第9章粉末冶金及陶瓷成形

9.1粉末冶金及陶瓷成型的基本原理及工藝過程9.2粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性9.3銅基含油軸承的制造

粉末冶金和陶瓷制品的典型工藝過程

粉末冶金和陶瓷材料以粉體（粉末）為原材料，經(jīng)過成形和燒結(jié)工藝制備而成。9.1粉末冶金及陶瓷成形的基本原理概述原材料粉末制備粉體成形的原理燒結(jié)的基本原理

粉末冶金（Powdermetallurgy）

金屬材料的生產(chǎn)和加工，一般需要經(jīng)過熔煉和鑄造兩個過程。1909年出現(xiàn)一種電燈鎢絲的鑄造方法，將鎢粉壓制成形并將其在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，然后再經(jīng)過鍛造和拉絲而制成鎢絲，這種不用熔煉和鑄造，而用壓制、燒結(jié)金屬粉末來制造零件的工藝稱為“粉末冶金法”應(yīng)用粉末冶金法可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制品。許多難熔材料如WC，TiC至今只能用粉末冶金方法來生產(chǎn)。互不熔合的金屬或金屬與非金屬，如銅-鎢，銅-石墨，也可以應(yīng)用粉末冶金法制造。此外，應(yīng)用粉末冶金法，制品可以達(dá)到或接近零件要求的形狀、尺寸精度與表面粗糙度，不需要或需要很少的后續(xù)機(jī)械加工。因此，可以節(jié)省原材料，節(jié)省工時，節(jié)約能源等。粉末冶金用得最多、歷史最久的是用來制造各種襯套和軸套。粉末冶金制品

粉末冶金法常用的金屬有：Fe、Cu、Al、Sn、Ti、Ni、Zn以及難熔金屬。下表列出粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

陶瓷成形陶瓷材料的成形過程與粉末冶金相似，所不同的是兩者采用不同的原材料。一般情況下，陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)包括晶相、玻璃相和氣相三個部分，其中的晶相是陶瓷材料的主要組成相。常用的工程陶瓷材料陶瓷制品9.1.1

原材料粉末制備1.粉體的基本性能

粉體（powder）是由大量固體粒子（particles）組成的集合體，它是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)。它既不同于氣體、液體，也不完全同于固體。粉體的性能包含物理性能和工藝性能兩方面。

物理性能主要有粉體粒度與粒度分布、粉體的顆粒形狀以及粉體的表面特征。粉體的工藝性能主要有粉體的填充特性、流動性和成形性等。

粒度（particlesize）指粉體顆粒的大小，通常以直徑表示。對于非球形的顆粒用等效直徑來表示，即把不規(guī)則的顆粒換算成與之同體積的球體，以球體的等效直徑作為顆粒的粒度，實(shí)際粉體所含顆粒的粒度并不是完全相等的，而是呈現(xiàn)出一個分布的范圍，通常用粒度分布來表示各種不同大小顆粒所占的百分比。粒度分布越窄，說明顆粒的分散程度越小，集中度越高。篩分法是粉體粒度測試的常用方法之一，通過各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的篩網(wǎng)來確定粉體的粒度。除篩分法之外，還有顯微法、沉降法等來測定粉體的粒度。下左圖為鎳鉻合金粉體的電子顯微圖片，從圖中可以看出粉體的粒度范圍為50~100μm之間。下右圖為測定粉體粒度的標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)。

（1）

粒度（2）顆粒形狀顆粒形狀（particleshape）表示粉體顆粒的幾何形狀，常用的顆粒形狀有球形、片形、針形、柱形等。（3）流動性流動性指粉體的流動能力，粉體的流動性主要取決于顆粒之間的摩擦系數(shù)。通常，采用球形或近似球形的顆粒以及較寬的粒度分布，有利于提高粉體的流動性。（4）填充特性填充特性是粉體成形的基礎(chǔ)。由于粉體的形狀不規(guī)則、表面粗糙，使堆積起來的粉體顆粒間存在大量空隙。2.粉體制備方法

粉體是粉末冶金和陶瓷制品的原材料，粉體的質(zhì)量顯著影響后續(xù)的成形和燒結(jié)過程以及制品的最終性能。粉體制備方法一般可分為機(jī)械法和物理化學(xué)法兩大類。機(jī)械法通過將粗粒的原材料粉碎而獲得細(xì)粉，粉碎過程中基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是在粉碎過程中會混入雜質(zhì)，而且采用粉碎法一般不易獲得粒徑在1μm以下的微細(xì)顆粒。物理化學(xué)法通過物理或化學(xué)作用，改變材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲取粉體。這種方法的特點(diǎn)是粉體的純度和粒度可控，均勻性好，顆粒微細(xì)。并且可以實(shí)現(xiàn)粉體顆粒在分子級水平上的復(fù)合和均化。

