粉末冶金制品的成形新技术.pdf

粉末冶金制品的成形新技术 朱则 刚 东风 汽车公司 ，湖北 十堰 4 4 2 0 0 1 摘要 粉末冶金技 术是 制取各种 高性 能结构材料和功能材料部件 的有效途径，随着这些部件 的 性 能和制造周期要 求提 高，粉末锻造 、粉末压 制 、粉末烧结硬化 、粉末温压 成形和粉末注射成 形等技 术领域 均有 了新的进展 。 关键词粉末 冶金；成形技 术；高性能材料 中 图分 类 号 T F 1 2 4 文献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 6 7 3 - 3 3 2 0 2 0 1 1 0 2 - 0 0 0 9 - 0 6 Some ne w For m i ng T ec hni ca l i n Po wde r Me t al Pr oduc t s Zhu Ze gan g D o n g f e n g Au t o C o r p o r a t i o n ， S h i y a n 4 4 2 0 0 1 ， Hu b e i ， C h i n a Abs t r a c t Powd e r me t a l l ur g y i s a n e f f e c t i ve wa y t o pr o d uc e h i gh pe r f or m a n c e s t r uc t ur e m a t e r i a l s a n d f u n c t i o n a l ma t e r i a l s p a ns ．W i t h t h e h i g h e r r e q u i r e me n t s o f p e r f o r ma n c e a n d d e l i v e r y t i me ， t h e r e a r e s o me n e w t e c h ni c a l d e v e l o pm e nt s i n a r e a s s uc h a s po wd e r f o r gi ng，p o wde r c o mpa c t i ng， po wde r s i n t e r i n g ， p o wd e r wa r lT l c o mp a c t i n g a n d p o wd e r i n j e c t i o n f o rmi n g ． K e y wo r ds p o wd e r m e t a l l u r gy； f o r mi n g pr o c e s s ； h i g h pe r f o r ma n c e ma t e r i a l 现 代 粉 末 冶 金 不仅 是 一 种 材 料 制造 技 术 ， 而且其本 身包含着材 料 的加工 和处理 ，并逐渐形 成 了 自身的材料制备 工艺理论 和材料性 能理论 。 粉末冶金 新技术 、新工艺 的应用 不但使传 统的粉 末冶金材料 性能得 到根本 的改善 ，而且使 得一批 高性能和 具有特殊性 能的新一代 材料相继产 生 ， 这些新材料 都需要 以粉 末冶金 工艺作为其主 要的 或唯一 的制 造手段 。现代 粉末 冶金技术 己发展成 为制取各种 高性能结构材 料 、特 种功能材料 的有 效途径 。传 统的粉末成 形技术工 艺复杂 ，致 密度 低 ，制件 的性能较差 。高新技术产 业 的迅猛 发展 对 粉末成形 制件 的性 能及 制造周 期提 出了更 高的 要求 ，促进 了人们对粉末 成形技 术的深入研 究 ， 先后 出现 了一些新工 艺、新技术 、新动 向， 目前 粉末成形技术的研究 已经取得 了很大 的进展 。 1 粉 末冶金 制品成 形新技 术 的应 用 金 属冶 金 粉 末 成 形 是 一种 节 能 、节 材 、 高 效 、 近 净 成 形 、少 污 染 的 先 进 制 造 技 术 ，在 超 导 材 料 、纳米材 料 、生物工程 材料 、超硬材 料等现 代 高新技术领 域 中得到广泛 的应用 ， 已进 入当代 材料 科学 的发展前沿 ，并朝 着高效 自动 化、高性 能、低成本的方 向发展 。 