第1章緒論粉末冶金概論

1、粉末冶金粉末冶金田保紅田保紅2013-3-18參考書籍參考書籍:References 1、黃培云、黃培云.粉末冶金原理粉末冶金原理 (第第2版），北京：版），北京：冶金工業(yè)出版社，冶金工業(yè)出版社， 1997(需要需要PDF電子電子書的同學(xué)請(qǐng)給我發(fā)郵件書的同學(xué)請(qǐng)給我發(fā)郵件: )2、阮建明，黃培云、阮建明，黃培云. 粉末冶金原理，北京：粉末冶金原理，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，2012材料與人類文明材料與人類文明材料是現(xiàn)代文明的支柱材料是現(xiàn)代文明的支柱v材料是人類生存的基礎(chǔ)（材料是人類生存的基礎(chǔ)（Basis)v材料是人類發(fā)展的標(biāo)志材料是人類發(fā)展的標(biāo)志 (Mark)v材料是科技創(chuàng)新的先導(dǎo)材

2、料是科技創(chuàng)新的先導(dǎo) (Lead)商商 西周西周 半坡半坡 材料制備方法材料制備方法IM(Ingot Metallurgy) 熔鑄法熔鑄法 熔熔(melting)、煉、煉(refining)、鑄、鑄(casting) 鑄件鑄件(castings) 機(jī)加工機(jī)加工(machining)零件零件 鑄坯鑄坯(ingots)塑性成形塑性成形(plastic forming) 熱處理熱處理(heat treatment)機(jī)加工機(jī)加工零件零件PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)壓型壓型(pressing)燒結(jié)燒結(jié)(sintering)SF(S

3、pray Forming) 噴射成型法噴射成型法材料成型方法材料成型方法 鑄造鑄造(pour-casting, die-casting) 例如：汽車輪轂（例如：汽車輪轂（Al、Zn）、活塞（）、活塞（Al）、手機(jī)外殼）、手機(jī)外殼（Mg）等）等塑性成形塑性成形 (plastic forming) 擠壓擠壓(extrusion)、軋制、軋制(rolling)、拉拔、拉拔(drawing)、 沖壓沖壓(punching)、鍛造、鍛造(forging)焊接焊接（welding)切削切削 (cutting)粉末成型粉末成型 (powder forming)復(fù)合成型復(fù)合成型（鑄軋、鑄擠、鍛軋、擠軋等）（鑄

4、軋、鑄擠、鍛軋、擠軋等）粉末冶金原理粉末冶金原理 30學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)一、粉末冶金概念一、粉末冶金概念 粉末冶金是用金屬粉末（或金屬粉末粉末冶金是用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過(guò)與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)制造金屬材料、復(fù)合材料以及成形和燒結(jié)制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝過(guò)程。各種類型制品的工藝過(guò)程。Powder Metallurgy。 制取金屬及化合物粉末，采用成形和燒結(jié)工藝制成制取金屬及化合物粉末，采用成形和燒結(jié)工藝制成金屬材料、復(fù)合材料、金屬陶瓷材料（硬質(zhì)合金）及其金屬材料、復(fù)合材料、金屬陶瓷材料（硬質(zhì)合金）及其制品的工藝技術(shù)（或技術(shù)科學(xué)

5、）。制品的工藝技術(shù)（或技術(shù)科學(xué)）。 多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)。涉及到化工、冶金、材料多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)。涉及到化工、冶金、材料制備、壓力加工、熱工、機(jī)械、自動(dòng)控制等學(xué)科技術(shù)。制備、壓力加工、熱工、機(jī)械、自動(dòng)控制等學(xué)科技術(shù)。最大可制造：最大可制造：3噸的制件（熱等靜壓）；噸的制件（熱等靜壓）；最?。毫泓c(diǎn)零幾克（最小：零點(diǎn)零幾克（0.01克）；克）；制品最小厚度：可達(dá)制品最小厚度：可達(dá)1520m緒論（粉末冶金概論）Powder Metallurgy Processing粉末冶金工藝粉末冶金材料和制品的工藝粉末冶金材料和制品的工藝流程舉例流程舉例原料粉末原料粉末其它添加劑其它添加劑熱壓熱壓 松裝燒

