粉末冶金课程设计.docx

北方民族大学课程设计报告院（部、中心）材料科学与工程姓名冯泽忠学号20083168专业材料科学与工程班级082同组人员杨雪梅廖恒忠刘运赵世力陆彬课程名称材料工艺与设备设计题目名称粉末冶金课程设计起止时间2011年。月7日至2011年11月20日成绩指导教师签名北方民族大学学院教务处制目录一、刖舌11.1粉末冶金技术的含义11.2粉末冶金技术的主要作用11.3粉末冶金技术的发展趋势2二、课程设计的目的和内容42.1 课程设计的目的42.2 课程设计的内容4三、课程设计的方法及步骤53.1 课程设计的方法53.2 课程设计的步骤6四、模具的设计与绘制74.1 模具的设计74.2 模具的测绘74.3 根据模具图绘制制品图8五、原料粉末的制备85.1金属粉末的制取85.2Cu.Sn,W三种金属粉末的性能参数95.3金属粉末的配比105.4机械合金化相关参数的设定115.5机械合金化的设备115.6机械合金化的过程12六、成型工艺136.1成型的目的和意义136.2粉末压制的特点146.3成型剂和润滑剂的选择及作用146.4设备及特点和参数146. 5成型过程应注意的事项16七、烧结177.1烧结温度的确定187. 2保温时间的确定197. 3烧结曲线中各段温度及时间的确定207. 4烧结气氛的选择217. 5氤气流量的确定217. 6烧结制品缺陷分析227.7烧结设备23八、制品的后处理和性能测定238.1 制品的后处理238. 2制品的特征及缺陷分析248.3性能测试25九、小结26十、参考文献28一、前言粉末冶金作为一种独特的零件制造技术，因其制品少、无切肌成本低,效率高,越来越受到设计和制造人员的重视。特别是近几十年来，汽车工业的飞速发展，带动了铁基粉末冶金行业的快速发展。同时，由于一些新技术的兴起，如机械合金化、粉末注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等，使得粉末冶金材料和技术得到了各国的普遍重视,其应用也越来越广泛。1.1粉末冶金技术的含义粉末冶金的方法其实由来已久。人类早期采用机械粉碎法制得金、银、铜和青铜的粉末，用作陶器等的装饰涂料。18世纪下半叶和19世纪上半叶，俄、英、西班牙等国曾以工场规模制取海绵钳粒，经过热压、锻和模压、烧结等工艺制造钱币和贵重器物。1890年，美国的库利吉发明用粉末冶金方法制造灯泡用鸨丝，奠定了现代粉末冶金的基础。到1910年左右，人们已经用粉末冶金法制造了铝铝制品、硬质合金、青铜含油轴承、多孔过滤器、集电刷等，逐步形成了整套粉末冶金技术。20世纪30年代，旋涡研磨铁粉和碳还原铁粉问世后，用粉末冶金法制造铁基机械零件获得了很快的发展。第二次世界大战后，粉末冶金技术发展迅速，新的生产工艺和技术装备、新的材料和制品不断出现，开拓出一些能制造特殊材料的领域，成为现代工业中的重要组成部分。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。1.2粉末冶金技术的主要作用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。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。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。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。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。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。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。1.3粉末冶金技术的发展趋势随着汽车和飞机零件以及切削和成形工具的发展，粉末冶金的强度和质量都得到了改善和提高。汽车制造业是粉末冶金件的最大用户，1996年它占有美国粉末治金件的最大市场份额达69%。