粉末冶金工艺和铸造工艺的异同

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粉末冶金的应用
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粉末冶金的历史
• 粉末冶金技术可追溯到远古。早在纪元前，人们就在原 始的炉子里用碳还原铁矿，得到海绵铁块，再进行捶打， 制成各种器件。19世纪初叶，用粉末冶金法制得海绵铂粉， 经冷压，再在铂熔点温度的三分之二左右进行加热处理， 然后进一步锻打成各种铂制品，后来，随着冶金炉技术的 发展，经典的粉末冶金工艺逐渐被熔铸法取代。直到1909 年库力奇的电灯钨丝问世后，粉末冶金技术才得到迅速发 展。
固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁 基粉末冶金轴承烧结。
液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与 金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗 粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。
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烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末材料、颗粒 尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。
工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解法、球 磨法、涡旋研磨法、雾化法。
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成形方法
成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状 、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压 成形是最基本方法。
无压成形
成形
粉末冶金工艺和铸造工艺的异同
The similarities and differences of powder metallurgy and casting process
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粉末冶金
粉末冶金概念：粉末冶金是一门研究制造各 种金属粉末并以该粉末为原料，通过压制成形、 烧结和必要的后续处理来制取金属材料和制品 的科学技术。是一种少或无切削加工的批量生 产方法，可以在较低的成本下，制得形状叫复 杂，结构强度叫高的结构件；是在较低成本下 批量生产轴承类自润滑零件的主要方法。
因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于 压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明 显的压力降。
a) 压制前
b) 压制后
用石墨粉作隔层的单向压坯
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为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施： 1）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具 ； 2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性， 3）模具设计时尽量降低高径比。
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粉末的制备
金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。
机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成分的方 法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的 制粒和雾化。
物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学或物理 的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的工艺过程。还原 金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属 蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以还原和离解 等化学反应为基础的。
粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力 机吨位一般为500～5000kN。
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烧结
烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间， 使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。
烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状态的原 子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末 原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使 粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形 成了烧结。
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(1)粒度。它影响粉末的加工成形、烧结时收缩和产品的最终 性能。某些粉末冶金制品的性能几乎和粒度直接相关，例如 ，过滤材料的过滤精度在经验上可由原始粉末颗粒的平均粒 度除以10求得；硬质合金产品的性能与wc相的晶粒有很大关 系，要得到较细晶粒度的硬质合金，惟有采用较细粒度的wc 原料才有可能。生产实践中使用的粉末，其粒度范围从几百 个纳米到几百个微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易 氧化和吸水。当小到几百个纳米时，粉末的储存和输运很不 容易，而且当小到一定程度时量子效应开始起作用，其物理 性能会发生巨大变化，如铁磁性粉会变成超顺磁性粉，熔点 也随着粒度减小而降低。
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（4）化学性能主要取决于原材料的化学纯度及 制粉方法。较高的氧含量会降低压制性能、压坯 强度和烧结制品的力学性能，因此粉末冶金大部 分技术条件中对此都有一定规定。例如，粉末的 允许氧含量为0.2%～1.5%，这相当于氧化物含 量为1%～10%。
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筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级 。
混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合 均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。
制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以 此来改善粉末的流动性。
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压模压制是将置于压模内的松散粉 末施加一定的压力后，成为具有一 定尺寸、形状和一定密度、强度的 压坯，如图5-2是压模示意图。
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粉末冶金机械零件传统工艺过程：
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粉末性能
粉末所有性能的总称。它包括：粉末的几何性能(粒度、 比表面、孔径和形状等)；粉末的化学性能(化学成分、纯 度、氧含量和酸不溶物等)；粉体的力学特性(松装密度、 流动性、成形性、压缩性、堆积角和剪切角等)；粉末的 物理性能和表面特性(真密度、光泽、吸波性、表面活性 、电位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上决定了粉 末冶金产品的性能。
粉末的压缩过程一般采用压坯 密度——成形压力曲线来表示，如 图5-3所示。压坯密度变化分为三个 阶段。一是滑动阶段：在压力作用 下粉末颗粒发生相对位移，填充孔 隙，压坯密度随压力增加而急剧增 加；二是粉末体出现压缩阻力，即 使再加压其孔隙度不能再减少，密 度不随压力增高而明显变化；三是 当压力超过粉末颗粒的临界压力时 ，粉末颗粒开始变形，从而使其密 度又随压力增高而增加。
