粉末压制烧结PM

Small parts with high quantity High product ivity Self-lubricating Low cost Raw materials can be recycled

什么是压制和烧结？

压制和烧结是将粉末形成固体零件的过程，先压制后烧结。除粉末外，混合物中还有粘合剂、反絮凝剂和润滑剂。粉末压制最适合具有二维几何形状和厚度薄的扁平零件。零件复杂性和厚度增加的问题是粉末颗粒的不均匀压实导致密度变化大，以及由于需要喷射压制压块导致的缺陷。

粉末压制的过程

粉末压制是将粉末压制成几何形状，通常在常温下进行。这将制造一个紧凑的生坯。这种压实的未烧结的部件强度取决于压实性，可以使用粘合剂增强压实性。生坯可以徒手拆开，但也足够坚固。几何形状与最终零件的几何形状相似，但是在制造过程的烧结阶段会发生收缩，收缩必须进行计算。

粉末需求量基于粉末的堆积密度和最终成品的材料量。堆积密度是松散粉末本身的密度。测量粉末量时，堆积密度很重要，要计算润滑剂等添加剂的影响。例如，一个生坯中含有一定量的润滑剂和粘结剂，会增加额外的材料。在烧结过程中，这些润滑剂和粘结剂被烧掉，不再存在于零件中，这是一个必须要考虑的因素。

将一定的粉末注入模具中，模具填充率主要取决于粉末的流动性。容易流动的粉末可以以更高的速度浇注，浇注可以是一个自动化的过程。

一旦模具填满，冲头就会朝粉末移动，冲头向粉末施加压力，将粉末压实到正确的几何形状，冲压过程如图所示。

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冲头和模具表面在粉末制造中很重要。冲头和模具之间必须存在间隙以便冲头在模具内移动。粉末颗粒可能会卡在该间隙中，导致机器移动出现问题。为了防止这种问题发生，极限应当设计得极低，通常小于0.001英寸。大多数冲头和模具由硬化工具钢制成，其表面在工具移动方向上经过研磨、抛光。更极端粉末加工的冲头和模具有碳化钨制成。

压制操作所需的力很大程度取决于材料。例如，压制铝粉需要叫小的力，而铁粉则需要较大的力。压制力还取决于粉末特性、添加剂和生坯的期望密度。在呀之中摩擦力阻碍颗粒的运动，润滑剂可以减少所需的压制力，是压制过程中颗粒分布更均匀。过量润滑会聚集在颗粒里的空间，组织粉末的压实。压制力是垂直于压制方向的零件区域上压力的函数。通常压力机是垂直的，应考虑零件的水平面。

工业粉末制造的力一般在10000磅/平方英寸（70MPa）和120000磅/平方英尺（800MPa）之间变化。这类零件大多较小（小于5磅），压力要求一般小于100吨。容量为几吨的压力机通常适合大多数粉末加工操作，而几千吨的液压机用于需要更大力量的工作。更复杂的零件可以使用多动压力机，需要调节冲压速度。更快地压实速度可以提高生产效率，但是速度太高，空气会被留在空隙中，阻止零件被正确压实。

粉末特性对压制的影响

金属粉末的特性，包括化学成分、粒径分布、颗粒形状大小和技术特性等，对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。

化学成分

化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于98％-99％，完全可以满足烧结零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时，需要使用纯度更高的粉末。金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏，增大压模的磨损。有时，少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结.由于金属粉末的比表面大、体积小，在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体。在金属粉末制取过程中还会有不少的气体溶解其中。金属粉末中含有的主要气体是氧、氢、一氧化碳及氮，这些气体使金属粉末脆性增大和压制性变坏，特别是使一些难熔金属与化合物(如Ti、Zr、Cr、碳化物、硼化物、硅化物)的塑性变坏。加热时，气体强烈析出，可能会影响压坯在烧结时的正常收缩。因此，对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理。

颗粒形状大小

颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征(如松装密度、流动性等)的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。颗粒大小常用粒度表示。工业上制造的粉末粒度通常在0.1-500μm，150μm以上的定为粗粉，40-150μm定为中等粉，10-40μm的定为细粉，0.5-10μm为极细粉，0.5μm以下的叫超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围，各种筛号表示每1平方英寸筛网上的网孔数。粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能，尤其对硬质合金、陶瓷材料等，要求粉粒愈细愈好。但制取细粉比较困难，经济性亦差。

粒径分布

粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量，也叫粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。

技术特性

松装密度：指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。
流动性：指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。
压制性：包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度。

粉末搭配

粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。

添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂(如硬脂酸锌，质量比0.25％-1％)可改善混合粉的流动性，增加可压制性。压制后烧结前，润滑剂用加热方法(如硬脂酸锌在375-425oC的热空气中)排除。

混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大，表示混合越均匀；也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合过程须谨慎，太激烈的混合将会引起变形硬化、颗粒相互磨损、起层等，故一定要按照成形技术要求和规范进行。

压制成型方法

粉末的压制成形是主要且基本的工序。压制成型的方法有很多，压制方法不同，产品的内部密度分布也不同。

钢模压制

指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压(压力常在150-160MPa)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。

热等静压

等静压成型技术是将待压试样粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉体在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。

三向压制

它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。但它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。

粉末烧结的概念

烧结是一种或多种固体粉末经过成形，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下形成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。

烧结工艺

粉末烧结主要变量是时间、温度和炉内气氛。烧结温度通常为粉末熔点的0.7到0.9。烧结时间取决于制造工艺因素和材料，例如，钨的烧结时间相对较长。不同工艺和材料的标准工业粉末烧结时间从8分钟到10小时不等。

在粉末烧结过程中，受控的气氛是至关重要的。烧结过程中气氛的目的是控制渗碳和脱碳，防止氧化和清除现有的氧化物，防止不必要的化学反应，并协助烧掉添加剂。用于工业粉末加工的常见气氛是一氧化碳、离析氨、氢气、部分燃烧的天然气和惰性气体，如氩气或氦气。有时零件也在真空中烧结。真空烧结主要适用于难熔金属和不锈钢。

生料压片的烧结分三个阶段进行。首先，粉末压片要进行预热。预热将把部件提高到一个相对较低的温度，使添加剂燃烧掉。预热也将开始加强部件内的结合，为下一阶段增加其完整性。在第二阶段，温度被提高到烧结温度，并保持一定的时间，以达到所需的结合量。在第三阶段，当零件被允许冷却时，温度会降低。在冷却过程中，将工件保持在受控的炉内气氛中，对于防止工件与环境之间发生不必要的化学反应至关重要。

在工业粉末制造中，有两种类型的炉子，即批量炉和连续炉。在间歇式炉中，数量少的零件被放入炉中，经历整个烧结过程，然后被取出。连续炉提供流动生产，并有三个区域用于制造过程的三个阶段（预热、烧结和冷却）。一条移动的皮带带着连续的零件供应通过炉膛。热门可以快速打开和关闭，让零件通过，同时保持热量。皮带以准确的速度行驶，使零件在每个腔室中都有精确的时间。稳定的产品和高生产率使连续炉成为粉末烧结的最常见选择。虽然分批操作的炉子生产率较低，而且较少使用，但它们确实提供了对气氛的更多控制，从而提高了零件的纯度。真空气氛一般只能由间歇炉提供。

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