发展粉末冶金需要制取新技术、新工艺及其过程理论。1.3.1向全致密化发展粉末冶金的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。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。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。1.3.2向高性能化、集成化和低成本等方向发展粉末冶金新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现。近目前，粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展;制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金；用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金；制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金；加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。1.3.3粉末冶金产业化发展由于相邻学科和相关技术的相互渗透和结合.更赋予了粉末冶金新的发展活力。粉末冶金新工艺层出不穷。粉末冶金产业化是指这些技术已比较成熟。甚至在一些国家已有生产规模，但主流还处于研究成果向产业化转化的过程之中。其工艺、设备、市场等已为产业化准备了条件，可以产业化，取得社会效益和经济效益。主要是指该技术实现产业化、集群化、模块化发展。其主要应用领域有汽车用粉末冶金零部件，汽车制造业仍是粉末冶金(PM)发展的牵引力；粉末注射成(POWderInjeCtiOnMOlding(PIM)温压成形技术(WarmComPaCtion)在众多为提高PM件密度的生产方法中。温压成形技术被认为是最为经济的一种新工艺。以下产业化技术：温压技术被誉为1990年代粉末冶金技术的一大突破，于1990年取得了第一项采用一次压制烧结工艺制备高密度铁基(P/M)零件的美国专利。该技术可使烧结钢中的孔隙度降低到6%左右(传统为10%以上),制品密度达到7.3gcm3以上，从而大大拓宽了高密度、高强度烧结钢零件在工业上应用的可能性。模壁润滑和温压是平行的两个提高铁基结构零件密度的手段。近来发展的是干模壁润滑，采用静电的方法，将干润滑剂粉末吸附到模壁上的模壁润滑，克服了湿模壁润滑制备的压坯表面易于粘粉，影响烧结件的表面质量的缺点。国外用非聚四氟乙烯干粉润滑剂以静电吸附的方式粘着在阴模内壁，铁零件的压坯密度已达7.55。注射成形金属注射成形(MetalInjectionMolding,简称MlM)是一种塑料注射成形与粉末冶金技术结合而成的近净成形技术，是国内外公认的21世纪粉末冶金的主流技术，称为“第五代加工技术二而且最适于大批量生产三维复杂形状的零件，可以完全实现自动化连续作业，生产效率高。目前，在美国、日本和德国，MIM已经成为最具竞争力的金属成形技术，而且开始大量用于不锈钢粉末冶金生产，这是由于工业规模生产的MIM不锈钢零件尺寸精度达±03%0.5%,一般不需后续机加工。力学、耐蚀、表现等性能均与熔断不锈钢相当。当前，汽车用粉末冶金材料和技术的研究开发以及产业化方面，美国仍处于世界领先地位，但最近5年来，欧洲粉末冶金业在材料的改进、先进工艺技术开发、粉末冶金新领域的开拓等方面，均处于领先地位。从工艺技术发展方面讲,成形工艺主要以传统压模为主，未来向模壁润滑、温压、注射成形方向发展。而且近5年来，压缩烧结粉末冶金的发展较快，其增长速度达10%o产品方面，采用压-烧工艺生产的高密度粉末冶金制品最具市场潜力，其应用以进入汽车、摩托车和家电行业等领域。粉末冶金总体发展趋势是，以汽车配套为主，向提高粉末冶金零件密度、强度、尺寸精度、复杂形状方向发展，同时扩大粉末冶金制品应用领域。总之，粉末冶金零部件已越来越多地用于汽车等工业，国外已达到70%80%,市场需求巨大。