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ISO 4491-2:1997 金属粉末用还原法测定氧含量
表 3.2-15 还原温度和时间
金属粉末 还原温度/℃ 还原时间①
/min
锡青铜 750±15 30
锡 425±10 30
银 550±10 30
铜 850±15 30
铜铅合金 600±10 10
钢铁 1100±20 60
钴 1100±20 60
镍 1100±20 60
钨 1100±20 60
钼 1100±20 60
铼 1150±20 60
① 所给出的还原时间制作参考。只要在经验证明,某套装置和某种粉末足以保证完成氢损
反应,就可以缩短反应时间。
ISO 4491-3:1997 金属粉末用还原法测定氧含量
表 3.2-17 试料的质量
估计可被还原的氧含量/% 试料的质量/g
0.05~0.5 5
>0.5~2 2
>2~3 1
表 3.2-18 反应温度
金属粉末 还原温度/℃
锡青铜 750±15
铅青铜 600±10
铅铜 600±10
铅 500±10
锡 425±10
银 550±10
铜 850±15
钢铁 1100±20
钴 1100±20
镍 1100±20
钨 1100±20
钼 1100±20
铼 1150±20
硬质合金混合料 1100±20
表 3.2-19 试验结果的计算和表达
可被氧还原的氧含量 测试记过计算的精确 两次测试值的最大允 表达结果的精确至/%
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/% 至/% 许偏差
≤0.2 0.01 0.01%(绝对值) 0.01
>0.2~≤0.5 0.01 平均值得 5% 0.02
>0.5~≤1 0.01 平均值得 5% 0.05
>1 0.01 平均值得 5% 0.1
ISO 4491-4:1989 金属粉末用还原法测定氧含量
表 3.2-20 结果的表达
氧含量/% 两次测定结果的最大允许偏
差
结果精确至/%
0.005 平均值的 20% 0.0005
>0.005~0.01 平均值的 10% 0.001
>0.01~0.02 平均值的 10% 0.002
>0.02~0.05 平均值的 5% 0.002
>0.05~0.1 平均值的 5% 0.005
>0.1~0.2 平均值的 5% 0.01
>0.2~0.5 平均值的 5% 0.02
>0.5~1 平均值的 5% 0.05
>1~2 平均值的 5% 0.1
ISO 4496:1978 金属粉末铁、铜、锡和青铜粉末中酸不溶物含量的测定
表 3.2-21 试剂
粉末种类 试剂 密度/g•cm-3 溶液浓度
铁
盐酸
盐酸
硫氰酸钾
硝酸
1.19
1.19
1.42
1+1
1+25
5%
浓的
铜
锡
青铜
盐酸
硝酸
过氧化氢
硝酸铵
1.19
1.42
浓的
1+1
30%
20g/L
铜
青铜
二乙基二硫代氨
基甲酸钠
4%
锡 硫化钠、硫化氢
表 4.1-1 压制方法的选择
工艺 粉末轧制 冷等静压 模压 温压 冷锻 爆炸成形
压力 低 中等
400MPa
高
700MPa
高
700MPa
很高
>800MPa
很高
>1GPa
温度 室温 室温 室温 室温 室温 室温
模具 硬 软 硬 硬,加热 硬 软
变形速率 低 低 高 高 高 很高
连续 是 否 否 否 否 否
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加压方式 1 3 1 1 1 1
形状复杂
性
低 中到高 高 中等 中等 低
聚合物含
量
低,0.1% 无 低,0.5% 低,0.6% 无 无
精度 高 低 高 高 中等 低
应用范围 中等 中等 宽 窄 窄 很窄
表 4.1-2 获得全致密钢、铁零件的 HIP 条件
材料 压力/MPa 温度/℃ 时间/h
4µm 羰基铁粉
75µm 海绵铁粉
70µm 低合金钢粉
190µm 马氏体时效钢粉
100µm 奥氏体不锈钢粉
120µm 马氏体不锈钢粉
65µmFe-10Al-5Si 粉
80µm 工具钢粉
165µm 高温合金粉
200
98
150
210
160
150
200
100
69
800
1000
800
1200
1150
1150
1000
1100
1200
1
1
1
3
3
3
1
1
3
表 4.1-3 硬脂酸锌(Z)、Kenolube P11(K)及白蜡(A)对水雾化忒分、还原铁粉及不锈钢
粉之粉末性能及成形性能之影响
粉末种类 流动性①
松装密度 生坯密度 生坯强度 拉特拉
(Rattler)
重量损失
脱模能量
水雾化铁粉
(ABC100.30)
Z>K>A Z>K>A A~Z>K A>K>Z A<Z<K A~Z>K
还原铁粉
(SC100.26)
Z>K>A Z>K>A Z>A>K A>K>Z Z~A>K A~Z>K
不锈钢粉
(304L)
Z>K>A Z>K>A Z>A>K A~K>Z A<K<Z A>K>Z
① Z>K>A 表示 Z 好于 K,K 好于 A。
表 4.1-4 硬脂酸锌、白蜡及 Kenolube P11 三种润滑剂之优缺点