6、結(jié)松裝燒結(jié) 粉漿燒注粉漿燒注混合混合壓制壓制等靜壓制等靜壓制 軋制軋制 擠壓擠壓燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)浸透浸透 熱處理熱處理 電鍍電鍍預(yù)燒結(jié)預(yù)燒結(jié)高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié) 復(fù)壓復(fù)壓鍛打鍛打復(fù)燒復(fù)燒拉絲拉絲燒結(jié)燒結(jié)精整精整鍛造鍛造 軋制軋制 擠壓擠壓 燒結(jié)燒結(jié)（浸油）（浸油） 熱處理熱處理粉末冶金成品粉末冶金成品粉末冶金工藝過(guò)程原料粉末原料粉末其他添加劑其他添加劑混合混合松裝燒結(jié)松裝燒結(jié)（石膏模）（石膏模）粉末澆注粉末澆注模壓成形模壓成形預(yù)燒結(jié)預(yù)燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)二次模壓二次模壓二次燒結(jié)二次燒結(jié)整形整形高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)鍛造鍛造拉絲拉絲燒結(jié)燒結(jié)鍛鍛 造造軋軋 制制擠擠 壓壓冷等靜壓冷等靜壓軋軋 制制擠擠 壓壓燒燒 結(jié)

7、結(jié)熱熱 壓壓熱熱 擠擠 壓壓熱等靜壓熱等靜壓后續(xù)處理（選擇）：浸漬后續(xù)處理（選擇）：浸漬熱處理熱處理 電鍍電鍍 機(jī)械加工機(jī)械加工粉末冶金材料、制品粉末冶金材料、制品l 粉末冶金一般粉末冶金一般工藝工藝:（1）制粉）制粉（2）粉末預(yù)處粉末預(yù)處理理（3）成形）成形（4）燒結(jié)）燒結(jié)（5）燒結(jié)后處）燒結(jié)后處理理典型的粉末冶金生產(chǎn)過(guò)程粉末冶金生產(chǎn)工藝粉末冶金生產(chǎn)工藝使用粉末冶金的三個(gè)主要因素Reasons for using powder metallurgyEconomicUnique特有性特有性Captive不可替代不可替代性性costproecisionproductivity(example:a

8、utomobile gears)refractoryreactive(example:tungsten lamp filaments)alloysmicrostructures(example:stainless steel filters )Ideal Applications(example:porous tantalum capacitors)粉末冶金發(fā)展簡(jiǎn)史粉末冶金發(fā)展簡(jiǎn)史約約3000年前，埃及人就制得海綿鐵，并鍛打成鐵器；年前，埃及人就制得海綿鐵，并鍛打成鐵器； 3世紀(jì)，印度人用同樣方法制得世紀(jì)，印度人用同樣方法制得“德里柱德里柱”，重達(dá)，重達(dá)6.5噸；噸； 19世紀(jì)出現(xiàn)世紀(jì)出現(xiàn)Pt

9、粉的冷壓、燒結(jié)、熱鍛工藝；粉的冷壓、燒結(jié)、熱鍛工藝； 現(xiàn)代粉末冶金從現(xiàn)代粉末冶金從1909年，年，W.D. Coolidge 的電燈鎢絲問世的電燈鎢絲問世開始。開始。 1909年制造電燈鎢絲的技術(shù)成功（年制造電燈鎢絲的技術(shù)成功（W粉成形、燒結(jié)、鍛打、拉粉成形、燒結(jié)、鍛打、拉絲）；絲）；1923年硬質(zhì)合金研制成功。年硬質(zhì)合金研制成功。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代，多孔含油軸承成功；相繼發(fā)展鐵基機(jī)械零件年代，多孔含油軸承成功；相繼發(fā)展鐵基機(jī)械零件 向新材料、新工藝發(fā)展：向新材料、新工藝發(fā)展：20世紀(jì)世紀(jì)40年代，金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化年代，金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化材料（如燒結(jié)鋁）；材料（如燒結(jié)鋁）；60年代末年代