二、课程设计的目的和内容2.1 课程设计的目的粉末冶金课程设计是材料工艺与设备课程的最后一个教学环节，同时是在其它课程设计基础上，进行的一次较全面的工程设计训练。其基本目的：1 .综合运用材料工艺与设备课程和其它有关先修课程的理论及生产实践的知识，去分析和解决材料工艺设计中的一些基本问题，建立材料加工的基本概念和要求，同时使所学知识得到进一步的巩固和深化。2 .学习粉末冶金的基本原理，了解和掌握粉末冶金生产加工所需设备的原理及基本性能，选择设备的基本原则等，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是设备选型的能力。3 .通过计算和绘图，学会运用标准、手册和查阅相关技术资料，培养应用粉末冶金技术进行产品设计的基本能力。2.2 课程设计的内容课程设计是以实际的目标物出发，通过对所学知识的综合、概括，选择合适的材料、工艺、设备，通过实际生产过程的实践，对制品进行检验、分析，得到成功与否的结论。具体内容如下：(1)粉末冶金的基本原理；课程设计的内容课程设计的内容(2)所选目标物设计图纸；(3)工艺流程图；(4)编写设计说明书，说明材料、工艺、设备选择依据及要求。要求完成：粉末冶金的基本原理示意图1张；所选目标物设计图纸一份；生产工艺流程图1张；制品照片1份；设计说明书1份.三、课程设计的方法及步骤3.1课程设计的方法3.1.1继承中的独立思考任何设计都不可能由设计者完全凭空想象、不依靠其它资料所能完成的。设计时,要查阅和研究大量前人的资料,要借鉴其它生产设计人员的最新研究成果,但在设计中，不能全盘照抄，应根据具体的生产环境，生产条件和要求，独立思考，大胆进行改进和创新。只有如此，才能高质量地完成一个设计，也只有这样,才能通过课程设计来提高学生自身的综合素质。3. 1.2要从材料、工艺、设备的现有状况来设计任何一个产品的设计都要考虑生产条件，工艺流程都需要合理配置，并且布局要合理，对于一个连续生产的企业尤其重要。因此在设计中，应从材料、工艺、设备的现有状况来设计。4. 1.3设计方法设计产品零件图；设计产品生产工艺；按照产品要求选择原材料、各种辅料等。进行工艺计算，按照产量计算出所需的原材料、各种辅料的需求量；根据产品要求,和加工过程中的各个工序进行设备选型和模具设计、制造;对前面的设计工作进行全面校核，检查，然后送交技术负责人进行审核，审批；依据审查通过的技术文件组织生产。3.1.4标准和规范在设计、生产中应尽可能选用标准设备，一般只有在标准设备不能满足生产和产品质量要求的情况下，才自己设计设备。在自己设计所需设备时，要注意使用机械行业的设计标准和规范，一般来说，凡有标准或规范的，要尽量按照标准或规范进行设计。3.2课程设计的步骤3.2.1设计准备了解设计要求，设计任务和步骤，在设计前，应通过查阅有关资料，尽可能多地掌握设计任务的情况，了解设计对象，并准备好设计中所需资料和工具。3.2.2计算各种工艺参数和工艺流程图在设计准备的基础上，计算各种工艺参数，所需原料和各种辅料，水电需求等。同时绘制出工艺流程图（如图3-1）。图3-1本次课程设计的工艺流程图4If做算曲,仆卜.公化HEFl今府口研加制IJ3. 2.3按照计算出的各种工艺参数进行设备选择按照计算出的各种工艺参数，选择所需设备，并查阅出各种设备的体积、高度等。4. 2.4简单的成本核算按照计算出的各种工艺参数，将产品价格，总值、各种原材料、辅料、水电、工人工资、各种税收等列表，计算出企业利润等。5. 2.5编制设计说明书设计说明书中应包括：目录（标题、页次）；设计的目的和意义；工艺参数的计算；设备的选择依据；成本核算；设计小节；参考文献等。四、模具的设计与绘制4.1模具的设计粉末成形是粉末冶金的主要工序之一，而粉末冶金模具的设计是粉末成形的重要环节。粉末冶金模具设计的基本原则是：1 .要充分发挥粉末冶金少、无切削工艺特点，保证坯件达到所需的几何形状、精度和表面光洁度、坯体密度及其分布这三项基本要求；2 .合理设计模具结构和选择模具材料，使零件具有足够高的强度、刚度和硬度，具有耐磨性和使用寿命，同时还要便于操作、调节，保证安全可靠；3 .