粉末冶金机械零件实用技术

前言
20世纪初发展起来的粉末冶金技术，在推动材料科学的发展、促进现代科学技术进步中，做出了不可磨灭的贡献。
20世纪30年代以后，粉末冶金技术又将材料科学和金属成形技术完善地结合起来，成为量大面广的高效、节材、节能的少、无切削新型加工技术。如今，采用粉末冶金技术制造的各类机械零件，广泛地应用于汽车、摩托车等交通运输机械、农业机械、纺织机械、办公机械、食品机械、印刷机械及电动工具、家电产品、音响制品等各类主机产品中。可以这样说，凡是运转的机械主机中，无不包含着由粉末冶金技术制造的各式各样的零件。
我国粉末冶金零件制造技术起步于20世纪50年代，比工业发达国家晚了近30年。当时由于缺少必要的生产技术基础和专业人才，进展十分缓慢。至80年代中期以后，在引进主机产品，尤其是轿车等项目中，发现在许多主机中大量应用粉末冶金零件，尤其是结构零件,其数量之多，应用面之广，使我们受到了极大的启发，得到了包括主机产业在内的各方面重视和关注。随后通过近２０年包括技术引进，装备更新改造，铁粉原料在数量、质量和品种等方面同步提高，为21世纪粉末冶金机械零件业走上快速发展轨道，打下了较好的基础。
进入21世纪的头几年，我国制造业进入快速发展时期，尤以汽车工业发展势头旺盛。大家知道，世界粉末冶金零件业的发展，是和汽车工业发展最为密切相关的。在发达国家,汽车工业始终是粉末冶金零件的最大用户。如20世纪末北美粉末冶金汽车零件占整个粉末冶金机械零件的70%以上，日本80%以上，其中以轿车上的应用最为典型。这无疑提示我们，粉末冶金零件企业遇到了前所未有的发展机遇。
但是，包括汽车在内的现代各类主机产品对零件的技术水平要求很高。高精度、复杂形状的结构零件，不但要有先进的技术装备，而且在设计制造人员综合学科知识的运用和创新能力、一线职工的技术素养、企业管理水平等方面，必须提高至一个新的平台。机遇和挑战并存，市场巨大的潜力和企业综合水平的提高，将成为贯穿我国粉末冶金机械零件发展的总趋势，也为各类企业、各方人才提供了巨大的发展空间。
正是从这个角度出发，为适应我国粉末冶金零件发展的需要，结合我国企业的技术现状，为众多中小企业中从事粉末冶金零件制造的广大工程技术人员、管理人员以及现场的实际操作者，撰写一本以粉末冶金基础知识为指导的实用技术类书籍，是十分必要和迫切的。鉴于此，本书在撰写过程中将突出以下特点。
第一，加强基础，指导应用。本书撰写中，将粉末冶金机械零件成形和烧结过程中涉及的有关材料科学和成形技术的基础知识揉进实用技术中，以提高现场工程技术人员和实际操作者应用基础知识指导生产实践的能力，在实践中进一步提高理论认识水平和技术素养，增强发展后劲。
第二，突出针对性，服务对象明确。粉末冶金技术本身，涵盖的内容非常广泛，本书仅把量大面广的铁铜基机械零件制造技术作为主要描述对象，并针对我国铁基结构零件水平相对薄弱，而发展势头又特别强劲的现状，精心组织内容。
第三，普及新技术，力求新发展。本书在撰写中，参阅了近二十年来粉末冶金制造技术中涌现出来的新技术、新工艺文献，并通过现场考察，结合作者的认识水平，择其发展潜力大的，对大多数企业有启示和发展前景的温压技术、金属注射成形技术、烧结硬化技术等内容纳入本书，提高企业对新技术、新工艺的兴趣和认识水平，为进一步开发、应用新技术、新工艺起到铺路架桥的作用。
书中内容深入浅出，基础知识以应用为目的，并考虑适应人才宽口径的需要，注意培育他们的学习兴趣，力求做到看得懂、用得上，并在技术水平上有所收益，有所提高。
本书由三部分组成。第一篇金属粉末侧重于粉末制造方法和金属粉末性能与工艺性能的关系，使零件制造业对粉末原料有一个全面的了解，并提供选材的依据。
第二篇是成形技术和模具模架设计。它既是一个独立的篇章，又是和致密金属成形技术不完全相同的少、无切削新型成形过程，在完成成形的同时，必须融会贯通粉末冶金材料科学的基础知识。本篇重点放在高精度、形状复杂结构零件的模具模架设计、制造和运行故障的排除和大量示例。