10、末70年代初，粉末高速鋼、粉末高年代初，粉末高速鋼、粉末高溫合金，粉末鍛造技術(shù)已能生產(chǎn)高強(qiáng)度零件。溫合金，粉末鍛造技術(shù)已能生產(chǎn)高強(qiáng)度零件。粉末冶金材料和制品粉末冶金材料和制品出現(xiàn)年代出現(xiàn)年代鎢鎢1909難熔碳化物難熔碳化物19001914電觸頭材料電觸頭材料19171920WC-Co硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金19231925燒結(jié)摩擦材料燒結(jié)摩擦材料1929多孔青銅軸承多孔青銅軸承19211930WC-TiC-Co硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金19291932燒結(jié)磁鐵燒結(jié)磁鐵1936多孔鐵軸承多孔鐵軸承1936機(jī)械零件、合金鋼機(jī)械零件機(jī)械零件、合金鋼機(jī)械零件19361946燒結(jié)鋁燒結(jié)鋁1946金屬陶瓷（金屬陶瓷（TiC

11、-Ni）1949鋼結(jié)硬質(zhì)合金鋼結(jié)硬質(zhì)合金1957粉末高速鋼粉末高速鋼1968粉末冶金特點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（1）可生產(chǎn)普通熔鑄法難于生產(chǎn)的材料）可生產(chǎn)普通熔鑄法難于生產(chǎn)的材料 多孔材料（孔隙度可控）；多孔材料（孔隙度可控）； 假合金（如假合金（如Cu-W）；）； 復(fù)合材料，如硬質(zhì)合金和金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化材復(fù)合材料，如硬質(zhì)合金和金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化材料、纖維強(qiáng)化材料；料、纖維強(qiáng)化材料； 特種陶瓷（結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷）；特種陶瓷（結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些）某些P/M材料與熔鑄材料相比，性能更優(yōu)越材料與熔鑄材料相比，性能更優(yōu)越 避免成分偏析、晶粒細(xì)，組織均勻，性能大幅提高避免成分偏析、晶粒細(xì)，組織均勻

12、，性能大幅提高。如，粉末高速鋼、粉末高溫合金。如，粉末高速鋼、粉末高溫合金。 鎢、鉬、鉭等難熔金屬采用熔鑄法晶粒粗大、純度鎢、鉬、鉭等難熔金屬采用熔鑄法晶粒粗大、純度低，工業(yè)上一般采用粉末冶金方法生產(chǎn)。低，工業(yè)上一般采用粉末冶金方法生產(chǎn)。（3）對(duì)制品成型有明顯優(yōu)勢(shì)）對(duì)制品成型有明顯優(yōu)勢(shì) 是一種少切削、無(wú)切削工藝（近凈成型是一種少切削、無(wú)切削工藝（近凈成型near net-shape）；）； 可大批量生產(chǎn)同一零件；可大批量生產(chǎn)同一零件； 形狀很復(fù)雜零件（如齒輪、凸輪或多功能零件）形狀很復(fù)雜零件（如齒輪、凸輪或多功能零件）的制造公差窄；的制造公差窄； 不需或可簡(jiǎn)化機(jī)械的精加工作業(yè)；不需或可簡(jiǎn)化機(jī)械