润滑剂种类 流动性 松装密度 生坯密度 脱模能量 生坯密度
白蜡 差 低 中 高 高
Kenolube 中 中 低 低 中
硬脂酸锌 佳 高 高 中 低
表 4.1-6 两台面压制实验的初始条件
条件 零件 A 零件 B
轮缘装粉 R1/mm 54.71 55.82
毂装粉 R2/mm 27.23 25.18
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轮缘密度 ρRIM/g•cm-3 3.21 2.97
毂密度 ρHUB/g•cm-3 3.51 3.63
质量/g 498.09 482.42
表 4.1-7 测量的和预测的压制载荷的最大值
模冲 零件 A 的载荷/MN 零件 B 的载荷/MN
测量值 预测值 测量值 预测值
内下模冲(LIP) 2.1 2.12 1.61 1.75
外下模冲(LOP) 0.59 0.36 0.61 0.5
上模冲(UP) 3.28 2.85 2.55 2.48
表 4.1-8 零件各截面的测量密度
图 4.1-71 中的截面①
密度/g•cm-3
零件 A 零件 B
1 7.01 6.9
2 7.07 6.93
3 7.09 7.03
4 6.9 6.91
5 6.89 6.97
① 《粉末冶金技术手册》,主编为韩凤麟、马福康、曹勇家,化学工业出版社。
表 4.1-9 在 1120℃烧结的温压粉末冶金材料的烧结态材料性能
粉末组成 烧结体密
度/g•cm-3
屈服强度
σ0.2/MPa
抗拉强度
/MPa
伸长率/% 硬度 HRB
FL-4405+0.6%石墨 7.37 273 471 3.5 77
FLN2-4405+0.2%Ni+0.6%
石墨
7.44 444 628 2.8 87
FL-4205+0.6%石墨 7.24 417 506 1.7 81
Ancorsteel 150Mo①
+2%Ni+0.6%石墨
7.4 533 718 1.3 93
FD-0405+0.6%石墨 7.25 425 117 2.6 97
Fe+0.45%P 7.39 267 422 25.2 67
FN-0250+0.6%石墨 7.37 267 452 3.52 79
① 名义钼含量为 1.5%的预合金化钢粉。
表 4.1-10 温压得铁基材料的疲劳性能
粉末 烧结温度
/%
热处理 密度/g•
cm-3
50%疲劳
耐久极限
/MPa
99%疲劳
耐久极限
/MPa
抗拉强度
/MPa
Fe-0.45%P 1120 否 7.23
7.4
207
225
185
197
365
405
Fe-0.45%P 1260 否 7.33 216 210 405
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7.5 260 234 475
FC-0208 1120 否 7.07
7.17
234
243
175
193
595
620
FD-4805 1120 否 7.19
7.32
230
242
181
192
710
800
FD-4805 1260 否 7.26
7.37
217
227
172
185
810
920
FD-4805 1120 是 7.2
7.32
399
409
317
332
250
1330
A150HP,2%Ni,0.6%
石墨
1120 否 7.18
7.34
233
262
189
241
640
690
A150HP,2%Ni,0.6%
石墨
1260 否 7.21
7.37
207
256
165
201
650
710
FLN2-4405 1120 否 7.31 253 222 630
FLN2-4405 1260 否 7.35 247 219 670
FLN2-4405 1290 否 7.2 239 227 620
A41AB 1290 否 7.16
7.27
242
270
210
234
860
920
A41AB 1290 是 7.16
7.28
403
449
353
410
1210
1350
FN0250 1120 是 7.23 316 276 1190
FL-4405 1120 是 7.17
7.3
330
336
283
279
1130
1150
FD-0205 1120 是 7.19
7.29
368
374
315
316
1190
1300
表 4.1-11 温压铁磷合金与 AISI 1008 钢的磁性能和力学性能
性能 Fe-0.45%P AISI 1008
密度/g•cm-3 7.35 -
烧结温度/℃ 1120 -
0.2%屈服强度/MPa 285 285
抗拉强度/MPa 405 385
伸长率/% 12 37
最大磁导率 µ 2700 1900
矫顽力/A·m-1 151 239
150e①下的饱和磁感应强度/T 1.5 1.44
① 1Oe=79.58A/m。
表 4.1-12 绝缘铁粉的磁性能
材料 起始磁导率 µ 最大磁导率 µ 矫顽力/A·m-1 400e①下磁感应
强度/T
加 0.6%塑料的
铁粉
120 425 374 1.12
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加 0.75%塑料的