粉 末 冶金 是 一 种 制取 金 属 粉 末 ， 以及 采 用 成 形和烧结工 艺将 金属粉末 或金属粉末 与非金 属粉 末的混合物 制成制 品的工艺技术 。随着技 术 的发展 ，各种 新工艺相继 出现并得到广泛 的应 用 ，如温 压技术 、流动温压 技术 、动磁压制 和高 速压制技术等 。 粉末 冶 金 材 料 的种 类 有 粉 末 冶 金 多孔 材 料 、粉末 冶金减摩 材料 、粉末 冶金摩擦材料 、粉 末冶金 结构零件 、粉末冶金 工模具材料 、粉 末冶 金 电磁 材料和粉末冶金高温材料等。 粉 末 的 生 产 过 程 包 括 粉 末 的 制 取 、 粉 料 的 混 合 等步 骤 。为 改善 粉 末 的成 形 性 和 可塑 性 ， 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 7 。 作者简介朱则刚 1 9 5 6 一 ，男 ，工程师 ，主要从事汽车材料研究工作 。 z。 年 第 z期l 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通 常加 入汽 油 、橡 胶或 石蜡 等 增 塑剂 。粉 末在 5 0 0 ～6 0 0 MP a 压 力 下 ，压 成 所 需 形 状 。 在 保 护 气氛 的高温炉或真空炉 中进行 。烧 结不 同于金属 熔化 ，烧结时至少有一种元素仍处于 固态 。烧结 过程 中粉末颗粒间通过扩散 、再结 晶、熔焊 、化 合 、溶解等一系列的物理化学过程 ，成为具有一 定孔隙度的冶金产品 。一般情况下 ，烧结好 的制 件可直接使用 。但对于某些尺寸要求精度高 ，并 且有 高的硬度 、耐 磨性的制件还 要进行烧 结后处 理。后处理包括精 压、滚 压、挤压 、淬火、表面 淬火 、浸 油及熔渗等 。粉末冶金材料广泛应用 于 汽车 、摩托车 、纺织机械 、工业 缝纫机 、 电动工 具 、五金工具 、电器 、工程机械等各种粉末冶 金 铁铜基 零件 。 现 在汽 车 上应 用 的粉 末 冶金 零 件 生产 仍 以 冷模压一 烧结工 艺为主 。虽然其产 品 的精度 、复 杂程度 、性能稳定性和成本等方面均有长足 的进 步，但是较低的零件密度影响 了零件 的性能 ，特 别是力学性能的提高 。零件的几何形状复杂程度 也受到冷模压 的制约 。粉 末冶金新技术的 出现和 产 业化，对其在 汽车上的应用 起到 了重要的推动 作用 。北美H o e g a n a e s J q 发 了一种含硅高密度、高 性 能的铁基粉末 冶金材料 。制造 这种材 料的工艺 被称为An c o r ma x D工艺 ，能通过单次压制／ 烧 结 方法制造 出密度达7 ． 4 0 ～7 ． 4 5 g ／ c m 的铁基零件 。 An c o r ma x 工艺使用 了一种专有的压制润滑剂，模 具加热至6 0 ～7 0℃。其压坯强度 比传统冷压压坯 高2 0 ％～2 5 ％ 。 汽车 内燃 机 阀系统工作条件十分严酷 。气 门 头部温度一般 高达 8 0 0 - - 1 0 0 0℃，气 门阀座 的工 作温度 高达 5 0 0 8 0 0℃。现在大批量生产 的内燃 机都 已在使用特制 的粉末冶金 阀座 圈。该 阀座 圈 合金是一类无行业标准 、无 国家标准 、无 国际标 准的 “ 定制合金 ” ，属高密度 、高合金、耐腐、耐 蚀、耐热的烧结合金 。惟有采用粉末冶金 的方法 才能把耐热高强基体与硬质颗粒相 、固体润滑相、 导热合金等复杂成分综合于一体 。汽车发动机 中 使用 的阀座 圈合金， 9 0 ％以上是用粉末冶金技术生 产 的【 】 。 近年来 ，通过 不断引进 国外先进技 术与 自主 开发创新相 结合 ，中国粉末 冶金产业和 技术都呈 现 出高速发展 的态势 ，是 中国机械通用零 部件行 f 2 。 1 1 年 第 2 期 业 中增长最快 的行 业之 一 ，每年全 国粉末冶金行 业 的产值 以3 5 ％的速 度递增 。