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粉末冶金材料应用领域综述

2018/5/3 12:46:56 人评论 次浏览 分类:技术

粉末冶金是冶金和材料科学的一个分支,是以制造金属粉末和以金属粉末(包括混入少量非金属粉末)为原料,用成形——烧结法制造材料与制品的行业。粉末冶金行业是机械工业中重要的基础零部件制造业。粉末冶金制品按金属粉基和用途的不同,大致可分为粉末冶金机械零件、摩擦材料、磁性材料、硬质合金材料等,其中粉末冶金机械零件的应用领域广、需求量大、技术含量高,是粉末冶金行业中的主导产品。

随着现代粉末冶金制造技术的发展,粉末冶金制品作为可替代常规的金属铸、锻、切削加工和结构复杂难以切削加工的机械零件,其配套应用领域不断拓宽。从普通机械制造到精密仪器,从五金工具到大型机械,从电子工业到电机制造,从民用工业到军事工业,从一般技术到尖端高技术,均能见到粉末冶金工艺的身影。在民用工业领域,粉末冶金制品已成为汽车、摩托车、家电、电动工具、农业机械、办公用具等行业不可或缺的配套基础零部件。

粉末冶金材料的主要类型

1、硬质合金

硬质合金是以一种或几种难熔碳化物的粉末为主要成分,加入起粘结作用的钴粉末,用粉末冶金法制得的材料。常用硬质合金按成分和性能特点分为:钨钴类、钨钴钛类、钨钛钽(铌)类。


1)硬质合金的性能


硬度高,常温下硬度可达69-81HRC。热硬性高,可达900-1000℃。耐磨性好,其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。抗压强度高,但抗弯强度低,韧性差。耐腐蚀性和抗氧化性良好。线膨胀系数小,但导热性差。

硬质合金材料不能用一般的切削方法加工,只能采用电加工(如电火花、线切割、电解磨削等)或砂轮磨削。因此,一般是将硬质合金制品钎焊、粘结或机械夹固在刀体或模具上使用。


2)切削加工用硬质合金的分类和分组代号


根据GB2075-87规定,切削加工用硬质合金按其切屑排除形式和加工对象范围不同分为PMK三个类别,根据被加工材质及适应的加工条件不同,将各类硬质合金按用途进行分组,其代号由在主要类别代号后面加一组数字组成,如P01M10K20等。


3)硬质合金的应用


硬质合金主要用于切削刀具,如车刀、铣刀等。硬质合金中碳化物含量越多,钴含量越少,则合金硬度、热硬性、耐磨性越高,但强度、韧性越低。YG类合金适宜加工脆性材料,YT类合金适宜加工塑性材料。同类合金中含钴量高的适于粗加工,含钴量低的适于精加工。

硬质合金也用于制造冷作模具,如冷拉模、冷冲模、冷挤压模和冷镦模等。其中YG类适用于拉深模,YG6YG8适用于小拉深模,YG15适用于大拉深模和冲压模具。


硬质合金还用于制造量具和耐磨零件,如千分尺的测量头,车床顶件尖、精轧辊和无心磨床的导板等。


近年来,钢结硬质合金作为一种新型工模具材料,得到了广泛的应用。钢结硬质合金经退火后,可进行切削加工,经淬火、回火后,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,也可焊接和锻造,适用于制造形状复杂的刀具(如麻花钻、铣刀等)、模具和耐磨件。


2、粉末冶金减摩材料


根据基体主加元素不同,粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料。铁基减摩材料常用的有铁-石墨粉末合金和铁--石墨粉末合金。前者的组织为珠光体基体+铁素体+渗碳体+石墨+孔隙,硬度30-110HBS;后者的组织除与前者的组织相同外,还有硫化物,可进一步改善减摩性,硬度为35-70HBS。铜基减摩材料常用的是青铜粉末+石墨粉末制成的合金,硬度为20-40HBS,具有较好的导热性、耐蚀性和抗咬合性,但承压能力较铁基减摩材料小。


粉末冶金减摩材料一般用于制造中速、轻载荷的轴承,尤其适宜制造不能经常加油的轴承,如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器等的轴承,在汽车、拖拉机、机床电机中也有应用。

