进行其他处理与加工，以满足要求。 一、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。通过渗透获得致密制品。 二、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。,三、粉末金属锻造 以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。 四、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。 五、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。,生产粉末金属零件过程： 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；但2类过程的应用也不少。而较复杂的3类和4类过程仅用于某些特殊零件。,43粉末压制产品及应用,一、粉末压制机械结构零件 粉末压制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。在汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。,汽车变速箱中粉末压制件,二、粉末压制轴承材料 1、多孔含油轴承材料 是一种利用粉末压制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，润滑油由于毛细管现象的作用，大部分被吸回孔隙。 2、金属塑料减磨材料 这是一种具有良好综合性能的无油润滑减磨材料。这种材料的特点是工作时不需润滑油，有较宽的工作温度范围。,三、多孔性材料及摩擦材料 1、多孔性材料 粉末压制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。过滤器是最典形的多孔性材料制品。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。粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。,四、硬质合金 硬质合金是将一些难熔的金属碳化物(如碳化钨、碳化钛等)和金属粘结剂(如钴、镍等)粉末混合，压制成形，并经烧结而成的一类粉末压制制品。 由于高硬度的金属碳化物作为基体，软而韧的钴或镍起粘结作用，使硬质合金既有高的硬度和耐磨性，又有一定的强度和韧度。 硬质合金广泛用于制作刀具、模具、量具和耐磨零件等。 用硬质合金制作刀具，寿命可提高58倍，切削速度比高速钢高十几倍。,硬质合金有三类： 1、钨钴类(YG) 主要组成为碳化钨(WC)和钴(Co)。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。 钨钴类硬质合金有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具。如切削铸铁、脆性有色合金、电木等。且含钴愈高，强度和韧度愈好，而硬度、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) 主要组成为碳化物、碳化钛(TiC)和钴。常用牌号有YT5、YT10、YTl5等。 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) 主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽(TaC)和钴。其特点是抗弯强度高。牌号主要有YWl(84WC、6TiC、4TaC、6Co)，YW2(82WC、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、其它粉末压制制品 粉末压制钢结硬质合金 粉末压制高速钢 耐热材料 ,44粉末压制零件或制品的结构特征,结构技术特征就是指制品的结构是否适应所采用的成形过程或制造方法，使制品在整个生产过程中达到优质、高产、低耗。 粉末压制成形零件结构设计的一些基本原则为： 一、压制件应能顺利地从压模中取出,二、应避免压制件出现窄尖部分 窄尖部分会出现装粉不足，使压制成形因难。窄尖部分还会影响压模的强度和寿命。,三、零件的壁厚应尽量均匀，台肩尽可能的少，高(长)宽(直径)比不超过2.5(厚壁零件不超过4) 零件的高度太高，压制方向上的台肩多，各部分壁厚相差过大等，都会造成压制件的密度分布不均匀。,四、制品的尺寸精度及表面粗糙度 压制烧结零件的尺寸精度，应以能满足零件的技术要求为准；既不要盲目地追求过高的尺寸精度，这样不仅大大增加生产成本；又不要不必要地降低尺寸精度，从而抹煞粉末压制的技术特点。 制品的表面粗糙度取决压模的表面粗糙度。烧结后一般在1015m，若想进一步降低表面粗糙度，则需要进行复压校形或精压。,