粉末冶金件常见缺陷从事粉末冶金的危害模具环

发布日期:2020-08-04 08:42

  粉末冶金及模具设计 完整版_城乡/园林规划_工程科技_专业资料。毕业设计(论文) 题 目: 粉末冶金及模具设计 专 业: 数控应用技术 班 成都电子机械高等专科学校 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 二〇〇七年六月 摘 要 本文主

  毕业设计(论文) 题 目: 粉末冶金及模具设计 专 业: 数控应用技术 班 成都电子机械高等专科学校 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 二〇〇七年六月 摘 要 本文主要围绕粉末冶金及模具设计开展了以下几方面的研究 1、在粉末冶金技术的特点及其在新材料中的作用进行研究,重点介绍了粉 末冶金在工业中的重要性及其压制步骤。 2、在粉末冶金工艺中,根据产品的要求选择金属粉末或非金属粉末为原材 料来压制。 3、在粉末冶金模具设计原理方面,本文重点围绕精整模具设计进行研究, 归纳、总结并提出了精整模具三个关键零部件(芯棒、模冲、阴模)。 2 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 关键词: 粉末冶金 粉末冶金模具 精整 Abstract This text was main circumambience powder metallurgy and molding tool design to open an exhibition the following several aspect of research 1, carry on research in the new function within material in the characteristics of technique of the powder metallurgy and it, point introduction the powder metallurgy is in the industry of importance and 3 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) it inhibit a step。 2, in the powder metallurgy the craft, according to the metals powder of the request choice or nonmetal powder of product for original material to inhibit。 3, at the molding tool design of the powder metallurgy principle, this text point around Jings whole molding tool design carry on research and induce, summary and put forward Jing the whole key with three molding tool zero partses(Xin stick, mold blunt, Yin mold) new of classification method。 Key Words: Craft and material of the powder metallurgy Powder metallurgy molding tool The Jing is whole 4 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 目 录 5 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 6 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 摘 要................................................................................................................................................... 2 关键词: 粉末冶金 粉末冶金模具 精整........................................................................ 3 Abstract............................................................................................................................................... 3 目 录.............................................................................................................................................5 第1章 绪 论.................................................................................................................................11 1.1 粉末冶金工艺及制品简介...............................................................................................11 1.2 粉末冶金技术的作用和发展......................................................................................... 12 1.2.1 新材料技术的发展趋势和特点.......................................................................... 13 1.2.2 新材料技术前沿研究领域.................................................................................. 15 1.2. 3 粉末冶金技术的特点及其在新材料研究中的作用......................................17 1.2.4 粉末冶金学科优先发展方向.............................................................................. 18 1.3 粉末冶金模具技术概况.................................................................................................. 19 1.3.1 主要内容................................................................................................................20 第二章 粉末冶金基础知识......................................................................................................21 7 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.1 粉末的化学成分及性能.................................................................................................. 21 2.1.1 粉末的化学成分................................................................................................... 21 2.1.2 粉末的物理性能................................................................................................... 22 2.1.3 粉末的工艺性能................................................................................................... 