粉末冶金是如何制作的呢？

2021-05-08 16:56

粉末冶金成型目的是將松散的（金屬，陶瓷，或其他材料）粉末在模具中通過壓力制成具有預(yù)定幾何形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的半成品，然后通過脫模得到半成品毛坯。

所以，粉末成型冶金就必須會(huì)用到模具。

粉末成形前一般要將金屬粉末進(jìn)行粉末預(yù)處理以符合成形的要求?；炝蠒r(shí)，一般須加入一定量的粉末成形添加劑。

粉末成形分粉末壓制成形和粉末特殊成形兩大類。

粉末壓制成形又稱粉末模壓成形，簡(jiǎn)稱壓制，它是粉末冶金生產(chǎn)中最早采用的成形方法。18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，俄國(guó)和英國(guó)就用鋼模壓制制造鉑制品。隨后，粉末壓制成形方法逐漸完善，用來壓制各種含油軸承、粉末冶金減摩制品、粉末)臺(tái)金機(jī)械結(jié)構(gòu)零件等的壓坯。20世紀(jì)30年代以來，粉末壓制成形得到更大發(fā)展，壓力機(jī)和模具設(shè)計(jì)等方面不斷改進(jìn)，能壓制形狀復(fù)雜零件，機(jī)械化和自動(dòng)化程度更高。

粉末特殊成形用于對(duì)坯塊的形狀、尺寸和密度等方面有特殊要求的場(chǎng)合。相繼出現(xiàn)的有粉末冷等靜壓成形、粉末軋制成形、粉末擠壓成形、粉漿澆注和粉末爆炸成形等。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)粉末噴射成形，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)金屬粉末注射成形，粉末注射成形在美國(guó)、日本發(fā)展非常迅速，它可以生產(chǎn)高精度、不規(guī)則形狀制品和薄壁零件。

