粉末冶金原理与工艺范文第1篇

关键词：粉末冶金 组合模具 压制成形 改进

0 引言

在粉末冶金工艺中，对于模具的应用范围非常广泛。而组合模具是综合了多种结构特征而形成的综合性模具。它克服了普通模具和单一压制方式的缺陷，解决了以往在粉末冶金工业中存在的难题，是粉末冶金工艺的一项突破。但是，随着技术水平的不断发展，组合模具存在的问题也随着暴露出来，成为我们当下需要解决的难题。

1 粉末冶金概述

1.1 粉末冶金工艺 粉末冶金，是通过制取金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为生产原材料，通过过压制成形、烧结等工艺过程，制造出各种粉末冶金制品的工艺技术。现在，这种工艺已经成为我们在新材料研制领域内的重要工艺技术。

1.2 粉末冶金组合模具 在粉末冶金过程中，在压制成形、烧结以及后处理等制作工序中都会用到模具。在复杂零件的压制成形工序中，常会将模具设计成多种形状的组合模具，这样便可以在压制过程中综合运用多种压制方式，以保障压坯的质量。

2 粉末冶金压制成形过程中存在的问题

在粉末冶金整个制造工艺中，模具的使用在很多工序中都常常会看到。例如，在粉末冶金的压制成形阶段、烧结阶段、复压阶段、精整阶段都会用到粉末冶金模具。而其中最常用且应用最广泛的还是压制成形阶段。在粉末冶金的压制成形阶段，组合模具是形式最多且应用最广泛的模具。目前，组合模具还存在着一些不足之处，其对于粉末冶金工业具有较大的危害。

2.1 压坯密度分布不均匀 在粉末冶金压制成形过程中，常会出现压坯密度分布不均匀的现象。在压制过程中，在垂直方向上，上层粉末的密度比下层粉末密度大；在水平面上，接近上模冲的断面密度分布是两边大，中间小；远离上模冲的段面密度分别是中间大，两边小。造成这一问题主要是由于组合模具的内壁摩擦力较大、组合模具设计的高径比较大、以及压制方式不当等原因造成的。

2.2 粉末粘结组合模具盖板内壁 在粉末冶金压制成形过程中，会出现粉末粘结组合模具盖板内壁的现象。这主要是由于模具内压制密度较低和盖板内壁摩擦力较大等原因造成的。粉末粘结于盖板内壁，一方面，会造成原料的浪费，并对组合模具形成污染；另一方面，会对粉末冶金制品的质量造成严重影响。另外，由于组合模具设计上存在的一些不足之处，还会使粉末冶金制品出现制品的形状偏斜、产品对角开裂等问题，这些问题严重影响了粉末冶金工业的生产效率和产品质量，同时也造成了严重的经济损失。

3 粉末冶金中组合模具的改进办法

3.1 增强组合模具内壁的光洁度 在组合模具制造过程中，提高与粉末存在直接接触的压板内壁、盖板内壁等的光洁度，降低其与粉末之间的摩擦力，将在一定程度上有效的避免模具内壁对粉末压制造成不良影响。其具体改进办法如下：①在模具内壁打磨过程中要提高内壁的光洁度；②对于某些与粉末接触处，可酌情采取局部打磨的方式增加其光洁程度，以提高模具的性能；③在使用过程中，为了提高模具内壁的光洁度，还可以采用向模具内壁涂抹油的方法达到所需的效果。

3.2 在组合模具的设计上加设脱模弹簧 在组合模具的侧板与盖板的连接面上，以及模具侧板和压机的侧缸之间增加一个脱模弹簧。这样的设计改进看似简单，但会解决粉末冶金压制成形过程中存在的很多问题。由于脱模弹簧的存在，在压制和脱模时便会存在一定的缓冲力，这样压制成形的制品外表形状就会比较规则，而且也会有效避免制品对角开裂的问题发生。另外，这一设计上的改进对于减少压制成形过程中的加粉量、加工量也具有明显的效果。

3.3 在外模冲上安装保护套 在粉末冶金压制成形过程中，组合模具的外模冲由于受到的压力复杂，再加之对于热处理硬度难以把握，因此，外模冲易于受损、开裂，使用寿命较短，同时也增加了粉末冶金的压制成本。经过设计实验后发现，在外模冲上安装一个保护套将有效改善外模冲的使用环境，克服其受到直接磨损等威胁，这样就可有效的延长外模冲的使用寿命，降低压制成本。另外，由于保护套易于安装、替换，且生产成本低，因此，增加保护套是解决外模冲受损最为合适的办法。

4 结语

在粉末冶金工艺中，组合模具的应用非常广泛，对于粉末冶金制品的质量也起到一定的决定作用，于是，对于组合模具的设计、制造具有较高的要求。目前，对于组合模具的设计、制造仍然具有很大的发展空间，有时对于组合模具一点小小的改进，就可能为粉末冶金工业带来巨大的收获。因此，我们仍需不断对组合模具乃至整个粉末冶金工艺进行发展、改进，逐渐缩小我国粉末冶金工业与发达国家的差距。

参考文献：

[1]孙国勋.粉末冶金多台面零件压制组合模具探讨[J].粉末冶金工业，1998（2）.

[2]耿锁俊.粉末冶金中组合模具的改进[J].内蒙古石油化工，2006（2）.

