关于粉末冶金你需要知道的一切

粉末冶金是机械工程师必须了解的一门重要课程。这种材料制成的产品在我们周围很常见，尤其是汽车零部件。粉末冶金包括一系列生产技术，用于制造各种类型的部件。此外，粉末冶金学简称PM，是一个涵盖了由金属粉末制成材料或部件的多种方式的术语。

今天您将了解粉末冶金在我们现代生活中的定义、重要性、类型、工艺、应用以及优缺点。

什么是粉末冶金？

粉末冶金是一种用于生产成品或半成品的制造工艺。这是通过将金属粉末压缩到合适的模具中来完成的。这种冶金工艺是提供高质量和强度的最便宜的工艺之一。它还用于获得高精度的复杂形状。因此，该工艺适用于大规模生产。粉末冶金主要涉及四个基本步骤，包括粉末制备、混合和混合、压实和烧结。所有这些都将在本文中进一步解释。

粉末冶金是一个已经存在了 100 多年的工艺，也就是过去 25 年。它一直是为不同的重要应用生产高质量零件的一种优越方法。该工艺之所以成功，是因为它比锻造和金属铸造等其他金属成型工艺具有更大的优势。这些优势还包括材料利用率、形状复杂性、近净形尺寸控制等。正因为如此，粉末冶金被公认为绿色技术。

此外，粉末冶金用于制造无法通过熔化或成型获得的独特部件。一个非常相似的重要产品是碳化钨 (WC)。它用于切割和成型其他金属，由与钴结合的 WC 颗粒制成。该工艺主要用于工业中各种类型的通行费，全球约 50,000 吨/年 (t/y) 由 PM 制造。

粉末冶金的应用

以下是粉末冶金部件在各个领域的应用。

汽车应用

大约 80% 的粉末冶金零件用于汽车应用。这些部件中约有 75% 用于自动和手动变速箱以及发动机部件。这些变速器应用包括同步器系统部件、离合器轮毂、换档部件、行星齿轮架、涡轮轮毂、离合器和口袋板。用粉末冶金制造的发动机零件包括皮带轮、链轮和轮毂，尤其是与发动机正时皮带系统、气门导管、气门座圈、组装凸轮轴的 PM 凸角、平衡器齿轮、凸轮轴轴承盖和发动机相关的零件管理传感器环。

其他一些汽车系统在其某些部件中使用粉末冶金，其中包括：

• 油泵，尤其是齿轮。
• 减震器，例如活塞杆导向装置、活塞阀、端阀。
• 防抱死制动系统 (ABS) 及其传感器环。
• 排气系统的法兰、氧传感器凸台。
• 可变气门正时系统。
• 涡轮增压器
• 废气再循环 (EGR) 系统
• 机箱组件
• 无级变速。

粉末冶金的其他应用包括：

• 航空航天应用
• 石油和天然气行业。
• 医疗保健行业等

在快速抓握中粉末冶金的应用有：

• 硬质合金刀具、陶瓷刀具等切削刀具属于粉末冶金产品。
• Cu、Ag 与石墨混合制成的电衬套是 P/M 产品。
• 火箭和导弹的喷嘴。
• 汽车和家电应用中的小零件能够生产出几乎需要最少机加工的最终形状，具有强大的经济优势。
• 轴承、衬套等
• 磁性软金属如 Fe、Fe-3Si 等很容易通过 P/M 形成最终形状。

粉末冶金工艺

如前所述，电力冶金有四个基本过程，包括：

粉末制备：

在制造物体之前，必须将材料转化为能量。生产这种粉末的各种工艺包括雾化、研磨、化学反应、电解工艺等。

混合和混合：

这种粉末冶金工艺涉及混合两种或多种材料粉末以生产高强度合金材料。好吧，取决于产品要求。该步骤确保粉末与添加剂、粘合剂等的均匀分布，以改善粉末的流动特性，在混合过程中有时会添加润滑剂。

压缩：

这个过程是将准备好的粉末混合物压缩成预先定义的模具。压实可确保减少空隙并增加产品的密度。使用压力将粉末压实到模具中以形成称为生坯的产品。这意味着产品是通过压实形成的。使用的压力范围为 80 至 1600 MPa。虽然压力取决于金属粉末和粘合剂的性质。即，对于软质粉末压制压力约为100-350 MPa，对于钢、铁等，压力在400-700 MPa之间。

烧结：

因为通过压制产生的生压坯强度不高，不能用作最终产品，所以进行烧结。烧结是指在升高的温度下加热生压坯，从而可以获得永久牢固的结合。粉末冶金工艺为生坯提供强度并将其转化为最终产品。一般烧结温度为金属粉末熔化温度的70%～90%。

二次操作：

由于与完全致密的材料相比，烧结物体的多孔性更大。产品的密度取决于压制能力、烧结温度、压缩压力等。有时，产品不需要高密度，使烧结产品直接用作最终产品。虽然，有时需要高密度的产品（例如，轴承的生产）。需要二次操作才能使产品高密度和高尺寸精度。常用的二次加工有定径、压印、浸渗、热锻、浸渍等。

