1、粉末冶金和陶瓷的制備材料加工工程材料加工工程 在前面的章節中，所涉及到的都是液態或固態材料，本章在前面的章節中，所涉及到的都是液態或固態材料，本章所要討論的則是粉末材料。粉末冶金所要討論的則是粉末材料。粉末冶金( (Powder Metallurgy，P/M)P/M)是材料加工工程學科的一個分支，是制取金屬粉末或以金是材料加工工程學科的一個分支，是制取金屬粉末或以金屬粉末屬粉末( (或金屬粉末與非金屬粉末的混合物或金屬粉末與非金屬粉末的混合物) )為原料，經成形和為原料，經成形和燒結，制成各種金屬或金屬燒結，制成各種金屬或金屬非金屬材料和制品的工藝技術。非金屬材料和制品的工藝技術。粉末冶金與陶

2、瓷生產有許多相似之處。因此也被稱為金屬陶瓷粉末冶金與陶瓷生產有許多相似之處。因此也被稱為金屬陶瓷法。粉末冶金材料或制品的生產工藝流程見圖法。粉末冶金材料或制品的生產工藝流程見圖1 1。 圖圖1 1 粉末冶金材料或制品的工藝流程粉末冶金材料或制品的工藝流程 .4粉末制備粉末制備坯料制備坯料制備成型成型干燥干燥燒結燒結后處理后處理熱壓或熱等靜壓燒結熱壓或熱等靜壓燒結成品成品粉末冶金的生產過程主要包括粉末的制取、成形和燒結。粉末冶金的生產過程主要包括粉末的制取、成形和燒結。粉末冶金的生產過程粉末冶金的生產過程示意圖粉末冶金的生產過程1 1、 金屬粉末的制取和準備金屬粉末的制取和準備 粉末冶金所用的原

3、料粉可能是一種，也可能是數種粉末冶金所用的原料粉可能是一種，也可能是數種。即使是一種粉料，為了保證壓坯的質量，可能需要。即使是一種粉料，為了保證壓坯的質量，可能需要多種不同粒度的粉末均勻混合。由于產品最終性能的多種不同粒度的粉末均勻混合。由于產品最終性能的需要或成形過程的要求，上述粉末原料在成形之前都需要或成形過程的要求，上述粉末原料在成形之前都要經過一些預處理。預處理包括粉末退火，篩分、混要經過一些預處理。預處理包括粉末退火，篩分、混合、制粒、加潤滑劑等。合、制粒、加潤滑劑等。.6粉末冶金的生產過程2 2、成形、成形成形分成形分和和兩大類。兩大類。特殊成形方法，比如，等靜壓成形，連續成形，特

4、殊成形方法，比如，等靜壓成形，連續成形，無壓成形，高能成形等。無壓成形，高能成形等。模壓成形就是將預處理良好的粉末按一定量模壓成形就是將預處理良好的粉末按一定量(體積或重量體積或重量)裝入精密模具，用壓裝入精密模具，用壓力機壓成所希望的形狀和尺寸的壓坯。力機壓成所希望的形狀和尺寸的壓坯。在壓制過程中，粉末與粉末、粉末在壓制過程中，粉末與粉末、粉末與模壁之間摩擦的存在，造成了壓與模壁之間摩擦的存在，造成了壓力分布的不均勻，因而使得壓坯各力分布的不均勻，因而使得壓坯各部分的密度和強度分布也不均勻。部分的密度和強度分布也不均勻。模壓成形因受壓機能力和壓模設計模壓成形因受壓機能力和壓模設計的限制，壓坯

5、的尺寸較小，單重較的限制，壓坯的尺寸較小，單重較輕，形狀也較簡單。輕，形狀也較簡單。在以上諸多成在以上諸多成形方法中，模形方法中，模壓成形仍然占壓成形仍然占主導地位。主導地位。粉末冶金的生產過程3 3、燒結、燒結 成形后的粉末毛坯還不具備應有的物理、機械性能，還不能直接使用。粉末毛坯必成形后的粉末毛坯還不具備應有的物理、機械性能，還不能直接使用。粉末毛坯必須在適當的溫度和氣氛中受熱，發生一系列物理和化學的變化，使粉末顆粒的聚集須在適當的溫度和氣氛中受熱，發生一系列物理和化學的變化，使粉末顆粒的聚集體變成為晶粒的聚集體，從而獲得所需的物理、機械性能，成為可用的制品或材料體變成為晶粒的聚集體，從而