13、的精加工作業(yè)； 節(jié)能、省材；節(jié)能、省材； 可制造自潤(rùn)滑材料。可制造自潤(rùn)滑材料。2缺點(diǎn)缺點(diǎn) 粉末成本高；粉末成本高； 形狀、尺寸受到一定限制；形狀、尺寸受到一定限制； 成形模具較貴；一般要生產(chǎn)量在成形模具較貴；一般要生產(chǎn)量在500010000個(gè)個(gè)/批批，才經(jīng)濟(jì)。，才經(jīng)濟(jì)。 燒結(jié)零件韌性相對(duì)差（但可通過(guò)粉末模鍛或復(fù)燒改燒結(jié)零件韌性相對(duì)差（但可通過(guò)粉末模鍛或復(fù)燒改善）。善）。與其他成型工藝比較1和熔鑄技術(shù)比較和熔鑄技術(shù)比較粉末冶金優(yōu)勢(shì)：粉末冶金優(yōu)勢(shì)： 粉末冶金制件表面光潔度高；粉末冶金制件表面光潔度高； 制造的尺寸公差很窄，尺寸精確；制造的尺寸公差很窄，尺寸精確； 合金化與制取復(fù)合材料的可能性大合金

14、化與制取復(fù)合材料的可能性大 組織均一（無(wú)偏聚、砂眼、縮孔）組織均一（無(wú)偏聚、砂眼、縮孔）、力學(xué)性能可靠；、力學(xué)性能可靠； 在經(jīng)濟(jì)上，粉末冶金工藝能耗小。在經(jīng)濟(jì)上，粉末冶金工藝能耗小。鑄造優(yōu)勢(shì)：鑄造優(yōu)勢(shì)： 形狀不受限制；（粉形狀不受限制；（粉末冶金注射成形形狀也不末冶金注射成形形狀也不受限制，但只能生產(chǎn)小制受限制，但只能生產(chǎn)小制件）件） 適于制造大型零件；適于制造大型零件； 零件生產(chǎn)批量小時(shí)，零件生產(chǎn)批量小時(shí)，經(jīng)濟(jì)；經(jīng)濟(jì)； 一般說(shuō)來(lái)，工、模具一般說(shuō)來(lái)，工、模具費(fèi)用低。費(fèi)用低。2和熱模鍛技術(shù)比較和熱模鍛技術(shù)比較粉末冶金優(yōu)勢(shì)：粉末冶金優(yōu)勢(shì)： 粉末冶金制件精度比精鍛高；粉末冶金制件精度比精鍛高； 粉末

15、鍛造節(jié)省材料、重量控制粉末鍛造節(jié)省材料、重量控制精確、可無(wú)非邊鍛造，也能制造精確、可無(wú)非邊鍛造，也能制造形狀較復(fù)雜制件；形狀較復(fù)雜制件； 粉末鍛造只需一副成形模具和粉末鍛造只需一副成形模具和一副鍛模；熱鍛需兩副以上鍛模一副鍛模；熱鍛需兩副以上鍛模、一副修邊模。、一副修邊模。熱模鍛優(yōu)勢(shì)：熱模鍛優(yōu)勢(shì)： 可制造大型零件；可制造大型零件； 鍛件力學(xué)性能比燒結(jié)粉鍛件力學(xué)性能比燒結(jié)粉末冶金零件高，但與粉末末冶金零件高，但與粉末鍛造件相當(dāng)；鍛造件相當(dāng)； 可制造形狀復(fù)雜程度較可制造形狀復(fù)雜程度較高的制品。高的制品。粉末冶金技術(shù)的新發(fā)展（1）與其他技術(shù)交叉產(chǎn)生新技術(shù)）與其他技術(shù)交叉產(chǎn)生新技術(shù) 注射成形，粉末擠壓

