粉末冶金的优缺点及其技术_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。粉末冶金的优缺点及其技术 粉末冶金工艺的优点： 1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2、 由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯， 而不需要或很少需要随后的机械
粉末冶金的优缺点及其技术 粉末冶金工艺的优点： 1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2、 由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯， 而不需要或很少需要随后的机械加工， 故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有 1-5%， 而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到 80%。 3、 由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料， 也就不怕混入由坩埚和脱氧剂 等带来的杂质， 而烧结一般在真空和还原气氛中进行， 不怕氧化， 也不会给材料任何污染， 故有可能制取高纯度的材料。 4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品， 用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。 粉末冶金工艺的基本工序是： 1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机 械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还 原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化 法和电解法。 2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其 具有一定的密度和强度。 成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。 加压成型中应用最 多的是模压成型。 3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其 得到所要求的最终物理机械性能。 烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。 对于单元系和多 元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结 温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧 结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。 4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如 精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉 末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。 粉末冶金材料和制品的今后发展方向： 1、有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。 2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。 3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。 4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。 5、加工独特的和非一般形态或 成分的复合零部件。 粉末冶金工艺缺点： 1:在没有批量的情况下要考虑 零件的大小. 2:模具费用相对来说要高出铸造模具. 粉末冶金(P/M)技术是一门重要的材料制备与成形技术，被称为是解决高科技、新材料 问题的钥匙…。高性能、低成本、净近成形一直以来是粉末冶金工作者重要研究课题之一。 粉末冶金法能实现工件的少切削、无切削加工，是一种高效、优质、精密、低耗节能制造零 件的先进技术。进入 20 世纪 80 年代许多行业，特别是汽车工业比以往任何时候更加依赖 于粉末冶金技术， 尽可能多地采用粉末冶金高性能的零部件是提高汽车尤其是轿车在市场中 的竞争能力的一种有力手段。 高密度的 P/M 产品是保证其具有优异的力学性能的关键因素。 因此，为扩大粉末冶金 P/M 零部件的应用范围，必须提高其密度以获得力学性能优异的粉 末冶金零部件。