注意模具结构的可加工性和模具制造成本问题，从模具设计要求和模具加工条件出发，合理地提出模具加工的技术要求（如公差、精度、表面光洁度和热处理硬度等），既要保证坯件质量，又要便于加工制造。但是由于本次课程设计时间紧，任务重，再加之实验室现有一套模具，我们本着节约时间、节约成本、合理利用资源的原则，就没有再次重复的设计模具，而是将现有的模具测绘，然后生成二维装配图、爆炸图以及工程图。这样不仅合理利用了资源，而且也方便了其他组同学展开课程设计的内容。4. 2模具的测绘4. 2.1模具测绘的步骤首先，用游标卡尺测量各模具的主要尺寸，然后将模具的各个零件在计算机中建模，将各个零件装配到一起使之还原成模具，然后出相应的二维图。6. 2.2模具测绘所用仪器1游标卡尺；2计算机（其中要装有pro/eWildfire5.0、AutoCAD等必要的CAD软件）4.2.3在pro/eWildfire5.0进行模具建模从简单到复杂，将每个零件在pro/eWildfire5.0中建模（如图4-1）,然后在进行装配（如图4-2）。（八）(b)图4-1部分零件图(a底座,(d)b模套，c上模具，d左右模具)（八）(b)图4-2装配图(a检测用模具，b制品用模具)4. 2.4在AutoCAD中进行二维工程图的绘制将转换成dwg格式的图用AUtOCAD打开，进行简单的修改，以弥补数据转换带来的图形损失，然后按照中国的标准进行绘制，标注等，具体的二维图请参见附件。4.3根据模具图绘制制品图根据已绘制出来的模具图，用AUtoCAD大致绘制出制品图，以供其他组同学参考，具体制品图见附件。五、原料粉末的制备5.1金属粉末的制取制取粉末是粉末冶金的第一步，粉末既是粉末冶金工业的一大产品，同时又可以为后续工序(成型和烧结)提供原料。现在的制粉方法可以分为机械法和物理化学法两大类。具体的方法有：矿物还原法、雾化法、机械粉碎法、电解法等。由于金属的特性，使得制粉比较困难，因此金属粉末的价格一般很贵。这也是制约粉末冶金的一个主要因素。本课程设计所用的粉末为购买的200目的粉末。5.2Cu、Sn、W三种金属粉末的性能参数金属粉末的特性在粉末冶金工业生产中，一般测定粉末体的三项性能：即化学成分、物理性能和工艺性能。化学成分包括主要金属的含量和杂质的含量。物理性能主要包括：粉末的颗粒形状；粉末的粒度和粒度组成；粉末的比表面积。工艺性能包括：松装密度；振实密度；流动性；压缩性；成形性。通过查阅相关资料，我们了解到铜(Cu)、锡(Sn)均为重有色金属，纯铜(Cu)又称紫铜，密度为896gcm3,熔点为1083C具有面心立方晶格,无同素异构转变，纯铜有很好的导电性和导热性，化学稳定性。抗大气和水的腐蚀性强,并且是抗磁性金属,塑性好(=50%),但强度较低(。b=230250MPa).硬度很低(4050HBS),不能热处理强化,只能通过冷加工变形强化。铝(W)则是高熔点金属，熔点为3407C熔点最高，硬度大，密度高，高温强度好。金属锡柔软，易弯曲，熔点231.89°C,沸点2260°Co有三种同素异形体：白锡为四方晶系，密度7.28克/立方厘米；，硬度2,延展性好；灰锡为金刚石形立方晶系，密度5.75克/立方厘米;；脆锡为正交晶系，密度6.54克/厘米。具体物理性能如表1：表1金属鸨和铜的物理性能性能钙铜密度gg-319.328.96热膨胀系数/IO一/C4.516.6热导率w(mk).'174403热容/J(kgC)T136385弹性模量/CPa411145泊松密度0.280.34熔点/C33871()83强度/MPa5501205.3金属粉末的配比粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物（如油酸熔点是286。C等）进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。混合粉的特性常用混匀度表示。混匀度越大，表示混合越均匀；也就越有利于制品的性能要求。但粉末混合过程须谨慎，太激烈的混合将会引起变形硬化、颗粒相互磨损、起层等，故一定要按照成形技术要求和规范进行。