粉末压制和常用复合材料成形

第9章　粉末压制和常用复合材料成形

★本章知识框架

★本章学习目标与要求

①掌握粉末压制的成形原理；

②熟悉粉末压制的成形工艺过程；

③熟悉常见粉末压制产品及其应用；

④了解粉末压制品的结构技术特征；

⑤了解陶瓷的分类及制品的成形过程；

⑥了解纤维复合材料的成形方法。

9.1　粉末压制成形理论基础

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）做原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的材料、零件或产品的成形方法。随着全球工业化的蓬勃发展，粉末冶金行业发展迅速，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航天、航空、核能等领域。

粉末压制的特点如下。

（1）能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。既能制取难熔、极硬和特殊性能的材料，（如:钨丝、硬质合金、磁性材料、高温耐热材料等）；又能生产净形和近似净形加工的优质机械零件（如多孔含油轴承、精密齿轮、摆线泵内外转子、活塞环等）。

（2）材料的利用率很高，接近100%。

（3）虽然用其他方法也可以制造，但用粉末冶金法更为经济。

（4）一般说来，金属粉末的价格较高，粉末冶金的设备和模具投资较大，零件几何形状受一定限制，因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。

9.1.1　金属粉末的制取及其特性

1.金属粉末的制备方法

从金属粉末的制取的过程实质来看，现有的制粉方法大体上可归纳为两大类:即机械法（如机械破碎法，研磨法等）和物理化学法（如还原法、雾化法和电解法等）。从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法，但随着科技的发展，越来越多的新技术在粉末的制备过程中正起着越来越重要的作用。

1）矿物还原法制取粉末

矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。

例如，在铁粉生产中，将纯洁的干燥铁矿石与煤粉、焦炭、砾石、白垩一起装在密封的桶里，在1　200℃加热90h铁矿石被还原后得到海绵状铁块，经粉碎磨细置于氢气氛中热处理，使氧化物进一步还原，并使铁粉微粒退火。这种铁粉中含有从矿石中带来的杂质，且单个的颗粒含有许多内部微孔，密合这些内部微孔需极高的压力，故这种铁粉不适于压制高密度产品。根据生产条件的不同，颗粒的内部微孔的多少和大小也在变化，且形状一般也不规则。

矿物还原法主要适用于铁粉生产，铁粉纯度直接与铁矿石的纯度有关。除铁粉外，用矿物还原法还能生产钴、钼、钙等粉末。例如，难熔的金属化合物粉末如碳化物、硼化物、硅化物粉末，是通过金属氧化物粉末与碳、硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的方法而获得的。碳化物粉的制取，可采用碳黑粉直接还原金属氧化物，其反应如下。

MO、MC泛指金属氧化物、金属碳化物，有

MO＋2C→MC＋CO↑

这种还原过程所需温度比较高。如制取碳化钨粉时为1　400～1　600℃，通常在碳管炉中进行，反应过程中可通过氢气或在真空中进行。

2）电解法

电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。

电解法生产的金属品种多，纯度高，粉末颗粒显树枝状或针状，其压制性和烧结性都较好。

3）雾化法制取粉末

雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流（空气或惰性气体）、水蒸气或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到金属粉末。示意图如图9－1所示。

图9－1　典型雾化法示意图

1—金属液；2—保温容器；

3—雾化器；4—高压气体或水；

5—雾化金属粉末；6—雾化塔

雾化法制粉是在液态下进行的，这样就为材料选择与合金化提供了很大的灵活性。粉末的纯度直接与原材料及熔化、精炼的过程有关。根据过程参数不同，粉末颗粒的形状及大小可在较宽的范围内变化。如气体雾化将得到较大的球状颗粒；而水雾化则得到没有内部微孔的细小而不规则颗粒。

由于雾化法制得的粉末纯度较高，又可合金化，粉末有其特点，且产量高、成本较低，故其应用发展很快。可用来生产铁、铅、铝、锌、铜及其合金等的粉末。

4）机械粉碎法

机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末（如经过氢化处理变脆的钛粉）。

对于软金属料，可采用旋涡研磨法，即通过螺旋桨的作用产生旋涡高速气流，使金属颗粒自行相互撞击而磨碎。

2.制备方法应用

一些重要的金属粉末生产方法如表9－1所示，表中各元素的先后顺序是按其在工业上应用的广泛程度排列的。

表9－1　一些重要的金属粉末生产方法

3.制备方法的发展趋势

粉末冶金材料和制品不断增多，质量不断提高，要求提供的粉末的种类也越来越多。为了满足对粉末的各种要求，出现了各种各样生产粉末的新方法。

1）机械合金化法

机械合金化（mechanical　alloying，MA）是由Benjamin等提出的一种制备合金粉末的高能球磨技术。它是在高能球磨条件下，利用金属粉末混合物的反复变形、断裂、焊合、原子间相互扩散或发生固态反应形成合金粉末。机械合金化是在固态下实现合金化，不经过气相、液相，不受物质的蒸汽压、熔点等物理特性因素的制约，使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化和远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质的合成成为可能，因此机械合金化的理论和应用方面的研究均显示出十分诱人的前景。MA法最初主要用于制备氧化物弥散强化镍基合金。迄今为止，MA法技术已广泛用于研制和开发各种弥散强化材料、高温材料、储氢材料、超导材料、过饱和固溶体、非晶、纳米晶、准晶、难熔金属化合物、稀土硬磁合金等新材料。目前，MA是一种制备纳米晶金属粉末的重要方法。