全球制造 业正加速 向中国转移 ，汽车行业 、机械制造、金属行业、 航空航天 、仪器仪表 、五金工具、工程机械 、 电 子家 电及高科技产业等 迅猛发展，为粉末冶金行 业 带来 了不可 多得 的 发展 机遇 和 巨大 的 市场 空 间 。另外 ，粉末冶金产业被 中国列入优 先发展和 鼓励外商投资项 目，发展前景广阔。 2 金属粉 末锻造技术 粉 末冶金和精密锻造都是通过模具及压力设 备加压 ，将 金属材料通过模压获得制 品的工艺 ， 粉 末冶 金 从工 艺 上 讲属 于精 密锻 造 。不 过用 粉 末冶金 生产 的产 品 比传统的精密锻造产 品精度更 高，一致性更好 。 粉 末锻 造 技术 于 1 9 6 8 年首 先在 美 国出现 。 由于粉末锻造机械零件 具有材料利 用率高、力学 性能好 、锻件尺寸精度 高和质量准确 ，大规模投 产可 以显著 降低制造成本等优 点，在许 多国家掀 起 开发粉末锻造零件 、材料与工业 生产技术 的热 潮 。 通过粉末预成形坯 的热锻得到 高密度 、高强 度 的零件 ，其典型实例 是P HF 发动机连杆 ，早 已 应用于各种汽车发 动机 上。与锻钢连杆相 比，其 质量明显变小。例如V _ 8 发动机、丰田T OYO T A 佳美轿车 1 ． 9 L发动机 ，以及福特汽车P HF 连杆等 应用。德 国宝马、瑞典V o l v o 、美 国通用等也都有 大量应用该工艺大批量 生产 高密 度、高强度 、高 尺 寸精度、三维复杂形状的零件 。 随着汽车工业 的高速发展 ，汽 车零部件将朝 着 高性能和 低成 本的方 向发展 。基于粉末冶金零 件 具有 的毛坯精 度高、材料利用率高 、质量偏差 小 、易于加工等传 统铸 锻件 所没有的材料特性 ， 因而在 汽 车上 的应 用 日趋 增 多 。粉末 冶 金锻 造 简称粉末锻造或粉 锻 是将常规的粉末冶金工 艺与精密锻造相 结合而 发展起 来的一项颇具竞争 力 的少 、无切 削工艺。粉锻 件不仅与精锻件一样 具有高精度 、高 强度 、高效 率的优 点 ，而且 由于 使用常规粉末冶金烧结件作 为锻造毛坯 ，可 以一 次锻造 成形和实现无飞边锻造 ，节省 了机加 工工 时和设备。 齿轮 传 动 是现 代机 械 产 品 中应 用最 广 的一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金制 种机械传动 。这是 因为它能保证恒 定 的传动 比， 具有传动功 率范 围大 、效率高 、寿 命长等优 点 。 不足之处是 齿轮 的生产成 本高 、制 造与安装精度 高 。而用粉末 冶金工 艺制造 的齿轮恰 恰可大 幅度 降低生产成本 ，保证齿轮 的形位与 尺寸公差 的一 致性 。与用硬模 铸造 、灰铸 铁件 、锻 轧材料 、锻 件 等机械加工 、冲压 、挤 压、精密铸 造等制造 的 齿轮相 比，粉末 冶金齿轮有 一系列 的优 点 。但 由 于各种制造 因素 上 的考虑 ，粉 末冶金 齿轮 的应用 受到 了一些 限制 。当前用粉末 冶金法 可制造 的齿 轮 主要种类有 正齿轮 、直 齿伞齿轮 、螺旋伞齿 轮 、棘 轮型齿轮 、偏轴伞齿轮 、斜齿轮 、齿轮组 件 、链 轮 。 粉 末 冶 金 齿轮 的重 复 性 非 常好 。 因为 粉 末 合金齿轮 是用模具压 制成形 的，在正常使用 条件 下 ，一 副 模 具 约可 压 制 几万 至 几 十 万件 齿 轮 压 坯 。用 机 械 加 工 法 制 造 齿 轮 时 ， 要 使 每 件 齿 轮 的 形 状 、尺 寸 均匀 一 致 是 十分 困难 的 。机 械 加 工 中 的各 种 变 量 ，如 切 削 刀 具 的磨 损 、 加 工 装 置 刚 性差 、齿轮 坯的硬度 不同及机床 的轴承 问隙不同 等 ，这些都会 使制造 的齿轮形状 、尺寸不一样 。 粉末冶金法 可将几个零件 一体化制 造 ，从而可 省 下 后续 的处 理与 组 装 费用 。用 粉末 冶 金 法 制造 多联齿轮和 复合齿轮 时，可将齿压 制到全高直接 毗连邻接齿轮 的拐角处 ，这是一般机 械加工 ，如 铣 、刨或滚齿 都难 以做 到的 。粉末 冶金齿轮 的噪 声 比锻造材料 小 。用齿轮 噪声试验机 试验 的结 果 表 明，粉末冶 金齿轮 比普通钢 制齿轮 的噪声等级 小【 。 