粉末冶金是制取金屬粉末并通過成形和燒結(jié)等工藝將金屬粉末或與非金屬粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料，又可制造各種精密的機(jī)械零件，省工省料。但其模具和金屬粉末成本較高，批量小或制品尺寸過大時(shí)不宜采用。粉末冶金材料和工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比，具有以下特點(diǎn)：
1．粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行的，因此可以獲得熔點(diǎn)、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多項(xiàng)不均質(zhì)的特殊功能復(fù)合材料和制品。
2．提高材料性能。用特殊方法制取的細(xì)小金屬或合金粉末，凝固速度極快、晶粒細(xì)小均勻，保證了材料的組織均勻，性能穩(wěn)定，以及良好的冷、熱加工性能，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強(qiáng)化相含量，從而發(fā)展新的材料體系。
3．利用各種成形工藝，可以將粉末原料直接成形為少余量、無余量的毛坯或凈形零件，大量減少機(jī)加工量。提高材料利用率，降低成本。
粉末冶金的品種繁多，主要有：鎢等難熔金屬及合金制品；用Co、Ni等作粘結(jié)劑的碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）等硬質(zhì)合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的鉆頭、車刀、銑刀，還可制造模具等；Cu合金、不銹鋼及Ni等多孔材料，用于制造燒結(jié)含油軸承、燒結(jié)金屬過濾器及紡織環(huán)等。隨著粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，粉末冶金及其制品將在更加廣泛的應(yīng)用。
1 粉末冶金基礎(chǔ)知識(shí)
⒈1 粉末的化學(xué)成分及性能
尺寸小于1mm的離散顆粒的集合體通常稱為粉末，其計(jì)量單位一般是以微米（μm）或納米（nm）。
1.粉末的化學(xué)成分
常用的金屬粉末有鐵、銅、鋁等及其合金的粉末，要求其雜質(zhì)和氣體含量不超過1%～2%，否則會(huì)影響制品的質(zhì)量。
2.粉末的物理性能
⑴ 粒度及粒度分布
粉料中能分開并獨(dú)立存在的最小實(shí)體為單顆粒。實(shí)際的粉末往往是團(tuán)聚了的顆粒，即二次顆粒。實(shí)際的粉末顆粒體中不同尺寸所占的百分比即為粒度分布。 ⑵ 顆粒形狀
即粉末顆粒的外觀幾何形狀。常見的有球狀、柱狀、針狀、板狀和片狀等，可以通過顯微鏡的觀察確定。
⑶ 比表面積
即單位質(zhì)量粉末的總表面積，可通過實(shí)際測(cè)定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。
3.粉末的工藝性能
粉末的工藝性能包括流動(dòng)性、填充特性、壓縮性及成形性等。
⑴ 填充特性
指在沒有外界條件下，粉末自由堆積時(shí)的松緊程度。常以松裝密度或堆積密度表示。粉末的填充特性與顆粒的大小、形狀及表面性質(zhì)有關(guān)。
⑵ 流動(dòng)性
指粉末的流動(dòng)能力，常用50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)漏斗流出所需的時(shí)間表示。流動(dòng)性受顆粒粘附作用的影響。
⑶ 壓縮性
表示粉末在壓制過程中被壓緊的能力，用規(guī)定的單位壓力下所達(dá)到的壓坯密度表示，在標(biāo)準(zhǔn)模具中,規(guī)定的潤(rùn)滑條件下測(cè)定。影響粉末壓縮性的因素有顆粒的塑性或顯微硬度，塑性金屬粉末比硬、脆材料的壓縮性好；顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)也影響粉末的壓縮性。
⑷ 成形性 指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末能夠成形的最小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強(qiáng)度來衡量。成形性受顆粒形狀和結(jié)構(gòu)的影響。
1.2 粉末冶金的機(jī)理
1、壓制的機(jī)理
壓制就是在外力作用下，將模具或其它容器中的粉末緊密壓實(shí)成預(yù)定形狀和尺寸壓坯的工藝過程。鋼模冷壓成形過程如圖7.1.2所示。粉末裝入陰模,通過上下模沖對(duì)其施壓。在壓縮過程中，隨著粉末的移動(dòng)和變形，較大的空隙被填充，顆粒表面的氧化膜破碎，顆粒間接觸面積增大，使原子間產(chǎn)生吸引力且顆粒間的機(jī)械楔合作用增強(qiáng)，從而形成具有一定密度和強(qiáng)度的壓坯。