22 2.2 粉末冶金的机理...............................................................................................................24 2.2.1 压制的机理............................................................................................................24 2.2.2 等静压制................................................................................................................24 2.2.3 粉末轧制................................................................................................................25 2.2.4 粉浆浇注................................................................................................................26 2.2.5 挤压成形................................................................................................................26 2.2.6 松装烧结成形........................................................................................................27 2.2.7 烧结的机理............................................................................................................27 2.3 粉末冶金工艺....................................................................................................................28 2.3.1 粉末制备..................................................................................................................28 2.3.2 粉末的预处理........................................................................................................28 8 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.3.4 成形........................................................................................................................30 2.4 烧结....................................................................................................................................31 2.4.1 烧结的方法............................................................................................................31 2.4.2 影响粉末制品烧结质量的因素........................................................................... 32 2.5 后处理................................................................................................................................33 2.5.1 复压........................................................................................................................34 2.5.2 浸渍........................................................................................................................34 2.5.3 热处理....................................................................................................................34 2.5.4 表面处理................................................................................................................35 2.6 粉末冶金零件结构的工艺性........................................................................................... 35 2.7 粉末冶金材料....................................................................................................................36 2.7.1 硬质合金................................................................................................................36 2.7.2 粉末高速钢............................................................................................................39 2.7.3 铁和铁合金的粉末冶金....................................................................................... 39 9 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.7.4 摩擦材料和减摩材料........................................................................................... 40 第三章 粉末冶金模具设计原理.................................................................................................. 43 3.1 粉末冶金概述....................................................................................................................43 3.1.1 粉末冶金及其制品............................................................................................... 43 3.1.2 粉末冶金的生产流程........................................................................................... 45 3.2 粉末冶金模具设计............................................................................................................46 3.2.1 形状和精整方式分类........................................................................................... 46 3.2.2 精整余量设计与精整压力计算........................................................................... 49 3.2.3 精整模具零件结构设计....................................................................................... 57 3.2.4 精整模具主要零件设计和尺寸计算................................................................... 59 3.2.5 精整模架................................................................................................................67 第四章 总结...................................................................................................................................70 致 谢...........................................................................................................................................72 参 考 文 献...............................................................................................................................75 10 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 第1章 绪 论 1.1 粉末冶金工艺及制品简介 粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属 粉末的混合物制成制品的加工方法, 既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材 料,又可制造各种精密的机械零件,省工省料。