6、獲得所需的物理、機械性能，成為可用的制品或材料。這個過程稱之為。這個過程稱之為。燒結對最終產品的性能起著決定性的作用，是粉末冶金生。燒結對最終產品的性能起著決定性的作用，是粉末冶金生產過程中最重要的工序之一。產過程中最重要的工序之一。 燒結溫度約為主成分熔點的燒結溫度約為主成分熔點的2/32/3。保護氣氛可用氫氣等還原性氣體，氨氣、園氣等。保護氣氛可用氫氣等還原性氣體，氨氣、園氣等惰性氣體或者在真空中進行燒結。惰性氣體或者在真空中進行燒結。.8粉末冶金的生產過程4 4、 后處理后處理 經過燒結后，大部分制品已可使用。但對一些尺寸精度要求嚴格經過燒結后，大部分制品已可使用。但對一些尺寸精度要求嚴

7、格，或對使用性能有特殊要求的制品還需進行后處理。后處理有多種，或對使用性能有特殊要求的制品還需進行后處理。后處理有多種方式，如精整、浸油、機加工、熱處理和電鍍等。鍛造也可用來對方式，如精整、浸油、機加工、熱處理和電鍍等。鍛造也可用來對粉末冶金制品進行后處理。粉末冶金制品進行后處理。 粉末冶金的技術經濟特點1) 1) 能生產用普通熔煉法無法生產的具有特殊性能的材料能生產用普通熔煉法無法生產的具有特殊性能的材料 能控制制品的孔隙度，生產多孔材料能控制制品的孔隙度，生產多孔材料。適當地選擇和控制粉末粒。適當地選擇和控制粉末粒度、壓制壓力、燒結溫度和時間等參數，或在原料粉中預先混入一度、壓制壓力、燒結

8、溫度和時間等參數，或在原料粉中預先混入一定量低熔點金屬粉末或在低溫下易揮發的有機物粉末，即能得到質定量低熔點金屬粉末或在低溫下易揮發的有機物粉末，即能得到質量均勻的多孔材料。這種多孔材料可用作含油軸承，廣泛地應用在量均勻的多孔材料。這種多孔材料可用作含油軸承，廣泛地應用在汽車、家庭電動設備等方面。汽車、家庭電動設備等方面。 使互不相溶的金屬使互不相溶的金屬金屬或金屬金屬或金屬非金屬組合成具有特殊性能的材非金屬組合成具有特殊性能的材料。料。例如銅例如銅石墨、銀石墨、銀石墨電刷材料，鎢石墨電刷材料，鎢銅假合金型電觸頭材料銅假合金型電觸頭材料等。等。 能生產各種復合材料。能生產各種復合材料。例如，由

9、難熔化合物和金屬組成的硬質合例如，由難熔化合物和金屬組成的硬質合金和金屬陶瓷、彌散強化復合材料、纖維強化復合材料等。金和金屬陶瓷、彌散強化復合材料、纖維強化復合材料等。 2) 2) 生產出的材料性能更優越生產出的材料性能更優越 高合金粉末冶金材料，高合金粉末冶金材料，如粉末高速鋼、粉末超合金材料，可避免成分偏析，組如粉末高速鋼、粉末超合金材料，可避免成分偏析，組織均勻，晶粒細小，性能穩定，因而熱加工性能也大為改善。織均勻，晶粒細小，性能穩定，因而熱加工性能也大為改善。 可生產難熔金屬材料或制品。可生產難熔金屬材料或制品。現代科學技術雖已發展到很高水平，但材料如果現代科學技術雖已發展到很高水平，

10、但材料如果熔點過高，在工業上熔化仍有困難。目前，適于熔煉法生產的金屬熔點約在熔點過高，在工業上熔化仍有困難。目前，適于熔煉法生產的金屬熔點約在20002000以下，金屬及碳化物一般均須依靠粉末冶金法制取。最近，等離子噴射法以下，金屬及碳化物一般均須依靠粉末冶金法制取。最近，等離子噴射法可以得到可以得到1000010000以上的高溫，使難熔金屬的熔化成為可能。但是，與熔液不起以上的高溫，使難熔金屬的熔化成為可能。但是，與熔液不起化學反應，而自身也不熔化的耐火材料容器尚未制成，因而熔煉法制取難熔金屬化學反應，而自身也不熔化的耐火材料容器尚未制成，因而熔煉法制取難熔金屬還存在許多困難。還存在許多困難

11、。粉末冶金法可直接將金屬粉末制成成品或接近成品的最終形狀和尺寸的制品，因粉末冶金法可直接將金屬粉末制成成品或接近成品的最終形狀和尺寸的制品，因而不需要或只需很少的切削加工，而不需要或只需很少的切削加工，可節約金屬材料，提高勞動生產率。可節約金屬材料，提高勞動生產率。 粉末冶金的技術經濟特點.11事物總是一分為二的，粉末冶金作為一種先進的工藝技術在應事物總是一分為二的，粉末冶金作為一種先進的工藝技術在應用上也存在一些不足之處。例如，粉末的成本較高，粉末冶金用上也存在一些不足之處。例如，粉末的成本較高，粉末冶金制品的尺寸和形狀也受到限制等。隨著粉末冶金技術以及相關制品的尺寸和形狀也受到限制等。隨著

