粉末冶金件设计要点

粉末冶金DFM规范
一、概况
二、粉末冶金工艺设计的一般考虑
三、粉末冶金生产工艺
四、结构要求
五、粉末冶金零件设计准则
六、粉末冶金热处理
七、粉末冶金材料标识
八、配合公差带推荐
九、我司产品设计举例
一、概况
粉末冶金是以金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作原料，经过成型和烧结，制造各种类型的金属零件和金属材料。

为什么选粉末冶金？
粉末冶金的特点
粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。

从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。

1.粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料：
a.能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等；
b.能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等；
c.能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。

2.粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越：
a.高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善；
b.生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。

从制造机械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑、无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。

总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。

但粉末冶金在应用上也有不足之处。

例如，粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等等。

但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等等。

粉末冶金的应用
粉末冶金在解决材料领域问题的范围是很广泛的。

就材料成分而言，有铁基粉末冶金、
有色金属粉末冶金、稀有金属粉末冶金等。

粉末冶金材料和制品的大致分类如下表
粉末冶金材料主要用于制作机械零件、工具材料、磁性材料、电工材料、高温材料及原子能工业材料等。

下图是典型产品应用示例：
二、粉末冶金工艺设计的一般考虑
1.尺寸
鉴于生产工艺的物理特性与工业设备的实际限制，产品的尺寸有一定的临界界限。

对于一些粉末冶金工艺，诸如金属注射成型（MIM），产品大都很小，而对于热等静压（HIP），其产品大小并没有严格限制。

2.形状复杂程度
粉末冶金是一种能生产负载形状零件的柔性工艺。

在粉末冶金工艺中，制造复杂形状零件的能力取决于粉末成形的方法。

鉴于粉末成形必须用模具，因此，在大多数情况下，模具制造的难易和成形坯从模具中脱出的能力，就觉得了可生产零件形状的复杂程度。

3.尺寸公差
控制产品的尺寸公差，是所有近终形或最终形制造工艺必须具备的特点，在粉末冶金工艺中，零件的尺寸公差取决于诸如粉末特性、压制参数及烧结温度、烧结时间及烧结气氛等生产工艺参数。

烧结的致密化程度与烧结体收缩的均匀性都对大部分粉末冶金零件的尺寸公差有重大影响。

常规的压制-烧结粉末冶金零件烧结时的尺寸变化量很小，和热等静压零件相比，其尺寸公差一般都是最精密的，热等静压零件的公差范围最宽。

4.材料系统
在粉末冶金工艺的应用中，粉末颗粒的形状、大小及纯度都是重要因素。

对于某些粉末成形工艺或工序，粉末颗粒必须为球形，表面要平滑。

而对于其他工艺，更多的需要较不规则的粉末颗粒形状。

几乎每一种材料与合金系统都可以粉末状应用。

对于一些金属材料，诸如烧结硬质合金、铜-钨复合材料及难熔金属（钨、钼、等），粉末冶金工艺是工业上唯一可行的生产工艺。

例如，对于压制烧结工艺，为得到适当的生坯强度与烧结特性，需要粉末颗粒具有不规则形状与适当粒度分布。

热等静压需要杂质最少、颗粒充填性好的球状粉末（气雾化的）。

MIM工艺试验的粉末最好是球形的，但为了保证适当的流变性，能在塑性粘结剂中分布均匀及烧结特性优异，需要粉末粒度细小。

5.性能
任何产品的功能特性都决定于物理或力学性能。

在粉末冶金工艺中，这些性能都直接受产品的密度、原材料（粉末）及生产工艺条件（大部分往往是烧结参数）的影响。

粉末冶金材料密度低于理论密度时，
其性能降低。

6.数量与价格
粉末冶金工艺的经济可行性一般取决于零件生产件数，对于常规的压制-烧结工艺，为抵偿模具费，产量至少1000-10000件以上。

三、粉末冶金生产工艺
1.常规压制-烧结工艺
常规压制-烧结工艺生产流程大体如下图。

通常，还包括压制-烧结-精整、二次压制-二次烧结及熔渗铜工艺。

成形压坯
只有一定的强度，还不具备金属的性能，稍微外力的撞击会使它发生变形、缺损、断裂等现象。

烧结作用
粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。

2.全密实工艺
将使生产的产品密度尽量近理论密度的工艺定义为全密实工艺，即第二类粉末冶金成形工艺。

而常规压制-烧结工艺主要目的不是制取完全密实的粉末冶金制品或材料。

全密实工艺有粉末锻造（P/F）、金属注射成形（MIM）、热等静压(HIP)、轧制、热压及挤压。

粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图
四、结构要求
1、粉末冶金零件最小厚度、尺寸范围及其精度
材料最大横断面
面积/cm2
宽度/mm 高度/mm
最大最小最大最小
铁基40 120 5 40 3 铜基50 120 5 50 3
五、粉末冶金零件设计准则
1.常规模压结构零件设计准则
为有效的利用模压工艺，设计工程师在设计粉末冶金结构零件时，必须了解清楚，采用模压成形时零件形状所受的种种限制。

