一文了解粉末冶金工艺

  粉末冶金是什么?具体工艺是什么样的?粉末冶金主要应用于哪些行业?粉末冶金有哪些行业规定?本文,小编重点介绍材料选择,设计考虑因素以及该工艺的经济优势。该指南包括说明可达到的性能的信息,并介绍了与粉末冶金行业有关的国际标准。

  一、什么是粉末冶金?

  粉末冶金技术包括一系列生产技术,这些技术可以处理粉末形式的原料以制造各种类型的组件。这些生产技术通常涉及以下所有或大多数过程步骤:

  1,粉末生产

  几乎所有用于PM结构件生产的铁粉都是使用海绵铁工艺或水雾化工艺制造的。用于其他粉末冶金应用的有色金属粉末可以通过多种方法生产。

  2,粉末混合

  这通常可能涉及引入元素粉末形式的合金添加剂或加入加压润滑剂。

  3,将混合粉末制成压块

  主要的固结过程涉及压入刚性工具箱,该工具箱包括模具,冲头,可能还包括心轴或芯棒。但是,在细分市场应用程序中还使用了其他几种合并过程。

  4,烧结坯以增强完整性和强度

  该处理步骤包括通常在保护性气氛中将材料加热至低于主要成分的熔点的温度。在某些情况下,次要成分会在烧结温度下形成液相;这种情况称为液相烧结。固相和液相烧结所涉及的机理将在下一部分中简要讨论。

  5,二次作业

  将精加工工艺应用于烧结零件。在粉末冶金行业中,此类过程通常称为“二次操作”。

   二、为什么选择粉末冶金?

  粉末冶金是一项技术,涉及花费大量时间和精力将原材料转换为所需的粉末形式,然后花费更多时间和精力将材料再次“粘”在一起以产生或多或少的固体物体。

  在用这些术语描述技术时,因此提出一个问题“为什么要付出所有这些努力?”并不是没有道理的。

  事实上,有很多充分的理由可以选择粉末冶金作为产品制造的首选途径。从广义上讲,这些原因分为两类:

  1,成本效益

  粉末冶金是制造零件的许多可能选择中最具成本效益的

  2,产品的独特性

  某些特性(例如,化学成分的组合,对微观结构的控制,对孔隙率的控制等)可以通过从粉末原料开始来创建,这在常规加工中非常困难,有时甚至是不可能的。

  成本效益

  到目前为止,产品成本效益是选择粉末冶金的主要原因,并且是结构(或机械)零件行业的主要驱动力。与其他生产技术相比,粉末冶金以其较低的能耗,较高的材料利用率和较少的工艺步骤而赢得了成本竞争。

  所有这些因素又取决于粉末冶金减少或什至完全消除常规生产中将要应用的机加工操作的能力。

  为了消除加工操作,粉末冶金依靠其直接形成复杂的几何形状并在烧结产品中保持严格的尺寸公差控制的能力。

  粉末冶金的成本效益通常还要求以大批量生产特定产品。如果产量要求太低,将没有机会在足够数量的零件上摊销(长效)成形模具的成本,也没有机会避免在工具转换/设置操作中浪费大量潜在的生产时间。

  粉末冶金的选择产量当然取决于通过不同途径形成形状的难易程度,但通常至少要成千上万个零件每年。

  独特性

  粉末冶金可以通过多种不同方式提供产品独特性:

  1.处理原本不可能混合的材料组合

  粉末冶金允许以紧密混合的形式加工通常被认为是不混溶的材料组合。此类粉末冶金应用的公认实例包括:

  用于制动衬片和离合器衬片的摩擦材料,其中一些非金属材料可赋予耐磨性或控制摩擦水平,这些材料嵌入铜基或铁基基体中。

  硬质合金或硬质合金,用于切削工具,成型工具或易损件。它们包括与金属相结合的硬质相,只有通过在高于粘合剂熔点的温度下进行液相烧结才能产生的微观结构。与钴结合的碳化钨是这种材料的主要示例,但也可以使用包括一系列其他碳化物,氮化物,碳氮化物或氧化物的其他硬质合金,并且可以将钴以外的其他金属用作粘合剂(Ni,Ni-Cr,镍钴等)

  金刚石切削工具材料,其中细小的金刚石砂砾均匀地分散在金属基体中。同样,在这些材料的加工中采用液相烧结。

  电接触材料,例如铜/钨,银/氧化镉。

  2.加工熔点很高的材料

  粉末冶金技术可以处理熔点很高的材料,包括难熔金属,例如钨,钼和钽。这种金属很难通过熔化和铸造来生产,并且在铸造状态下通常非常脆。钨坯的生产是粉末冶金的早期应用领域之一,随后用于拉制白炽灯的电线。

