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粉末冶金原理与应用

   贺文雄
材料与人类文明


材料是现代文明的支柱
材料是人类生存的基础( Basis)
材料是人类发展的标志 (Mark)
材料是科技创新的先导 (Lead)
半坡




    商        德里铁柱
西
周
材料制备方法
 IM(Ingot Metallurgy) 熔铸法
    熔 (melting) 、炼 (refining) 、铸 (casting)
               铸件 (castings) → 机加工
    (machining)→ 零件
               铸坯 (ingots)→ 塑性成形 (plastic
    forming)
                    热处理 (heat treatment)→ 机加工
    机零件

 PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法
    制粉 (powder making)→ 压型 (pressing)→ 烧结
  (sintering)
材料成型方法
 铸造 (pour-casting, die-casting)
      例如:汽车轮毂( Al 、 Zn )、活塞( Al )
  、手机外壳( Mg )等
 塑性成形 (plastic forming)
     挤压 (extrusion) 、轧制 (rolling) 、拉拔
  (drawing) 、
     冲压 (punching) 、锻造 (forging)
 焊接( welding)
 切削 (cutting)
 粉末成型 (powder forming)
 复合成型(铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等)
第一章     粉末冶金概论
   粉末冶金定义:
       制取金属及化合物粉末,采用成形和烧结工
    艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的
    制品的技术科学。
      多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金
    、材料制备、压力加工、热工、机械、自动控制等
    学科技术。
最大可制造: 3 吨的制件(热等静压);
最小:零点零几克(~ 0.01 克);
粉末冶金工艺过程
         原料粉末         其他添加剂


                 混合


松   粉(           模压成形                      冷       轧   挤
装   末石膏                                    等
烧   浇模                                     静
结   注 ) 烧结       预烧结                       压       制   压
                                  烧结


             二次模压     高温烧                      烧               热   热
                              锻   轧    挤                   热       等
                       结                               压       挤
                      锻造                                           静
                              造   制    压       结               压   压
       整形    二次烧结
                       拉丝



                后续处理(选择):浸渍
                热处理 电镀 机械加工

                 粉末冶金材料、制品
典型的粉末冶金生产过程


粉末冶金一般
工艺 :


1 )制粉


2 )粉末预处理


3 )成形
粉末冶金生产工
粉末冶金发展简史


•约 3000 年前,埃及人就制得海绵铁,并锻打成铁器

;
• 3 世纪,印度人用同样方法制得 “ 德里柱 ” ,重达 6.5

吨;
• 19 世纪出现 Pt 粉的冷压、烧结、热锻工艺;

• 现代粉末冶金从 1909 年, W.D. Coolidge 的电灯钨

丝问世开始。
现代粉末冶金发展的三个重要标志:
• 1909 年制造电灯钨丝的技术成功( W 粉成形、烧结、锻打

、拉丝); 1923 年硬质合金研制成功。

• 20 世纪 30 年代,多孔含油轴承成功;相继发展铁基机械零

件

•   向新材料、新工艺发展: 20 世纪 40 年代,金属陶瓷、弥

散强化材料(如烧结铝); 60 年代末~ 70 年代初,粉末高

速钢、粉末高温合金,粉末锻造技术已能生产高强度零件。
粉末冶金材料和制品         出现年代
       钨             1909

    难熔碳化物         1900 ~ 1914

    电触头材料         1917 ~ 1920

  WC-Co 硬质合金      1923 ~ 1925

   烧结摩擦材料            1929

   多孔青铜轴承         1921 ~ 1930

 WC-TiC-Co 硬质合金   1929 ~ 1932

    烧结磁铁             1936

    多孔铁轴承            1936

机械零件、合金钢机械零件      1936 ~ 1946

     烧结铝             1946

 金属陶瓷( TiC-Ni )      1949

   钢结硬质合金            1957

    粉末高速钢            1968
粉末冶金特点

1 .优点
( 1 )可生产普通熔铸法难于生产的材料
① 多孔材料(孔隙度可控);
② 假合金(如 Cu-W );
③ 复合材料,如硬质合金和金属陶瓷、弥散强
化材料、纤维强化材料;
④ 特种陶瓷(结构陶瓷、功能陶瓷);
某些 P/M 材料与熔铸材料相比,性能更优越