观看下面的视频，了解粉末冶金工艺：

粉末冶金工艺的种类

粉末冶金工艺可以根据要生产的产品以各种方式进行。以下是金属粉末行业中发现的各种粉末冶金工艺。

常规粉末冶金工艺：

下图解释了传统类型的粉末冶金工艺。它涉及混合元素或合金粉末，在模具中压实混合物，然后烧结或加热。正如上面所解释的，在气氛控制的炉子中形成的形状与颗粒冶金结合。

正如前面提到的，大多数粉末冶金零件的重量不到 5 磅。 （2.27 千克），尽管某些重达 35 磅（15.89 千克）的部件可以在传统的 PM 设备中制造。衬套和轴承等零件具有简单的形状。嗯，今天有一个复杂的 PM 工艺可以生产具有复杂轮廓和多层次的组件。这些机器非常经济。

金属注射成型 (MIM)

金属注射成型具有大批量生产复杂形状的制造能力。在此过程中使用通常小于 20 微米的细金属粉末。这些金属粉末是用粘合剂（不同的热塑性塑料、蜡和其他材料）定制配制到原料中的。原料被送入传统注塑机的空腔（多个空腔）中。当“绿色”成分被去除时，几乎所有的粘合剂都通过热处理或溶剂处理被提取出来。其余的粘合剂在烧结过程中被去除，烧结过程是在可控气氛炉中进行的。

这些类型的粉末冶金工艺与塑料注射成型和高压压铸非常相似。它们还可以产生许多相同的形状和配置特征。然而，它们仅限于相对较小（通常小于 250 克）、高度复杂的零件，否则这些零件需要大量的精加工。这种冶金工艺的好处在于它能够产生与锻造材料非常接近的机械性能。它是一种具有良好尺寸公差控制的净形加工技术。最后，金属注射成型零件提供了几乎无限的形状和几何特征能力。通过使用多腔模具，它还具有高生产率的能力。

等静压

等静压是一种流行的粉末冶金成型工艺。它在粉末压块的所有方向上施加相等的压力。正因为如此，在没有单轴压制的几何限制的情况下，实现了密度和微观结构的最大均匀性。

等静压可以冷或热进行。下图描述了冷等静压。冷等静压 (CIP) 用于在环境温度下压实生坯。然而，热等静压 (HIP) 通过固态扩散在高温下完全固结零件。这种热压工艺也可用于去除烧结粉末冶金零件的残余孔隙。

金属增材制造

金属增材制造，简称AM，也可称为3D打印。这个过程有可能深刻地改变组件和组件的生产、上市时间和简单性。该工艺不像传统或减材制造工艺（例如车床加工或钻孔）那样工作。这些过程通过去除材料来制造零件，这在增材制造中并非如此。增材制造直接从数字模型中使用逐层工艺制造零件。

在此过程中，不使用模具或冲模，这就是为什么没有浪费大量材料而导致制造过程费用的原因。增材制造长期以来一直用作设计和原型制作工具。然而，现在它的重点正在转向直接生产零部件，包括飞机发动机零件、医疗植入物和珠宝。

这种制造工艺不是单一类型的技术或工艺。然而，尽管所有增材制造系统都采用了通用的逐层方法，但它们仍然使用各种各样的材料、技术和工艺。

使用金属粉末的增材制造技术包括：

• 激光烧结 (LM/SLS/SLFS)
• 选择性喷墨装订 (SIB)
• 电子束熔化 (EBM)
• 激光粉末成型 (LPF)
• 粉床工艺
• 熔融沉积建模 (FDM)/挤出

粉末冶金工艺的优缺点

优点：

以下是粉末冶金工艺的好处：

• 由于没有进一步的加工成本、人工成本等，因此具有批量生产的成本效益。
• 不需要高技能的操作员。
• 某些合金只能通过 PM 技术生产。
• 使用这种方法可以轻松生产双金属和层压产品。
• 生产率高。一个小时内最多可以生产 500 到 1000 个零件。
• 可以轻松制作复杂的形状。

缺点：

尽管粉末冶金工艺有很大的优势，但仍然存在一些限制。以下是粉末冶金工艺的缺点：

• 设备成本高。
• 单次制作成本很高。
• 由于金属粉末的流动性较差，复杂的设计可能难以生产。
• 无法生产完全均匀致密的产品。
• 由于压制能力，产品尺寸受到限制。
• 不能使用会引起爆炸的金属粉末。
• PM 工艺难以铸造低熔点金属。
• 最终产品的冲击和疲劳性能较低。

结论

粉末冶金是一种使批量生产零件变得更容易的工艺。它已经有一段时间了，但随着技术的不断进步，它仍在不断发展。今天我们了解了粉末冶金的定义、类型、工艺、应用。我们还研究了它的优缺点。

我希望你从这篇文章中得到很多，如果是这样，请与其他技术学生分享。谢谢阅读！下次见。