1、粉末冶金和陶瓷的制备材料加工工程材料加工工程 在前面的章节中，所涉及到的都是液态或固态材料，本章在前面的章节中，所涉及到的都是液态或固态材料，本章所要讨论的则是粉末材料。粉末冶金所要讨论的则是粉末材料。粉末冶金( (Powder Metallurgy，P/M)P/M)是材料加工工程学科的一个分支，是制取金属粉末或以金是材料加工工程学科的一个分支，是制取金属粉末或以金属粉末属粉末( (或金属粉末与非金属粉末的混合物或金属粉末与非金属粉末的混合物) )为原料，经成形和为原料，经成形和烧结，制成各种金属或金属烧结，制成各种金属或金属非金属材料和制品的工艺技术。非金属材料和制品的工艺技术。粉末冶金与陶
2、瓷生产有许多相似之处。因此也被称为金属陶瓷粉末冶金与陶瓷生产有许多相似之处。因此也被称为金属陶瓷法。粉末冶金材料或制品的生产工艺流程见图法。粉末冶金材料或制品的生产工艺流程见图1 1。 图图1 1 粉末冶金材料或制品的工艺流程粉末冶金材料或制品的工艺流程 4粉末制备粉末制备坯料制备坯料制备成型成型干燥干燥烧结烧结后处理后处理热压或热等静压烧结热压或热等静压烧结成品成品粉末冶金的生产过程主要包括粉末的制取、成形和烧结。粉末冶金的生产过程主要包括粉末的制取、成形和烧结。粉末冶金的生产过程粉末冶金的生产过程示意图粉末冶金的生产过程1 1、 金属粉末的制取和准备金属粉末的制取和准备 粉末冶金所用的原料
3、粉可能是一种，也可能是数种粉末冶金所用的原料粉可能是一种，也可能是数种。即使是一种粉料，为了保证压坯的质量，可能需要。即使是一种粉料，为了保证压坯的质量，可能需要多种不同粒度的粉末均匀混合。由于产品最终性能的多种不同粒度的粉末均匀混合。由于产品最终性能的需要或成形过程的要求，上述粉末原料在成形之前都需要或成形过程的要求，上述粉末原料在成形之前都要经过一些预处理。预处理包括粉末退火，筛分、混要经过一些预处理。预处理包括粉末退火，筛分、混合、制粒、加润滑剂等。合、制粒、加润滑剂等。6粉末冶金的生产过程2 2、成形、成形成形分成形分和和两大类。两大类。特殊成形方法，比如，等静压成形，连续成形，特殊成
4、形方法，比如，等静压成形，连续成形，无压成形，高能成形等。无压成形，高能成形等。模压成形就是将预处理良好的粉末按一定量模压成形就是将预处理良好的粉末按一定量(体积或重量体积或重量)装入精密模具，用压装入精密模具，用压力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。在压制过程中，粉末与粉末、粉末在压制过程中，粉末与粉末、粉末与模壁之间摩擦的存在，造成了压与模壁之间摩擦的存在，造成了压力分布的不均匀，因而使得压坯各力分布的不均匀，因而使得压坯各部分的密度和强度分布也不均匀。部分的密度和强度分布也不均匀。模压成形因受压机能力和压模设计模压成形因受压机能力和压模设计的限制，压坯的尺
5、寸较小，单重较的限制，压坯的尺寸较小，单重较轻，形状也较简单。轻，形状也较简单。在以上诸多成在以上诸多成形方法中，模形方法中，模压成形仍然占压成形仍然占主导地位。主导地位。粉末冶金的生产过程3 3、烧结、烧结 成形后的粉末毛坯还不具备应有的物理、机械性能，还不能直接使用。粉末毛坯必成形后的粉末毛坯还不具备应有的物理、机械性能，还不能直接使用。粉末毛坯必须在适当的温度和气氛中受热，发生一系列物理和化学的变化，使粉末颗粒的聚集须在适当的温度和气氛中受热，发生一系列物理和化学的变化，使粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚集体，从而获得所需的物理、机械性能，成为可用的制品或材料体变成为晶粒的聚集体，从而获得
6、所需的物理、机械性能，成为可用的制品或材料。这个过程称之为。这个过程称之为。烧结对最终产品的性能起着决定性的作用，是粉末冶金生。烧结对最终产品的性能起着决定性的作用，是粉末冶金生产过程中最重要的工序之一。产过程中最重要的工序之一。 烧结温度约为主成分熔点的烧结温度约为主成分熔点的2/32/3。保护气氛可用氢气等还原性气体，氨气、园气等。保护气氛可用氢气等还原性气体，氨气、园气等惰性气体或者在真空中进行烧结。惰性气体或者在真空中进行烧结。8粉末冶金的生产过程4 4、 后处理后处理 经过烧结后，大部分制品已可使用。但对一些尺寸精度要求严格经过烧结后，大部分制品已可使用。但对一些尺寸精度要求严格，或
