粉末锻造
第六章-粉末锻造
• 通常在设计与锻件形状相似的预成形坯 时，为了防止任何两个部分之间金属发 生折叠和断裂，预成形坯各部分的金属 量的分配，不要使金属过多地从一个部 分流到另一个部分。应该指出，预成形 坯的设计除了考虑锻件性能要求、材料 的流动和断裂以外，还应考虑锻模使用 寿命问题。
第四节 粉末锻造过程的变形机构
• 由于多孔预成形坯是由基体金属和孔隙组成的 复合体，在锻造时同时产生塑性变形和致密化， 与致密金属坯锻造时塑性变形的微观机构相比， 具有不同的特点。
• 致密金属塑性变形的微观机构主要是金属晶体 的位错运动；而多孔预成形坯塑性变形和致密 化的微观机构，不仅基体金属晶体产生晶间和 晶内变形，而且与孔隙的变形有关。
• 由于孔隙周围的颗粒形状和位向是不同的， 颗粒间的联结强度又很低，所以在外力作 用下，每个颗粒所处的应力状态不同，使 每个颗粒的变形和颗粒间晶界的滑移也不 同，从而引起颗粒间多种形式的相对移动、 转动和变形，造成孔隙的倒塌、闭合和拉 伸。
• 单轴压缩：在无摩擦平板模镦粗时所发生的变形方
式。一种无侧向约束的压缩变形。
• 平面应变压缩：在平板模镦粗长条预成形坯时，在
长条坯的中心截面上产生平面应变压缩。是一种在 一个侧向上有约束的压缩变形。
• 复压：是发生在热复压过程中的一种变形。在闭式
模锻变形的最后阶段，当预成形坯填满模腔后所发 生的变形，也属于复压。这是一种全约束的压缩变 形。
孔隙同时受到水静压应力和切应力 的作用，在变形过程中，孔隙体积 不仅受到水静压缩，而且由于剪切 变形使孔隙闭合和拉长
粉末冶金
热处理炉
粉末冶金件的显微结构通常不如传统钢件那样均匀，因此在淬火表面以下任何给定距离，烧结钢件的显微硬 度值比传统钢要分散得多。有时候试锥打在马氏体基体中分散的铁素体、残留奥氏体或珠光体的软点上或孔隙上， 测量会有很大的偏差。
Ⅱ-6粉末冶金常见缺陷：
缺陷内容
图片
原因及解决方法
每个烧结炉中第 一个部件发泡
（2）、高速压制技术
原理：高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快500～1000倍, 其压头速度高达2～30m/s,因而适用于大批量生产 特点：压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；压制件抗拉强度可提高20%～25%；高速压制压坯径向 弹性后效很小, 脱模力较低；高速压制的密度较均匀, 其偏差小于0.01g/cm3
粉末冶金工艺
Ⅰ粉末冶金概述
粉末冶金是一门制造金属粉末，并以金属粉末（有时也添加少量 非金属粉末）为原料，经过混合、成形和烧结，制造材料或制品的技 术。
粉末冶金最突出的优点有两个： (1)能够制造目前使用其他工艺无法制造或难于制造的材料和制 品，如多孔、发汗、减震、隔音等材料和制品，钨、钼、钛等难熔金 属材料和制品，金属-塑料、双金属等复合材料及制品。 (2)能够直接制造出合乎或者接近成品尺寸要求的制品，从而减 少或取消机械加工，其材料利用率可以高达95%以上，它还能在一些 制品中以铁代铜，做到了“省材、节能”。
对于支架、连杆、轴承板、偏心轮以及配种块，一般选用SMF40系列，优点是成形性好，价格低，烧结硬 度低，整形容易，缺点是一般变化率大，非整形的产品尺寸相对不易控制。对于轴套、隔套等定位零件，AMF 和SMF系列均可，视其功能及工作要求选用，对于荷重齿轮、链轮、棘轮选用SMF50系列，其中的镍和钼均可
