粉末冶金材料的分类及应用

粉末冶金材料的分类及应用

粉末冶金材料是指用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种工艺过程称为粉末冶金法，是一种不同于熔炼和铸造的方法。其生产过程与陶瓷制品相类似，所以又称金属陶瓷法。

粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法，也是一种无切屑或少切屑的加工方法。它具有生产率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等优点。但金属粉末和模具费用高，制品大小和形状受到一定限制，制品的韧性较差。

粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

粉末冶金的生产过程

(1)生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。

(2)压制成型。粉末在500~600MPa压力下，压成所需形状。

(3)烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。 (4)后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。

粉末冶金材料的主要类型

1 硬质合金

硬质合金是以一种或几种难熔碳化物的粉末为主要成分，加入起粘结作用的钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。

常用硬质合金按成分和性能特点分为：钨钴类、钨钴钛类、钨钛钽(铌)类。常用硬质合金的牌号、成分和性能见表1。

表1 常用硬质合金的牌号、成分和性能

1) 硬质合金的性能

硬度高，常温下硬度可达69～81HRC。热硬性高，可达900～1000℃。耐磨性好，其切削速度比高速工具钢高4～7倍，刀具寿命高5～80倍，可切削50HRC 左右的硬质材料。抗压强度高，但抗弯强度低，韧性差。耐腐蚀性和抗氧化性良好。线膨胀系数小，但导热性差。

硬质合金材料不能用一般的切削方法加工，只能采用电加工(如电火花、线切割、电解磨削等)或砂轮磨削。因此，一般是将硬质合金制品钎焊、粘结或机械夹固在刀体或模具上使用。

2) 切削加工用硬质合金的分类和分组代号

根据GB2075-87规定，切削加工用硬质合金按其切屑排除形式和加工对象范围不同分为P、M、K三个类别，根据被加工材质及适应的加工条件不同，将各类硬质合金按用途进行分组，其代号由在主要类别代号后面加一组数字组成，如P01、M10、K20等。具体分类情况见表2。

表2 切削加工用硬质合金分类对照表

3) 硬质合金的应用

硬质合金主要用于切削刀具，如车刀、铣刀等。硬质合金中碳化物含量越多，钴含量越少，则合金硬度、热硬性、耐磨性越高，但强度、韧性越低。YG类合金适宜加工脆性材料，YT类合金适宜加工塑性材料。同类合金中含钴量高的适于粗加工，含钴量低的适于精加工。

硬质合金也用于制造冷作模具，如冷拉模、冷冲模、冷挤压模和冷镦模等。其中YG类适用于拉深模，YG6、YG8适用于小拉深模，YG15适用于大拉深模和冲压模具。

硬质合金还用于制造量具和耐磨零件，如千分尺的测量头，车床顶件尖、精轧辊和无心磨床的导板等。

近年来，钢结硬质合金作为一种新型工模具材料，得到了广泛的应用。钢结硬质合金经退火后，可进行切削加工，经淬火、回火后，有相当于硬质合金的高硬度和耐模性、一定的耐热、耐蚀和抗氧化性，也可焊接和锻造，适用于制造形状复杂的刀具(如麻花钻、铣刀等)、模具和耐磨件。

2 粉末冶金减摩材料

根据基体主加元素不同，粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料。铁基减摩材料常用的有铁-石墨粉末合金和铁-硫-石墨粉末合金。前者的组织为珠光体基体+铁素体+渗碳体+石墨+孔隙，硬度30～110HBS；后者的组织除与前者的组织相同外，还有硫化物，可进一步改善减摩性，硬度为35～70HBS。铜基减摩材料常用的是青铜粉末+石墨粉末制成的合金，硬度为20～40HBS，具有较好的导热性、耐蚀性和抗咬合性，但承压能力较铁基减摩材料小。

粉末冶金减摩材料一般用于制造中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制造不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器等的轴承，在汽车、拖拉机、机床电机中也有应用。

3 粉末冶金结构材料

粉末冶金结构材料根据基体金属不同，分为铁基和铜基材料。铁基材料根据化合碳量的不同分为烧结铁、烧结低碳钢、烧结中碳钢和烧结高碳钢，如果铁基材料中含有合金组元铜和钼称为烧结铜钢和烧结铜钼钢。

铁基结构材料制成的结构零件精度高，表面粗糙度值小，不需或只需少量切削加工，节省材料，生产率高，制品多孔，可浸润滑油，可以减摩、减振、消声。粉末冶金结构材料广泛应用于制造机械零件，如机床上的调整垫圈、调整环、端盖、滑块、底座、偏心轮，汽车中的油泵齿轮、差速器齿轮、止推环，拖拉机上的传动齿轮、活塞环以及接头、隔套、螺母、油泵转子、挡套、滚子等。

铜基结构材料与铁基结构材料相比抗拉强度低，塑性、韧性较高，具有良好的导电、导热和耐腐蚀性能，可进行各种镀涂处理，常用于制造体积较小、形状复杂、尺寸精度高、受力较小的仪表仪器零件及电器、机械产品零件，如小模数齿轮、凸轮、紧固件、阀、销、套等结构件。

4 粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基和铜基材料，根据工作条件不同分为干式和湿式材料，湿式材料适宜在油中工作。

粉末冶金摩擦材料由基本组元和辅助组元组成。摩擦材料的承载能力、热稳定性耐磨性和耐热性由基本组元的成分、结构和性能来保证，辅助组元可进一步完善基体性能。铁基摩擦材料在高温高载荷下摩擦性能良好，能承受较大压力。铜基摩擦材料工艺性较好，摩擦系数稳定，抗粘、抗卡性好，湿式工作条件下耐