铁粉
100 400 374 1.09
加 0.75%塑料的
有氧化物涂层
的铁粉
80 210 374 0.77
① 1Oe=79.58A/m。
表 4.1-13 温压与室温压制工艺和密度对比
粉末 石墨/% 润滑剂/% 压制 烧结 烧结体密度/g•
cm-3
Distaloy AE 0.5 0.7Kenolube
0.6Densmix
0.6 Kenolube
0.6Densmix
600MPa 室温压制
600MPa 压制
600MPa 室温压制
500MPa 压制
1120℃,30min,吸热性煤气
1120℃,30min,吸热性煤气
1120℃,30min,90%N2/10%H2
1120℃,30min,90%N2/10%H2
7.07
7.31
7.1
7.1
Distaloy DC 0.5 0.6Kenolube
0.6Densmix
650MPa 室温压制
500MPa 压制
1120℃,30min,90%N2/10%H2
1120℃,30min,90%N2/10%H2
7.1
7.1
Distaloy AE 0.8 06Kenolube
0.6Densmix
600+500MPa 室温压制
(二次压制/二次烧结)
700MPa 压制
750+1120℃,20+30min,
90%N2/10%H2
1120℃,30min,90%N2/10%H2
7.3
7.3
表 4.1-14 温压与室温压制的工艺和密度对比
材料 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度
AISI 1020 345 440 30 HRB77
AISI 1050 425 750 20 HRB96
AISI 8620 360 640 26 HRB90
AISI 8620 热处
理
1390 1480 10 HRC45
可锻铸铁
120-90-02
860 970 2 HRC36
粉末锻造
F-0005
770 830 10 HRC27
粉末锻造
FL-4605
1170 1460 9.5 HRC47
FLN-4205
(7.39/g•cm-3)
1220 1500 1.9 HRC42
FD-0405(7.39/g
•cm-3)
940 1250 1.7 HRC41
表 4.1-15 几种粉末的典型冷等静压压力
粉末 压力范围/MPa
铝 55~140
铁 310~415
不锈钢 310~415
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铜 140~275
硬质合金 170~205
钛 310~415
高速钢 240~345
钨 240~415
表 4.2-2 金属载带对所得轧制带材厚度和密度的影响
序号 载带及其厚度
/mm
相同时间内所
得带材的条数
粉末带材厚度
/mm
粉末带材密度
/g•cm-3
1 无 1 0.95 7.4
2 无 1 1.2 6
3 无 1 1.45 5.3
4 1.5 2 1.44 7.4
5 1.5 2 1.65 6.45
6 1.5 2 1.75 6.15
7 1.5 2 1.83 5.6
表 4.2-3 一些常见金属和合金粉末轧制带材的烧结制度
粉末轧制材料 烧结温度/℃ 烧结时间
铁 1100~1200 4min
不锈钢 1300~1400 4min
镍 500~1200 10~60min
钛 950~1150 12h
镍-铁-钼合金 1200~1300 数小时
铁-铬合金 ~870 ~3h
表 4.2-4 超声波振动烧结与常规烧结的带材种的几种气体质量比较
烧结条件 O H N
带材烧结前 0.051 0.002 0.014
超声烧结后 0.022 0.0018 微量
0.01 0.0015 微量
表 4.2-5 超声振动烧结与常规烧结的材料密度的比较
烧结
保温
时间
试样烧结前
的平均密度
/g•cm-3
常规烧结后
的平均密度
/g•cm-3
超声波振动烧结后
平均密度/g•cm-3 密度平均增长率/%
烧结温度 1073K
15
30
60
90
5.24
5.21
5.28
5.22
5.76
6.03
6.2
6.24
6.13
6.5
6.78
6.98
6.43
7.8
9.3
11.8
烧结温度 1173K
15 5.36 6 6.41 6.85
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30
60
90
5.3
5.25
5.32
6.18
6.3
6.4
6.77
7.14
7.3
9.5
13.3
12.5
烧结温度 1273K
15
30
60
90
5.26
5.33
5.21
5.3
6.2
6.55
6.71
6.99
6.77
7.25
7.56
7.94
9.2
10.06
12.2
13.6
表 4.2-6 Γ П И和И Μ型粉末轧机特性
表 4.2-7 粉末轧制专门化车间 5 台机特点
轧机类型 台数 工作辊辊
径/mm
支撑辊辊
径/mm
工作辊辊
面宽/mm
电动机功
率/kW
轧辊最大
承受压力
/t
2 辊轧机 1
1
1
70~150
210~350
500~800
-
-
-
150