粉末冶金
粉末注射成型粉末注射成型是一项新型近净尺寸成型技术，被用于生产较小尺寸及复杂外形与表面的制品,与传统的加工工艺相比，粉末注射成技术成本优势明显。
目前粉末冶金注射成形零件截面尺寸为25~50mm,长度可达150mm,间单重在0.1g~150g间，所以粉末冶金注射成形适于生产批量大，外形复杂，尺寸小的零件。
⏹PIM结合了粉末冶金与塑料注射成型工艺，用来生产金属、陶瓷制品以及难熔金属部件。
该工艺包括以下4道工序：混料、注射成型、脱脂、烧结。
当注射成型技术应用于陶瓷和金属时，称为陶瓷粉末注射成型(Ceramic Injection Molding，简称CIM)和金属粉末注射成型(Metal Injection Molding，简称MIM)。
⏹原理粉末注射成形是将粉末与粘结剂均匀混合使其具有流动性，在注射挤压机上经一定的温度和压力，注入模具内成形。
⏹这种工艺能够制造出形状复杂的坯块，所得到的坯块经溶剂处理或专门脱除粘结剂的热分解炉后，再进行烧结.其制品的致密度可达95%以上，线收缩率可达15%~25%，再根据需要对烧结制品进行精压，少量加工及表面强化处理等工序,最后可得制品。
⏹陶瓷粉末注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的，成型之后再把高聚物脱除。
与传统的陶瓷加工工艺相比，陶瓷粉末注射成型技术要简单的多，能制造出各种复杂形状的高精度陶瓷零部件，且易于规模化和自动化生产，已广泛用于航空、军事、汽车、电子、机械以及医疗器械等工业。
⏹CIM基本工艺包括4个步骤：⏹ 1.粘结剂与陶瓷粉末的混炼2. 成型 3.脱脂 4.烧结⏹其中脱脂是陶瓷注射成型技术⏹金属粉末注射成型技术是在传统的注射成型和粉末冶金工艺的基础上发展起来的一种新型的金属注射成形,已广泛用于电子信息,医疗用具,汽车,航空航天等各领域.⏹注射成型工艺，特别适合于大批量生产小型、复杂的高密度金属或金属化合物的制品，扩大了粉末冶金技术的应用范围。
11.粉末体塑性成形理论
第十一章粉末体塑性成形理论粉末锻造、挤压、摆辗、轧制等是金属粉末塑性加工的形式，在工业生产中得到了应用粉末体塑性成形理论包括致密和塑性变形一、基本假设金属粉末体是由大量颗粒材料组成的。
每一个颗粒均可视为致密体，其变形行为可以用传统的塑性力学来描述。
大量颗粒组成的粉末体，其中含有一定的空隙，是一个非连续体。
需要从各个颗粒的变形颗粒之间的协调关系研究其整体变形，即塑性变形和塑性致密问题，对粉末体塑性变形的研究，是将粉末体视为“可压缩的连续体”。
颗粒变形遵循体积不变原则，整体变形遵循质量不变定律。
质量不变定律不仅适合于连续体的变形，也适合于非连续体的变形，是粉末体变形的基本方程之一。
令V0、d0、V、d 分别为粉末体的初始体积、初始密度、塑性变形中的体积和密度，质量不变可用公式表示为0d V Vd =或 10=d V Vd（a ）对上式取对数得ln ln 00=+d d V V 简记 0=∈+∈ρV (b)V ∈为体积应变，0ln VVV =∈； ρ∈为密度应变，00lnln ρρρ==∈d d ，其中f d d /00=ρ 粉末体初始相对密度，fd d =ρ 塑性变形中的相对密度，f d 粉末体全致密时的密度。