三 十 多年 来 ，粉 末锻 造 技 术 与 粉 末 锻造 零 件 ，不断发展 完善与推进产 业化 ， 由各 国汽车 实 际使用 的结果表 明 ，粉末锻造 零件 的可靠性高 、 技 术 经济 效 益 显著 。因此 今 后 1 0 年 ，全 球 大部 分汽 车厂家将进 一步推广应 用粉末锻造 连杆等零 件 。欧 、美 、 日本 已经相继 建立高效 率、高质量 粉末 锻造 自动 生产线 ，并纷 纷在新 型号发动机和 新车 型 上 使 用 粉 末 锻 造 连 杆 。 据 日本 专 家 分 析 预 测 。当 今采 用 粉 末锻 造 工 艺 技术 制 造 汽 车零 部 件 日益增多 ，诸 如 自动变速箱 转换离合 器 内、外 环 ，超 越离合器 外环 ，锁定转 换器毂 、 内环及单 向 内凸轮 ，载重 车 自动变速箱 内齿环 、单 向离合 器 内外环 ，货车变 速箱 同步环 ，轻型 车四轮驱动 分动 箱齿轮等 。汽 车工业进一 步推广应用粉末锻 造零件，其使用量可达 1 0 ～2 0 k g ／ 辆 。 3 金 属粉 末压 制技术 高速 压制 技术是瑞典的Ho a g a n a s 公司在2 0 0 1 年6 月推介 的一 种新 技术 。高速 压制 法是 利用液 压 冲击 机 高速 锤 产 生 的冲 击 波压 制 粉末 成 形 。铁基制 品的密度达7 ． 5 g ／ c m3 ，抗拉强度可提 高2 0 ～2 5 ，可 经济 地生 产重 达l 0 k g 的大型 部件 。高速压 制生产零件 的过程和传 统的压制过 程 工 序 相 同 。 混 合 粉 末 加 进 送 料 斗 ， 通 过 送 粉 靴 自动 填 充 模 腔 压 制 成 形 ， 之 后 零 件 被 顶 出并 转 入 烧 结 工序 。所 不 同 的是 高速 压 制 的压 制 速 度 比传 统压制快5 0 0 ～1 0 0 0 倍 ，压机锤头速度 高达 2 ～3 0 m／ s ， 液 压 驱 动 的锤 头 重 达 5 ～ 1 2 0 0 k g ， 粉末 在0 ． 0 2 s 2 _内通 过高 能量冲击 进行压 制 ，压 制 时产 生强烈 的冲击波 ，通过 附加 间隔0 ． 3 S 的多 重冲击 能达到更 高的密度 。高速 压制技术具有 高 密 度 、 高性 能 、低 成 本 、 高生 产 率和 可 成 形 大 零件 的特 点 ，适用 于制造 阀座 、气 门导管 、主轴 承盖 、轮 毂、齿轮 、法兰 、连杆及 轴承座 圈等产 品。目前 正在继续研 究生产更复杂 的多级部件 。 流 动 温 压 技 术是 在 粉 末 压制 、温 压 成 形工 艺 的基 础 上 ，结 合 金 属 粉 末 注 射 成 形 工 艺 优 点 的 一 种新型粉 末冶金零 部件 近净成形技 术 。其关键 技 术 是提 高 混合 粉 末 的流 动 性 。通 过 提 高 混合 粉末 的流动 性 、填充 能力和成形性 ，从而可 以在 8 O ～ l 3 O℃温度 下 ，于传统 压机上精密 成形具有 复杂几何外 形 的零件 ，如带有与压 制方 向垂直 的 凹槽 、孔和 螺纹孔 的零件 ，而不需要其 后的二次 机加工 。该技术既克服 了传统粉末冶金 在成形复 杂几何形状 方面 的不足 ，又避免 了金属注 射成形 技术 的高成 本 ，是一项极 具潜力 的新技 术 ，具有 非常广 阔的应用前景 。流 动温压技术作 为一种新 型粉末冶金 零部件近净成 形技术 ，其 主要特 点如 下 可成形 具有复杂几何 形状 的零件 ；压坯密度 高 、密 度 均匀 ；对 材料 的适 应性 较 好 ；工 艺简 单 ，成 本 低 。 动 力 磁 性压 制 技 术 是美 国研 究 的 一种 新 型 高性能粉末 最终成形压制技 术 。该技术采 用脉冲 调制 电磁场 施加 的压力来 固结粉末 。与传 统的粉 末 冶 金 压 制 工 艺 一 样 ，动 力 磁 性 压 制 也 是 两 维 压 z 。 年 第 z 期 l 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 制工艺，但 却是径 向压 制而不是轴 向压制 。