鉴于常规模压成形是单轴向、闭合刚性模具成形，在设计零件的形状时，必须尽可能考虑到：
a压制成形后，压坯能从模具中脱出
b压制成形时，模具中各处装粉的均匀性，特别是成形零件的薄壁、尖角部分
c模具的顽固性
d零件成形坯的密度均匀性
有些形状特征，诸如根切、倒锥（底部大、顶部小）、环形沟槽及螺纹等都无法压制成形，必须用后续切削加工来完成。

2、粉末冶金零件结构设计优劣对比
与加压方向垂直的沟槽无法成形，要辅助用机械加工
垂直于加压方向的横孔需要另行机械加工
螺纹形无法成形,要烧结后辅助用机械加工
逆向推拔无法成形,取消逆向推拔,在凸缘端面角上加平坦面以利成形,结合部加R角提高结合强度
在凸缘根部的清角宜做成与加压轴向平行,否则需机械加工
凸缘另一侧为盲孔，成形困难，可改为右图设计
螺旋角大于30度不易成形，正常在25度范围内可以顺利生产
钻石滚花无法成形,与加压方向平行的直齿滚花易于成形
孔的位置尽量避开外缘部,尽量能在2mm以上
避免翼端角、尖角,为保模具安全及粉末充填均匀,应如图所示加R
尖端有锲形时粉末不易充填,
平坦过渡形状较佳
细小形状的栓槽形,不易粉末充填及加压成形,作成如右圆弧形粉末充填较好
尽量减少凸细部位,使其变为圆形或云形
隅角尽量做圆弧,不要尖直角,模具加工容易,模具强度提高,粉末流动性好,但要保证肉厚在0.8mm 以上
细深且凹入处,以圆弧及云形分布可以增加模具寿命
如箭头所指,隅角尖锐的话模具易破损,宜圆角修改
避免细窄设计,宜用缓顺的曲线修改
避免45度以下的倒角,尽量用60度倒角,且有0.2mm左右平坦部分，尽量避免R倒角
避免完全球面,尽量如右图所示留1/4左右圆筒过渡
尽量避免异形孔,而用圆孔代替，异形孔模具加工困难且易损坏
冲子成形柱形孔要有大于5度的脱模角
不规则的凸缘单边要有1.6mm较佳,凸缘台阶和BOSS壁厚要1.5Mm以上比较好,结合部R要R0.5以上较佳
有轴衬的齿轮,齿底圆和轴衬外径不得相同,保证单边肉厚1.5mm以上
尽量避免大倒角,一般倒角不超过凸缘厚度的1/3
截面变化大,导致密度不均匀,
烧结尺寸变化也不同,比较容易造成零件缺陷,应尽量避免
阶级杆,以成形烧结后机加工为好
上端凸起,以机械加工为好
上端凸起,以机械加工为好
内孔及外径复杂,以机械加工完成较好
键与键槽不必分开,可以通过
模具成形
产品细长,长度不宜超过直径的2.5倍
如左图渐开线,用粉
末冶金虽可成形,不
影响使用，但改为齿
顶、齿底R弧,可以
提高齿根强度35%
左右
六、粉末冶金热处理
（1）烧结钢热处理的特点
1.1烧结钢的组织特点
a.孔隙度对材料性能的影响
粉末冶金材料在压制、烧结至最终形状时，含有孔隙，使其密度低于理论值，并改变了材料的热传导性、铁磁性、弹性模量、抗拉强度、断裂韧性以及冲击韧度。

