粉末压制(PM)工艺流程及烧结知识简介

作者: cnpim CNPIM 2014年12月13日
 

4.1粉末压制成形过程

 

粉末压制(这里主要指粉末冶金)是用金属粉末(或者金属和非金属粉末的混合物)做原料,经压制成形后烧结而制造各种类形的零件和产品的方法。

颗粒状材料兼有液体和固体的双重特性,即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性,人们正是利用这特性来实现粉末的成形,以获得所需的产品。

粉末压制的特点:

1)能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。可制取像难熔、极硬和特殊性能的材料,2)材料的利用率很高,接近100%。

3)虽然用其他方法也可以制造,但用粉末冶金法更为经济。

4)一般说来,金属粉末的价格较高,粉末冶金的设备和模具投资较大,零件几何形状受一定限制,因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。

粉末压制生产技术流程如下:

41.1金属粉末的制取及其特性

(1)金属粉末的制取

金属粉末的生产有多种方法,其中主要有:矿物还原法,雾化法,机械粉碎法等。

1)矿物还原法制取粉末矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后,得到一定形状和大小的金属料,然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。

矿物还原法主要适用于铁粉生产,铁粉纯度直接与铁矿石的纯度有关。除铁粉外,用矿物还原法还能生产钴、钼、钙等粉末。例如,难熔的金属化合物粉末如碳化物、硼化物、硅化物粉末,是通过金属氧化物粉末与碳、硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的方法而获得的。碳化物粉的制取,可采用碳黑粉直接还原金属氧化物,其反应如下:

MO、MC泛指金属氧化物、金属碳化物

这种还原过程所需温度比较高。如制取碳化钨粉时为1400-1 600oC,通常在碳管炉中进行,反应过程中可通过氢气或在真空中进行。

2)电解法电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块,再用机械法进行粉碎。

3)雾化法制取粉末雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流(空气或惰性气体)、水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化,而得到金属粉末。示意图见图4-1。

由于雾化法制得的粉末纯度较高,又可合金化,粉末有其特点,且产量高、成本较低,故其应用发展很快。可用来生产铁、钢、铅、铝、锌、铜及其合金等的粉末。

4)机械粉碎法机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨,适宜于制备一些脆性的金属粉末,或者经过脆性化处理的金属粉末(如经过氢化处理变脆的钛粉)。

(2)金属粉末的特性

金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。

金属粉末的基本性能包括:化学成分、粒径分布、颗粒形状和大小以及技术特征等。

1)化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于98%—99%,完全可以满足烧结机械零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时,需要使用纯度更高的粉末。

金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏,增大压模的磨损。有时,少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结.由于金属粉末的比表面大、体积小,在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体。在金属粉末制取过程中还会有不少的气体溶解其中。金属粉末中含有的主要气体是氧、氢、一氧化碳及氮,这些气体使金属粉末脆性增大和压制性变坏,特别是使一些难熔金属与化合物(如Ti、Zr、Cr、碳化物、硼化物、硅化物)的塑性变坏。加热时,气体强烈析出,可能会影响压坯在烧结时的正常收缩。因此,对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理。

2)颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征(如松装密度、流动性等)的因素之一。通常,粉粒以球状或粒状为好。颗粒大小常用粒度表示。工业上制造的粉末粒度通常在0.1-500μm,150μm以上的定为粗粉,40-150μm定为中等粉,10—40μm的定为细粉,0.5-10μm为极细粉,0.5μm以下的叫超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围,各种筛号表示每1平方英寸筛网上的网孔数。

粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能,尤其对硬质合金、陶瓷材料等,要求粉粒愈细愈好。但制取细粉比较困难,经济性亦差。

3)粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量,也叫粒度组成。粉末粒度组成的范围广,则制品的密度高,性能也好,尤其对制品边角的强度尤为有利。

4)技术特征粉末的成形技术特征主要有:

①松装密度松装密度亦称松装比,指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能,同时对压模设计是一个十分重要的参数。例如还原铁粉的松装密度一般为2.3-3.0g/cm3,若采用松装密度为2.3g/cm3的还原铁粉压制密度为6.9g/cm3的压坯,则压缩比(粉末的充填高度与压坯高度之比)为6.9:2.3=3:1,即若压坯高度为1cm时,模腔深度须大于3cm才行。