16、，流延成形，注射成形，粉末擠壓，流延成形， 直接凝固注模，粉末軋制直接凝固注模，粉末軋制，爆炸成型，噴射成形，燒結(jié)熱等靜壓，微波燒結(jié)，放電等離子體，爆炸成型，噴射成形，燒結(jié)熱等靜壓，微波燒結(jié)，放電等離子體燒結(jié)，激光燒結(jié)燒結(jié)，激光燒結(jié)（2）向計(jì)算機(jī)控制集成自動(dòng)化方向發(fā)展）向計(jì)算機(jī)控制集成自動(dòng)化方向發(fā)展（3）粉末冶金近凈成形技術(shù)（）粉末冶金近凈成形技術(shù)（near net-shape）發(fā)展）發(fā)展 如，注射成形，粉末擠壓等如，注射成形，粉末擠壓等（4）粉末冶金快速成形技術(shù)發(fā)展）粉末冶金快速成形技術(shù)發(fā)展 如，選擇性激光燒結(jié)，噴射成形等如，選擇性激光燒結(jié)，噴射成形等（5）用于各種新材料及其成形加工）用于各

17、種新材料及其成形加工 如，納米材料及其成形工藝，新型復(fù)合材料，新型功能材料。如，納米材料及其成形工藝，新型復(fù)合材料，新型功能材料。粉末冶金的應(yīng)用 機(jī)械材料和零件：機(jī)械材料和零件：結(jié)構(gòu)零件、減摩材料、摩擦材結(jié)構(gòu)零件、減摩材料、摩擦材料料 多孔材料及制品：多孔材料及制品：金屬過(guò)濾器、泡沫金屬等金屬過(guò)濾器、泡沫金屬等 硬質(zhì)工具材料：硬質(zhì)工具材料：硬質(zhì)合金、復(fù)合工具材料等硬質(zhì)合金、復(fù)合工具材料等 電接觸材料：電接觸材料：電觸頭合金、電刷材料等電觸頭合金、電刷材料等 粉末磁性材料：粉末磁性材料：燒結(jié)軟燒結(jié)軟/ /硬磁體等硬磁體等 耐熱材料：耐熱材料：難溶金屬及其合金、高溫合金、氧化難溶金屬及其合金、高溫

18、合金、氧化物彌散強(qiáng)化材料、金屬陶瓷等物彌散強(qiáng)化材料、金屬陶瓷等 原子能工程材料：原子能工程材料：核燃料、屏蔽材料等核燃料、屏蔽材料等銅基含油軸承(套) 鐵基摩擦材料鐵基摩擦材料 - 坦克、裝甲車輛制動(dòng)片坦克、裝甲車輛制動(dòng)片 鐵基結(jié)構(gòu)零件鐵基結(jié)構(gòu)零件 - 真空泵轉(zhuǎn)子真空泵轉(zhuǎn)子 金剛石制品金剛石制品 - - 鋸片鋸片 粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品電動(dòng)工具配件電動(dòng)工具配件 碎紙機(jī)配件碎紙機(jī)配件粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品縫紉機(jī)配件縫紉機(jī)配件吸塵器配件吸塵器配件氣泵配件氣泵配件按摩器配件按摩器配件自行車配件自行車配件粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品汽車零部件汽車零部件粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品粉末冶金產(chǎn)品粉

19、末鍛件粉末鍛件(a)(b)熱等靜壓制品熱等靜壓制品金屬注射成型制品金屬注射成型制品硬硬質(zhì)質(zhì)合合金金鉆鉆頭、頭、棒棒硬質(zhì)合金軋輥等硬質(zhì)合金軋輥等金金屬屬切切削削刀刀片片硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、CBN、金屬陶瓷、金屬陶瓷金剛石、金剛石、CBN制制品品鎢鎢基基高高密密度度合合金金Nd-Fe-B、Sm-Co、鐵氧體永磁、鐵氧體永磁軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體精細(xì)陶瓷制品精細(xì)陶瓷制品PTC 壓敏 1 1）鐵基結(jié)構(gòu)合金的高精度）鐵基結(jié)構(gòu)合金的高精度high precisehigh precise高質(zhì)量高質(zhì)量high qualityhigh quality大大數(shù)量產(chǎn)品。數(shù)量產(chǎn)品。2 2）致密高性能材料，主要是理想的密度