2、等靜壓制
壓力直接作用在粉末體或彈性模套上，使粉末體在同一時(shí)間內(nèi)各個(gè)方向上均衡受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯的過程。按其特性分為冷等靜壓制和熱等靜壓制兩大類。
⑴ 冷等靜壓制
即在室溫下等靜壓制，液體為壓力傳遞媒介。將粉末體裝入彈性模具內(nèi)，置于鋼體密封容器內(nèi)，用高壓泵將液體壓入容器，利用液體均勻傳遞壓力的特性，使彈性模具內(nèi)的粉末體均勻受壓。因此，冷等靜壓制壓坯密度高，較均勻，力學(xué)性能較好，尺寸大且形狀復(fù)雜，已用于棒材、管材和大型制品的生產(chǎn)。
⑵ 熱等靜壓制
把粉末壓坯或裝入特制容器內(nèi)的粉末體置入熱等靜壓機(jī)高壓容器中，施以高溫和高壓，使這些粉末體被壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程。在高溫下的等靜壓制，可以激活擴(kuò)散和蠕變現(xiàn)象的發(fā)生，促進(jìn)粉末的原子擴(kuò)散和再結(jié)晶及以極緩慢的速率進(jìn)行塑性變形，氣體為壓力傳遞媒介。粉末體在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時(shí)間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用，強(qiáng)化了壓制與燒結(jié)過程，制品的壓制壓力和燒結(jié)溫度均低于冷等靜壓制，制品的致密度和強(qiáng)度高，且均勻一致，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能高，消除了材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，形狀和尺寸不受限制。但熱等靜壓機(jī)價(jià)格高，投資大。熱等靜壓制已用于粉末高速鋼、難熔金屬、高溫合金和金屬陶瓷等制品的生產(chǎn)。
3、粉末軋制
將粉末通過漏斗喂入一對(duì)旋轉(zhuǎn)軋輥之間使其壓實(shí)成連續(xù)帶坯的方法。將金屬粉末通過一個(gè)特制的漏斗喂入轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥縫中，可軋出具有一定厚度、長(zhǎng)度連續(xù)、強(qiáng)度適宜的板帶坯料。這些坯體經(jīng)預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)，再軋制加工及熱處理等工序，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板帶材。粉末軋制制品的密度比較高，制品的長(zhǎng)度原則上不受限制，軋制制品的厚度和寬度會(huì)受到軋輥的限制；成材率高為80%～90%，熔鑄軋制的僅為60%或更低。粉末軋制適用于生產(chǎn)多孔材料、摩擦材料、復(fù)合材料和硬質(zhì)合金等的板材及帶材。
4、粉漿澆注
是金屬粉末在不施加外力的情況下成形的，即將粉末加水或其它液體及懸浮劑調(diào)制成粉漿，再注入石膏模內(nèi)，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的懸浮劑有聚乙烯醇、甘油、藻骯酸鈉等，作用是防止成形顆粒聚集，改善潤(rùn)濕條件。為保證形成穩(wěn)定的膠態(tài)懸浮液，顆粒尺寸不大于5μm～10μm，粉末在懸浮液中的質(zhì)量含量為40%～70%。粉漿成形工藝參見本書6.2.2。
5、擠壓成形
將置于擠壓筒內(nèi)的粉末、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的模孔壓出。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良的制品和材料。擠壓成形設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，可獲得長(zhǎng)度方向密度均勻的制品。 擠壓成形能擠壓出壁很薄直經(jīng)很小的微形小管，如厚度僅0.01mm，直徑1mm的粉末冶金制品；可擠壓形狀復(fù)雜、物理力學(xué)性能優(yōu)良的致密粉末材料，如燒結(jié)鋁合金及高溫合金。擠壓制品的橫向密度均勻，生產(chǎn)連續(xù)性高，因此，多用于截面較簡(jiǎn)單的條、棒和螺旋形條、棒（如麻花鉆等）。
6、松裝燒結(jié)成形