粉末冶金产品的尺寸变化一般发生在淬火和回火过程中。

对于简单产品是可以预测通过模具调整的；对于复杂的零件，像典型的多台阶面零件，不同台阶面中的孔隙变化，会引起明显的热处理变形，影响工件在装配中的功能和配合。

这种现象需要精加工来处理。

孔隙也影响材料的硬化。

连通孔隙起到绝热作用，减少了材料的导热能力，当零件从奥氏体相区迅速淬火时，孔隙延缓了冷却速率，造成了混合显微组织以及不均匀的硬度。

1.2孔隙对硬化层深度的影响
具有连通孔隙的烧结钢零件的表面硬化工艺，如渗碳、碳氮共渗和氮碳共渗，由于气氛气体的快速渗入，对工艺的控制十分敏感。

这些高碳势气氛由零件外表面通过孔隙表面扩散进入内部，造成在外表面下迅速渗碳至有效深度，以及表层/心部过渡区的消失。

当密度小于6.8g/cm3的烧结钢进行渗碳时，由于渗碳性气氛是通过内部连通孔隙而使整个零件变脆，故一般要求渗碳的烧结钢密度不低于7.0g/cm3。

为提高零件表面密度可以用表面液压、精整、整形、喷砂、切削加工等处理方式来封闭孔隙。

烧结低碳钢表面硬化的主要目的是提高硬度、耐磨性。

维持心部的韧性和弹性。

这样，便可给予齿轮和其他高强度零件最佳的综合力学性能。

但当碳势失控时，这类零件肯非常脆，还会出现淬火后的变形。

（2）合金元素在烧结钢热处理中的作用
2.1碳含量的影响
选择热处理工艺来提高烧结钢的强度时，碳含量是最关键的变量。

碳含量是受到粉末混合物中石墨量和烧结过程中气氛控制的。

烧结钢抗拉强度和硬度随碳含量增加而增大，在0.8%碳的共析成分点达到了巅峰。

碳含量高于这一数值时，将在晶界处和沿孔隙通路形成网状碳合物，引起材料脆化和强度减低。

硬度取决于零件的材料基体、密度和合金元素含量。

强度最大值获得取决于显微组织，这种组织应该是在零件表面含有大量的马氏体，但在芯部含有足够的能提高韧性的相变组织。

当烧结钢中加入了镍、钼、铬和钢等合金元素时，最佳碳含量可以相应降低。

在烧结钢中，最常用的合金元素时钢和镍。

2.2钢含量的影响
加入Cu可以增加材料烧结后的表观硬度和抗拉强度。

热处理后，Cu增高表面硬度，但因其产生的脆化影响而减低了韧性和强度。

Cu含量与化合碳之间的关系如下图。

Fe-C成分在淬火-回火后，强度峰值出现在烧结时共析成分点附近，碳含量大约0.65%，烧结钢中加入铜时，随着碳含量增大至大约0.5%，强度增加更明显。

热处理后，随着铜含量增加，最佳强度值也出现在低碳含量范围。

2.3镍含量的影响
镍能提高烧结后材料的抗拉强度，但效果不如铜。

然而在热处理后，镍却使材料强度明显增加。

由
元素粉末混合粉制成的含镍烧结钢组织非均匀性是产生这种现象的原因之一。

在通常的烧结温度1120℃下，铜形成液相，并与铁形成固溶体，使强度和硬度显著增加。

镍的熔点较高，与铁进行固态扩散，形
成了部分合金化铁围绕着富镍岛这样的双相显微组织。

淬火处理后，集体变为马氏体，但富镍去仍为奥
氏体，结果强化了基体并保持一定的韧性和延展性。

在很多需要最佳的硬度和淬透性的合金成分中都同时含有Cu和Ni。

2.4.预合金化/扩散合金化影响
预合金化是在铁中加入Mn、Ni、Mo和Cr等提高淬硬性的元素，使得粉末材料完全合金化，以改善材料热处理后的力学性能。

2.5.烧结工艺的影响
为了获得烧结钢的最佳热处理性能，烧结工艺也是重要的影响因素。

如下图列出了性能比较
（3）烧结钢的热处理工艺
3.1.烧结钢的整体淬火-回火
烧结钢零件的整体热处理主要是淬火-回火。

这种热处理工艺主要为了提高零件的耐磨性和改善心部强度。

回火用于减少零件内因快速淬火和马氏体相变产生的热应力与组织应力，这种应力不去除，会增加烧结钢零件的脆性和缺口敏感性，使之较易断裂。

这种应力随零件密封增大而增加。

所有密度大于6.7g/cm3的零件淬火后，都应回火。

3.2.烧结钢的感应淬火
直齿、锥齿轮、带花键槽轮毂以及凸轮都是应用粉末冶金技术制作的典型零件。

这些零件的某些部位需要具有坚硬、耐磨的表面，同时保留烧结基体的延展性。

感应淬火一般可满足这类需求。

3.3.烧结钢的渗碳和碳氮共渗
烧结钢的渗碳和碳氮共渗这两种表面处理工艺最常用于哪些承受频繁循环负载和表面黏着磨损的零件。

这些零件需要表面硬度高与心部具有韧性、延展性相结合。

大多数高负载的齿轮都需要进行这些处理。

渗碳和碳氮共渗处理可用于高密度预合金化或部分合金化烧结钢零件，这些零件的碳含量低于0.5%。

孔隙高于10%的零件不宜于进行这些处理，这是由于大量连通孔隙会使碳迅速渗透零件，增加了零件的脆性。

3.4.烧结钢的氮碳共渗
氮碳共渗在较低的处理温度以及气氛成分方面与碳氮共渗不同。

碳氮共渗是用吸热性气氛为基体，添加NH3作为氮源，而氮碳共渗是用NH3作为基体气氛加入各种碳氢化合物作为碳源，这种工艺可以使用各种类型设备，正在广泛的替代其他处理方式。

