前言
20世紀初發展起來的粉末冶金技術，在推動材料科學的發展、促進現代科學技術進步中，做出了不可磨滅的貢獻。
20世紀30年代以後，粉末冶金技術又將材料科學和金屬成形技術完善地結合起來，成為量大面廣的高效、節材、節能的少、無切削新型加工技術。如今，採用粉末冶金技術製造的各類機械零件，廣泛地套用於汽車、機車等交通運輸機械、農業機械、紡織機械、辦公機械、食品機械、印刷機械及電動工具、家電產品、音響製品等各類主機產品中。可以這樣說，凡是運轉的機械主機中，無不包含著由粉末冶金技術製造的各式各樣的零件。
我國粉末冶金零件製造技術起步於20世紀50年代，比工業已開發國家晚了近30年。當時由於缺少必要的生產技術基礎和專業人才，進展十分緩慢。至80年代中期以後，在引進主機產品，尤其是轎車等項目中，發現在許多主機中大量套用粉末冶金零件，尤其是結構零件，其數量之多，套用面之廣，使我們受到了極大的啟發，得到了包括主機產業在內的各方面重視和關注。隨後通過近20年包括技術引進，裝備更新改造，鐵粉原料在數量、質量和品種等方面同步提高，為21世紀粉末冶金機械零件業走上快速發展軌道，打下了較好的基礎。
進入21世紀的頭幾年，我國製造業進入快速發展時期，尤以汽車工業發展勢頭旺盛。大家知道，世界粉末冶金零件業的發展，是和汽車工業發展最為密切相關的。在已開發國家，汽車工業始終是粉末冶金零件的最大用戶。如20世紀末北美粉末冶金汽車零件占整個粉末冶金機械零件的70％以上，日本80％以上，其中以轎車上的套用最為典型。這無疑提示我們，粉末冶金零件企業遇到了前所未有的發展機遇。
但是，包括汽車在內的現代各類主機產品對零件的技術水平要求很高。高精度、複雜形狀的結構零件，不但要有先進的技術裝備，而且在設計製造人員綜合學科知識的運用和創新能力、一線職工的技術素養、企業管理水平等方面，必須提高至一個新的平台。機遇和挑戰並存，市場巨大的潛力和企業綜合水平的提高，將成為貫穿我國粉末冶金機械零件發展的總趨勢，也為各類企業、各方人才提供了巨大的發展空間。
正是從這個角度出發，為適應我國粉末冶金零件發展的需要，結合我國企業的技術現狀，為眾多中小企業中從事粉末冶金零件製造的廣大工程技術人員、管理人員以及現場的實際操作者，撰寫一本以粉末冶金基礎知識為指導的實用技術類書籍，是十分必要和迫切的。鑒於此，本書在撰寫過程中將突出以下特點。
第一，加強基礎，指導套用。本書撰寫中，將粉末冶金機械零件成形和燒結過程中涉及的有關材料科學和成形技術的基礎知識揉進實用技術中，以提高現場工程技術人員和實際操作者套用基礎知識指導生產實踐的能力，在實踐中進一步提高理論認識水平和技術素養，增強發展後勁。
第二，突出針對性，服務對象明確。粉末冶金技術本身，涵蓋的內容非常廣泛，本書僅把量大面廣的鐵銅基機械零件製造技術作為主要描述對象，並針對我國鐵基結構零件水平相對薄弱，而發展勢頭又特彆強勁的現狀，精心組織內容。
第三，普及新技術，力求新發展。本書在撰寫中，參閱了近二十年來粉末冶金製造技術中湧現出來的新技術、新工藝文獻，並通過現場考察，結合作者的認識水平，擇其發展潛力大的，對大多數企業有啟示和發展前景的溫壓技術、金屬注射成形技術、燒結硬化技術等內容納入本書，提高企業對新技術、新工藝的興趣和認識水平，為進一步開發、套用新技術、新工藝起到鋪路架橋的作用。
書中內容深入淺出，基礎知識以套用為目的，並考慮適應人才寬口徑的需要，注意培育他們的學習興趣，力求做到看得懂、用得上，並在技術水平上有所收益，有所提高。
本書由三部分組成。第一篇金屬粉末側重於粉末製造方法和金屬粉末性能與工藝性能的關係，使零件製造業對粉末原料有一個全面的了解，並提供選材的依據。
第二篇是成形技術和模具模架設計。它既是一個獨立的篇章，又是和緻密金屬成形技術不完全相同的少、無切削新型成形過程，在完成成形的同時，必須融會貫通粉末冶金材料科學的基礎知識。本篇重點放在高精度、形狀複雜結構零件的模具模架設計、製造和運行故障的排除和大量示例。
第三篇為燒結、材料和後處理技術，以深入淺出的敘述方式介紹相對深奧的燒結基礎理論，以開拓科學思維的想像力和分析問題的能力。側重點則致力於高強度結構零件的緻密化、合金化和熱處理等技術的套用。並對溫壓技術、金屬注射成形技術、燒結硬化技術等內容，採用科技普及性敘述方式，作了較為詳盡的介紹，藉以反映粉末冶金製品技術的新水平和新成果。
本書大綱由合肥工業大學周作平提出，概論部分、第一篇、第三篇由周作平撰寫，第二篇由南京理工大學申小平撰寫、書稿由周作平審定。
在書稿撰寫過程中，參閱了多種科技書稿和有關文獻資料，在此，對有關書稿和文獻資料的作者致以誠摯的敬意和衷心的感謝!