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粉末冶金典型的工艺过程：
1、原料粉末制取。现有的制粉方法大体可分为两 类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分为 ：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分为：电化 腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉 积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广 泛的是还原法、雾化法和电解法。
2、将粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的 目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有 一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压 成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压 成型，还有挤压成型、爆炸成型等。
模压示意图
压坯密度与成型压力之 间关系
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压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图 5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发生了变化，由图5-5可 知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上 模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的 密度分别是中间大，两边小。
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(2)粉末的颗粒形状。它取决于制粉方法，如电 解法制得的粉末，颗粒呈树枝状；还原法制得 的铁粉颗粒呈海绵片状；气体雾化法制得的基 本上是球状粉。此外，有些粉末呈卵状、盘状 、针状、洋葱头状等。粉末颗粒的形状会影响 到粉末的流动性和松装密度，由于颗粒间机械 啮合，不规则粉的压坯强度也大，特别是树枝 状粉其压制坯强度最大。但对于多孔材料，采 用球状粉最好。
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4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品 要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、 热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造 也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效 果。
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加压成形
松
粉
模热
等轧离 挤 爆
装 烧 结
浆 浇 注
压压 成成 形形
静 压 成 形
制 成 形
心 成 形
压炸 成成 形形
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1.粉末预处理
压制成形
预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂 等。
粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质 的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬 化、稳定粉末的晶体结构 。
常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或 时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”的废 品；如烧结温度过低或时间过短，则产品的结合强度等性能达不到要求， 产生所谓“欠烧”的废品。
粉冶材料
烧结温 度℃
常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛
铁基制品 铜基制品 硬质合金
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3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。 成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学 性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元 系和多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的 熔点低，则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难 熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相 烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法 烧结等特殊的烧结工艺。
• 第二个标志是21世纪30年代，采用粉末冶金工艺制造多孔含油轴承 获得成功，接着采用廉价的铁粉制成铁基含油轴承，并迅速在汽车工 业、纺织工业等方面得到广泛应用。
• 第三个标志是粉末冶金新工艺，新材料在近二三十年来不断向高水平 新领域方面拓展，热等静压、粉末锻压等新工艺出现，金属陶瓷、弥 散强化材料、粉末高速钢等 新型材料相继问世。
首先要弄清楚粉末材料是如何被成型的：每个台阶对应一个模冲， 模冲可以简单理解为能单独运动并施加压力的模具冲头
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什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？
然后根据粉末成型压机的构造、模架、模具的结构，将粉末零件分 为6种基本类型：
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现代粉末技术发展的三个重要标志
• 第 一 个标志是20世纪初．由于电气技术的迅速发展，迫切地寻找各 种新的电光源材料。1880年爱迪生发明电灯采用的碳四光源有严重缺 陷，直至用粉末冶金工艺才解决了钨丝的制造技术，使电灯真正给人 类带来了光明，从而使粉末冶金的传统工艺重新获得了新生。随后， 许多难熔金属材料如钨、铂、钮、钥生产，粉末冶金工艺成为唯一的 方法。
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（3）力学特性粉末的力学性能即粉末的工艺性能， 它是粉末冶金成形工艺中的重要工艺参数。粉末的 松装密度是压制时用容积法称量的依据；粉末的流 动性决定着粉末对压模的充填速度和压机的生产能 力；粉末的压缩性决定压制过程的难易和施加压力 的高低；而粉末的成形性则决定坯的强度。
不锈钢
磁性材料 (Fe-Ni-
C0)
1050∼ 2000
700∼ 900
1350 ∼ 1550
1250
1200
钨、铝、 钒
1700 ∼ 3300
烧结气氛
发生炉煤 气，分解
分解氨， 发生炉煤
真空、氢
氢
氢、真空
氢
氨
气
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后处理
后处理的方法按其目的不同，有以下几种： 1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻 与热复压、热处理及化学热处理。 2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电 镀等。 3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。 4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中 去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。
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优选粉末冶金的基本原则：
1、自润滑性零件：含油轴承类零件，件小量大 2、同一品种大批量的各种结构件：形状复杂，不加工和少加工
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什么样形状的零件可以用粉末冶金加工？