粉末冶金原理与工艺范文第2篇

关键词：双联齿轮；粉末冶金；模具

双联齿轮就是两个齿轮连成一体，这种双联齿轮在轮系中（变速器）被称为滑移齿轮，它的作用就是改变输出轴的转速或速度。齿轮箱里，有滑移齿轮就可以有多种转速或速度，没有滑移齿轮就只有一种转速或速度。对于高强度铁基粉末冶金的双联齿轮应用更是广泛。下面我们就来探讨一下它的设计和开发问题。

一、产品分析

随着粉末冶金技术的迅速发展，使得制造高性能低成本的齿轮制品成为可能。可见采用高性能粉末冶金材料能满足齿轮的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度的要求。双联齿轮产品见下图1。根据双联齿轮的使用情况分析其失效模式，其主要失效形式是轮齿折断和齿面磨损。解决此问题的主要措施是采用粉末冶金材料或合金钢热处理及表面处理技术，进行齿轮强度校核，分别计算齿轮的弯曲应力与接触应力，并确定高性能粉末冶金材料齿轮的许用弯曲应力与接触应力。

二、工艺设计

产品的开发工艺为：混料――压制――烧结――浸――机加工――热处理――机加工――油浸。根据工况分析此产品必须具有高强度与良好的耐磨性。

1）材料设计：根据产品的使用情况选用具有高强度的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo。因本产品要进行切削加工，考虑对加工刀具的磨损，加入质量分数为0.35%的MnS。铜与铁的湿润性很好有利于提高材料的密度和强度；镍主要提高材料的强度与硬度，并明显改善其冲击韧性，镍铜同时进行合金化以稳定烧结品尺寸；钼主要是提高材料的强度与淬透性，有效地减少回火脆性；硫化锰主要提高烧结品的切削加工性能。原料粉末混合后要具有良好的流动性和压制性能，以保证具有复杂结构的齿轮制品在成形时的密度分布均匀。

2）压制与烧结：采用60t的全自动成形压机进行产品的压制，必须保证压制品的密度分布均匀且分割密度小于0.1g/cm3。烧结工艺：在有快速脱脂装置的网带式烧结炉中1120度的温度，90%氮和10%氢的气氛下烧结25分钟，烧结时严格控制烧结气氛的碳势，以免脱碳影响齿轮的烧结性能。

3）表面热处理：网带炉进行渗碳热处理。具体工艺为：860度下在碳势0.8%的保护气体中奥氏体化30～60分钟，10#油中淬火至80度，冷却到室温后再在100～200度下回火1小时，以减小淬火应力、降低脆性并保持高强度。

4）后续机加工：一次机加工是根据产品图对双联齿轮的烧结体进行机加工，二次机加工主要是在热处理后加工其柱面外圆保证其装配精度。

三、成型模具设计

根据不等高粉末冶金制品模具以及齿轮模具的设计原理，结合所研制产品的结构特征采用“上二下三”模具成形方案，成形结构示意图如图2所示，压制成形状态图如图3所示。“上二下三”模具成形方案，采用两个上模冲与三个下模冲成形。

此成形方案有如下特点：

1）产品的成形性：此方案更有利于压制时粉末的移动送粉，从而获得密度分布较均匀的压制品，使大小齿轮部位具有很高的结合强度。

2）产品的机加工：此方案凹槽直接成形，大齿轮端面凸起部位便于机加工。

3）模具的结构：此方案模具结构复杂，三个下模冲成形加大了模具的磨损，影响其使用寿命以及压制品的精度。通过上述成形方案的分析可知，为了得到密度分布均匀且合理的产品和便于机加工并降低成本，可采用先进的全自动粉末冶金压机来保证具有复杂结构的制品压坯的成形。所研制的粉末冶金齿轮的精度主要由粉末冶金模具保证。粉末冶金模具的服役条件非常苛刻，阴模受到摩擦与交变拉应力作用，失效形式是磨损。模冲不仅受到摩擦作用，还承受冲击和传递很大的压应力，因此失效形式主要是崩裂、剧烈磨损以及断裂。复杂的模具结构决定必须选择较好的模具材料以满足其韧性和耐磨性要求。成形阴模采用硬质合金YG8，成形上下模冲采用进口的高速钢SKH9。

四、研制结果

齿轮材料的金相组织是：烧结态组织主要由片状珠光体、残余奥氏体、铁素体和孔隙组成；热处理态组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成。对此成形方案的烧结品、热处理品分别进行齿轮抗压强度测试和尺寸检验。齿轮强度测试在万能材料试验机上进行齿轮抗压试验，要求齿轮与压块以线接触形式在齿面上均匀接触，齿轮A与齿轮B分别跨14与2齿测试齿轮抗压强度。所研制的铁基粉末冶金双联齿轮装机进行. 万次负载耐久试验，齿轮齿部无明显的凹陷、擦伤和点蚀，满足使用要求。

五、结语

1）通过产品分析、材料成分设计、制备工艺确定以及成形模具设计，详述了高性能铁基粉末冶金汽车双联齿轮制品的研制过程，装机试验表明成功开发应用于汽车上铁基粉末冶金双联齿轮。

2）产品研制过程中采用自主开发的高性能低成本的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo-0.35MnS，产品性能测试、尺寸检测以及装机试验结果表明，所研制的齿轮达到使用要求，尺寸的稳定性可满足批量生产的需要。

参考文献

[1] 朱孝录主编.齿轮传动设计手册[M]. 化学工业出版社， 2005

[2] 上海市新材料协会粉末冶金分会，上海汽车股份有限公司粉末冶金厂编，张华诚主编.粉末冶金实用工艺学[M]. 冶金工业出版社， 2004

粉末冶金原理与工艺范文第3篇

摘 要：文章针对粉末冶金进行分析，并对难熔金属金属、钛基合金、氧化物弥散强化合金、超高温合金以及喷涂合金粉末等多种带有明显特征的航空发动机的粉末冶金技术。在这其中，对钛基合金粉末与高温合金粉末以及喷涂合金粉末的制造预备的关键进行重点的研究和探析。还对喷射成形和热等静压以及注射成形以及迅速成形的工艺特征与发展状态。最重要的是对粉末冶金技术在航空发动机的使用进行全方位多角度的研究与探析，并做以简单的论述，为相关人员提供参考意见。