  3.孔隙率受控的产品

  粉末冶金技术可以制造结构孔隙率可控的产品。烧结过滤元件就是这种应用的例子。另一个主要的例子是保油或自润滑轴承,这是粉末冶金历史最悠久的应用之一,在该应用中,烧结结构中相互连接的孔隙率用于容纳油层。

  4.具有优越性能的产品

  在某些特定的应用中,与常规的铸造或锻造工艺相反,粉末冶金工艺通常可以通过对微观结构的出色控制来产生卓越的性能。此类应用程序中的好例子是:

  磁性材料

  几乎所有的硬(永久)磁铁和大约30%的软磁铁都是从粉末原料加工而成的。

  高速钢

  与锻造产品相比,粉末冶金加工材料具有更精细,更可控的显微组织,具有出色的韧性和切削性能。

  镍基或钴基高温合金

  镍基或钴基高温合金用于航空发动机应用,其中粉末冶金工艺可以提供常规上无法达到的成分范围和微结构控制,因此可以提高工作温度和性能。

  三、粉末冶金零件市场

  1、汽车行业

  冲压/烧结结构粉末冶金零件的主要市场是汽车领域。在所有地理区域中,平均而言,所有粉末冶金结构部件中约有80%用于汽车应用。

  这些汽车应用中约有75%是变速箱(自动和手动)和发动机的组件。

  传输应用包括:

  同步器系统零件

  变速组件

  离合器花鼓

  行星齿轮架

  涡轮轮毂

  离合器片和口袋片

  发动机零件包括:

  皮带轮,链轮和轮毂,尤其是与发动机同步带系统相关的皮带轮,链轮和轮毂

  阀座插件

  气门导管

  组装凸轮轴的PM凸角

  平衡齿轮

  主轴承盖

  发动机歧管执行器

  凸轮轴轴承盖

  发动机管理传感器环

  粉末冶金零件也可用于其他汽车系统:

  油泵-特别是齿轮

  减震器–活塞杆导向装置,活塞阀,端阀

  防抱死制动系统(ABS)–传感器环

  排气系统–法兰,氧气传感器凸台

  底盘组件

  可变气门正时系统

  无级变速箱

  废气再循环(EGR)系统

  涡轮增压器

  2、粉末冶金结构件的其他市场

  粉末冶金零件市场

  粉末冶金结构零件还有其他重要市场,在这些市场中大量生产需要零件。第二大结构零件市场是DIY工具和家    用电器。

  轴承和各种齿轮零件是粉末冶金在DIY电动工具和家用“白色家电”中的应用实例。

  金属石墨碳刷还广泛用于家用电器,汽车和电动工具的电动机和发电机。

  其他粉末冶金结构零件市场包括:

  商业机器

  休闲和园艺产品

  工业电动机和控件

  硬件–锁零件,闩锁等

  3、航空航天应用

  航空发动机和陆基燃气轮机应用

  粉末冶金产品的航空发动机和陆基燃气轮机应用需要非常好的性能,并且该领域中基于PM的工艺路线通常都包含热等静压(HIP)。

  对于镍基高温合金涡轮盘,与铸锭路径材料相比,通过增强的微结构控制和成分能力,必须对粉末进行加工,以使产品性能进一步提高。粉末冶金工艺通常涉及HIP钢坯的等温锻造,尽管在蠕变强度是唯一设计标准的地方也可以使用“ as-HIP”零件。

  净形HIP钛粉末冶金产品已开发用于涡轮机应用,在涡轮机应用中常规加工(包括机加工)非常浪费材料,粉末冶金路线可带来成本优势。出于类似的原因,也正在使用基于粉末的增材制造技术在锻造或铸造零件中添加特征。

  机身部门

  在机体领域使用钛粉末冶金技术的兴趣也越来越高,这既可以节省成本,也可以使用锻造钛工艺,或者可以减少钢制零件的重量。

  4、石油和天然气工业

  在石油和天然气领域,硬金属和金刚石切割工具经常用于石油和天然气勘探。一系列奥氏体和双相不锈钢的HIP粉末产品也越来越多地用于离岸应用,包括歧管和阀门。HIP和激光熔覆技术正用于在一系列离岸组件上沉积耐磨涂层。

  硬质合金和金刚石切削刀具还用于许多工业领域的机加工操作,包括汽车,航空航天和通用工程。

  5、医疗行业

  医疗保健领域中有许多设备包含可以通过粉末喷涂路线制造的组件:

  MRI扫描仪使用大量稀土粉末制成的稀土永磁体。

  许多外科手术器械和牙科植入物都是通过金属注射成型生产的。

  人们越来越感兴趣的是使用增材制造来生产定制的医疗植入物,以及通过PM处理(MIM,Press / Sinter PM等)来制造包含空间保持器添加物的多孔植入物结构(以匹配骨刚度并帮助骨整合)。成型后将其去除。

  四、粉末冶金结构件的经济考虑

  粉末冶金结构零件的绝大多数应用是基于与其他形成相同零件形状的路线的成本竞争中获得的。

  反过来,粉末冶金相对于其他技术的成本竞争力则基于两个主要问题-降低过程中的能源消耗以及提高原材料的利用率。

  有很多考虑因素决定了组件应用是否可能成为粉末冶金的可行目标:

  1、产品尺寸和重量

  尽管粉末冶金中的材料利用率很高,但与许多竞争工艺中使用的钢筋或钢坯相比,使用的粉末是相对昂贵的原料。因此,粉末冶金通常在相对较小和较轻的零件中竞争最好,零件的材料成本可以占总制造成本的相对较小的比例(可能约为20%)。此外,零件在平面图中越大,则零件越大所需的压实吨位以及粉末冶金压实机的吨位限制为不超过1000吨。

  2、产品几何形状

  粉末冶金最适合制造“棱柱形”形状,在二维(模具的径向或平面图)中具有几乎无限的形状复杂性,而在三维或轴向或厚度方向上的复杂性要有限得多。

  3、生产数量要求

  粉末冶金需要大量生产才能生存。首先,所需的成形工具通常是复杂且相对昂贵的,并且需要在大量产品上分摊工具成本。同样,PM加工设备(压机,熔炉)的资本成本很高,需要分摊到大量产品上。与设备资本成本相关的一个问题是,需要最大程度地减少生产工作之间的停机时间,因此分批运行需要相对较长,以免工具转换/设置周期太频繁。

  在材料利用率和能耗率方面,粉末冶金相对于其他技术的竞争地位如图1所示。如图所示,典型的粉末冶金材料利用率为原始原料的95%,优于任何其他竞争工艺。

  对于满足上述要求作为粉末冶金可行目标的应用,可以通过引用一些案例研究实例来证明该技术在过程节能方面的优势。

五、高密度,高性能粉末冶金结构件
一系列粉末冶金工艺和/或材料开发,旨在提高粉末冶金结构部件的密度水平,从而提高其性能水平。

1、粉末锻造
最早的这种发展是在1970年代商业上引入的粉末锻造,这是一种混合技术,涉及通过传统的压模/烧结粉末冶金生产预成型件,然后使用闭模热锻将其固结到接近全密度的方法。
粉末锻造的早期市场应用主要是大直径的环形零件,尤其是用于自动变速器的环形零件,但是在过去的几十年中,该技术已越来越多地与汽车连杆的生产相关联。
粉末锻造已在批量生产中开发出了公认的能力,可提供高强度和高性能。然而,与常规的压制/烧结粉末冶金方法相比,这是以较高的成本和减小的尺寸公差控制为代价的,因此,最近的发展集中在常规方法的更紧密对准的演变上。
在压实,烧结或烧结后处理的各个阶段,都可以提高密度。

2、粉末压实
现在有几种压实工艺开发可用于提供更高的生坯密度:
压力较高,冷压实
对于不需要薄而脆弱的冲头的零件几何形状,可以将压实压力从正常的最大600 MPa增加到大约1,000 MPa,从而提高了生坯密度。

热压实
这涉及将粉末和压实模具都加热到150 ° C。升高的温度降低了铁粉的流动应力,并使生坯密度增加了0.2 g / cm 3。

热模压实
这是“热压实”的最新版本,其中仅将工具预热至约95 ° C

高速压实
这涉及对上冲头的反复高速锤击。同样,该方法将不适用于带有薄而易碎冲头的工具。

3、模具壁润滑
通过消除粉末混合物中的混合润滑剂(以及压实零件中润滑剂所占的体积),可以实现更高的生坯密度。商业模具润滑系统现已投入运行。这里的几何约束是必须在压实周期的模具填充阶段将所有相关的工具表面暴露出来以进行润滑。