目前，常用来提高 P/M 零部件密度的技术途径主要有： 压缩性铁粉的应用 复压复烧 浸铜 高温烧结 粉末热锻等等 由于这些工艺存在着不同程度的成本和工件尺寸精度保证困难等技术问题， 使本富于竞 争力的粉末冶金零件的潜力难以得到充分发挥。 而流动温压粉末成型技术的发展使之成为提 高 P/M 零件密度的有效途径。 1.流动温压粉末成型技术的发展 1.1 温压技术的发展 20 世纪 80 年代末，Hoeganaes 公司的 Musella 等人为提高零件密度，在扩散粘结 铁粉制备工艺的研究基础上， 将粉末和模具加热到一定温度进行压制， 开发出一种所谓温压 的新工艺，即 ANCORDENSE 工艺。温压工艺就是采用特制的粉末加温、粉末输送和模具 加热系统，将混有特殊聚合物润滑剂的金属粉末和模具加热至 130~150℃，然后按传统粉 末压制工艺进行压制和烧结以提高压坯密度的新方法据资料分析， 虽然温压工艺比常规的一 次压制烧结工艺的相对成本提高了 20%，但比渗铜工艺、复压烧结工艺、粉末热锻工艺分 别降低了 20%、30%和 80%的成本，开拓了粉末冶金应用的潜力。因而被誉为“开创粉末 冶金零件应用新纪元的一次新型制造技术”，为零部件在性能和成本之间找到一个理想的结 合点，也被认为是进人 90 年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步。 目前，在粉末制备、工艺优选、温压及烧结行为、致密化机理等方面均进行了广泛的研究， 并实现了工业化生产。 1.2 金属注射成形技术的发展 金属注射成形 MIM(metal Injection Molding)是传统粉末冶金工艺与现代塑料注射 成形工艺相结合而形成的一门新型近净成形技术。最早可追溯于 20 世纪 30 年代开始的陶 瓷火花塞的粉末注射成形制备， 随后的几十年间粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。 直 到 1979 年，由 Wiech 等人组建的 Parmatech 公司的金属注射成形产品获得两项大奖， 以及当时的 Wiech 和 Rivers 先后获得专利，粉末注射成形才开始转向以金属注射成形为 主导。 1.3 流动温压粉末成型技术的产生 金属粉末注射成形技术适用于大批量制造具有复杂几何形状、高性能、高精度的零件， 在产业化方面也取得突破性进展。但该工艺在粉末中需要加人较多的粘结剂，粉末需用≤1 0um 的超细近球形粉，从混料到脱脂、烧结，工序较复杂，工艺要求严格，特别是需要较 长的脱脂和烧结时间，造成制造成本往往偏高。流动温压成形(WFC：Warm Flow Comp action)正是在金属粉末温压的基础上，结合了金属粉末注射成形工艺的优点，通过加人适 量的粗粉和微细粉末以及加大热塑性润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、 填充性 和成形性¨ 。由于在压制时混合粉末变成具有良好流动性的粘流体，既具有液体的优点，又 有很高的粘度， 并减小摩擦力， 使压制压力在粉末中分布均匀， 还得到了很好的传递。 这样， 粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹， 从而使密度也得到了很大的改善。 该技 术由德国 Fraunhofer 先进材料与制造研究所(IFAM)于 2001 年首次报道。 流动温压可以在 80~130℃温度下，在传统压片机上精密成形形状非常复杂的工件，如带 有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔等的复杂工件，而不需要其后的二次机加工。WFC 技术既克服了传统冷压在成形复杂几何形状方面的不足，又避免了注射成形技术的高成本， 是一项极具潜力的新技术，具有广阔的应用前景。 流动温压工艺几乎适用于所有的粉末体系，但最适合于成形低合金钢、Ti 以及 WC、Co 等 硬质合金粉。 2.流动温压粉末成型技术的特点 流动温压工艺是在温压工艺基础上结合了金属注射成形的优点而发展起来的， 它是一种 新型的粉末冶金零件近净成形技术。 在对温压的研究中， 人们发现温压成形时在径向产生了 很大的径向压力， 从而在注射成形技术中注射喂料的良好流动性和成形性给予了启发， 将两 者的优势结合起来并对混合粉料加以优化就产生了流动温压粉末成型技术。 流动温压工艺就 是将具有良好流动性的混合粉末装入型腔中， 然后在一定温度下压制成形具有较复杂几何外 形的工件， 不需专门脱脂工艺而直接烧结制得粉末冶金零件的新技术。 其主要特点可概括如 下。 2.1 可成形具有复杂几何形状的零件、 采用流动温压可以直接成形与压制方向相垂直的凹槽、 孔和螺纹孔等工件。 而采用冷压 制造此类形状的工件却是非常困难甚至是不可能的，一般需要通过其后的机加工才能完成。 即使用数控压片机来实现复杂和精准的动作也只能生产出较为简单的此类工件。 Fraunhofer 研究人员也用带有微小锥度的成形冲头成功地直接成形了较深的盲孔工件，盲 孔的壁高和壁厚的比率可达到 3~7，壁厚的变化范围可在 1~3mm。