在氮碳共渗温度范围内，不发生奥氏体转变，因此关键是减少零件在油淬时可能发生的变形。

由于气态氮碳共渗依靠扩散过程，所有应用粉末冶金零件时，密度影响很大。

如果氮从孔隙表面渗入并形成氮化物，会发生体积膨胀和脆化。

基于这，粉末冶金零件密度应为理论密度的92%。

3.5.烧结硬化
使烧结钢由烧结温度冷却而发生马氏体相变的工艺称为烧结硬化。

这样，零件在烧结后便可获得所需的高强度和高硬度。

这种工艺对于大批量生产的零件成本是最低的，因为烧结后不需要热处理。

这种工艺需要用预合金化粉末。

为获得烧结零件的最佳组织和性能，最重要的影响因素是冷却过程中合金转变为马氏体和贝氏体的能力。

各种商用钢材中常加入0.25%-1.0%Mn，以增加普通碳钢的强度和硬度。

Cr也是常见的强化元素，但几乎不用于预合金化粉末中，因为很难除掉颗粒表面形成的氧化铬，而氧化又会阻碍颗粒间的扩散。

Mo和Ni 常用于低合金烧结钢，因为其氧化物易还原。

这些元素在提高强度和韧性上证明是非常有效的。

烧结硬化需要控制烧结后从奥氏体相区的冷却速率。

决定合金烧结硬化能力的因素是600℃-150℃之间的冷却速率。

最常用的合金粉是4600型粉末加入铜和碳。

七、粉末冶金材料标识
目前常用的粉末冶金原料标准主要有两种：SMF系列和MPIF标准；
SMF系列为日本标准，常用的有SMF5030，5040，4030，4040；
MPIF标准为美国标准，常用的有FC0208，FN0208，FD0205；
不锈钢粉：420、304及316（Mo含量较高）。

MIPF标准35中，用各种不同的前缀来标识铁基粉末冶金材料：
F-铁
FC-铁/铜合金或铜钢
FD-扩散合金化钢（部门合金化的）
FL-预合金化铁基材料
FN-铁/镍合金或镍钢
FS-铁/硅合金
FX-渗铜铁或钢
FY-磷合金
SS-不锈钢（预合金化的）
含油轴承材料牌号标记实例
八、配合公差带推荐
粉末冶金轴承国标配合公差带选用如下：
对于我司产品与粉末冶金轴承配合的轴一般是机加工的轴，加工精度IT7-IT8，粉末冶金轴承内孔优选7级
过盈配合：
一般对于我司产品，粉末冶金大多数作为齿轮、带轮类零件，与轴都需过盈配合，一般过盈量在0.02-0.036mm，优选公差带U7，或者S7
九、设计举例
1、齿轮
选择粉末冶金优势
1.大批量生产的齿轮尺寸精度均一
2.由于材料组织中含有一定的孔隙，有助于齿轮平静运转并带自润滑
3.制作带盲角的粉末冶金齿轮，比切削加工简单
4.齿轮与凸台等复合，实现一体化
5.制作的标准渐开线齿轮，生产简易费用低
2、含油轴承
含油轴承优势
1.比滚动轴承噪声小
2.不需要特殊供油结构，不需要从外部不加润滑油，使用过程自润滑
3.制品简易，加工方便，费用低
3.目前我司常用的粉末冶金材质
常用粉末冶金成分
牌号密度(g/cm3) Fe% C% Cu% Ni% 其他合计SMF4030 >6.4 余0.2～1.0 1～5 1以下FC-0205 >6.0 93.5～98.2 0.3～0.6 1.5～3.9 2以下FC-0208 >5.8 93.2～97.9 0.6～0.9 1.5～3.9 2以下FN-0205 >6.6 91.9～98.7 0.3～0.6 0～2.5 1.0～3.0
FN-0208 >6.7 91.6～98.4 0.6～0.9 0～2.5 1.0～3.0
FZ-1465 >6.3~6.7 余18-22 3以下常用牌号性能对比。