但其模具和金属粉末成本较高, 批量小或制品尺寸过大时不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比, 具有以下特点: 1.粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的,因此可以获得熔点、 密度相差悬殊的多种金属、 金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复 11 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 合材料和制品。 2.提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末,凝固速度极快、 晶粒细小均匀, 保证了材料的组织均匀, 性能稳定, 以及良好的冷、 热加工性能, 且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制,可提高强化相含量,从而发展新的材料 体系。 3.利用各种成形工艺,可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯 或净形零件,大量减少机加工量。提高材料利用率,降低成本。 粉末冶金的品种繁多,主要有:钨等难熔金属及合金制品;用 Co、Ni 等作 粘结剂的碳化钨(WC) 、碳化钛(TiC) 、碳化钽(TaC)等硬质合金,用于制造 切削刀具和耐磨刀具中的钻头、车刀、铣刀,还可制造模具等;Cu 合金、不锈 钢及 Ni 等多孔材料,用于制造烧结含油轴承、烧结金属过滤器及纺织环等。随 着粉末冶金生产技术的发展,粉末冶金及其制品将在更加广泛的应用。 1.2 粉末冶金技术的作用和发展 材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品 的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。所谓新材料,指的是那些新出现或 正在发展中的具有传统材料所具备的优异性能的材料。 从人类科技发展史中可以 看到, 近代世界已经历了两次工业革命都是以新材料的发现和应用为先导的。钢 铁工业的发展,为 18 世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界革命奠定 了物质基础。本世纪中叶以来,以电子技术,特别是微电子技术的发明和应用为 代表的第二次世界革命, 硅单晶材料则起着先导和核心作用,加之随后的激光材 12 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 料和光导纤维的问世,使人类社会进入了“信息时代”,粉末冶金模具环保治理因此,可以预料,谁掌 握了新材料,谁就掌握了 21 世纪高新技术竞争的主动权! 1.2.1 新材料技术的发展趋势和特点 纵观国际新材料研究发展的现状, 西方主要工业发达国家正集中人力、 物力, 寻求突破,美国、欧共体、日本和韩国等在他们的最新国家科技计划中,都把新 材料及其制备技术列为国家关键技术之一加以重点支持, 非常强调新材料对发展 国民经济、 保卫国家安全、 增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。 我国对新材料及其制备技术历来非常重视, 一直作为一个重要的领域被列入 我国自 1956 年以来的历次国家科技发展规划之中。在我国 863 高技术中,新技 术材料又是七大重点领域之一。经过 40 余年的努力,已在许多方面取得显著进 展, 一大批新材料已成功地应用于国防和民用工业领域,有些新材料的研究居国 际领先水平,为我国新材料及其制备技术在 21 世纪初的持续发展奠定了较好的 基础。 新材料及其制备技术的研究将对世界经济发展产生重大影响, 其发展趋主要 体现在: (1)功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向发展; (2)结构材料向高性能化、复合化、功能化和低成本化方向发展; 13 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (3)薄膜和低维材料研帛发展迅速,生物医用材料异军突起; (4)新材料制品的精加工技术和近净形成形技术受到高度重视; (5)材料及其制品与生态环境的协调性倍受重视,以满足社会可持续发展 的要求; (6)材料的制备及评价表征技术日受重视,材料制备与评价表征新技术、 新装备不断涌现; (7)材料在不同层次(微观、介观和宏观)上的设计发展迅速,已成为发 展新材料的重要基础。 综上所述,当今新材料及其制备技术的发展趋势具有以下几个特点: (1)新材料技术是现代工业和高技术发展中的共性关键技术,材料科学技 术已成为当代和下世纪初最重要的、发展最快的科学技术之一。信息、能源、农 业和先进制造等技术领域的发展都离不开新材料及其制备技术的发展; (2)综合利用现代先进科学技术成就,多学科交叉,知识密集,导臻新材 料及其制备技术的投资强度大、更新换代快,经济效益和社会效益巨大; (3)新材料的制备和质量的提高更加依赖于新技术、新工艺的发展和精确 的检测控制技术的应用。 对制备技术的重视与投入直线上升,极大地加速了基础 材料的发展和传统产业的改造。 14 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (4)对材料基础性、先导性的认识已形成共识。材料的研帛和发展既要与 器件的研帛密切配合, 又要注意到自身的系统性和超前性,这样才有利于材料实 现跨跃发展。 1.2.2 新材料技术前沿研究领域 进入 20 世纪 90 年代以来, 材料科学技术的发展异常迅速。材料科学与生命 科学、信息科学、认知科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。展望 21 世纪,基于物理、化学、数学等自然科学与电子、化工、冶金等工程技术最 新成就的材料科学技术前沿主要如下: 微电子材料 主要是大线mm)硅单晶及片材技术,大直径(200mm) 硅片外延技术,150mmGaAs 和 100mmInP 晶片及其以它们为基的 III-V 族半导 体超晶格、量子阱异质结构材料制备技术,GeSi 合金和宽禁带半导体材料等。 新型光子材料 主要是大直径、高光学质量人工晶体制备技术和有机、无机 新型非线性光学晶体探索,大功离半导体激光光纤模块及全固态(可调谐)激光 技术,有机、无机超高亮度红、绿、兰之基色材料及应用技术,新型红外、兰、 紫半导体激光材料以及新型光探测和光存储材料等。 稀土功能材料 主要是高纯稀土材料的制备技术,超高磁能稀土永磁材料大 规模生产先进技术,高性能稀土储氢材料及相关技术。 15 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 生物医用材料 高可靠性植入人体内的生物活性材料合成关键技术,生物相 容材料,如组织器字替代材料,人造血液,人造皮和透析膜技术,以及生物新材 料制品性能、 质量的在线监测和评价技术。 先进复合材料 主要是复合材料低成 本制备技术, 复合材料的界面控制与优化技术,不同尺度不同结构异质材料复合 新技术。 新型金属材料 主要是交通运输用轻质高强材料, 能源动力用高温耐蚀材料, 新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制造技术。 先进陶瓷材料 主要是信息功能陶瓷的多功能化及系统集成技术,高性能陶 瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术,结构陶瓷及其复合材料的补强、 韧化技术,先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。 高温超导材料 主 要是高温超导体材料(准单晶和织构材料)批量生产技术,可实用化高温超导薄 膜及异质结构薄膜制备、集成和微加工技术研究开发等。 环境材料 主要是材料的环境协调性评价技术,材料的延寿、再生与综合利 用新技术,降低材料生产资源和能源消耗新技术。 纳米材料及技术 主要是纳米材料制备与应用关键技术,固态量了器件的制 备及纳米加工技术。 智能材料 主要是智能材料与智能系统的设计、制备及应用技术。 材料的制备与评价技术 主要是材料精密制备、近净形成形技术与智能加工 技术, 材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术,材料微观结构的模型 化技术、智能化控制及动实时监测分析技术,不同层次的设计、性能预测和评价 表征新技术。 16 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 1.2. 3 粉末冶金技术的特点及其在新材料研究中的作用 粉末冶金是制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作 为原料,经过成形和烧结,制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。 粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方,因此,一系列粉末冶金新技术也可用于陶 瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点,它已成为解决新材料问题的钥匙,在 新材料的发展中起着举足轻重的作用。 (1)粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚,消除粗大、不均匀 的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土 催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如 Al-Li 合金、耐热 Al 合金、超合金、 粉末耐蚀不锈钢、 粉末高速钢、 金属间化合物高温结构材料等) 具有重要的作用。 (2)可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能 非平衡材料,这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 (3)可以容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性, 是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 (4)可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品, 如新型多孔生物材料,多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。 17 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (5)可以实现净近形成形和自动化批量生产,从而,可以有效地降低生产 的资源和能源消耗。 (6)可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原 料,是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。 1.2.4 粉末冶金学科优先发展方向 (1)发展粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。重点是超细粉末和纳米 粉的制备技术,快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术,机械合金化技术,自 蔓延高温合成技术,粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、 超纯、粉末特性可控方向发展。 (2)建立以“净近形成形”技术为中心的各种新 型固结技术及其过程模过程理论,如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压 成形、粉末锻造等。 (3)建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。如 热等静压、拟热等静压、烧结-热等静压、微波烧结、高能成形等。 (4)粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的孔隙特性、界面问题及 强韧化机理的研究。 18 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 1.3 粉末冶金模具技术概况 在现代科学技术发展史中, 粉末冶金技术的发展具有十分重要的作用。粉末 冶金已经被公认是一门制造各种机械零件的重要而经济的成形技术, 它具有获得 最终尺寸和形状的零件, 不需要或仅需要很少机械加工的特性。粉末冶金零件是 粉末冶金工业的主导产品,是重要的机械基础件。作为一种高效、优质、精密、 低耗、 节能制造机械零件的先进技术, 粉末冶金适合于大批量生产各种机械零件, 特别是用一般方法难以加工的形状复杂的零件,因而具有极大的竞争力。随着经 济全球化和科学技术的迅猛发展,粉末冶金(Powder Metallurgy,简称 P/M)技术 也得到了前所未有的发展, 我国粉末冶金行业己发展成为一个具有相当生产规模 的新兴行业。 “八五”以来,我国粉末冶金制品的总产值己增长了 3 倍多,产量 增长也超过 2 倍。1998 年粉末冶金行业 38 家骨干企业共完成粉末冶金零件产量 24463t, 工业总产值 80 987 .8 万元, 产品销售收入 66983 .9 万元, 利润总额 1 607.2 万元,基本上满足了国家重点产品在汽车、摩托车、农机、家电等行业的配套需 求,在国民经济中的地位和作用有了较大的提高。 模具工业是国民经济的基础产业, 模具工业的发展水平标志着一个国家的工 业水平和产品的开发能力。 无论是在汽车工业中新车型的开发与批量生产,还是 机电及家电和轻工业产品等都与模具制造技术业息息相关。 对于粉末冶金行业也 毫不例外, 模具是发展粉末冶金机械零件的关键之一,制品的尺寸精度与成形或 精整模具尺寸精度密切相关,特别是异形复杂、几何尺寸精度高的零件,其精度 主要靠模具保证。 成形或精整模具精度依赖于模具的加工精度和设计参数选用的 准确性,大批量生产时还与模具的耐磨性有关。就目前有限的资料来分析,在 P/M 模具工艺技术方面,国内外先进水平的 P/M 模具技术发展到今天,己可做 出精度达 IT6 级,使用寿命长达 10 万件/套以上的高品质模具。P/M 模具今后的 研究方向仍然是在模具材料、加工精度、模具寿命、模具 CAD/CAM/CAE、快 速响应制造技术等方面, 以期对粉末冶金产品的快速开发与生产以及快速响应市 场需求,并提高产品品质和降低生产成本。 19 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 1.3.1 主要内容 研究粉末冶金工艺特点:其主要包括采用怎样的粉末冶金压制和精整的分类 方法; 研讨并精确选择成型压力和精整压力的计算公式;压坯密度分布研究和精 整余量设计等。 研究粉末冶金模具结构和工艺特点:其主要包括压模和精整模结构设计;模 架的形式与归类并建立相应的数据库文件: 模具主要零件的尺寸计算和材料的选 择并建立相应基于特征造型和参数化造型的数据库文件。 20 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 第二章 粉末冶金基础知识 2.1 粉末的化学成分及性能 尺寸小于 1mm 的离散颗粒的集合体通常称为粉末,其计量单位一般是以微 米(μm)或纳米(nm) 。 2.1.1 粉末的化学成分 常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末,要求其杂质和气体含量不 超过 1%~2%,否则会影响制品的质量。 21 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.1.2 粉末的物理性能 ⑴ 粒度及粒度分布 粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。 实际的粉末往往是团聚了的 颗粒,即二次颗粒。图 7.1.1 描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。实 际的粉末颗粒体中不同尺寸所占的百分比即为粒度分布。 ⑵ 颗粒形状 即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等, 可以通过显微镜的观察确定。 ⑶ 比表面积 即单位质量粉末的总表面积,可通过实际测定。比表面积大小影响着粉末的 表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。 2.1.3 粉末的工艺性能 粉末的工艺性能包括流动性、填充特性、压缩性及成形性等。 22 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) ⑴ 填充特性 指在没有外界条件下, 粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密 度表示。粉末的填充特性与颗粒的大小、形状及表面性质有关。 ⑵ 流动性 指粉末的流动能力,常用 50 克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。流动 性受颗粒粘附作用的影响。 ⑶ 压缩性 表示粉末在压制过程中被压紧的能力, 用规定的单位压力下所达到的压坯密 度表示,在标准模具中,规定的润滑条件下测定。影响粉末压缩性的因素有颗粒 的塑性或显微硬度,塑性金属粉末比硬、脆材料的压缩性好;颗粒的形状和结构 也影响粉末的压缩性。 ⑷ 成形性 指粉末压制后,压坯保持既定形状的能力,用粉末能够成形的最 小单位压制压力表示,或用压坯的强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构的影 响。 23 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.2 粉末冶金的机理 2.2.1 压制的机理 压制就是在外力作用下,将模具或其它容器中的粉末紧密压实成预定形状 和尺寸压坯的工艺过程。粉末装入阴模,通过上下模冲对其施压。在压缩过程中, 随着粉末的移动和变形,较大的空隙被填充,颗粒表面的氧化膜破碎,颗粒间接 触面积增大, 使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强,从而形成具有 一定密度和强度的压坯。 2.2.2 等静压制 压力直接作用在粉末体或弹性模套上, 使粉末体在同一时间内各个方向上均 衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。 按其特性分为冷等静压制 和热等静压制两大类。 ⑴ 冷等静压制 即在室温下等静压制,液体为压力传递媒介。将粉末体装入弹性模具内,置 于钢体密封容器内,用高压泵将液体压入容器,利用液体均匀传递压力的特性, 24 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 使弹性模具内的粉末体均匀受压。