粉末冶金的優(yōu)缺點(diǎn)及其技術(shù)
 粉末冶金工藝的優(yōu)點(diǎn)： 1、絕大多數(shù)難熔金屬及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法來(lái)制造。 2、由于粉末冶金方法能壓制成最終尺寸的壓坯，而不需要或很少需要隨后的機(jī)械加工，故能大大節(jié)約金屬，降低產(chǎn)品成本。用粉末冶金方法制造產(chǎn)品時(shí)，金屬的損耗只有1-5%，而用一般熔鑄方法生產(chǎn)時(shí)，金屬的損耗可能會(huì)達(dá)到80%。 3、由于粉末冶金工藝在材料生產(chǎn)過(guò)程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩堝和脫氧劑等帶來(lái)的雜質(zhì)，而燒結(jié)一般在真空和還原氣氛中進(jìn)行，不怕氧化，也不會(huì)給材料任何污染，故有可能制取高純度的材料。 4、粉末冶金法能保證材料成分配比的正確性和均勻性。 5、粉末冶金適宜于生產(chǎn)同一形狀而數(shù)量多的產(chǎn)品，特別是齒輪等加工費(fèi)用高的產(chǎn)品，用粉末冶金法制造能大大降低生產(chǎn)成本。 粉末冶金工藝的基本工序是： 1、原料粉末的制備�，F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類(lèi)：機(jī)械法和物理化學(xué)法。而機(jī)械法可分為：機(jī)械粉碎及霧化法；物理化學(xué)法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應(yīng)用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。 2、粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強(qiáng)度。成型的方法基本上分為加壓成型和無(wú)壓成型。加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型。 3、坯塊的燒結(jié)。燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過(guò)燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機(jī)械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。對(duì)于單元系和多元系的固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低；對(duì)于多元系的液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點(diǎn)低，而高于易熔成分的熔點(diǎn)。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。 4、產(chǎn)品的后序處理。燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機(jī)加工、熱處理及電鍍。此外，近年來(lái)一些新工藝如軋制、鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。 粉末冶金材料和制品的今后發(fā)展方向： 1、有代表性的鐵基合金，將向大體積的精密制品，高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件發(fā)展。 2、制造具有均勻顯微組織結(jié)構(gòu)的、加工困難而完全致密的高性能合金。 3、用增強(qiáng)致密化過(guò)程來(lái)制造一般含有混合相組成的特殊合金。 4、制造非均勻材料、非晶態(tài)、微晶或者亞穩(wěn)合金。 5、加工獨(dú)特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件。
缺點(diǎn)：
1:在沒(méi)有批量的情況下要考慮 零件的大小.
2:模具費(fèi)用相對(duì)來(lái)說(shuō)要高出鑄造模具.
粉末冶金(P/M)技術(shù)是一門(mén)重要的材料制備與成形技術(shù)，被稱(chēng)為是解決高科技、新材料問(wèn)題的鑰匙…。高性能、低成本、凈近成形一直以來(lái)是粉末冶金工作者重要研究課題之一。粉末冶金法能實(shí)現(xiàn)工件的少切削、無(wú)切削加工，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、精密、低耗節(jié)能制造零件的先進(jìn)技術(shù)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代許多行業(yè)，特別是汽車(chē)工業(yè)比以往任何時(shí)候更加依賴(lài)于粉末冶金技術(shù)，盡可能多地采用粉末冶金高性能的零部件是提高汽車(chē)尤其是轎車(chē)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力的一種有力手段。高密度的P/M產(chǎn)品是保證其具有優(yōu)異的力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。因此，為擴(kuò)大粉末冶金P/M零部件的應(yīng)用范圍，必須提高其密度以獲得力學(xué)性能優(yōu)異的粉末冶金零部件。目前，常用來(lái)提高P/M零部件密度的技術(shù)途徑主要有：壓縮性鐵粉的應(yīng)用、復(fù)壓復(fù)燒、浸銅、高溫?zé)Y(jié)、粉末熱鍛等等。
