机械制造工程_8.1粉末冶金(图文教程)

第八章 其它成形方法

除了前几章介绍的毛坯成形方法外，还有一些成形方法在实际生产中被采用，本章将对粉末冶金成形、特种陶瓷成形、复合材料成形、塑料成形的工艺方法作简单介绍。

第一节 粉末冶金

一、概述

粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺，它是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。

粉末冶金工艺的基本工序是：

（1）原料粉末的制取和准备（粉末可以是纯金属或合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物）；

（2）将金属粉末制成所需形状的坯块；

（3）将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。

近代粉末冶金技术的发展中有三个重要标志：一是克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难，如电灯钨丝和硬质合金的出现；二是多孔含油轴承的研制成功，继之是机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、无切削的特点；三是向新材料、新工艺发展。

粉末冶金技术已得到愈来愈广泛地应用，这是基于粉末冶金本身的特点所决定的。

表8-1 金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用

粉末冶金材料和制品的应用，从普通机械制造到精密仪器；从五金工具到大型机械；从电子工业到电机制造；从采矿到化工；从民用工业到军用工业；从一般技术到尖端高科技，都有粉末冶金的用武之地。表8-1是金属粉末和粉末冶金制品、材料在各工业部门的应用举例。

二、粉末的性能与制取方法

（一）粉末的性能要求

粉末成形工艺对所使用的粉末材料有一定的性能要求，其中最主要的包括颗粒形状、 粒度、流动性、压缩性和成形性。

1. 形状

粉末颗粒形状是指粉末颗粒的几何形状，因粉末的制取方法而异，有不规则状、片状、多面体状、树枝状、球状和纤维状等。不规则状和树枝状颗粒粉末因比表面大，所以成形性好，有利于烧结，但流动性差；球状颗粒粉末流动性好、填充空隙小，利于烧结，但成形性差；片状、颗粒粉末成形性和烧结性均差，不适于制造粉末冶金零件。

2. 粒度

粉末颗粒的大小通常用平均直径来表示。颗粒平均直径大于44μm的粉末称为粗粉；10～44μm之间的称为细粉，小于10μm的称为超细粉。粉末颗粒越细小，颗粒间空隙越小，压坯的强度越高，也就越容易烧结。

3. 流动性

流动性是粉末一个重要的工艺性能，是指粉末流经倾斜面的速度。速度越大，粉末的流动性越好。

4. 压缩性与成形性

压缩性是指粉末在一定压力下被压紧的能力，以压坯密度来表示，在相同单位压力下，密度越高，压缩性越好；成形性是指粉末材料压制成形后，压坯保持既定形状的能力，通常以压坯强度的高低衡量。

（二） 粉末的制取方法

1． 还原法

这是一种应用最广的金属粉末制取方法，是采用氢气、一氧化碳等作为还原剂，使金属氧化物或氧化物矿石在高温下与之反应，制得金属粉末。这种粉末多呈多面体形，其成形性与烧结性良好。粉末粒度可由原料的粒度及还原条件的不同任意调整并均匀化。目前，粉末成形使用的铁粉大部分由还原法产生；难熔化合物粉末（如硬质合金）的制取也用此类方法。

2． 雾化法

这是一种生产效率较高、成本较低、易于制得高纯度粉末的生产方法。它利用高压惰性气体或高速旋转的叶片将从小孔喷嘴中熔融的金属扩散成雾状液滴并迅速使之冷却成金属微粒的制粉方法。雾化粉末的颗粒形状因雾化条件而异。金属液的温度越高，球化的倾向越显著。其缺点是易产生偏析和不易制得超细粉末。

3． 电解沉积法

在金属熔盐或金属盐的水溶液中通入直流电，使金属离子重新获得外层电子，变成金属粉末。电解沉积法制取的粉末纯度高，颗粒成树枝状或针状，成形性和烧结性都很好，但生产率低，成本较高，仅适用于制造要求纯度高、密度高的粉末材料和制品。

4． 机械粉碎法

利用机械，通过压碎、击碎和磨削等作用，使金属块、合金或化合物机械地粉碎成粉末。这种方法生产效率低，动力消耗大，成本较高。

三、粉末的混合

通常，相同化学组成而粒度不同的粉末的混合叫合批，两种或两种以上不同化学组成的粉末混合均匀的过程叫混合。粉末混合的目的是使性能不同的组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结时粉末成分与状态均匀一致。