3、粉末冶金结构材料


粉末冶金结构材料根据基体金属不同,分为铁基和铜基材料。铁基材料根据化合碳量的不同分为烧结铁、烧结低碳钢、烧结中碳钢和烧结高碳钢,如果铁基材料中含有合金组元铜和钼称为烧结铜钢和烧结铜钼钢。


铁基结构材料制成的结构零件精度高,表面粗糙度值小,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,可以减摩、减振、消声。粉末冶金结构材料广泛应用于制造机械零件,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、差速器齿轮、止推环,拖拉机上的传动齿轮、活塞环以及接头、隔套、螺母、油泵转子、挡套、滚子等。


铜基结构材料与铁基结构材料相比抗拉强度低,塑性、韧性较高,具有良好的导电、导热和耐腐蚀性能,可进行各种镀涂处理,常用于制造体积较小、形状复杂、尺寸精度高、受力较小的仪表仪器零件及电器、机械产品零件,如小模数齿轮、凸轮、紧固件、阀、销、套等结构件。

4、粉末冶金摩擦材料


粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基和铜基材料,根据工作条件不同分为干式和湿式材料,湿式材料适宜在油中工作。


粉末冶金摩擦材料由基本组元和辅助组元组成。摩擦材料的承载能力、热稳定性耐磨性和耐热性由基本组元的成分、结构和性能来保证,辅助组元可进一步完善基体性能。铁基摩擦材料在高温高载荷下摩擦性能良好,能承受较大压力。铜基摩擦材料工艺性较好,摩擦系数稳定,抗粘、抗卡性好,湿式工作条件下耐磨性优良,常用于油中工作。


粉末冶金摩擦材料主要用于制作机床、拖拉机、汽车、矿山车辆、工程机械和飞机上的离合器和制动器。




粉末冶金基本工艺

粉末冶金基本工艺包括粉末的制取、成型和烧结。粉末制取方法有机械粉碎法、还原法、雾化法、电解法、气相沉积法、液相沉积法、还原-化合法等。模压(钢模)成型是粉末冶金生产中采用最广的成型方法,是将松散粉末制成具有预定几何形状、尺寸、密度和强度的半成品或成品。烧结是在高温下粉末颗粒之间物质发生迁移的复杂过程,其结果导致粉末颗粒之间结合的加强和粉末烧结体的进一步致密化。


粉末冶金的生产过程


1)生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。



2)压制成型。粉末在500-600MPa压力下,压成所需形状。


3)烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化,烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程,成为具有一定孔隙度的冶金产品。


4)后处理。一般情况下,烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油及熔渗等。



粉末冶金材料的其他应用


第一,为制造业和国防工业提供特种材料。制造业是国民经济持续发展的基础,是工业化、现代化建设的发动机和动力源。粉末冶金制品在制造业特别是装备制造业中使用的高强度、高密度机械零件、硬质合金、电触头材料、多种永磁与软磁材料、烧结金属过滤材料等越来越多。在国防工业中,如运载火箭、导弹、航空发动机、舰船、核工业,军用电子工业中使用的耐热耐蚀、难熔金属、超硬材料等都属于粉末冶金领域。都只能用粉末冶金技术制造。在现代科学技术中,纳米技术也是粉末冶金的一个新兴领域。因此,在世界范围内,粉末冶金技术一直是倍受关注的材料科学领域内的一项高新技术。




第二,粉末冶金技术的另一个主要发展方向是制造机械零件。包括结构零件、含油轴承及烧结摩擦材料等。粉末冶金零件起始于1916年,表现在铜基粉末冶金含油轴承的产业化。随着汽车工业的发展,粉末冶金零件开始用于汽车制造业。


为适应汽车对环保、节能、降低制造成本和提高性能等方面的要求,人们开发了汽车发动机、变速器等用的上千种关键粉末冶金零件,诸如,排气门阀座、连杆、ABS环、各种齿轮、链轮、自动变速器零件、凸轮等。粉末冶金技术已经成为汽车及汽车零部件制造业改进与提高质量、开发新材料、新产品、降低生产成本、增强竞争能力的核心技术之一。一直倍受全球汽车工业的关注。


来源:我的粉末冶金

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