②流动性它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短,流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。

③压制性粉末的压制性包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度,

通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质,使其具有一定的强度,且便于生产过程中的运输,粉末需有良好的成形性。成形性与粉末的物理性质有关,此外还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性,常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标。

41.2粉末配混

粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分地混合,此工序通过混粉机完成。

添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂(如硬脂酸锌,质量比0.25%—1%)可改善混合粉的流动性,增加可压制性。压制后烧结前,润滑剂用加热方法(如硬脂酸锌在375—425oC的热空气中)排除。

混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大,表示混合越均匀;也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合过程须谨慎,太激烈的混合将会引起变形硬化、颗粒相互磨损、起层等,故一定要按照成形技术要求和规范进行。

41.3压制成形

粉末的压制成形是主要且基本的工序。它的过程包括称粉、装粉、压制、保压及脱模等。

压制成形的方法有很多,如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的有:

(1)钢模压制

指在常温下,用机械式压力机或液压机,以一定的比压(压力常在150—160MPa)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。

(2)流体等静压制

它是利用高压流体(液体或气体)同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。

(3)三向压制

它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。但它适用于成形形状规则的零件,如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。

另外,可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品,如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同,可选择不同的加热及加工顺序。目前,这个生产领域发展较快。

41.4压坯烧结

烧结是粉末压制技术的关键性过程之一,只有通过正确的烧结,制品才能获得所要求的力学与物理性能。在烧结过程中,通过高温加热发生粉粒之间原子扩散等过程,使压坯中粉粒的接触面结合起来,成为坚实的整块。烧结过程在专用的烧结炉中进行。主要技术因素为烧结温度、保温时间与炉内气氛。

由于粉末冶金制品组成成分与配方的不同,烧结过程可是固相烧结或是液相烧结(如硬质合金、金属陶瓷等特殊产品的烧结)。所谓固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态,采用的烧结温度为:

式中T烧结——烧结温度;

T熔点一粉粒熔化温度。

液相烧结的烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点,高温下出现固、液相共存状态,烧结体将更为致密坚实,进一步保证了烧结体品质。实际上在烧结温度下并不允许液相处于完全自由流动状态。如钨钴硬质合金的烧结温度随钴含量不同在1 380-1490cC之间。正确地控制烧结温度对制品性能有极为重要的影响,通常较高的烧结温度可促使粉粒间原子扩散易于进行,从而使烧结体的硬度和强度升高。烧结保温时间也影响制品品质。由于保温时间与设备情况和装炉量有关,一般小件保温时间短,大件保温时间长;当出现液相烧结时,若液相相对量较大,则往往采用下限烧结温度而延长保温时间以防烧结时液相从表面渗出。

粉末压坯一般因孔隙度大,表面积大,在烧结中高温长时间加热下,粉粒表面容易发生氧化,造成废品。因此,烧结必须在真空或保护气氛中进行,若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。如硬质合金和某些磁性材料采用真空或氢气;铁、铜制品往往采用发生炉煤气与分解氨。

为了解并控制烧结品质,下面介绍在烧结过程中可能发生的一些问题,以助工程技术人员鉴别产生的原因:

1)翘曲翘曲是常见的问题,在零件使用前能察看出来。翘曲会提高废品率。翘曲一般是由于烧结时没有支撑好压坯,或压坯体中的密度分布不均(波动)造成的。前者可用调整压坯在炉中的方位或用匣钵(一般用耐火材料制成)托住压坯,予以校正,使压坯在烧结时不发生变形。后者只能在零件的结构设计和在引起密度分布不均匀性的前道工序中予以解决。

2)过烧过烧是烧结中另一种常见的问题。它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。前两项一般易被直接发现,晶粒成长过大只能在显微镜下观察。这类问题主要是因烧结温度过高或保温时间过长引起的。

4.1.5烧结后的其他处理或加工

对于一些要求较高的粉末冶金制品,烧结后还需要进行其他处理与加工,以满足要求。

(1)渗透(又叫熔渗)