4、烧结
增加烧结密度的选择包括:
固相烧结
通过使用更细的粉末添加物来激活固相烧结,例如现在在某些黑色粉末冶金混合物中使用“超细”镍元素添加物
液相烧结

使用母合金添加物在烧结过程中形成液相
铁氧体相烧结
铁在烧结温度下的自扩散在铁素体相中比在奥氏体相中快100倍。因此,已经开发出包含铁素体稳定元素(例如,Mo含量高达3%)的材料变体。

5、烧结后致密化
尽管严格说来,粉末锻造和喷丸硬化都可以视为此类中的例子,但最受关注的烧结后致密化过程涉及通过局部冷变形进行选择性表面致密化。
该方法最广泛使用的变型涉及使用网眼滚动工具对烧结的预成型坯的表面层进行冷轧,以在直接表面上产生全密度,并在表面以下产生密度梯度。
该工艺主要针对具有更高性能水平的粉末冶金齿轮模的生产。

六、粉末冶金设计
尽管粉末冶金技术提供了很大的设计自由度,但在设计具有流程意识的产品时,要记住许多“要做”和“不要做”。
在以下准则中突出显示了这些:

长宽比
长宽比(即长宽比)–粉末原料和模具之间的摩擦效应产生的密度变化意味着,即使采用双端压实,长宽比也应限制为不超过3:1。

可重入功能
凹入特征(例如凹槽,反向锥度或侧孔)不能由粉末冶金直接形成,因为它们会阻止零件从模具中弹出。如果需要,这些特征将必须通过对烧结零件进行机加工来引入。

斜角
斜角需要打有棱角的打孔器,应避免使用。如果可能,斜切的边缘应以小平面结束,从而避免出现毛边。

倒角
倒角最好在零件边缘上形成半径,以避免再次使用带有毛边的冲头应避免截面的突然变化,因为它们会引入应力提升器,而应力提升器可能会因弹射回弹而导致破裂。

尖角
同样,在平面图部分应使用半径而不是尖角,以避免应力增加。

七、粉末冶金材料
1、低合金黑色金属材料
低合金含铁粉末冶金材料在冲压/烧结结构零件领域占主导地位。在这一领域,这些材料通常基于水雾化或海绵铁粉,并添加元素合金。
与锻钢一样,增加强度的重要元素是碳,作为石墨添加。如烧结部分所述,通常出于尺寸控制目的添加铜,以提供某种固溶强化。
为了提高淬透性,最常用的添加剂是镍和钼,因为这些元素在正常的烧结温度下不会形成稳定的氧化物。
传统上,不使用更具成本效益的硬化剂,例如铬和锰,因为它们的氧化物在正常烧结温度下具有稳定性。但是,如果使用高温烧结,则可以使用它们,并且,如果通过将露点控制为低值,可以增加常温下的烧结气氛的还原能力,则可以使用它们。

2、粘合剂处理过的混合物
近年来,出现了另一种合金概念-粘合剂处理的混合物。这些牌号使用有机粘结剂添加剂(也可作为压制润滑剂)将合金添加剂粘结到铁粉颗粒上。可提供与扩散合金等级相同的粘结剂处理等级。

3、钼预合金化
已经发现与钼的预合金化不会严重损害铁粉的可压缩性。因此,现在有许多完全预合金化的钼牌号,其中一些已被用作“混合”扩散合金或粘结剂处理的牌号的基础。

4、完全预合金粉末等级
可提供一系列低合金钢粉末等级,其中所有合金元素均已完全预合金化。这些等级最常用于粉末锻造中,在这种情况下,压实性的较低可压缩性不会造成重大损害。

5、精钢
各种AISI 300和400系列不锈钢都可以粉末形式提供。这些粉末用于生产压制/烧结粉末冶金零件(在这种情况下,粉末被水雾化)或用于金属注射成型零件(可以使用气体或水雾化等级)。MIM产品中也经常使用沉淀硬化型不锈钢AISI 17-4 PH。
不锈钢粉末也用于生产烧结过滤器元件。

6、铜合金
铜合金可以加工成粉末冶金结构件。这些可以使用完全预合金的粉末或元素混合物。青铜粉可以加工成自润滑轴承,粗球形的青铜粉可以松散地烧结制成滤芯。

7、铝合金
各种铝合金粉末可用于通过Press / Sinter PM,挤压成半成品或MIM进行粉末冶金加工。

8、钛合金
钛和钛合金粉末有多种形式。
压制/烧结钛粉末冶金的用途有限,通常使用HDH(氢化物-脱水)钛粉末,甚至氢化钛粉末,并以母合金的形式添加混合合金。

根据所需的质量,HIP产品通常使用通过气体雾化,等离子旋转电极(PREP)工艺或等离子雾化生产的钛合金粉末。
MIM原料最通常包含气体雾化粉末,但现在也可以使用等离子球化的HDH粉末。使用标准材料,例如CP-Ti和Ti-6Al-4V,但某些高性能MIM产品使用专门开发的合金,例如Ti-7Fe-5Zr或Ti-6Al-5Nb。