将粉 末装入～个 导电的容器 护套 内，置于高场强 的心腔 ，线圈通入 高电流 脉冲 形成磁 场 ，护套 内 因而产生感应 电流 。感应 电流 与施加 的磁场 相互 作用 ，产 生 由外 向内压缩护套 的磁 力，使粉末得 到压制 ，整个压制过程 的时间不足 1 ms 。动 力磁 性压制技术具有 以下特 点由于不使用模 具，因 而可达到更 高的压制力 ，维修与生产成本更低 ； 在任何温度与气氛均可施加压力 ，且适合所有材 料 ，工作条件更灵活 ；不使用润滑剂与粘结剂 ， 有利于环境保护 。 目前 ，许多动磁压制 的应用 已 接近工业化阶段 。该技术适用于制造柱形对称 的 终形 件 、薄壁 管 、 高纵 横 比部件 和 内部 形状 复 杂 的部件 。现 可 以生产 1 2 ． 7 mm7 6 ． 2 mm到 1 2 7 ． 0 mm2 5 ． 4 mm的部件。 爆 炸压制又称冲 击波压制，是利用化学能的 一 种 高能成 形方法 。它通 常将 金属粉末材料置于 具有一 定结构 的模具 并施加爆炸压 力，爆炸物质 的化学 能在极短 的时间 内转化 为周 围介质的高压 冲击波 ，并 以脉冲波 的形式作用 于粉末 ，使其获 得高密度 。作用 时间仅 为1 0 ～ 1 0 0 u s ，粉末成形 时间为 1 ms 左右 。爆炸压 制方法是 一种独特 的加 工方法 ，可使松散材料达到理论密度 ，能将不适 合传统压力加工的材料制造成零件 ，可使传统 的 不可压缩的金属陶瓷材料 、低延性金属等压制成 复合材料 。典型的应用是将高温 合金粉末用于成 形飞机发动机的耐高温零件。 4 金属粉 末烧结硬 化技术 烧 结 硬 化工 艺是 在烧 结冷 却阶 段产 生马 氏 体相变 的一种工艺 。近年来 ， 已研 发生产 多种 用 于烧结硬化 的低合金钢粉 ，使得 在烧 结炉冷 却带 发生马 氏体相变成 为可 能。用于烧 结硬化 的钢 粉 应用较广的是预合金化 的低合金钢粉 ，含有锰 、 镍 、 钼 或 铬 等 合 金 元 素 ， 以 改 善 烧 结 钢 的 淬 硬 性 。1 9 8 1 年 日本丰 田汽车公司宣 布，世 界第一个 由粉末冶金技术制成的粉末烧结结合 中空整体 凸 轮轴 已大量用于I S 型直列式四缸发动机 ，在世界 粉 末冶金史上揭 开 了新的一页，为粉末冶金零件 在汽车工业中的应用开创 了新天地。 粉末烧 结整体 中空 凸轮轴 是 由 8个 凸轮 片 ， 5个轴颈 、 1 个齿轮 、 2个燃料泵 凸轮 、 1个前轴颈 、 J z。 年 第 z期 1根钢管，共 1 8个零件组合烧 结而成 。粉末烧 结 整 体中空 凸轮 轴的制造工 艺 将预烧 结和模锻 的 粉末 凸轮片、齿轮 、轴颈嵌入或压入钢管轴 ，再 对粉末 凸轮进行正式烧结 1 1 0 0℃、 3 0 mi n ，分 解氨 ； 同时 以纯铜 为钎料 ，将轴颈 、齿轮钎焊在 钢管轴上。烧 结时，粉末合金中的F e - P - C组分生 成液相 ，使 凸轮片产生收缩和扩散粘结于钢管轴 表面 。矫直 、检验 后，经精加工 即制成烧结 中空 整体 凸轮轴 。烧 结中空整体 凸轮轴与铸铁 凸轮轴 相 比质量减轻了 2 6 ％ 0 ． 9 k g ； 实际发动机的电动 回转试验表 明，烧 结合金 凸轮的磨损仅为原用冷 硬铸铁 的 1 ／ 7 ； 烧结合金 凸轮的外形接近最终形状 ， 磨床加工量 小 ，因此 ，凸轮 磨床可减少 2 0％； 不 需要钻油路 ，钢管轴 内孔 可用作发动机 油的主通 路 ，由汽缸组供给 凸轮 、轴颈 、燃料泵 凸轮及驱 动 齿轮 的分配器 ，并通过轴颈将油供给余 隙调节 器 ，因此不再需要输油管 ，润滑系统可大大简化， 凸轮轴 的机械加工量可大大减小。 加拿 大魁北克金属粉末 公司生产 的A T O ME T 4 6 0 1 、4 7 01 、4 8 0 1 低合金 钢粉 都可作 为烧 结硬 化钢粉 。在密度约6 ． 8 g ／ c m， 时可 以得到表观硬度 3 0 4 5 HRC和抗拉 强度7 0 0 9 5 0 MP a 的综合性 能 。