把低熔点金属或合金渗人到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。通过渗透获得致密制品。此法也可用于烧结体的补充处理。当金属组元液态互不相溶时,采用渗透法通过毛细管作用也可形成合金。渗透法获得的制品密度高,组织均匀细致,制品的强度一般、塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加,但此过程费用较贵,过程时间长。

(2)复压

将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次,叫做复压。复压可起一定的校形作用。

(3)粉末金属锻造

以金属粉末为原料,先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯,然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。

(4)精压

对于某些制品,为了严格保证其尺寸精度,及进一步提高密度,常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序。

(5)其他后续处理

粉末冶金制品有一些后续工序,如含油轴承的浸油处理,以及机械加工、喷砂处理,有时还须进行一些必要的热处理等。

根据技术要求,生产粉末金属零件可选择下述过程:

①压制+烧结;

②压制+烧结+复压;

③压制+预烧结+精压+烧结;

④压制+预烧结+精压+烧结+复压。

通常情况下:①类过程的应用约占80%;但②类过程的应用也不少。而较复杂的③类和④类过程仅用于某些特殊零件。近年来,由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发,经一次压制就可获得较高强度零件。

 

 

 

42粉末压制产品及应用

 

现代汽车、飞机、工程机械、仪器仪表、航空航天、军工、核能、计算机等工业中,需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件,粉末压制在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务。

42.1粉末压制机械结构零件

粉末压制机械结构零件又称烧结结构件,这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。

在现今汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。烧结结构件总产量的60%-70%用于汽车工业,如发动机、变速箱、转向器、起动马达、刮雨器、减震器、车门锁等中都使用有烧结零件。

上述仅列举了变速箱中的一部分烧结零件。此外,摩托车上也有许多烧结零件。

另外,在电动工具、办公机械、缝纫机、自行车、家用电器、液压元件、纺织机械、机床、船舶等行业也广泛采用烧结零件。

42.2粉末压制轴承材料

(1)多孔含油轴承材料

是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料,用作轴承、衬套等。常用的有铁一石墨和青铜一石墨含油轴承材料。

含油轴承工作时,由于摩擦发热,使润滑油膨胀从合金孔隙中压到工作表面,起到润滑作用。运转停止后,轴承冷却,表面上润滑油由于毛细管现象的作用,大部分被吸回孔隙,少部分仍留在摩擦表面,使轴承再运转时避免发生干摩擦。这样就可保证轴承能在相当长的时间内,不需加油而能有效地工作。

(2)金属塑料减摩材料

使用这两类轴承可大大简化机器、仪器仪表等的结构或机构,减小其体积。

42.3多孔性材料及摩擦材料

(1)多孔性材料

粉末压制多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒以及一些灭火装置等。过滤器是最典形的多孔性材料制品。过滤器主要用来过滤燃料油、净化空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。

(2)摩擦材料

摩擦材料用来制作刹车片、离合器片等,用于制动与传递扭矩。因此对材料性能的要求是摩擦系数要大,耐磨性、耐热性与热传导性要好。

42.4硬质合金

硬质合金是将一些难熔的金属碳化物(如碳化钨、碳化钛等)和金属粘结剂(如钴、、镍等)粉末混合,压制成形,并经烧结而成的一类粉末压制制品。由于高硬度的金属碳化物作为基体,软而韧的钴或镍起粘结作用,使硬质合金既有高的硬度和耐磨性,又有一定的强度和韧度。

硬质合金有三类:

1)钨钴类(YG)

钨钴类硬质合金有较好的强度和韧度,适宜制作切削脆性材料的刀具。如切削铸铁、脆性有色合金、电木等。且含钴愈高,强度和韧度愈好,而硬度、耐磨性降低,因此,含钴量较多的牌号一般多用作粗加工,而含钴量较少的牌号多用于作精加工。

2)钨钴钛类(YT)

钨钴钛类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛,因而硬度高,热硬性也较好,加工钢材时刀具表面会形成一层氧化钛薄膜,使切屑不易粘附,故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样含钴量较高(如YT5,含钴9%)的牌号用作粗加工。