2）喷雾干燥法

喷雾干燥（spray　drying）是指用雾化器将一定浓度的原料液喷射成雾状液滴，并用热空气（或其他气体）与雾滴直接接触的方式使之迅速干燥，从而获得粉粒状产品的一种粉末制备过程。一般喷雾干燥过程包括四个阶段:①料液雾化；②雾滴与热干燥介质接触混合；③雾滴的蒸发干燥；④干燥产品与干燥介质分离。制备的粉末可以根据需要，成粉状、颗粒状、空心球状或团粒状等。原料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等用泵可以输送的液体。采用喷雾干燥可以制备出质量均一、重复性良好的粉料，并且缩短粉料的制备过程，有利于自动化、连续化生产，是大规模制备优良超微粉的有效方法。

4.金属粉末的特性

金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程，烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。

影响金属粉末的基本性能因素包括:成分、粒径分布、颗粒形状和大小及技术特征等。

（1）成分　粉末的成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于98%～99%，完全可以满足烧结机械零件等的要求，但在制造高性能粉末冶金材料或制品时，需要使用纯度更高的粉末。

金属粉末中最常存在的夹杂物是氧化物。氧化物使金属粉末的压缩性变坏，增大压模的磨损。有时，少量的易还原金属氧化物有利于金属粉末的烧结。

由于金属粉末的表面积大、体积小，在金属粉末颗粒表面吸附有大量气体。在金属粉末制取过程中还会有不少的气体溶解其中。金属粉末中含有的主要气体是氧、氢、一氧化碳及氮，这些气体使金属粉末脆性增大和压制性变坏，特别是使一些难熔金属与化合物（如Ti、Zr、Cr、碳化物、硼化物、硅化物等）的塑性变坏。加热时，气体强烈析出，可能会影响压坯在烧结时的正常收缩。因此，对一些金属粉末往往要进行真空脱气处理。

（2）颗粒形状和大小　颗粒形状是影响粉末工艺性能（如松装密度、流动性等）的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。

颗粒大小常用粒度表示。工业上制造的粉末粒度通常在0.1～500μm，150μm以上的定为粗粉，40～150μm的定为中等粉，10～40μm的定为细粉，0.5～10μm的定为极细粉，0.5μm以下的定为超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围，各种筛号表示每平方英寸筛网上的网孔数。筛子的筛号与网孔大小的对应关系如表9－2。

表9－2　筛号与网孔大小的对应关系

例如，一批粉末通过了200目筛，而未能通过250目筛，则其中颗粒大小的范围是61～74μm，一般用－200＋250目来表示。如要较精确地测量粉粒大小，可用显微镜法、沉降分析法等。

粉粒大小直接影响粉末冶金制品的性能，尤其对硬质合金、陶瓷材料等，要求粉粒越细越好。但制取细粉比较困难，经济性亦差。

（3）粒度分布　指大小不同的粉粒级别的相对含量，也称粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。

（4）工艺性能　粉末的成形工艺性能主要有以下几点。

①松装密度　松装密度又称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。由粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。例如，还原铁粉的松装密度一般为2.3～3.0 g/cm³，若采用松装密度为2.3g/cm³的还原铁粉压制密度为6.9g/cm³的压坯，则压缩比（粉末的充填高度与压坯高度之比）为6.9∶2.3＝3∶1，即若压坯高度为1cm时，模腔深度须大于3cm才行。

②流动性　它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间越短，流动性越好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。

③压制性　粉末的压制性包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度，通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质，使其具有一定的强度，且便于生产过程中的运输，粉末需有良好的成形性。成形性与粉末的物理性质有关，还受到粒度、粒形与粒度组成的影响。为了改善成形性，常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌、石蜡、橡胶等。通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标。

9.1.2　粉末压制成形原理及工艺过程

1.粉末压制成形原理

粉末即颗粒状材料，其在物理特征上呈松散状，就像人们常说的“一盘散沙”，但若采用一定的方法（如粉末与黏结剂配混、加压加热等）使其连接成坚固的“整体”，则可被人们所使用。

由于粉末兼有液体和固体的双重特性，即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性，人们正是利用这些特性来实现粉末的成形，以获得所需的产品。