12、粉末冶金技術以及相關技術的發展，這些不足正在逐步解決。粉末冶金必將在國民經技術的發展，這些不足正在逐步解決。粉末冶金必將在國民經濟的發展中發揮愈來愈大的作用。濟的發展中發揮愈來愈大的作用。粉末冶金的技術經濟特點金屬粉末的生產方法生產方法生產方法簡要說明簡要說明應用范圍應用范圍 機機械械法法固固體體粉粉碎碎球球磨磨通過滾動或振動筒的運動，通過滾動或振動筒的運動，使球撞擊物料，粉碎成粉末使球撞擊物料，粉碎成粉末脆性金屬及合金脆性金屬及合金 研研磨磨用氣流或液流，帶動物料顆用氣流或液流，帶動物料顆粒相互碰撞摩擦而成粉末粒相互碰撞摩擦而成粉末脆性、韌性金屬絲或小脆性、韌性金屬絲或小塊邊角余料塊邊角余料

13、液液體體粉粉碎碎霧霧化化法法用高壓氣體、高壓液體或高用高壓氣體、高壓液體或高速旋轉的葉片，將熔融金屬速旋轉的葉片，將熔融金屬打散成霧狀液滴，冷卻后成打散成霧狀液滴，冷卻后成粉末粉末較低熔點的金屬較低熔點的金屬 物物理理化化學學法法還原法還原法用還原劑還原金屬氧化物或用還原劑還原金屬氧化物或鹽類，使其成為粉末鹽類，使其成為粉末金屬氧化物或鹵族化合金屬氧化物或鹵族化合物物電解法電解法在溶液或熔鹽中，通入直流在溶液或熔鹽中，通入直流電，使金屬離子重新獲得外電，使金屬離子重新獲得外層電子，變成金屬粉末層電子，變成金屬粉末金屬鹽類金屬鹽類熱離解法熱離解法金屬與金屬與CO,H2CO,H2或或HgHg作用作

14、用, ,生生成 化 合 物成 化 合 物, ,加 熱 后 分 解 出加 熱 后 分 解 出CO,H2CO,H2或或Hg,Hg,制得金屬粉末制得金屬粉末能與能與COCO，H2H2或或HgHg生成生成化合物的金屬化合物的金屬化學置換法化學置換法用活性用活性( (負電性負電性) )大的金屬，大的金屬，置換活性小的金屬離子制得置換活性小的金屬離子制得粉末粉末較貴重的金屬較貴重的金屬顆粒形狀與粉末生產方法的關系 顆粒顆粒形狀形狀粉末生產方法粉末生產方法顆粒形狀顆粒形狀粉末生產方法粉末生產方法球球 形形氣相沉積氣相沉積, ,液相沉液相沉淀淀樹枝狀樹枝狀水溶液電解水溶液電解近球形近球形氣體霧化氣體霧化, ,

15、置換置換( (溶溶液液) )不規則形不規則形水霧化水霧化, ,機械粉碎機械粉碎, ,化學化學沉淀沉淀多角形多角形機械粉碎機械粉碎多孔海綿多孔海綿狀狀金屬氧化物還原金屬氧化物還原片片 狀狀塑性金屬機械研塑性金屬機械研磨磨碟碟 狀狀金屬旋渦研磨金屬旋渦研磨.14粉末的制取及特征粉末的形狀和結構粉末的形狀和結構粉末顆粒的形狀直接影響粉末的流動性、松裝密度、粉末顆粒的形狀直接影響粉末的流動性、松裝密度、透氣性、壓制性及燒結強度等制粉工藝對粉末顆粒的透氣性、壓制性及燒結強度等制粉工藝對粉末顆粒的晶體結構起主要作用。一般情況下，粉末顆粒為多晶晶體結構起主要作用。一般情況下，粉末顆粒為多晶體結構。晶粒內存在

16、亞結構，同時晶體還存在嚴重的體結構。晶粒內存在亞結構，同時晶體還存在嚴重的不完整性，如空隙、畸變、夾雜等，晶粒內部往往含不完整性，如空隙、畸變、夾雜等，晶粒內部往往含有較高的空位濃度和位錯密度。有較高的空位濃度和位錯密度。粉末壓制（a）金屬粉末壓制成形軸襯；（）金屬粉末壓制成形軸襯；（b）壓制成形一個正齒輪的典型模具）壓制成形一個正齒輪的典型模具粉末料在模具中經壓制成為一定形狀成形體的過程。模具中的密度變化不同模具中金屬粉末壓制過程中密度的變化: (a) 和(c) 單動壓力機; (b) 和 (d) 雙動壓力機. 注意在 (d)中兩個凸模的獨立運動帶來了比c）更均勻的密度。 (e)在單動壓力機上

