1、粉末冶金成型第1頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 粉末冶金是以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)為原料，通過成形、燒結或熱成形制成金屬制品或材料的一種冶金工藝技術。粉末冶金生產工藝與陶瓷制品的生產工藝類似，因此人們又常常稱粉末冶金方法為“金屬陶瓷法”。 粉末冶金材料或制品種類較多，主要有: 難熔金屬及其合金（如鎢、鎢鉬合金）； 組元彼此不相溶、熔點十分懸殊的特殊性能材料（如鎢銅合金型電觸頭材料）； 難熔的化合物和金屬組成的各種復合材料（如硬質合金、金屬陶瓷）等。第2頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二粉末冶金的特點：1）某些特殊性能材料的唯一

2、制造方法；2）可直接制出尺寸準確，表面光潔的零件，是少甚至無切削生產工藝；3）節約材料和加工工時，成本低。 4）制品強度較低；5）流動性較差，形狀受限制；6）壓制成形的壓強較高，制品尺寸較??；7）壓模成本較高。第3頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二第1節 粉末冶金基礎 粉末冶金的主要工序有粉末制備、粉末預處理、成形、燒結及后處理等。粉末冶金材料或制品的工藝流程如圖5-1所示。5.1.1 粉末性能和粉末制備5.1.1.1 粉末性能 固態物質按分散程度不同分成致密體、粉末體和膠體三類。 致密體或常說的固體：粒徑在l 以上； 膠體微粒： 0.1 以下； 粉末體或簡稱粉末：介于二

3、者之間。第4頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 金屬粉末的性能對其成形和燒結過程以及制品的質量都有重大影響。金屬粉末的性能可以用化學成分、物理性能和工藝性能來表征。 1. 粉末的化學成分 粉末的化學成分一般是指主要金屬或組元的含量、雜質或夾雜物的含量以及氣體的含量。 金屬或合金粉末中的主要金屬含量都不能低于98%99%。 粉末中的雜質主要指：1）與主要金屬結合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬成分，如還原鐵粉中的硅、錳、碳、硫、磷、氧等；2）從原料和粉末生產過程中帶進的機械夾雜，如二氧化硅、三氧化二鋁、硅酸鹽、難熔金屬或碳化物等酸不溶物。第5頁，共43頁，2022年，5月

4、20日，8點36分，星期二3）粉末表面吸附的氧、水汽和其他氣體（N 2、CO2）。2.粉末的物理性能 粉末的物理性能：粉末顆粒大小和粒度組成、粉末顆粒形狀與結構、顯微硬度、粉末比表面、粉末真密度以及粉末顆粒的晶格狀態。在技術條件中，通常只規定各級粉末顆粒的百分含量粒度組成或篩分組成 。1）顆粒形狀：主要由粉末的生產方法決定，同時也與物質的分子或原子排列的結晶幾何學因素有關；決定粉末工藝性能。2）粒度組成：指不同粒度的顆粒占全部粉末的百分含量，又稱粒度分布。3）粉末比表面：指每克粉末所具有的總表面積，通常用cm2/g或m2/g表示。 第6頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二3

5、.粉末的工藝性能 粉末的工藝性能用粉末的松裝密度、流動性、壓縮性與成形性來表征。1）松裝密度是指粉末試樣自然地充填規定的容器時，單位體積內粉末的質量，單位為gcm3。2）流動性是50g粉末從標準的流速漏斗流出所需的時間，單位為s50g，其倒數是單位時間內流出粉末的重量，俗稱為流速。3）壓縮性代表粉末在壓制過程中被壓緊的能力，通常以在規定單位壓力下粉末的壓坯密度表示。4）成形性是指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，通常用粉末得以成形所需的最小單位壓制力表示或用壓坯強度來表示。第7頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.1.1.2 粉末的制備 金屬粉末的制取方法可分成兩大類：