7、对使用性能有特殊要求的制品还需进行后处理。后处理有多种，或对使用性能有特殊要求的制品还需进行后处理。后处理有多种方式，如精整、浸油、机加工、热处理和电镀等。锻造也可用来对方式，如精整、浸油、机加工、热处理和电镀等。锻造也可用来对粉末冶金制品进行后处理。粉末冶金制品进行后处理。 粉末冶金的技术经济特点1) 1) 能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料 能控制制品的孔隙度，生产多孔材料能控制制品的孔隙度，生产多孔材料。适当地选择和控制粉末粒。适当地选择和控制粉末粒度、压制压力、烧结温度和时间等参数，或在原料粉中预先混入一度、压制压力、烧结温度和
8、时间等参数，或在原料粉中预先混入一定量低熔点金属粉末或在低温下易挥发的有机物粉末，即能得到质定量低熔点金属粉末或在低温下易挥发的有机物粉末，即能得到质量均匀的多孔材料。这种多孔材料可用作含油轴承，广泛地应用在量均匀的多孔材料。这种多孔材料可用作含油轴承，广泛地应用在汽车、家庭电动设备等方面。汽车、家庭电动设备等方面。 使互不相溶的金属使互不相溶的金属金属或金属金属或金属非金属组合成具有特殊性能的材非金属组合成具有特殊性能的材料。料。例如铜例如铜石墨、银石墨、银石墨电刷材料，钨石墨电刷材料，钨铜假合金型电触头材料铜假合金型电触头材料等。等。 能生产各种复合材料。能生产各种复合材料。例如，由难熔化
9、合物和金属组成的硬质合例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。 2) 2) 生产出的材料性能更优越生产出的材料性能更优越 高合金粉末冶金材料，高合金粉末冶金材料，如粉末高速钢、粉末超合金材料，可避免成分偏析，组如粉末高速钢、粉末超合金材料，可避免成分偏析，组织均匀，晶粒细小，性能稳定，因而热加工性能也大为改善。织均匀，晶粒细小，性能稳定，因而热加工性能也大为改善。 可生产难熔金属材料或制品。可生产难熔金属材料或制品。现代科学技术虽已发展到很高水平，但材料如果现代科学技术虽已发展到很高水平，但材料
10、如果熔点过高，在工业上熔化仍有困难。目前，适于熔炼法生产的金属熔点约在熔点过高，在工业上熔化仍有困难。目前，适于熔炼法生产的金属熔点约在20002000以下，金属及碳化物一般均须依靠粉末冶金法制取。最近，等离子喷射法以下，金属及碳化物一般均须依靠粉末冶金法制取。最近，等离子喷射法可以得到可以得到1000010000以上的高温，使难熔金属的熔化成为可能。但是，与熔液不起化以上的高温，使难熔金属的熔化成为可能。但是，与熔液不起化学反应，而自身也不熔化的耐火材料容器尚未制成，因而熔炼法制取难熔金属还学反应，而自身也不熔化的耐火材料容器尚未制成，因而熔炼法制取难熔金属还存在许多困难。存在许多困难。粉末
11、冶金法可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的制品，因粉末冶金法可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的制品，因而不需要或只需很少的切削加工，而不需要或只需很少的切削加工，可节约金属材料，提高劳动生产率。可节约金属材料，提高劳动生产率。 粉末冶金的技术经济特点11事物总是一分为二的，粉末冶金作为一种先进的工艺技术在应事物总是一分为二的，粉末冶金作为一种先进的工艺技术在应用上也存在一些不足之处。例如，粉末的成本较高，粉末冶金用上也存在一些不足之处。例如，粉末的成本较高，粉末冶金制品的尺寸和形状也受到限制等。随着粉末冶金技术以及相关制品的尺寸和形状也受到限制等。随着粉末冶金
12、技术以及相关技术的发展，这些不足正在逐步解决。粉末冶金必将在国民经技术的发展，这些不足正在逐步解决。粉末冶金必将在国民经济的发展中发挥愈来愈大的作用。济的发展中发挥愈来愈大的作用。粉末冶金的技术经济特点金属粉末的生产方法生产方法生产方法简要说明简要说明应用范围应用范围 机机械械法法固固体体粉粉碎碎球球磨磨通过滚动或振动筒的运动，通过滚动或振动筒的运动，使球撞击物料，粉碎成粉末使球撞击物料，粉碎成粉末脆性金属及合金脆性金属及合金 研研磨磨用气流或液流，带动物料颗用气流或液流，带动物料颗粒相互碰撞摩擦而成粉末粒相互碰撞摩擦而成粉末脆性、韧性金属丝或小脆性、韧性金属丝或小块边角余料块边角余料液液体体