粉末未經(jīng)壓制而直接進(jìn)行燒結(jié)，如將粉末裝入模具中振實(shí)，再連同模具一起入爐燒結(jié)成形，用于多孔材料的生產(chǎn)；或?qū)⒎勰┚鶆蛩裳b于芯板上，再連同芯板一起入爐燒結(jié)成形，再經(jīng)復(fù)壓或軋制達(dá)到所需密度，用于制動(dòng)摩擦片及雙金屬材料的生產(chǎn)。
將置于擠壓筒內(nèi)的粉末、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的模孔壓出。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良的制品和材料。擠壓成形設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，可獲得長(zhǎng)度方向密度均勻的制品。
7、爆炸成形
借助于爆炸波的高能量使粉末固結(jié)的成形方法。爆炸成形的特點(diǎn)是爆炸時(shí)產(chǎn)生壓力很高，施于粉末體上的壓力速度極快。如炸藥爆炸后，在幾微秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖擊壓力可達(dá)106MPa（相當(dāng)于107個(gè)大氣壓），比壓力機(jī)上壓制粉末的單位壓力要高幾百倍至幾千倍。爆炸成形壓制壓坯的相對(duì)密度極高，強(qiáng)度極佳。如用炸藥爆炸壓制電解鐵粉，壓坯的密度接近純鐵體的理論密度值。
爆炸成形可加工普通壓制和燒結(jié)工藝難以成形的材料，如難熔金屬、高合金材料等，還可壓制普通壓力無法壓制的大型壓坯。
除上述方法外，還有注射成形及熱等靜壓制新技術(shù)等新的成形方法。
2.燒結(jié)的機(jī)理
燒結(jié)是粉末或壓坯在低于其主要組分熔點(diǎn)溫度以下的熱處理過程，目的是通過顆粒間的冶金結(jié)合以提高其強(qiáng)度。隨著溫度升高，粉末或壓坯中產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)變化：水和有機(jī)物的蒸發(fā)或揮發(fā)、吸附氣體的排除、應(yīng)力消除以及粉末顆粒表面氧化物的還原等，接著粉末表層原子間的相互擴(kuò)散和塑性流動(dòng)。隨著顆粒間接觸面的增大，會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，有時(shí)出現(xiàn)固相的熔化和重結(jié)晶。以上各過程常常會(huì)相互重疊，相互影響，使燒結(jié)過程變得十分復(fù)雜。
2 粉末冶金工藝
2.1 粉末制備
金屬粉末的制備方法分為兩大類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。還有新研制的機(jī)械合金化法，汞齊法、蒸發(fā)法、超聲粉碎法等超微粉末制造技術(shù)。制備方法決定著粉末的顆粒大小、形狀、松裝密度、化學(xué)成分、壓制性、燒結(jié)性等。
2.2粉末的預(yù)處理
粉末的預(yù)處理包括粉末退火、分級(jí)、混合、制粒、加潤(rùn)滑劑等。
1. 退火
粉末的預(yù)先退火可以使氧化物還原，降低碳和其它雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度；同時(shí)，還能消除粉末的加工硬化、穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu)。退火溫度根據(jù)金屬粉末的種類而不同，通常為金屬熔點(diǎn)的0.5～0.6K。通常，電解銅粉的退火溫度約為300，電解鐵粉或電解鎳粉的約為700℃，不能超過900℃。退火一般用還原性氣氛，有時(shí)也用真空或惰性氣氛。
2.分級(jí)
將粉末按粒度大小分成若干級(jí)的過程。分級(jí)使配料時(shí)易于控制粉末的粒度和粒度分布，以適應(yīng)成形工藝要求，常用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩分進(jìn)行分級(jí)。
3.混合
指將兩種或兩種以上不同成分的粉末均勻化的過程。混合基本上有兩種方法：機(jī)械法和化學(xué)法，廣泛應(yīng)用的是機(jī)械法，將粉末或混合料機(jī)械的摻和均勻而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械法混料又可分為干混和濕混，鐵基等制品生產(chǎn)中廣泛采用干混；制備硬質(zhì)合金混合料則常使用濕混。濕混時(shí)常用的液體介質(zhì)為酒精、汽油、丙酮、水等。化學(xué)法混料是將金屬或化合物粉末與添加金屬的鹽溶液均勻混合；或者是各組元全部以某種鹽的溶液形式混合，然后經(jīng)沉淀、干燥和還原等處理而得到均勻分布的混合物。
常需加入的添加劑，用于提高壓坯強(qiáng)度或防止粉末成分偏析的增塑劑（汽油、橡膠溶液、石蠟等），用于減少顆粒間及壓坯與模壁間摩擦的潤(rùn)滑劑（硬質(zhì)酸鋅、二硫化鉬等）。
4.制粒