限於作者水平，書中錯誤和不當之處難免，懇請讀者批評指正。
編著者
2005年6月
目錄
第一章 概論 1
第一節 粉末冶金髮展歷史概述 1
一、粉末冶金的基本概念 1
二、粉末冶金髮展史上的三個重要標誌 1
三、粉末冶金在現代技術和國民經濟中的作用 2
第二節 粉末冶金機械零件製造工藝特徵 3
一、粉末冶金機械零件傳統製造工藝 3
二、粉末冶金機械零件製造的新工藝、新技術 4
三、用粉末冶金工藝製造機械零件的技術經濟特徵和優先選擇原則 7
第三節 粉末冶金減摩零件和結構零件 8
一、粉末冶金減摩零件的發展和套用 8
二、粉末冶金結構零件的發展和套用 9
三、粉末冶金機械零件的經濟評估 9
四、粉末冶金機械零件的產品開發和行銷 11
第一篇 粉末原料
第二章 金屬粉末 13
第一節 金屬粉末性能 13
一、粉末與粉末體 13
二、粉末粒度分類和粒度分布 14
三、粉末形狀 15
四、金屬粉末化學成分 16
五、金屬粉末工藝性能 16
第二節 鐵銅基粉末原料製備方法簡介 18
一、機械粉碎法19
二、熔融液態金屬和合金霧化法 22
三、金屬化合物還原法 23
四、電解法 24
五、羰基化合物熱離解法 24
第三章 機械零件用金屬粉末原料的主要生產方法 26
第一節 固體碳還原法生產鐵粉 26
一、還原法基本原理 26
二、還原法生產海綿鐵工藝 29
三、海綿鐵的二次精還原 34
四、還原鐵粉國家標準 35
五、鐵粉標準中主要參數的含義 36
第二節 水霧化法生產金屬鐵粉 38
一、霧化法生產金屬粉末的基本原理 38
二、噴嘴結構 41
三、霧化法製取金屬鋼鐵粉末 43
四、霧化工藝參數和金屬液的內在性質對粉末粒度和形狀的影響 45
五、水霧化鐵粉和還原鐵粉性能比較 47
第三節 低合金鋼鐵粉末的生產 47
一、水霧化法生產低合金鋼粉 48
二、擴散黏結法部分預合金粉的生產 51
三、共還原法製取鐵鉬合金粉 51
第四節 國外主要金屬粉末公司鋼鐵粉末品種和性能簡介 53
一、還原鐵粉品種和性能 53
二、霧化純鐵粉品種和性能 54
三、預合金粉品種與性能 55
四、擴散黏結部分預合金粉品種和性能 56
五、預合金化高合金鋼粉品種和性能 57
第五節 霧化青銅粉和電解銅粉的生產 58
一、氣霧化6-6-3青銅粉工藝 59
二、水溶液電解法生產銅粉 60
第六節 鋼鐵粉末主要工藝參數檢測方法 64
一、粉末的驗收與取樣 64
二、鐵粉化學成分測定 66
三、氫損值測定 67
四、金屬粉末中酸不溶物測定 68
五、金屬粉末粒度組成的測定 60
六、金屬粉末松裝密度的測定 69
七、金屬粉末流動性的測定 70
八、金屬粉末壓縮性的測定 71
九、金屬粉末的成形性 73
第二篇 成形技術和模具模架
第四章 粉末冶金成形技術基礎 75
第一節 壓制過程力的分析 76
一、壓制壓力 76
二、側壓力 76
三、外摩擦力和壓力損失 77
四、脫模壓力 77
五、壓力中心 79
六、精整壓力 80
第二節 粉末在壓制過程中的變化規律 80
一、壓制過程中粉末的運動和粉末的變形 80
二、壓制壓力和壓坯密度、強度的關係 81
三、單軸向鋼模壓制壓坯密度的不均勻性分布 82
四、調整壓坯密度分布的壓制方式選擇 83
五、多台階壓坯密度均勻分布的遵循原則 90
第三節 壓制工藝 97
一、配料及其計算 97
二、混料工藝及影響因素 98
三、手動壓制中的稱料、裝料 101
四、自動壓制中的稱料、裝料 102
五、壓制過程控制 104
六、脫模 105
七、壓坯質量控制及檢查 106
八、壓坯密度、密度分布對燒結製品質量的影響 109
第五章 粉末冶金零件設計 110
第一節粉末壓坯形狀設計 110
一、壓坯形狀的分類 110
二、壓坯形狀的設計 112
三、特殊壓坯形狀的設計 116
四、組合成形法簡化壓坯複雜形狀的設計 118
五、不同壓坯形狀壓制面的選擇 119