二、粉末体变形的屈服准则由于粉末体变形的有下列特殊性， （1）粉末体在变形时的体积变化；（2）粉末体的流动应力与相对密度关系，相对密度越大，变形所需的应力就越大； （3）静水压力对粉末体屈服的影响。
对于致密金属，根据Mises 屈服准则可写出屈服函数，0=-=Y F σ。
由于粉末体塑性变形时，同时发生形状变化和体积变化，因此屈服应力不仅与应力偏张量有关，还与静水压力有关，因而其屈服函数F 常用下列通式表示)(02121'2=-=-+=Y Y J J F δσβα (c)式中，'2J——应力偏张量第二不变量；1J ——是应力张量第一不变量；α、β、δ是与相对密度或泊松比有关的系数；0Y 是基体材料的流动应力（全致密，即ρ=1）；Y 是粉末体的流动应力（ρ<1）；σ是粉末体的等效应力。
锻造新工艺复习资料
锻造新工艺5.1等温锻造顾名思义，等温锻造为恒定温度下的锻造，而常规锻造为一定温度区间（始锻温度-终锻温度）内的锻造。
前者具有明显的优点，由于等温锻造，必然组织均匀，制品性能均匀。
5.2粉末锻造与铸造相比，粉末锻造之前的铸造过程被粉末处理过程所替代，因此粉末锻造的工艺发生了变化。
粉末热锻的工艺流程为：粉末原料→预成形坯→烧结→加热→锻造。
由于粉末锻造是在普通粉末冶金和精密模锻工艺基础上发展而来的，因此它具有如下特点：1）粉末预成形坯通过加热锻造的途径，提高了制品的密度，因此使制品的性能接近甚至超过同类熔铸制品的水平；2）保持了粉末冶金工艺制造坯料的特点，因为粉末预成形坯含有80%左右的孔隙，其锻造应力比普通熔铸材料要低很多；3）材料的利用率达80%以上；4）制品的精度高、组织结构均匀、无成分偏析；5）能够锻造难于锻造的金属或合金和各种复杂形状的制品，例如难变形的高温铸造合金。
5.3精密模锻（精锻）精锻的方法有三种：高温精锻（热精锻）、中温精锻（温精锻）和室温精锻（冷精锻）。
高温精锻时坯料在控制气氛中加热，以防止坯料产生氧化和脱碳。
通常采用的是少氧化火焰加热炉，炉温1200℃时，CO2/CO≤0.3，H2O/ H2≤0.8，便可以实现少氧化加热，此时的空气过剩系数控制在0.5左右。
中温精锻是在尚未产生强烈氧化的温度范围内加热坯料并完成精锻的一种加工方法。
例如，45号钢的抗拉强度到600℃时为室温时的一半。
600℃以上的抗拉强度较低，碳钢在600-850℃范围内无强烈的氧化现象，因此此种条件下锻造可使锻件达到较高的精度和较低的表面粗糙度。
5.4半固态模锻半固态模锻是将半固态坯料加热至半固态温度后，迅速转移至金属模膛中，在机械静压力作用下，使处于半熔融态的金属产生粘性流动、凝固和塑性变形复合，从而获取毛坯或零件的一种锻造新工艺。
5.5超塑性锻造(Superplastic forging)超塑性锻造指在利用材料的超塑性性能进行的锻造。
粉末锻造汽车发动机连杆新进展
年增高到 了０ ５ ． ％，近 １年 来几乎 ９ ０ 增长 了一倍。
粉末冶金零件的固有优势
粉末 冶金 零件 作为 一种 新兴 的金属 零件成 形 工艺 ，特 别适合 于 像汽车 这样 的大 批量生 产 的产 业 。粉 末冶金 零件 的生产 批量 越 大 ，零件 的生 产成 本就越 低 。这 是 因为粉 末冶金 零 件的生 产成 本 主要 取决 于模具 与设 备费 用 。而
１４年 美国一家大汽车 公司就将使 ９０