6、機械法和物理化學法。 機械法是將原材料磨碎成粉而不改變原材料的化學成分的方法。如將金屬切削成粉末顆粒；把金屬研磨成粉末；液態金屬的制粒和霧化。 物理化學法是在制取粉末過程中，使原材料受到化學或物理的作用，而使其化學成分和集聚狀態發生變化的工藝過程。還原金屬氧化物、電解水溶液或熔鹽、熱離解羰基化合物、冷凝金屬蒸汽、晶間腐蝕和電腐蝕法等。物理化學制粉法是以還原和離解等化學反應為基礎的。 工業上普遍采用的有：氧化物還原法、電解法、熱離解法、球磨法、渦旋研磨法、霧化法。 第8頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.1.2 粉末的成形 5.1.2.1 成形方法 成形是粉末冶金工藝的重

7、要步驟。成形的目的是制得具有一定形狀、尺寸、密度和強度的壓坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模壓成形是最基本方法。 松裝燒結粉漿澆注模壓成形熱壓成形等靜壓成形軋制成形離心成形擠壓成形爆炸成形成形無壓成形加壓成形第9頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二1.粉末預處理 預處理包括：粉末退火，篩分，混合，制粒，加潤滑劑等。 粉末的預先退火可使氧化物還原，降低碳和其他雜質的含量，提高粉末的純度；同時，還能消除粉末的加工硬化、穩定粉末的晶體結構 。 篩分的目的在于把顆粒大小不同的原始粉末進行分級。 混合一般是指將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。混合可采用機械法和化學法。

8、 制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F粒的工序，以此來改善粉末的流動性。 5.1.2.2 壓制成形第10頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二2.壓制成形 壓模壓制是將置于壓模內的松散粉末施加一定的壓力后，成為具有一定尺寸、形狀和一定密度、強度的壓坯，如圖5-2是壓模示意圖。 粉末的壓縮過程一般采用壓坯密度成形壓力曲線來表示，如圖5-3所示。壓坯密度變化分為三個階段?；瑒与A段：在壓力作用下粉末顆粒發生相對位移，填充孔隙，壓坯密度隨壓力增加而急劇增加；二是粉末體出現壓縮阻力，即使再加壓其孔隙度不能再減少，密度不隨壓力增高而明顯變化；三是當壓力超過粉末顆粒的臨界壓力時，粉末顆粒開始

9、變形，從而使其密度又隨壓力增高而增加。 圖5-2 模壓示意圖圖5-3 壓坯密度與壓力第11頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 壓坯密度分布不均勻：用石墨粉作隔層的單向壓制實驗，得到如圖5-4所示的壓坯形狀，各層的厚度和形狀均發生了變化，由圖5-5可知在任何垂直面上，上層密度比下層密度大；在水平面上，接近上模沖的斷面的密度分布是兩邊大，中間?。欢h離上模沖的截面的密度分別是中間大，兩邊小。 因為粉末體在壓模內受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側壓力。側壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。 a) 壓制前 b) 壓制后圖5-4 用石墨粉作隔層的單向壓坯

10、 a）單向壓制 b) 雙向壓制 圖5-5 壓坯密度沿高度分布圖第12頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 為了改善壓坯密度的不均勻性，一般采取以下措施： 1）減小摩擦力：模具內壁上涂抹潤滑油或采用內壁更光潔的模具；2）采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性，如圖5-5所示；3）模具設計時盡量降低高徑比。 粉末的壓制一般在普通機械式壓力機或液壓機上進行。常用的壓力機噸位一般為5005000kN。 如圖5-6為雙向壓制襯套的4個工步示意圖。 第13頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.1.3 燒結 燒結是將壓坯按一定的規范加熱到規定溫度并保溫一段時間，使

