粉末冶金成形技术
第四章粉末冶金成形技术
一、粉末冶金成形定义：
用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料，采用压制、烧结及后处理等工序来制造某些金属材料、复合材料或制品的工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺相似，因此粉末冶金成型技术又常常叫金属陶瓷法。
方法：将均匀混合的粉末材料压制成形，借助粉末原子间的吸引力和机械啮合作用，使制品结合成为具有一定强度的整体，然后再高温烧结，进一步提高制品的强度，获得与一般合金相似的组织。
二、粉末冶金材料或制品
1. 难熔金属及其合金（如钨、钨——钼合金）；
2. 组元彼此不相溶，熔点十分悬殊的特殊性能材料，如钨——铜合金；
3. 难溶的化合物或金属组成的复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）
三、粉末冶金成型技术特点：
1. 某些特殊性能材料的唯一成型方法；
2. 可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削的生产工艺；
3. 节约材料和加工工时；
4. 制品强度较低；
5. 流动性较差，形状受限；
6. 压制成型的压强较高，制品尺寸较小；
7. 压模成本较高。
四、粉末冶金成形过程
原始粉末+添加剂→混合→压制成型→烧结→零件成品
五、粉末冶金工艺理论基础
一）、金属粉末的性能
金属粉末的性能对其成型和烧结过程及制品质量有重要影响，分为化学成分、物理性能和工艺性能。
固态物质按分散程度不同分为致密体、粉末和胶体。
致密体：通常所说的固体，粒径在1mm以上；
胶体微粒：粒径在0.1μm以下；
粉末体或简称粉末：粒径介于二者之间。
1. 粉末的化学成分
主要金属或组元的含量，杂质或夹杂物的含量，气体的含量。
金属的含量一般不低于98-99%。
2. 粉末的物理性能
1）颗粒形状：球状、粒状、片状和针状。影响粉末的流动性、松装密度等。 2）粒度：粉末颗粒的线性尺寸，用“目”来表示，用筛分法等测量。对压制时的比压、烧结时的收缩及烧结制品的力学性能有影响。
3）粒度分布：按粒度不同分为若干级，每一级粉末（按质量、数量或体积）所占的百分比。对粉末的压制和烧结有影响。
4）颗粒比表面积：单位质量粉末的总表面积，可算出颗粒的平均尺寸。对粉末的压制和烧结有影响。
3. 粉末的工艺性能
1）流动性：粉末的流动能力，用50g粉末在规定条件下从标准漏斗中流出所需的时间来表示,单位为s/50g。
等轴状或粗颗粒的粉末流动性好，但受颗粒粘附作用的影响。
流动性直接影响压制操作时的自动装粉和最终得到的压件密度的均匀性。2）松装密度
在规定条件下粉末自由填充单位容积的重量，单位为g/cm3.
颗粒较粗、密度较大的粉末，松装密度大。
松装密度不同，压制成形坯料的高度或孔隙率不同。
3）压缩性
在加压条件下粉末被压缩的程度，用规定压力下粉末所能达到的压坯密度表示。
提高压制力或松装密度、减小压坯速度或粉末的强度，压缩性增大，压坯密度增加。
4）成形性
粉末被压缩成一定形状并在后续加工中保持这种形状的能力。
一定压力下获得的压坯强度越高，成形性越好。
二、粉末压制原理
1.压制的机理：在模具或其他容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定形状和尺寸的工艺过程。
松散粉末加压→(1空隙被填满2.氧化膜被破碎3.接触面积增大4.原子产生吸引力 5颗粒间机械咬合作用增强)→具有一定密度和强度的压坯
三、粉末烧结原理
烧结定义：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下加热并保温一定时间，使粉末颗粒间产生一系列物理、化学变化（原子扩散、固溶和化合），从而获得
一定的物理及力学性能的材料或制品的工序。
烧结目的：通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。
烧结原理：（1.表面能大 2.结构缺陷多 3.活性状态原子多）→加热→（1.粉末物质迁移2.再结晶3.晶粒长大）→颗粒接触面积增大→压坯空隙减少，密度增大，强度增加
烧结分类
1. 固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，成分不发生熔化。
2. 液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间，烧结过程中液体、固体同时存在。
如硬质合金和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。
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。
烧结温度的影响：
1）烧结温度过高或时间过长，会使压坯歪曲或变形，其晶粒亦大，产生所谓的“过烧”的废品；
2）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，产生所谓的“欠烧”的废品。
常用材料的烧结温度和烧结气氛如课本表4.2所示
四、粉末冶金工艺流程
粉末制备、粉末预处理、成形、烧结和烧结后处理
一）、粉末的制备
主要取决于该材料的性能及制取方法的成本。
按转变的作用原理将粉末制取方法分为：
☆机械法☆物理化学法
机械法：将原材料进行机械粉碎，而其化学成分基本不发生变化；
物理、化学法：借助物理或化学作用改变材料的聚集状态或化学成
分来获得粉末。
1. 机械法：靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金粉碎成粉末的制粉方法。
1）粉碎法：球磨法，适用脆性材料或通过脆化处理的金属粉末，是粉碎法中最常用的方法。
但对于软态金属粉，可采用漩涡研磨法，即通过螺旋桨的作用产生漩涡高速气流，使金属颗粒自行相互撞击而磨碎。
2）雾化法：采用高速的气流或水流，使液态金属雾化、冷凝成细小粒状金属粉末。
工艺简单，可连续、大量生产而被广泛应用。
2. 物理、化学方法
1）物理法：蒸气冷凝法，将金属蒸气冷凝而制取金属粉末。制取蒸气压较大的金属，如Zn等，要求金属具有较低的熔点和较高的挥发性。
2）化学法：还原法、电解法
☆电解法
金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。制粉工艺简单，粉末纯度高，颗