用的全部 油泵齿轮改用粉 末冶金齿 轮 ，这是粉末 冶金结构零件 发展史 上 的一项重大进 展。从此 ，粉末 冶
Ｇ Ｖ ｒ ｃ ． 发动机 中使用 了７ Ｍ ｏｔ ２ ｅ４Ｌ ９
个粉 末冶金零件 ，分 别是粉锻连杆 ６ 、主轴 承盖７ 个 个、阀座圈２ 个 、 ４
据 文献 ，２０ 年美 国Ｇ ０５ Ｍ公司
生 产 的汽 车 中 ，平 均每 辆 车 的 粉
在Ｄａ ｍｌｒ ｉ ｅ —Ｃｈ ｙ ｌ 的八缸 ｒ Ｓｅ ５７ ｍｉ ． Ｈｅ 发动机 中 ，使 用的粉末 Ｌ
２世纪６ 年代初 ，烧结 青铜 含油轴 ０ ０ 承 都是 汽 车 制 造 中使 用 的 一 种 重 要零 件 。在 日本 ，２ ０ 年 生 产 的 ０６ ７ ６ ｔ 结 金属 含油 轴承 中 ，用于 ９４烧
０４ ％，１ ８ 年 为０６ ％，而 １ ９ ．２ ９７ ．１ ９７
图２ 粉末冶金零件产量与生产成本的关系
（）粉末冶 金零件的材料密度是可控 的 一般而言 ，粉末冶金零件的 ３ 材料 密度 因用途而异 。例如 ，烧结金 属含油轴承 的材料密 度比组成 相同的 熔铸材料低 ２％～２％，而粉末冶 金结构零件低 １％～１％，即使像 粉锻连 ０ ５ ０ ５ 杆 ，其材料 密度 虽 已达到不 小于７ ９／ ． ｇｃ ，但 由于结构 的某些改变 ，重量 ７ ｍ 仍 比锤锻钢连杆减低 了１％ 因此 ，粉末冶金零件的大 量采用有利于汽车整 ０
第6章粉末锻造
• 多孔预成形坯的变形和致密的三种基本方式： – 单轴压缩 – 平面应变压缩 – 复压
粉末锻造过程的塑性理论－－单轴压缩
• 单轴压缩
d (1 1.92 )
d1
d (1 2 )
d1
(1
d )(1
)
d1
dD D(1 D2 )
• 目的：粉末预成形坯锻造成致密的零件。
• 粉末锻造的基本工艺过程：
• 技术关键问题： – 粉末原料的选择 – 预成形坯的设计 – 锻模的设计和使用寿命 – 锻造工艺条件 – 热处理
• 粉末锻造方法 – 粉末冷锻 – 锻造烧结 – 烧结锻造 – 粉末锻造
粉末锻造设备
粉末锻造产品
粉末锻造过程的塑性理论
• 预变形坯设计
粉末锻造过程的断裂
粉末锻造过程的变形机构
• 塑性变形和致密化的微观机构： – 孔隙变形 – 晶体塑性变形 – 颗粒间位移和变形
小结
教学要求： 1、 粉末锻造工艺 2、 粉末锻造过程的塑性理论 3、 粉末锻造过程的断裂 4、粉末锻造过程的变形机构
教学的重点：粉末锻造工艺。
第6章 粉末锻造
▪ 粉末锻造工艺 ▪ 粉末锻造过程的塑性理论 ▪ 粉末锻造过程的断裂 ▪ 粉末锻造过程的变形机构
教学要求、重点与难点
教学要求： 1、 粉末锻造工艺 2、 粉末锻造过程的塑性理论 3、 粉末锻造过程的断裂 4、 粉末锻造过程的变形机构
教学的重点：粉末锻造工艺。
粉末锻造工艺
• 粉末锻造（Powder Forging） ：将烧结的预成形坯件，加热后在闭式模中锻 造成零件的工艺，是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺。
浅谈铝合金锻造生产工艺
浅谈铝合金锻造生产工艺摘要：当前，各工业行业中均需要大量的机械零件毛坯，这些零件毛坯生产的主要方式为锻造生产。
工业企业对于铝合金的使用量相对较多，是一种普遍使用的金属材料，据统计，使用量位居有色金属材料第二位，仅低于钢铁。
