粉末冶金及模具設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 混時常用的液體介質為酒精、汽油、丙酮、水等。化學法混料是將金屬或化合物粉末與添加金屬的鹽溶液均勻混合；或者是各組元全部以某種鹽的溶液形式混合，然后經沉淀、干燥和還原等處理而得到均勻分布的混合物。常需加入的添加劑，用于提高壓坯強度或防止粉末成分偏析的增塑劑（汽油、橡膠溶液、石蠟等），用于減少顆粒間及壓坯與模壁間摩擦的潤滑劑（硬質酸鋅、二硫化鉬等）。將小顆粒的粉末制成大顆粒或團粒的工序，常用來改善粉末的流動性。常用的制粒設備有振動篩、滾筒制粒機、圓盤制粒機等。成形是將粉末轉變成具有所需形狀的凝聚體的過程。常用的成形方法有模壓、軋制、擠壓、等靜壓、松裝燒結成形、粉漿澆注和爆炸成形等。即粉末料在壓模內壓制。室溫壓制時一般需要約1噸/厘米2以上的壓力，壓制壓力過大時，影響加壓工具；并且有時坯體發生層狀裂紋、傷痕和缺陷等。壓制壓力的最大限度為12—15噸／厘米2。超過極限強度后，粉末顆粒發生粉碎性破壞。常用的模壓方法有單向壓制、雙向壓制、浮動模壓制等。⑴單向壓制即固定陰模中的粉末在一個運動模沖和一個固定模沖之間進行壓制的方法。單向壓制模具簡單，操作方便，生產效率高，但壓制時受摩擦力的影響，制品密度不均勻，適宜壓制高度或厚度較小的制品。⑵雙向壓制陰模中粉末在相向運動的模沖之間進行壓制的方法。雙向壓制比較適宜高度或厚度較大的制品。雙向壓制壓坯的密度較單向壓制均勻，但雙向同時加壓時，壓坯厚度的中間部分密度較低。⑶浮動壓制浮動陰模中的粉末在一個運動模沖和一個固定模沖之間進行壓制，陰模由彈簧支承，處于浮動狀態，開始加壓時，由于粉末與陰模壁間摩擦力小于彈簧支承力，只有上模沖向下移動；隨著壓力增大，當二者的摩擦力大于彈簧支承力時，陰模與上模沖一起下行，與下模沖間產生相對移動，使單向壓制轉變為壓坯的雙向受壓，而且壓坯雙向不同時受壓，這樣壓坯的密度更均勻。不同的產品、不同的性能燒結方法不一樣。⑴按原料組成不同分類。可以將燒結分為單元系燒結、多元系固相燒結及多元系液相燒結。單元系燒結是純金屬（如難熔金屬和純鐵軟磁材料）或化合物(Al2OB4C、BeO、MoSi2等)熔點以下的溫度進行固相燒結。多元系固相燒結是由兩種或兩種以上的組元構成的燒結體系，在其中低熔成分的熔點溫度以下進行的固相燒結。粉末燒結合金多屬于這一類。如CuNi、FeNi、CuAu、WMo、AgAu、FeCu、WNi、FeC、CuC、CuW、AgW等。多元系液相燒結以超過系統中低熔成分熔點的溫度進行的燒結。如WCuNi、WCu、WCCo、TiCNi、FeCu(Cu10%、FeNiAl、CuPb、CuSn、FeCu(Cu10%)等⑵按進料方式不同分類。分為為連續燒結和間歇燒結。1）連續燒結燒結爐具有脫蠟、預燒、燒結、制冷各功能區段，燒結時燒結材料連續地或平穩、分段地完成各階段的燒結。連續燒結生產效率高，適用于大批量生產。常用的進料方式有推桿式、輥道式和網帶傳送式等。2）間歇燒結零件置于爐內靜止不動，通過控溫設備，對燒結爐進行需要的預熱、加熱及冷卻循環操作，完成燒結材料的燒結過程。間歇燒結可依據爐內燒結材料的性能確定合適的燒結制度，但生產效率低，適用于單件、小批量生產，常用的燒結爐有鐘罩式爐、箱式爐等。除上述分類方法外。按燒結溫度下是否有液相分為固相燒結和液相燒結；按燒結溫度分為中溫燒結和高溫燒結（1100～1700℃），按燒結氣氛的不同分為空氣燒結，氫氣保護燒結（如鉬絲爐、不銹鋼管和氫氣爐等）和真空燒結。另外還有超高壓燒結、活化熱壓燒結等新的燒結技術。影響燒結體性能的因素很多，主要是粉末體的性狀、成形條件和燒結的條件。燒結條件的因素包括加熱速度、燒結溫度和時間、冷卻速度、燒結氣氛及燒結加壓狀況等。⑴燒結溫度和時間燒結溫度的高低和時間的長短影響到燒結體的孔隙率、致密度、強度和硬度等。