为满足烧 结硬化 工艺的要求 ，对 烧结炉的结 构尺寸作相应 的设计调整 ，使其 能在 高温烧 结后 达到要求 的冷却速 率 。用A T OME T 4 7 0 l 基 体粉 开发 了电动工 具用 的一组6 个 高速 、高扭矩 、低 噪声齿轮 ，可 降低生产成本约3 O ％。Ma s c o T e c h S i n t e r e d Co mp o n e n t s 改造 了生产线 ，只保 留成 形、烧 结两道工序 的成形和烧结硬化 生产线 ，大 大 降低 了生产成本 。现 己生产 了数 以百万计 的汽 车分动箱链轮f 3 ] 。 放 电等离子烧 结技术集粉末成形和烧结于一 体 ，不 需要预 先成 形，也不需要任何添加剂和粘 结剂 。主要是利用外 加脉冲强 电流形成的 电场 ， 清除粉末颗粒表面氧 化物和吸附的气体 ，净化材 料 ，活化粉末表面 ，提高粉末表 面的扩散能力， 再在较低机械压力下利用 强电流 短时加热粉体进 行烧 结致密 。有关研 究表 明，该技术 由于场 活化 等作用在较大程度上 降低 了粉体 的烧 结温度 ，缩 短 了烧 结 时 问 ，并 充 分利用 粉 末 自身 的发 热作 用 ，热效率极高 ，加热均匀 ，可通过一次成形获 得 高精度 、均质 、致密 、含氧量低和 晶粒组织细 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 小的零件 。 目前 ，放 电等 离子烧 结技术研 究对 象 主要集 于陶瓷 、金属陶 瓷、金属 间化 合物 、复合 材料 、纳米材料及 功能材料 等 ；在制 备和成形 非 晶合金 、形状记忆 合金 、金 刚石等材 料方面也作 了不少尝试 ，并得到 了较好 的结果 。 5 金属粉 末温压 成形 技术 所 谓温压技术 就是采用特 制 的粉末 加温 、粉 末输送和模 具加热系 统 ，将加 有特殊润滑 剂的预 合金粉末 和模具等加热 至1 3 0 ～ l 5 0℃，并将温度 波动控制在 2 ． 5℃以内，然后和传 统粉末冶金工 艺一样进行 压制 、烧 结而制得粉 末冶金零件 的技 术 。 在 众 多 为提 高粉 末 冶 金件 密度 的生 产 方 法 中。温 压成 形技术被认 为是最为经 济的一种新 工 艺。数家 国际知名 的粉末 冶金公 司各 自推 出受到 专 利保护 的温 压技术 。温 压技术 是采用混有特 定 润滑剂和粘结剂 的金属粉末在 l 0 0 43 0 0℃温度 下 压制 ，通过一 次压制和一 次烧结使零件 密度提 高 到理论 密度 的9 2 ％～9 5 ％，而成 本增加较小 。温 压成 形的工 艺过程是将混有 温压专用 润滑剂和 粘 结剂 的粉末加热至 1 3 0 4 1 5 5℃，然后在加热 到上 述温度 的模具里压制成形 。 温 压 工艺特 点是工 艺简 单 ，生产 成本 低廉 ， 可直接 机加 工生坯 ，生坯强度 提 高 1 0 0 ，拉伸 强度提 高 2 0％～3 0 ，超过 2 0 MP a ，可 在烧 结 前进行机 加工 。研 究表 明，假如一次压 制、烧 结 的普通粉末冶金工艺 的成本为 1 ． 0 ，则粉末锻造 的 相对成本 为 2 ． 0 ，复压复烧 的相对成本 为 1 ． 5 ，渗 铜 的相对成 本 为 1 ． 4 ，而温 压技术 的相 对成 本 为 1 ． 2 5 。其产品包括 螺旋齿轮 电动工具 、泵轮 、 连杆 、凸轮 、链轮 、同步器毂 、螺旋齿轮 变速 箱 、软磁零件 。 温 压 工 艺 对 粉 末 性 能 有 一 定 的 要 求 ， 如 An c o r d e n s e 温压工 艺限定为 高压缩 比的水雾 化铁 粉 。专 利 化 的润 滑 剂 是 一种 复 合 的 酰胺 基 蜡 。 低 熔点 的单酰胺在温压温 度下熔 化 ，起液体 润滑 作用 ； 二 酰 胺 和 聚 酰 胺 有 较 高 的熔 点 ，可 起 固 体 润滑 剂 的作用 。烧结前采 用低温预烧 ，将润 滑剂 脱除 ，否 则将 导致最终烧 结密度低 于温压压 坯密 度 。 温 压 成形 工 艺 技 术 关 键 一 是温 压 粉 末 制 备 ，二是温压 系统 。与传统 工艺相 比，温压 成形 的压 坯 密 度 约 有 0 ． 