铝合金锻造生产在动力能源企业、航空航天企业应用普遍，在促进国民经济发展中发挥着较为重要的作用。
铝合金材料经过锻压后能够改变其金属组织结构，这样可以在很大程度上提升铝合金材料的性能，各个工业企业需求的铝合金零部件可以通过对铝合金坯料进行合理的锻压，这样使铝合金材料实现有效的塑形流动，可以为工业企业提供需要的部件。
关键词：铝合金、锻造、生产工艺作为一个较为传统的锻造生产，其具有能够改善材料内部的组织、能够改变材料的形状的优势，这样不但可以提高材料的力学性能还能够得到工业企业所使用的零部件。
铝合金材料的相关性能相对来说比较优异，在电力、汽车、船舶、建筑等各个领域能够得到较为普遍的使用，能够助推各个领域的发展。
因此，在一些要求力学性能较高和需要较大承受能力的设备零部件均需要采用铝合金锻造技术进行生产制造。
通过查阅相关资料得知，铝合金锻造件在飞机中的所使用的重量能够达到百分之七十七左右，在坦克中能够达到百分之六十八左右，在汽车中的重视占比能够达到百分之七十六左右，因此铝合金锻造件在机械制造中地位非常重要，对于工业企业的发展具有很大的推动作用。
一、铝合金锻造生产工艺的主要流程与典型特点分析（一）铝合金锻造生产主要流程分析锻造生产是工业企业中不可或缺的工作，具有非常重要的位置，铝合金材料也是锻造中普遍使用的金属材料，所有可以使用低碳钢锻造出的零部件，均能够采用铝合金材料进行锻造生产，因此铝合金锻造生产在锻造产业中分量较大。
目前，使用铝合金锻造出来的零件大部分是安全件且都是批量生产，这样就需要大量的质量要求较高的铝合金材料。
通过分析得到，铝合金锻造生产的主要流程主要是先进性对铝合金金属材料的熔炼，然后在进行相应的铸造工序，其次在进行材料的挤压和锻造，最后还要进行热处理和相应的加些加工。
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粉末锻造
粉末锻造是指以金属粉末为原料，经过冷压成形，烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻，或直接由粉末热等静压及后续处理等工序制成所需形状的精密锻件，将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺，兼有两者的优点,可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点，使粉末锻件的物理力学性能达到甚至超过普通锻件的水平。
同时，又保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量消耗少等特点。
典型的粉末锻造工艺流程如图1所示。
图1 典型的粉末锻造工艺流程
1 粉末锻造优点
粉末锻造的毛坯为烧结体或挤压坯，或经热等静压的毛坯。
与采用普通钢坯锻造相比，粉末锻造的优点如下：
提高了材料利用率。
锻压是采用闭合模锻，锻件没有飞边，无材料耗损，最终机械加工余量小，从粉末原材料到成品零件，总的材料利用率可达90%以上。
可以锻造一般认为不可锻造的金属或合金，如难变形的高温铸造合金通过粉末锻造制成形状复杂的制品。
容易获得形状复杂的锻件。
粉末锻造预制坯采用少无氧化保护加热，锻后精度和粗糙度可达到精密模锻和精铸的水平。
可采用最佳预制坯形状，以便最终成形形状复杂的锻件。
有利于提高锻件力学性能。