20、和牢固性）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性full density and full density and reliabilityreliability。3 3）難加工材料的制造，）難加工材料的制造，difficulty to process materialsdifficulty to process materials全密度全密度具有統(tǒng)一微觀結(jié)構(gòu)的高性能合金。具有統(tǒng)一微觀結(jié)構(gòu)的高性能合金。4 4）特殊合金，主要為包含有多相的組分）特殊合金，主要為包含有多相的組分multi-composites multi-composites containing mixed phasecont

21、aining mixed phase，通過(guò)增強(qiáng)密度的工藝來(lái)制造。，通過(guò)增強(qiáng)密度的工藝來(lái)制造。These These will often be fabricated by enhanced densification.will often be fabricated by enhanced densification.5 5）非平衡）非平衡nonequilibriumnonequilibrium材料的合成例如材料的合成例如such s amorphoussuch s amorphous非晶，非晶，micro-crystalline, or metastable alloysmicro-crys

22、talline, or metastable alloys微晶和亞穩(wěn)合金。微晶和亞穩(wěn)合金。6 6）具有獨(dú)特組分或不常用形狀的特殊附件的工藝。）具有獨(dú)特組分或不常用形狀的特殊附件的工藝。 粉末冶金未來(lái)粉末冶金未來(lái) The future of the powder metllurgy 2003 2004Iron & SteelStainless SteelCopper & Copper BaseAluminumMolybdenumTungstenTungsten CarbideNickelTin(E) Estimate (R) Revised *1st=0.9078mt442,79

23、9 8,900 (E)22,632 50,000 (E)2,500 (E)3,000 (E)5,263 (R)10,057 (R)935546,086 st* 473,804 9,350 (E)25,204 50,000 (E)2,600 (E)3,500 (E)5,891 (R)10,110 (R)1,077 581,536 st* 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1 st =0.9087 mtP/M P

24、arts Other Uses st*Copper and Copper base powder in North AmericaCopper and copper-base powder in 2004 increased 11.3% and copper powder base parts increased 7%. International iron and steel powder Metal powder in 2004 increased by 6.5% to 527,918(mt), figure Iron powder increased 7% over 2003 to 43

25、0,119mt. *Reflects P/M grade powders only includes stainless steels after 1996St*1st=0.9078Sourse:MPIF,JPMA,EPMAInternational copper and copper base powders in 2004*st*reflects P/M grade powders only*1st=0.9078source:MPIF,JPMA,EPMAP/M parts content in a typical vehicleNorth AmericaJapanEurope19807.7

26、kg(17lb)3.03kg(6.7lb)2.5kg(5.5lb)19858.6kg(19lb)3.78kg(8.3lb)19878.8kg(19.5lb)4.3kg(9.5lb)3.2kg(7lb)199010.9kg(24lb)5.55kg(12.21lb)4.1kg(9lb)199412.2kg(27lb)6.64kg(14.6lb)5.7kg(12.5lb)199512.7kg(28lb)6.7kg(14.8lb)6.1kg(13.46lb)199714kg(31lb)6.52kg(14.41lb)199814.9kg(33lb)6.65kg(14.6lb)7.02kg(15.5lb)

27、199915.6kg(34.5lb)7.17kg(15.8lb)7.4kg(16.3lb)200016.3kg(36lb)8.2kg(18lb)200117kg(37.5lb)7.3kg(16lb)8.1kg(17.8lb)200217.7kg(39lb)7.6kg(16.7lb)8.3kg(18.3lb)200318.4kg(40.5lb)8.0kg(17.6lb)8.7kg(19lb)200419.5kg(43lb)9.0kg(19.8lb)North America copper and copper base powder1990 1991 1992 1993 1994 1995 19

28、96 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1 st =0.9087 mtP/M Parts Other Uses st*Stainless steel powder increased 5% to an estimated 8,488 mt（metric ton公噸公噸). Tungsten powder increased 16% to 3,177 mt and tungsten carbide powder increased almost 12%.Although there are about 10 companies making aluminum P/M parts, two players dominated the market in North America.European iron and steel powder in 2004 fared better than North America, increasing b