第二節 粉末壓坯密度設計 122
一、密度大小的設計 122
二、密度均勻性的設計 123
第三節 壓坯尺寸及精度設計 126
一、壓坯的尺寸限制 126
二、尺寸及位置精度設計 127
第六章 粉末冶金成形模具與模架(I) 131
第一節 粉末冶金成形壓機的基本要求與選擇依據 131
一、基本要求 131
二、選擇依據 132
第二節 粉末冶金模架的作用及分類 136
一、模架的功能及特點 136
二、模架和模具的構成關係和基本動作 138
三、粉末冶金專用成形模架的類型 138
第三節 常見粉末冶金成形模架 139
一、普通壓機用成形模架 139
二、粉末冶金專用壓機拉下式成形模架 143
三、粉末冶金專用壓機頂出式成形模架 148
第七章 粉末冶金成形模具與模架(II) 150
第一節 成形模具結構設計 150
一、成形模具結構分類 150
二、成形模具結構設計原則 150
三、成形模具結構設計步驟 151
第二節 成形模具結構方案 151
一、普通成形模結構基本方案示例 151
二、特殊成形模結構基本方案示例 155
第三節 壓模自動化機構的設計 156
一、浮動機構 156
二、脫模復位機構 163
三、自動裝粉機構 171
第八章 粉末冶金成形模具與模架(III) 174
第一節 普通壓機用成形模具結構示例 174
一、等高壓坯模具結構示例 174
二、帶台階壓坯模具結構示例 175
第二節 粉末冶金專用壓機用成形模具結構示例 182
一、一個台階壓坯模具結構示例 133
二、多台階壓坯模具結構示例 184
三、特殊形狀壓坯模具結構示例 186
第九章 精整模具 191
第一節 精整、精壓和復壓 191
一、精整 191
二、精壓 193
三、復壓 193
第二節 精整模具模架結構設計 194
一、精整模的基本要求 194
二、精整模結構設計 194
三、精整模架類型 198
第三節 精整模結構與動作示例 201
一、通過式精整模結構 201
二、全精整式精整模結構 203
第十章 模具主要零件設計 206
第一節 成形模具主要零件結構設計 206
一、陰模設計 206
二、芯棒設計 209
三、模沖設計 211
第二節 精整模具主要零件設計 213
一、陰模設計 213
二、芯棒設計 214
三、模沖設計 216
第三節 模具主要零件尺寸設計 216
一、模具尺寸計算步驟 216
二、模具參數選擇 216
三、模具尺寸計算方法 223
第四節 典型產品零件設計計算示例 230
一、柱面零件 230
二、帶台零件 235
第十一章 粉末冶金模具製造 244
第一節 模具製造的一般要求 244
一、模具的使用狀況 244
二、模具製造的要求 244
第二節 模具主要零件材料的選擇 245
一、陰模常用材料的選擇 246
二、芯棒常用材料的選擇 246
三、上下模沖常用材料的選擇 247
四、模套材料的選擇 247
第三節 模具主要零件材料的成分及熱加工工藝 248
一、硬質合金 248
二、鋼結硬質合金及熱加工工藝 250
三、高速鋼及熱加工工藝 251
四、高合金工具鋼及熱加工工藝 251
五、低合金工具鋼及熱加工工藝 252
六、碳素工具鋼及熱加工工藝 252
七、合金結構鋼、碳素結構鋼及熱加工工藝 253
第四節 模具主要零件製造工藝 253
一、機械加工 253
二、特種加工 254
三、模具主要零件製造工藝流程 257
四、模具零件的典型加工工藝舉例 257
第五節 提高模具壽命的方法 262
一、研究和選用新型模具材料 263
二、改進熱處理工藝方法 263
三、模具表面塗覆處理 264
四、電火花表面強化 265
第六節 模具零件的檢測方法 265
一、性能檢測 265
二、外觀質量檢測 266
三、尺寸、形狀和位置公差檢測 266
四、合模檢查 268
五、產品驗收 268
第十二章 模具的安裝和調試 269
