粉末冶金工藝及材料
粉末冶金是制取金屬粉末并通過成形和燒結等工藝將金屬粉末或與非金屬粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，又可制造各種精密的機械零件，省工省料。但其模具和金屬粉末成本較高，批量小或制品尺寸過大時不宜采用。
粉末冶金材料和工藝與傳統材料工藝相比，具有以下特點： 1．粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點下進行的，因此可以獲得熔點、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多相不均質的特殊功能復合材料和制品。 2．提高材料性能。用特殊方法制取的細小金屬或合金粉末，凝固速度極快、晶粒細小均勻，保證了材料的組織均勻，性能穩定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強化相含量，從而發展新的材料體系。 3．利用各種成形工藝，可以將粉末原料直接成形為少余量、無余量的.坯或凈形零件，大量減少機加工量。提高材料利用率，降低成本。 粉末冶金的品種繁多，主要有：鎢等難熔金屬及合金制品；用Co、Ni等作粘結劑的碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）等硬質合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的鉆頭、車刀、銑刀，還可制造模具等；Cu合金、不銹鋼及Ni等多孔材料，用于制造燒結含油軸承、燒結金屬過濾器及紡織環等。隨著粉末冶金生產技術的發展，粉末冶金及其制品將在更加廣泛的應用。
1 粉末冶金基礎知識 ⒈1 粉末的化學成分及性能 尺寸小于1mm的離散顆粒的集合體通常稱為粉末，其計量單位一般是以微米（μm）或納米（nm）。 1.粉末的化學成分 常用的金屬粉末有鐵、銅、鋁等及其合金的粉末，要求其雜質和氣體含量不超過1%～2%，否則會影響制品的質量。 2.粉末的物理性能 ⑴ 粒度及粒度分布 粉料中能分開并獨立存在的小實體為單顆粒。實際的粉末往往是團聚了的顆粒，即二次顆粒。圖7.1.1描繪了由若干一次顆粒聚集成二次顆粒的情形。實際的粉末顆粒體中不同尺寸所占的百分比即為粒度分布。 ⑵ 顆粒形狀 即粉末顆粒的外觀幾何形狀。常見的有球狀、柱狀、針狀、板狀和片狀等，可以通過顯微鏡的觀察確定。 ⑶ 比表面積 即單位質量粉末的總表面積，可通過實際測定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。 3.粉末的工藝性能 粉末的工藝性能包括流動性、填充特性、壓縮性及成形性等。 ⑴ 填充特性 指在沒有外界條件下，粉末自由堆積時的松緊程度。常以松裝密度或堆積密度表示。粉末的填充特性與顆粒的大小、形狀及表面性質有關。 ⑵ 流動性 指粉末的流動能力，常用50克粉末從標準漏斗流出所需的時間表示。流動性受顆粒粘附作用的影響。 ⑶ 壓縮性 表示粉末在壓制過程中被壓緊的能力，用規定的單位壓力下所達到的壓坯密度表示，在標準模具中,規定的潤滑條件下測定。影響粉末壓縮性的因素有顆粒的塑性或顯微硬度，塑性金屬粉末比硬、脆材料的壓縮性好；顆粒的形狀和結構也影響粉末的壓縮性。 ⑷ 成形性 指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末能夠成形的小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強度來衡量。成形性受顆粒形狀和結構的影響。
1.2 粉末冶金的機理 1.壓制的機理 壓制就是在外力作用下，將模具或其它容器中的粉末緊密壓實成預定形狀和尺寸壓坯的工藝過程。粉末裝入陰模,通過上下模沖對其施壓。在壓縮過程中，隨著粉末的移動和變形，較大的空隙被填充，顆粒表面的氧化膜破碎，顆粒間接觸面積增大，使原子間產生吸引力且顆粒間的機械楔合作用增強，從而形成具有一定密度和強度的壓坯。 2.等靜壓制 壓力直接作用在粉末體或彈性模套上，使粉末體在同一時間內各個方向上均衡受壓而獲得密度分布均勻和強度較高的壓坯的過程。按其特性分為冷等靜壓制和熱等靜壓制兩大類。
