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 粉末冶金原理(Ⅱ) 曹 顺 华 粉末冶金研究院粉体材料系 导 论 1 课程的任务和意义 粉末冶金材料加工的两个基本过程 金属粉末 what is the powder? 小部分直接应用 隐形涂料 Fe,Ni及其合金纳米粉末 食品医药 超细铁粉 涂料 汽车用Al粉, 变压器用超细铜粉 化工合成 铁粉 自发热材料(取暖和野外食品自热) 超细Fe粉 固体火箭发动机燃料 超细Al, Mg粉等 金刚石合成粉末触媒 Fe-Ni合金粉末 电子焊料(solder) 电子封装用Cu,Ag合金粉末 太阳能电池微细铝粉末 高性能电路保护器 PTC中超细金属Ni, Fe粉 焊料 细铁粉 …… 绝大多数作为应用于工程结构中部件的制造原料 加工成块体材料或部件 (粉末冶金制品) 经过成形和烧结操作 Metal or Metal+ceramic powders Pressing，Sintering Powder sintered parts or sintered materials 成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微观结构与性能 主宰着粉末冶金材料及其部件的应用 2 课程对象 材料设计的概念 工程应用(服役条件)→技术指标（性能要求）→材料性能设计→微观结构设计→材质类型、加工工艺设计(经济性) 研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系 研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（Engineering Science）问题 研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题 3 粉末冶金技术的主要特点 What is Powder Metallurgy？ 利用金属粉末或及其与化合物粉末的混合物为原料，经过成形和烧结操作，制取金属材料及其复合材料的加工方法 冶金方法 零件制造技术 1）经济性：低成本 材料冶金与零件制造有机地结合在一起 直接制造零部件 加工流程少，能耗低，材料利用率高 生产效率高 制造过程高度自动化 齿轮 1)传统工艺：铸锭冶金+机加工 铁精矿→ 高炉炼铁→铁水 →炼钢 →铸锭 →开坯(多道次) →热挤压(多道次) →钢锭（棒料） → 下料→机加工(车外圆 → 平端面→铣轴向孔 →滚齿) →（热处理）→齿轮 2)粉末冶金 铁精矿粉末(总铁大于71.5%,SiO2小于0.3%)→ 隧道窑高温还原(1050-1100℃ ) →破碎→磁选→精还原(750-800℃) →破碎 →磁选 →合批→铁粉→混合(添加合金元素) →压制→烧结→（热处理）→P/M齿轮 传统工艺比粉末冶金工艺 ①主要工序：前者15个以上 后者8个 ②高温工序：前者8个以上 后者3个 前者材料利用率约为40%，PM可达95-100% 低能耗、节材特点 Powder press 全自动 液压机 Adaptor 模架 网带式烧结炉Mesh Belt Sintering Furnace 各种异形机械零部件 轿车部件 电动工具与汽车部件 行星齿轮保持架(Ford) planetary gear carrier 汽车发动机用粉末烧结钢零件sintered steel parts for motor engines 汽车变速器系统用粉末烧结钢件 sintered steel parts for motor transmission systems 粉末锻造连杆 powder forged connecting rod 不锈钢注射成形件 Stainless steel MIM parts 2）便于制造难加工材料 陶瓷/金属复合材料---金属陶瓷cermet 粉末超合金 powder superalloys 粉末高速钢 powder high-speed steels 金属基复合材料 metal matrix composites 弥散强化材料 dispersion-strengthened materials 微观结构可控材料 多孔材料，非晶态材料，超细结构材料等 钨合金 硬质合金 重合金 钨靶材 钨/钼基电工合金 纳米晶材料 nano-grained materials 梯度复合材料functionally gradient materials等 3）尺寸一致性高 铁基P/M零件 钢模寿命：2万件左右 硬质合金模：5-6万件 4）绿色环保 废弃物排放很低 “洁净”冶金 粉末冶金技术的不足 1）加工的零件或材料尺寸有限 2）应用范围有限 固相烧结材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力学性能较低低强度，低