11、壓坯獲得一定的物理及力學性能的工序。 燒結機理：粉末的表面能大，結構缺陷多，處于活性狀態的原子也多，它們力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫，為粉末原子所儲存的能量釋放創造了條件，由此引起粉末物質的遷移，使粉末體的接觸面積增大，導致孔隙減少，密度增高，強度增加，形成了燒結。 固相燒結：燒結發生在低于其組成成分熔點的溫度，如普通鐵基粉末冶金軸承燒結。 液相燒結：燒結發生在兩種組成成分熔點之間。如硬質合金與金屬陶瓷制品的燒結。液相燒結時，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結速度快、制品強度高。 第14頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 燒結時的影響因素：燒結溫度、燒

12、結時間和大氣環境，粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等。 常用粉末冶金制品的燒結溫度與燒結氣氛見表5-1。燒結溫度過高或時間過長，都會使壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產生所謂“過燒”的廢品；如燒結溫度過低或時間過短，則產品的結合強度等性能達不到要求，產生所謂“欠燒”的廢品。 粉冶材料鐵基制品銅基制品硬質合金不銹鋼磁性材料(Fe-Ni-C0)鎢、鋁、釩燒結溫度10502000700 9001350 1550125012001700 3300燒結氣氛發生爐煤氣，分解氨分解氨，發生爐煤氣真空、氫氫氫、真空氫表5-1 常用粉末冶金制品的燒結溫度與燒結氣氛 第15頁，共43頁，2022年，5月

13、20日，8點36分，星期二5.1.4 后處理 后處理的方法按其目的不同，有以下幾種：1）為提高制件的物理及力學性能，方法有：復壓、復燒、浸油、熱鍛與熱復壓、熱處理及化學熱處理。2）為改善制件表面的耐腐蝕性，方法有：水蒸氣處理、磷化處理、電鍍等。3）為提高制件的形狀與尺寸精度，方法有：精整、機械加工等。4）熔滲處理，它是將低熔點金屬或合金滲入到多孔燒結制作的孔隙中去，以增加燒結件的密度、強度、塑性或沖擊韌度。 第16頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二第2節 粉末冶金模具 粉末冶金模具主要是指在粉末壓制成形、燒結、后處理等工序中所用到的模具。 根據用途可分為：壓模、精整模、復

14、壓模、鍛模、擠壓模、熱壓模、等靜壓模、粉漿澆鑄模、松裝燒結模等。 按制作材料又可分為：鋼模、硬質合金模、石墨模、塑料橡皮模和石膏模等。 在工業生產中應用最廣泛的是壓制、精整、復壓和鍛造用的鋼模及硬質合金模。本節重點介紹壓模的幾種常見類型。第17頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.2.1 單向壓模 單向壓模在壓制過程中，相對于陰模運動的只有一個模沖，或是上模沖或是下模沖。如圖5-7是壓制軸套類壓坯的單向手動壓模，其基本組成部分有陰模、上模沖、下模沖和芯桿。一般只用來生產高度不大（高徑比H/D1）、形狀簡單的零件 。圖5-7 單向手動壓模第18頁，共43頁，2022年，5月

15、20日，8點36分，星期二5.2.2 雙向壓模 雙向壓制的特點是：上下模沖相對陰模都有移動，模腔內粉末體受到兩個方向的壓縮，或下模沖固定不動，由上模沖和陰模對著下模沖做不同距離的移動，實現雙向壓制。如圖5-8所示為壓制套類壓坯的雙向手動壓模。 一般用來生產實體類壓坯的高徑比HD1或管套類壓坯的高度與壁厚之比HT3的零件。 圖5-8 雙向手動壓模 第19頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.2.3 摩擦芯桿壓模 摩擦芯桿壓模壓制特點：芯桿和上模沖同速同向對著固定的陰模和下模沖移動壓縮粉末體，或者是陰模和上模沖同速同向對著固定的芯桿和下模沖運動壓縮粉末體。如圖5-9所示為套類