150
150
6
42
200
11.25
60
500
4 辊轧机 1 70,110,150 300,400 500 32 150
2 辊~4 辊
综合轧机
1 二辊:500
四辊:
150,250
-
500
600
600
250 250
表 4.2-8 不同粒度的电解镍粉末性能
粉末平均粒度/µm 粉末松装密度/g•cm-3 粉末的比表面/m2·g-1
56 2.4 -
44 1.81 1.06
27 1.4~1.6 0.86
15 1.1~1.2 3.1
7~8 0.7~0.8 4~5
轧机型
号
台
数
工作辊辊径/mm 支撑辊辊径/mm 工作辊辊面
宽/mm
电动机功率
/kW
轧辊转数
/r·min-1
备注
Γ П И
-1
1 2 辊:340
4 辊:120~180
195 360 10 1~50 机架断面尺寸 mm
130×135
Γ П И
-2
1 2 辊:48~75 - 120 2 2.5~30 机架断面尺寸 mm
45×48
И Μ -1
粗轧机
1 2 辊
150;250;300
- 250~350 11
ΜП -32型
无级调速 1~8
分级调 8~15
可进行水平或垂直
轧制
И Μ -2
精轧机
2 2 辊
150;250;300
4 辊
37.5
-
140
200 11
ΜП -32型
无级调速 1~8
分级调 8~15
第 1 精轧机可进行水
平和垂直轧制,第 2
精轧机只能进行水
平轧制
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表 4.2-9 粉末流动性对带材性能的影响
粉末类型 粉末流动性
/s•(50g)-1
粉末松装密
度/g•cm-3
带材性能
厚度/mm 密度/g•cm-3
A
B
30
90
1.9
1.38
0.12
0.11
3.6
3.1
表 4.2-10 辊面粗糙度对带材性能的影响
工作辊面粗糙
度 Ra/mm
粉末量/g 带材长度/mm 带材厚度/mm 带材密度/g•
cm-3
1.6 30 630~550 0.102~0.111 5.18~5.45
0.1~0.05 30 870~774 0.078~0.085 4.9~5.06
表 4.2-11 供料厚度对带材厚度和密度的影响
供料厚度/mm 供料角 α 带材厚度/mm 带材密度/g•cm-3
5 13°45′ 0.510 5.67
15 24°40′ 0.645 5.74~5.83
30 35°25′ 0.7 5.89~5.79
53 47°55′ 0.84 6.17~6.22
表 4.2-12 粉末粒度组成与多孔性膜的过滤精度
粉末粒度范
围/mm
<0.02 0.02~0.04 0.04~0.063 0.063~0.1
可拦阻固体
粒子的大小
3 4 5 6
表钠还原钛粉的化学纯度(杂质含量)%
O N H C Cl- Fe
0.04~0.13 0.005 0.0034 0.003 0.17 0.07~0.08
表 4.2-14 多孔不锈钢过滤器的性能
材料性能 型号
C D E F G H X①
平均孔径/µm 165 65 35 20 10 5 15
抗拉强度(最低值)
/MPa
42 63 105 105 105 105 175
弹性模量/MPa 0.7 0.7 1 1.7 1.9 2.1 10.5
孔隙度近似值/% 55 50 50 50 50 45 20
压差降为 0.007MPa
时通过 3mm 厚板材
洁净空气的最低流量
/m3·(m2·min)-1
301.5 144.6 67 24.9 12.4 8.4 0.97
① 经压制强化后的材料性能
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表 4.2-15 不同类型铁粉末轧制带材的物理、力学性能
铁粉类型 密度/g•
cm-3
抗拉强度
/MPa
屈服强度
/MPa
延伸率/% 电阻率/µ
Ω·cm
电解铁粉 7.86 253 186 38.9 10.5
氮化铁粉 7.82 305 262 44 11.6
轧钢铁鳞还
原铁粉
7.84 265 212 31 11.2
Hoganas
MH-100·24
铁粉
7.66 256 181 39.3 11.3
海绵铁粉(日
本产)
7.54 290 208 16 12.2
表 4.2-16 粉末轧制电焊极带材的化学成分
合金牌号 各元素含量(质量分数)/%
C Mn Si Cr
JIM70X3M
JIM5XB3Φ
JIM3X2B8
JIM2X2B8
0.9~1.3
0.6~0.9
0.65~0.7
0.48~0.5
0.6~1.1
1.2~1.6
1.4~1.6
1.5~1.7
0.5~0.9
0.5
0.3~0.4
0.3~0.4
4.2~5
4.5~5.5
3.2~3.55
3.35~3.8
合金牌号 各元素含量(质量分数)/% S P Fe
V W 不大于
JIM70X3M
JIM5XB3Φ
JIM3X2B8
JIM2X2B8
-
0.6~0.9
0.35~0.45
0.35~0.45
-
3.5~4.5
10~11
10~11
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
