粉末冶金新工艺1解析课件

昆明理工大学材料科学与工程学院昆明理工大学材料科学与工程学院 胡劲胡劲昆明理工大学材料科学与工程学院昆明理工大学材料科学与工程学院 胡劲胡劲昆明理工大学材料科学与工程学院昆明理工大学材料科学与工程学院 胡劲胡劲昆明理工大学材料科学与工程学院昆明理工大学材料科学与工程学院 胡劲胡劲粉末冶金新技术粉末冶金新技术材料与人类文明材料与人类文明材料是现代文明的支柱材料是现代文明的支柱v材料是人类生存的基础（材料是人类生存的基础（Basis)v材料是人类发展的标志材料是人类发展的标志 (Mark)v材料是科技创新的先导材料是科技创新的先导 (Lead)材料制备方法材料制备方法IM(Ingot Metallurgy)熔铸法熔铸法 熔熔(melting)、炼炼(refining)、铸铸(casting)铸件铸件(castings)机加工机加工(machining)零件零件 铸坯铸坯(ingots)塑性成形塑性成形(plastic forming)热处理热处理(heat treatment)机加工机加工零件零件PM(Powder Metallurgy)粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)压压型型(pressing)烧结烧结(sintering)SF(Spray Forming)喷射成型法喷射成型法材料成型方法材料成型方法 铸造铸造(pour-casting,die-casting)例如：汽车轮毂（例如：汽车轮毂（Al、Zn）、）、活塞（活塞（Al）、）、手机手机外壳（外壳（Mg）等等塑性成形塑性成形(plastic forming)挤压挤压(extrusion)、轧制轧制(rolling)、拉拔拉拔(drawing)、冲压冲压(punching)、锻造锻造(forging)焊接焊接（welding)切削切削(cutting)粉末成型粉末成型(powder forming)复合成型复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）轧制轧制连铸连轧连铸连轧拉拔拉拔挤压挤压连续挤压连续挤压conform喷射沉积喷射沉积粉末冶金发展简史粉末冶金发展简史约约3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；3世纪，印度人用同样方法制得世纪，印度人用同样方法制得“德里柱德里柱”，重达，重达6.5吨；吨；19世纪出现世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺；粉的冷压、烧结、热锻工艺；现代粉末冶金从现代粉末冶金从1909年，年，W.D.Coolidge 的电灯钨丝的电灯钨丝问世开始。问世开始。现代粉末冶金发展的三个重要标志：现代粉末冶金发展的三个重要标志：现代粉末冶金发展的三个重要标志：现代粉末冶金发展的三个重要标志：1909年制造电灯钨丝的技术成功（年制造电灯钨丝的技术成功（W粉成形、烧结、锻打、粉成形、烧结、锻打、拉丝）；拉丝）；1923年硬质合金研制成功。年硬质合金研制成功。20世纪世纪30年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零件年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零件 向新材料、新工艺发展：向新材料、新工艺发展：20世纪世纪40年代，金属陶瓷、弥散强年代，金属陶瓷、弥散强化材料（如烧结铝）；化材料（如烧结铝）；60年代末年代末70年代初，粉末高速钢、粉年代初，粉末高速钢、粉末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。粉末冶金材料和制品粉末冶金材料和制品出现年代出现年代钨钨1909难熔碳化物难熔碳化物19001914电触头材料电触头材料19171920WC-Co硬质合金硬质合金19231925烧结摩擦材料烧结摩擦材料1929多孔青铜轴承多孔青铜轴承19211930WC-TiC-Co硬质合金硬质合金19291932烧结磁铁烧结磁铁1936多孔铁轴承多孔铁轴承1936机械零件、合金钢机械零件机械零件、合金钢机械零件19361946烧结铝烧结铝1946金属陶瓷（金属陶瓷（TiC-Ni）1949钢结硬质合金钢结硬质合金1957粉末高速钢粉末高速钢1968粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较（一）一般特点（一）一般特点1优点优点（1）可生产普通熔铸法难于生产的材料）可生产普通熔铸法难于生产的材料 多孔材料（孔隙度可控）；多孔材料（孔隙度可控）；假合金（如假合金（如Cu-W）；）；复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；维强化材料；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；某些某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越材料与熔铸材料相比，性能更优越 避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。