本设计所采用的磨介为颗粒状黑色SiC烧结球，含SiC97%以上。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他工业材料使用。在本实验中各样品的磨料比为4:1在成型前，粉末混合料中常常要添加一些能改善成形过程的物质，即润滑剂和成型剂。添加剂对制品成型于质量有着重要的影响，其中油酸主要在机械合金化的过程中起到溶剂的作用，选用这该种溶剂主要是考虑到它们不与物料发生化学反应，且沸点低易挥发，无毒，对混合后粉末的松装密度影响不大，来源广泛,成本低。本设计所添加的成形剂为聚乙烯醇，润滑剂为甘油，湿混液体介质为无水乙醇，设计中原料配比如下表5-2：表5-2：粉末冶金原料配比样品abC总质量/g438438783Cu含量/%838485W含量/%12108Sn含量/%567Cu质量/g363.54367.92665.55W质量/g52.5643.8062.64Sn质量/g21.9026.2854.81聚乙烯醇/g2.192.193.92油酸/g0.4380.4380.783无水乙醇mL适量适量适量注：(1)粉体的总质量为铜(Cu)锡(Sn)鸨(W)质量,添加剂(即所加的油酸)不包括在内。此次课程设计的铜(Cu),锡(Sn)、鸨(W)三种金属粉末的配比属于探索性的实践,并无成功的确切数据可以参考,因此,我们在查阅相关资料,参考其它相关铜合金,主要是以参考锡青铜的配比后设定了三种金属粉末的配比.通过参考锡青铜的相关资料,我们了解到锡青铜是以锡为主要元素的铜合金,锡在铜中可形成固溶体,也可以形成金属化合物，因此锡的含量不同,锡青铜的组织及性能也就不同.抗拉强度随Sn含量的增加而升高，当Sn的含量6%时，伸长率就开始降低，当Sn的含量2O%0t,因组织中出现大量的3相。合金变脆，强度也随之降低。工业用锡青铜的Sn含量均在3%-14%之间，很少能达到20%。Sn含量7-8%的合金，有高的塑性和较高的强度，适用于塑性加工，Sn含量10%的合金。因塑性低，只适用于铸造。5. 4机械合金化相关参数的设定机械合金化是一种高能球磨法，用这种方法可制造具有可控显微组织的复合金属粉末。它是在高速搅拌磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进行机械合金化的。机械合金化和机械粉碎由于目的的不同，所以工艺参数的选择有较大的差别。机械粉碎主要以粉碎为目的，而机械合金化除粉碎外，各种成分的均匀混合、揉搓、冷焊也是非常重要的。影响机械合金化的主要因素有：球磨机转速和球磨时间、球磨介质的选择、球料比和填充系数、球磨气氛、工艺控制剂和球磨温度。考虑到课程设计的时间紧迫,设定机械合金化所用的时间为4h。由于球磨机的容量有限，加入里面的物质较多，所以在磨的时候，我们把磨料比按4:1加入。球磨机的转速为250rmin05. 5机械合金化的设备5. 5.1搅拌球磨机将球磨介质和物料按一定比例装人球磨桶，在主电机的驱动下，搅拌轴带动搅拌器产生的高速运动力使研磨介质球与被粉碎物料作无规则运动，介质球和物料之间发生相互撞击、摩擦和剪切，全部动能均有效地用于物料的破碎，从而实现对物料的超细粉碎。装料、取料和工作时搅拌器研磨装置连同电机一起通过齿轮齿条传动实现升降，并由限位套和滑块固定螺钉限位。搅拌球磨机的球磨时间主要取决于被加工物料的特性，如原始粒度、硬度、添加料的数量和料与乙醇的比例，也取决于球磨介质的物性，如介质的直径、真密度和硬度，以及转轴的转速和搅拌器的形式。针对不同的被粉碎物料选取不同的球磨介质、转机械合金化的过程。5. 5.2电热恒温干燥箱电热恒温干燥箱外壳由钢板冲压折制、焊接成型，外壳表面采用高强度的静电喷塑涂装处理，漆膜光滑牢固，工作室采用碳钢板或镜面不锈钢板折制而成，工作室与外壳之间填充保温棉。工作室的内部放有搁板,用来放置各种试验物品,工作室的底部装有电加热元件并有进气孔。冷空气经过加热后从工作室底的两侧风孔进入工作室，再从工作室顶部排出，形成自然对流，从而保证工作室内部温度均匀。门封条采用硅橡胶条密封,箱门上设有可供观察用的双层钢化玻璃视镜,外壳的顶部设有排气孔，排气量的大小可以自行调节。