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详细阐述粉末冶金加工技术的全部过程

2020-06-22 15:39:36

通过固定模压生产的大多数结构部件是铁基的。粉末是元素的、预合金的或部分合金的。元素粉末,例如铁和铜,易于压缩到相对较高的密度,产生具有足够强度的压制坯体,以便在烧结过程中处理,但是不能产生非常高强度的烧结部件。预合金粉末更硬,可压缩性更低,因此需要更高的压制载荷来生产高密度压坯。然而,它们能够生产高强度烧结材料。当从元素粉末生产均匀材料需要非常高的温度和长的烧结时间时,也使用预合金化。好的例子是不锈钢,其铬和镍含量须预先合金化,以便通过粉末冶金进行经济生产。

部分合金粉末是一种折衷的方法。元素粉末,例如重量的铁的铜被混合以产生均匀的混合物,然后该混合物被部分烧结以将铜颗粒附着到铁颗粒上,而不产生扩散的粉末但保持粉末形式。以这种方式,保持了混合物中单独粉末的可压缩性,并且混合物在运输和使用过程中不会分离。一种类似的技术是将少量合金元素“粘合”在铁粉上。这种“胶合”技术被成功地用于将碳引入混合物中,这种技术可以防止碳分离和除尘,产生所谓的“清洁”粉末。

一、粉末固结

通过将大量粉末成形,然后固结形成颗粒间冶金结合来生产部件或制品。被称为烧结的高温扩散过程,有时在外部压力的辅助下,实现了这一点。尽管在烧结过程中可能存在少量的液体,但材料没有熔化。烧结可被视为焊接初始有用形状的颗粒。

一般来说,机械和物理性能都随着密度的增加而提高。因此,采用粉末冶金方法制造部件的方法取决于零件所需的性能水平。当以理论全密度的85-90%生产时,许多部件是足够的,而其他部件需要全密度才能获得令人满意的性能。

一些部件,尤其是通常由铜及其合金制成的衬套型轴承,生产时具有显著且可控的孔隙率,随后用润滑剂填充该孔隙率。幸运的是,有多种整合技术可供选择。

二、冷单轴压制

元素金属或雾化预合金粉末与润滑剂混合,通常为硬脂酸锂(0.75%重量),并在600兆帕(87,000磅/英寸)的压力下压制2)在金属模具中。冷压制确保了压制后的部件尺寸非常准确,因为它是按照模具的尺寸和形状准确成型的。需要不规则形状的颗粒来确保压制的部件具有高的生坯强度,这是由于单个颗粒与其相邻颗粒的互锁和塑性变形。

这种技术的一个缺点是,由于颗粒/颗粒和模具壁/颗粒摩擦效应,在部件的不同部分会出现压制密度的差异。软铁部件的典型压制密度为7.0 g/cc,即约为理论密度的90%。如果需要更高的压实密度,压实压力会显著上升,并且这种做法变得不经济,因为更大的压机和更强的工具承受更高压力的成本更高。

粉末冶金

三、冷等静压

金属粉末包含在外壳中,例如橡胶膜或金属罐,该外壳经受在所有方向上均一的外部压力。由于压力是等静压的,所以受压元件具有均匀的密度。须使用不规则形状的粉末颗粒,以在压制部件中提供足够的生坯强度。然后在合适的气氛中烧结,得到所需的产品。

通常,这种技术仅用于半成品,如棒材、钢坯、板材和大致成形的部件,所有这些都需要大量的二次操作来生产准确尺寸的部件。同样,在经济的工作压力下,产品不是致密的,并且通常需要额外的加工,例如热挤压、热轧或锻造来致密材料。

四、烧结

烧结是这样一个过程,即粉末压块被加热,使得相邻的颗粒熔合在一起,从而产生一种与粉末压块相比具有改进的机械强度的固体制品。颗粒的这种“融合”导致零件密度的增加,因此这一过程有时被称为致密化。有一些工艺,例如热等静压,将压制和烧结工艺结合成一个步骤。

压实后,部件通过烧结炉。这通常有两个加热区,一个去除润滑剂,另一个个高温区允许粉末颗粒之间的扩散和结合。包括真空在内的一系列气氛用于烧结不同的材料,这取决于它们的化学成分。例如,准确的气氛控制允许生产具有特定碳组成和机械性能的铁/碳材料。

根据材料和烧结温度,部件的密度在烧结过程中也会发生变化。这些尺寸变化可以通过理解和控制压制和烧结参数来控制,并且可以生产具有需要很少或不需要校正来满足尺寸公差的尺寸的部件。请注意,在许多情况下,所有使用的粉末都存在于成品中,只有在需要进行二次加工操作时,才会出现废料损失。

五、热等静压

粉末通常封装在金属容器中,但有时也封装在玻璃中。容器被抽空,粉末被排出气体,以避免材料在固结和密封阶段被任何残余气体污染。然后对其进行加热,并使其经受足以使容器和粉末塑性变形的等静压。

粉末的致密化速率取决于粉末在所选温度和压力下的屈服强度。在中等温度下,粉末的屈服强度仍然很高,需要高压才能在经济时间内产生致密化。铁合金的典型值可能是1120摄氏度和100兆帕。由于材料的屈服强度较低,在非常高的温度下压制需要较低的压力。使用玻璃外壳,大气压(15磅/平方英寸)用于加固钢筋和较大的钢坯。

该技术需要相当大的资金投入,因为压力容器须承受内部气体压力,并允许粉末被加热到高温。与冷等静压一样,只生产半成品,或者用于随后加工成较小尺寸,或者用于加工尺寸。

六、热锻(粉末锻造)

冷压和烧结元件的优点是接近形状(近网状),但不全致密。在致密化对提供足够的机械性能至关重要的地方,可以使用热锻或粉末锻造技术。在粉末锻造中,被压制的部件通常被加热到明显低于材料的通常烧结温度的锻造温度,然后在封闭的模具中锻造。这产生了具有锻模形状和适当机械性能的致密的部件。粉末锻造零件通常不像冷压和烧结零件那样接近尺寸或形状。这是由于考虑到热膨胀效应和锻造工具上的拔模斜度的需要。此外,需要机械加工,但如果考虑到所有因素,这条路线通常非常划算。

七、金属注射成型

注射成型广泛用于在复杂的模具中生产准确成形的塑料部件。由于注射压力较低,因此有可能通过使用侧型芯和拼合工具来制造复杂的部件,甚至一些带有内螺纹的部件。通过混合细粒,通常小于20μm直径、带有热塑性粘合剂的球形金属粉末、金属填充的塑料部件可以用注射成型塑料的许多特征来生产。注射成型后,塑料粘合剂材料被去除,留下金属骨架,然后在高温下烧结。由于注射密度明显均匀,所以烧结时的收缩也均匀,因此可以对烧结后的部件进行尺寸控制。由于粉末的细颗粒尺寸和所用聚合物粘合剂的大部分,收缩可能很大。


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