第一節 模具的安裝 269
一、安裝要點 269
二、安裝前的準備工作 269
三、安裝程式 269
第二節 模具的調試 271
一、調試要求 271
二、調試程式 271
第三節 試模出現的主要缺陷與調整 271
一、壓坯密度不符合工藝要求 271
二、尺寸不符合要求 272
三、形位公差超差 273
四、外觀不合格 274
第四節 精整中常見的質量問題及解決方法 281
一、尺寸精度及形位公差不合格 281
二、表面缺陷 282
三、精整時的潤滑問題 284
第五節 常見的模具損壞類型及分析 284
一、模具損壞類別 284
二、模具損壞分析 285
第三篇 燒結、材料和後處理技術
第十三章 燒結基本原理和燒結技術 288
第一節 燒結概述 288
一、燒結的概念及其在粉末冶金工藝中的重要性 288
二、燒結的分類 289
第二節 燒結的基本原理 290
一、燒結過程熱力學基礎知識 290
二、燒結機構簡介 291
三、固相燒結 293
四、液相燒結295
五、活化燒結299
第三節 鐵基零件燒結技術 301
一、鐵基零件燒結技術的特點 301
二、鐵基零件燒結過程的三個基本階段 301
三、鐵基零件燒結和冷卻過程中組織機構的變化 304
四、鐵基減摩零件和鐵基結構零件燒結工藝參數的差異 307
第四節 燒結氣氛 308
一、鐵基零件生產中保護氣氛的選擇原則 308
二、鐵基生產中常用燒結保護氣氛及技術經濟評述 312
三、氣體的淨化和乾燥劑的套用與再生 323
第五節 燒結裝備 326
一、粉末冶金燒結工藝對燒結爐的基本要求 326
二、鐵銅基零件生產中常用燒結爐類型 326
三、鐵基零件燒結爐燒結過程的正常運行和故障分析 330
第十四章粉末冶金減摩材料和製品(含油軸承)製造技術 334
第一節 粉末冶金減摩零件的材料特性 334
一、減摩零件與結構零件的套用功能與製品品種 334
二、對減摩零件的性能要求 335
三、粉末冶金減摩零件的性能特點 335
第二節 影響鐵銅基含油軸承減摩性能的因素 340
一、孔隙的影響及孔隙度確定 340
二、粉末粒度的影響 341
三、顯微組織結構的影響 341
四、潤滑劑的影響 343
第三節 固體潤滑劑的套用 344
一、石墨和二硫化鉬的套用 345
二、硫及硫化物的套用 346
三、其他潤滑劑的套用 347
第四節 鐵基含油軸承製造工藝 349
一、鐵基含油軸承材料系列 349
二、含油軸承製造工藝過程中的質量控制 356
第五節 青銅基含油軸承製造技術359
一、青銅基含油軸承特點和套用 359
二、青銅基含油軸承材料成分 360
三、燒結青銅含油軸承孔隙的形成機制及其控制 362
四、青銅基含油軸承製造工藝 364
五、青銅基含油軸承的儲油性和供油性 366
六、提高質量的工藝措施 367
第六節 燒結金屬石墨材料和帶鋼背的複合減摩材料 369
一、金屬石墨材料 369
二、帶鋼背的複合減摩材料 371
第十五章 鐵基結構零件緻密化技術 376
第一節 鐵基結構零件發展、套用和技術經濟優勢 376
一、鐵基結構零件的發展和國內現狀 376
二、鐵基結構零件套用的主要領域 378
三、鐵基結構零件的技術經濟優勢 378
第二節 鐵基結構零件密度和材料力學性能的關係 381
一、密度與孔隙度 381
二、孔隙度、孔隙形狀、大小、分布與力學性能的關係 381
三、孔隙對材料物理性能的影響 384
四、提高密度的傳統方法簡介 385
第三節 復壓復燒技術 387
一、復壓復燒技術的提出及其套用 387
二、復壓復燒技術的工藝控制 387
三、復壓復燒技術的技術經濟評述 391
第四節熔滲技術 392
一、熔滲技術在粉末冶金製品生產中的套用特點 392
二、鐵基結構零件熔滲工藝 393
三、鐵基結構零件熔滲技術的工藝參數控制 393
第五節 溫壓技術 396
一、溫壓技術的工藝特徵 396