电热恒温干燥箱外壳的底部为电器箱，电器箱的前面板上装有温度控制仪、电源开关等，电器箱内装有电器元件。5. 6机械合金化的过程5. 6.1选用原料及其用量金属粉末：铜粉，锡粉，铝粉。添加剂：聚乙烯醇，油酸。其质量配比同表5-2。5. 6.2混料使用电子天平称取所需的粉料量，要求一人进行操作，在托盘上将粉料混合到一起放入球磨机料桶中。5. 6.3磨料将混好的物料在搅拌球磨机内高速旋转2.5h,球磨机的转速为250rmin,加入了90.6克磨介，最后称得磨介质量为87.9克。6. 6.4干燥设定干燥箱的干燥温度为120,将得到的粉末在此温度下加热保温4个小时后自然冷却。其干燥曲线如下图示：干燥曲线六、成型工艺6.1 成型的目的和意义制取的粉末经过筛分与混合混料均匀，并加入适当的增塑剂再进行压制成型，颗粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用使制件结合为具有一定强度的整体。压力越大则制件密度越大，强度相应增加。有时为减小压力和增加制件密度,也可采用热等静压成型的方法。粉末的压制成型是主要且基本的工序，其过程包括称粉、装粉、压制、保压及脱模等。压制成型的方法有很多种如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、震动压制、高能率成形等。本次试验采用单向压制通过单向加压成型制备纪念牌。1）制得一定形状和尺寸的压坯，并使具有一定的密度和强度，成型方法为加压成型中最多用的模压成型。2）粉末压制（这里主要指粉末冶金）是用金属粉末（或者金属和非金属粉末的混合物）作原料，经压制成型后烧结后制的各种类型的零件和产品的方法。3）颗粒状材料兼有固体和液体的双重性，即整体具有一定的流动性和每个颗粒的塑性，正式利用这种特性来实现粉末的成型，获得所需的产品。6. 2粉末压制的特点1）能够生产出其他方法不能或难以制造的产品。可以制取像难熔极硬和特殊性能的材料。2）材料的利用率很高，接近100%。3）虽然用其他方法可以制造，但是粉末冶金更为经济。4）一般来说，金属粉末的价格较高，粉末冶金的设备和模具投资较大，零件的几何形状受一定限制，因此适用于大批量生产的零件。6.3成型剂和润滑剂的选择及作用成型剂是为了改善粉末成型性能而添加的物质，可以增加压坯强度，防止粉末混合料离析以及消除压坯内的物理缺陷。润滑剂是降低粉末颗粒之间及粉末与模壁和模冲间的摩擦，改善密度分布，减少压膜磨损和有利于脱模而添加的一种物质。加入成型剂或润滑剂后，还可以明显提高模具的寿命。在本次试验中，我们选择了用水溶解了的聚乙烯醇和油酸作为成型剂以达到增塑和润滑的目的。6.4设备及特点和参数6.4.1设备和参数本次试验所用的设备是实验室的液压式压机（图6T）,其最大压力可达80吨，考虑目标物（纪念牌）的尺寸及其原料的性能要求，选择了最大压力为20吨。每个纪念牌我们称取80克粉，其加压方式为先快后慢，时间为60s,卸压方式为先慢后快，时间为30s,保压时间为1分钟。在本次课程设计中由于属于探索性的实践,并无成功的确切数据可以参考，所以在成型时压力并不是固定的一个值而是在不断的变化。本次课程设计所做样品的成型数据如表6-1：本次课程设计所做样品的压制方式如图6-2：6.4.2压机特点生产速率高，磨损少。可控制装粉的深度，压坯高度尺寸精度高。设备价格及运转费用低于其他设备。过载保护能力好。压机在下死点附近工作距离长，也就是保压时间长，即使压缩性和成型性较差的原料成型时也不会产生裂纹。表6-1本次课程设计所做样品的成型数据编号压前质量（g）压后质量（g）压力（t）18077.621028078.301538077.621548078.471558076.431568078.291678079.101688078.271898077.8218108078.9820118078.0520128078.4520138078.8020148078.6820158077.7920168078.8120178079.0920188078.9820流动性（三）1组2组3组15.9717.0316.55图6-1实验室的液压式压机6. 