9、硬重材料
这些材料均包含基质材料和粘合剂相。
在硬质金属中,最常见的基体材料是碳化钨(尽管可以使用一系列其他碳化物,氮化物或碳氮化物),最常见的粘合剂是钴(尽管还有其他替代方法)。
金刚石工具使用金刚石砂粒和钴粘合剂。
重合金具有钨金属粉末基体和Cu / Ni或Fe / Ni粘结剂。

10、磁性和电气材料
软磁粉末冶金等级包括普通铁,硅铁,钴铁和最近开发的软磁复合材料,这些复合材料基于普通铁粉和合适的粘合剂/绝缘体,可在固化处理后分离铁粉颗粒。
硬磁铁总是由粉末加工而成,包括铁氧体和Al-Ni-Co。Sm-Co和Nd-Fe-B级。
电气材料包括金属石墨碳刷和电气接触材料,例如铜/钨,银/氧化镉。

八、粉末生产技术
铁粉生产
从吨位来看,用于粉末冶金结构件生产的铁粉的生产使所有有色金属粉末的总产量相形见绌。实际上,所有铁粉都是通过以下两种方法之一生产的。

海绵铁工艺
这些工艺中建立最久的是海绵铁工艺,它是一系列涉及氧化物固态还原的工艺的主要实例。在此过程中,将选定的磁铁矿(Fe3O4)矿石与焦炭和石灰混合,然后放入碳化硅罐中。
然后将装满的re通过一个长窑,在还原过程中会留下铁“饼”和炉渣。在随后的步骤中,清空脱水缸,将还原的铁海绵与炉渣分离,然后进行粉碎和退火。
所得粉末的颗粒形状高度不规则,因此确保了良好的“生坯强度”,以便在烧结之前可以轻松处理模压成型的压块,并且每个颗粒都包含内部孔(因此称为“海绵”),因此,良好的生坯在较低的压实密度水平下可获得强度。
海绵铁是所有铁基自润滑轴承的基础原料,仍然占PM结构零件中铁粉用量的30%左右。
固态还原还用于使用氢作为还原剂的难熔金属粉的生产,以及通过减少轧机氧化皮(再次使用氢)来生产特种铁粉的方法。

水雾化
作为提高性能水平的一种手段,PM结构部件中的密度水平越来越高的趋势推动了海绵铁粉被水雾化制成的粉末所取代。
雾化包括通过撞击高能流体(液体或气体)射流而使稀薄的熔融金属流分解。水是雾化中最常用的液体。
水雾化铁粉还具有不规则的颗粒形状,因此具有良好的生坯强度。与海绵铁不同,单个粉末颗粒不包含内部孔隙,并且由于退火工艺的广泛发展,具有出色的可压缩性(请参阅“成型工艺”一节)。因此,水雾化粉末是在PM结构部件中寻求高生坯密度的选择材料。

有色金属粉末生产
惰性气体雾化
有色金属粉末可通过多种方式生产。其中最重要的是另一个雾化过程,这次使用惰性气体作为雾化流体。在惰性气体雾化中,产生的颗粒形状取决于固化之前表面张力作用于熔滴的可用时间,如果使用低热容气体(氮气和氩气最为常见),则该时间为产生扩展的球形粉末形状。
球形粉末在热等静压过程中特别有用,其中生坯强度不是问题,但容器中粉末的初始填充密度非常重要。

紧密耦合雾化
雾化喷嘴设计可提供自由下落或紧密耦合的雾化。在紧密耦合(或受限)雾化中,调整浇注喷嘴和雾化头的设计,以使气体射流和熔融流的撞击立即发生在喷嘴出口下方,几乎没有或没有自由下落的高度。雾化技术的这种变体已被证明对生产包括金属注射成型在内的各种应用的细粉特别有用。

等离子雾化
由PyroGenesis开发的等离子雾化工艺使用温度超过10,000°C的氩气等离子炬将钛和其他金属熔化并雾化成细小液滴。该方法的区别在于使用金属丝作为原料生产高流动性和非常纯净的球形金属粉末。这种方法可确保高水平的可追溯性,从而可应用于生物医学和航空航天领域。