第三篇为烧结、材料和后处理技术，以深入浅出的叙述方式介绍相对深奥的烧结基础理论，以开拓科学思维的想像力和分析问题的能力。侧重点则致力于高强度结构零件的致密化、合金化和热处理等技术的应用。并对温压技术、金属注射成形技术、烧结硬化技术等内容，采用科技普及性叙述方式，作了较为详尽的介绍，借以反映粉末冶金制品技术的新水平和新成果。
本书大纲由合肥工业大学周作平提出,概论部分、第一篇、第三篇由周作平撰写，第二篇由南京理工大学申小平撰写。书稿由周作平审定。
在书稿撰写过程中，参阅了多种科技书稿和有关文献资料，在此，对有关书稿和文献资料的作者致以诚挚的敬意和衷心的感谢！
限于作者水平,书中错误和不当之处难免，恳请读者批评指正。
	 

本书针对量大面广的铁铜基机械零件制造技术，分三篇分别详尽阐述了金属粉末的制造方法、工艺性能及其选用原则，成形技术和模具模架设计、制造和运行故障的排除及相关设计实例，烧结、材料和后处理技术等基础知识和实际应用实例；尤其对结构零件的致密化、合金化和热处理内容，结合材料学相关理论，深入浅出，作了系统介绍；对温压技术、金属注射成形技术、烧结硬化技术等粉末冶金新技术作了完整介绍。附录中还提供了铁铜基粉末冶金零件相关国家标准。
本书可供粉末冶金零件制造企业的广大工程技术人员、管理人员以及现场的实际操作者阅读，可作为该类企业职工的培训教材；也可供粉末冶金机械零件应用行业(汽车、家电等)的设计人员参考；或作为材料、机械类相关专业大专以上学生的教学实践参考资料。
	 

目录
第一章概论1
第一节粉末冶金发展历史概述1
一、粉末冶金的基本概念1
二、粉末冶金发展史上的三个重要标志1
三、粉末冶金在现代技术和国民经济中的作用2
第二节粉末冶金机械零件制造工艺特征3
一、粉末冶金机械零件传统制造工艺3
二、粉末冶金机械零件制造的新工艺、新技术4
三、用粉末冶金工艺制造机械零件的技术经济特征和优先选择原则7
第三节粉末冶金减摩零件和结构零件8
一、粉末冶金减摩零件的发展和应用8
二、粉末冶金结构零件的发展和应用9
三、粉末冶金机械零件的经济评估9
四、粉末冶金机械零件的产品开发和营销11
第一篇粉末原料
第二章金属粉末13
第一节金属粉末性能13
一、粉末与粉末体13
二、粉末粒度分类和粒度分布14
三、粉末形状15
四、金属粉末化学成分16
五、金属粉末工艺性能16
第二节铁铜基粉末原料制备方法简介18
一、机械粉碎法19
二、熔融液态金属和合金雾化法22
三、金属化合物还原法23
四、电解法24
五、羰基化合物热离解法24
第三章机械零件用金属粉末原料的主要生产方法26
第一节固体碳还原法生产铁粉26
一、还原法基本原理26
二、还原法生产海绵铁工艺29
三、海绵铁的二次精还原34
四、还原铁粉国家标准35
五、铁粉标准中主要参数的含义36
第二节水雾化法生产金属铁粉38
一、雾化法生产金属粉末的基本原理38
二、喷嘴结构41
三、雾化法制取金属钢铁粉末43
四、雾化工艺参数和金属液的内在性质对粉末粒度和形状的影响45
五、水雾化铁粉和还原铁粉性能比较47
第三节低合金钢铁粉末的生产47
一、水雾化法生产低合金钢粉48
二、扩散黏结法部分预合金粉的生产51
三、共还原法制取铁钼合金粉51
第四节国外主要金属粉末公司钢铁粉末品种和性能简介53
一、还原铁粉品种和性能53
二、雾化纯铁粉品种和性能54
三、预合金粉品种与性能55
四、扩散黏结部分预合金粉品种和性能56
五、预合金化高合金钢粉品种和性能57
第五节雾化青铜粉和电解铜粉的生产58
一、气雾化663青铜粉工艺59
二、水溶液电解法生产铜粉60
第六节钢铁粉末主要工艺参数检测方法64
一、粉末的验收与取样64
二、铁粉化学成分测定66
三、氢损值测定67
四、金属粉末中酸不溶物测定68
五、金属粉末粒度组成的测定68
六、金属粉末松装密度的测定69
七、金属粉末流动性的测定70
八、金属粉末压缩性的测定71
九、金属粉末的成形性73
第二篇成形技术和模具模架
第四章粉末冶金成形技术基础75
