粉末冶金

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粉末冶金

2020-11-23

粉末冶金Powder metallurgy),是一种以金属粉末为原料,经压制和烧结制成各种制品的加工方法。粉末冶金工艺包含三个主要步骤,首先,主要组成材料被分解成许许多多的细小颗粒组成的粉末;然后,将粉末装入模具型腔,施以一定的压力,形成具有所需零件形状和尺寸的压坯;最后,对压坯进行烧结。

粉末冶金零件生产工艺的本质性优势是,具有零件最终成形能力和材料利用率很高。

金属粉末的重要性质

1.颗粒形状:粉末颗粒的形状与粉末的制造方法有关,越不规则的粉末在压实时,压胚的强度越大。

2.细度:指粉末颗粒的尺寸大小,系利用筛子检查其尺寸,并以分级方法,决定颗粒尺寸的分布,越细的粉末,烧结性越好。

3.粉末颗粒尺寸分布(Particle Size Distribution):指每一级标准的颗粒数量。

4.可流动性(Flowability):指粉末可经流动而充满模穴的情形,系以流经一固定小孔的流率来订定之,可利用添加硬脂酸盐于粉末中来增加流动性。

5.可压缩性(Compressibility):指压缩前粉末的容积,与压缩后所得物件的体积比。

6.视密度(Apparent Density):指每单位体积的重量。

7.烧结性(Sintering):指利用温度使各金属颗粒互相结合的操作,烧结性越好者,表示其可使用的温度范围越大,越易于烧结。

8.多孔性(Porosity):指空隙体积与全部体积的比,可由颗粒大小与分布情形调整之。

步骤

制造金属粉末

虽然所有的金属都可以制成粉末,但在实用性与经济性考量下,常用作此项用途者有铁与铜。其中,黄铜(铜与锌合金)与铁多用于各种机件的制造,青铜则常用于多孔性轴承的制造。

由于金属的物理与化学性质不同,制造粉末的方法也不同,所得的颗粒大小、形状也不相同,常见的制造方法有:

切削法

用于镁及其合金,因镁易燃,以切削方式加工时便于冷却。所得的颗粒大。

滚磨法

包括使用轧碎机、旋转滚磨机及捣碎机等,可用于脆性材料(以压轧或撞击方式),作成不规则颗粒;亦可用于延性材料,以制造油漆颜料的片状颗粒。

雾化法

用于低熔点的金属,如铅、锡、锌等,将之加热到熔融状态,再以喷漆原理在气流中喷射成极细的微粒。

成粒法

将金属加热到熔融状态,并于凝固成固体时,加以搅拌,成为小颗粒状。

还原法

使用粉状的金属氧化物,在熔点下与还原性的气体接触,直接得到金属粉末,例如铁粉的制造。

电解法

用于铁、银、钽及若干金属粉末;系以钢板置于电解液中,作为阳极,不锈钢作为阴极,通电后铁粉沉积在阴极上,经剥下电积铁粉,再予以冲洗、过筛、分成各种粗细,而后再予以退火软化。

预制合金粉末

所谓“预制合金粉末”系指合金粉末是用完全熔化的合金来制成,以不锈钢或各种高等合金为例,若以纯金属粉末来混合,将无法达到预期的效果(因纯金属混合时,烧结温度系在熔点以下,无法使纯金属变成合金),故先制成合金后,再制成粉末。

预敷粉末

将金属粉末通过敷层金属的蒸汽,使表面凝聚一层敷层金属,这种金属粉末即称之为“预敷粉末”,此粉末在烧结后,可使制品具有此一敷层金属的特性。

成形

将粉末送入模中加压成形前,必须慎选粉末,以使制品达成经济性要求,并且在压实后,可以得到所要的性质。

当仅使用一种粉末时,只要颗粒大小及分布适当,即可送入模中加压成形。

当为增加粉末流动性或密度,必须掺入不同尺寸的粉末颗粒时,混合粉末常加入润滑剂(如硬脂酸、硬脂酸锂或粉末石墨),以减少粉末间的相互粘著,并降低压制时模壁的磨擦阻力,使成品易于脱模;可是,润滑剂的加入,却会使产品在烧结后,容易出现孔眼。

常见的成形法有:

压制法 Pressing

压制是将混合妥当的定量粉末置于钢模内,用每平方吋数千磅到二十万磅的压力,在模中压制成形的方法。其中,压力的大小则依粉末的性质而异,对于软质(可塑性高)的粉末而言,不需要太高的压力,则可使其互锁而得到颇为密实,且具有适当强度的压制件;对于脆性、高硬度的粉末而言,则需要较高的压力。

压制法所使用的压力机,可分成:

1.机械式:动作快,操作简易。

2.液压式:适用于大件或需要大压力者。

模子与冲头间的配置方式,则可分为:

1.单动作模:仅有一个冲模。

2.双动作模:具有上下两个冲头(下图所示),其中,下冲头除了具有加压的作用外,亦具有在压制完成后,将压制件自模中挺射出模的任务;而模子的设计,必须具有适当的拔模角,以利脱模。

至于冲头的行程,全视粉末的压缩比而定。

离心压制法 Centrifugal Compacting

离心压制法在操作上,系将金属粉末置于模内,在高速旋转下,产生离心力,并作用在每一个金属颗粒上,以压制重金属粉末(如碳化钨等工具材料)。此法仅适用于形状简单,断面均匀的小制品。

粘铸法 Slip Casting

将金属粉末与一种浆质材料混合后,注入石膏模中,利用石膏的多孔性,吸收多余的液体,使浆中的粘性物质及金属粉末留在石膏模内,成为类似普通铸造法的铸件。此法类似陶瓷的造形法,当用于中空件时,可在混合浆质于靠近石膏模面粘结到适当厚度时,将多余的浆液倾出,留下一层壳式的粘结件。

