粉末冶金技术

粉末冶金研究研究院教学视频 第一部分 粉末冶金技术 现代粉末冶金是从 1909 年制造电灯钨丝开始的，本世纪 20 年代，用粉末冶 金方法生产了硬质合金刀片，到了 30 年代后，又相继开发了具有优异性能和巨 大技术经济效益的粉末冶金机械零件，现在，粉末冶金已经在国内外形成了独立 的工业体系。 图 1－1 用于电灯的钨丝 下面结合粉末冶金汽车零件的生产实际，介绍粉末冶金的生产 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 过程、典 型零件的制造特点和它们在机械零件中的应用发展概况。 第一、粉末冶金工艺过程 首先来了解粉末冶金的生产工艺过程，所谓粉末冶金是用金属粉末或金属粉 末和非金属粉末的混合物作原料，经成型和烧结，制成各种类型的金属制品和金 属材料的方法。 概括来说，其工艺过程构成了粉末混合、压制和烧结三部曲。 图 1－2 粉末冶金工艺流程图 混料仓库存放着来自不同厂家的各种粉末，有铁粉、铜粉等金属粉末，也有 石墨、陶瓷等非金属粉末，这些原料粉末通常用金属粉碎、球磨、金属氧化物还 原、或以高速液体、气体作用于金属液流，使其碎化等方法制取。 首先要按一定配比称量物料，比如要生产一种铜基石墨含有轴承，100 公斤 料中要配 1.5 公斤石墨，其余为铜粉，另加 0.3％的硫粉和 1％的硬脂酸锌，混料 配备好后，即可送入混料器中混合，有些混合料不仅要求在混合器中混合，还要 进一步磨细并过筛，生产硬质合金时，就有这种要求，在混合中研磨时，还需要 加入一定量的酒精或其它溶剂，这种混合研磨方式称为湿磨，通常在球磨机中进 行，混料混合好后，要进行技术检验，合格后，才能送入下一道工序。 图 1－3 粉末混料机 其次是压制成型，压制成型的目的是使混合好的松散粉末集合体，通过模具 内的定型压制，变成一件件比较密实、而具有一定形状、尺寸、强度和孔隙度的 压坯。 压制在相应的模腔内进行，模具由上、下模和芯棒构成，压制所用设备是粉 末冶金专用液压机或万能液压机，这里正在按照一台粉末冶金常用的四柱万能液 压机。液压机顶部设有装料桶，从料筒中送入混好的混料，混料沿输送导管进入 滤斗，混料自滤斗内流入模腔，滤斗向前推移，既平整了模腔上 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的混料，又 推出了已脱模出来的压坯，这种依靠模腔容积称量粉末的方法，叫做容积称量法。 一般情况下，每台压机上配备了一台天平，需要对压坯进行重量抽查和尺寸测量。 压坯是粉末冶金生产的半成品，在进入下道工序前要把关检查，清除废品。压制 中出现的废品主要是尺寸不合格、密度不符，掉边、掉角和分层开裂。 图 1－4 压制用试验机 第三道工序是烧结，烧结是粉末或粉末压坯受热，并在炉内气氛作用下索发 生的物理化学过程。其结果是使粉末颗粒之间粘结，使烧结体强度、密度提高， 从工业上看，烧结又可以视为一种热处理，通过加热、保温和适当速度的冷却， 使粉末颗粒聚集体发生相变而成晶粒聚集体，能过满足不同的性能要求。烧结自 压坯装舟开始，压坯装舟时，要根据压坯形状、大小的不同，有规则的装入方形 铁盒内，盖上盖子，用泥封舟，防止烧结时氧化。 烧结温度与压坯组分有关，铁制品的烧结温度为 1000～1200℃，钨钴硬质 合金烧结温度为 1380～1490℃，铜制品为 700～900℃。 烧结通常在保护性气氛或真空中进行，以进一步防止压坯氧化，并使原有氧 化物还原。保护性气氛包括以氢气或煤气等还原性气氛，以氩、氦为代表的惰性 气体，也可以用木炭、焦炭或煤等固体介质。 烧结分为固相烧结和液相烧结，这是组份不互溶而形成两相烧结体的形成示 意图，这是形成两相或单相组织的液相烧结过程，这里用的烧结炉多数是推舟式 连续烧结炉，压坯一舟一舟的自动推入或推出，这是在烧结后自动出炉，产品烧 结前后表面颜色和内部结构都不一样，对于硬质合金一般在真空炉中烧结，粉末 冶金产品经历混合，压制和烧结三部曲后，还要根据产品组分和性能的不同进行 整形和浸油等随后处理， 图 1－5 真空烧结炉 第二、典型粉末冶金制品的生产特征 下面了解几种典型粉末冶金制品的生产特征，先看看含油轴承，含油轴承又 称为含油衬套，是一种最常见的减摩材料，它们既要又高的耐磨性，又要有好的 减摩性，粉末冶金含油轴承有两种，一种是铁－石墨型，一种是铜基石墨型，它 们之所以具有高的耐磨性和减摩性，主要归功于石墨，当石墨吸油后，可形成胶 状石墨油膜，在负荷小和转速低的条件下，石墨油膜可长期保持润滑作用，含油 轴承应用很广，普通机械中用铁－石墨型最多。浸油一般在真空中进行，对铁－ 石墨型含油轴承要在浸油中加入防锈剂。 