}余量
注:密度不低于 5~6/g•cm-3,抗拉强度不低于 62MPa,带材厚度 0.8~1mm;带材宽度
25~100mm。
表 4.2-17 粉末高速钢带与铸造轧制钢带的硬度
材料种类 硬度
HRA HRC
粉末轧制高速钢 76.3 50.5
铸造轧制高速钢 72 43
注:表中数据均为五个试样的平均值。
表 4.2-18 常规轧制的 430 合金与同牌号的粉末轧制合金带材的腐蚀失重 mg·cm-1
材料类别 实验次数
1 2 3
粉末轧制带材
常规轧制带材
2.5
4.4
3
8.5
3.7
破裂
表 4.1-19 SUS309L 合金粉末的化学成分
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元素名
称
C Si Mn Ni Cr O Fe
含量(质
量分数)
/%
0.012 0.69 0.08 13.4 22.8 0.43 余量
表 4.1-20 不锈钢电焊极带材的熔焊条件
材料性能及熔焊条件 Ι Ⅱ
带材尺寸规格(厚×宽)
/mm
0.4×50 0.4×50
熔焊电流/A 800 1000
电弧电压/V 28 28
电极移动速度/cm·min-1 15 15
熔焊扩展长度/mm 35 35
焊接钢厚度/mm 25 25
焊接钢的化学成分(质量分
数)/%
0.17C~0.85Mn 0.17C~0.85Mn
表 4.2-21 电极带材的熔焊结果
材料类型 熔焊电流/A 熔焊率①
/% 堆焊速度/g•cm-3
粉末轧制带材 800
1000
18
19
364
442
常规轧制带材 800
1000
16
18
380
438
熔焊率%=A/(A+B)
表 4.2-22 由水法冶金制造的粉末轧制镍带的典型力学性能
带材 带材厚度
/mm
带材密度/% 极限拉伸强
度/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
生带坯 4 79 4 4 0
烧结的带材 4.1 79 140 135 0
热轧的带材 2.1 100 360 165 38
冷轧的带材 1.3 100 580 570 5
退火的带材 1.3 100 360 83 48
注:压制轧辊直径 560mm,轧辊速度 2.2r/min,辊缝(生带坯)3.5mm。
表 4.2-22-1 由镍粉制造的带材的典型物理性能
密度
线胀系数(20~100℃)
线胀系数(20~500℃)
热导率
冷加工性
热成形性
8.9/g•cm-3
14µm(m·℃)
15µm(m·℃)
86.23W/(m·K)
良好
良好
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热加工温度
退火温度
磁性能
居里温度
起始磁导率
最大磁导率
饱和磁感应
剩磁
矫顽力
磁致伸缩(软)(1590A/m)
800~900
700~900
350℃
130
1240
6.05T
3.25T
23.87A/m
0.000032mm/mm
表 4.2-23 由水法冶金制造的粉末轧制的钴带材的典型力学性能
带材 带材厚度
/mm
带材密度/% 极限拉伸强
度/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率/%
生带坯 2.1 86 22 22 0
烧结带材 2.1 86 201 195 5
热轧带材 1.2 100 758 413 15
冷轧带材 0.9 100 1103 1100 1
退火带材 0.9 100 793 345 20
注:轧辊直径 254mm 轧辊速度 6.0r/min 辊缝(生带坯)1.5mm。
表 4.2-23-1 粉末轧制的钴带材的典型物理性能
密度
线胀系数(20~100℃)
线胀系数(20~500℃)
热导率(于 70℃)
冷加工性
热成形性
热加工温度
退火温度
磁性能(未加工的高纯钴粉末轧制的钴带材)
居里温度
起始磁导率
最大磁导率
饱和磁感应
饱和磁场强度
剩磁
矫顽力
于 70℃下钴/钴的摩擦系数
8.85/g•cm-3
13µm(m·℃)
14µm(m·℃)
115.9W/(m·K)
差
良好
600~800℃
800~1000℃
1121℃
11.6
29.2
1.09T
31000 A/m
0.3T
36000A/m
0.3
表 4.2-24 普通双金属轴承合金的典型性能
合金组成 疲劳(Underwood
寿命)
于 150℃下的表面性能
摩擦系数 磨痕宽度/mm
Al-8Pb-5Si-1.5Sn-2Cu(Clevite36) 于 49MPa 下 200h 0.21 4.52
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Cu-10Pb-10Sn(SAE792) 于 69MPa 下 200h 0.22 5.15
Cu-23Pb-3Sn-2Zn(SAE794) 于 49MPa 下 200h 0.17 5.08
注:Underwood 试验模拟了由内燃机动力冲程所造成的连杆轴承的周期负载。压力是基
于单位载荷。磨痕和摩擦系数都是用 Favrlelebally 公司的标准的 LFW-1 试验机测定的。