关键词：粉末冶金技术 航空发动机 应用

中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0010-03

粉末冶金技术的特点是对性能高的材料进行制造的技术，并且对航空发动机有直接和紧密的联系。粉末冶金技术不但可以制作配备出没有宏观偏差、晶粒细微、组织非常均衡、各向同性、热加工性能过硬的复合材料与合金材料，大大提升了粉末冶金材料的疲劳能力与屈服能力，还可以实现零部件的最终成型。粉末冶金技术在航空的发动机的重要热端零件与别的航空发动机零件的全新材料的优质制造设备科学技术。航空飞机的心脏是航空发动机，而航空发动机性能的好坏会直接影响到飞机的众多指标和安全性质。伴随我国航空发动机转向多元化、多性能以及大型化的角度扩展以及在涡轮之前燃气的不断提升，零部件承受更大的负荷压力，工作的状况也越来越恶化，与此同时，对航空发动机的重要部件的功能的标准提出了更为严峻的要求。另外，涡与涡轮叶片的重要部件可以承担的压缩比与燃烧的温度更能够提升航空发动机的燃油的经济特征，降低排放与延长航空发电机的使用年限。根据以上的陈述，性能较强的航空发动机的发展壮大与粉末冶金技术的提升存在紧密的联系。文章主要是针对在航空发电机中应用众多形式不同的粉末冶金材料和粉末冶金设备、粉末成形以及粉末的增强重要技术进行的分析，使粉末冶金技术可以在航空的发动机中得到有效的应用。以下是具体的论述。

1 在航空发动机中使用的粉末冶金材料具体种类

1.1 P/M钛基合金

钛基合金的优势是耐腐蚀性强、强度较高以及热强的性能强。其最主要应用在对航空发动机的压气机的中压气机中的机盘、机叶、风扇以及连接环与导航仪。钛合金取代钢或者是高温合金能够显著降低发动机的所承受的重量，提升发动机的推重比重。以上零部件的标准是在高温的状况下呈现非常强的强度与高温的蠕变抵抗力，持久的强度与稳定组织性。P/M钛合金的伸拉所具备的性能可以大大超出熔断材的质量。但是在P/M钛合金中出现的杂质所含的数量以及钛合金的孔隙，这些都会使钛合金出现疲劳性的减少。在提升密集度与精华工艺程序是P/M钛合金当前最应该解决的状况。

钛合金金属间的化合物的复合材料主要是由氧化物、碳化物以及二硼化钛等颗粒当成提升相，其主要的特点是抗氧化的能力非常强、抗蠕变的特性也非常强、密度较低。温度可以到达816 ℃～982 ℃之间。促使钛合金能够在航空发动机应用的位置是从风扇与风压机变换到涡轮长中，并且合适于制造预备的高压压气的发电机的机片以及低压涡轮的发电机的也变。钛铝合金的基复合的材质是使用粉末冶金、高温组合、热压以及静压、放电等离子体的烧结和喷射堆积、冲击波的固组成法等方式的制作设备。但是钛铝合金的基复合的材质会增大热加工的难度性，整体的功能性也要大力提升，在当前的航空发电技术中还没有应用此项技术。

1.2 喷涂合金粉末

热喷涂粉末会应用在航空发电机的抗高温烧浊涂层、封闭涂层、热障涂层抗磨抗损中，涂层技术对于航空发电机的重要部位进行高温的防护，以及封严耐磨、高温零件的阻燃和防止磨损的状况中，存在非常重要的价值。涂层不仅可以提升发动机重点零件在高温的影响下抵抗侵蚀的重要性，以及在炎热的状况下出现抵抗零件疲劳的能力，以此增加航空发电机的使用年限。热喷粉末的成分具体是指：氧化物陶瓷粉末、合金粉末、金属陶瓷粉末以及纯金属粉末。在美国的飞机的发电机中使用的热喷技术所需的零件数目大概是7 000件除外。热喷涂粉末和别的冶金所需要的粉末有很多不一样的地方，它对粉末的要求非常高，具体体现在粉末的颗粒形状要小而精、要具备高度的球形、良好的流动、颗粒的分布范围要小、所含的气体和杂质量一定要低、松装的密集程度要符合规定的标准。

1.3 氧化物弥漫强化合金

镍基氧化物弥散强化合金可以当成涡轮喷气发动机器中的涡轮叶片和导向叶片，这种粉末不仅可以在高温的状况下得到有效的使用，还可以忍受带来的负重疲劳、气体的蠕变以及气体受到的气势。镍基ODS合金能够抵挡强度较大的蠕变性质，其最重要的原因是氧化物存在的弥漫强化的作用和增强晶状物的移动与滑动。具有代表性的镍基ODS合金主要有3种，分别是MA754、MA600以及MA760。镍基ODS合金主要是运用热挤压制作方式以及机械合金的制作方式，主要有3个关键的步骤，分别是热挤压和热轧制、机械合金化以及进行热处理。只有提升氧化物弥散强化合金的氧化颗粒形状才能更好地提升科学技术水平，增添Hf匀速可以促使氧化物的颗粒的尺寸由原来的30 nm减少到5～10 nm（见图1），与此同时，也为氧化物的根本体积面的掌控创造了全新的方式，在强化晶界降低晶界逃离规定范围的方向开展工作，并且对柱状的晶粒所具有的力学性质存在的各异性提供解决方案，尤其是占据横向方位的晶界的蠕变的村若星的状况是增大镍基ODS合金使用的重点。

1.4 难熔金属

铌合金、钨合金、钼合金以及钽合金都是难熔的金属。钼铜合金可以当成固体火箭发动机的帮衬材料，Ta-10W-2.5H合金主要应用于液体火箭喷管中的喷嘴，Ta-10W合金在火箭发动机中的喷管的阿波罗以及燃气的扰流片的实验燃烧的实验室中。在这些难熔的金属中，密度系数最小的是铌合金，并且强度呈现1 100 ℃～1650 ℃中，仍然具有较强的焊接能力和对室内温度有效控制的能力，还能在薄板的制作以及制成外形非常繁琐的发动机的零件。钨合金可以打造成不需要进行冷却工作的火箭喷管、喷气叶片、热然器的反射器、用于离子火箭发射需要的离子环以及燃气舵。钨取代钼当成固体火箭发动机的喉管和喉衬，进口套管，可以把材料的运用所需的温度在1 760 ℃的基础上提升到3 320 ℃之上。如，美国的联合飞机企业就把钨铜两种材料进行融合，以此当成火箭发动机中的喷管隔板，钨铜融合的材质完全可以承受超出钨的熔点值3 400 ℃。在当前的粉末冶金技术的发展中，难熔金属的高温氧化与高温形成的强度，以及高温材料的重量化是面临的最根本的挑战。

