粉末冶金工艺过程

2007-11-27 13:33

粉末冶金材料是指不经熔炼和铸造，直接用几种金属粉末或金属粉末与非金属 粉末，通过配制、压制成型，烧结和后处理等制成的材料。粉末冶金是金属冶 金工艺与陶瓷烧结工艺的结合，它通常要经过以下几个工艺过程：

、粉料制备与压制成型 常用机械粉碎、雾化、物理化学法制取粉末。制取的粉末经过筛分与混合，混

料均匀并加入适当的增塑剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和 机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。压力越大则制件密度越大， 强度相应增加。有时为减小压力合增加制件密度，也可采用热等静压成型的方 法。

将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为 基体金属熔点的2/3〜3/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化 物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合，提高了粉末冶金制 品的强度，并获得与一般合金相似的组织。经烧结后的制件中，仍然存在一些 微小的孔隙，属于多孔性材料。 三、后处理 一般情况下，烧结好的制件能够达到所需性能，可直接使用。但有时还需进行 必要的后处理。如精压处理，可提高制件的密度和尺寸形状精度；对铁基粉末 冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达到润滑或耐蚀目 的而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗入制件孔隙中去的熔渗 处理，可提高制件的强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。 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． （林里粉末）

粉末冶金是制取金属粉末，及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与 非金属粉末的混合物）制成材料和制品的工艺技术。它是冶金和材料科学的一 个分支学科。 粉末冶金制品的应用范围十分广泛，从普通机械制造到精密仪器；从五金工具 到大型机械；从电子工业到电机制造；从民用工业到军事工业；从一般技术到 尖端高技术，均能见到粉末冶金工艺的身影。

粉末冶金发展历史： 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方法实质上采用的就是 粉末冶金方法。而现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：

1、克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。 1909 年制造电灯钨丝，推动了粉末 冶金的发展； 1923 年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。

2、三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分 发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。

3、向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材 料，六十年代末至七十年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；利用粉 末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。 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。

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 C〜200C）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。烧结过程中制品显微组织的变化如图 7.1.3 所示。

2 粉末冶金工艺 2.1 粉末制备

金属粉末的制备方法分为两大类：机械法和物理化学法。还有新研制的机 械合金化法，汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决 定着粉末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。

2.2 粉末的预处理

粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。

1. 退火

粉末的预先退火可以使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末 的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。退火温度根 据金属粉末的种类而不同，通常为金属熔点的 0.5〜0.6K。通常，电解铜粉的 退火温度约为300，电解铁粉或电解镍粉的约为700C，不能超过900C。退火 一般用还原性气氛，有时也用真空或惰性气氛。

2. 分级

将粉末按粒度大小分成若干级的过程。分级使配料时易于控制粉末的粒度 和粒度分布，以适应成形工艺要求，常用标准筛网筛分进行分级。

3. 混合

指将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。混合基本上有两种方 法：机械法和化学法，广泛应用的是机械法，将粉末或混合料机械的掺和均匀 而不发生化学反应。机械法混料又可分为干混和湿混，铁基等制品生产中广泛 采用干混；制备硬质合金混合料则常使用湿混。湿混时常用的液体介质为酒精 、汽油、丙酮、水等。化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液 均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和 还原等处理而得到均匀分布的混合物。

常需加入的添加剂，用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂 （ 汽油 、橡胶溶液、石蜡等 ） ，用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的润滑剂 （ 硬质酸 锌、二硫化钼等 ） 。

4. 制粒

将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。常 用的制粒设备有振动筛、滚筒制粒机、圆盘制粒机等。

2.3 成形

成形是将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程。常用的成形方法有模 压、轧制、挤压、等静压、松装烧结成形、粉浆浇注和爆炸成形等。

1. 模压

即粉末料在压模内压制。室温压制时一般需要约 1吨/厘米 2以上的压力， 压制压力过大时，影响加压工具；并且有时坯体发生层状裂纹、伤痕和缺陷等 。压制压力的最大限度为 12—15 吨／厘米 2。超过极限强度后，粉末颗粒发生 粉碎性破坏。

图 7.2.1 常用的模压方法

1、 8—固定模冲 2、 6—固定阴模 3—粉末 4、5、7、10—运动模冲

9—浮动阴模

常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。⑴单向压制

即固定阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制的方法 ，如图 7.2.1(a) 所示。单向压制模具简单，操作方便，生产效率高，但压制时 受摩擦力的影响，制品密度不均匀，适宜压制高度或厚度较小的制品。

⑵双向压制

阴模中粉末在相向运动的模冲之间进行压制的方法，如图 7.2.1(b) 所示。 双向压制比较适宜高度或厚度较大的制品。双向压制压坯的密度较单向压制均 匀，但双向同时加压时，压坯厚度的中间部分密度较低。

⑶浮动压制

浮动阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制，如图 7.

2.1(c) 。阴模由弹簧支承，处于浮动状态，开始加压时，由于粉末与阴模壁间 摩擦力小于弹簧支承力，只有上模冲向下移动；随着压力增大，当二者的摩擦 力大于弹簧支承力时，阴模与上模冲一起下行，与下模冲间产生相对移动，使 单向压制转变为压坯的双向受压，而且压坯双向不同时受压，这样压坯的密度 更均匀。

［编辑本段］

一、概述

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。由于粉 末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重 的作用。

粉末冶金现状和发展前景。

我国粉末冶金行业已经经过了近 10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以 下几方面的差距：（1）企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。 企业相互压价，竞争异常激烈。

（2）产品交叉，

（3）多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次

低，难以与国外竞争。 （4）再投入缺乏与困扰。（5）工艺装备、配套设施落后。 （6）产品 出口少，贸易渠道不畅。

随着我国加入 WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入

WTO后,

市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术 的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。 ［编辑本段］

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。 ［编辑本段］

三、 粉末冶金材料的应用与分类

（1） 应用：（汽车、摩托车、纺织机械、工业缝纫机、电动工具、五金工具 电器•工程机械）等各种粉末冶金（铁铜基）零件。

（2） 分类：粉末冶金多孔材料、粉末冶金减摩材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶 金结构零件、粉末冶金工模具材料、和粉末冶金电磁材料和粉末冶金高温材料等。 ［编辑本段］

四、 粉末冶金子工艺

等静压成型粉末冶金 金属喷射成型粉末冶金 粉末锻造粉末冶金 压力烧结粉末冶金

［编辑本段］

五、 粉末冶金产业发展前景

近年来，通过不断引进国外先进技术与自主开发创新相结合，中国粉末冶金产业和 技术都呈现出高速发展的态势，是中国机械通用零部件行业中增长最快的行业之一，每 年全国粉末冶金行业的产值以 35%的速度递增。

全球制造业正加速向中国转移，汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器 仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来 了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。另外，粉末冶金产业被中国列入优先发展和 鼓励外商投资项目，发展前景广阔。