离心雾化
“雾化家族”的另一个分支包括许多离心雾化过程。这种过程本质上有两种类型:在第一种类型中,使熔融金属杯高速旋转,或者使熔融金属流落到旋转的圆盘或圆锥上;在第二种类型,即旋转电极工艺(REP)中,金属棒旋转,自由端被来自钨电极的电弧逐渐熔化。如果涉及等离子弧,则该过程称为PREP(等离子旋转电极工艺),这是生产钛粉的主要候选方法。
还有其他一些具有应用领域的粉末生产技术。

电解
电解是生产金属粉末的一种手段,最常用于制造专门用途的铜粉。电解粉是按照电镀中使用的原理生产的,其条件改变为产生疏松的粉末状沉积物,而不是光滑的粘附性固体层。电解质中低的金属离子浓度,高的酸浓度和高的阴极电流密度有利于形成松散附着在阴极上的粉末沉积物。起始材料是纯金属阳极。

机械粉碎
可以在球磨机,锤磨机或磨碎机中将脆性材料粉碎成粉末。金属间化合物和铁合金通常以这种方式加工。作为此方法的变体,可以通过使固态合金与氢反应形成脆性氢化物来生产氢化物-脱水(HDH)钛合金粉末,然后将其粉碎和脱水,然后对Nd-Fe-B进行氢脆化磁性合金,会导致固态合金自爆。

羰基和化学转化
最后,有一系列的化学转化工艺,最主要的例子是用于生产精细镍粉或铁粉的羰基工艺。在此过程中,粗金属在压力下与CO反应生成羰基,羰基在反应温度下呈气态,但在升高的温度和降低的压力下分解以沉积金属。

其他化学转化过程包括:
用海绵将氯化铂铵热分解后制成的铂粉。
通过在压力下将镍盐溶液进行氢还原来制造镍粉的Sherritt-Gordon工艺。
通过从硝酸银溶液中添加还原剂,可以从可溶性盐(例如银)溶液中化学沉淀金属。

九、粉末混合加工
进行粉末冶金零件模压的粉末原料的混合或共混有两个原因:
以均匀的形式引入合金元素
模压原料通常由元素混合物组成,以保持尽可能高的可压缩性。使用这种方法意味着可压缩性由柔软的退火基础粉末(最常见的是铁)的可压缩性控制。使用完全预合金化的粉末将意味着合金添加量会增加初始颗粒的硬度和加工硬化率,从而降低可压缩性。、、

掺入加压润滑剂
流行的润滑剂是硬脂酸,硬脂酸,金属硬脂酸盐或其他具有蜡质性质的有机化合物。添加润滑剂的目的是减小压实过程中的摩擦力(从而使密度变化均匀),减小喷射力并使压实体中喷射破裂的趋势最小化。
通常在适当的混合容器中通过翻滚作用由初始成分产生均匀的混合物。混合容器通常具有双锥几何形状,但也可以使用其他容器形状(V,W或Y形截面)。
在硬质合金材料的特殊情况下,混合是在球磨机中进行的,以便用粘合剂金属(例如钴)涂覆单个的碳化物颗粒。由于涉及的非常细的粉末颗粒具有差的流动特性,因此随后将混合物制粒以形成附聚物。十、形成粉末冶金压块
就吨位数量和所生产零件的数量而言,由粉末材料制成产品的主要技术是模压。该成型技术涉及一个生产周期,包括:
1,用已知体积的粉末原料填充模腔,该粉末原料由填充靴提供
2,用冲头将粉末压入模具以形成压块。通常,压实压力通过工具箱两端的冲头施加,以减小压实体内的密度梯度水平。
3,使用下冲头从模具中挤出成型体
4,在下一个循环的填充阶段,使用填充靴从模具的上表面移除压块。
该循环提供了易于自动化的高生产率过程。但是,此路线提供的产品存在一些限制:
几何复杂度
可以传递的几何复杂度最好描述为“二维和半维”。径向方向(即零件的平面图)具有无限的复杂性;如果可以将形状切入模具,则可以在零件中成型。然而,在三维尺寸中,零件的轴向或厚度方向存在明显的局限性。
可以通过使用多个顶部和底部冲头来产生截面厚度的变化,并且可以通过在工具集中结合芯棒和心轴来在该方向上形成孔。但是,不能形成凹角特征,因为它们会阻碍零件从模具中弹出。长宽比
如果需要对密度变化进行可接受的控制,则零件的长宽比(长度与直径)将受到限制(约为3:1)。