燒結溫度過高和時間過長，將降低產品性能，甚至出現制品過燒缺陷；燒結溫度過低或時間過短，制品會因欠燒而引起性能下降。⑵燒結氣氛粉末冶金常用的燒結氣氛有還原氣氛、真空、氫氣氛等。燒結氣氛也直接影響到燒結體的性能。在還原氣氛下燒結防止壓坯燒損并可使表面氧化物還原。如鐵基、銅基制品常采用發生爐煤氣或分解氨，硬質合金、不銹鋼常采用純氫。活性金屬或難熔金屬（如鈹、鈦、鋯、鉭）、含TiC的硬質合金及不銹鋼等可采用真空燒結。真空燒結能避免氣氛中的有害成分（H2O、OH2）等的不利影響，還可降低燒結溫度（一般可降低100～150℃）。指壓坯燒結后的進一步處理，根據產品具體要求決定是否需要后處理。常用的后處理方法有復壓、浸漬、熱處理、表面處理和切削加工等。為提高燒結體物理和力學性能而進行的施加壓力處理，包括精整和整形等。精整是為達到所需尺寸而進行的復壓，通過精整模對燒結體施壓以提高精度。整形是為達到特定的表面形狀而進行的復壓，通過整形模對制品施壓以校正變形且降低表面粗糙度值。復壓適用于要求較高且塑性較好的制品，如鐵基、銅基制品。用非金屬物質（如油、石蠟和樹脂等）填充燒結體孔隙的方法。常用的浸漬方法有浸油、浸塑料、浸熔融金屬等。浸油即在燒結體內浸入潤滑油，改善其自潤滑性能并防銹，常用于鐵、銅基含油軸承。浸塑料是采用聚四氟乙烯分散液，經固化后，實現無油潤滑，常用于金屬塑料減摩零件。浸熔融金屬可提高強度及耐磨性，鐵基材料常采用浸銅或鉛。對燒結體加熱到一定溫度，再通過控制冷卻方法等處理，以改善制品性能的方法。常用的熱處理方法有淬火、化學熱處理、熱機械處理等，工藝方法一般與致密材料相似。對于不受沖擊而要求耐磨的鐵基制件可采用整體淬火，由于孔隙的存在能減少內應力，一般可以不回火。而要求外硬內韌的鐵基制件可采用淬火或滲碳淬火。熱鍛是獲得致密制件常用的方法，熱鍛造的制品晶粒細小，且強度和韌性高。常用的表面處理方法有蒸汽處理、電鍍、浸鋅等。蒸汽處理是工件在500～560℃的熱蒸汽中加熱并保持一定時間，使其表面及孔隙形成一層致密氧化膜的表面工藝，用于要求防銹、耐磨或防高壓滲透的鐵基制件。電鍍應用電化學原理在制品表面沉積出牢固覆層，其工藝方法同致密材料。電鍍用于要求防銹、耐磨及裝飾的制件。此外，還可通過鍛壓、焊接、切削加工、特種加工等方法進一步改變燒結體的形狀或提高精度，以滿足零件的最終要求。電火花加工、電子束加工、激光加工等特種加工方法以及離子氮化、離子注入、氣相沉積、熱噴涂等表面工程技術已用于粉末冶金制品的后處理，進一步提高了生產效率和制品質量。粉末冶金材料常用的成形方法是在剛性封閉模具中將金屬粉末壓縮成形，模具成本較高；由于粉末流動性較差，且又受到摩擦力的影響，壓坯密度一般較低且分布不均勻，強度不高，薄壁、細長形和沿壓制方向呈變截面的制品還難以成形。因此，采用壓制成形的零件結構的設計應注意下列問題。⑴盡量采用簡單、對稱的形狀，避免截面變化過大以及窄槽、球面等，以利于制模和壓實。⑵避免局部薄壁，以便裝粉壓實和防止出現裂紋.⑶避免側壁上的溝槽和凹孔，以利于壓實或減少余塊。⑷避免沿壓制方向截面積漸增，以利于壓實。各壁的交接處應采用圓角或倒角過渡，避免出現尖角，以利于壓實及防止模具或壓坯產生應力集中。粉末冶金是一項很有發展的新技術、新工藝，已廣泛應用在農機、汽車、機床、冶金、化工、輕工、地質勘探、交通運輸等各方面。粉末冶金材料有工具材料及機械零件和結構材料。工具材料大致有粉末高速鋼、硬質合金、超硬材料、陶瓷工具材料及復合材料等。機械零件和結構材料有粉末減摩材料，包括多孔減摩材料和致密減摩材料；粉末冶金鐵基零件及粉末冶金非鐵金屬零件等。硬質合金由硬質基體（質量分數為70%～97%）和粘結金屬兩部分組成。硬質基體是難熔金屬的碳化物，如碳化鎢及碳化鈦等；粘結金屬為鐵族金屬及合金，以鈷為主。⑴硬質合金的種類和牌號硬質合金為一種優良的工具材料，主要用作切削刀具、金屬成形工具、礦山工具、表面耐磨材料及高剛性結構部件。