由于粉末颗粒都是由微量液体金属快速冷凝而成，而且金属液滴的成分与母合金几乎完全相同，偏析就被限制在粉末颗粒的尺寸之内。
因此可克服普通金属材料中的铸造偏析及晶粒粗大不均等缺陷，使材质均匀无各向异性，有利于提高锻件力学性能。
但当粉末锻件中残留有一定量的孔隙和夹杂时，将使锻件的塑性和韧性降低。
锻件成本低，生产率高，容易实现自动化。
粉末锻件的原材料费用及锻造费用和一般模锻差不多，但和一般模锻件相比，尺寸精度高、表面粗糙度低，可少加工或不加工，从而节省大量工时。
对形状复杂批量大的小零件，如齿轮、花键轴套、连杆等难加工件，节约效果尤其明显。
由于金属粉末合金化容易，因此有可能根据产品的服役条件和性能要求，设计和制备原材料，从而改变传统的锻压加工都是“来料加工”模式，有利于实现产品、工艺、材料的一体化。
2 分类
按照温度不同，粉末锻造可以分为冷锻和热锻两类。
粉末冷锻是指粉末预成形烧结后冷锻。
粉末热锻包括粉末锻造、烧结锻造、锻造烧结三种。
与烧结锻造不同，粉末锻造采用预合金粉，预成形坯成形后直接加热锻造成形。
由于该方法比烧结锻造减少了二次加热工序，可节省能源15%左右。
因此由烧结锻造向直接加热锻造或烧结后直接锻造方向发展是总的趋势。
3 金属粉末的选择及制取
粉末锻造工艺应用于制造力学性能高于传统粉末冶金制品的结构零件。
因此广泛选择预合金雾化钢粉作为预成形坯的原料。
最普通的成分是含Ni和Mo两合金元素，例如，含Ni0.4%和Mo0.6%或含Ni2%和Mo0.5%。
这种成分的优点是含少量氧化倾向的合金元素，特别是美国4600(Ni2%，Mo0.5%)只含有Mn0.2%-0.3%和含量小于0.1%的Cr，氧化倾向小，但价格较贵并缺乏足够的淬透性，因此不适于要求高强度和高韧性等综合性能好的零件。
为了提高粉末锻件的淬透性，一般采取在含Ni0.4%和Mo0.6%的预合金雾化钢粉和石墨的混合粉中加入铜。
加入2.1%以下的铜，经压制、烧结锻造后，锻件表现出比无铜时具有更高的淬透性。
粉末锻造用原材料粉末的制取方法主要有还原法、雾化法，这些方法被广泛用于大批量生产。
适应性最强的方法是雾化法，因为它易于制取合金粉末，而且能很好地控制粉末性能。
其它如机械粉碎法和电解法基本上用于小批量生产特殊材料粉末。
近年来，快速冷凝技术及机械合金化技术被用来制取一些具有特异性能、用常规方法难以制备的合金粉末，并逐渐在粉末锻造领域应用。
粉末锻造之所以有如此大的发展，是由于现在可以生产新的、高质量的、低成本的粉末。
4 后续处理和加工
锻造时由于保压时间短，坯料内部孔隙虽被锻合，但其中有一部分还未能充分扩散结合，可经过退火、再次烧结或热等静压处理，以便充分扩散结合。
粉末锻件可同普通锻件一样进行各种热处理。
粉末锻件为保证装配精度，有时还须进行少量的机械加工。
5 应用
粉末锻造多用于各种钢粉制件。
目前所用的钢种有几十种，从普通碳钢到多种低合金钢，以至不锈钢、耐热钢、超高强度钢等高合金钢和高速工具钢。
有色金属粉末锻造不如钢粉末锻造那样应用广泛和成熟。
在航空工业中主要是高温合金、钛合金和铝合金的粉末锻造。
表1给出了适于粉末锻造工艺生产的汽车零件。
其中齿轮和连杆是最能发挥粉末锻造优点的两大类零件。
这两大类零件均要求有良好的动平衡性能，要求零件有均匀的材质分布，这正是粉末锻造特有的优点。
表1 适用于粉末锻造工艺生产的汽车零件。