4.3脱模剂选择在压制的时候，我们发现模具在脱模的时候很难脱模纪念牌上的字体没有完全凸显出来为了达到最好的效果，在老师和同学们的集体智慧下，经过一系列的科学实验最终确定了试验方法。为了便于脱模，我们在主压头上铺了一层塑料薄膜，再涂上一层油酸，起到润滑作用。得到的纪念牌字体凸显的效果较好。6. 5成型过程应注意的事项1）加压不能过快，以防粉料从模具中逸出。2）加压时压力应预设为10-25吨之间，等压力加到预设的吨位时再缓慢加压，压制完成后应先缓慢卸压，再快速卸压，以防制品产生裂纹。3）压制完成一次后必须将模具清理后再进行装粉。图6-3压制完成后的一个样品型坯七、烧结压坯或松装粉末体的强度和密度都是很低的,为了提高压坯或松装粉末体的强度,需要在适当的条件下进行热处理,从而使粉末颗粒相互结合起来,改善其性能,这种热处理叫烧结。在生产过程中，原料或半成品中含有高于工艺要求的水分或溶剂，需要不同程度的脱除，同时干燥的成品便于装卸、运输、存储及使用。烧结是粉末冶金生产过程必不可少的最基本工序之一,对粉末冶金材料和制品的性能有着决定性的影响。在烧结过程中,压坯要经历一系列的物理化学变化。开始是水分或有机物的蒸发或挥发,吸附气体的排除,应力的消除,粉末颗粒表面氧化的还原；随之是颗粒间发生原子扩散,粘性流动和塑性流动,颗粒间的接触增大,发生在结晶，晶粒长大等。烧结过程在专用的烧结炉中进行。主要技术因素为烧结温度、保温时间与炉内气氛。7.1烧结温度的确定烧结过程从致密化机理上看是一个包含扩散、流动和化学反应的综合反应的综合反应的综合过程，而从唯象上看是粉末中孔隙（或空穴）迁出体外的过程。黄培云基于这种空穴迁移过程中的物质（空穴）守恒，同时考虑扩散，流动和物理化学反应的作用，建立了综合烧结理论，由于该种作用，烧结体的空穴浓度随位置与时间而变化QC一VK(Cv)d:空穴扩散系其中C:烧结体内空穴浓度t：时间X：X轴上的距离数V：空穴流动速度C00:烧结终点的空穴浓度K：化学反应速率常数XKQg02°烧结过程可以由下列方程描述：嬴=S和2(_)_(4+左"xe4aVLVL8=(1y)e2a+ye2a令德为烧结前样品密度；d：烧结后样品密度；dm:致密金属密度。则有：in（-ln13）与工呈直线关系。（T：烧结温度）"加"oT烧结温度与烧结密度的关系由下图反映图24铜的烧结1/TX1O-1图2.5铜的烧结注：图2.4、2.5均摘自粉末冶金基础理论与新技术。拟合后，两直线方程分别为:图2.4：y=5x3.1图2.5：y=6.28x-5.2其中，=-log(-log-)?%=rdm-d.T×10001根据7个方块压坯的的密度，可以求出平均的压坯密度，烧成密度d按照粉末冶金大部分制品的经验值，可取96%的理论密度，即：d=0.96*dm代入1式可得:Tl代入2式可得:T2故烧结温度应在TJT2。C左右。但是由于本次课程设计时间紧，任务重，方块压坯我们没有压制。我们只是在理论上以及参考前人的工艺大致的确定了一个烧结温度理论范围。根据大多数粉末冶金技术人员的经验：烧结温度一般为熔点(主要成分)绝对温度的其底限略高于结晶温度。上限从技术、经济上考虑，并结合烧35结时间同时选择。(注：此处，CU为主要成分，94(-M)Tm=(9041084.8)K=(631812)Sn在232。C熔化后由于毛细管力作用，会被吸入到铜粉颗粒间的孔隙中去，形成粘结介质，其中会发生铜和锡的相互扩散，即Sn扩散到CU中。与此同时，发生Cu在Sn相中的熔解扩散。该情况一般描述了Cu-Sn粉末混合料压制的自润滑轴承在烧结过程(800830°C)中所发生的现象。由于Sn熔化，并被吸入孔隙中，因此，压坯中原先有锡粉存在的地方变成了孔隙。根据其理论，结合经验定T烧结为780。7. 2保温时间的确定根据液相烧结致密化过程中致密化系数与烧结时间的关系可以得出大概的保温时间，其中致密化系数为：=(d-0)/Cdm-d0)×100%在图7-3中对应的烧结时间约为150IIlin,同时结合指导老师的经验，将保温时间定为180mi11o图7-3液相烧结致密化过程100烧结时间min7. 