由于這些工藝存在著不同程度的成本和工件尺寸精度保證困難等技術(shù)問(wèn)題，使本富于競(jìng)爭(zhēng)力的粉末冶金零件的潛力難以得到充分發(fā)揮。而流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)的發(fā)展使之成為提高P/M零件密度的有效途徑。
1.流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)的發(fā)展
1.1溫壓技術(shù)的發(fā)展
20世紀(jì)80年代末，Hoeganaes公司的Musella等人為提高零件密度，在擴(kuò)散粘結(jié)鐵粉制備工藝的研究基礎(chǔ)上，將粉末和模具加熱到一定溫度進(jìn)行壓制，開(kāi)發(fā)出一種所謂溫壓的新工藝，即ANCORDENSE工藝。溫壓工藝就是采用特制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將混有特殊聚合物潤(rùn)滑劑的金屬粉末和模具加熱至130~150℃，然后按傳統(tǒng)粉末壓制工藝進(jìn)行壓制和燒結(jié)以提高壓坯密度的新方法據(jù)資料分析，雖然溫壓工藝比常規(guī)的一次壓制燒結(jié)工藝的相對(duì)成本提高了20%，但比滲銅工藝、復(fù)壓燒結(jié)工藝、粉末熱鍛工藝分別降低了20%、30%和80%的成本，開(kāi)拓了粉末冶金應(yīng)用的潛力。因而被譽(yù)為“開(kāi)創(chuàng)粉末冶金零件應(yīng)用新紀(jì)元的一次新型制造技術(shù)”，為零部件在性能和成本之間找到一個(gè)理想的結(jié)合點(diǎn)，也被認(rèn)為是進(jìn)人90年代以來(lái)粉末冶金零件生產(chǎn)技術(shù)方面最為重要的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步"。目前，在粉末制備、工藝優(yōu)選、溫壓及燒結(jié)行為、致密化機(jī)理等方面均進(jìn)行了廣泛的研究，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
1.2金屬注射成形技術(shù)的發(fā)展
金屬注射成形MIM(Metal Injection Molding)是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成形工藝相結(jié)合而形成的一門(mén)新型近凈成形技術(shù)。最早可追溯于20世紀(jì)30年代開(kāi)始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制備，隨后的幾十年間粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1979年，由Wiech等人組建的Parmatech公司的金屬注射成形產(chǎn)品獲得兩項(xiàng)大獎(jiǎng)，以及當(dāng)時(shí)的Wiech和Rivers先后獲得專(zhuān)利，粉末注射成形才開(kāi)始轉(zhuǎn)向以金屬注射成形為主導(dǎo)。
1.3流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)的產(chǎn)生
金屬粉末注射成形技術(shù)適用于大批量制造具有復(fù)雜幾何形狀、高性能、高精度的零件，在產(chǎn)業(yè)化方面也取得突破性進(jìn)展。但該工藝在粉末中需要加人較多的粘結(jié)劑，粉末需用≤10um的超細(xì)近球形粉，從混料到脫脂、燒結(jié)，工序較復(fù)雜，工藝要求嚴(yán)格，特別是需要較長(zhǎng)的脫脂和燒結(jié)時(shí)間，造成制造成本往往偏高。流動(dòng)溫壓成形(WFC：Warm Flow Compaction)正是在金屬粉末溫壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合了金屬粉末注射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)加人適量的粗粉和微細(xì)粉末以及加大熱塑性潤(rùn)滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動(dòng)性、填充性和成形性¨。由于在壓制時(shí)混合粉末變成具有良好流動(dòng)性的粘流體，既具有液體的優(yōu)點(diǎn)，又有很高的粘度，并減小摩擦力，使壓制壓力在粉末中分布均勻，還得到了很好的傳遞。這樣，粉末在壓制過(guò)程中可以流向各個(gè)角落而不產(chǎn)生裂紋，從而使密度也得到了很大的改善。該技術(shù)由德國(guó)Fraunhofer先進(jìn)材料與制造研究所(IFAM)于2001年首次報(bào)道。