16、零件摩擦芯桿浮動壓模。 一般用于壓制較長的薄壁套類零件的壓坯。 圖5-9 摩擦芯桿浮動壓模第20頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二 組合壓模是幾種壓制方式（如單向壓制、雙向壓制和摩擦芯桿壓制等）及其壓模結構的綜合運用。即在設計壓制模具時，綜合各種壓模的結構特點，設計成多種形狀的組合模沖來完成復雜零件的壓制成形工序，并采取幾種壓制方式綜合運用來保證壓坯質量；所以，組合壓模是形式最多且應用最廣泛的壓模結構。 5.2.4 組合壓模第21頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二第3節 常用粉末冶金材料簡介 粉末冶金常用來制作減摩材料、結構材料、摩擦材料、硬質合金、

17、難熔金屬材料、過濾材料、金屬陶瓷、無偏析高速工具鋼、磁性材料、耐熱材料等。 5.3.1 硬質合金 硬質合金是粉末冶金工具材料的一種，主要用于制造高速切削硬而韌材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受沖擊、振動的高耐磨零件。1.硬質合金的性能特點 1）具有很高的常溫硬度（6981HRC），高的熱硬性(可達9001000)，優良的耐磨性。第22頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二2）具有高的抗壓強度（可達6000 MPa），但抗彎強度較低；3）良好的耐蝕性(抗大氣、酸、堿等)和抗氧化性；4）線膨脹系數小。 2.切削加工用硬質合金分類、分組代號 切削加工用硬質合金按其切屑排出形式

18、和加工對象的范圍可分為三個主要類別，分別以字母P、M、K表示。 P適用于加工長切屑的黑色金屬，以藍色作標志； M適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色全屬，以黃色作標志； K適于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料，以紅色作標志。切削加工用硬質合金用途分組代號與硬質合金牌號對照見表5-2，表5-3。 第23頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二3.硬質合金的應用 1）用作刀具材料。硬質合金作刀具材料的用量最大，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭等；2）用作模具材料。用硬質合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷沖模、冷擠模和冷鐓模等；3）用作量具及耐磨零件。如千分尺、塊規、塞規等。

19、 5.3.2 含油軸承材料 含油軸承材料是一種具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造軸承零件。這種材料壓制成軸承后，放在潤滑油中浸潤，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛細現象作用下，可吸附大量潤滑油(一般含油率為12%30)，故稱為含油軸承。 第24頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二常用的含油軸承有鐵基和銅基含油軸承兩類。1）鐵基含油軸承是鐵-石墨(0.5%)粉末冶金材料或鐵-硫(0.5%1)-石墨(1%2)粉末冶金材料；鐵-石墨粉末冶金材料的組織為珠光體(大于40%)十鐵索體十滲碳體(小于5%)十石墨+孔隙，硬度30110HBS。鐵-硫-石墨粉末冶金材料的組織除了與鐵-石墨粉

20、末冶金材料相同的組織以外還有硫化物，可進一步改善摩擦條件，硬度為3570 HBS。2）銅基含油軸承常用的是青銅粉末與石墨粉末制成的冶金材料，它具有較好的熱導性、耐蝕性抗咬合性，但承壓能力較鐵基含油軸承小。 含油軸承材料一般用于制作中速、輕載荷的軸承，尤其適宜制作不能經常加油的軸承，如紡織機械、電影機械、食品機械、家用電器(如電風扇、電唱機)等的軸承，在汽車、拖拉機機床電機中也得到廣泛應用。 第25頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.3.3 鐵基結構材料 鐵基結構材料是以碳鋼或合金鋼粉末為主要原材料，采用粉末冶金方法制造結構零件。 用這類材料制造的結構零件具有制品精度較高

21、、表面粗糙度值低，不需或只需少量切削加工，節省材料，提高生產率等特點。制品還可通過熱處理方法強化和提高耐磨性。 這類材料廣泛用于制作各種機械零件，如機床上的調整墊圈、調整環法蘭盤、偏心輪，汽車制造中的油泵齒輪差速器齒輪、止推環以及拖拉機上的傳動齒輪、活塞環等。 第26頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二第4節 粉末冶金制品結構工藝性 考慮粉末冶金零件結構工藝性時，總的原則是零件應盡量平整簡單，即不帶倒角、尖角、凸起、凹槽以及難于直接壓制或脫模出的內、外螺紋、倒錐度、與壓制方向垂直的孔、槽等。一般需要從壓制困難性、脫模困難性、粉末均勻填充困難性和壓模強度、壽命等諸方面考慮。