2 粉末冶金的工艺

2.1 镍基高温合金粉末

进行镍基合金粉末要具备含氧量低、制作预备的颗粒的形状要小还要具备较强的纯度的特点，是依据制作预备较强性质功能的粉末的涡的主要技术。当今存在两种方式都是十分重要的，一种是氨气雾化法制成AA粉；另一种是等离子旋转电极法的制粉。如，俄罗斯主要选用是等离子旋转电极法制粉，而等离子旋转电极法制粉的主要特点是夹杂物的尺寸过大、而等离子旋转电极法制粉的颗粒的形状又非常的大。在进行高温后的合金粉末正迈进无污染、没有陶瓷的状况下迈进。粉末的颗粒的径长的分类会阻碍粉末中不是金属融合的尺寸，还会合理科学提升声涡的使用年限和可靠性质，降低出现疲劳寿命的机率。另外，在针对粉末开展颗粒界面韧化与热处理强韧化的处理工作以及进行真空脱皮工作，可以提升材料的塑性与强度。

为解决VIM惰性气雾化德体系中存在的熔化金属和陶瓷资料从而出现的“陶瓷状况”。在最近几年中，我国已经研发了众多的制粉措施和纯净熔炼技术（见图2）。在ELGA的工艺施工中，预合金棒是电极，在电极逐渐旋转到达环形感应线圈的中间位置时，电极会发生熔化的变化，熔滴在准确进入惰性的气体中开展雾化工作。PIGA法主要是根据等离子弧在水冷的铜坩埚中开展熔炼工作，水冷铜坩埚的最底层要和感应器的加热漏嘴相互连接，没有陶瓷漏嘴系统要把熔化掉的金属溶液倒入气体的雾化喷嘴中开展雾化工作。在进行冷壁坩埚熔炼的气体雾化体系中，坩埚要具备一个最底端的浇筑体系，并且冷坩埚的底端浇注的方位和冷壁感应领导体系的相互连接，这个体系也可以使用在活性的金属中。如，在进行碳合金或者是TiAL的金属上的化合物熔炼工作中，在电渣进行重新的熔炉冷璧感应的导向工作中，要对电极的格式以及雾化的材料进行整体的创新，在电源头和熔渣的接触面积的开展熔化工作时，要把熔炼的金属溶液贯穿于具有活性性质的熔渣层，然后在融入到铜金属制成的水冷坩埚中。

2.2 喷涂粉末

不一样的制作设备的工艺会促使粉末的颗粒形状、颗粒分布、颗粒状态以及颗粒的化学成分都会发生非常大地改变，这也会对涂层的能力产生一定的影响。制作设备使用道德喷涂粉末常用的方式主要有机械研磨、气体雾化、制造喷雾干燥颗粒以及水雾化。伴随科学技术的不断发展，喷涂的合金粉也研究出了全新的技术。

首先是等离子体球化的问题上，等离子体球化指的是运用等离子弧促使形态不一的原始粉末进行快速地加工并且使之熔化，使熔化的颗粒在基础的作用下产生非常高的球状度的液体，在非常高的温度中使滴液得到快速地凝固，以此使球状粉末得到有效保存。这也是一项制备非常的密实、解决纯度较高的热喷涂抹粉末的方式，图3是运用气流磨分级和分散以及与等离子球化星湖融合的工艺，制成的球状的钨粉。

2.3 纳米粉体进行再次的造粒

纳米粉体是热障涂层的主要原材料。主要优势是有较强的抗热震能力和较强的隔热性能。可是纳米粉末不可以进行直接喷涂工作，必须借助喷雾干燥剂和之后的处理制作而成微米级别的团聚体的粉末。纳米粉体二次造粒的主要步骤是：第一，运用球磨混合一级超声把纳米结构所具有的信息，合理有序地分布在液体的介质中，并且要添加有机的粘合剂；第二，要把所得到的溶液使用喷雾干燥剂制成纳米结构的聚集体；第三，要把纳米结构团聚集在一起，使之能够快速去除水分，还要去除吸附在化学附氧，为更好地推进一些烧结或者是加热内部整合的温度，以此获得纳米结构的喷涂的粉末数据，使之可以在以往的热喷涂喷枪上得到有效的应用。

2.4 喷射成形

喷射成形的技术主要是把液态金属的快速凝固与熔滴动态致密固化相互融合，并且这也是流程在快完成阶段而飞速凝固的固体材料的全新技术。喷射成形的优势是较高的整体致密度、较低的氧含量以及组织细小匀称。可以提升完善高温合金中的热加工的塑性，提升材料的整体力学的功能和能力，合理改善合金的加工，使之更加与预制设备的高温合金性融合，还能够节省众多和压制相关联的工艺环节。

3 结语

总而言之，要把粉末冶金技术科学、合理、有效地应用在我国的发动机中，并且使其发挥最大限度的价值和重要意义。促进我国航天发动机得到更好地发展，为我国的航天事业奉献更多的力量。

参考文献

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[2] 张鹏，朱强，秦鹤勇，等.航空发动机用耐高温材料的研究进展[J].材料导报，2014，28（11）：27-31.

[3] 袁征宇.某航空发动机粉末冶金涡低循环疲劳寿命研究[D].湖南大学，2012.

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[6] 韩志宇，曾光，梁书锦，等.镍基高温合金粉末制备技术的发展现状[J].中国材料进展，2014，33（12）：748-755.

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[8] 唐民锋.从F-135发动机技术特征展望军用航空发动机维修保障模式的发展趋势[C]//中国航空学会.2015年第二届中国航空科学技术大会论文集.中国航空学会.2015.