因此,冷等静压制压坯密度高,较均匀,力学 性能较好,尺寸大且形状复杂,已用于棒材、管材和大型制品的生产。 ⑵ 热等静压制 把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中, 施以高 温和高压, 使这些粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。在高温下的 等静压制, 可以激活扩散和蠕变现象的发生,促进粉末的原子扩散和再结晶及以 极缓慢的速率进行塑性变形, 气体为压力传递媒介。粉末体在等静压高压容器内 同一时间经受高温和高压的联合作用,强化了压制与烧结过程,制品的压制压力 和烧结温度均低于冷等静压制, 制品的致密度和强度高, 且均匀一致, 晶粒细小, 力学性能高,消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙,形状和尺寸不受限制。但热 等静压机价格高,投资大。热等静压制已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金 和金属陶瓷等制品的生产。 2.2.3 粉末轧制 将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。将金 属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中,可轧出具有一定厚度、长度连 续、强度适宜的板带坯料。这些坯体经预烧结、烧结,再轧制加工及热处理等工 序,就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板带材。粉末轧制制品的密度 比较高, 制品的长度原则上不受限制, 轧制制品的厚度和宽度会受到轧辊的限制; 成材率高为 80%~90%, 熔铸轧制的仅为 60%或更低。粉末轧制适用于生产多孔 材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。 25 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.2.4 粉浆浇注 是金属粉末在不施加外力的情况下成形的,即将粉末加水或其它液体及悬 浮剂调制成粉浆,再注入石膏模内,利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用 的悬浮剂有聚乙烯醇、甘油、藻肮酸钠等,作用是防止成形颗粒聚集,改善润湿 条件。为保证形成稳定的胶态悬浮液,颗粒尺寸不大于 5μm~10μm,粉末在悬 浮液中的质量含量为 40%~70%。粉浆成形工艺参见本书 6.2.2。 2.2.5 挤压成形 将置于挤压筒内的粉末、 压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件 不同, 分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在 较低温度下(40℃~200℃)挤压成坯块;粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末 装入包套内加热到较高温度下压挤,热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制 品和材料。挤压成形设备简单,生产率高,可获得长度方向密度均匀的制品。 挤压成形能挤压出壁很薄直经很小的微形小管,如厚度仅 0.01mm ,直径 1mm 的粉末冶金制品;可挤压形状复杂、物理力学性能优良的致密粉末材料, 如烧结铝合金及高温合金。挤压制品的横向密度均匀,生产连续性高,因此,多 用于截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒(如麻花钻等) 。 26 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.2.6 松装烧结成形 粉末未经压制而直接进行烧结,如将粉末装入模具中振实,再连同模具一起 入炉烧结成形,用于多孔材料的生产;或将粉末均匀松装于芯板上,再连同芯板 一起入炉烧结成形, 再经复压或轧制达到所需密度,用于制动摩擦片及双金属材 料的生产。 将置于挤压筒内的粉末、 压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件 不同, 分为冷挤压和热挤压。冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合在 较低温度下(40℃~200℃)挤压成坯块;粉末热挤压是指金属粉末压坯或粉末 装入包套内加热到较高温度下压挤,热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制 品和材料。挤压成形设备简单,生产率高,可获得长度方向密度均匀的制品。 2.2.7 烧结的机理 烧结是粉末或压坯在低于其主要组分熔点温度以下的热处理过程,目的是通过 颗粒间的冶金结合以提高其强度。随着温度升高,粉末或压坯中产生一系列的物 理、化学变化:水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力消除以及粉末 颗粒表面氧化物的还原等, 接着粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动。随着颗 粒间接触面的增大,会产生再结晶和晶粒长大,有时出现固相的熔化和重结晶。 以上各过程常常会相互重叠,相互影响,使烧结过程变得十分复杂。 27 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.3 粉末冶金工艺 2.3.1 粉末制备 金属粉末的制备方法分为两大类:机械法和物理化学法。还有新研制的机械合 金化法,汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决定着粉 末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。 2.3.2 粉末的预处理 粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。 1. 退火 粉末的预先退火可以使氧化物还原,降低碳和其它杂质的含量,提高粉末 的纯度;同时,还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。退火温度根据 金属粉末的种类而不同,通常为金属熔点的 0.5~0.6K。通常,电解铜粉的退火 温度约为 300,电解铁粉或电解镍粉的约为 700℃,不能超过 900℃。退火一般 用还原性气氛,有时也用线 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.分级 将粉末按粒度大小分成若干级的过程。分级使配料时易于控制粉末的粒度 和粒度分布,以适应成形工艺要求,常用标准筛网筛分进行分级。 3.混合 指将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。混合基本上有两种方 法:机械法和化学法,广泛应用的是机械法,将粉末或混合料机械的掺和均匀而 不发生化学反应。 机械法混料又可分为干混和湿混,铁基等制品生产中广泛采用 干混; 制备硬质合金混合料则常使用湿混。 湿混时常用的液体介质为酒精、 汽油、 丙酮、水等。化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合; 或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合,然后经沉淀、干燥和还原等处理而 得到均匀分布的混合物。 常需加入的添加剂, 用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂 (汽油、 橡胶溶液、石蜡等) ,用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的润滑剂(硬质酸锌、 二硫化钼等) 。 4.制粒 将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序,常用来改善粉末的流动性。常用 的制粒设备有振动筛、滚筒制粒机、圆盘制粒机等。 29 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.3.4 成形 成形是将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程。常用的成形方法有模 压、轧制、挤压、等静压、松装烧结成形、粉浆浇注和爆炸成形等。 1.模压 即粉末料在压模内压制。室温压制时一般需要约 1 吨/厘米 2 以上的压力, 压制压力过大时,影响加压工具;并且有时坯体发生层状裂纹、伤痕和缺陷等。 压制压力的最大限度为 12—15 吨/厘米 2。超过极限强度后,粉末颗粒发生粉 碎性破坏。 常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。 ⑴ 单向压制 即固定阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制的方法。 单向压制模具简单,操作方便,生产效率高,但压制时受摩擦力的影响,制品密 度不均匀,适宜压制高度或厚度较小的制品。 ⑵ 双向压制 阴模中粉末在相向运动的模冲之间进行压制的方法。双向压制比较适宜高 度或厚度较大的制品。 双向压制压坯的密度较单向压制均匀, 但双向同时加压时, 压坯厚度的中间部分密度较低。 30 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) ⑶ 浮动压制 浮动阴模中的粉末在一个运动模冲和一个固定模冲之间进行压制, 阴模由弹 簧支承,处于浮动状态,开始加压时,由于粉末与阴模壁间摩擦力小于弹簧支承 力,只有上模冲向下移动;随着压力增大,当二者的摩擦力大于弹簧支承力时, 阴模与上模冲一起下行, 与下模冲间产生相对移动,使单向压制转变为压坯的双 向受压,而且压坯双向不同时受压,这样压坯的密度更均匀。 