粉末成形原理就是将混合粉料装入预先制作好的“容器”内腔中，通过压制、烧结（固结）定形后取出，得到所需的制品，即粉末压制固结成形。如建筑业中浇灌混凝土，就是典型的颗粒态材料成形例子，对应技术即混凝土制备技术。可见，实现颗粒态材料成形的基本条件:①要有合理的混合粉料；②准备好成形的“型腔”；③“型腔”中混合粉料固结定形。

机械制造业中实现颗粒态材料的“粉末固结成形”原理的方法或技术称为粉末压制或粉末冶金。目前，粉末冶金已成为新材料科学和技术中最具有发展活力的领域之一。

2.粉末压制成形工艺过程

粉末压制（冶金）生产工艺流程如图9－2所示。

1）粉末配混

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（如润滑剂等）进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。

图9－2　粉末压制（冶金）生产工艺流程

添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征。如加入润滑剂（如硬脂酸锌，质量比为0.25%～1%）可改善混合粉的流动性，增加可压制性。压制后，在烧结前用加热方法将润滑剂（如硬脂酸锌在375～425℃的热空气中）排除。

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。

2）压制成形

粉末的压制成形是主要且基本的工序。它的过程包括称粉、装粉、压制、保压及压坯脱模等。

压制成形的方法有很多，如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的方法如下。

图9－3　双向压制示意图

（1）钢模压制　它是指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压（压力常在150～160 MPa）将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多最广泛。图9－3所示为双向压制示意图。

（2）流体等静压制　它是利用高压流体（液体或气体）同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。其示意图见图9－4所示。

（3）三向压制　它综合了单向钢模压制与等静压制的特点。这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯密度和强度。但它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等，如图9－5所示。另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品，如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同，可选择不同的加热及加工顺序。目前，这个生产领域发展较快。

通常，一个理想的零件，其各个部位都必须具有均匀的密度分配。在粉末冶金中，压制成形的主要问题是如何使成形的压坯密度均匀，它不仅标志着压制对粉末密实的有效程度，且可决定随后烧结时材料的形状。图9－6所示为软、硬两种粉末在压制中压力与密度的关系。

一个粉末冶金产品是以密度、强度、精度来表示的。工业中约90%的粉末零件的密度在5.7～6.8g/cm³之间。然而近年来密度在7.0～7.2g/cm³的零件的用量不断增加，这些零件具有出色的力学性能。一般说来，压坯密度随压制压力增高而增大，这是因为压制压力促使颗粒移动、变形及破裂；压坯密度随粉末的粒度或松装密度增大而增大；粉末颗粒的硬度和强度减小时，有利于颗粒变形，从而促使压坯密度增大；减低压制速度时，有利于粉末颗粒移动，从而促使压坯密度增大。过分提高压力对密度的影响很小，但会降低模具寿命，引起压坯在烧结过程中因内应力大而产生裂纹。

图9－4　等静压制示意图

1—工件；2—橡胶或塑料模；

3—高压容器；4—高压泵

图9－5　三向压制示意图

1—侧向压力；2—轴向冲头；3—放气孔

图9－6　压力与密度之间的关系

1—软质材料粉末；

2—硬质材料粉末

压坯的强度是一个比较重要的品质指标。在压制过程中，随着压力增大，压坯强度也提高，这主要是因为一方面粉末接触表面的塑性变形导致的原子间作用力增大；另一方面，是粉粒表面凹凸不平而产生的机械啮合力的结果。

压坯的密度和强度大小对烧结体的品质有直接的影响，密度大，强度高，烧结体的品质也好。另外，坚固的压坯便于生产过程中的运输和半成品加工。对于某些硬质材料的粉粒，因塑性变形能力差，压制中即使增大压力也产生不了很大效果。故生产中常靠加入润滑剂（又称成形剂）来增加压制时粉末间的黏结与压坯的强度。凡影响成形性的因素都将影响压坯的密度和强度。

3）压坯烧结

烧结是粉末压制技术的关键性过程之一，只有通过正确的烧结，制品才能获得所要求的力学与物理性能。在烧结过程中，通过高温加热发生粉粒之间原子扩散等过程，使压坯中粉粒的接触面结合起来，成为坚实的整块。烧结过程在专用的烧结炉中进行，主要技术参数为烧结温度、保温时间与炉内气氛。

由于粉末冶金制品组成成分与配方的不同，烧结过程可分固相烧结或是液相烧结（如硬质合金、金属陶瓷等特殊产品的烧结）。所谓固相烧结是指粉粒在高温下仍然保持固态，采用的烧结温度为

