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1、第四章粉末壓制和常用復(fù)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(jīng)壓制成形后燒結(jié)而制造各種類型的零件和產(chǎn)品的方法。,二、粉末壓制的特點(diǎn) 粉末壓制的特點(diǎn)為： 1、能夠生產(chǎn)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(zhì)合金、磁性材料、高溫耐熱材料等； 又能生產(chǎn)凈形和近似凈形加工的優(yōu)質(zhì)機(jī)械零件，如：多孔含油軸承、精密齒輪、擺線泵內(nèi)外轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)。 4、一般說來，金屬粉末的價(jià)格
2、較高，粉末冶金的設(shè)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(chǎn)的零件。,,三、粉末壓制生產(chǎn)技術(shù)流程 粉末壓制生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)有多種方法，其中主要有：礦物還原法、電解法、霧化法、機(jī)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(jīng)粉碎等處理以獲得粉末。 礦物還原法主要適用于鐵粉生產(chǎn)，也能生產(chǎn)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(chǎn)流程,,2、電解法 電解法是采用金屬鹽
3、的水溶液電解析出或熔鹽電解析出金屬顆?；蚝＞d狀金屬塊，再用機(jī)械法進(jìn)行粉碎。 電解法生產(chǎn)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(jié)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(jī)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(diǎn)，且產(chǎn)量高、成本較低，故其應(yīng)用發(fā)展很快。可用來生產(chǎn)鐵、鋼、鉛、鋁、鋅、銅及其合金等的粉末。,,4、機(jī)械粉碎法 機(jī)械破碎法中最常用的是鋼球或硬質(zhì)合金球?qū)饘賶K或粒原料進(jìn)行球磨。 適宜于制備一些脆性的金屬粉末，或者經(jīng)過脆性化處理的金屬粉末(如經(jīng)過氫化處理
4、變脆的鈦粉)。,一些重要的金屬粉末生產(chǎn)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(jié)過程、燒結(jié)前強(qiáng)度及最終產(chǎn)品的性能都有重大影響。 金屬粉末的基本性能包括：化學(xué)成分、粒徑分布、顆粒形狀和大小以及技術(shù)特征等。,,1、化學(xué)成分 粉末的化學(xué)成分通常指主要金屬或組分、雜質(zhì)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?dú)怏w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(shí)，氣體強(qiáng)烈析出，可能會影響壓坯在燒結(jié)時(shí)的正常收縮。因此，對一些金屬粉末往往要進(jìn)行真空
5、脫氣處理。,,2、顆粒形狀和大小 顆粒形狀是影響粉末技術(shù)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(xì)粉；0.510m為極細(xì)粉；0.5m以下的叫超細(xì)粉。 粉粒大小直接影響粉末冶金制品的性能，尤其對硬質(zhì)合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈細(xì)愈好。但制取細(xì)粉比較困難，經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度尤為有利。,4、技術(shù)特征 粉末的成形技術(shù)特
6、征主要有：松裝密度、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(zhì)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(jié)性能，同時(shí)對壓模設(shè)計(jì)是一個十分重要的參數(shù)。 （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(shí)間。時(shí)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(fù)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(qiáng)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(jù)產(chǎn)品配料計(jì)算并按特定的粒度分
7、布把各種金屬粉末及添加物(如潤滑劑等)進(jìn)行充分地混合，此工序通過混粉機(jī)完成。 添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技術(shù)特征。如加入潤滑劑(如硬脂酸鋅，質(zhì)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(jié)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(jī)械式壓
8、力機(jī)或液壓機(jī)，以一定的比壓(壓力常在150160MPa)將鋼模內(nèi)的松裝粉末成形為壓坯的方法。這種方法應(yīng)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(shí)從各個方向?qū)Ψ勰┎牧鲜┘訅毫Χ尚蔚姆椒ā?,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(diǎn)。這種方法得到的壓坯密度和強(qiáng)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(cè)向壓力；2-軸向沖頭；3-放氣孔,424壓坯燒結(jié),一、燒結(jié)及其
9、主要技術(shù)因素 燒結(jié)是粉末壓制技術(shù)的關(guān)鍵性過程之一，通過高溫加熱發(fā)生粉粒之間原子擴(kuò)散等過程，使壓坯中粉粒的接觸面結(jié)合起來，成為堅(jiān)實(shí)的整塊，獲得所要求的力學(xué)與物理性能。 燒結(jié)過程在專用的燒結(jié)爐中進(jìn)行。 主要技術(shù)因素為燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間與爐內(nèi)氣氛。,,1、燒結(jié)溫度 固相燒結(jié)指粉粒在高溫下仍然保持固態(tài)。采用的燒結(jié)溫度為： T燒結(jié)(2/33/4)T熔點(diǎn) 液相燒結(jié)指燒結(jié)溫度超過了其中某種組成粉粒的熔點(diǎn)，高溫下出現(xiàn)固、液共存狀態(tài)，燒結(jié)體將更為致密堅(jiān)實(shí)，進(jìn)一步保證了燒結(jié)體品質(zhì)。 通常較高的燒結(jié)溫度可促使粉粒間原子擴(kuò)散易于進(jìn)行，從而使燒結(jié)體的硬度和強(qiáng)度升高。在燒結(jié)溫度下不允許液相處于完全自由流動狀態(tài)。,,2、保