为了系统地研究流动 温压工艺中粉末的流动行为，Fraunhofer 研究人员采用了如图 1 所示的特制模具¨ 引。该 模具为两半用螺栓联接而成，水平孔和垂直孔的直径都是 16mm。研究人员对 T 孔、通孔、 L 孔形型腔模具进行了研究，与压制方向垂直的侧孔的长度可以通过螺栓来调节。用流动温 压工艺成功制备出了 T 型工件。实验结果表明，混合粉末的良好流动性足以避免在拐角处 产生裂纹。 利用流动温压工艺还可成形零件更复杂的几何外形。 混合粉末的良好流动性使得流动温 压工艺可以精密地成形工件的精细轮廓。因此，流动温压工艺可以用于成形螺纹。用带有外 螺纹型芯的模具经压制成形后，将型芯从半成品中拧出，然后进行烧结就可制得螺纹。根据 收缩率选取适当的型芯直径就可压制出所需的螺纹而不需要二次机加工。 这也许是流动温压 工艺最显著的应用。 对流动温压进行了初步研究， 制造出一套研究流动温压流动趋势的特制 装置，并实现十字型零件的成形。 2.2 压坯密度高、密度较均匀 流动温压由于装粉密度较高，因此经温压后的半成品密度可以达到很高的值。除密度 提高外，由于粉末流动性好，成形的零件密度也更加均匀。或者说采用简单的模冲(不需要 辅助的浮动多轴模冲)就可成形多台阶的粉末冶金工件。 对于难成形的纯 Ti 粉，应用流动温压也取得了明显的结果。如采用 Ti 粉成形的 T 型工 件的密度分布(在零件图上用 1~6 数字标出)如下图所示。从图中可以看出，采用流动温压 可以获得较高的密度，工件除具有较好的烧结性能外，密度分布也较均匀。图中“5”处距离 零件中心轴有 14mm，在冷压时密度偏低，这主要是阴模模壁的摩擦和压力的传递不均造 成的。Ti 基半成品和成品在不同位置的密度分布(ri 无空隙密度为 4.5g/cm3) 2.3 对材料的适应性好 流动温压工艺可适用于各种金属粉末，包括低合金钢粉、不锈钢粉、纯 Ti 粉和硬质合 金粉末等。Fraunhofer 研究人员对各种金属粉末进行了流动温压工艺研究，都取得了较显 著的结果，其中包括低合金钢粉(DistolayAE)、不锈钢 316L 粉、纯 Ti 粉和 WC-Co 硬金 属粉末。 流动温压工艺原则上可适用于所有的粉末系， 唯一的要求是该粉末必须具有足够好 的烧结性能，以便最终达到所要求的密度和性能。 2.4 工艺简单，成本低 用传统粉末冶金方法成形零件在垂直于压制方向上的凹槽、 横孔等外形， 需要设计非常 复杂的模具或通过烧结后的二次机械加工才能完成。 虽然注射成形技术在成形零件的复杂外 形方面几乎不受什么限制， 但是由于添加的粘结剂数量较多， 在加热过程中会因为重力影响 使工件发生变形， 因此往往需要额外增加一道较复杂和较昂贵的专门脱脂工序， 使得注射成 形技术比常规粉末冶金技术成本高， 所以注射成形的零件不一定能够取代可满足其设计功能 的常规粉末冶金零件，从而使注射成形技术的应用范围受到了一定的限制。 而流动温压粉末成型技术既可直接成形复杂几何外形而不需要其后的二次机加工； 另一 方面，在流动温压成形工艺中，所用的特殊粘结剂和润滑剂含量适中，所配置的混合粉末具 有很高的粘度和临界剪切强度， 在加热过程中不会发生变形， 因而可直接在烧结过程中去除 粘结剂。因此，与传统粉末成形工艺和注射成形工艺相比，流动温压粉末成型技术对成形复 杂几何外形的零件来说，既简化了生产工艺，又大大降低了制造成本。 3.流动温压粉末成型技术的应用前景 流动温压成形技术结合了传统压制和金属注射成形的优点， 成形零件时既缩短了工艺流 程，又降低了成本，同时使零件的密度和复杂性方面也得到了提高，应用前景好。流动温压 可以在传统的粉末冶金压机上进行工件的成形， 这样就使以前需要通过机加工才能成形的复 杂形状的零件得以很容易地实现。 因此， 流动温压成形技术将大大拓展了粉末冶金成形技术 的应用范围，具有广阔的应用潜力和前景。 4.流动温压技术的研究意义 WFC 作为一项新型的粉末冶金金属零部件近净成形技术，可以以较低的成本短流程生 产高性能复杂形状(如凹槽、横孔和螺纹孔等)的零件，而采用传统粉末压机制造此类粉末冶 金零件过去一直被认为是非常困难，甚至是不可能的。 流动温压虽然在成形三维复杂零件方面不可能取代注射成形技术， 但是利用 流动温压成形的独到特点却能生产出零件形状复杂程度介于冷压和注射成形之 间的中等复杂零件， 这就可能使得采用传统压片机的粉末冶金复杂零件的低成本 短流程制造技术取得突破性的进展，有望在汽车、电子、医疗设备、日用品、办 公机械、仪表、机械制造等行业获得应用，其应用也将进一步扩大传统温压成形 的应用范围和领域。金属粉末流动温压成形技术为高性能复杂精密零件的低成 本、 短流程的先进制造开辟新的发展方向，粉末冶金材料的成形加工技术将有望 得到拓展和深化。 发展方向 目前, 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等 方向发展。粉末冶金新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成 形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现。