13、粉粉碎碎雾雾化化法法用高压气体、高压液体或高用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将熔融金属速旋转的叶片，将熔融金属打散成雾状液滴，冷却后成打散成雾状液滴，冷却后成粉末粉末较低熔点的金属较低熔点的金属 物物理理化化学学法法还原法还原法用还原剂还原金属氧化物或用还原剂还原金属氧化物或盐类，使其成为粉末盐类，使其成为粉末金属氧化物或卤族化合金属氧化物或卤族化合物物电解法电解法在溶液或熔盐中，通入直流在溶液或熔盐中，通入直流电，使金属离子重新获得外电，使金属离子重新获得外层电子，变成金属粉末层电子，变成金属粉末金属盐类金属盐类热离解法热离解法金属与金属与CO,H2CO,H2或或HgHg作用作用, ,
14、生生成 化 合 物成 化 合 物, , 加 热 后 分 解 出加 热 后 分 解 出CO,H2CO,H2或或Hg,Hg,制得金属粉末制得金属粉末能与能与COCO，H2H2或或HgHg生成生成化合物的金属化合物的金属化学置换法化学置换法用活性用活性( (负电性负电性) )大的金属，大的金属，置换活性小的金属离子制得置换活性小的金属离子制得粉末粉末较贵重的金属较贵重的金属颗粒形状与粉末生产方法的关系 颗粒颗粒形状形状粉末生产方法粉末生产方法颗粒形状颗粒形状粉末生产方法粉末生产方法球球 形形气相沉积气相沉积, ,液相沉液相沉淀淀树枝状树枝状水溶液电解水溶液电解近球形近球形气体雾化气体雾化, ,置换置
15、换( (溶溶液液) )不规则形不规则形水雾化水雾化, ,机械粉碎机械粉碎, ,化学化学沉淀沉淀多角形多角形机械粉碎机械粉碎多孔海绵多孔海绵状状金属氧化物还原金属氧化物还原片片 状状塑性金属机械研塑性金属机械研磨磨碟碟 状状金属旋涡研磨金属旋涡研磨14粉末的制取及特征粉末的形状和结构粉末的形状和结构粉末颗粒的形状直接影响粉末的流动性、松装密度、粉末颗粒的形状直接影响粉末的流动性、松装密度、透气性、压制性及烧结强度等制粉工艺对粉末颗粒的透气性、压制性及烧结强度等制粉工艺对粉末颗粒的晶体结构起主要作用。一般情况下，粉末颗粒为多晶晶体结构起主要作用。一般情况下，粉末颗粒为多晶体结构。晶粒内存在亚结构，
16、同时晶体还存在严重的体结构。晶粒内存在亚结构，同时晶体还存在严重的不完整性，如空隙、畸变、夹杂等，晶粒内部往往含不完整性，如空隙、畸变、夹杂等，晶粒内部往往含有较高的空位浓度和位错密度。有较高的空位浓度和位错密度。粉末压制（a）金属粉末压制成形轴衬；（）金属粉末压制成形轴衬；（b）压制成形一个正齿轮的典型模具）压制成形一个正齿轮的典型模具粉末料在模具中经压制成为一定形状成形体的过程。模具中的密度变化不同模具中金属粉末压制过程中密度的变化: (a) 和(c) 单动压力机; (b) 和 (d) 双动压力机. 注意在 (d)中两个凸模的独立运动带来了比c）更均匀的密度。 (e)在单动压力机上 压制铜
17、粉末时的等压线。等静压成型等静压成型是将待压制试样置于高压容器中，利用等静压成型是将待压制试样置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压的一种成型方法。各个方向对试样进行均匀加压的一种成型方法。热等静压冷等静压18冷等静压管状零件冷等静压原理图管状零件冷等静压原理图19热等静压热等静压工艺原理热等静压工艺原理压力和温度按图随时间变化压力和温度按图随时间变化其它成型方式粉末轧制粉末冶金制品的轧制成性属于连续成型过程。金属粉末由供料装置不断送入转动方向相反且处于同一平面的两个轧辊之间的缝隙，通过轧辊的压力将
18、其压实成连续的坯料。轧制成型的粉末冶金制品通常是截面形状较为简单的带状或板状。粉末轧制成型示意图烧结各种金属粉末的烧结温度和时间烧结金属粉末的两种烧结机理金属粉末的两种烧结机理 (a) (a) 固态传输机理固态传输机理; (b) ; (b) 液态传输机理；液态传输机理；R R粒子半径粒子半径, , r r 内颈半径，内颈半径，r r外颈半径外颈半径23粉末冶金的设计考虑设计原则：1. 压制的形状必须尽可能的简单均匀。尖锐的轮廓、过薄的截面、厚度的变化和高的长径比应该避免。2. 必须提供从模具中退出压实坯件而不损坏坯件的通路；例如，孔洞或凹壁应与推出机构的行程平行。还应设计斜度，以避免沿压实件的