二、影響溫壓技術緻密化和強韌性的因素及其分析 400
三、溫壓技術工業化發展前景 404
第六節 金屬注射成形技術 405
一、金屬注射成形技術的工藝特徵和發展前景 406
二、金屬粉末注射成形餵料的製備 407
三、注射成形 410
四、注射成形坯的脫黏(脫脂) 412
五、金屬注射成形坯燒結 416
第七節 粉末預成形坯熱鍛技術 420
一、粉末冶金預成形坯熱鍛工藝的特點和套用 421
二、粉末冶金預成形坯的設計和生產 421
三、粉末預成形坯的鍛造作業 424
四、粉末預成形坯熱鍛材料的力學性能 425
第十六章 鐵基結構零件合金化技術 426
第一節 鐵基材料基礎知識 426
一、鐵-碳相圖在鐵基材料中的套用 426
二、固溶體和固溶強化 434
三、合金元素在鐵基材料中的強化作用 438
四、合金組織不均勻性引起的材料力學性能的波動 441
第二節 合金元素選用原則 442
一、粉末冶金零件合金化過程中應考慮的一些工藝因素 442
二、不同粉末冶金工藝選用合金元素的原則 444
第三節 鐵基粉末冶金引入合金元素的方法 445
一、混合法 445
二、黏結擴散法引入合金元素 446
三、用霧化法製成預合金粉 446
四、熔滲法引入合金元素 446
五、熱處理等後續處理過程引入合金元素 447
六、多元合金化套用 447
第四節 鐵基結構零件材料系列 448
一、燒結碳鋼系列 448
二、燒結銅鋼系統 451
三、燒結鎳鋼系列 455
四、燒結低合金鋼材料 457
五、高耐磨高合金鋼材料 462
六、燒結不鏽鋼材料 463
第十七章 鐵基材料熱處理和表面處理 466
第一節 熱處理基礎知識 466
一、熱處理概念及其套用 466
二、鋼在加熱時的奧氏體化 467
三、奧氏體晶粒大小及其控制 468
五、過冷奧氏體轉變產物的組織與性能 473
第二節 熱處理強化在鐵基粉末冶金機械零件中的套用 476
一、鐵基結構零件熱處理工藝特點 477
二、鐵基結構零件常用熱處理工藝類型 478
三、鐵基結構零件的直接淬火-回火處理 479
四、鐵基結構零件的表面熱處理-高頻淬火 485
五、鐵基結構零件化學熱處理-滲碳和碳氮共滲 487
第三節 燒結硬化工藝和燒結硬化鋼 492
一、燒結硬化工藝的提出 492
二、燒結硬化工藝合金化的影響 493
三、燒結硬化鋼與燒結低合金鋼淬火熱處理性能比較 494
第四節 鐵基零件的蒸汽處理 496
一、蒸汽處理的套用 496
二、蒸汽處理的基本原理和反應 497
三、蒸汽處理中常見質量故障的分析及其解決措施 498
四、蒸汽封孔氣密性處理 501
附錄 503
附錄I 鐵銅基粉末冶金機械零件國家標準目錄 503
一、金屬粉末及其理化與工藝性能檢測標準 503
二、鐵銅基材料及其相關性能檢測標準 503
附錄II 粉末冶金成形壓坯面積和體積的計算方法 504
一、規則形狀和非規則形狀面積計算法 504
二、壓坯體積計算法和浮重稱量法 506
附錄III 硬度測定和硬度值的換算 507
一、布氏、洛氏、維氏硬度測量 508
二、洛氏硬度HRC與其他硬度及強度換算表 510
三、洛氏硬度HRB與其他硬度及強度換算表 511
附錄IV 常用模具材料及其熱處理參數 511
一、常用冷作模具鋼鋼號及化學成分 511
二、常用模具鋼的熱處理工藝參數 512
三、常用硬質合金牌號、化學成分和物理-力學性能 512
附錄V 美國MPIF標準35"粉末冶金結構零件材料標準"2000年版介紹 512
一、燒結鐵與燒結碳鋼 513
二、燒結鐵銅合金和燒結銅鋼 514
三、燒結鐵鎳合金和燒結鎳鋼 515
四、燒結低合金鋼 517
五、燒結硬化鋼 518
六、擴散合金化鋼 519
七、燒結滲銅鐵和燒結滲銅鋼 520
八、燒結不鏽鋼-300系列合金 521
九、燒結不鏽鋼-400系列合金 522
十、燒結黃銅、燒結青銅及燒結鋅白銅 524
參考文獻 525