1 5 ～0 ． 3 0 g ／ c m3 的 增 幅 ，其 密 度 可 达 7 ． 4 5 g ／ c m 。在相 同 的压 制 压 力 下 ，温 压材 料 的屈服 强度 比传统 工艺平均高 1 1 ％，极 限拉伸 强 度 平均 高1 3 ． 5 ％，冲击 韧度可提 高3 3％。另外 ， 温 压零件的生坯强度高 ，可达2 O ～3 0 MP a ，比传 统方法 提高5 0％～1 O 0 ％，不仅 降低 生坯 搬运过 程 的破 损 率 ， 而 且 能对 生 坯 进 行 机 加 工 ，表 面 粗 糙度 低 。此 外 ，温压工 艺的压制压力低和 脱模力 小， 同时零件 性能均一 ，产 品精度 高，材 料利用 率高。 温压成形技术是 2 0世纪粉末冶金的一项重要 技术进步 ，已应用于 生产 。德国S i n t e r s t a h l G mb H 用温 压 技术 生产 出复 杂 的摩 擦传 动用 同步齿 环 ， 综合 成本 降低 3 8 ％。法 国F e d e r a l Mo g u l 烧 结公 司采用温压技术生产质量 3 5 0 ～6 0 0 g 连杆，价格 L L P HF 连杆低 。美 国C h i c a g o P o wd e r e d Me t a l 公司 用温压工 艺生产 电力机车发动机用 齿鼓零件 ，质 量达 1 ． 1 k g ，密度 7 ． 3 g ／ c m 瑞典Ho g a n a s 公 司 温压Ni Cu Mo 钢粉 制造 的变速 箱零 件 ，密度 为 7 ． 2 5 ～7 ． 3 5 g ／ c m3 ，用于重载车 如公共汽 车和大 卡车 ； 华南理工大学于 2 0 0 1 年研制成功高性能斜 齿轮和 薄壁气 门导筒 ； 美 国福特 卡车变速 箱上 的 转矩 涡轮毂 ； 日本 日立粉 末金属 公司生产 的小节 锥 、半角斜伞齿轮 。 温 压 技 术 是粉 末 冶 金 领 域近 几 年 发 展起 来 的一项新 技术 ，可生产 出高密度 、高强度零件 ， 具有非常广泛 的应用前景 。 目前 ，采用温 压技术 生产 的粉末 冶金零 件 已达2 0 0 多种 ， ， 零 件质 量在 5 ～ 1 2 0 0 g 。例如采用 了扩散合金化 的烧结硬压粉 末 ，最低抗 拉强度 为8 5 0 MP a 。 由于使用 了温 压 技术 和采用粉末 冶金零件 ，使得综合成本 降低 了 38％ 6 金属粉末注射成形技术 喷射成 形通称雾化沉 积 ，是用快速凝 固方法 制备 大块致密 金属材料 的粉末冶金技术 ，是制备 三维复杂形状的金 属和 陶瓷零件 的近终成形技术 ， 是制取各种金属和 陶瓷高性能零件 的高效、节 能、 节 材 、环 保 友好 、低成 本 、大批量 生产 的工 艺 。 喷射成 形把液态金 属的雾化 快速 凝 固和 雾化 熔滴 的沉积 熔滴 动态致密 固化 结合起 来，在 2。 1 1年 第 2 期 I 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 步冶金操作 中完成 。它直接 从液态金属 制取具 有快速凝 固组织特征 、整体致 密、接近零 件实际 形状 的高性 能材料 。通过 改变熔滴射流与沉积器 的相 对位置和沉 积器 的运动形 式 ，可 以得到盘 、 柱 、 管 、环 、板 、 带 等 不 同形 状 的近 终 形 坯 件 。 如果采用两种不 同合金雾化射流可 以制备 复层 的 双性能材料 坯件 。采用注入增强颗粒雾化共沉 积则可 以制备颗粒增强金属基复合材料 。 该技术通 常采用小于2 0 u m的细粉 与高分子 聚合物为基的粘结剂加热混合均匀 ，混合料经制 粒成注射 料。注射料 在注射成形机 内加热塑化状 态下，具有 良好的流变性，所 以能在压力下注入 形状十分复杂的模 腔。采 用化学和加热分解等方 法将 生坯 的粘 结剂脱 除，而后高温烧 结致密化成 零件 ，一般 不需要或只进 行少量的后 续机加工 。 其 基本 优 点是 复杂形 状 零件 、低 成 本和 高 性 能，在零件 生产量大和高 复杂程度 时独 占优 势 。 