粉末冶金原理与工艺范文第4篇

关键词：铁基粉末冶金；铁铝合金化合物；热处理工艺；显微组织；力学性能；耐磨性

中图分类号：TF125.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0009-02

气门座作为发动机中一个主要零件之一，主要是通过与气门的相互协调作用，在配气的机构里共同来起到一个密封气缸的作用的。粉末冶金技术由于它的相对简单性，使得它能够适用于许多不同情况下的生产要求。本次试验就是通过参考日本五十铃公司的气门阀来进行相关研究并进行开发的。试验以获得与之相似的高性能和低成本的粉末冶金的气门座的材料为目的。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本实验的基体元素是粉末状的雾化铁，并在这一基本元素中通过适量的添加C、Cr、Co、Si、Ni以及Mo等合金粉来进行强化作用，并使用微粉蜡来充当剂。在本次试验中，通过进行一系列的相关的性能检测和分析得出的最终用于试验的相关化学材料的成分，见表1。

1.2 实验方法

在配置试验用材料的过程中，将高碳铬铁粉（主要成分包括wt%：Si 2.3、Cr 65、C 7.2、S 0.02、P 0.03）作为基准，如有不足再使用其他粉末予以补足。再通过粉末的称量、研磨、球磨、以及压制来制作并准备试样。首先将制备好的试样放置在试验用的ZT-18-22型的真空碳管炉中，在处于温度为200以上800 ℃以下的温度中烧结30 min，随着温度升到800以上1 200 ℃以下时烧结20 min，当温度上升为1 200 ℃时停止烧结并保温一个小时再随之冷却，在最后进行油淬以及回火这一程序之前，再将试样经1 100 ℃保温30 min：其中回火这一工艺主要分为两种，将试样放置在350 ℃下保温超过2 h后再将其放置在600 ℃温度中保温1 h，最后再将试样进行空冷，这叫低温回火；而高温回火工艺是将试样在650 ℃下保温1 h，然后进行空冷。

2 实验结果与分析

2.1 烧结对试样的组织结构的影响

试样烧结后可以清晰的看到组织中存在着一些孔隙，但总体组织还是拥有很致密的结构的。经过烧结之后的材料形成了奥氏体化，它的内部的组织结构主要包括奥氏体、晶内的以及晶界上分布的碳化物和合金化合物，而正是这些组织中分布的碳化物才能有效的对材料的耐磨性发挥良好的促进和强化作用。

2.2 压制的密度对烧结过程所产生的影响

当试样的密度为6.9 g/cm3时经过烧结后所产生的孔隙相对较少，组织结构也较为致密，烧结颈也随之长大，并通过粉末颗粒间的相互结晶作用以使其达到一个完全融合的状态，这就表明在烧结的过程里，试样的烧结颈已经处于一个基本完成的状态。而当试样的密度处于6.6 g/cm3的时候，当试样经过烧结，就会产生很多的孔隙，虽然，烧结也可以使其达到一个合金化的过程，但是，由于压制时的密度不够，势必会产生大量孔隙，从而使其不能在烧结的过程中达到一个完好结合的状态。那为什么当密度降低的时候会对烧结的进行产生不利呢？主要原因是，密度的增大会使得磁力线也增加，而在这一增加的过程中所产生的大量热量会对烧结产生促进作用。

2.3 回火针对试验样本的组织结构以及相关性能所产生

的影响

2.3.1 中温回火组织特征

将铁基粉末的冶金材料在350℃的温度中进行保温2 h，然后在将其放置在550 ℃的温度中保温1 h，最后进行回火工序所得到的组织，我们称之为回火索氏体。它们分别是试样4和试样5的回火组织，如图1所示。

通过对图的观察，我们可以从中得出，经过350 ℃保温2 h后，再经过550℃保温回火后的组织体中的细粒状的渗碳体的分布，这种组织就是具有高弹性和高屈服性以及柔韧性的回火托氏体。我们可以看到，将试样进行回火之后硬度大部分是处在HRC35～45这一范围的，见表2。而这一硬度范围正是与回火托氏体完全一致的。

2.3.2 高温回火后的相关组织特性

铁基粉末冶金材料经650 ℃保温1 h回火后组织均为回火索氏体。试样经过回火后所形成的金相组织，如图2所示。从上图中我们可以得知在材料经过650 ℃温度保温1 h后会产生一些分布在机体组织上的碳化物的细小颗粒，而正是因为回火索氏体的相关组织形态和马氏体的组织形态具有一定的相似性，所以我们可以得出，粉末冶金材料相对来说具有良好的回火的稳定性这一结论。经过高温回火后试样的洛氏硬度值（HRC）也明显呈现出一个降低的状态，如表3。回火是以消除残余的奥氏体，清除残余的应力为目的的，将残余的奥氏体进行转化，势必会降低组织体的硬度，但，相反的，组织的稳定性却可以有所增强，从而完善了粉末冶金材料的综合性能。

2.4 碳的含量对试验样本的回火性能所产生的影响

让材料在经过350 ℃的2 h的保温后在进行600 ℃的1 h的保温的目的主要是想避开珠光体的400～550 ℃转变温度，从而让组织在受热均匀后直接升至600 ℃，使之成为回火马氏体。回火这一工序主要是起到一个提高组织稳定性，消除残余的奥氏体和残余的内应力这一作用，它能增强维持工件在使用过程中的物理形状及性能，增强使用过程中的稳定性，从上图可知，因为组织在进行回火后孔隙增加，进一步完善了组织，不仅保有了硬度，还提升了韧度，测试得知，材料组织的孔隙处于7.5%～10%这个范围，而试样的硬度则显示为HRC35范围左右，而硬度值和材料孔隙率呈现一种反比的关系，见表4。通过查阅相关资料我们可以从中得知，在影响试样的硬度的相关因素中，孔隙的形状对其影响不大，主要影响因素还是材料的孔隙程度。通过上表我们可以看出，当将试样经过回火进行处理之后，洛氏硬度会降低，而这一现象的主要原因在前文已经进行了阐述，因为消除了残余的应力，重组组织颗粒，降低材料的硬度。

3 结 语

①在本次试验的条件下，通过增加钼、铬等相关合金的元素借此来增加材料自身的高温硬度，并通过烧结使之形成晶内和晶界上分布的少量碳化物以及合金化合物从而使材料的耐磨性得以提高。

②在本次实验中最优的合金成分的组合是：5.27Co-2.19Cr-1.69Si-4.0Mo-0.53Ni-0.2C-余Fe。

而在工艺的参数中最佳为：1 200 ℃温度中1 h的烧结，在1 100 ℃的温度中的油淬火，以及在600 ℃中的回火；回火后检测组织的硬度值（HRC）分别是36.3和38。

③如果淬火温度较低，那么碳化物由于相对稳定性就会难以溶解，此时，对组织的硬度所产生的影响并不大，而当温度的增加，化物的溶解也随之加快，因此，提高淬火温度可以一定程度地提高烧结体的硬度。

参考文献：

[1] 杨学明.内燃机气门座材料的开发与应用[J].武汉汽车工业大学学报，1998，（3）.