17、 壓制銅粉末時的等壓線。等靜壓成型等靜壓成型是將待壓制試樣置于高壓容器中，利用等靜壓成型是將待壓制試樣置于高壓容器中，利用液體介質不可壓縮的性質和均勻傳遞壓力的性質從液體介質不可壓縮的性質和均勻傳遞壓力的性質從各個方向對試樣進行均勻加壓的一種成型方法。各個方向對試樣進行均勻加壓的一種成型方法。熱等靜壓冷等靜壓.18冷等靜壓管狀零件冷等靜壓原理圖管狀零件冷等靜壓原理圖.19熱等靜壓熱等靜壓工藝原理熱等靜壓工藝原理壓力和溫度按圖隨時間變化壓力和溫度按圖隨時間變化其它成型方式粉末軋制粉末冶金制品的軋制成性屬于連續成型過程。金屬粉末由供料裝置不斷送入轉動方向相反且處于同一平面的兩個軋輥之間的縫隙，通過

18、軋輥的壓力將其壓實成連續的坯料。軋制成型的粉末冶金制品通常是截面形狀較為簡單的帶狀或板狀。粉末軋制成型示意圖燒結各種金屬粉末的燒結溫度和時間燒結金屬粉末的兩種燒結機理金屬粉末的兩種燒結機理 (a) (a) 固態傳輸機理固態傳輸機理; (b) ; (b) 液態傳輸機理；液態傳輸機理；R R粒子半徑粒子半徑, , r r 內頸半徑，內頸半徑，r r外頸半徑外頸半徑.23粉末冶金的設計考慮設計原則：1. 壓制的形狀必須盡可能的簡單均勻。尖銳的輪廓、過薄的截面、厚度的變化和高的長徑比應該避免。2. 必須提供從模具中退出壓實坯件而不損壞坯件的通路；例如，孔洞或凹壁應與推出機構的行程平行。還應設計斜度，以

19、避免沿壓實件的邊緣和拐角形成碎屑。3. 與大多數其它加工工藝一樣，為了提高工具和模具壽命及降低生產成本，粉末冶金零件也應該在滿足其應用要求的前提下有盡可能大的尺寸公差。4. 粉末冶金燒結零件的尺寸公差通常控制在0.005-0.1mm；通過附加工藝如，機加工、磨削等可以大幅度提高尺寸精度。粉末冶金技術的發展趨勢( (l) l) 具有代表性的鐵基合金，其大體積的精密制品，高質量的結具有代表性的鐵基合金，其大體積的精密制品，高質量的結構零部件。構零部件。(2) (2) 制造具有均勻顯微組織結構的、加工困難而完全致密的高性制造具有均勻顯微組織結構的、加工困難而完全致密的高性能合金。能合金。 (3) (

20、3) 用增強致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金。用增強致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金。 (4) (4) 非均勻材料、非晶態、微晶或者亞穩合金。非均勻材料、非晶態、微晶或者亞穩合金。 (5) (5) 加工獨特的和非一般形狀或成分的復合零部件加工獨特的和非一般形狀或成分的復合零部件 .25陶瓷的制備.26原料原料粘土粘土生產過程生產過程粘粘土土混混合合成成型型干干燥燥燒燒結結成成品品冷冷卻卻陶瓷成形.27.28陶瓷成形陶瓷成形工藝特點工藝（工藝（Process）優勢（優勢（Advantages）局限（局限（Limitations）注漿成型法大型零件，復雜形狀，低設備成本低生

21、產率，尺寸精度限制.擠壓法可生產中空形狀以及小直徑零件；高生產效率。 零件具有恒定的截面積，厚度受到限制。干壓法精度高，自動化控制生產效率高。在長徑比大的零件上密度變化；模具需要高耐磨性；設備成本高。濕壓法形狀復雜，高生產率。 零件的尺寸和尺寸精度受到限制；工具成本可能高。熱壓成形硬度高，密度大的零件。 需要保護氣體，模具壽命短。等靜壓制均勻的密度分布. 設備可能昂貴.旋坯成形自動化控制生產率高；工具成本低。局限于軸對稱零件；尺寸精度受限制。噴射造型法形狀復雜，高生產率。設備可能昂貴.許多技術都可以將陶瓷成形為有用的產品。.29陶瓷成形1. 粉漿澆注粉漿澆注成形陶瓷零件的過程。將陶瓷或金屬粉末分散在液態介質中制成懸浮液，是指具有良好的流動性。將此懸浮液注入一定形狀的模腔中，通過模具的吸水作用使懸浮液固化，制得具有一定形狀的 生坯。石膏模注漿出漿修坯鑄件.30陶瓷成形2.