10、溫時(shí)間 燒結(jié)保溫時(shí)間也影響制品品質(zhì)。 保溫時(shí)間與設(shè)備情況和裝爐量有關(guān)，一般小件保溫時(shí)間短，大件保溫時(shí)間長；當(dāng)出現(xiàn)液相燒結(jié)時(shí)，若液相相對量較大，則往往采用下限燒結(jié)溫度而延長保溫時(shí)間以防燒結(jié)時(shí)液相從表面滲出。,,3、爐內(nèi)氣氛 在燒結(jié)中高溫長時(shí)間加熱下，粉粒表面容易發(fā)生氧化，造成廢品。因此，燒結(jié)必須在真空或保護(hù)氣氛中進(jìn)行，若采用還原性氣體作保護(hù)氣氛則更為有利。 如硬質(zhì)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(jié)過程中可能發(fā)生的問題 壓坯燒結(jié)過程中常出現(xiàn)的主要缺陷有：翹曲和過燒。 1、翹曲：一般是由于燒結(jié)時(shí)沒有支撐好壓坯，或壓坯體中的密度分布不均造成的。 2、過
11、燒：它會引起翹曲、壓坯脹大或壓坯內(nèi)部晶粒成長過大。,425燒結(jié)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(jié)后還需要進(jìn)行其他處理與加工，以滿足要求。 一、滲透(又叫熔滲) 把低熔點(diǎn)金屬或合金滲入到多孔燒結(jié)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(fù)壓 將燒結(jié)后的粉末壓制件再放到壓形模中壓一次，叫做復(fù)壓。復(fù)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(yù)成形坯，然后將預(yù)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(yán)格保證其尺寸精度，及進(jìn)一步提高密度，常在燒結(jié)后進(jìn)行鍛造或沖壓整形的工序。 五
12、、其他后續(xù)處理 粉末冶金制品有一些后續(xù)工序，如含油軸承的浸油處理，以及機(jī)械加工、噴砂處理，有時(shí)還須進(jìn)行一些必要的熱處理等。,,生產(chǎn)粉末金屬零件過程： 1、壓制+燒結(jié)； 2、壓制+燒結(jié)+復(fù)壓； 3、壓制+預(yù)燒結(jié)+精壓+燒結(jié)； 4、壓制+預(yù)燒結(jié)+精壓+燒結(jié)+復(fù)壓。 通常情況下：1類過程的應(yīng)用約占80；但2類過程的應(yīng)用也不少。而較復(fù)雜的3類和4類過程僅用于某些特殊零件。,43粉末壓制產(chǎn)品及應(yīng)用,一、粉末壓制機(jī)械結(jié)構(gòu)零件 粉末壓制機(jī)械結(jié)構(gòu)零件又稱燒結(jié)結(jié)構(gòu)件，這類制品在粉末冶金工業(yè)中產(chǎn)量最大、應(yīng)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
13、承材料 是一種利用粉末壓制材料制作的多孔性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(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)停止后，潤滑油由于毛細(xì)管現(xiàn)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(diǎn)是工作時(shí)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(xué)工業(yè)上過濾液體與氣體等。
14、2、摩擦材料 摩擦材料用來制作剎車片、離合器片等，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(zhì)合金 硬質(zhì)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(jié)劑(如鈷、、鎳等)粉末混合，壓制成形，并經(jīng)燒結(jié)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(jié)作用，使硬質(zhì)合金既有高的硬度和耐磨性，又有一定的強(qiáng)度和韌度。 硬質(zhì)合金廣泛用于制作刀具、模具、量具和耐磨零件等。 用硬質(zhì)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(zhì)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、Y
15、G8等。 鎢鈷類硬質(zhì)合金有較好的強(qiáng)度和韌度，適宜制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(qiáng)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(zhì)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(shí)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(
16、TaC)和鈷。其特點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度高。牌號主要有YWl(84WC、6TiC、4TaC、6Co)，YW2(82WC、6TiC、4TaC、8Co)兩種。 這類硬質(zhì)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(jié)硬質(zhì)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(jié)構(gòu)特征,結(jié)構(gòu)技術(shù)特征就是指制品的結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)所采用的成形過程或制造方法，使制品在整個生產(chǎn)過程中達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗。 粉末壓制成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些基本原則為： 一、壓制件應(yīng)能順利地從壓模中取出,,二、應(yīng)避免壓制件出現(xiàn)窄尖部分 窄尖部分會出現(xiàn)裝粉不足，使壓制成形因難。窄尖部分還會影響壓模的強(qiáng)度和壽命。,,三、零件的壁厚應(yīng)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(jié)零件的尺寸精度，應(yīng)以能滿足零件的技術(shù)要求為準(zhǔn)；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(chǎn)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(shù)特點(diǎn)。 制品的表面粗糙度取決壓模的表面粗糙度。燒結(jié)后一般在1015m，若想進(jìn)一步降低表面粗糙度，則需要進(jìn)行復(fù)壓校形或精壓。,
材料成型技術(shù)-第四章-粉末壓制和常用復(fù)合材料成形過程
