粉末冶金成形技术

7粉末冶金及陶瓷材料成形技术以粉末的获得、成形和烧结为主线制备的粉末冶金及陶瓷材料，其使用历史可以追溯到数千年前。

在2500多年前，人们就用块炼锻造法制造铁器。

在宋、明朝时期，我国的陶瓷业发展到了顶峰，制作的陶瓷器皿流向世界各地。

进入20世纪，粉末冶金电灯钨丝的出现，给人类带来真正的光明；而硬质合金的成功制造被誉为切削加工的一次革命；同样陶瓷材料因其脆性和抗震性获得改善成了最有前途的高温结构材料；陶瓷材料的许多特殊性能被成功地用作重要的功能材料（光导纤维、激光晶体等）。

随着此类材料制备方法的不断更新，各类粉末冶金金属制品、金属陶瓷及各种复合材料相继问世。

表明了粉末冶金及陶瓷材料这类古老的技术已进入现代科学技术发展的行列。

7．1 定义及特点粉末冶金及陶瓷是通过制取粉末材料、并以粉末为原料用成形－烧结法制造出的材料与制品。

此技术既是制取材料的一种冶炼方法，又是制造机械零件的一种加工方法。

目前用量最广的传统金属制品已被越来越多的粉末冶金及陶瓷制品所取代，从而在机械制造、汽车、电器、航空等工业中获得广泛的应用，这主要是粉末冶金及陶瓷在技术上和经济上具有如下一系列特点。

作为材料制造技术，能制取普通熔铸法无法生产的具有特殊性能的材料：（1）高熔点金属材料如钨、钼、钽以及某些金属化合物的熔点都在2000℃以上，采用通常的熔铸工艺比较困难，而且材料的纯度与冶金质量难以得到保证；（2）复合材料如含有难熔化合物的硬质合金、钢结硬质合金、金属陶瓷材料、弥散强化型材料及金属及非金属复合材料等；（3）假合金材料假合金指各组元在液态时基本上互不相溶，无法通过熔合法制成的合金。

如钨—铜和铜—石墨电触头材料等；（4）特殊结构材料如多孔材料、含油轴承等。

表7-1几种成形、加工方法经济性比较作为少无切削材料加工技术，可大批Array量制造形状复杂、公差窄、表面粗糙度低的零件，且节能、节材、成本低。

表7-1为几种成形及加工方法经济性比较的实例。

粉末冶金一直被称之为金属陶瓷术。

实际上，粉末冶金技术和传统的陶瓷技术有所差别。

粉末冶金用粉末主要以金属为主成分，而陶瓷粉末则主要以无机化合物为主成分，如氧化物、氮化物、碳化物等。

因而在具体的工序，如粉末原料的精制和烧结工艺的控制上有一定的差别，但随着粉末成形技术和热致密化技术的发展，粉末冶金技术和现代陶瓷制造技术已经很难找出明显的区别。

下面内容将主要以粉末冶金为主，兼顾陶瓷材料。

7．2 基本工艺流程粉末冶金生产的基本工艺流程包括：粉末制备、粉末混合、压制成形、烧结及后续处理等。

用简图表示于图7-1中。

陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处，其工艺过程包括粉末制备、成形和致密化三个阶段。

7．2．1 粉末制备7．2．1．1 粉末制备粉末是制造烧结零件的基本原料。

粉末的制备方法有很多种，归纳起来可分为机械法和物理化学法两大类。

（1）机械法机械法有机械破碎法与液态雾化法。

机械破碎法中最常用的是球磨法。

该法用直径10~20mm钢球或硬质合金对金属进行球磨，适用于制备一些脆性的金属粉末（如铁合金粉）。

对于软金属粉，采用旋涡研磨法。

雾化法也是目前用得比较多的一种机械制粉方法，特别有利于制造合金粉，如低合金钢粉、不锈钢粉等。

将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流，用高压气体（如压缩空气）或液体（如水）喷射，通过机械力与急冷作图7-1 粉末冶金生产工艺流程用使金属熔液雾化。

