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粉末冶金基础知识之一

日期:2012-10-9 13:53

一、基本概念
粉末冶金是制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结,制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方,因此,一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。
 
二、特点
粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能,而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等,是一种少无切削工艺。
  (1)粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚,消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等)具有重要的作用。
  (2)可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料,这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。
  (3)可以容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性,是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。
  (4)可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品,如新型多孔生物材料,多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
  (5)可以实现净近形成形和自动化批量生产,从而,可以有效地降低生产的资源和能源消耗。  (6)可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料,是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
我们常见的机加工刀具,五金磨具,很多就是粉末冶金技术制造的。
 
三、粉末性能
1 粉末的化学成分及性能
尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体通常称为粉末,其计量单位一般是以微米(μm)或纳米(nm)。
1.粉末的化学成分
  常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末,要求其杂质和气体含量不超过1%~2%,否则会影响制品的质量。
2.粉末的物理性能 
⑴ 粒度及粒度分布 
  粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒,即二次颗粒。图7.1.1描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。实际的粉末颗粒体中不同尺寸所占的百分比即为粒度分布。
⑵ 颗粒形状
即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等,可以通过显微镜的观察确定。
⑶ 比表面积
即单位质量粉末的总表面积,可通过实际测定。比表面积大小影响着粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。
3.粉末的工艺性能
  粉末的工艺性能包括流动性、填充特性、压缩性及成形性等。
⑴ 填充特性
  指在没有外界条件下,粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。粉末的填充特性与颗粒的大小、形状及表面性质有关。
⑵ 流动性
  指粉末的流动能力,常用50克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。流动性受颗粒粘附作用的影响。
⑶ 压缩性
  表示粉末在压制过程中被压紧的能力,用规定的单位压力下所达到的压坯密度表示,在标准模具中,规定的润滑条件下测定。影响粉末压缩性的因素有颗粒的塑性或显微硬度,塑性金属粉末比硬、脆材料的压缩性好;颗粒的形状和结构也影响粉末的压缩性。
⑷ 成形性指粉末压制后,压坯保持既定形状的能力,用粉末能够成形的最小单位压制压力表示,或用压坯的强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构的影响。

四、粉末冶金的机理
1.压制的机理
  压制就是在外力作用下,将模具或其它容器中的粉末紧密压实成预定形状和尺寸压坯的工艺过程。钢模冷压成形过程如图7.1.2所示。粉末装入阴模,通过上下模冲对其施压。在压缩过程中,随着粉末的移动和变形,较大的空隙被填充,颗粒表面的氧化膜破碎,颗粒间接触面积增大,使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强,从而形成具有一定密度和强度的压坯。
2.等静压制
  压力直接作用在粉末体或弹性模套上,使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。按其特性分为冷等静压制和热等静压制两大类。
⑴ 冷等静压制
即在室温下等静压制,液体为压力传递媒介。将粉末体装入弹性模具内,置于钢体密封容器内,用高压泵将液体压入容器,利用液体均匀传递压力的特性,使弹性模具内的粉末体均匀受压。因此,冷等静压制压坯密度高,较均匀,力学性能较好,尺寸大且形状复杂,已用于棒材、管材和大型制品的生产。
⑵ 热等静压制
  把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中,施以高温和高压,使这些粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。在高温下的等静压制,可以激活扩散和蠕变现象的发生,促进粉末的原子扩散和再结晶及以极缓慢的速率进行塑性变形,气体为压力传递媒介。粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用,强化了压制与烧结过程,制品的压制压力和烧结温度均低于冷等静压制,制品的致密度和强度高,且均匀一致,晶粒细小,力学性能高,消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙,形状和尺寸不受限制。但热等静压机价格高,投资大。热等静压制已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金和金属陶瓷等制品的生产。
3.粉末轧制
  将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中,可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料。这些坯体经预烧结、烧结,再轧制加工及热处理等工序,就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板带材。粉末轧制制品的密度比较高,制品的长度原则上不受限制,轧制制品的厚度和宽度会受到轧辊的限制;成材率高为80%~90%,熔铸轧制的仅为60%或更低。粉末轧制适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。
4.粉浆浇注
  是金属粉末在不施加外力的情况下成形的,即将粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆,再注入石膏模内,利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的悬浮剂有聚乙烯醇、甘油、藻肮酸钠等,作用是防止成形颗粒聚集,改善润湿条件。为保证形成稳定的胶态悬浮液,颗粒尺寸不大于5μm~10μm,粉末在悬浮液中的质量含量为40%~70%。
5.挤压成形
  将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同,分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下(40℃~200℃)挤压成坯块;粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤,热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单,生产率高,可获得长度方向密度均匀的制品。
   挤压成形能挤压出壁很薄直经很小的微形小管,如厚度仅0.01mm,直径1mm的粉末冶金制品;可挤压形状复杂、物理力学性能优良的致密粉末材料,如烧结铝合金及高温合金。挤压制品的横向密度均匀,生产连续性高,因此,多用于截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒(如麻花钻等)。
6.松装烧结成形
  粉末未经压制而直接进行烧结,如将粉末装入模具中振实,再连同模具一起入炉烧结成形,用于多孔材料的生产;或将粉末均匀松装于芯板上,再连同芯板一起入炉烧结成形,再经复压或轧制达到所需密度,用于制动摩擦片及双金属材料的生产。
  将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同,分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在较低温度下(40℃~200℃)挤压成坯块;粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤,热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单,生产率高,可获得长度方向密度均匀的制品。
7.爆炸成形
  借助于爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。爆炸成形的特点是爆炸时产生压力很高,施于粉末体上的压力速度极快。如炸药爆炸后,在几微秒时间内产生的冲击压力可达106MPa(相当于107个大气压),比压力机上压制粉末的单位压力要高几百倍至几千倍。爆炸成形压制压坯的相对密度极高,强度极佳。如用炸药爆炸压制电解铁粉,压坯的密度接近纯铁体的理论密度值。
爆炸成形可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料,如难熔金属、高合金材料等,还可压制普通压力无法压制的大型压坯。
  除上述方法外,还有注射成形及热等静压制新技术等新的成形方法。
2.烧结的机理
  烧结是粉末或压坯在低于其主要组分熔点温度以下的热处理过程,目的是通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。随着温度升高,粉末或压坯中产生一系列的物理、化学变化:水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原等,接着粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动。随着颗粒间接触面的增大,会产生再结晶和晶粒长大,有时出现固相的熔化和重结晶。以上各过程常常会相互重叠,相互影响,使烧结过程变得十分复杂。

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