第一节压制过程力的分析76
一、压制压力76
二、侧压力76
三、外摩擦力和压力损失77
四、脱模压力77
五、压力中心79
六、精整压力80
第二节粉末在压制过程中的变化规律80
一、压制过程中粉末的运动和粉末的变形80
二、压制压力和压坯密度、强度的关系81
三、单轴向钢模压制压坯密度的不均匀性分布82
四、调整压坯密度分布的压制方式选择83
五、多台阶压坯密度均匀分布的遵循原则90
第三节压制工艺97
一、配料及其计算97
二、混料工艺及影响因素98
三、手动压制中的称料、装料101
四、自动压制中的称料、装料102
五、压制过程控制104
六、脱模105
七、压坯质量控制及检查106
八、压坯密度、密度分布对烧结制品质量的影响109
第五章粉末冶金零件设计110
第一节粉末压坯形状设计110
一、压坯形状的分类110
二、压坯形状的设计112
三、特殊压坯形状的设计116
四、组合成形法简化压坯复杂形状的设计118
五、不同压坯形状压制面的选择119
第二节粉末压坯密度设计122
一、密度大小的设计122
二、密度均匀性的设计123
第三节压坯尺寸及精度设计126
一、压坯的尺寸限制126
二、尺寸及位置精度设计127
第六章粉末冶金成形模具与模架（Ⅰ）131
第一节粉末冶金成形压机的基本要求与选择依据131
一、基本要求131
二、选择依据132
第二节粉末冶金模架的作用及分类136
一、模架的功能及特点136
二、模架和模具的构成关系和基本动作138
三、粉末冶金专用成形模架的类型138
第三节常见粉末冶金成形模架139
一、普通压机用成形模架139
二、粉末冶金专用压机拉下式成形模架143
三、粉末冶金专用压机顶出式成形模架148
第七章粉末冶金成形模具与模架（Ⅱ）150
第一节成形模具结构设计150
一、成形模具结构分类150
二、成形模具结构设计原则150
三、成形模具结构设计步骤151
第二节成形模具结构方案151
一、普通成形模结构基本方案示例151
二、特殊成形模结构基本方案示例155
第三节压模自动化机构的设计156
一、浮动机构156
二、脱模复位机构163
三、自动装粉机构171
第八章粉末冶金成形模具与模架（Ⅲ）174
第一节普通压机用成形模具结构示例174
一、等高压坯模具结构示例174
二、带台阶压坯模具结构示例175
第二节粉末冶金专用压机用成形模具结构示例182
一、一个台阶压坯模具结构示例183
二、多台阶压坯模具结构示例184
三、特殊形状压坯模具结构示例186
第九章精整模具191
第一节精整、精压和复压191
一、精整191
二、精压193
三、复压193
第二节精整模具模架结构设计194
一、精整模的基本要求194
二、精整模结构设计194
三、精整模架类型198
第三节精整模结构与动作示例201
一、通过式精整模结构201
二、全精整式精整模结构203
第十章模具主要零件设计206
第一节成形模具主要零件结构设计206
一、阴模设计206
二、芯棒设计209
三、模冲设计211
第二节精整模具主要零件设计213
一、阴模设计213
二、芯棒设计214
三、模冲设计216
第三节模具主要零件尺寸设计216
一、模具尺寸计算步骤216
二、模具参数选择216
三、模具尺寸计算方法223
第四节典型产品零件设计计算示例230
一、柱面零件230
二、带台零件235
第十一章粉末冶金模具制造244
第一节模具制造的一般要求244
一、模具的使用状况244
二、模具制造的要求244
第二节模具主要零件材料的选择245
一、阴模常用材料的选择246
二、芯棒常用材料的选择246
三、上下模冲常用材料的选择247
四、模套材料的选择247
第三节模具主要零件材料的成分及热加工工艺248
一、硬质合金248
二、钢结硬质合金及热加工工艺250
三、高速钢及热加工工艺251
四、高合金工具钢及热加工工艺251
五、低合金工具钢及热加工工艺252
六、碳素工具钢及热加工工艺252
七、合金结构钢、碳素结构钢及热加工工艺253