3)钨钽类(YW)主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽(TaC)和钴。其特点是抗弯强度高。牌号主要有YWl(84%WC、6%TiC、4%TaC、6%Co),YW2(82%WC、6%TiC、4%TaC、8%Co)两种。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。

4.2.5粉末压制钢结硬质合金及高速钢

(1)钢结硬质合金

钢结硬质合金是50年代出现的一种新形工模具材料。它具备下面几个主要特点:

①合金的基本组成是碳化物加合金钢。从结构上看是通过钢来胶结碳化物,或者是大量的一次碳化物分布在钢基体上的金属基复合材料。

②由于钢的组成物在显微组织中占有一定的比例,因此,钢结硬质合金具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能。尤其是通过不同的热处理可使同一成分的合金在一定范围内表现出不同的力学性能。

③在力学性能上不仅保持了合金钢和硬质合金的基本特性,且还有不同程度的发展。

(2)粉末压制高速钢

高速钢是一种用量较大的工具钢。高速钢的含碳量尤其是合金元素含量较高,属于莱氏

体钢,在铸态的显微组织中出现大量骨骼状碳化物,其分布极不均匀且粗大。即使经过热轧或锻造后,碳化物的偏析及不均匀度仍然较严重,这对高速钢的使用性能与技术性能带来不良影响。如热变形塑性差,热处理变形较大,淬火开裂的敏感性强,磨削性能差,切削刃抗弯强度低及易于剥落崩裂等,故影响刀具的品质和使用寿命。

目前国内外所生产的粉末高速钢牌号主要有两种:W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V。

42.6耐热材料及其他材料

(1)难熔金属耐热材料

难熔金属是指熔点超过2 000 oC以上的金属,这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉末。

(2)耐热合全材料

以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加工比较困难,金属消耗量大,也常采用粉末冶金法制造。粉末冶金得到的耐热合金材料的组织细致均匀,尤其高温蠕变强度与抗拉强度比铸造材料要高得多。

(3)其他材料

通过粉末冶金还能获得在特殊条件或核能工业中所使用的材料。

 

4.3 粉末压制零件或制品的结构特征

 

结构技术特征就是指制品的结构是否适应所采用的成形过程或制造方法,使制品在整个生产过程中达到优质、高产、低耗。

用粉末压制法制造零件,设计师必须了解粉末压制成形过程的特点,对零件或制品的几何形态及尺寸在技术上和经济上的可能性和限制性作充分考虑及评价。有时,原来设计的用常规机械制造加工的零件,虽也可用粉末压制法制造,但若针对粉末压制过程特点稍加修改一下零件的结构设计,则可能改善零件制造的结构技术特征和降低零件的生产成本。粉末压制法与一般采用的铸或锻一机械加工相比,在零件或制品结构上有一定的限制。

 

44 陶瓷制品成形过程简介

 

44.1概述

陶瓷制品是人类最早使用的制品,它的生产已经有许多个世纪了。早期的陶瓷器是由粘土、长石、石英等天然原料制成的。在古代文化时期,发现了粘土加水后具有相当的可塑性,而且能模压成形,成形后的器件在太阳下晒干,再置于炉中煅烧便硬固。这些制品通常称为传统陶瓷(又称普通陶瓷),现在一般也把其归属为硅酸盐产品。

44.2现代陶瓷制品的成形过程及技术特征

现代陶瓷的独特之处是具有精确控制的组成和结构,并且可设计成比传统陶瓷更能满足某些应用的要求。现代陶瓷包括氧化物陶瓷,磁性陶瓷,原子核燃料,以及氮化物、碳化物、硼化物陶瓷等。

现代陶瓷制品的成形属粉末或颗粒状材料成形,其成形过程与粉末压制的相同(可以说粉末压制是沿用了陶瓷的技术),主要工序都是粉末制备—成形—烧结,设备、工装、技术规范等都相同或相似。在粉末特性、烧结理论、制品(零件)的结构技术特征、产品品质控制及检测等方面,现代陶瓷也与粉末压制相同或相似,这里不再重述。



参考资料下载:粉末冶金原理(补充完整版)

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