流動(dòng)溫壓可以在80~130℃溫度下，在傳統(tǒng)壓片機(jī)上精密成形形狀非常復(fù)雜的工件，如帶有與壓制方向垂直的凹槽、孔和螺紋孔等的復(fù)雜工件，而不需要其后的二次機(jī)加工。WFC技術(shù)既克服了傳統(tǒng)冷壓在成形復(fù)雜幾何形狀方面的不足，又避免了注射成形技術(shù)的高成本，是一項(xiàng)極具潛力的新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
流動(dòng)溫壓工藝幾乎適用于所有的粉末體系，但最適合于成形低合金鋼、Ti以及WC、Co等硬質(zhì)合金粉。
2.流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)的特點(diǎn)
流動(dòng)溫壓工藝是在溫壓工藝基礎(chǔ)上結(jié)合了金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的，它是一種新型的粉末冶金零件近凈成形技術(shù)。在對(duì)溫壓的研究中，人們發(fā)現(xiàn)溫壓成形時(shí)在徑向產(chǎn)生了很大的徑向壓力，從而在注射成形技術(shù)中注射喂料的良好流動(dòng)性和成形性給予了啟發(fā)，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)并對(duì)混合粉料加以?xún)?yōu)化就產(chǎn)生了流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)。流動(dòng)溫壓工藝就是將具有良好流動(dòng)性的混合粉末裝入型腔中，然后在一定溫度下壓制成形具有較復(fù)雜幾何外形的工件，不需專(zhuān)門(mén)脫脂工藝而直接燒結(jié)制得粉末冶金零件的新技術(shù)。其主要特點(diǎn)可概括如下。
2.1可成形具有復(fù)雜幾何形狀的零件
采用流動(dòng)溫壓可以直接成形與壓制方向相垂直的凹槽、孔和螺紋孔等工件。而采用冷壓制造此類(lèi)形狀的工件卻是非常困難甚至是不可能的，一般需要通過(guò)其后的機(jī)加工才能完成。即使用數(shù)控壓片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和精準(zhǔn)的動(dòng)作也只能生產(chǎn)出較為簡(jiǎn)單的此類(lèi)工件。
Fraunhofer研究人員也用帶有微小錐度的成形沖頭成功地直接成形了較深的盲孔工件，盲孔的壁高和壁厚的比率可達(dá)到3~7，壁厚的變化范圍可在1~3mm。為了系統(tǒng)地研究流動(dòng)溫壓工藝中粉末的流動(dòng)行為，Fraunhofer研究人員采用了如圖1所示的特制模具¨引。該模具為兩半用螺栓聯(lián)接而成，水平孔和垂直孔的直徑都是16mm。研究人員對(duì)T孔、通孔、L孔形型腔模具進(jìn)行了研究，與壓制方向垂直的側(cè)孔的長(zhǎng)度可以通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)。用流動(dòng)溫壓工藝成功制備出了T型工件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合粉末的良好流動(dòng)性足以避免在拐角處產(chǎn)生裂紋。
利用流動(dòng)溫壓工藝還可成形零件更復(fù)雜的幾何外形�；旌戏勰┑牧己昧鲃�(dòng)性使得流動(dòng)溫壓工藝可以精密地成形工件的精細(xì)輪廓。因此，流動(dòng)溫壓工藝可以用于成形螺紋。用帶有外螺紋型芯的模具經(jīng)壓制成形后，將型芯從半成品中擰出，然后進(jìn)行燒結(jié)就可制得螺紋。根據(jù)收縮率選取適當(dāng)?shù)男托局睆骄涂蓧褐瞥鏊璧穆菁y而不需要二次機(jī)加工。這也許是流動(dòng)溫壓工藝最顯著的應(yīng)用。
對(duì)流動(dòng)溫壓進(jìn)行了初步研究，制造出一套研究流動(dòng)溫壓流動(dòng)趨勢(shì)的特制裝置，并實(shí)現(xiàn)十字型零件的成形。
2.2壓坯密度高、密度較均勻
流動(dòng)溫壓由于裝粉密度較高，因此經(jīng)溫壓后的半成品密度可以達(dá)到很高的值。除密度提高外，由于粉末流動(dòng)性好，成形的零件密度也更加均勻�；蛘哒f(shuō)采用簡(jiǎn)單的模沖(不需要輔助的浮動(dòng)多軸模沖)就可成形多臺(tái)階的粉末冶金工件。
對(duì)于難成形的純Ti粉，應(yīng)用流動(dòng)溫壓也取得了明顯的結(jié)果。如采用Ti粉成形的T型工件的密度分布(在零件圖上用1~6數(shù)字標(biāo)出)如下圖所示。從圖中可以看出，采用流動(dòng)溫壓可以獲得較高的密度，工件除具有較好的燒結(jié)性能外，密度分布也較均勻。圖中“5”處距離零件中心軸有14mm，在冷壓時(shí)密度偏低，這主要是陰模模壁的摩擦和壓力的傳遞不均造成的。
Ti基半成品和成品在不同位置的密度分布(ri無(wú)空隙密度為4.5g/cm3)