第四节模具主要零件制造工艺253
一、机械加工253
二、特种加工254
三、模具主要零件制造工艺流程257
四、模具零件的典型加工工艺举例257
第五节提高模具寿命的方法262
一、研究和选用新型模具材料263
二、改进热处理工艺方法263
三、模具表面涂覆处理264
四、电火花表面强化 265
第六节模具零件的检测方法265
一、性能检测265
二、外观质量检测266
三、尺寸、形状和位置公差检测266
四、合模检查268
五、产品验收268
第十二章模具的安装和调试269
第一节模具的安装269
一、安装要点269
二、安装前的准备工作269
三、安装程序269
第二节模具的调试271
一、调试要求271
二、调试程序271
第三节试模出现的主要缺陷与调整271
一、压坯密度不符合工艺要求271
二、尺寸不符合要求272
三、形位公差超差273
四、外观不合格274
第四节精整中常见的质量问题及解决方法281
一、尺寸精度及形位公差不合格281
二、表面缺陷282
三、精整时的润滑问题284
第五节常见的模具损坏类型及分析284
一、模具损坏类别284
二、模具损坏分析285
第三篇烧结、材料和后处理技术
第十三章烧结基本原理和烧结技术288
第一节烧结概述288
一、烧结的概念及其在粉末冶金工艺中的重要性288
二、烧结的分类289
第二节烧结的基本原理290
一、烧结过程热力学基础知识290
二、烧结机构简介291
三、固相烧结293
四、液相烧结295
五、活化烧结299
第三节铁基零件烧结技术301
一、铁基零件烧结技术的特点301
二、铁基零件烧结过程的三个基本阶段301
三、铁基零件烧结和冷却过程中组织机构的变化304
四、铁基减摩零件和铁基结构零件烧结工艺参数的差异307
第四节烧结气氛308
一、铁基零件生产中保护气氛的选择原则308
二、铁基生产中常用烧结保护气氛及技术经济评述312
三、气体的净化和干燥剂的应用与再生323
第五节烧结装备326
一、粉末冶金烧结工艺对烧结炉的基本要求326
二、铁铜基零件生产中常用烧结炉类型326
三、铁基零件烧结炉烧结过程的正常运行和故障分析330
第十四章粉末冶金减摩材料和制品（含油轴承）制造技术334
第一节粉末冶金减摩零件的材料特性334
一、减摩零件与结构零件的应用功能与制品品种334
二、对减摩零件的性能要求335
三、粉末冶金减摩零件的性能特点335
第二节影响铁铜基含油轴承减摩性能的因素340
一、孔隙的影响及孔隙度确定340
二、粉末粒度的影响341
三、显微组织结构的影响341
四、润滑剂的影响343
第三节固体润滑剂的应用344
一、石墨和二硫化钼的应用345
二、硫及硫化物的应用346
三、其他润滑剂的应用347
第四节铁基含油轴承制造工艺349
一、铁基含油轴承材料系列349
二、含油轴承制造工艺过程中的质量控制356
第五节青铜基含油轴承制造技术359
一、青铜基含油轴承特点和应用359
二、青铜基含油轴承材料成分360
三、烧结青铜含油轴承孔隙的形成机制及其控制362
四、青铜基含油轴承制造工艺364
五、青铜基含油轴承的储油性和供油性366
六、提高质量的工艺措施367
第六节烧结金属石墨材料和带钢背的复合减摩材料369
一、金属石墨材料369
二、带钢背的复合减摩材料371
第十五章铁基结构零件致密化技术376
第一节铁基结构零件发展、应用和技术经济优势376
一、铁基结构零件的发展和国内现状376
二、铁基结构零件应用的主要领域378
三、铁基结构零件的技术经济优势378
第二节铁基结构零件密度和材料力学性能的关系381
一、密度与孔隙度381
二、孔隙度、孔隙形状、大小、分布与力学性能的关系381
三、孔隙对材料物理性能的影响384
四、提高密度的传统方法简介385
第三节复压复烧技术387
一、复压复烧技术的提出及其应用387
二、复压复烧技术的工艺控制387
三、复压复烧技术的技术经济评述391
第四节熔渗技术392
