粉末锻造

粉末锻造

粉末锻造是指以金属粉末为原料，经过冷压成形，烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻，或直接由粉末热等静压及后续处理等工序制成所需形状的精密锻件，将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺，兼有两者的优点,可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点，使粉末锻件的物理力学性能达到甚至超过普通锻件的水平。同时，又保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量消耗少等特点。

典型的粉末锻造工艺流程如图1所示。

图1 典型的粉末锻造工艺流程

1 粉末锻造优点

粉末锻造的毛坯为烧结体或挤压坯，或经热等静压的毛坯。与采用普通钢坯锻造相比，粉末锻造的优点如下：

提高了材料利用率。锻压是采用闭合模锻，锻件没有飞边，无材料耗损，最终机械加工余量小，从粉末原材料到成品零件，总的材料利用率可达90%以上。

可以锻造一般认为不可锻造的金属或合金，如难变形的高温铸造合金通过粉末锻造制成形状复杂的制品。

容易获得形状复杂的锻件。粉末锻造预制坯采用少无氧化保护加热，锻后精度和粗糙度可达到精密模锻和精铸的水平。可采用最佳预制坯形状，以便最终成形形状复杂的锻件。

有利于提高锻件力学性能。由于粉末颗粒都是由微量液体金属快速冷凝而成，而且金属液滴的成分与母合金几乎完全相同，偏析就被限制在粉末颗粒的尺寸之内。因此可克服普通金属材料中的铸造偏析及晶粒粗大不均等缺陷，使材质均匀无各向异性，有利于提高锻件力学性能。但当粉末锻件中残留有一定量的孔隙和夹杂时，将使锻件的塑性和韧性降低。

锻件成本低，生产率高，容易实现自动化。粉末锻件的原材料费用及锻造费用和一般模锻差不多，但和一般模锻件相比，尺寸精度高、表面粗糙度低，可少加工或不加工，从而节省大量工时。对形状复杂批量大的小零件，如齿轮、花键轴套、连杆等难加工件，节约效果尤其明显。

由于金属粉末合金化容易，因此有可能根据产品的服役条件和性能要求，设计和制备原材料，从而改变传统的锻压加工都是“来料加工”模式，有利于实现产品、工艺、材料的一体化。

2 分类

按照温度不同，粉末锻造可以分为冷锻和热锻两类。粉末冷锻是指粉末预成形烧结后冷锻。粉末热锻包括粉末锻造、烧结锻造、锻造烧结三种。与烧结锻造不同，粉末锻造采用预合金粉，预成形坯成形后直接加热锻造成形。由于该方法比烧结锻造减少了二次加热工序，可节省能源15%左右。因此由烧结锻造向直接加热锻造或烧结后直接锻造方向发展是总的趋势。

3 金属粉末的选择及制取

粉末锻造工艺应用于制造力学性能高于传统粉末冶金制品的结构零件。因此广泛选择预合金雾化钢粉作为预成形坯的原料。最普通的成分是含Ni和Mo两合金元素，例如，含Ni0.4%和Mo0.6%或含Ni2%和Mo0.5%。这种成分的优点是含少量氧化倾向的合金元素，特别是美国4600(Ni2%，Mo0.5%)只含有Mn0.2%-0.3%和含量小于0.1%的Cr，氧化倾向小，但价格较贵并缺乏足够的淬透性，因此不适于要求高强度和高韧性等综合性能好的零件。为了提高粉末锻件的淬透性，一般采取在含Ni0.4%和Mo0.6%的预合金雾化钢粉和石墨的混合粉中加入铜。加入2.1%以下的铜，经压制、烧结锻造后，锻件表现出比无铜时具有更高的淬透性。

粉末锻造用原材料粉末的制取方法主要有还原法、雾化法，这些方法被广泛用于大批量生产。适应性最强的方法是雾化法，因为它易于制取合金粉末，而且能很好地控制粉末性能。其它如机械粉碎法和电解法基本上用于小批量生产特殊材料粉末。近年来，快速冷凝技术及机械合金化技术被用来制取一些具有特异性能、用常规方法难以制备的合金粉末，并逐渐在粉末锻造领域应用。粉末锻造之所以有如此大的发展，是由于现在可以生产新的、高质量的、低成本的粉末。

4 后续处理和加工

锻造时由于保压时间短，坯料内部孔隙虽被锻合，但其中有一部分还未能充分扩散结合，可经过退火、再次烧结或热等静压处理，以便充分扩散结合。

粉末锻件可同普通锻件一样进行各种热处理。

粉末锻件为保证装配精度，有时还须进行少量的机械加工。

5 应用

粉末锻造多用于各种钢粉制件。目前所用的钢种有几十种，从普通碳钢到多种低合金钢，以至不锈钢、耐热钢、超高强度钢等高合金钢和高速工具钢。有色金属粉末锻造不如钢粉末锻造那样应用广泛和成熟。在航空工业中主要是高温合金、钛合金和铝合金的粉末锻造。

表1给出了适于粉末锻造工艺生产的汽车零件。其中齿轮和连杆是最能发挥粉末锻造优点的两大类零件。这两大类零件均要求有良好的动平衡性能，要求零件有均匀的材质分布，这正是粉末锻造特有的优点。

表1 适用于粉末锻造工艺生产的汽车零件