混合时，除基本原料粉末外，还需添加其他一些成分，如其他金属粉末、SiO2、石棉粉末以及润滑剂等，以使粉末制品具有所需性能并利于粉末成形。

粉末的混合一般可在空气中进行，但为了防止氧化，有的粉末需在真空或液体中进行。混合过程时间不可过长，以免粉末产生加工硬化，或改变了粒度分布及颗粒形状，影响粉末的压制性。

混合好的粉末通常要进行过筛，以除去较大的夹杂和润滑剂的块状凝聚物。混合好的粉料尽可能及时使用，以免储存和运输时发生粉料的偏析。

四、压制成形

压制就是把混合好的粉末装在模具型腔中，在一定压力作用下使之成形的过程。经压制得到的半成品叫压坯，压坯具有所需的零件形状与密度，并具有进一步运转和加工所需的强度。如图8-1所示。

图8-1 金属粉末压制成形示意图

在压制过程中，由于粉末颗粒与模腔壁产生摩擦，因此会使压坯的密度呈不均匀性分布，从而造成制品的强度、硬度的不均匀，同时也会使制品在烧结时产生很大的内应力，导致收缩的不均匀、翘曲，甚至产生裂纹。压坯在压模内，当去除压力后，压坯仍会紧紧的固定在压模内，为了从压模中取出压坯，还需要施加一定的压力，此为脱模压力。

根据粉末种类、压坯的形状及生产的意图不同，压制成形采用的方法有：密封钢模冷压法、挤压法、粉浆浇铸法、液静压法、热压成形法以及锻造法。现介绍几种主要成形方法。

1．密封钢模冷压法

密封钢模冷压法是指在常温下，粉末材料在密闭的钢模中，按规定的单位压力，将粉料制成压坯的工艺过程。在压制过程中，粉料几乎不能做侧向移动，只能沿压制压力的方向移动。这样就不可避免地出现压坯密度沿高度方向分布不均匀，以及由于侧壁与钢模模壁摩擦产生的压坯断面密度分布不均匀。压坯的形状越复杂，密度不均匀性越突出，而且模具的制造费用也越高。这是粉末成形的传统方法，由于受压机吨位和压模强度的限制，所以该方法生产的零件质量、尺寸较小，形状也简单。

2．液静压法

液静压法是将粉末材料装于有弹性的橡皮或塑料囊或金属毂体中，用高压液体进行均匀、全面压制的一种成形方法。压制时，液体压力从零逐渐增加到要求值。

包套在压力作用下可以自由变形，不存在粉末

３．热压成形法

这是一种将压制与烧结过程同时进行的成形方法。该方法是将粉末或预成形的型坯，或预烧结的型坯，装在封闭压模中，在高温下（低于主要组元熔点）进行压制成形。由于温度高，粉末的塑性大大改善，压制时不产生加工硬化现象，因此，在远小于冷压法压力作用下，即可获得较高密度和强度的制件。近年来，生产中出现的“粉末锻造”工艺就是这种热压法的进一步发展。

五、烧结

经压制成形的粉末压坯的强度和密度都很低，为了提高压坯的强度和其它性能，压坯在低于基体组分熔点的温度下进行加热处理，使粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化的过程，称作烧结。经烧结处理后的压坯又称作烧结体。

如果烧结是在低于压坯组分的最低熔点温度下进行的，则称为固相烧结。固相烧结主要是通过粉末颗粒之间的扩散作用使压坯收缩并得到强化的。

如果烧结是在高熔点组分与低熔点组分之间的温度下进行，则称为液相烧结。液相烧结是通过熔接、化合等方式，使熔化组分包在高熔点固体组分颗粒周围使压坯收缩并强化的。液相烧结可以获得较固相烧结更高强度和密度的烧结体。钨、钴类硬质合金就是通过这种烧结成形的。

烧结中最重要的影响因素是温度、时间和周围介质。为了降低生产成本，应尽量采用廉价的保护气体，缩短烧结时间，降低烧结温度和提高加热设备的热利用率。

六、精整

为了进一步改善烧结体的性能和尺寸精度，通常还需进行烧结后的处理，如校形、精压、浸渍、热处理等。

1． 校形与精压

校形是将烧结体在压力机的较高压力作用下校正因烧结引起的微量变形；精压是将烧结体放入精压模中再次加压，以较小的变形得到初压时不易得到的形状（如平板压成弧板、平端面上压出齿纹等）。

2． 浸渍

将充满孔隙的烧结体浸入油中，抽真空或加热，使润滑油充满烧结体空隙，从而改善烧结制品的自润化性能，并利于防锈。

3． 热处理

粉末压制件可用传统的热处理方法进行处理。压制件的密度愈高，其热处理效果愈好，从而改善了粉末冶金制品的性能。