2.3對(duì)材料的適應(yīng)性好
流動(dòng)溫壓工藝可適用于各種金屬粉末，包括低合金鋼粉、不銹鋼粉、純Ti粉和硬質(zhì)合金粉末等。Fraunhofer研究人員對(duì)各種金屬粉末進(jìn)行了流動(dòng)溫壓工藝研究，都取得了較顯著的結(jié)果，其中包括低合金鋼粉(DistolayAE)、不銹鋼316L粉、純Ti粉和WC-Co硬金屬粉末。流動(dòng)溫壓工藝原則上可適用于所有的粉末系，唯一的要求是該粉末必須具有足夠好的燒結(jié)性能，以便最終達(dá)到所要求的密度和性能。
2.4工藝簡(jiǎn)單，成本低
用傳統(tǒng)粉末冶金方法成形零件在垂直于壓制方向上的凹槽、橫孔等外形，需要設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的模具或通過(guò)燒結(jié)后的二次機(jī)械加工才能完成。雖然注射成形技術(shù)在成形零件的復(fù)雜外形方面幾乎不受什么限制，但是由于添加的粘結(jié)劑數(shù)量較多，在加熱過(guò)程中會(huì)因?yàn)橹亓τ绊懯构ぜl(fā)生變形，因此往往需要額外增加一道較復(fù)雜和較昂貴的專(zhuān)門(mén)脫脂工序，使得注射成形技術(shù)比常規(guī)粉末冶金技術(shù)成本高，所以注射成形的零件不一定能夠取代可滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)功能的常規(guī)粉末冶金零件，從而使注射成形技術(shù)的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。
而流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)既可直接成形復(fù)雜幾何外形而不需要其后的二次機(jī)加工；另一方面，在流動(dòng)溫壓成形工藝中，所用的特殊粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑含量適中，所配置的混合粉末具有很高的粘度和臨界剪切強(qiáng)度，在加熱過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形，因而可直接在燒結(jié)過(guò)程中去除粘結(jié)劑。因此，與傳統(tǒng)粉末成形工藝和注射成形工藝相比，流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)對(duì)成形復(fù)雜幾何外形的零件來(lái)說(shuō)，既簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，又大大降低了制造成本。
3.流動(dòng)溫壓粉末成型技術(shù)的應(yīng)用前景
流動(dòng)溫壓成形技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)壓制和金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)，成形零件時(shí)既縮短了工藝流程，又降低了成本，同時(shí)使零件的密度和復(fù)雜性方面也得到了提高，應(yīng)用前景好。流動(dòng)溫壓可以在傳統(tǒng)的粉末冶金壓機(jī)上進(jìn)行工件的成形，這樣就使以前需要通過(guò)機(jī)加工才能成形的復(fù)雜形狀的零件得以很容易地實(shí)現(xiàn)。因此，流動(dòng)溫壓成形技術(shù)將大大拓展了粉末冶金成形技術(shù)的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用潛力和前景。
4.流動(dòng)溫壓技術(shù)的研究意義
WFC作為一項(xiàng)新型的粉末冶金金屬零部件近凈成形技術(shù)，可以以較低的成本短流程生產(chǎn)高性能復(fù)雜形狀(如凹槽、橫孔和螺紋孔等)的零件，而采用傳統(tǒng)粉末壓機(jī)制造此類(lèi)粉末冶金零件過(guò)去一直被認(rèn)為是非常困難，甚至是不可能的。
流動(dòng)溫壓雖然在成形三維復(fù)雜零件方面不可能取代注射成形技術(shù)，但是利用流動(dòng)溫壓成形的獨(dú)到特點(diǎn)卻能生產(chǎn)出零件形狀復(fù)雜程度介于冷壓和注射成形之間的中等復(fù)雜零件，這就可能使得采用傳統(tǒng)壓片機(jī)的粉末冶金復(fù)雜零件的低成本短流程制造技術(shù)取得突破性的進(jìn)展，有望在汽車(chē)、電子、醫(yī)療設(shè)備、日用品、辦公機(jī)械、儀表、機(jī)械制造等行業(yè)獲得應(yīng)用，其應(yīng)用也將進(jìn)一步擴(kuò)大傳統(tǒng)溫壓成形的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。金屬粉末流動(dòng)溫壓成形技術(shù)為高性能復(fù)雜精密零件的低成本、短流程的先進(jìn)制造開(kāi)辟新的發(fā)展方向，粉末冶金材料的成形加工技術(shù)將有望得到拓展和深化。
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