[2] 李绍忠.高性能烧结合金钢阀座的研制和应用[J].汽车工艺与材料，1993，（3）.

粉末冶金原理与工艺范文第5篇

不锈钢具有良好的耐腐蚀、综合力学性能等优点，一般采用熔工艺法生产，由于其切削加工困难，故由其制造的零件存在尺寸精度差、表面粗糙、易产生元素偏析、有缩孔和砂眼等不足，因此在不锈钢的加工制造中仍存在许多技术难题［1］。早在20世纪70年代，人们就开始采用雾化法制备不锈钢预合金粉，进而利用粉末冶金工艺制备出高性能的不锈钢［2］。粉末冶金不锈钢具有良好的力学、物理和化学性能，与传统熔炼工艺生产的不锈钢相比，生产的零件接近净成型、尺寸精度高、材料利用率高、组织结构均匀，使其在实际生产中具有较大优势，已广泛应用于机械、化工、船舶、汽车、仪器仪表等行业［3］。由于粉末冶金不锈钢内部会存在孔隙，其力学性能、耐磨性和耐腐蚀性都不及致密不锈钢的，从而较大地限制了其应用［4］。有研究表明，粉末冶金不锈钢几乎所有的性能都随着密度的增大而提高［5］。因此，如何提高粉末冶金不锈钢的密度，减少其孔隙度，从而提高粉末冶金不锈钢的性能，是研究者们一直探究的问题。以此问题为核心，作者综述了近年来国内外利用粉末冶金工艺制备不锈钢的研究进展，包括烧结理论、成形和烧结技术的进展及成分添加剂对其组织和性能的改善，并提出了今后研究应重点关注的方向。

1烧结理论的研究进展

烧结是粉末冶金制备不锈钢最重要的环节之一，它对不锈钢烧结体的显微组织以及材料的最终性能起着决定性作用。不锈钢粉体颗粒的烧结是物理、化学、物理化学和物理冶金等多种因素相互作用的复杂过程，其理论研究主要包括烧结的驱动力（热力学）和烧结机制（动力学）两个最基本的问题［6］。20世纪40年代，Krenkel发表了粘性流动烧结理论，并与Kuczynski创立了烧结模型；50年代Kuc－zynski、Kingery、Coble等提出了粘性及塑性流动、蒸发与凝聚、表面扩散和体积扩散等烧结理论，并提出了烧结动力学方程；在60年代，人们对烧结过程和机制进行了大量研究，如多种烧结机制进行了大量研究综合作用下的烧结动力学［6］。80年代后期，随着人们对烧结过程本质的了解和计算机模拟的发展，开始使用计算机对不锈钢烧结时的晶粒生长进行模拟，并建立了两球单元烧结模型［7］。

传统不锈钢烧结一般采用固相烧结，烧结温度一般为1100～1390℃［8］。其烧结过程如下：当粉体作规则堆积并加热至0．4T熔（T熔为不锈钢的熔点）时，由于原子热振动振幅的增大，颗粒接触处许多原子开始离开初始晶格点阵发生扩散，形成了颗粒间的初始金属结合；当烧结温度升高到0．5T熔时，颗粒凸出处自由表面上的原子开始向邻近颗粒的接触区迁移，形成烧结颈；随着烧结的进行，烧结颈长大，孔隙开始球化并缩小，使烧结体致密度提高、强度增加［6］。

然而，固相烧结时不锈钢内部残留大量孔隙，使其致密度和性能都较低。近年来，人们开始采用超固相线液相烧结（SLPS）使不锈钢预合金粉末在烧结时形成液相，液相通过流动填充孔隙进而提高烧结体的致密度和性能［9］。不同于普通的液相烧结，SLPS是对预合金粉的烧结，且在烧结过程中始终是单一相，烧结温度位于固相线和液相线之间，在该温度下预合金粉颗粒的晶粒内、晶界处及颗粒表面均形成液相，颗粒在液相毛细管力作用下实现重排，其表面曲率变化较大的地方将优先溶解，通过液相流动传质，在大颗粒凹陷处或孔隙处析出，达到快速传递物质的目的，从而使烧结体达到致密［10］。

在SLPS过程中，当孔隙被流动液相填充时，原液相处可能出现二次孔隙，但SLPS的液相是由晶界处的晶粒熔化产生，其形成的液相单元较小，使孔隙也相对较小，故SLPS可达到较高的烧结密度。Balaji等［11］发现在1400℃超固相线液相烧结时，得到316L不锈钢的致密度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性均高于1200℃下固相烧结的。然而，因SLPS烧结温度过高，会使晶粒过度长大，当温度接近熔点时，不锈钢制品发生软化，产生歪曲和变形，造成过烧。此外，从炉子维修、节约能源、经济效益等方面考虑，一般要求烧结温度不宜过高。

2成形和烧结技术的研究进展

2．1成形技术

粉末冶金不锈钢的成形一般采用室温模压成形。由于不锈钢粉体颗粒较硬且压缩性较差，其压制压力较铁基粉体的高，一般为400～800MPa［8］。为了改善压制性能，常在预合金粉中加入剂，其主要作用是减缓压制过程中粉体之间及粉体与模壁之间的摩擦、减小脱模压力和提高压坯密度，常用的剂有硬酯酸、硬酯酸锌、硬酯酸锂和石蜡等［8］。室温模压成形因压制压力过高，对压力机及模具的要求也较高，且烧结后的制品弹性后效严重、密度低，且只能制备形状简单的零件，所以又开发了新的成形技术，如温压成形、金属注射成形、凝胶注模成形等来改善不锈钢粉的压制性并提高压坯密度［4，12－13］。