類型有含鎢硬質合金，鋼結硬質合金，涂層硬質合金，細晶粒硬質合金等。鋼結硬質合金是一種新型的工模具材料，性能介于高速工具鋼和硬質合金之間，是以一種或幾種碳化物（如WC、TiC）為硬化相，以碳鋼或合金鋼（如高速工具鋼、鉻鉬鋼等）粉末為粘結劑，經配料、壓制、燒結而制成的粉末冶金材料。退火處理后，可進行切削加工；淬火、回火處理后，有相當于硬質合金的高硬度和耐磨性，一定的耐熱、耐蝕和抗氧化性。適于制造麻花鉆、銑刀等形狀復雜的刀具、模具和耐磨件。含鎢硬質合金按其成分和性能特點分為鎢鈷類（WCCo系）、鎢鈦鈷類（WCTiCCo系）、鎢鈦鉭（鈮）類[WCTiCTaC(NbC)Co系、WC–TaC(NbC)Co系]。鎢鈷類硬質合金的主要化學成分是碳化鎢（WC）及鈷。牌號為“YG+數字”（YG為“硬鈷”漢語拼音字首），數字表示鈷平均質量分數。如YG6表示鈷平均質量分數為6%，余量為碳化鎢的鎢鈷類硬質合金。該類合金的抗彎強度高，能承受較大的沖擊，磨削加工性較好，但熱硬性較低（800～900℃），耐磨性較差，主要用于加工鑄鐵和非鐵金屬的刃具。鎢鈦鈷類硬質合金的主要化學成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷。牌號為“YT+數字”（YT為“硬鈦”漢語拼音字首），數字表示碳化鈦平均質量分數。如YT15表示TiC為15%，其余為WC和Co的硬質合金。該類硬質合金的熱硬性高（900～1100℃），耐磨性好，但抗彎強度較低，不能承受較大的沖擊，磨削加工性較差，主要用于加工鋼材。鎢鈦鉭（鈮）類硬質合金又稱為通用硬質合金或萬能硬質合金。它是由碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（TaC）或碳化鈮（NbC）和鈷組成。牌號為“YW+順序號”（YW表示“硬萬”漢語拼音字首），如YW1表示萬能硬質合金。該類硬質合金是在上述硬質合金中添加TaC或NbC，它的熱硬性高（1000℃），其它性能介于鎢鈷類與鎢鈦鈷類之間，它既能加工鋼材，又能加工非鐵金屬。⑵硬質合金的性能及應用1)性能硬質合金的硬度高，室溫下達到86～93HRA，耐磨性好，切削速度比高速工具鋼高4～7倍，刀具壽命高5～80倍，可切削50HRC左右的硬質材料；抗彎強度高，達6000MPa，但抗彎強度較低，約為高速工具鋼的1/3～1/2，韌性差，約為淬火鋼的30%～50%；耐蝕性和抗氧化性良好；線膨脹系數小，但導熱性差。2)應用硬質合金主要用于制造高速切削或加工高硬度材料的切削刀具，如車刀、銑刀等；也用作模具材料（如冷拉模、冷沖模、冷擠模等）及量具和耐磨材料。根據GB2075—87規定，切削加工用硬質合金按切削排出形式和加工對象范圍不同，分為P、M、K三個類別，同時又依據加工材質和加工條件不同，按用途進行分組，在類別后面加一組數字組成代號。如P0PP20……，每一類別中，數字越大，韌性越好，耐磨性越低。高速鋼的合金元素含量高，采用熔鑄工藝時會產生嚴重的偏析使力學性能降低。金屬的損耗也大，高達鋼錠重量的30%～50%。粉末高速鋼可減少或消除偏析，獲得均勻分布的細小碳化物，具有較大的抗彎強度和沖擊強度；韌性提高50%，磨削性也大大提高；熱處理時畸變量約為熔煉高速鋼的十分之一，工具壽命提高1～2倍。采用粉末冶金方法還可進一步提高合金元素的含量以生產某些特殊成分的鋼。，切削性能是熔煉高速鋼的1～4倍。常用高速鋼牌號為W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，%～%C，及10%的鎢、鉻、鉬、釩等合金元素。其中碳保證高速鋼具有高硬度和高耐磨性，鎢和鉬提高鋼的熱硬性，鉻提高鋼的淬透性，而釩則提高鋼的耐磨性。在粉末冶金生產中，鐵粉的用量比其金屬粉末大得多。鐵粉的60%～70%用于制造粉末冶金零件。主