尺寸和重量
零件的尺寸和重量受可用成型压力机的最大吨位容量(大约1000吨容量)的限制。2公斤 黑色的PM部分将被视为很大的一部分。

强度
常规模压零件的强度水平受产品中剩余孔隙率的影响而受到一定程度的限制。引入了一系列工艺开发,其中许多是标准压制/烧结工艺的改进,已经解决了这个特定问题。
已经开发出许多替代的成形工艺,它们试图克服这些限制中的一个或多个。

等静压
等静压可以解决所有四个限制,因为可以形成非常大的部件,可以实现的长宽比的唯一限制是由包含压制流体的容器的尺寸引起的,可以实现真正的三维几何复杂度并且可以进行全密度压实被交付。然而,与压模相比,所有这些都以显着增加成形周期时间和尺寸公差控制的局限为代价。
在等静压过程中,粉末在所有方向上都受到流体静压力的压实。该过程可以冷或热进行。

冷等静压(CIP)
在冷等静压制中,粉末被包含在通常由聚氨酯制成的柔性模具中,该模具浸入压力容器中并被泵入高压,该压力容器通常浸入液体(通常是水)中。

热等静压(HIP)
在热等静压中,压力介质是气体,通常是氩气。粉末容纳在金属罐中,该金属罐在压力容器中承受静水压力。通过HIP可以实现全密度,并且该工艺用于超级合金,高速钢,钛等,其中材料的完整性是主要考虑因素。
装罐过程是造成HIP成本的重要因素。因此,人们对“ canable HIP”处理非常感兴趣。如果粉末可以通过初步成型工艺(例如模压或CIP)固结到约92%以上的密度,则可以消除表面连通的孔隙,可以避免在随后的HIP工艺中气体渗透到零件中,并且可以完全致密化取得成就。
此方法的一种变体是Sinter-HIP,其中通过烧结获得所需的92%+密度,然后在同一容器中进行HIP固结。

分模压实
旨在增强PM零件的几何复杂性并引入形成凹角特征的能力的早期工艺开发是对模压的进化扩展,称为分模压实。在此过程中,对工具集进行了工程设计,以便在零件成型后,可以将模具在水平面内分开,从而使具有凹角特征的压坯在模具的两半之间弹出。

金属注射成型
但是,对扩展由粉末制成的零件的形状能力具有重大影响的过程是金属注射成型(MIM)。在MIM中,将粉末与有机粘合剂混合以生成原料,可以按照与用于注塑塑料零件的过程相同的方式将其注入模具中。从模具中释放生坯后,将其脱脂,然后烧结。
在该方法中可以保持紧密的尺寸公差,并且由于所用的细粉以及随之而来的高烧结活性,密度水平接近于全密度,因此可以实现高强度水平。而且,可以形成极其复杂的3维几何形状。但是,主要由于该过程的脱脂阶段所涉及的困难,MIM零件通常很小,并且带有薄壁部分。与压模零件相比,为100克。MIM部分将被认为是很大的。

十一、粉末冶金工艺中的烧结
烧结是应用于粉末压块以赋予强度和完整性的热处理。烧结所使用的温度低于粉末冶金材料主要成分的熔点。
压实后,相邻的粉末颗粒通过冷焊保持在一起,从而使压坯具有足够的“生坯强度”以进行处理。在烧结温度下,扩散过程会导致颈部在这些接触点处形成并生长。
在此“固态烧结”机制发生之前,有两个必要的先驱:
通过蒸汽的蒸发和燃烧去除加压润滑剂
从压粉中的粉末颗粒中还原表面氧化物。
这些步骤和烧结过程本身通常是通过明智地选择和划分炉内气氛并在整个炉内使用适当的温度曲线在单个连续炉中实现的。

烧结硬化
可以使用可以在冷却区中施加加速冷却速率的烧结炉,并且已经开发出可以在这些冷却速率下转变为马氏体显微组织的材料等级。该方法以及随后的回火处理被称为烧结硬化,近年来出现的一种方法具有提高烧结强度的主要手段。

液相烧结
瞬时液相烧结
在仅包含铁粉颗粒的压块中,固态烧结过程会随着烧结颈的增长而使压块产生一些收缩。但是,含铁PM材料的常规做法是添加细的铜粉,以在烧结过程中产生瞬时液相。
在烧结温度下,铜熔化,然后扩散到铁粉颗粒中,产生溶胀。通过仔细选择铜含量,可以平衡这种膨胀与铁粉骨架的自然收缩,并提供一种在烧结过程中尺寸完全不变的材料。铜的添加还提供了有用的固溶强化作用。