温压成形是将粉体和特殊的剂混合并加热至一定温度后在加热的模具内压制成形［12］。相比于冷压成形，它可以用较低的压制压力获得较高的压坯密度和强度，此指标可分别提高0．15～0．3g•cm－3和50％～100％，且可降低弹性后效［12］。温压工艺之所以能使生坯密度增加，其一是由于温压降低了粉体的加工硬化速率，从而使粉体的塑性变形增强，进而提高生坯密度；其二是由于剂的作用，当剂熔点较高时，它在温压温度下呈半固态，其液相成分会由颗粒间界流入孔隙，从而增加颗粒的接触，而当剂熔点较低时，它将全部熔化并从压坯中流出，起到模壁的效果，从而降低了脱模压力［14］。曹顺华等［15］研究了420不锈钢粉的温压工艺，在粉体温度为90℃，模具温度为120℃的条件下，当压制压力为784MPa时，相比冷压成形，其压坯密度提高了0．2g•cm－3。然而，由于温压成形的不锈钢零件密度较高，可能导致封闭孔中的聚合物裂解后很难挥发，进而使得其在预烧时产生缺陷，所以预烧时聚合物的脱除是温压成形的关键。

金属注射成形（MIM）是一种接近净成形的粉末冶金成形技术，它是将金属粉体或预合金粉体与有机粘结剂按一定比例并在一定工艺条件下混合成均匀的粘弹性体，经注射机注射成形，然后脱除粘结剂，最后烧结成高性能的粉末冶金制品［4］。它适合生产形状复杂的零件，其尺寸精度可达±（0．3％～0．5％）［16］。同时，它能够克服常规模压成形－烧结制品密度低、力学性能差的缺点，烧结密度可达理论密度的95％～99．5％［17］。Sung等［18］将17－4PH不锈钢粉和粘结剂按质量比60∶40的比例在行星式混料机中热混1h，然后在29．4kN•cm－2的注射压力下注射成形，经热脱脂后于氢气气氛中烧结，当烧结温度从900℃提高至1350℃，其烧结试样的相对密度从61％提高到了99％，抗拉强度也随着烧结体中气孔的球化、缩小和消失而不断提高。然而，由于金属注射成形过程中剂含量较高，需要专门的脱脂工艺，使成本大大提高。

用传统模压成形制备的不锈钢制品，因孔隙率高而使其力学、耐腐蚀和表面等性能均较差，且只限于生产形状简单的零件，而金属注射成形虽能使不锈钢零件达到净成形，但很难实现大尺寸且形状复杂零件的制备。凝胶注模成形技术（GelCasting）是继注射成形之后发展起来的又一种近净尺寸成形技术，它是将高分子化学单体聚合的方法引入到粉体的成形过程中，通过制备低黏度、高固相含量的浓悬浮体，可净成形获得强度高、均匀性好的坯体［13］。张建伟等［19］利用凝胶注模成形技术，分别用天然琼脂和聚丙烯酸作凝胶体和分散剂，在优化工艺条件下，成形出的浆料可烧结制备形状复杂的316L不锈钢制品，其烧结体的屈服强度达138MPa。然而，在制备不锈钢金属粉体时，由于其颗粒直径和密度较大，使其容易在悬浮液中沉淀，进而导致浆料凝聚和胀性流动，难以制得高浓度悬浮料浆。此外，此工艺在浆料凝胶成坯后会产生翘面、变形、装卸转运难等问题。

2．2烧结技术

真空／气氛烧结是制备粉末冶金不锈钢最常用的烧结方法。在烧结过程中，选择真空、还原性或惰性保护气氛是为了避免氧化、脱碳、渗碳等的发生，保护气氛除了可以控制压坯与环境之间的化学反应外，还可以排除剂中的分解产物［8］。姜峰等［20］研究了烧结气氛对316L不锈钢性能的影响，发现由于氮气露点较氢气和氩气的高，导致粉体烧结时水分和氧含量高，其氧化膜的产生阻碍了烧结颈的形成和原子扩散，在液相形成时包围液相颗粒阻碍液相流动，使烧结体的致密度较在氢气和氩气中低，但由于氮的固溶强化作用使其强度和硬度均高于在氢气和氩气中烧结的。目前，基于粉末冶金工艺制备不锈钢的烧结方法还有压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结和激光烧结等［21－24］。

压力烧结是在对粉体压坯加热的同时也对其施加压力，其物质的迁移可以通过位错滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成［21］。该工艺可获得比常压烧结晶粒更细、更致密的烧结体，人们常用热等静压（HIP）、低压热等静压烧结制备高性能的不锈钢。Kim等［25］在烧结温度为1125℃时，分别用50，100MPa的压力对不锈钢工件进行热等静压烧结，研究证明烧结时的压力加速了液相的流动和颗粒重排，压力越大，其致密化速率越大，经热等静压烧结后的不锈钢产品接近完全致密。然而，经热等静压处理的产品由于体积收缩容易发生畸变，会使其尺寸精度变差。

放电等离子烧结（SPS）是一种新型的烧结技术，它是直接将直流电施加于试样上加热，具有很高的升温和烧结速率，可以保证粉体在短时间内实现快速烧结的同时获得细小、均匀的组织［22］。张鑫［26］利用机械合金化制备了超细晶高氮304不锈钢粉，并采用放电等离子烧结技术对其进行烧结，发现在烧结过程中，颗粒间的放电对初始粉体有净化、活化的作用，从而有利于活化晶界和晶格扩散而抑制表面扩散，进而促进了不锈钢的烧结致密；当烧结温度为900℃、压力为50MPa时，烧结不锈钢试样的硬度和抗拉强度分别达460HV和557MPa，比普通304不锈钢的分别提高了近200HV和250MPa，且耐腐蚀性能也有所提高。故放电等离子烧结虽然成本相对较高，但对于制备超细晶烧结不锈钢仍具有一定的研究价值。