19、边缘和拐角形成碎屑。3. 与大多数其它加工工艺一样，为了提高工具和模具寿命及降低生产成本，粉末冶金零件也应该在满足其应用要求的前提下有尽可能大的尺寸公差。4. 粉末冶金烧结零件的尺寸公差通常控制在0.005-0.1mm；通过附加工艺如，机加工、磨削等可以大幅度提高尺寸精度。粉末冶金技术的发展趋势( (l) l) 具有代表性的铁基合金，其大体积的精密制品，高质量的结具有代表性的铁基合金，其大体积的精密制品，高质量的结构零部件。构零部件。(2) (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。能合金。 (3) (3) 用增强致
20、密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。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) (4) 非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。 (5) (5) 加工独特的和非一般形状或成分的复合零部件加工独特的和非一般形状或成分的复合零部件 陶瓷的制备2526原料原料粘土粘土生产过程生产过程粘粘土土混混合合成成型型干干燥燥烧烧结结成成品品冷冷却却陶瓷成形2728陶瓷成形陶瓷成形工艺特点工艺（工艺（Process）优势（优势（Advantages）局限（局限（Limitations）注浆成型法大型零件，复杂形状，低设备成本低生产率，尺寸精度限制.挤
21、压法可生产中空形状以及小直径零件；高生产效率。 零件具有恒定的截面积，厚度受到限制。干压法精度高，自动化控制生产效率高。在长径比大的零件上密度变化；模具需要高耐磨性；设备成本高。湿压法形状复杂，高生产率。 零件的尺寸和尺寸精度受到限制；工具成本可能高。热压成形硬度高，密度大的零件。 需要保护气体，模具寿命短。等静压制均匀的密度分布. 设备可能昂贵.旋坯成形自动化控制生产率高；工具成本低。局限于轴对称零件；尺寸精度受限制。喷射造型法形状复杂，高生产率。设备可能昂贵.许多技术都可以将陶瓷成形为有用的产品。29陶瓷成形1. 粉浆浇注粉浆浇注成形陶瓷零件的过程。将陶瓷或金属粉末分散在液态介质中制成悬浮
22、液，是指具有良好的流动性。将此悬浮液注入一定形状的模腔中，通过模具的吸水作用使悬浮液固化，制得具有一定形状的 生坯。石膏模注浆出浆修坯铸件30陶瓷成形2.热压铸成形热压铸成形将瓷料和熔化的蜡类黏结剂，经搅拌混合均匀，倒入热压铸机，用压缩空气把加热熔化的料浆压入金属模腔，使料浆在模具内凝固成型。此法优点是：操作简便，可成型各种形状复杂的制品，生坯的强度高、表面光洁度好，模具磨损小，劳动生产率较高，但坯件致密度较低，烧成前需要有脱蜡工序，对致密度要求高的制品常难满足要求。 塑性成形(a) Extruding and (b) jiggering operations. Source: R. F. S
23、toops.包括：挤压、喷射成形，旋坯成形等32坯体干燥与陶瓷烧成1、坯体干燥 采用注浆法成形的泥浆，含水率一般在30%-35%，呈流动状态；用塑性成形的泥料，含水率为15%-26.7%，呈可塑状态；即使干压或半干压的制品，其含水量也为0.1%-8%。 干燥过程主要是除去坯体内部水分，赋予坯体一定的干燥强度，使坯体能够以一定的强度适应运输、修坯、粘接及施釉等加工工序的要求，同时避免在烧结时由于水分大量汽化而带来的能量损失和各种缺陷。陶瓷坯体的干燥，古老的方法是采用借助大气的温度和空气的流动来排除水分的自然干燥法，后来发展到人工干燥。包括利用热空气干燥；将坯体两端加上电压利用电阻热的工频点干燥；将高频、微波和红外等电磁波辐射到湿坯上的辐射干燥等。33坯体干燥与陶瓷烧成2、陶瓷烧成 干燥后的陶瓷坯体被称为生坯。在一定条件下，对生坯进行热处理，经过一系列物理化学变化，得到具有一定矿物组成和显微结构，达到所要求的理化性能指标的成坯过程称为烧结。 陶瓷生产中最常采用的是在大气条件下、在窑炉中烧成。