图 1－6 粉末冶金含油轴承 再看看粉末冶金结构零件，铁基粉末冶金制品又称烧结钢，最典型的零件要 算齿轮，其特点是精度高，形状复杂，精巧，不用或少用切削加工，广泛用于汽 车工业，为了提高产品强度和烧结密度，提高冲击韧性，在烧结后还要进行复压、 复烧、热处理、整形，以提高尺寸精度和表明质量。 粉末冶金有色金属结构零件，常用于仪器仪表的制造，具有耐腐蚀，耐磨等 优点，用得最广的还是铜基合金。 图 1－7 粉末冶金结构零件 第三类粉末冶金制品是摩擦元件，即通常称呼的摩擦片。汽车、飞机上用的 刹车片，以及离合器片均属于此类，对于摩擦片材质，要求摩擦系数大，耐磨性 高，抗氧化性好，有一定的强度，良好的导热性，粉末冶金摩擦片能满足要求。 摩擦片主要供运动装置作制动用。 粉末冶金摩擦材料的生产应用特点：在于充分利用金属和非金属组合物的性 能优势，既利用金属组分构成基体骨架，强化了基体作用，又利用了非金属组分， 比如石墨的润滑作用，石棉的耐热作用，利用了诸如二氧化硅、碳化硅等化合物 组分的高摩擦系数的强力作用。 图 1－8 粉末冶金摩擦片 至于硬质合金，迄今唯一的生产方法就是粉末冶金，硬质合金为什么会那么 硬？那么耐磨呢？这是因为使用了象碳化钨、碳化钛等难熔金属碳化物作为基体 骨架，同时，钴作为粘结金属，使合金具有一定的使用强度，硬质合金的生产特 点，一是混料混合是在球磨机中采用酒精湿磨，防止粉料氧化，二是压坯前在混 合料中需加入适当的橡胶、石蜡的汽油溶剂，可以提高压制时的成型能力，三是 烧结属于液相烧结，是金属钴元素熔化的烧结过程，四是烧结炉内气氛除用氢气 外，也可用分解氨，但以真空烧结为好。 图 1－9 硬质合金产品 粉末冶金还可以用于生产多孔材料、电池材料和耐高温材料等。例如铜质多 孔材料，内部孔隙多且连通，无论是水还是气体都可以从侧壁中溢出。 图 1－10 粉末冶金多孔材料 第三、粉末冶金应用发展概况 前面我们了解了粉末冶金的生产过程和典型制品的生产特点，最后再来归纳 一下粉末冶金在机械制造中的应用发展概况。 一、用于大批量生产精密零件 粉末冶金是用于大批量生产精密零件。这是因为粉末冶金生产过程中，从混 料配方、定量压制，到各种工艺 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ，都可以宏观精确控制，使零件足以获得高 的精度，凡经复压、复烧、精整的零件，尺寸精度可达 6～5 级，犹如小型的粉 冶零件上万只，甚至上 10 万只，其尺寸偏差可控制在 0.02mm 以内。 二、用于复杂而难加工的零件。 对于大量形状复杂、尺寸小而难以加工的零件，用粉末冶金方法容易加工成 型，例如对于一件组合烧结件，它是先将齿轮、列轮等烧结好，然后套在中心套 管上复烧，乃至形成不可分割的整体。 三、节约原料，单件能耗少。 粉末冶金节约原材料、节约能源，在所有加工工艺中，粉末冶金的材料利用 率最高，达 95％。能耗只为机加工的一半。 四、开辟了研制新材料和新产品的新途径 粉末冶金工艺能够根据零件的使用要求和材质性能，重新 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 材料成分和配 方，可获得其它常规工艺无法获得的组织结构和优异性能，从而加大了创造各种 新材料的可能。粉末冶金油泵零件使用寿命比钢材加工件高，粘合性好，泵油量 提高 12％～24％。 五、提高了模具寿命、加工质量和加工效率。 粉末冶金工具材料为提高机械加工质量，加工效率创造了良好条件。 例如粉末冶金刀盘，刀头全是硬质合金刀片，加工质量好，加工效率高。可以肯 定硬质合金的出现引起机械加工的飞跃发展，满足了切削加工自动化和精密化的 需要，特别是当以碳化钛为基，用不锈钢和合金钢作粘结剂的钢结硬质合金发明 之后，在跟随机械加工和热处理，很适宜做磨垫材料、耐磨和耐腐蚀材料。这使 工作寿命大幅提高。 目前，金属陶瓷和金刚石工具已采用粉末冶金方法生产出来，其硬度和切削 寿命比硬质合金有了进一步提高。 总之，从 60 年代开始，粉末冶金的研究和生产取得了重大进展，其发展速 度明显超过机械加工工业和冶金工业，在新技术、新工艺、新材料不断涌现和开 拓的发展过程中，我们应对粉末冶金技术予以足够的重视。 第二部分 金属材料的硬度测试 1、硬度试验的概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一 种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬的数量概念。