第三章 粉末冶金 ☆★

1、第三章 粉末冶金第一節(jié) 概述粉末冶金是以顆粒材料成形，經(jīng)過燒結(jié)獲得制品的。它既是冶金的方法，又是直接制造零件的方法。作為冶金方法，能夠制取普通冶金方法難以獲得的特殊材料，作為少切削或無切削方法，可以制造出各種精密的機(jī)械零件。粉末冶金首先要制取粉料，粉料的粒徑從數(shù)百微米至數(shù)個微米不等，近年發(fā)展到數(shù)個納米（nm）。（把1米分成10億份，每一份就是1納米）。顆粒的材料可以是純金屬，也可以是化合物；可以由一種組分組成，也可以由多種組分混合而成。為了獲得預(yù)定形狀，必須對顆粒材料預(yù)壓成型。一般是通過壓力機(jī)上的成型模具預(yù)壓成型。顆粒材料在成型模具中預(yù)壓成型時，由于顆粒對模壁的摩擦，成型坯件的各部位所受的壓力

2、不同，致密度也不同。為了增加粉粒的流動性，減少壓坯的不均勻性，需要在粉粒中添加潤滑劑。為了便于成型，需要在粉粒中添加粘結(jié)劑。成型后的坯件必須經(jīng)過燒結(jié)才能有足夠的強度和致密度。為了避免燒結(jié)時產(chǎn)生氧化，燒結(jié)中要采用氫氣、氬氣或氮氣等氣體保護(hù)。燒結(jié)的溫度低于主要成分的熔點，主要成分不發(fā)生熔化。粉末冶金的工藝流程：制粉配料預(yù)壓成型預(yù)燒結(jié)燒結(jié)成型后處理。粉末冶金件的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜， 單件和小批量的生產(chǎn)成本較高，無法像加工金屬材料那樣進(jìn)行方便的機(jī)械加工，一般情況下不易進(jìn)行焊接和鍛造。此外，粉末在模具中的流動性較差，形狀復(fù)雜和壁厚過薄的零件難于成型。由于工藝的關(guān)系，不適于過大的工件，一般小于50kg。如果

3、工件過大，將會造成預(yù)壓成型和燒結(jié)的困難。雖然粉末冶金件有工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高的問題，但是粉末冶金件的性能好，使用壽命長，并且能夠解決許多常規(guī)冶金方法不能解決的問題。粉末冶金批量性生產(chǎn)，批量愈大，愈是經(jīng)濟(jì)。隨著科技的發(fā)展，性能更高和成本更低的粉末冶金制品不斷涌現(xiàn)出來，粉末冶金制品的應(yīng)用將更為廣泛。第二節(jié) 粉末冶金的特點與生產(chǎn)過程一 粉末冶金的特點1. 獲得多組元材料由于粉末冶金方法預(yù)先均勻混合各種成分的細(xì)小固體顆粒，材料的成分均勻，燒結(jié)溫度低于熔煉溫度，基體金屬不熔化，有效地防止了化學(xué)成分的偏析。利用這一特點，可以添加多種組元，獲得性能比較理想的粉末冶金制品。如果以鐵、銅等材料作為基體，加入氧

4、化鋁等耐磨材料，可以得到熔點高和耐磨性好的耐磨材料，適合于各種制動剎車片。以鎢、鉬為基體，加入銅、銀等導(dǎo)電率高的材料，可以制成耐電弧燒蝕的電觸頭材料，適合于各種電器開關(guān)觸頭。2. 獲得多孔材料3.利用粉末冶金中主要成分的顆粒不熔化，不同組元的顆粒分布均勻的特點，適當(dāng)控制粉末的粒度、顆粒形狀和工藝，可以獲得預(yù)定的內(nèi)部孔隙大小，得到比較均勻的多孔材料。利用多孔材料的不同孔隙度，可以制成過濾材料，用來過濾各種流體。利用孔隙可以浸入潤滑油，制造成為含油軸承。利用多孔材料可以制成各種消音、減震和隔熱材料的部件。 3. 獲得難熔材料和硬質(zhì)合金許多難熔金屬材料，如鎢、鉬、鉭、鈦以及它們的碳化物，熔點高達(dá)18

5、00以上，使用傳統(tǒng)的冶金熔煉方法，遇到加熱到高溫的困難和加熱爐內(nèi)襯耐高溫的困難。粉末冶金方法的燒結(jié)溫度比較低，僅為熔化溫度的2/3到3/4，是目前制作難熔材料的一種常見方法。4. 實現(xiàn)少切削或無切削加工利用粉末冶金可以預(yù)先配制粉末冶金顆粒材料的成分和預(yù)先成型的特點，粉末冶金制品在制成以后，除了達(dá)到預(yù)定的性能以外，制品的形狀尺寸已達(dá)到或基本達(dá)到要求。與傳統(tǒng)的冶金材料的加工相比，粉末冶金方法的生產(chǎn)效率高，節(jié)約材料。 但是，粉末冶金材料也有許多不足之處：（1） 制造工藝過程較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。（2） 某些高熔點材料的燒成溫度依然太高，對生產(chǎn)設(shè)備的要求增高。（3） 產(chǎn)品的力學(xué)性能有時不夠理想，如脆