模壓（鋼模）成形是粉末冶金生產(chǎn)中采用最廣的成形方法。18世紀(jì)下半葉和19世紀(jì)上半葉，西班牙、俄國(guó)和英國(guó)為制造鉑制品，都曾采用了相似的粉末冶金工藝。當(dāng)時(shí)俄國(guó)索博列夫斯基(П.Г.Соболевсκий)使用的是鋼模和螺旋壓機(jī)。英國(guó)的沃拉斯頓(W.H.Wollaston)使用壓力更大的拉桿式壓機(jī)和純度更高的鉑粉，制得了幾乎沒有殘余孔隙的致密鉑材。后來，模壓成形方法逐漸完善，并用來制造各種形狀的銅基含油軸承等產(chǎn)品。20世紀(jì)30年代以來，在粉末冶金零件的工業(yè)化生產(chǎn)過程中,壓機(jī)設(shè)備、模具設(shè)計(jì)等方面不斷改進(jìn),模壓成形方法得到了更大的發(fā)展，機(jī)械化和自動(dòng)化已達(dá)到較高的程度。為了擴(kuò)大制品的尺寸和形狀范圍，特別是為了提高制品密度和改善密度的均勻性相繼出現(xiàn)和發(fā)展了多種成形方法。早期出現(xiàn)的有粉末軋制、冷等靜壓制、擠壓、熱壓等；50年代以來又出現(xiàn)了熱等靜壓制、熱擠壓、熱鍛等熱成形方法。這些方法推動(dòng)了全致密、高性能粉末金屬材料的生產(chǎn)。
　　模壓成形將金屬粉末裝入鋼模型腔，通過模沖對(duì)粉末加壓使之成形。
　　模壓過程裝在模腔中的粉末由于顆粒間的摩擦和機(jī)械嚙合作用會(huì)產(chǎn)生所謂“拱橋”現(xiàn)象，形成許多大小不一的孔隙。加壓時(shí)，粉末體的體積被壓縮，其過程一般用壓坯相對(duì)密度-壓制壓力曲線表示（圖1）。在開始階段粉末顆粒相對(duì)移動(dòng)并重新分布，孔隙被填充，從而使壓坯密度急劇增加，達(dá)到最大裝填密度；這時(shí)粉末顆粒已被相互壓緊，故當(dāng)壓制壓力增大時(shí),壓坯密度幾乎不變,曲線呈現(xiàn)平坦。隨后繼續(xù)增加壓制壓力，粉末顆粒將發(fā)生彈、塑性變形或脆性斷裂，使壓坯進(jìn)一步致密化。由于顆粒間的機(jī)械嚙合和接觸面上的金屬原子間的引力，壓制后的粉末體成為具有一定強(qiáng)度的壓坯。有關(guān)粉末壓制理論，從1923年沃克(E.E.Walker)公布他的論點(diǎn)開始，已出現(xiàn)有數(shù)十種理論和經(jīng)驗(yàn)公式，其中阿吉(L.F.Athy，1930)、巴利申（Μ.Ю.Бальшин，1938）、川北公夫(1963)等人的公式有一定的實(shí)用意義；盡管如此，這些理論至今仍處于探索階段?！褐茐毫εc壓坯密度分布在模壓過程中壓制壓力主要消耗于以下兩部分：①克服粉末顆粒之間的摩擦力（稱為內(nèi)摩擦力）和粉末顆粒的變形抗力；②克服粉末顆粒對(duì)模壁的摩擦力(稱為外摩擦力)。由于外摩擦力的存在，模壓成形的壓坯密度分布實(shí)際上是不均勻的。例如單向壓制時(shí)，離施壓模沖頭較近的部分密度較高，較遠(yuǎn)的部分密度較低。在雙向壓制時(shí)（實(shí)際是兩個(gè)單向壓制的組合），壓坯沿壓力平行方向的兩端密度較高，中心部位較低。將潤(rùn)滑劑加入粉末中或涂于模壁上可改善壓坯密度的不均勻性。
　　彈性后效壓坯在除去壓力或脫模以后，由于內(nèi)應(yīng)力松弛，壓坯體積發(fā)生彈性膨脹，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。彈性后效是設(shè)計(jì)壓模的重要參數(shù)。
　　壓模和壓機(jī) 模壓成形的主要設(shè)備是壓模和壓機(jī)。壓模設(shè)計(jì)的原則是：充分發(fā)揮粉末冶金少切削和無(wú)切削的工藝特點(diǎn)，保證達(dá)到壓坯質(zhì)量的三項(xiàng)要求（即幾何形狀、尺寸精度和光潔度、密度的均勻性）；合理地選擇模具材料和壓模結(jié)構(gòu)，提出模具的加工要求。壓機(jī)分為機(jī)械壓機(jī)和液壓機(jī)兩類。機(jī)械壓機(jī)的特點(diǎn)是速度快，生產(chǎn)率高；其缺點(diǎn)是壓力較小,沖程短，沖壓不夠平穩(wěn),保壓困難，不適于壓制較大和較長(zhǎng)的制品。與機(jī)械壓機(jī)相比，液壓機(jī)（圖2）的特點(diǎn)是壓力大,行程長(zhǎng)，比較平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和保壓，適于壓制尺寸較大較長(zhǎng)的制品；其缺點(diǎn)是速度慢，生產(chǎn)率低?！釅菏且环N將模壓與燒結(jié)相結(jié)合的成形方法。因?yàn)榻饘俸秃辖鸱勰┰诟邷叵滤苄院?容易變形,所以熱壓制品通常比冷壓燒結(jié)制品更致密，強(qiáng)度也較高。熱壓可在大氣、保護(hù)氣氛或真實(shí)條件下進(jìn)行。加熱方式主要有三種：傳導(dǎo)、感應(yīng)和電阻加熱。制品的密度與熱壓溫度、壓力和時(shí)間有關(guān)。但是，當(dāng)熱壓溫度高到材料中出現(xiàn)液相時(shí),壓力就不能太大了。否則液相組分會(huì)被擠出,這不僅能引起材料成分的改變，而且會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞模具。熱壓只要配備有加熱系統(tǒng)的壓機(jī)和耐高溫的模具即可。常用的模具材料為石墨。由于熱壓所需要的壓力較小，產(chǎn)品致密，尺寸精確，因此常用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金軋輥、頂錘等大型零部件。熱壓還適用于生產(chǎn)燒結(jié)性很差的金屬陶瓷等材料。熱壓的缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，成本較模壓成形高。