挤制法 Extruding

用于以金属粉末制造长条形的制品或型材时,如核能固体燃料棒及其他高温金属。可依材料性质分成:

1. 冷挤法

2. 热挤法(先加热至适当温度):在热挤法中,通常先将粉末压制成块,然后加热或烧结于非氧化气体中,或置于密封金属容器中,以防止氧化。

重力烧结法 Gravity Sintering

用于化学工业中的过滤用多孔性金属板的制造,其方法为:将金属粉末均匀分布在陶瓷盘上(厚度依需要而定),然后在分解的阿姆尼亚气体中,以高温烧结之;其过程中未加上其他压力,仅是靠高温可塑状态下的重力结合之。烧结后的金属板,可再施行滚轧,以控制厚度,并增加表面光平度。

等压模造形法 Isostatic Molding

将金属粉末置于模中,以液压或气体直接加压在金属粉粒上;由于各处所受的压力均相同,因此,制品的密度甚为均匀,且各方强度均一。右图所示为一中空筒形压制胚等压模造形装置的切面图。

滚轧法 Rolling

将金属粉末自漏斗中漏落于两个辊子之间,借由滚轧的压力,使粉末互相锁成板片状,然后再送到烧结炉中烧结。烧结后,可再送到滚轧机滚轧,以控制其厚度,增加表面光平度,必要时,亦可进一步作热处理。此法可作连续性操作,宜于大量制造。

爆炸力压制法 Explosive Compacting

以爆炸的爆炸力来压制粉末的生压件(压胚),由于爆炸的压力非常高,可使可塑性低的金属产生极高的密度及互锁强度,缩短烧结时间,降低因烧结而产生的收缩率。其中,爆炸的压力可借由推动柱塞来推动,以压缩粉末,亦可经由防水袋的设计,传递压力给粉末。

金属纤维法 Fiber Metal Process

先将极细的金属棉或线,切成一定的长度,成为金属纤维,各纤维予以弯曲,互相嵌扭作成乱线状,并与一种液体糊状物混合,浇注多孔性的底盘上,待液体漏尽,即形成乱线一样的金属纤维所组成的‘席子’,然后加压并烧结之;或再施以滚轧或以对压模压紧,以增加密度。

烧结(sintering)

将生压件加热到适当的温度,以增加其机械强度及硬度的操作,称之为烧结。烧结的过程中,晶粒界面首先成形,进而造成晶粒的再结晶,而高温使金属的表面的可塑性提高,并建立一层液体的网组织,可改进相互间的机械互锁性质;另外,金属中溶解的气体,亦可在高温下被驱除净尽。

至于烧结的温度,则通常都在主要组成金属的熔点之下,而烧结时间,则约在 2040 分钟之间,此外,烧结的过程中,为避免粉末与大气接触而氧化,可使用还原性蒙气或氮气,以阻止高热时形成有害的氧化层。

此外,生压件烧结后,因制品形状、颗粒大小与分配、化学组成、烧结操作情形、压力大小等因素,使尺寸或有增长或缩短的稍微差异。

热压法 Hot Pressing

热压法是将粉末的加压与烧结同时在一个模子内完成的加工法,常用于碳化钨工具材料的制造。

此法具有提高制品强度、硬度、精密度等优点、但因加热是在加压的同时进行,因此,所使用的模子必须是耐热材质,且加热蒙气及时间长短不易控制;另外,在处理高温合金时,必须使用石墨模,但由于石墨模的强度甚低,仅能使用一次,消耗量颇大。

火花烧结法 Spark Sintering

火花烧结法也是加热与加压同时在一个模子内完成的烧结法,只不过加热方式与热压法不同,且所需的时间也甚为短暂,颇似照相用闪光灯一般,通常约为1215秒,而所得的制品颇为密实。

其中,加热的过程系先将直流电能储存在电容器内,于烧结时放电,产生高能量的火花(约 12秒),先将粉末表面的不纯物去除,火花之后,可产生新的结晶,然后在压力之下,使颗粒间更为密实。此法除可用于碳化物等高温金属的烧结外,亦可用于铝、铜、青铜、铁及不锈钢等。

完成加工法

渗油处理(Oil Impregnation

渗油处理系将烧结的轴承,浸入润滑油中加热,并且维持相当的时间,或真空处理(时间可以缩短);此时,轴承借由多孔性的毛细管作用,吸存润滑油,并于转动时释出。

金属渗入(Infiltration

系指将低熔点的熔融金属渗入多孔性的烧结制品中,以减少孔隙体积,增加机械强度。金属在渗入之前,可先作化学处理,以增加渗入范围。

尺寸矫正(Sizing)及压印(Coining

系将烧结物放置在与压模相似的模内,再压一次,以得到正确尺寸或面层花纹。此方法属于冷加工,具有增加表面层硬度、光平度、尺寸精度与密度等特点。

热处理(Heat Treatment

由于粉末冶金制品的密实程度不及实体合金,因此,热处理的效果较差(因多孔性有碍热传递),但实施热处理有助于改进其机械性质。

电镀(Plating

高密度的模压件,可直接实施普通标准方式的电镀,但中低密度的模压件,必须以珠击法(Peening)、擦光法(Burnishing)或塑胶树脂渗入法以封闭面层的孔隙,再能实施普通标准方式的电镀。 注意:不可使用盐类渗入,以免在电镀时起泡。

切削加工(Machining

对于螺孔、沟槽、挖切或侧孔等无法在模中压制出来者,仍须以传统的机器切削之,而所使用的切削工具,以碳化钨材质为宜,所使用的冷却剂,则必须避免使制品锈蚀。


来源:网络

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