现在工业生产 的产 品按材料所 占百分比大致是 铁和钢2 l 、不锈钢2 1 ％、工具钢3 、难熔金属 3 ％、硬质合金1 0 ％、氧化铝和氧化硅2 2 ％、共价 陶瓷7 ％、精美瓷器2 、氧化锆3 ％和其他特殊材 料9 ％。 金属粉末注射成形 技术是 1 9 8 0 年代初期新 发 展起 来的特 殊粉 末冶金技术 ，可 以大量制造小型 精密机械 零件，能制造 用常规模压粉末成形无法 制造 的复杂形状 结构，如带有螺纹、交叉孔 、锐 角 、多台阶、薄壁 、翼形 等制品 ，可达到材质各 向同性 ，并有更高的材质密度 9 3 ％～1 0 0 理论 密度 和 强韧性 。其产 品的显微 结构 均匀精 细， 性 能各 向同性 ，密 度 又接 近理 论 密度 ，所 以性 能一般优于其他工艺制得 的产 品。用金属粉末注 射成形制造 的精密零件 ，在汽车 、化工 、航空航 天、商业设备 、计算机硬件 、电子通讯 、生物 医 疗、军事领域有许多新的应用 金属粉末注射成形技术一经 问世 ，在美 国、 日本 、西欧得到竞相 开发应用 ，现正在发展 、完 善，推进产业化，产值年增长率达1 O 0 ％左右 。 目 前 ，金 属高温粉末注 射成形制品还限于小型精密 零件 ，但其应用面很 大。据 美国有关方面调查 ， 这类 小型 零件 的市场 约为 1 5 O 0 亿美元 。粉末注 射成形 的单件质量 己从几克 、几十 克向公斤 级发 展 ，应用前景十分宽广 。现在 ，主 要产 品有汽车 2 0 1 1 年第2 期 发 动机摇 臂、燃 油喷射系统 、摩托车 、柴油机 涡 轮 增压 器、割草机 、照相机 、商业机械等零件 ， 以及牙 齿矫 正托架 、轻武器零件 、切 削工具 、微 电子组件 、手表 壳带、外科手术工具 、计算机盘 驱动装置 、泵锁 、理发推子、电气接插件等。 7 结语 粉 末 冶金 是 一项 重 要 的零 件 成形 技 术 。粉 末冶金材料不仅在汽 车、航天、军工等产业 中必 不可少 ，而且在 电冰箱 、洗衣 机 、空调等家用产 品上也大量应用 。粉末 冶金新技术 、新工艺的不 断 出现 ，必将促进 高技术产业 的快速 发展，也将 带给材料工程和制造技术光 明的前景。 目前，我 国粉末冶金行业整体技术水平低 下，工艺装 备落 后 ，与 国外先进技术水平相 比存在较 大差距 。因 此 ，大 力发展粉末冶金新技术 的研究 ，对提 高我 国粉末 冶金产 品的档次和技术水平 ，缩短与 国外 先进水平 的差距具有非常重要的意义。 参考文献 [ 1 ] 黄培云． 粉末冶金 原理 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 】 黄培云， 金展鹏， 陈振华． 粉末冶金基础理论与新技术[ M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 1 0 ． [ 3 】 刘军， 余正国． 粉末 冶金与 陶瓷成型技 术[ M】 ． 北 京 化学工 业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． 【 4 】 王盘鑫． 粉末冶金学【 M】 ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 7 ． 铸造小知识 必须 扔掉烧 干砂 去除微 粉 。在 铸造 工厂 里 ，如 果不特 别注 意砂子 中被烧 干 的砂 子微 粉 ，型砂中的微粉会增加 ，使黏土 的粘结性降 低 。型砂 中没用的水分增加又使型砂的透气性 下 降。所 以要尽量去除干的微粉 。砂子一接触 到高温的铁水就会失去结 晶水，变成烧干砂， 外观上虽具有砂粒形状 ，但一受到压力，就会 崩坏成微粉 。所以，最好是每天浇注作业后仔 细用铲子铲掉烧焦变色的烧干砂，把它扔到厂 外去。如果舍不得扔掉，型砂就会渐渐老化 ， 废品率就会增加 。在中国，铸件不 良9 0 ％是型 砂中微粉多造成 的。办法只有去除型砂中的微 粉，补充新砂子。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m