�、� 冷等靜壓制 即在室溫下等靜壓制，液體為壓力傳遞媒介。將粉末體裝入彈性模具內，置于鋼體密封容器內，用高壓泵將液體壓入容器，利用液體均勻傳遞壓力的特性，使彈性模具內的粉末體均勻受壓。因此，冷等靜壓制壓坯密度高，較均勻，力學性能較好，尺寸大且形狀復雜，已用于棒材、管材和大型制品的生產。
�、� 熱等靜壓制 把粉末壓坯或裝入特制容器內的粉末體置入熱等靜壓機高壓容器中，施以高溫和高壓，使這些粉末體被壓制和燒結成致密的零件或材料的過程。在高溫下的等靜壓制，可以激活擴散和蠕變現象的發生，促進粉末的原子擴散和再結晶及以極緩慢的速率進行塑性變形，氣體為壓力傳遞媒介。粉末體在等靜壓高壓容器內同一時間經受高溫和高壓的聯合作用，強化了壓制與燒結過程，制品的壓制壓力和燒結溫度均低于冷等靜壓制，制品的致密度和強度高，且均勻一致，晶粒細小，力學性能高，消除了材料內部顆粒間的缺陷和孔隙，形狀和尺寸不受限制。但熱等靜壓機價格高，投資大。熱等靜壓制已用于粉末高速鋼、難熔金屬、高溫合金和金屬陶瓷等制品的生產。
3.粉末軋制 將粉末通過漏斗喂入一對旋轉軋輥之間使其壓實成連續帶坯的方法。將金屬粉末通過一個特制的漏斗喂入轉動的軋輥縫中，可軋出具有一定厚度、長度連續、強度適宜的板帶坯料。這些坯體經預燒結、燒結，再軋制加工及熱處理等工序，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板帶材。粉末軋制制品的密度比較高，制品的長度原則上不受限制，軋制制品的厚度和寬度會受到軋輥的限制；成材率高為80%～90%，熔鑄軋制的僅為60%或更低。粉末軋制適用于生產多孔材料、摩擦材料、復合材料和硬質合金等的板材及帶材。
4.粉漿澆注 是金屬粉末在不施加外力的情況下成形的，即將粉末加水或其它液體及懸浮劑調制成粉漿，再注入石膏模內，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的懸浮劑有聚乙烯醇、甘油、藻骯酸鈉等，作用是防止成形顆粒聚集，改善潤濕條件。為保證形成穩定的膠態懸浮液，顆粒尺寸不大于5μm～10μm，粉末在懸浮液中的質量含量為40%～70%。
5.擠壓成形 將置于擠壓筒內的粉末、壓坯或燒結體通過規定的�？讐撼�。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機粘結劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復雜、性能優良的制品和材料。擠壓成形設備簡單，生產率高，可獲得長度方向密度均勻的制品。 擠壓成形能擠壓出壁很薄直經很小的微形小管，如厚度僅0.01mm，直徑1mm的粉末冶金制品；可擠壓形狀復雜、物理力學性能優良的致密粉末材料，如燒結鋁合金及高溫合金。擠壓制品的橫向密度均勻，生產連續性高，因此，多用于截面較簡單的條、棒和螺旋形條、棒（如麻花鉆等）。
6.松裝燒結成形 粉末未經壓制而直接進行燒結，如將粉末裝入模具中振實，再連同模具一起入爐燒結成形，用于多孔材料的生產；或將粉末均勻松裝于芯板上，再連同芯板一起入爐燒結成形，再經復壓或軋制達到所需密度，用于制動摩擦片及雙金屬材料的生產。 將置于擠壓筒內的粉末、壓坯或燒結體通過規定的模孔壓出。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機粘結劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復雜、性能優良的制品和材料。擠壓成形設備簡單，生產率高，可獲得長度方向密度均勻的制品。
7.爆炸成形 借助于爆炸波的高能量使粉末固結的成形方法。爆炸成形的特點是爆炸時產生壓力很高，施于粉末體上的壓力速度極快。如炸藥爆炸后，在幾微秒時間內產生的沖擊壓力可達106MPa（相當于107個大氣壓），比壓力機上壓制粉末的單位壓力要高幾百倍至幾千倍。爆炸成形壓制壓坯的相對密度極高，強度。如用炸藥爆炸壓制電解鐵粉，壓坯的密度接近純鐵體的理論密度值。 爆炸成形可加工普通壓制和燒結工藝難以成形的材料，如難熔金屬、高合金材料等，還可壓制普通壓力無法壓制的大型壓坯。