① 避免成分偏析、晶粒细,组织均匀,性能大

幅提高。如,粉末高速钢、粉末高温合金。

② 钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大

、纯度低,工业上一般采用粉末冶金方法生产。
( 3 )对制品成型有明显优势
 ① 是一种少切削、无切削工艺(近净成型 near
net-shape );
 ② 可大批量生产同一零件;
 ③ 形状很复杂零件(如齿轮、凸轮或多功能零
件)的制造公差窄;
 ④ 不需或可简化机械的精加工作业;
 ⑤ 节能、省材;
 ⑥ 可制造自润滑材料。
2 .缺点
① 粉末成本高;

② 形状、尺寸受到一定限制;

③ 成形模具较贵;一般要生产量在 5000 ~ 10000

个 / 批,才经济。

④ 烧结零件韧性相对差(但可通过粉模锻造或复

烧改善)。
与其他成型工艺比较
1 .和熔铸技术比较        铸造优势:
                  ① 形状不受限制;(
粉末冶金优势:
                  粉末冶金注射成形形状
① 粉末冶金制件表面光洁度高;
                  也不受限制,但只能生
② 制造的尺寸公差很窄,尺寸精   产小制件)
确;                ② 适于制造大型零件
③ 合金化与制取复合材料的可能   ;
                  ③ 零件生产批量小时
性大
                  ,经济;
④ 组织均一(无偏聚、砂眼、缩
                  ④ 一般说来,工、模
孔)、力学性能可靠;        具费用低。
2 .和热模锻技术比较

粉末冶金优势:         热模锻优势:

① 粉末冶金制件精度比精锻   ① 可制造大型零件;

高;              ② 锻件力学性能比烧结

② 粉末锻造节省材料、重量   粉末冶金零件高,但与粉

控制精确、可无非边锻造,也   末锻造件相当;

能制造形状较复杂制件;     ③ 可制造形状复杂程度

③ 粉末锻造只需一副成形模   较高的制品。

具和一副锻模;热锻需两副以
粉末冶金技术的新发展
( 1 )与其他技术交叉产生新技术
      注射成形,粉末挤压,流延成形, 直接凝固注模,
粉末轧制,爆炸成型,喷射成形,烧结热等静压,微波烧结,
放电等离子体烧结,激光烧结 ……
( 2 )向计算机控制集成自动化方向发展
( 3 )粉末冶金近净成形技术( near net-shape )发展
     如,注射成形,粉末挤压等
( 4 )粉末冶金快速成形技术发展
     如,选择性激光烧结,喷射成形等
( 5 )用于各种新材料及其成形加工
     如,纳米材料及其成形工艺,新型复合材料,新型功
粉末冶金的应用
• 机械材料和零件:结构零件、减摩材料、摩
  擦材料
• 多孔材料及制品:金属过滤器、泡沫金属等
• 硬质工具材料:硬质合金、复合工具材料等
• 电接触材料:电触头合金、电刷材料等
• 粉末磁性材料:烧结软 / 硬磁体等
• 耐热材料:难溶金属及其合金、高温合金、
  氧化物弥散强化材料、金属陶瓷等
• 原子能工程材料:核燃料、屏蔽材料等
粉末冶金产品



                                   铜基含油轴承 ( 套 )




               金刚石制品 - - 锯片




                              铁基结构零件 - 真空泵转子
铁基摩擦材料 - 坦克、装甲车辆制动片
粉末冶金产品




              碎纸机配件
电动工具配件
粉末冶金产品




                 吸尘器配件
缝纫机配件




        自行车配件



气泵配件             按摩器配件
粉末冶金产品




汽车零部件
粉末冶金产品
粉末锻件
(a)




      (b)
热等静压制品
金属注射成型制品
硬
质
合
金
钻
头
、
棒
硬质合金轧辊
   等
金
属
切
削
刀
片
硬质合金、 CBN 、金属陶
      瓷
金刚石、 CBN 制
   品
钨
基
高
密
度
合
金
Nd-Fe-B 、 Sm-Co 、铁氧体永磁
软磁铁氧
  体
精细陶瓷制
  品
压敏




PTC

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