由于在金属表面以下不同 深度的材料承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合的反映压 痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。 硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料所产生的塑性变形就越困 难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标σb及塑性指标Ψ和δ）之间有着 一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性 能以及寿命具有决定性的意义。 硬度的试验方法有很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入 法又可以分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特征是： 1. 试验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不 论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。 2. 金属的硬度与强度指标之间存在如下近似的关系：σb＝K·HB , 式中：σb －－－材料的抗拉强度值； HB－－－布氏硬度值； K－－－系数； 退火状态的碳钢 K＝0.34～0.36 合金调质钢 K＝0.33～0.35 有色金属合金 K＝0.33～0.53 3. 硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常情 况下，当硬度值越高，这些性能也就越好。在机械零件设计图纸上对性能的技术 要求，往往只是标注硬度值，其原因就在于此。 4. 硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕，并不损坏零 件，因而适合于成品检验。 5. 设备简单，操作迅速方便。 实验目的：主要是了解硬度测定的基本原理及应用范围；布氏、洛氏硬度试 验机的主要结构和操作方法。 实验设备：HB－3000 型布氏硬度试验机和 H－100 型洛氏硬度试验机以及相 关的读数放大镜等仪器。 试样：Ф20×10 毫米的 45 钢的淬火和调质状态，Ф20×10 毫米的硬铝。 下图 2-1 和图 2-2 分别是 HB－3000 型布氏硬度试验机、H－100 型洛氏硬 度试验机的实物图。 图 2-1 HB－3000 型布氏硬度试验机 图 2-2 H－100 型洛氏硬度试验机 2、注意事项 1. 试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以 免影响测试。 2. 圆柱型试样应放在带有“V”型槽的工作台上操作，以免试样滚动。 3. 加载时应细心操作，以免损坏压头。 4. 加预载荷（10kgf）时，若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检 查原因。 5. 测定硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。 6. 金刚钻压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或 其它物体碰撞。 7. 应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过 使用范围将不能获得准确的硬度值。 3 布氏硬度原理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属的表 面（如图 2－3）保持一定的时间，然后卸载，根据钢球在金属表面上所压出的 凹痕面积F凹求出平均应力值，以此为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。 3.1、布氏硬度试验原理 图 2－3 原理示意图 其计算公式如下： HB ＝ P/F凹 （式 2－1） 其中： HB －布氏硬度值 P － 载荷（kgf）；（1kgf＝9.8N） F凹 －压痕面积（mm2） 根据压痕面积和球面之比等于压痕深度 h和钢球直径之比的几何关系，可以 知道压痕部分的球面积为： F凹 ＝ πDh （式 2－2） 式中： D － 钢球直径（mm） h － 压痕深度（mm） 由于测量压痕直径 d要比测量压痕深度 h容易，故可以将（式 2－2）式中 的 h改变为 d来表示，这可以根据图 2－3中的△Oab 的关系求出： （式 2－3） 将（式 2－2）和（式 2－3）代入（式 2－1）即得： （式 2－ 4） 式中只有 d是变数，故只需要测出压痕直径 d，根据已知 D和 P值就可以计 算出 HB值。