粉末高速钢、粉末高温合金。钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。工业上一般采用粉末冶金方法生产。（3）对制品成型有明显优势）对制品成型有明显优势 是一种少切削、无切削工艺（近净成型是一种少切削、无切削工艺（近净成型near net-shape）；）；可大批量生产同一零件；可大批量生产同一零件；形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；差窄；不需或可简化机械的精加工作业；不需或可简化机械的精加工作业；节能、省材；节能、省材；可制造自润滑材料。可制造自润滑材料。2缺点缺点 粉末成本高；粉末成本高；形状、尺寸受到一定限制；形状、尺寸受到一定限制；成形模具较贵；一般要生产量在成形模具较贵；一般要生产量在500010000个个/批，才经批，才经济。济。烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。与其他成型工艺比较（制造金属结构件）与其他成型工艺比较（制造金属结构件）与其他成型工艺比较（制造金属结构件）与其他成型工艺比较（制造金属结构件）1和熔铸技术比较和熔铸技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势：粉末冶金制件表面光洁度高；粉末冶金制件表面光洁度高；制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；合金化与制取复合材料的可能性大合金化与制取复合材料的可能性大 组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；力学性能可靠；在经济上，粉末冶金工艺能耗小。在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：铸造优势：形状不受限制；（粉末形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件）限制，但只能生产小制件）适于制造大型零件；适于制造大型零件；零件生产批量小时，经零件生产批量小时，经济；济；一般说来，工、模具费一般说来，工、模具费用低。用低。2和热模锻技术比较和热模锻技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势：粉末冶金制件精度比精锻高；粉末冶金制件精度比精锻高；粉末锻造节省材料、重量控制粉末锻造节省材料、重量控制精确、可无非边锻造，也能制造精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；形状较复杂制件；粉末锻造只需一副成形模具和粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。一副修边模。热模锻优势：热模锻优势：可制造大型零件；可制造大型零件；锻件力学性能比烧结粉末锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末锻造冶金零件高，但与粉末锻造件相当；件相当；可制造形状复杂程度较高可制造形状复杂程度较高的制品。的制品。l l粉末冶金定义：粉末冶金定义：制制取取金金属属及及化化合合物物粉粉末末，采采用用成成形形和和烧烧结结工工艺艺制制成成金金属属材材料料、复复合合材材料料、陶陶瓷瓷材材料料及及其其它它们们的的制制品品的技术科学。的技术科学。多多学学科科交交叉叉的的综综合合性性技技术术。涉涉及及到到化化工工、冶冶金金、材材料料制制备备、压压力力加加工工、热热工工、机机械械、自自动动控控制制等等学学科技术。科技术。最大可制造：最大可制造：3吨的制件（热等静压）；吨的制件（热等静压）；最小：零点零几克（最小：零点零几克（0.01克）；克）；制品最小厚度：可达制品最小厚度：可达1520ml 粉粉末末冶冶金金一一般般工工艺艺（1）制粉）制粉（2）物料准备）物料准备（3）成形）成形（4）烧结）烧结 单元系烧结单元系烧结 多元系烧结多元系烧结 固相烧结固相烧结 液相烧结液相烧结 热热压压（热热等等静静压压）、熔浸等。