微波烧结是利用微波电磁场中材料的介质损耗使烧结体整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术［23］。在烧结过程中，微波烧结可以快速跳过表面扩散阶段，使晶粒来不及长大就完成致密化并快速冷却，因而它对于控制烧结过程中晶粒的长大是一种比较有效的方法［27］。Panda等［28］经研究发现，在2．45GHz微波炉内以45℃•min－1的速率升温至1400℃对434L不锈钢进行微波烧结，相比于传统烧结法的烧结时间缩短了近90％，且致密度有较大提高。尽管微波烧结能抑制晶粒的过度长大，但由于烧结后残留有一些不规则大孔洞，使其硬度、强度和伸长率都低于传统烧结的。

选择性激光烧结（SLS）是将三维数值模型分解成一系列二维层片结构后由计算机控制激光束移动，在逐层烧结的粉体上建构三维实体的快速成形技术［24］。其作为一种新型粉末冶金成形技术，能够自由成形，无需模压过程，使得产品开发时间大大缩短［29］。张永忠等［30］采用SLS技术制备的316L不锈钢组织致密、成分均匀，具有快速凝固组织特征，其力学性能与铸造及锻造退火态的相当，可直接满足使用要求。但该法需要昂贵的激光烧结设备，生产成本比较高。

3成分添加剂对组织和性能的改善

3．1合金元素的添加

为了降低粉末冶金制备不锈钢的成本，同时提高其致密度和性能，通常在粉体中添加某些低熔点的合金元素，通过其在烧结时形成的液相大大降低其孔隙率，从而使不锈钢满足更高的性能要求，这些合金元素主要有铜、锡、硼、硅等。Uzunsoy［31］在304不锈钢粉中添加2％～8％（质量分数，下同）的铜基合金，由于铜的熔点较低，在960℃时就开始形成液相，到1000℃时全部形成液相，当温度高于铜的熔点时，液相的流动使得表面气孔不断球化和缩小；通过显微分析发现，由于铜对不锈钢基体有较好的润湿性，可均匀分布在不锈钢基体中，使得烧结体的气孔显著减少，显微硬度也明显提高；在添加量为8％时，分别于1250℃和1350℃烧结后的密度分别提高至6．95g•cm－3和7．05g•cm－3。Coovattanachai等［32］在316L不锈钢粉中加入2％～6％的锡粉和锡合金粉，于氢气中在1300℃烧结45min，随着添加量的增加，其液相的形成逐渐增多使致密度逐渐提高，但其晶粒也有一定长大；其力学性能受致密度和晶粒长大两方面制约，在添加量为4％时其强度和硬度最高，但由于其在晶界上形成了固体锡和锡合金相，使伸长率有所下降。zkan［33－34］研究了添加NiB对17－4PH沉淀硬化马氏体不锈钢显微组织、致密度、力学性能和耐磨性的影响，结果发现，由于NiB的加入，在1161～1175℃发生了共晶反应，其液相在铁中的溶解度极低，包围在固相晶粒周围，形成了典型的液相烧结；随着NiB含量的增加，气孔逐渐减少且逐渐球化，当添加NiB的质量分数为1％时，在1280℃时烧结45min后其共晶液相完全包覆在固相晶粒周围，使烧结体几乎达到完全致密，其抗拉强度和硬度分别达到1402MPa和52．3HRC，相比于传统金属注射成形17－4PH不锈钢的分别提高了43％和53％；并且磨损质量损失和磨损速率也有所减小，耐磨性相比传统金属注射成形17－4PH不锈钢的提高了近49％。邱伟刚等［35］在316L奥氏体不锈钢粉中添加40％（质量分数）硅后，相同温度下由固相烧结变为部分液相烧结，其烧结密度较单相奥氏体的提高了近12％，孔隙率明显降低。由于硅为铁素体稳定元素，其组织变为α、γ双相不锈钢，其拉伸断裂形式由单一的穿晶断裂变成了穿晶断裂和解理断裂组合的混合断裂形式，明显改善了力学性能，其抗拉强度达到541MPa，伸长率达23．4％，接近冶炼316L不锈钢的水平。

3．2强化相的添加

通过添加强化相来进一步改进粉末冶金不锈钢的性能，特别是力学性能越来越受到人们的重视，这些增强体相主要有氧化物、碳化物、氮化物和金属间化合物等。Tiwari等［36］在434L不锈钢中添加了5％YAG（钇铝石榴石，化学式为Al5Y3O12或AlYO3，是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物），在超固相线液相烧结时YAG均匀分布在不锈钢的晶界处，产生了弥散强化，并且抑制了烧结体晶粒的长大，孔隙也逐渐球化并变得更小，由于YAG和Cr2O3之间的交互作用形成了耐腐蚀性较强的氧化物，使得不锈钢耐腐蚀性在没有明显降低的情况下，强度、硬度和耐磨性都有所提高。Abenojar等［37］在316L不锈钢中分别添加了体积分数为1．5％和3％的SiC增强相，研究发现，由于SiC和不锈钢基体之间的交互作用，形成了低熔点的Fe－SiC相，提高了烧结体的致密度，其硬度和耐磨性也均有所提高，当SiC的添加量为3％（体积分数）时，其耐磨性最好，但耐腐蚀性有所降低。Farid等［38］研究了添加Si3N4对465不锈钢显微组织和力学性能的影响。结果表明，在1300℃烧结60min时，随着Si3N4添加量的增加，烧结体致密度随之增加，当Si3N4的质量分数超过2％时，多余的Si3N4在不锈钢基体中分解为硅和氮，使得基体中的氮含量超过其固溶极限而使过多的氮从基体中析出并留下气孔，从而使烧结体的致密度和抗拉强度降低；当Si3N4的质量分数为2％时烧结体的力学性能最好，其抗拉强度和硬度分别达到1011MPa和21HRC。Balaji等［39］研究了Ni3Al和Fe3Al两种金属间化合物的添加对316L不锈钢性能的影响，由于在高温时不锈钢基体和铝化物界面存在相互扩散，使得在超固相液相烧结时其致密度并没有降低，当这两种铝化物添加5％时，在没有明显降低耐腐蚀性的情况下，改善了强度和耐磨性。