在实际测量时，可由测出压痕直径 d直接查表得到 HB 值。 由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如 3000kgf）和钢球直径（如 10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不 合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会 出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时，就要求有不同的载荷 P 和钢球直径 D。为了得到统一的，可以相互进行比较的数值，必须使 P和 D 之间 维持某一个比值关系，所以保证得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就 是使压入角ф保持不变。 根据相似原理由图 2－3中可以知道 d和ф的关系是： 或 （式 2－5） 以此代入（式 2－4）得： （式 2－6） （式 2－6）说明，当ф值为常数时，为使 HB 值相同， 也应该保持为 一定值。因此对于同一个材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要 能满足 =常数，所得的 HB 值是一样的。对于不同的材料来说，所得的 HB 值也 是可以进行比较的。按照 GB231－63 规定， 比值有 30，10，2.5 三种，具体 试验数据和适用范围可以参考表 2－1。 表 2－1 布氏硬度试验规范 材 料 硬度范 围（HB） 试样厚 度（mm） 钢球直 径 D （mm） 载荷 P （kgf） 载荷保 持时间 （秒） 黑 色 金 属 140～ 450 <140 6～3 4～2 <2 >6 6～3 <3 20 10 10 5 2.5 10 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 10 10 铜 合 金 及 镁 合 金 36～130 >3 6～3 <3 10 10 5 2.5 1000 250 62.5 30 铝 合 金 及 轴 承 合 金 8～35 >6 6～3 <3 2.5 10 5 2.5 250 62.5 15.6 60 3.2、布氏硬度测定的技术要求 1. 试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径 d。 2. 压痕距离试样边缘应大于 D（钢球直径），两个压痕之间的距离不应该 小于 D。 3. 用读数显微镜测量压痕直径 d时，应从相互垂直的两个方向上进行测量， 取其平均值。 4. 为了表明试验条件，可以在HB值后标注D/P/F，如HB10/3000/10,即表示硬度值 是在D＝10mm，P＝3000kgf，T＝10s的条件下得到的。 3.3、布氏硬度试验机的结构和操作 1. HB-3000 型布氏硬度试验机的外形结构如图 2－4所示。其主要部分及作 用如图 2-5 至图 2-12： 1）机体：布氏硬度机的机体 是铸铁机体。 2）丝杠和工作台：在机体前 台面上安装了丝杠座，其中装有 丝杠，丝杠上装立柱和工作台， 可以上下移动。杠杆系统通过电 动机可以将载荷自动加在试样 上。 3）压头部分：采用由淬火后 的钢球制成，钢球直径有Ф2.5， Ф5，Ф10 毫米三种。 4）手轮部分：使丝杠产生上 下移动。 5）控制面板部分：设置硬度 计载荷大小，载荷保持时间，以 及试验动作的操作面板。 6）电源：设备的电源开关。 图 2－4 HB-3000 型布氏硬度试验机 图 2-5 电子布氏硬度计附件箱 图 2-6 方块形标准硬度块 图 2-7 读数显微镜 图 2-8 Ф2.5 硬度压头 图 2-9 Ф5 硬度压头 图 2-10 圆形标准硬度块 图 2-11 “V”型槽的工作台 图 2-12 小型工作台 3. 操作程序 1. 接通电源，打开开关，让仪器进入工作状态。 2. 根据表 2－1的要求设定力值和加载时间，然后，将试样放到工作台上， 顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至仪器发出一声滴的长响，仪器自动地 相序进入加载、保持、卸载状态。 3. 自动卸载后，逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出 压痕直径 d值，以此值查表即得 HB 值。 3 布氏硬度原理 3.2、布氏硬度测定的技术要求