结果获得颗粒大小不同的金属粉末。

图7-2为粉末气体雾化示意图。

雾化法工艺简单，可连续、大量生产，而被广泛采用。

（2）物理化学法常见的物理方法有气相与液相沉积法。

如锌、铅的金属气体冷凝而获得低熔点金属粉末。

又如金属羰基物Fe(CO)5、Ni(CO)4等液体经180~250℃加热的热离解法，能够获得纯度高的超细铁与镍粉末，称为羰基铁与羰基镍。

化学法主要有电解法与还原法。

电解法是生产工业铜粉的主要方法，即采用硫酸铜水溶液电解析出纯高的铜。

还原法是生产工业铁粉的主要方法，采用固体碳还原铁磷或铁矿石粉的方法。

还原后得到得到海绵铁，经过破碎后的铁粉在氢气气氛下退火，最后筛分便制得所需要的铁粉。

图7-2 粉末气体雾化示意图7．2．1．2 粉末性能粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大影响，因而对粉末的性能必须加以了解。

粉末的性能可分为物理性能、化学性能和工艺性能。

物理性能有颗粒形状、粒度及粒度组成、密度、硬度、加工硬化性、塑性变形能力以及显微组织等；化学性能有化学成分；工艺性能有粉末的松装密度、流动性和压制性等。

通常用下述几个主要性能来评价粉末的性能。

（1）颗粒形状、粒度及粒度组成a．颗粒形状颗粒形状是决定粉末工艺性能的主要因素。

用不同方法制造的粉末形状不同，如表7-2所示。

颗粒的形状如图7-3所示。

颗粒形状对粉末的压制成形和烧结都会带来影响。

如表面光滑的粉末颗粒，其流动性好，对提高压坯的密度有利。

但形状复杂的粉末，对提高制品的压坯强度有利，同时能促进烧结的进行。

表7-2 颗粒形状、松装密度与粉末生产方法的关系1 2 3 4 5 6 7 8图7-3粉末颗粒形状1球形2近球形3多角形4片状5树枝状6不规则形7多孔海绵状8碟状b．粒度及粒度分布粉末粒度是指颗粒的大小。

对粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。

工业上制造的粉末，粒度范围一般为0.1~400μm，粒度大小通常用目数（一英寸长度筛网上的网孔数表示）。

粒度有专门的测定方法，如筛分析法、显微镜法以及沉降法等，最常用的是筛分析法。

粒度大小直接影响制品的性能，如硬质合金、陶瓷材料等，要求粒度越细越好。

而对常用的粉末冶金制品生产，不仅要测定粉末体平均颗粒的大小，更重要的是测定大小不同的颗粒的含量，简称为粒度分布。

粉末的粒度分布对成形、烧结有一定的影响。

如粉末粒度分布得当，粉末颗粒间的孔隙就小，成形密度高，烧结容易进行。

（2）松装密度、流动性和压制性a．松装密度松装密度亦称松装比，是指单位容积自由松装粉末的质量，常用g/cm3表示。

粉末的松装密度是一个综合性能，它受粉末粒度、粒度组成、颗粒形状及颗粒内的孔隙等因素的影响。

松装密度用粉末流动仪进行测量。

b．流动性粉末流动性是指单位质量的粉末自由下落到流完的时间，常用s/50g表示。

粉末流动性反映的是粉末充填一定形状容器的能力，对实现自动压制和对于压制形状复杂的制品的均匀装粉很重要。

粉末的流动性也是一个综合性能，主要取决于粉末之间的摩擦系数，即与粉末形状、粒度、粒度组成及表面吸水和气体量等有关。

流动性也用粉末流动仪进行测量。

c．压制性粉末压制性包括压缩性和成形性。

粉末压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力。

一般是用一定压力（如400MPa）下压制的压坯密度（g/cm3）来表示。

它的好坏决定压坯的强度和密度。

粉末的压缩性主要由粉末的硬度、塑性变形能力与加工硬化性能决定，并在相当大的程度上与颗粒的大小及形状有关。

粉末成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。

一般用给予压坯适当强度（仅只搬运不破碎或不会发生变形的强度）所需之压力来表示。

粉末的成形性直接反映的是压坯强度，因而也可用压坯的抗压强度或抗弯强度定量地表示。

粉末的成形性主要与颗粒形状、粒度及粒度组成等物理性质有关。

（3）化学成分粉末的化学成分应包括主要金属或合金组元的含量及杂质的含量。

为满足一般制品的制造要求，金属或合金粉末中的合金组元的含量都不能低于98~99%，在制造磁性合金和某些特殊用途的合金材料时其纯度要求更高。

粉末的杂质主要是指与主要金属结合的Si、Mn、C、S、P、O等一些元素；SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不熔物；粉末表面吸附的氧、水气、N2、CO2等气体。

粉末的杂质对后续工艺过程及最终制品质量都会有较显著的影响。

因而必须严格控制。

如铁粉要求酸不溶物在0.2%以下，氢还原减重在0.2%以下。

7．2．2 粉末混合粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程。

混合的质量不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。

混合主要分为机械法和化学法两种。

其中广泛应用的是机械法。

机械法又分为干混和湿混。

铁基制品生产中常采用干混；制备硬质合金混合料常采用湿混，如在混料时加入一定比例硬质合金球于汽油中进行充分湿磨。

化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物，如用来制取钨-铜-镍高密度合金，铁-镍磁性材料，银-钨触头合金等混合物原料。

为了改善粉料的压制性能、使产品密度分布均匀、减少压模磨损和有利于脱模，常加入少量的润滑剂，如铁基制品需加入适量的硬脂酸锌，其技术要求见表7-4。

在烧结过程中硬脂酸锌发生分解、挥发便在制品的相应部位留下所需的孔隙并使产品最终孔隙互相连通，还将起到造孔的目的。

表7-3 硬脂酸锌的技术要求料机的结构及转数、混合时间和混合介质都将影响混合的均匀度。

混料应保证特定材料组合的化学成分、工艺性能及混合均匀度等技术要求。

V型混料机双锥形混料机旋转立方混料机偏心转动六角型混料机水平旋转混料机偏心转动混料机图7-4 各种混料机的外形示意图陶瓷粉料为有机化合物，且颗粒极细，需要进行塑化和造粒处理，才能用于成形。

所谓塑化是指在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性的过程。

塑化剂是指使坯料具有可塑能力的物质，根据其在陶瓷成型中的不同作用，可分为黏结剂、增塑剂和溶剂三类。

黏结剂（通常有聚乙烯醇、聚乙二醇及石蜡等）使常温下粉料颗粒黏合在一起，使坯料具有成型性能并有一定强度，高温时氧化、分解和挥发。

增塑剂（通常有甘油、草酸等）溶于有机黏合剂中，在粉料间形成液态层，提高坯料的可塑性。

溶剂（通常有水、无水酒精、丙酮、苯、乙酸乙酯等）能溶解黏结剂和增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体。

所谓造粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程，常用来改善细粉的充填性。

将陶瓷粉料造粒的常用方法分为这样三类：普通造粒法—将加入适量粘结剂的混料在滚筒、圆盘和擦筛机上制成粒；压块造粒法—将加入适量粘结剂的混料在较低的压力下预压成块，然后粉碎过筛；喷雾造粒法—将加入粘结剂的液体料在干热气氛中雾化转化为干燥粉体。

7．2．3 压制成形压制成形是指将松散的粉末体密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯的工艺过程。

压制成形方法有很多，如模压成形、等静压成形、粉末连续成形、粉末注射成形和粉浆浇注成形等，而模压成形是最广泛使用的粉末成形技术。

模压成形通常在机械式压机或油压机上，于室温及一定压力下进行的。

粉末冶金的压制压力一般为140~840MPa，陶瓷材料的压制压力一般为40~100MPa。

它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压、保压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出的工艺过程，如图7-5所示。