　　等靜壓通過液體或氣體傳遞壓力使粉末體各向均勻受壓而實(shí)現(xiàn)致密化的方法，稱為等靜壓制，簡(jiǎn)稱等靜壓（見等靜壓加工）。等靜壓可分為冷等靜壓和熱等靜壓兩種。
　　冷等靜壓通常是將粉末密封在軟包套內(nèi)，然后放到高壓容器內(nèi)的液體介質(zhì)中，通過對(duì)液體施加壓力使粉末體各向均勻受壓，從而獲得所需要的壓坯。液體介質(zhì)可以是油、水或甘油。包套材料為橡膠之類的彈塑性材料。金屬粉末可直接裝套或模壓后裝套。由于粉末在包套內(nèi)各向均勻受壓,所以可獲得密度較均勻的壓坯,因而燒結(jié)時(shí)不易變形和開裂。其缺點(diǎn)是壓坯尺寸精度差，還要進(jìn)行機(jī)械加工。冷等靜壓已廣泛用于硬質(zhì)合金、難熔金屬及其他各種粉末材料的成形。
　　熱等靜壓這是50年代出現(xiàn)的新技術(shù)。將金屬粉末裝入高溫下易于變形的包套內(nèi)，然后置于可密閉的缸體中（內(nèi)壁配有加熱體的高壓容器），關(guān)嚴(yán)缸體后用壓縮機(jī)打入氣體并通電加熱。隨著溫度升高，缸內(nèi)氣體壓力增大。粉末在這種各向均勻的壓力和溫度的作用下成為具有一定形狀的制品。加壓介質(zhì)一般用氬氣。常用的包套材料為金屬（低碳鋼、不銹鋼、鈦），還可用玻璃和陶瓷。由于溫度和等靜壓力的同時(shí)作用，可使許多種難以成形的材料達(dá)到或接近理論密度，并且晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)均勻，各向同性和具有優(yōu)異的性能。熱等靜壓法最適宜于生產(chǎn)硬質(zhì)合金、粉末高溫合金、粉末高速鋼和金屬鈹?shù)炔牧虾椭破?；也可?duì)熔鑄制品進(jìn)行二次處理，消除氣孔和微裂紋；還可用來制造不同材質(zhì)緊密粘接的多層或復(fù)合材料與制品。
　　粉末鍛造將金屬粉末壓制成預(yù)成形坯，燒結(jié)后再加熱進(jìn)行鍛造（見模鍛），以減少甚至完全消除其中的殘余孔隙的方法,稱為粉末鍛造。其鍛造方式有三種:①熱復(fù)壓。預(yù)成形坯的形狀接近成品形狀，外徑略小于鍛模模腔內(nèi)徑。因?yàn)殄懺鞎r(shí)材料不發(fā)生橫向流動(dòng)，鍛件有0～2%的殘余孔隙度。②無(wú)飛邊鍛造。這種鍛造在限模中進(jìn)行，材料有橫向流動(dòng)，鍛件不產(chǎn)生飛邊。③閉模鍛造。預(yù)成形坯的形狀較簡(jiǎn)單，且外徑比鍛模內(nèi)徑小得多，鍛造時(shí)產(chǎn)生飛邊，是一種與常規(guī)鍛造相類似的方法。無(wú)飛邊鍛造和閉模鍛造常用于生產(chǎn)要求致密度很高的零件。預(yù)成形坯的設(shè)計(jì)和制造是粉末鍛造的關(guān)鍵步驟之一。此外，對(duì)于熱鍛預(yù)成形坯必須加以保護(hù)，以免氧化和脫落的氧化皮陷入鍛件中造成鍛造廢品。粉末鍛件的密度可達(dá)理論密度的98%以上。與常規(guī)鍛造相比，粉末鍛造的壓力小，溫度低，材料利用率高，工藝簡(jiǎn)單，尺寸精確；鍛件的性能可接近普通鍛件，而且方向性小。粉末鍛件廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、運(yùn)輸機(jī)械等方面。
　　粉末擠壓粉末擠壓的優(yōu)點(diǎn)在于擠壓件長(zhǎng)度尺寸不受限制，產(chǎn)品密度均勻，生產(chǎn)可連續(xù)進(jìn)行、效率高、靈活性大，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。粉末擠壓又分為金屬粉末直接擠壓和裝包套后熱擠壓兩種（見擠壓加工）。
　　直接擠壓將塑性良好的有機(jī)物和金屬粉末混合后，置入擠壓模具內(nèi)，在外力作用下使增塑粉末通過一定幾何形狀的擠壓嘴擠出，成為各種管材、棒材及其他異形的半成品。影響擠壓過程的主要因素是增塑劑的含量、預(yù)壓壓力、擠壓溫度和擠壓速度。
　　包套擠壓熱擠壓能把熱壓和熱塑性加工結(jié)合在一起，從而獲得全致密的優(yōu)質(zhì)材料；但為了防止粉末或壓坯氧化，需要將它們裝入包套內(nèi)進(jìn)行熱擠壓。包套的材質(zhì)必須滿足下列要求：包套材料在擠壓溫度下的剛性應(yīng)盡量接近被擠壓粉末，不與粉末發(fā)生反應(yīng)并可通過酸洗或機(jī)械加工的方法除掉。
　　粉末軋制將金屬粉末喂入一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥輥縫中，由于摩擦力的作用粉末被軋輥連續(xù)壓縮成形的方法。它是生產(chǎn)板帶狀粉末冶金材料的主要工藝。一般包括粉末直接軋制、粉末粘接軋制和粉末熱軋等。粉末軋制的特點(diǎn)是：能生產(chǎn)特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料，成材率高，工序少，設(shè)備投資小，生產(chǎn)成本低。
　　其他方法①松裝燒結(jié)。用于制造各種多孔材料和制品，如過濾器等。②粉漿澆注?？芍圃旄鞣N復(fù)雜形狀的制品，如管、坩堝、球形器皿及空心制品等。③高能高速成形和爆炸成形?？芍圃齑笮汀?fù)雜形狀制品，如渦輪葉片等。近年來用于成形激冷凝固粉末引起了普遍的重視。④軟模成形?？沙尚沃T如球體、圓錐體、多臺(tái)階體等各種普通壓制方法難以成形的壓坯。⑤楔形壓制。適用于制造環(huán)形長(zhǎng)制品和較厚的帶材。⑥放電成形。用于中、小型而且形狀復(fù)雜的制品成形。