、熔浸等。（5）烧结后处理）烧结后处理粉末冶金生产工艺粉末冶金生产工艺选择粉末冶金技术需考虑的方面选择粉末冶金技术需考虑的方面选择粉末冶金技术需考虑的方面选择粉末冶金技术需考虑的方面零件生产批量对模具与压制设备的投资是否合算？零件生产批量对模具与压制设备的投资是否合算？粉末冶金工艺能否满足对零件的功能与形状提出的技术要粉末冶金工艺能否满足对零件的功能与形状提出的技术要求？求？采用的粉末冶金材料能否达到所要求的物理采用的粉末冶金材料能否达到所要求的物理-力学性能？力学性能？与可采用的其他成形工艺相比，生产成本是不是最经济？与可采用的其他成形工艺相比，生产成本是不是最经济？金属粉金属粉金属粉金属粉末和粉末和粉末和粉末和粉末冶金末冶金末冶金末冶金材料、材料、材料、材料、制品的制品的制品的制品的应用应用应用应用工业部门工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例地质、采矿工具地质、采矿工具硬质合金，金刚石硬质合金，金刚石-金属材料金属材料机械加工机械加工硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车、拖拉机制造汽车、拖拉机制造机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机床制造、纺织机械机床制造、纺织机械机械零件，多孔含油轴承机械零件，多孔含油轴承 等等机车制造机车制造多孔含油轴承，摩擦材料多孔含油轴承，摩擦材料 等等造船造船多孔含油轴承，摩擦材料，油漆用铝粉多孔含油轴承，摩擦材料，油漆用铝粉 等等冶金矿山机械冶金矿山机械多孔含油轴承，机械零件，等多孔含油轴承，机械零件，等电机制造电机制造多孔含油轴承，铜多孔含油轴承，铜-石墨电刷，硬磁材料石墨电刷，硬磁材料精密仪器、仪表零件精密仪器、仪表零件硬磁材料，软磁材料，功能陶瓷硬磁材料，软磁材料，功能陶瓷 等等工业炉工业炉电热材料，电真空材料电热材料，电真空材料电气和电子工业电气和电子工业电接触材料，电真空材料，磁性材料，功能陶瓷电接触材料，电真空材料，磁性材料，功能陶瓷无线电和电视无线电和电视磁性材料，功能陶瓷磁性材料，功能陶瓷 等等五金和办公用具五金和办公用具机械零件机械零件 等等医疗器械医疗器械机械零件，特殊器械机械零件，特殊器械 等等化学、石油工业化学、石油工业过滤器，防腐零件，催化剂载体过滤器，防腐零件，催化剂载体 等等军事工业军事工业穿甲弹头，炮弹箍，军械零件穿甲弹头，炮弹箍，军械零件 等等航空航空摩擦材料，过滤器，粉末超合金摩擦材料，过滤器，粉末超合金 等等航天和火箭航天和火箭难熔金属及合金，纤维强化材料，发汗材料难熔金属及合金，纤维强化材料，发汗材料 等等原子能工业原子能工业核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料 等等粉末冶金技术的新发展粉末冶金技术的新发展粉末冶金技术的新发展粉末冶金技术的新发展（1）与其他技术交叉产生新技术）与其他技术交叉产生新技术 注射成形，粉末挤压，流延成形，注射成形，粉末挤压，流延成形，直接凝固注模，粉末轧制，爆炸直接凝固注模，粉末轧制，爆炸成型，喷射成形，烧结热等静压，微波烧结，放电等离子体烧结，激光成型，喷射成形，烧结热等静压，微波烧结，放电等离子体烧结，激光烧结烧结（2）向计算机控制集成自动化方向发展）向计算机控制集成自动化方向发展（3）粉末冶金近净成形技术（）粉末冶金近净成形技术（near net-shape）发展发展 如，注射成形，粉末挤压等如，注射成形，粉末挤压等（4）粉末冶金快速成形技术发展）粉末冶金快速成形技术发展 如，选择性激光烧结，喷射成形等如，选择性激光烧结，喷射成形等（5）用于各种新材料及其成形加工）用于各种新材料及其成形加工 如，纳米材料及其成形工艺，新型复合材料，新型功能材料。如，纳米材料及其成形工艺，新型复合材料，新型功能材料。部分粉末冶金材料、制品部分粉末冶金材料、制品 金属注射成型制品金属注射成型制品粉末锻件粉末锻件(a)(b)HIP制品制品热等静压制品热等静压制品硬质合金、金属陶瓷模具硬质合金、金属陶瓷模具硬质合金钻头、棒硬质合金轧辊等硬质合金轧辊等金金属属切切削削刀刀片片硬质合金、硬质合金、CBN、金属陶瓷金属陶瓷金刚石、金刚石、CBN制品制品钨钨钨钨基基基基高高高高密密密密度度度度合合合合金金金金Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永铁氧体永磁磁软磁铁氧体软磁铁氧体精细陶瓷制品精细陶瓷制品PTC 压敏