一、熔渗技术在粉末冶金制品生产中的应用特点392
二、铁基结构零件熔渗工艺393
三、铁基结构零件熔渗技术的工艺参数控制393
第五节温压技术396
一、温压技术的工艺特征396
二、影响温压技术致密化和强韧性的因素及其分析400
三、温压技术工业化发展前景404
第六节金属注射成形技术405
一、金属注射成形技术的工艺特征和发展前景406
二、金属粉末注射成形喂料的制备407
三、注射成形410
四、注射成形坯的脱黏（脱脂）412
五、金属注射成形坯烧结416
第七节粉末预成形坯热锻技术420
一、粉末冶金预成形坯热锻工艺的特点和应用421
二、粉末冶金预成形坯的设计和生产421
三、粉末预成形坯的锻造作业424
四、粉末预成形坯热锻材料的力学性能425
第十六章铁基结构零件合金化技术426
第一节铁基材料基础知识426
一、铁碳相图在铁基材料中的应用426
二、固溶体和固溶强化434
三、合金元素在铁基材料中的强化作用438
四、合金组织不均匀性引起的材料力学性能的波动441
第二节合金元素选用原则442
一、粉末冶金零件合金化过程中应考虑的一些工艺因素442
二、不同粉末冶金工艺选用合金元素的原则444
第三节铁基粉末冶金引入合金元素的方法445
一、混合法445
二、黏结扩散法引入合金元素446
三、用雾化法制成预合金粉446
四、熔渗法引入合金元素446
五、热处理等后续处理过程引入合金元素447
六、多元合金化应用447
第四节铁基结构零件材料系列448
一、烧结碳钢系列448
二、烧结铜钢系统451
三、烧结镍钢系列455
四、烧结低合金钢材料457
五、高耐磨高合金钢材料462
六、烧结不锈钢材料463
第十七章铁基材料热处理和表面处理466
第一节热处理基础知识466
一、热处理概念及其应用466
二、钢在加热时的奥氏体化467
三、奥氏体晶粒大小及其控制468
四、过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）469
五、过冷奥氏体转变产物的组织与性能473
第二节热处理强化在铁基粉末冶金机械零件中的应用476
一、铁基结构零件热处理工艺特点477
二、铁基结构零件常用热处理工艺类型478
三、铁基结构零件的直接淬火—回火处理479
四、铁基结构零件的表面热处理—高频淬火485
五、铁基结构零件化学热处理—渗碳和碳氮共渗487
第三节烧结硬化工艺和烧结硬化钢492
一、烧结硬化工艺的提出492
二、烧结硬化工艺合金化的影响493
三、烧结硬化钢与烧结低合金钢淬火热处理性能比较494
第四节铁基零件的蒸汽处理496
一、蒸汽处理的应用496
二、蒸汽处理的基本原理和反应497
三、蒸汽处理中常见质量故障的分析及其解决措施498
四、蒸汽封孔气密性处理501
附录503
附录Ⅰ铁铜基粉末冶金机械零件国家标准目录503
一、金属粉末及其理化与工艺性能检测标准503
二、铁铜基材料及其相关性能检测标准503
附录Ⅱ粉末冶金成形压坯面积和体积的计算方法504
一、规则形状和非规则形状面积计算法504
二、压坯体积计算法和浮重称量法506
附录Ⅲ硬度测定和硬度值的换算507
一、布氏、洛氏、维氏硬度测量508
二、洛氏硬度HRC与其他硬度及强度换算表510
三、洛氏硬度HRB与其他硬度及强度换算表511
附录Ⅳ常用模具材料及其热处理参数511
一、常用冷作模具钢钢号及化学成分511
二、常用模具钢的热处理工艺参数512
三、常用硬质合金牌号、化学成分和物理力学性能512
附录Ⅴ美国ＭＰＩＦ标准35“粉末冶金结构零件材料标准”2000年版介绍512
一、烧结铁与烧结碳钢513
二、烧结铁铜合金和烧结铜钢514
三、烧结铁镍合金和烧结镍钢515
四、烧结低合金钢517
五、烧结硬化钢518
六、扩散合金化钢519
七、烧结渗铜铁和烧结渗铜钢520
八、烧结不锈钢300系列合金521
九、烧结不锈钢400系列合金522
十、烧结黄铜、烧结青铜及烧结锌白铜524
参考文献525