2.4 烧结 2.4.1 烧结的方法 不同的产品、不同的性能烧结方法不一样。 ⑴按原料组成不同分类。 可以将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多 元系液相烧结。单元系烧结是纯金属(如难熔金属和纯铁软磁材料)或化合物 (Al2O3、B4C、BeO、MoSi2 等)熔点以下的温度进行固相烧结。多元系固相烧结 是由两种或两种以上的组元构成的烧结体系, 在其中低熔成分的熔点温度以下进 行的固相烧结。粉末烧结合金多属于这一类。如 Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、W-Mo、 Ag-Au、 Fe-Cu、W-Ni、Fe-C、 Cu-C、Cu-W、Ag-W 等。多元系液相烧结以超 过系统中低熔成分熔点的温度进行的烧结。 如 W-Cu-Ni、 W-Cu、 WC-Co、 TiC-Ni、 Fe-Cu(Cu10%、Fe-Ni-Al、Cu-Pb、Cu-Sn、 Fe-Cu(Cu10%)等 31 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) ⑵ 按进料方式不同分类。分为为连续烧结和间歇烧结。 1)连续烧结 烧结炉具有脱蜡、预烧、烧结、制冷各功能区段,烧结时烧结材料连续地或 平稳、分段地完成各阶段的烧结。连续烧结生产效率高,适用于大批量生产。常 用的进料方式有推杆式、辊道式和网带传送式等。 2) 间歇烧结 零件置于炉内静止不动,通过控温设备,对烧结炉进行需要的预热、加热 及冷却循环操作, 完成烧结材料的烧结过程。间歇烧结可依据炉内烧结材料的性 能确定合适的烧结制度,但生产效率低,适用于单件、小批量生产,常用的烧结 炉有钟罩式炉、箱式炉等。 除上述分类方法外。按烧结温度下是否有液相分为固相烧结和液相烧结; 按烧结温度分为中温烧结和高温烧结(1100~1700℃) ,按烧结气氛的不同分为 空气烧结,氢气保护烧结(如钼丝炉、不锈钢管和氢气炉等)和真空烧结。另外 还有超高压烧结、活化热压烧结等新的烧结技术。 2.4.2 影响粉末制品烧结质量的因素 影响烧结体性能的因素很多, 主要是粉末体的性状、 成形条件和烧结的条件。 32 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加 压状况等。 ⑴ 烧结温度和时间 烧结温度的高低和时间的长短影响到烧结体的孔隙率、致密度、强度和硬度 等。烧结温度过高和时间过长,将降低产品性能,甚至出现制品过烧缺陷;烧结 温度过低或时间过短,制品会因欠烧而引起性能下降。 ⑵ 烧结气氛 粉末冶金常用的烧结气氛有还原气氛、真空、氢气氛等。烧结气氛也直接影 响到烧结体的性能。 在还原气氛下烧结防止压坯烧损并可使表面氧化物还原。如 铁基、铜基制品常采用发生炉煤气或分解氨,硬质合金、不锈钢常采用纯氢。活 性金属或难熔金属(如铍、钛、锆、钽) 、含 TiC 的硬质合金及不锈钢等可采用 真空烧结。真空烧结能避免气氛中的有害成分(H2O、O2、H2)等的不利影响, 还可降低烧结温度(一般可降低 100~150℃) 。 2.5 后处理 指压坯烧结后的进一步处理,根据产品具体要求决定是否需要后处理。常用 的后处理方法有复压、浸渍、热处理、表面处理和切削加工等。 33 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.5.1 复压 为提高烧结体物理和力学性能而进行的施加压力处理,包括精整和整形等。 精整是为达到所需尺寸而进行的复压,通过精整模对烧结体施压以提高精度。整 形是为达到特定的表面形状而进行的复压, 通过整形模对制品施压以校正变形且 降低表面粗糙度值。 复压适用于要求较高且塑性较好的制品, 如铁基、 铜基制品。 2.5.2 浸渍 用非金属物质(如油、石蜡和树脂等)填充烧结体孔隙的方法。常用的浸渍 方法有浸油、浸塑料、浸熔融金属等。浸油即在烧结体内浸入润滑油,改善其自 润滑性能并防锈,常用于铁、铜基含油轴承。浸塑料是采用聚四氟乙烯分散液, 经固化后,实现无油润滑,常用于金属塑料减摩零件。浸熔融金属可提高强度及 耐磨性,铁基材料常采用浸铜或铅。 2.5.3 热处理 对烧结体加热到一定温度, 再通过控制冷却方法等处理,以改善制品性能的 方法。常用的热处理方法有淬火、化学热处理、热机械处理等,工艺方法一般与 致密材料相似。 对于不受冲击而要求耐磨的铁基制件可采用整体淬火,由于孔隙 的存在能减少内应力, 一般可以不回火。而要求外硬内韧的铁基制件可采用淬火 或渗碳淬火。热锻是获得致密制件常用的方法,热锻造的制品晶粒细小,且强度 34 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 和韧性高。 2.5.4 表面处理 常用的表面处理方法有蒸汽处理、 电镀、 浸锌等。 蒸汽处理是工件在 500~560℃ 的热蒸汽中加热并保持一定时间, 使其表面及孔隙形成一层致密氧化膜的表面工 艺,用于要求防锈、耐磨或防高压渗透的铁基制件。电镀应用电化学原理在制品 表面沉积出牢固覆层,其工艺方法同致密材料。电镀用于要求防锈、耐磨及装饰 的制件。 此外,还可通过锻压、焊接、切削加工、特种加工等方法进一步改变烧结体的形 状或提高精度,以满足零件的最终要求。电火花加工、电子束加工、激光加工等 特种加工方法以及离子氮化、离子注入、气相沉积、热喷涂等表面工程技术已用 于粉末冶金制品的后处理,进一步提高了生产效率和制品质量。 2.6 粉末冶金零件结构的工艺性 粉末冶金材料常用的成形方法是在刚性封闭模具中将金属粉末压缩成形, 模 具成本较高;由于粉末流动性较差,且又受到摩擦力的影响,压坯密度一般较低 且分布不均匀,强度不高,薄壁、细长形和沿压制方向呈变截面的制品还难以成 形。因此,采用压制成形的零件结构的设计应注意下列问题。 35 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) ⑴ 尽量采用简单、对称的形状,避免截面变化过大以及窄槽、球面等,以 利于制模和压实。 ⑵ 避免局部薄壁,以便装粉压实和防止出现裂纹. ⑶ 避免侧壁上的沟槽和凹孔,以利于压实或减少余块。 ⑷ 避免沿压制方向截面积渐增,以利于压实。各壁的交接处应采用圆角或 倒角过渡,避免出现尖角,以利于压实及防止模具或压坯产生应力集中。 2.7 粉末冶金材料 粉末冶金是一项很有发展的新技术、新工艺,已广泛应用在农机、汽车、机 床、冶金、化工、轻工、地质勘探、交通运输等各方面。粉末冶金材料有工具材 料及机械零件和结构材料。工具材料大致有粉末高速钢、粉末冶金件常见缺陷硬质合金、超硬材料 、 陶瓷工具材料及复合材料等。 机械零件和结构材料有粉末减摩材料,包括多孔减 摩材料和致密减摩材料;粉末冶金铁基零件及粉末冶金非铁金属零件等。 2.7.1 硬质合金 硬质合金由硬质基体(质量分数为 70%~97% )和粘结金属两部分组成。 36 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 硬质基体是难熔金属的碳化物, 如碳化钨及碳化钛等;粘结金属为铁族金属及合 金,以钴为主。 ⑴ 硬质合金的种类和牌号 硬质合金为一种优良的工具材料,主要用作切削刀具、金属成形工具、矿山 工具、表面耐磨材料及高刚性结构部件。类型有含钨硬质合金,钢结硬质合金, 涂层硬质合金,细晶粒硬质合金等。钢结硬质合金是一种新型的工模具材料,性 能介于高速工具钢和硬质合金之间,是以一种或几种碳化物(如 WC、TiC)为硬 化相,以碳钢或合金钢(如高速工具钢、铬钼钢等)粉末为粘结剂,经配料、压 制、烧结而制成的粉末冶金材料。退火处理后,可进行切削加工;淬火、回火处 理后,有相当于硬质合金的高硬度和耐磨性,一定的耐热、耐蚀和抗氧化性。适 于制造麻花钻、铣刀等形状复杂的刀具、模具和耐磨件。 含钨硬质合金按其成分和性能特点分为钨钴类(WC -Co 系) 、钨钛钴类 –TaC(NbC)-Co (WC-TiC-Co 系) 、 钨钛钽 (铌) 类[WC-TiC-TaC(NbC)-Co 系、 WC 系]。 钨钴类硬质合金的主要化学成分是碳化钨 (WC) 及钴。 牌号为“YG+数字” (YG 为“硬钴”汉语拼音字首) ,数字表示钴平均质量分数。如 YG6 表示钴平均 质量分数为 6%,余量为碳化钨的钨钴类硬质合金。该类合金的抗弯强度高,能 承受较大的冲击,磨削加工性较好,但热硬性较低(800~900℃) ,耐磨性较差, 主要用于加工铸铁和非铁金属的刃具。 钨钛钴类硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛(TiC)及钴。牌号为 “YT+数字”(YT 为“硬钛”汉语拼音字首) ,数字表示碳化钛平均质量分数。 如 YT15 表示 TiC 为 15%,其余为 WC 和 Co 的硬质合金。该类硬质合金的热硬性 高(900~1100℃) ,耐磨性好,但抗弯强度较低,不能承受较大的冲击,磨削加 工性较差,主要用于加工钢材。 钨钛钽(铌)类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金。它是由碳化 37 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 钨、碳化钛、碳化钽(TaC)或碳化铌(NbC)和钴组成。牌号为“YW+顺序号” (YW 表示“硬万”汉语拼音字首) ,如 YW1 表示万能硬质合金。该类硬质合金是 在上述硬质合金中添加 TaC 或 NbC,它的热硬性高(1000℃) ,其它性能介于钨 钴类与钨钛钴类之间,它既能加工钢材,又能加工非铁金属。 ⑵ 硬质合金的性能及应用 1) 性能 硬质合金的硬度高,室温下达到 86~93HRA,耐磨性好,切削速度比高速工 具钢高 4~7 倍,刀具寿命高 5~80 倍,可切削 50HRC 左右的硬质材料;抗弯强 度高,达 6000MPa,但抗弯强度较低,约为高速工具钢的 1/3~1/2,韧性差,约 为淬火钢的 30%~50%;耐蚀性和抗氧化性良好;线膨胀系数小,但导热性差。 