表 4.2-24-1 厚度薄的辊压低碳铁粉带材的典型性能如下
厚度
屈服强度
抗拉强度
伸长率
SATM 晶粒度
极限拉拔比
应变比
形成花边
加工硬化指数
0.3mm
290MPa
330 MPa
34%
11~12
2.1
1.3~1.6
3%
0.22
表 4.3-1 PM 和 MIM 的比较
项目 PM MIN
粉末原料
粒度 <150µm <20µm
工艺 成熟 改进合适工艺
数量 大批量 批量试用
规格 专用牌号 无标准牌号
成本 低 高
混料
工序重要性 一般 很重要
混料设备 有,通用 有
混料时间 短,室温 长,加热
加入黏结剂 润滑剂量少 量很多,组成复杂
成形
设备投资 高 较低
模具 复杂,磨损 简单,磨损小
生产率 较低 高
生坯形状 受限制 不受限制
生坯重量 范围广 小,受限制
成本 较高 低
脱黏结剂
工艺 简单,费用低 复杂,费用高
工序重要性 一般 极重要
成本 极低 高
烧结
收缩 不均匀 均匀
收缩率 固相烧结不大 大
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尺寸控制 好 较难
碳含量控制度 容易 较难
达到高密度 困难 容易
力学性能 低 高
最大优势 成本低 形状复杂
产品最大缺点 孔隙度高 尺寸受限制
表 4.3-2 IC 和 MIM 的比较
项目 IC MIM
金属 可熔融 不限
零件尺寸 长几百毫米以下,重几千克 <50mm,<200g
形状
最小孔径 2mm 0.4mm
2mm 盲孔最大深度 2mm 20mm
最大壁厚 数 10mm 10mm
最小壁厚 2mm <1mm
锐边 受限制 可以
小尺寸内外螺纹 困难 可以
尺寸精度
10mm ±0.12mm ±0.05mm
50mm ±0.5mm ±0.25mm
表面粗糙度 Ra 3.2~5µm 1~1.6µm
密度 近 100% 95%~98%
显微组织 粗晶,偏析 细晶,组织均一
性能 好 好
零件数量 受限制 不受限制
原料成本 很低 高
劳动力成本 高,劳动密集型 低,科技含量高
表 4.3-3 PIM 与其他近终形成形工艺的半定量比较
特性 PIM 粉末冶金 铸造 切削加工
密度 98% 90% 95%~99% 100%
强度 100% 70% 98% 100%
磁性 100% 70% 95% 98%
表面粗糙度 0.4~0.8µm 2µm 3µm 0.4~2µm
壁厚 10~0.1mm 2µm 5µm 2mm
复杂程度 高 低 中 高
设计灵活性 高 中 中 低
适合的生产率 大量 大量 少量 少量
材料范围 广 中 中 中
大小范围 0.003g~17kg 0.1g~10kg 1g 以上 0.1g 以上
表 4.3-4 粉末注射成形相对于其他金属成形工艺的优点
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方法 典型部件 限制 PIM 优点
熔模精密铸造 枪支医用器械 速度慢/劳动密集
公差难于控制
需二次切削加工
高成本
低成本
生产周期短
可重复性高
表面精度高
无需二次切削加工
压铸 枪支工具家电部件 力学性能差
粗加工
不能加工不锈钢
力学性能优良
可加工的材料范围
宽
切削加工 采用常用方法加工
各种金属部件
材料浪费大
高的切削加工成本
设计的限制
无材料浪费
交货期短
复杂部件有高的可
重复行
普通粉末冶金(压制
和烧结)
齿轮凸轮轴链轮齿
机械部件
密度低
不能生产复杂形状
的部件
需二次切削加工
适合非常复杂的部
件
高密度
成本效益
表 4.3-5PIM 最佳粉末原料性质
粒度/µm 粒度组成 松装密度
/%
摇实密度
/%
粉末形状 粉末长径
比
堆集自然
坡度角
2~8 较宽或较
窄
40~45 50 以上 近球形 1.2~1.5 50°~60°
表 4.3-6 Osprayey 公司高压气雾化法制得粉末颗粒尺寸
合金 中位径/µm 合金 中位径/µm 合金 中位径/µm
304L
316L
317L
17~4PH
B10S
13.9
13
13.85
13.59
14.95
434
D2
M2
T16
T42
16.4
12.9
15.8
10.43
12.57
FeSiB
FeCrNi
Ni21Cr9Mo4Nb
14.21
10.45
10.49
表 4.3-7 几种 PIM 用水雾化粉末的特性
钢种 型号 平均粒径/µm 振实密度/g•
cm-3
含氧量/10-6
不锈钢 316L 9.95 3.8 3800
17-4PH 30.08 3.7 3500
铁镍合金 PB-47 30.06 4.3 3600
铁钴合金 Premendure 9.96 4.4 3500
铁镍钴合金 Kovar 10 4.4 3000
低合金钢 SM-415 10.01 4.2 4300
高速钢 SKH-57 9.9 3.5 3400
表 4.3-8 各种细粉末生产技术的比较
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技术 粒度/µm 形状 材料 成本
气体雾化法 20~40 球形 合金 高