6、性太大，致密度不夠高等。（4） 受生產(chǎn)設(shè)備和工藝方法的限制，目前難以生產(chǎn)出較大的制品。一般情況下，工件重量從數(shù)克至數(shù)十千克。 二 粉末冶金的生產(chǎn)過程1. 顆粒的制備顆粒的制備是粉末冶金生產(chǎn)中十分重要的工序，目前的顆粒制備方法主要是利用球磨機(jī)進(jìn)行球磨粉碎。球磨的作用主要是改變顆粒的尺寸大小，使顆粒由粗變細(xì)，為成型工序作準(zhǔn)備，這一過程稱為制粉。顆粒在球磨機(jī)中受到磨球的反復(fù)撞擊，增加了晶格缺陷，提高了表面能，表面能的提高有利于燒結(jié)。經(jīng)過長時間的球磨，細(xì)小顆粒的表面能產(chǎn)生變化，顆粒表面與其它成分形成化合物或固溶體，稱為顆粒表面機(jī)械合金化，機(jī)械合金化改變了原來顆粒的性能。另外利用球磨粉碎過程，可以將多種

7、組分的材料一起混合球磨，起到了均勻混合粉料的作用。粉碎顆粒的大小與形狀，對燒結(jié)過程和最終成品性能的影響很大。如果顆粒過于粗大或顆粒的外形呈不規(guī)則形狀，造成冷壓成型時粉末的流動性較差，壓坯的致密性和均勻性較差，外觀也不整齊，燒結(jié)后成品的力學(xué)性能也較差。細(xì)小的顆?？梢垣@得較為致密的壓坯，燒結(jié)后成品的力學(xué)性能較高，而且外觀整齊。顆粒制備的基本方法有機(jī)械、化學(xué)和物理方法，生產(chǎn)中采用機(jī)械粉碎方法較多。機(jī)械粉碎方法是利用球磨機(jī)中的磨球撞擊顆粒材料，使被磨材料的顆粒破碎變小。機(jī)械球磨機(jī)有滾桶式、振動式、擺動式。滾桶式球磨機(jī)的裝料量多，生產(chǎn)中經(jīng)常采用。但是滾桶式球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動速度慢，效率很低，一般要進(jìn)行數(shù)小時或

8、幾十小時的球磨過程。擺動式球磨機(jī)的粉碎效果較好，但裝料量較少，生產(chǎn)中不夠普及。氣流粉碎機(jī)是另外一種機(jī)械粉碎方法，它是利用高速氣流帶動顆粒，迫使顆粒受到撞擊而粉碎。這種方法的效率較高，適用較大批量的生產(chǎn)，但設(shè)備成本也較高。一般情況下，機(jī)械粉碎方法能夠粉碎的顆粒最小粒徑大約在0.5m。要求粉碎的顆粒愈是細(xì)小，粉碎的時間愈長，粉碎的難度愈大。化學(xué)制粉方法有液體法和氣體法。液體法是將顆粒原料溶解在其他液體中，向液體中加入沉淀劑或凝固劑，使原料以細(xì)小的顆粒的形式從液體中析出。液體法可以獲得極為細(xì)小的顆粒，最細(xì)可以達(dá)到納米級粒徑。由于這種方法的生產(chǎn)成本較高，目前尚未用于大批量生產(chǎn)。氣體法是原料以氣體的形式

9、出現(xiàn)，可以由幾種氣體相互混合，在一定溫度下，形成細(xì)小的顆粒。例如在較高溫度下，由硅的蒸氣和含碳的氣體混合反應(yīng)，可以形成碳化硅SiC顆粒，氣體法能夠獲得納米級粒徑的顆粒材料。物理制粉方法中常見的有噴霧法。它是將原料先熔化為液體，利用壓縮氣體進(jìn)行霧化，使材料形成細(xì)小的顆粒。目前這種方法多用于金屬顆粒的制作。例如：鋁顆粒、鎳顆粒或鎳鋁合金顆粒2. 預(yù)壓成形為了使顆粒材料燒結(jié)為成品，燒結(jié)前必須預(yù)壓成型，目前以冷預(yù)壓成型方法較為多見。冷預(yù)壓成型是將配制好的粉料放入成型模中，利用模具迫使粉粒成型。為了使粉料易于擠壓成型，要放入少量的增塑劑和粘結(jié)劑，以增加顆粒間的粘結(jié)能力和顆粒在模具中的流動性。常用的增塑劑