3烧结曲线中各段温度及时间的确定已经压制好的坯料由于压制操作过程中以及在空气中放置时，会吸收空气中的水分，故需对坯料进行二次干燥。二次干燥主要是为排除坯料中的自由水，故温度不需要太高，升温到150即可，保温时间为15min°在混料及磨粉过程中，加入了成型剂油酸，并且在压坯过程中，坯料上表面覆盖了聚乙烯薄膜，在烧结过程中，必先将这些有机物除去。已知PE熔点为140,油酸的沸点为286。加热至350,保温45min,可以将有机物全部除去，得到纯净的合金成分。由于Cu-Sn合金结晶间隔大，液相流动性差，Sn原子扩散较慢，难以达到平衡组织，容易产生偏析，所以不采用直接升温到烧成温度，而是先加热到500,保温Ih,这样有利于Cu-Sn合金中的Sn扩散，使其形成更加均匀的低共熔点的混合物，同时可减少高温区的保温时间，为后面的烧成创造条件。关于烧成温度的确定，结合前面的综合烧结理论T约为628768°C,粉末冶金经验理论值温度631812°C,再根据指导老师前几届的实践经验，将烧成温度定在780,烧成时间3h。具体烧成温度-时间如图7-4：t/min图7-4CuWSn烧成曲线7.4烧结气氛的选择烧结气氛对于保证烧结过程的顺利进行和产品质量十分重要。其主要作用是防止空气进入炉内、烧除润滑剂或是压坯脱蜡排除吸附气体、还原颗粒表面氧化物和控制或改变材料成分等。烧结气氛有：氧化气氛；还原气氛；惰性或中性气氛；可控碳势气氛；氮化气氛。本实验中有金属的存在，在空气中加热会氧化，故应做气体保护。考虑成本等方面因数，最终选择Ar气作为保护气体。7. 5基气流量的确定将炉内装料完成之后，首先打开Ar气阀门，先通Ar气排尽炉腔内的空气。测量的炉腔内体积：32x25x20=16000c/=16£o因炉门破裂漏气较为严重，故开始是设置流量为4Lmin,通气5min,以完全排除炉内空气。然后开始升温加热，可将流量增加到5Lmin,130保温结束之后，还将继续升温，考虑到在高温下金属原子活性更大，更易被氧化，故将流量加大到6Lmin,500到780时调到7.5Lmin以对烧结体做更好的保护。在780。C以后，即烧成之后的随炉冷却阶段，考虑到气体的余量，可以适当减少流量，减小到6Lmin,直到最后冷到室温。具体的氤气流量确定如图7-5：图7-5Ar气流量时间曲线表7-1烧结过程相关数据一览表时间(min)温度(0C)保温时间(min)Ar流量(Lmin)备注O1554室温排出马弗炉内的空气515151501555-15min的升温阶段Ar的流量为53015045350456305min的升温阶段Ar的流量还为590350105500601655001827801807.5165182min的升温阶段Ar的流量为7.53627805622006362562min的冷却阶段Ar的流量都为67.6烧结制品缺陷分析制品烧结之后出现了三方面的缺陷，氧化皮过厚，翘曲和内部孔隙。由于炉内的高温作用，在炉腔密封状况不好情况下，即使通入保护气体，金属成分也可能被氧化。另外，在最后的随炉冷却过程中，由于没有记录保护气体的最终耗尽时间，很可能在炉温较高的情况下氤气已经用完，这也是造成氧化的一个潜在原因。在压制过程中采用的是单向压制，压坯密度不均匀，烧结时膨胀率不同是造成翘曲的主要原因；另外，在加热时炉腔内温度分布不均匀也是翘曲的原因之一。内部孔隙的形成一是由于压制时压力不够，二是在烧结过程中，保温时间不够充分，金属原子扩散没有完全进行完，导致致密化不充分。马弗炉（如图7-6）：型号1013,图7-67. 7烧结设备马弗炉最高烧结温度1300八、制品的后处理和性能测定7.1 制品的后处理烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。止匕外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。对于一些要求较高的粉末冶金制品，烧结后还需要进行其他处理与加工，以满足要求。1）渗透（又叫熔渗）：把低熔点金属或合金渗人到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。通过渗透获得致密制品。