水雾化法 10~40 类球形 合金 中等
离心雾化法 25~40 球形 合金 高
等离子体法 10~40 球形 所有材料 高
羰基法 1~10 球形 单元素 中等
氧化物还原法 1~10 多角形 单元素 中等
沉淀法 0.01~3 多角形 化合物 低
球磨法 0.1~40 不规则 脆性材料 中等
表 4.3-9 黏结剂的属性
流动特性制造工艺性 制造工艺性
成形温度下黏度低于 10Pa·s
成形过程中黏度随温度变化小
冷却后坚固且稳定
分子小可填充颗粒间隙
与粉末的相互作用
接触角小且与粉末黏附良好
对颗粒具有毛细吸力
与粉末不发生化学反应
脱黏特性
黏性不同的多组分
分解产物无腐蚀性,无毒
灰分量低,金属含量低
分解温度高于混合和成形温度
价格低,易获取
安全,无环境污染
贮藏寿命长,不吸潮且无挥发组分
循环加热不变质(可重复使用)
润滑性好
强度高,硬度高
热传导性高
线胀系数低
可溶于普通通溶剂
链长度短,无方向性
表 4.2-10 黏结剂常用的组分室温性能
性能 PP PE PS PVC PW
密度/g•cm-3
热导率/W·m-1·K-1
线胀系数/10-6K-1
抗拉强度/MPa
伸长率/%
弹性模量/GPa
0.9
0.2
100
35
200
1.3
0.91
0.3
200
10
400
0.2
1.04
0.1
70
50
2
3.3
1.35
0.2
140
20
300
0.1
0.91
-
400
4
-
-
注:PF 为聚丙烯;PE 为聚乙烯;PS 为聚苯乙烯;PVC 为聚录乙烯;PW 为石蜡。
表 4.3-11 各种黏结剂体系的优缺点
体系 优点 缺点
蜡基系
热塑性体系油基系
塑基系
热固性体系
黏度低,成形坏强度高,注射范围宽,成本低,装载
量高,迁合生产厚度小于 8mm 和粗糙度好的零件
黏度低,注射范围宽
成形坏强度高,保形性好
温度稳定性好,尺寸精度高
混料时易发生挥发,易产生相分离,注射料
性能不稍定、保形性差
易产生相分离,成形坏强度低
装载量稍低,脱黏慢
混合困准,反应副产物导致产品多孔,脱黏
困难
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水溶性体系
凝胶体系
不需要有机溶刘,适合于生产截面小的零件
不需要有机溶刘,适合于生产截面小的零件
水易于蒸发,脱黏速率快,无需特殊设备,可生产厚
的产品
装载量低,注射范围窄,易变形,对于烧结
密度很高时不适合
成形坏强度低易变形,注射范围窄
聚烯醛基
特殊体系
两烯醛基
成形坏强度高,保形性好,脱黏速率快,可生产载面
小于 40mm 的零件
注射范围宽,脱甃速率快,可生产厚的产品
黏度高,需专门设备,存在酸处理问题
属反应型黏结剂
表 4.3-12 常用黏结剂的配方
1 69%PW+10%CW+20%PP+1%SA
2 65%PW+30%PP+5%SA
3 55%PW+40%LDPE+5%SA
4 79%PW+20%HDPE+1%SA
5 79%PE+20%EVA+1%SA
6 75%PW+24%PS+1%SA
注:PW:石蜡,CW:巴西棕榈蜡,PP:聚丙烯,PS:聚苯乙烯,HDPE:高密度聚乙烯,LDPE:
低密度聚乙烯,EVA:聚乙烯醋酸乙烯酯;SA:硬脂酸。
表 4.3-13 粉末注射成形黏结剂配方举例
黏结剂 1 70%石蜡 20%微精蜡 10%甲基乙基酮
黏结剂 2 67%聚丙烯 22%微精蜡 11%硬脂酸
黏结剂 3 33%石蜡 33%聚乙烯 33%蜂蜡
黏结剂 4 69%石蜡 20%聚丙烯 10%棕榈蜡 1%硬脂酸
黏结剂 5 45%聚苯乙烯 45%植物油 5%聚乙烯 5%硬脂酸
黏结剂 6 65%环氧树脂 25%蜡 10%丁基硬脂酸酯
黏结剂 7 25%聚丙烯 75%花生油
黏结剂 8 50%聚乙烯 50%棕榈蜡
黏结剂 9 35%聚乙烯 55%石蜡 10%硬脂酸
黏结剂 10 58%聚苯乙烯 30%矿物油 12%植物油
黏结剂 11 98%苯胺 2%石蜡
黏结剂 12 56%水 25%甲基纤 13%甘油 6%硼酸
维素
黏结剂 13 72%聚苯乙烯 15%聚苯烯 10%聚乙烯 3%硬脂酸
黏结剂 14 4%琼脂 3%甘油 93%水
表 4.3-14 粉末注射成形的注射料举例
粉末 黏结剂(质量分
数)/%
固体装载
量(体积
分数)/%
密度/g•
cm-3
成形温度
/℃
黏度/Pa·s 强度/MPa
4µm Fe 60PW-40PE 58 4.9 120 35 5
4µm Fe 55PW-45PP-55A 61 5.12 150 19 22
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4µm Fe-2Ni 90PA-10PE 58 4.52 180 190 20
2.5µm Mo 60PW-35PP-5SA 58 5.97 113 200 7
10µm 不锈
钢
55PW-45PP-5SA 67 5.6 130 100 15
15µm 不锈
钢
90PA-10PE 62 5.33 190 80 20
12µm 工具
钢
90PA-10PE 62 5.33 190 180 20
8µm W 60PW-30P-5SA 56 11.22 142 … 5