22、5.4.1 考慮壓制困難性及簡化模具 零件的內、外螺紋、倒錐度、與壓制方向垂直的孔、槽等均不能直接壓制出 。圖5-10a中與壓制方向垂直的退刀槽需改為圖5-10b的結構；圖5-11a所示零件，應在模具上做出墊塊（圖5-11b） 第27頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.4.2 考慮脫模困難性 在壓制過程中，由于壓制壓力較大而陰模會發生彈性膨脹；當壓力去除后，壓坯阻礙陰模彈性收縮，壓坯受徑向壓力。壓坯脫出陰模的部分，由于本身彈性后效作用而向外膨脹。這使得在脫模過程中，壓坯受到方向相反的切應力作用，如圖5-12所示。 在壓坯脫模過程中，壓坯上的一些薄弱部位有可能在上述切應力

23、作用下發生毀壞。所以零件在結構上應盡可能避免薄壁、深而窄的槽、銳邊、小而薄的凸臺等形狀。如圖5-13a所示結構宜改成圖5-13b。圖5-14a脫模不便，改成圖5-14b結構為妥。圖5-12 壓坯脫模過程中的切應力第28頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.4.3 考慮粉末均勻填充及壓坯密度 密度均勻是壓坯質量的一個重要指標。在壓制薄壁或截面上厚度差異較大的壓坯時，裝粉不易均勻，薄壁和尖角處難于充填粉末，引起壓坯密度很不均勻，燒結時易發生變形或開裂。 壓坯的最小壁厚取決于零件尺寸。一般偏心孔零件最薄處壁厚t1mm（圖5-15a所示）。設計圓柱體空心件最小壁厚規定為1.2mm

24、；實際設計中，壁厚t與高度H有關，一般取H/t20（圖5-15b）。 零件結構帶有尖角時，不利于裝粉、密度不易均勻、且模具制造困難、壽命低，宜將尖角改為圓弧。 第29頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二5.4.4 考慮壓模強度及壽命 主要應考慮壓模結構上一些薄弱部位易在壓制高壓下損壞。例如，機械加工中極易加工的倒角，在粉末冶金壓制時，成了模具的薄弱部位（尖角）而極易在壓制時損壞（圖5-16a所示），宜改成圖5-16b所示結構。 a)b)圖5-16 倒角結構的改進第30頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二第5節 粉末冶金技術的新發展5.5.1 粉末制備1.

25、 快速冷凝技術2.機械合金化 3.自蔓延高溫合成 SHS4.氣體霧化制粉5.5.2 成形1.粉末注射成形2.噴射沉積3.大氣壓力固結 第31頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二4.溫壓技術5.流動溫壓工藝5.5.3 燒結1. 電場活化燒結2. 等離子體活化燒結3. 微波燒結4. 低溫燒結第32頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二思考題：1. 何謂粉末冶金？粉末冶金的主要工序有哪些？2. 粉末冶金模具主要有哪幾種類型？3. 常見粉末冶金材料有哪些？并指出下列牌號的含義： YG6X YT14 YW1 第33頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期二返回文檔原料粉末其他添加劑混合松裝燒結（石膏模）粉末澆注模壓成形預燒結燒結二次模壓二次燒結整形高溫燒結鍛造拉絲燒結鍛 造軋 制擠 壓冷等靜壓軋 制擠 壓燒 結熱 壓熱 擠 壓熱等靜壓后續處理（選擇）：浸漬熱處理 電鍍 機械加工粉末冶金材料、制品圖5-1 粉末冶金材料或制品的工藝流程第34頁，共43頁，2022年，5月20日，8點36分，星期