永久液相烧结
对于某些材料,例如硬质合金或硬质合金,采用了涉及永久液相生成的烧结机制。这种液相烧结涉及在粉末中使用添加剂,该添加剂会在基体相之前熔化,并且通常会形成所谓的粘合剂相。该过程分为三个阶段:

重排
当液体熔化时,毛细作用会将液体拉入孔中,并导致颗粒重排成更有利的填充排列

溶液沉淀
在毛细管压力较高的区域,原子将优先进入溶液,然后在化学势较低的区域(颗粒不紧密或不接触)沉淀。这被称为接触变平,以类似于固态烧结中晶界扩散的方式致密化系统。当较小的颗粒优先进入溶液并沉淀在较大的颗粒上导致致密化时,也会发生奥斯特瓦尔德熟化。

最终致密
化固体骨架网络的致密化,液体从有效填充的区域进入孔隙。为了使永久液相烧结切实可行,主相应至少略微溶于液相,并且“粘合剂”添加剂应在发生固体颗粒网络的任何重大烧结之前熔化,否则不会发生晶粒重排。

十二、粉末冶金材料的性能
结构粉末冶金部件的机械性能
通常用于结构或工程部件应用的材料的机械性能可归纳如下:
黑色粉末冶金材料
通过标准压模和烧结工艺加工的黑色粉末冶金材料在烧结后可提供的UTS水平高达900 N / mm²,在热处理或烧结硬化后可达1200 N / mm²。
这些压制和烧结的材料在烧结或经过热处理或烧结硬化后,还可提供高达约480 N / mm2的拉伸屈服应力水平或约1200 N / mm²的拉伸屈服应力水平。压缩屈服应力在高达约510牛顿/平方毫米稍高²如烧结或高达1250围绕N /毫米²热处理。
然而,这些非常显着的强度水平伴随着非常低的拉伸延展性(低于2%的伸长率水平是很典型的)。因此,常规压机/烧结体密度水平(最大7.1-7.2 g /cm³)的PM产品将不能用于可能在使用中产生总体可塑性的应用中。

粉末锻钢
粉末锻钢可提供高强度等级(经锻造的UTS可达950 N / mm²,经热处理的2050 N / mm²;经锻造的UTS可达650 N / mm²,经热处理的1760 N / mm²的拉伸屈服应力)的延展性较高(伸长率为5-18%)。

精钢
在冲压/烧结条件下,300系列PM不锈钢可以提供的UTS水平高达480 N / mm²,拉伸屈服应力高达310 N / mm²,压缩屈服强度高达320 N / mm²,但延展性水平要比低合金钢高得多。(> 10%伸长率)。

在烧结状态下,400系列PM不锈钢可以提供与300系列材料相似的性能。热处理马氏体不锈钢可以提高强度水平到最高达约720牛顿/毫米² UTS和拉伸屈服应力和640牛顿/毫米²压缩屈服应力,但在显着降低的延展性为代价(<1%伸长率)。

铜合金
按下并烧结Cu合金中可以提供相对适中的强度水平(高达大约240牛顿/毫米² UTS,140 N /毫米²拉伸屈服应力和170牛顿/毫米²压缩屈服应力),但具有比它们的亚铁同行高得多的延展性(伸长率10-20%)。

铝合金
压制和烧结铝合金可在烧结后提供高达200 N / mm 2的UTS,在热处理后可提供高达320 N / mm²的UTS,而在烧结后可提供高达170 N / mm²的拉伸屈服应力或高达320左右热处理后为N / mm²,但延展性水平很低(伸长率为0.5-2%)。疲劳强度
压制/烧结粉末冶金钢和粉末锻造钢都能提供显着水平的疲劳强度:
在烧结状态下,Press / Sinter PM钢在旋转弯曲加载模式下可提供高达320 N / mm²的疲劳极限,在轴向加载模式下可提供约270 N / mm²的疲劳极限(R =- 1,Kt = 1)。
热处理可以将这些值分别提高到大约540 N / mm²和460 N / mm²。

粉末锻钢在旋转弯曲载荷模式下可提供高达420 N / mm²的疲劳极限,在轴向载荷模式下可提供约360 N / mm²的疲劳极限(R = -1,Kt = 1)。
热处理可以将这些值分别提高到大约635 N / mm2和560 N / mm²。

[出处 – 微信公众号  粉末冶金 硬质合金及先进陶瓷展] 一文了解粉末冶金工艺 https://mp.weixin.qq.com/s/gTNExYVu-L4gId_nvvQ5Zg

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