球磨法（ballmilling）將物料與磨球放入球磨筒內(nèi)，通過滾筒的滾動、轉(zhuǎn)動以及振動等運(yùn)動，使磨球與物料之間產(chǎn)生強(qiáng)烈、頻繁的摩擦和撞擊，從而獲得粉體。球磨法制備粉體的生產(chǎn)量大、成本較低，在工程中應(yīng)用較為普遍。球磨機(jī)設(shè)備與氧化鋁陶瓷磨球（1）分級分級是指將粉體按粒度分成若干等級的過程，通過分級可以在配料時控制粉體的粒度及粒度分布，以滿足成形及燒結(jié)工藝的要求，通常采用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。（2）去雜質(zhì)去雜質(zhì)的目的是降低粉體中的雜質(zhì)含量，常用的有退火處理、酸洗處理等。（3）混合將兩種以上不同成分的粉體均勻混合的過程稱為混合，球磨是常用的混合方法。（4）造粒造粒是在細(xì)的粉體中加入一定的塑化劑，制成粒度較粗，流動性好的粒子。粉體細(xì)化有利于燒結(jié)和制品性能，但是粉體粒度越細(xì)，流動性越差，不利于充滿模具的整個型腔，易產(chǎn)生孔洞，因此，成形前一般需要進(jìn)行造粒。2.粉體的預(yù)處理9.1.2粉體成形的原理

通過一定的方法，將粉體原料制成具有一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度坯體的過程稱為成形。（1）壓制成形（2）塑性成形（3）澆注成形

壓制成形（compaction）是粉末冶金和陶瓷成形的常用方法之一。將松散的粉狀原料放入模具中，并施加一定的壓力后便獲得塊狀坯體。1.壓制成形粉體的拱橋效應(yīng)（1）受到壓力后，顆粒之間發(fā)生相對移動，“拱橋”被破壞，密度隨壓力的增加而迅速增加。（2）當(dāng)密度達(dá)到一定程度后，密度不隨壓力的增大而明顯增加。（3）繼續(xù)增大成形壓力，使顆粒之間的結(jié)合進(jìn)一步增強(qiáng)，坯體的密度增大。

粉體的壓制過程如下：壓坯密度ρ與成形壓力p關(guān)系2.塑性成形

塑性成形即利用各種外力，對具有可塑性的坯料進(jìn)行成形加工，迫使坯料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，并保持其形狀，從而制成坯體。粉體的主要成形方法

澆注成形是陶瓷坯體成形中的一個基本成形工藝，在粉末冶金中有時也用來成形一些形狀復(fù)雜的零件。是將粉體制成懸浮液，注入石膏模具中的一種成形方法。這種方法適于小型薄壁產(chǎn)品，如花瓶，坩堝等。3.澆注成形陶瓷制品的注漿成形示意圖與制品

9.1.3燒結(jié)的基本原理

1.燒結(jié)（sintering）過程燒結(jié)是將成形的坯體在低于其主要成分熔點(diǎn)的溫度下加熱，粉體相互結(jié)合并發(fā)生收縮與致密化，形成具有一定強(qiáng)度和性能的固體材料的過程。按照燒結(jié)過程有無明顯的液相出現(xiàn)進(jìn)行分類，可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩類。2.燒結(jié)機(jī)理

假定兩球形顆粒相互接觸，處于顆粒自由表面上的原子一般能量較高，而接觸處的原子能量較低。當(dāng)升溫時，原子的活性增大，由自由表面向接觸處擴(kuò)散，使接觸面增大，點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|。由于擴(kuò)散形成頸部，粒子間的中心距縮短，氣孔尺寸下降，最終達(dá)到致密化。固相燒結(jié)模型示意圖

成形后的金屬或陶瓷坯體只是半成品，一般需要經(jīng)過干燥處理后，在窯爐或燒結(jié)爐中經(jīng)過適當(dāng)燒結(jié)工藝，才能獲得燒成制品。影響燒結(jié)制品的因素主要包括：燒結(jié)溫度、保溫時間、升溫和降溫速度等。其中，為了防止成形后的坯體氧化，例如，鐵基粉末冶金，碳化硅等，通常在保護(hù)性氣氛或真空環(huán)境下燒結(jié)，常用的保護(hù)氣體有：氫、分解氨、發(fā)生爐煤氣以及惰性氣體等。粉末冶金和陶瓷制品的各種燒結(jié)方法

粉末冶金和陶瓷制品在燒結(jié)中通常產(chǎn)生收縮、變形以及一些表面缺陷，燒結(jié)后的表面粗糙度差，一般情況下，不能作為最終產(chǎn)品直接使用。為了獲得所需要的尺寸精度和表面質(zhì)量，需要對制品進(jìn)行機(jī)械加工。陶瓷制品硬度較高，通常用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工。對一些粉末冶金制品，可用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削，也可以采用氧化鋁砂輪或金剛石砂輪磨削。粉末冶金制品除機(jī)械加工外，還包括浸漬、熱處理、表面處理、擠壓等后處理工序。

9.1.4后處理

9.2粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