2) 应用 硬质合金主要用于制造高速切削或加工高硬度材料的切削刀具,如车刀、铣 刀等;也用作模具材料(如冷拉模、冷冲模、冷挤模等)及量具和耐磨材料。根 据 GB2075—87 规定, 切削加工用硬质合金按切削排出形式和加工对象范围不同, 分为 P、 M、 K 三个类别, 同时又依据加工材质和加工条件不同, 按用途进行分组, 在类别后面加一组数字组成代号。如 P01、P10、P20……,每一类别中,数字越 大,韧性越好,耐磨性越低。 38 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 2.7.2 粉末高速钢 高速钢的合金元素含量高, 采用熔铸工艺时会产生严重的偏析使力学性能降 低。金属的损耗也大,高达钢锭重量的 30%~50%。粉末高速钢可减少或消除偏 析,获得均匀分布的细小碳化物,具有较大的抗弯强度和冲击强度;韧性提高 50%,磨削性也大大提高;热处理时畸变量约为熔炼高速钢的十分之一,工具寿 命提高 1~2 倍。 采用粉末冶金方法还可进一步提高合金元素的含量以生产某些特殊成分的 钢。如成份为 9W-6Mo-7Cr-8V-8Co-2.6C 的 A32 高速钢,切削性能是熔炼高速钢 的 1~4 倍。 常用高速钢牌号为 W18Cr4V 和 W6Mo5Cr4V2, 含有 0.7%~0.9%C, 及10%的钨、 铬、钼、钒等合金元素。其中碳保证高速钢具有高硬度和高耐磨性,钨和钼提高 钢的热硬性,铬提高钢的淬透性,而钒则提高钢的耐磨性。 2.7.3 铁和铁合金的粉末冶金 在粉末冶金生产中,铁粉的用量比其金属粉末大得多。铁粉的 60%~70%用 于制造粉末冶金零件。 主要类型有铁基材料、 铁镍合金、 铁铜合金及铁合金和钢。 粉末冶金铁基结构零件具有精度较高, 表面粗糙值小, 不需或只需少量切削加工, 节省材料,生产率高,制品多孔,可浸润滑油,减摩、减振、消声等特点。广泛 用于制造机械零件,如机床上的调整垫圈、调整环、端盖、滑块、底座、偏心轮, 汽车中的油泵齿轮、活塞环,拖拉机上的传动齿轮、活塞环,以及接头、隔套、 油泵转子、挡套、滚子等。 39 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 粉末冶金铁基结构材料的牌号用“粉”、“铁”、“构”三字的汉语拼音字 首“FTG”,加化合碳含量的万分数、主加合金元素的符号及其含量的百分数、 辅加合金元素的符号及其含量的百分数和抗拉强度组成。如 FTG60-20,表示化 合碳量 0.4%~0.7%,抗拉强度 200MPa 的粉末冶金铁基结构材料; FTG60Cu3Mo-40, 表示化合碳量 0.4%~0.7%,合金元素含量 Cu2%~4%、Mo0.5%~1.0%,抗拉强度 400MPa 的粉末冶金铁基结构材料;FTG60Cu3Mo-40(55R) ,表示该烧结铜钼钢热 处理后的抗拉强度为 550MPa。 2.7.4 摩擦材料和减摩材料 粉末冶金摩擦材料是一种复合材料,它由高摩擦系数组元、高耐磨组元和高 机械强度的组元所组成, 用作离合器和制动器材料;粉末冶金减摩材料能够控制 材料的孔隙, 而这些孔隙中可以浸渗油,也能以固体润滑剂分布在金属里的复合 材料的形式来制造, 其中自润滑轴承在粉末冶金制品中占有重要的地位。摩擦材 料和减摩材料是粉末冶金的特殊制品。 粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基材料和铜基材料, 其辅助组元 为润滑组元和摩擦组元。润滑组元有石墨和铅,占摩擦材料的 5%~25%,改善材 料的抗粘、抗卡性,提高耐磨性;摩擦组元有 SiO2、SiC、Al2O3 等,提高材料 的摩擦系数,改善耐磨性,防止焊合。据工作条件不同,分为干式和湿式材料, 湿式材料宜在油中工作。 其牌号由“粉摩”两字的汉语拼音字首“FM”,加基体 金属骨架组元序号 (铜基为 1, 铁基为 2) 、 顺序号和工作条件汉语拼音字首“S” 或“G”组成。如 FM101S,表示顺序号为 01 的铜基、湿式粉末冶金摩擦材料; FG203G,表示顺序号为 03 的铁基、干式粉末冶金摩擦材料。 粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料,具有多孔性,主要用来制造滑 40 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 动轴承。 这种轴承材料压制成轴承后, 放在润滑油中因毛细现象可吸附润滑油 (一 般含油率 12%~30%) , 故称含油轴承。 轴承在工作时, 由于发热膨胀使孔隙变小; 轴旋转时带动轴承间隙中的空气层,降低了摩擦表面的静压力,在粉末空隙内外 形成压力差,使润滑油被抽到工作表面。停止工作时,润滑油又渗入孔隙中,故 含油轴承可自动润滑。 粉末冶金减摩材料的牌号由粉末冶金滑动轴承的“粉”、 “轴”两字汉语 拼音字首“FZ”,加上基体主加组元序号(铁基为 1,铜基为 2) 、辅加组元序号 和含油密度组成。 如 FZ1360, 表示辅加组元为碳、 铜,从事粉末冶金的危害 含油密度为 5.7~6.2g/cm3 的铁基粉末滑动轴承用减摩材料。 5.粉末冶金非铁金属机械零件 烧结金属非铁金属材料应用较多的是铜及其合金,另外还有铝烧结制品、烧 结钛及钛合金。 ⑴ 烧结铜及铜合金 烧结纯铜应用较少, 只用于要求高导电性和无磁性零件。常用的烧结铜基合 金有青铜(铜-锡)和黄铜(铜-锌) ,还有铜-镍-锌、铜-镍、铜-铝等合金系。 铜基材料具有耐腐蚀的特点,有一定的强度和韧性,较容易进行加工,采用一般 的压制烧结工艺即可生产。 烧结铜基合金多用于制造含油轴承、摩擦材料、电器接点材料及发汗材料的 渗透金属,作为高密度机械零件常用于制作小型齿轮、凸轮、垫圈、螺母等,也 可用粉末轧制的方法生产带材。 41 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) ⑵ 铝烧结制品 铝基材料与铁基、铜基材料的性能相近,但质量轻,节约能源。铝烧结制品 与其压铸件相比尺寸精度高、 组织均匀,粉末锻造铝基材料的抗拉强度和屈服强 度均高于普通铝锻件。 铝烧结材料可用做精密机械零件、多孔含油轴承材料和过 滤材料,在交通运输、仪器仪表、家庭用具、宇宙飞行等方面均有应用。 烧结铝制件几乎可以用所有的粉末冶金工艺生产。 成形工艺有模压、 等静压、 轧制、挤压等。烧结在低露点(-40℃)的惰性或还原性气氛中进行,也可在真 空中进行烧结。通过复压、冷锻或热锻进一步提高烧结件的密度和强度。为获得 美观的表面可进行机械抛光、 化学处理和电化处理。铝与铜合金性能的比较分别 如表 7.4.9。 ⑶ 烧结钛及钛合金 钛的密度小、强度高、耐蚀性好、使用温度范围广(540℃~-253℃) 。钛基 航空结构材料多用热锻、热等静压、热压、热挤压、粉末热轧等热成形工艺,以 增加制品的密度,改善制品的性能。典型的钛基合金为 Ti-6Al-4V,用于制做飞 机机架配件。 42 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 第三章 粉末冶金模具设计原理 3.1 粉末冶金概述 3.1.1 粉末冶金及其制品 粉末冶金是一门制造金属与合金粉末,和以金属粉末(或金属粉末与非金属 粉末的混合物)为原料, 用成型和烧结的方法制造金属材料或制品的技术。因此, 粉末冶金既是制取金属材料的一种冶金方法,又是制造机械零件的一种加工方 法。作为特殊的冶金工艺,可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料:作为 少无切削工艺之一,可以制造各种精密的机械零件。 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。 制造铁的第一个方法实质上采用的就 是粉末冶金方法。而现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志: 1、克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。1909 年制造电灯钨丝,推动了 粉末冶金的发展;1923 年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。 2、 三十年代成功制取多孔含油轴承;继而粉末冶金铁基机械零件的发展,充 分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。 43 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 3、向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代,出现金属陶瓷、弥散强化 等材料,六十年代末至七十年代初,粉末高速钢、粉末高温合金相继出现:利用 粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。 粉末冶金最显著的特点是少切削甚至无切削,生产效率高。因此,粉末冶金 在国外尤其是德国、美国和日本倍受青睐,而且起步也早。这种工艺方法较切削 加工工艺,其优点主要表现在以下几个方面: (1)材料利用率高。用一般切削加工方法制造机械零件时,材料利用率约为 40%~50%,甚至更低:而粉末冶金方法的材料利用率可达 95%以上。 (2)生产效率高。随着粉末冶金压制设备和烧结设备的自动化程度提高,一 台粉末冶金专用压机,班产量通常为 1000~10000 件。 (3)节约有色金属。由于粉末冶金的几何形状非常接近实际产品的要求,因 此其后续加工少,甚至不需加工;同时在减摩材料领域多孔铁可替代青铜等。 (4)节省机床。节约切削加工机床及其占地面积。 粉末冶金机械零件是目前粉末冶金工业的主导性产品, 其主要包括烧结金属 含油轴承、 烧结金属结构零件及烧结金属摩擦材料制品等。粉末冶金机械零件先 后经过了形状简单且力学性能较低的含油轴承等制品,随着温压、等静压等新技 术的开发,制造的粉末冶金结构零件形状越来越复杂,力学性能也越来越高。 