1µm
W-10Cu
60PW-35PP-5SA 64 11.22 135 55 6
注:PA:苯树脂,PE:聚乙烯,PP:聚丙烯,PW:蜡,SA:硬脂酸。
表 4.3-15 粉末注射成形的典型参数
参数 典型范围 参数 典型范围
喷管温度 100~200℃ 密实压力 1~10MPa
喷嘴温度 80~200℃ 注射时间 0.2~3s
模具温度 20~100℃ 密实时间 2~60s
螺杆转速 35~70r/min 冷却时间 18~45s
注射压力 0.1~130MPa 注射周期 8~360s
表 4.3-16 粉末注射成形机的特性
特性 低压 小吨位 中吨位 高吨位
型号 气压式 往复螺杆式 往复螺杆式 往复螺杆式
锁模力/KN 7 250 750 2000
锁模方式 气压式 液压式 肘杆式 液压式
模板尺寸/mm 480 260 530 900
驱动电机/KW 2 5.5 15 30
螺杆直径/mm 无 18 28 50
注射量 3000 35 70 350
充填速率
/cm3·s-1
0.5 46 66 100
注射行程/cm … 9 11 14
塑化能量/kg·h-1 … 12 20 40
螺杆速度
/mm·s-1
… 110 300 110
成形压力/MPa 0.5 190 230 200
最短周期/s 4.8 2 1.2 3.6
最高温度/℃ 150 200 200 200
控制 开路 自动适应 闭路反馈 自动适应
表 4.3-17 各种脱黏方法的比较
脱黏方式 优点 缺点
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热脱黏
溶剂脱黏
催化脱黏
虹吸脱黏
工艺简单、成本低、投资少‘无
环境污染
脱黏速率较快、脱黏时间缩短
脱黏速率快、无变形、可生产
较厚的零件
脱黏时间短
脱黏速率慢、易产生缺陷、只
适合小件
工艺复杂、对环境和人体有
害、存在变形
需要专门设备、分解气体有
毒、存在酸处理问题
有变形、虹吸粉污染样品
表 4.3-18 脱黏方式和时间的比较
黏结剂体系 脱黏方式 条件 时间
蜡-聚丙烯 氧化 缓慢加热至 150℃,保温,空气
中加热至 600℃
60h
蜡-聚乙烯 虹吸 缓慢加热至 20℃,保温,氢气
中加热至 750℃
4 h
蜡-聚合物 超临界 在 20MPa 压力下在氟利昂蒸汽
中以 10℃/mm 加热至 600℃
6 h
蜡-聚乙烯 真空抽取 当低压气体在坯上通过时缓慢
加热,而后加热至烧结温度
36 h
水-凝胶 真空升华或冷冻干燥 在真空中保持以从冰中抽取水
蒸气
8 h
油-聚合物 溶剂萃取 在二氟乙烯中 50℃保持 6 h
水-凝胶 空气干燥 保持在 60℃ 10 h
聚醛树脂-聚乙烯 催化脱黏 在硝酸蒸汽中加热到 135℃ 4 h
注:坯件料截面厚 10mm,粉末粒径 5µm,固体装载量 60%(体积分数)
表 4.3-19 性能随相对密度变化
电导率(Ω) Ω =Ω 0Af2
磁饱和(B) B=B0(A1+A2f)
强度(σ) σ=σ0A1[1-A2(1-f)2/3]
弹性模量(E) E=E0f3.4
切变模量(G G=G0f3
泊松比(γ ) γ =0.068exp(1.37f)
断裂韧性(Ɛ) Ɛ= Ɛ0(1-f)2/3/(1+Af2)1/2
注:f为相对密度;A 为校正参数。
表 4.3-20 粉末注射零件尺寸波动
特征 最佳 一般
角度 0.1° 2°
相对密度 0.2% 1%
重量 0.1% 0.4%
尺寸 0.05% 0.3%
绝对尺寸 0.04mm 0.1mm
孔径 0.04% 0.1%
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孔位 0.1% 0.3%
平面度 0.1% 0.2%
平行度 0.2% 0.3%
圆度 0.3% 0.3%
垂直度 0.1%或 0.1° 0.2%或 0.3°
平均表面粗糙度 0.4µm 0.8µm
表 4.3-21 PIM 材料化学规范举例
名称 组成规范(质量分数) 其他(质量分数)
氧化铝 99 99Al2O3-0.1MgO-<0.1CaO
氧化铝 96 99Al2O3-<4SiO2
铝 201 AL-4.6Cu-0.35Mg-0.35Mn
铜 Cu+Ag=99.5
Fe-50Co Fe-48~50Co-<2.5V-<1Si-<0.05C
Fe-2Cu-0.8C Fe-1.5~2.5Cu-0.6-0.9C
Fe-2Ni Fe-1.5~2.5Ni-<0.5Mo-<0.1C
Fe-2Ni-0.6C Fe-1.5~2.5Ni-<0.5Mo-<0.1C
Fe-8Ni Fe-6.5~8.5Ni-<0.5Mo-<0.4~0.7C
Fe-8Ni-0.6C Fe-49.5~50.5Ni-<1Si-<0.05C
Fe-50Ni Fe-2.5~3.5Si-<0.05C-<0.02O
铁硅(Fe-3Si)
柯伐(F15)
铜镍
不锈钢 17-4PH
不锈钢 304L
不锈钢 316L
不锈钢 410
不锈钢 420
不锈钢 430L
不锈钢 440C
钢 2200
钢 2700
钢 4140
钢 4340
钢 4605
钢 4620
TiCP 级
Ti-6-4