10、有聚乙烯醇等，粘結(jié)劑有石蠟等。冷壓成型后的坯件強度較低，必須經(jīng)過燒結(jié)才能有較高的機(jī)械強度和某些特殊性能。如果對預(yù)壓中的坯件在加壓成型的同時進(jìn)行加熱燒結(jié)，這稱之為熱壓成型。熱壓成型后的制品已經(jīng)完成了燒結(jié)工序，不再需要進(jìn)行燒結(jié)。熱壓成型產(chǎn)品的致密度較高，力學(xué)性能較好。相對于冷壓成型方法，熱壓成型受到模具的限制，還不適于大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高。4. 坯件的預(yù)燒5.為了把冷預(yù)壓成型坯件中的增塑劑、粘結(jié)劑和其他易揮發(fā)物質(zhì)去除掉，一般要對坯件進(jìn)行預(yù)燒。預(yù)燒溫度從幾十度至近千度不等，具體與顆粒的熔點、抗氧化能力及所含易揮發(fā)物的揮發(fā)溫度有關(guān)，大多數(shù)金屬顆粒材料的預(yù)燒溫度為數(shù)百度。預(yù)燒溫度愈高，揮發(fā)物的去除愈

11、徹底。預(yù)燒的加熱速度必須非常緩慢的，使揮發(fā)物能夠逐漸揮發(fā)，以免瞬時產(chǎn)生大量的氣體，造成坯件開裂。坯件的預(yù)燒能夠減少在燒結(jié)中的開裂。4. 燒結(jié)5.燒結(jié)是將預(yù)燒后的坯件加熱到高溫，使坯件內(nèi)部發(fā)生一系列的物理變化和化學(xué)變化，獲得致密的、堅硬的和體積穩(wěn)定的制品過程。（1） 粉末冶金材料的燒結(jié)現(xiàn)象未經(jīng)燒結(jié)坯件的氣孔率很高，可達(dá)百分之幾或百分之幾十，粉末顆粒之間的接觸面積較小。通過燒結(jié)，隨著時間的延長，材料的質(zhì)點通過擴(kuò)散產(chǎn)生遷移，顆粒之間的相互接觸點逐漸增大，顆粒之間形成頸狀部位，隨時間的延長頸狀部位逐步增大，顆粒之間的孔隙減少，相互連成整體，坯體變得致密。燒結(jié)可以分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。在燒結(jié)溫度下高純

12、物質(zhì)的顆粒之間一般無液相出現(xiàn)，稱為固相燒結(jié)。例如硬質(zhì)合金刀頭的燒結(jié)，一般是通過固相燒結(jié)來完成的。有些材料在燒結(jié)中顆粒之間有液相出現(xiàn)，稱為液相燒結(jié)。某些多組分的顆粒粉料，若含有熔點相對較低的組元，易于出現(xiàn)液相燒結(jié)。 在燒結(jié)中坯件的體積產(chǎn)生收縮，致密度增加。一般情況下，坯件燒結(jié)后可以達(dá)到理論密度的90% 98%，但是很難達(dá)到理論上的完全致密度。坯體燒結(jié)后可以用收縮率、氣孔率、體積密度或理論密度的比值來衡量燒結(jié)后制品的質(zhì)量。（2） 燒結(jié)的動力燒結(jié)的推動力主要來自顆粒的表面能，表面能愈高，愈有利于燒結(jié)。顆粒制備過程中，例如機(jī)械粉碎方法，顆粒受到撞擊后表面的晶格產(chǎn)生缺陷，可以引起表面能的增加。5. 后處

13、理為了進(jìn)一步提高粉末冶金制品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，往往要進(jìn)行后處理。常見的后處理工作有表面處理、熱處理、特殊處理等。（1） 表面處理有些粉末冶金制品的表面要求光潔、耐磨、耐腐蝕、美觀等，必須進(jìn)行一定的表面處理。 封孔處理封孔處理可以封閉粉末冶金制品的表面的孔隙，減少材料的氧化和腐蝕等。常見的封孔方法有浸涂樹脂法、電鍍法、化學(xué)鈍化法等。 滾筒處理當(dāng)粉末冶金制品的表面要求較高時，必須進(jìn)行滾筒研磨，清除表面毛刺和燒結(jié)中造成的表面污染，提高表面質(zhì)量。 （2） 熱處理為了使燒結(jié)件達(dá)到規(guī)定的性能，某些制品要使用退火、正火、淬火、回火等熱處理方法。特別是鋼結(jié)粉末冶金制品（以碳鋼粉末或合金鋼粉末為主要原料），退火可以使其軟化，利于機(jī)械加工；淬火可以達(dá)到很高的硬度，增加耐磨性和使用壽命。（3） 浸漬處理粉末冶金的含油軸承必須浸油處理，使其孔隙中進(jìn)入潤滑油，才能達(dá)到制品的特有性能。第三節(jié) 粉末冶金的應(yīng)用第四節(jié)粉末冶金通常采用耐磨、耐高溫和硬度高的顆粒材料，因此粉