44 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 3.1.2 粉末冶金的生产流程 尽管粉末冶金零件的材料千差万别,但其生产过程大同小异。粉末冶金工艺 的基本工序是:原料粉末的制备一粉末成型~坯块的的烧结~产品的后序处理。有 时由于产品的精度要求还需要增加熔渗、二次压制和二次烧结等工序。此外,近 年来一些新工艺如轧制、锻造、温压、等静压也应用于粉末冶金材料烧结后的加 工,取得较理想的效果。传统粉末冶金工艺方法见图 3-10 图3—10 传统粉末冶金工艺方法 45 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 3.2 粉末冶金模具设计 粉末冶金模具设计的一般步骤为: (1)选定精整方式及精整模具尺寸,根据精整余量确定烧结件尺寸。 (2)根据所选定的烧结材料和制造工艺的烧结收缩量,确定压坯尺寸。 (3)根据压坯尺寸确定成形模具尺寸。由于本文主要负责需要精整模块的设 计,将重点围绕精整模块来进行阐述。 3.2.1 形状和精整方式分类 (一)形状分类: 粉末冶金制品的成形是通过在压模内由模冲于高压下将金属粉末压缩, 使之 致密化而达到的。因此,压坯的形状和密度都受到一定限制。为使压坯各部分密 度均匀,必须考虑压制时模冲的个数、模具的动作及成形过程中粉末的移动,此 外,还受到成形压机和模架结构的制约。所以,首先根据单轴向在刚性压模中压 制成形的可能性,将制品压坯按形状进行分类。 46 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 根据粉末成形压机的构造、 模架和模具的结构,可以将制品形状分为以下五 种基本类型: (1) I 类是指柱状、筒状、板状等形状最简单的一类制品。如拖 车的衬套,汽车的小隔套等,它们的成形模具通常是由阴模、一个上模冲、一个 下模冲和芯棒等组成 (2) II 类是指端部有外凸缘或内凸缘一类制品。它们的成形模具通常是 由阴模、一个上模冲、两个下模冲和芯棒等组成。 ( 3 ) III 类是指上、下端面都有两个台阶而一类制品。它们的成形模具 通常是由阴模、两个上模冲、两个下模冲和芯棒等组成。 (4) IV 类是指下端面有三个台阶面一类制品。它们的成形模具通常是由阴 模、一个上模冲、三个下模冲和芯棒等组成。 (5) V 类是指上端面有两个台阶面,下端面有三个台阶面一类制品。它是 用粉末冶金成形压机可以成形的、形状最复杂的制品。 (二)精整方式分类: 精整是指在常温下, 为了获得所要求的粉末冶金制品的尺寸精度及表面粗糙 度,对烧结件进行再压制,使烧结件表面产生塑性变形,以校正其尺寸及变形的 过程。所用之模具被称为精整模具。 根据粉末冶金制品精度要求,来确定是否需要精整:针对不同的压坯形状、 尺寸精度和表面粗糙度, 来选择采用具体的精整方式。本文把机动模的精整方式 分为以下四种基本类型(见表 3-1 ) 47 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (1) I 类是指外箍内精整方式。烧结件外径比精整阴模内径大,烧结件内径 比精整芯棒大,将烧结件装在模具内,用上、下模冲加压,使烧结件与模具密切 接触。这种方法模具承受的压力小,对模具有利,但需要吨位大的压机。 (2) II 类是指内胀外精整方式。烧结件外径比精整阴模内径小,烧结件内 径比精整芯棒小,将烧结件先装在模具内,然后芯棒通过烧结件内孔。这种方法 适用于内径精度高、外径要求低的情况。 (3) III 类是指外箍内胀精整方式。烧结件外径比精整阴模内径大,但烧结 件内径比精整芯棒小。 这种方法适用于烧结密度比较小, 使用的压机吨位比较小, 以提高烧结件尺寸精度与减小表面粗糙度为目的的场合. (4) IV 类是指全精整精整方式。烧结件内、外径和高度均留有精整余 表 3-1 精整方式分类 48 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 3.2.2 精整余量设计与精整压力计算 (一)精整余量设计 (1)精整余量和回弹量 精整余量就是某些烧结件为了达到更高的尺寸精度和表面粗糙度, 在考虑精 整模尺寸时, 要在径向或轴向尺寸上留出适当的加工余量,以便在精整过程中迫 使压坯产生少量的塑性变形,消除烧结过程中引起的变形,提高表面质量。而精 49 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 整回弹量则是指当烧结件在模具中精整后,待烧结件从模具中脱出后,内应力得 以释放,这时烧结件在各尺寸方向上产生胀大。 精整方式不同, 则精整余量的分配和回弹量的大小也不相同。 表 3-2、 表 3-3、 表 3-4 和表 3-5 列举了铁基烧结件采用各种精整方式时的精整余量和回弹量的参 考值。 50 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (2)回弹量的影响因素 1、精整余量大,则回弹量增大。 2、烧结件的硬度高,塑性差,则回弹量大。 51 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 3、烧结件密度高,则回弹量大。 4、精整模刚性差,则回弹量大。 5、 全精整时, 适当的压下率, 则因塑性变形大而回弹量减小;过大的压下率, 则使回弹量增大。 6、单精整某个面(内径或外径),因塑性变形小,弹性变形大,因而回弹量 增大。 (3)精整余量的选择依据 精整的目的, 主要是为了提高烧结件的尺寸精度和表面粗糙度,其次是适当 增加烧结件的密度和表面硬度。 过小的精整余量,一则工艺上较难控制,另则不能很好地达到精整的目的。 过大的精整余量造成模具磨损加剧;:烧结件表面过硬,不利于跑合;:对减 摩类烧结件表面孔隙密封,使润滑不利;甚至产生表面裂纹。 因此, 在工艺上能控制的范围内, 并保证烧结件精度和表而粗糙度的情况下, 尽可能减小精整余量为宜。特殊情况下,为了增加烧结件的表面粗糙度,提高耐 磨性,或为了电镀和防腐而需要封闭孔隙例外。 52 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) (二)精整压力计算 精整工艺是将烧结后的制品在模具中进行冷压缩, 通过塑性变形来提高制品 的尺寸精度并改善表观粗糙度。 对于低密度的轴类制品,精整压力一般为压制压 力的 1/3 ~1/2。但对于复杂形状的结构零件,当选择较大的精整余量时,精整 压力有可能接近或超过压制压力。 轴套类零件的精整压力,取决于其成分、金相组织、孔隙度、精整余量和精 整方式。最常见的精整方式“外箍内” ,是制品外径留有精整余量,内径不留精 整余量,精整时芯棒先进入内孔,上模冲强迫制品一起通过阴模,是制品内、外 径都减小,从而达到同时精整内、外径的目的(见图 3-2 )。而“内胀外”则是 制品外径不留精整余量, 内径留精整余量,外径表面的挤压是靠内径精整时向外 膨胀来实现的(见图 3-3 ) 。 采用“外箍内”或“内胀外”精整方式时,精整压力 P 整由下面三部分组成: P 整=P1+P2+P3 (3-1) 式中 P1—实现轴套纯变形所需的力: P2—克服精整区外摩擦所需的力; P3—克服内摩擦所需的力,或为了补偿在斜面上与由于轴向材料位移有 53 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) 关的内部损失所需的力。 图 3-2 外箍内精整方式的受力分析 的受力分析 图 3-3 内胀外精整方式 1—模冲与芯棒 件 3—阴模 2—阴模 3—被精整零件 1—芯棒 2—被精整零 下面分别考虑这三部分与被精整零件、精整模具等参数的关系,以便得出精 整压力 P 整的数学表达式。首先分析 P1: P1=P 整·△S(3—2) 式中 P 整———在精整区的平均压强; 54 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) △S———在精整过程中轴套横截面积的变化 其次分析克服精整区外摩擦所需的力 P2; P2= Q·f·P 整(3—3) 式中 Q——阴模精整区的工作表面积; f———精整区的外摩擦系数。 最后分析 P3; P3=0.58· σ·σ·S2(3—4) 式中σ———精整材料的塑性变形抗力,取决于被精整件的材质、组织和孔 隙度; σ———阴模入口端的角度; S2———精整区轴套的横截面积。 将式(3—2) 、式(3—3)和式(3—4)代入式(3—1) ,得出精整压力的数 学表达式为: 55 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) P 整=P1+P2+P3=P 整(△S+ Q·f)+0.58·σ·σ·S2(3—5) 式中 Q ? ? b( D0 ? D1 ) 2 cos ? (3—6) 由式(3—5)便能计算出精整压力,式中 P 整、△S、Q 和 S2 根据精整方式 而定: 1) 、当采用“外箍内”方式精整时芯棒先进入内孔,上模冲强迫制品上一起 通过阴模,是制品内、外径都减小,从而达到同时精整内、径的目的,在精整区 的平均压强可按下式计算: P 整= ? ?S f 1? (1 ? ) 2S2 ? (3—7) 式中σ——在三向压缩条件下,精整材料的塑性变形抗力; △S——在这里,△S= D02 ? D12 ? 4 (3—8) D02 ? d12 ? S2——在这里,S2= 4 (3—9) 2) 、当采用“内胀”方式精整时,轴套外径基本上不留精整余量,内径留精 整余量, 外径表面的挤压是靠内径精整时向外膨胀来实现的,其精整区平均压强 56 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文) P整 可按下式计算: P整 ? ? ?S ? fQ 1? 2S2 (3—10) 式中 ? ——在单向压缩条件下材料塑性变形的抗力; 通常“内胀外”精整方式的整压力只有“外箍内”方式的 1/10。 3.2.3 精整模具零件结构设计 在粉末冶金工艺中, 寻求节约的最重要环节之。