液相烧结的烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点，高温下出现固、液相共存状态，烧结体将更为致密坚实，进一步保证了烧结体品质。实际上在烧结温度下并不允许液相处于完全自由流动状态。如钨钴硬质合金的烧结温度随钴含量不同在1　380～1　490℃之间。正确地控制烧结温度对制品性能有极为重要的影响，通常较高的烧结温度可促使粉粒间原子扩散易于进行，从而使烧结体的硬度和强度升高。

烧结保温时间也影响制品品质。由于保温时间与设备情况和装炉量有关，一般小件保温时间短，大件保温时间长；当出现液相烧结时，若液相相对量较大，则往往采用下限烧结温度而延长保温时间，以防烧结时液相从表面渗出。

粉末压坯一般因孔隙度大，表面积大，在烧结中高温长时间加热下，粉粒表面容易发生氧化，造成废品。因此，烧结必须在真空或保护气氛中进行，若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。如，硬质合金和某些磁性材料采用真空或氢气；铁、铜制品往往采用发生炉煤气与分解氨。

为了解并控制烧结品质，下面介绍在烧结过程中可能发生的一些问题，以助工程技术人员鉴别产生的原因。

（1）翘曲　翘曲是常见的问题，在零件使用前能察看出来。翘曲会提高废品率。翘曲一般是由于烧结时没有支撑好压坯，或压坯体中的密度分布不均（波动）造成的。前者可用调整压坯在炉中的方位或用匣钵（一般用耐火材料制成）托住压坯，予以校正，使压坯在烧结时不发生变形。后者只能在零件的结构设计和在引起密度分布不均匀性的前道工序中予以解决。

（2）过烧　过烧是烧结中另一种常见的问题。它会引起翘曲、压坯胀大或压坯内部晶粒成长过大。前两项一般易被直接发现，晶粒成长过大只能在显微镜下观察。这类问题主要是因烧结温度过高或保温时间过长引起的。

（3）分解反应及多晶转变粉末压制品的组成往往是较复杂的，在烧结过程中或随后的冷却中，因种种原因（有化学的、物理的、物理化学的等），可能出现不正常组成或不均匀现象，导致削弱或降低粉末压制品的某项或某些性能。这类问题在粉末压制品中不常出现，要用现代的检测方法（如X射线衍射分析、电子显微分析等）才能观测到。

（4）黏结剂烧掉　该问题往往出现在加入有机化合物的粉末压制品中。在烧结过程中如果时间、温度、气氛参数控制不当，有机化合物烧掉后会留下碳在制品内。如碳含量过大会影响制品的性能。

4）烧结后的其他处理或加工

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（又称熔渗）　把低熔点金属或合金渗入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。此法也可用于烧结体的补充处理。当金属组元液态互不相溶时，采用渗透法通过毛细管作用也可形成合金。渗透法获得的制品密度高，组织均匀细致，制品的强度一般、塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加，但此过程费用较贵，时间较长。

（2）复压　将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次，称为复压。复压可起一定的校形作用。

（3）粉末金属锻造　它是以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。

（4）精压　对于某些制品，为了严格保证其尺寸精度，及进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序，该工序称为精压。

粉末制品经过再加压后其孔隙度可接近于零，达到计算密度的98%以上。例如，碳的质量分数为0.4%的雾化碳钢粉制品烧结后密度为6.6g/cm³、抗拉强度为l61MPa、伸长率为1.8%。烧结后热锻，其密度为7.67g/cm³、抗拉强度为515 MPa、伸长率为25%。可见，热锻后效果显著。烧结后冷镦可提高制品的尺寸精度和表面品质。除铁粉制品外，其他如铝粉制品、工具材料及耐热材料等也广泛采用粉末锻造过程制成齿轮、凸轮、连杆及各种工具，可显著提高使用寿命。

（5）其他后续处理　粉末冶金制品有一些后续工序，如含油轴承的浸油处理，以及机械加工、喷砂处理，须进行一些必要的热处理等。

3.粉末压制成形工艺选择

根据产品技术要求，金属粉末制品的生产可选择下述工艺:

①压制＋烧结；

②压制＋烧结＋复压；

③压制＋预烧结＋精压＋烧结；

④压制＋预烧结＋精压＋烧结＋复压。

通常情况下:①类工艺过程的应用约占80%；②类工艺过程的应用也不少；而较复杂的③类和④类工艺过程仅用于某些特殊制品。近年来，由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发，有时用一次压制就可获得较高强度的制品。

对于制品的尺寸精度，一般情况下可认为:

（1）压制＋烧结　可达到的精度相当于切削加工中的车削、铣削、刨削、钻削等（轴向～0.005mm/mm，径向～0.002mm/mm）；

（2）压制＋烧结＋复压（压制＋预烧结＋精压＋烧结）　可达到的精度相当于磨削（轴向～0.003mm/mm，径向～0.001mm/mm）；

（3）表面粗糙度一般在10～15μm范围内，但通过校形或精压可减至1～4μm。