粉末冶金（压制烧结）
在模具中压制粉末，再在网带炉中烧结
粉末冶金制造金属零件，全程不熔化金属：把细粉压入模具，再加热到颗粒结合。无绳电钻里的小齿轮和台扇里的含油青铜轴套就是这样做的。它是成百万地制造小型精确金属零件最便宜的方法之一。
工作原理
混合。 细金属粉末，颗粒多在 0.15 mm 以下（大致像面粉），与石墨或铜等合金粉末混合。再加入约 0.5–1% 的蜡质润滑剂，让粉末在模具中顺利滑动。
充液。 送粉靴滑过模具，把粉末倒入型腔（决定形状的空腔）。下冲头停在设定的深度，所以每次填充的量都相同。
压制。 上、下冲头从两端以约 400–800 MPa（每平方厘米 4–8 吨）挤压粉末。得到的是“生坯”零件：形状完整，但只靠相互咬合的颗粒维系，所以大约像粉笔一样易碎。
顶出。 下冲头上升，把零件顶出。送粉靴返回补粉时把它扫到一边，所以压机每隔几秒就能出一个零件。
烧结。 网带载着零件通过一条充满保护气体（防止氧化的气体，氧化就是生锈的反应）的长炉。润滑剂先烧掉。然后在约 1,120 °C（铁和钢）下，原子在每个接触点上扩散，并在颗粒之间长出实心的“烧结颈”。
需要时再精整。 许多零件出炉就可以用了。另一些要经过整形压制以获得更严的尺寸，浸油做成自润滑轴承，热处理提高硬度，或机加工出侧孔和螺纹。
关键数据
- 材料
- 主要是铁和钢；也有不锈钢、青铜、黄铜、铜、铝、磁性合金和碳化钨
- 典型零件
- 齿轮、链轮、凸轮、轴套、锁具零件、磁体、过滤器
- 零件尺寸
- 通常几克到约 2 kg，多为手掌大小；压机的力限制了受压面积
- 精度
- 烧结态约 ±0.05–0.1 mm；整形压制后更严
- 表面质量
- 细腻的哑光灰色，约 Ra 1–3 µm（Ra 是表面凸起的平均高度）
- 适合的批量
- 大批量：通常每年约 1 万到几百万件
- 模具与设备成本
- 一套模具大约 1 万到 10 万美元；压机和烧结炉要几十万到几百万美元
- 速度
- 每台压机每分钟约 10–30 件；进炉过程大约 1–3 小时，但连续不停地运行
优点与局限
优点
- 近净成形：几乎不需要机加工，废料极少
- 大批量时单件成本低
- 能做出熔炼做不出的混合材料，如铜钨合金或自带孔隙的金属
- 零件之间的重复性很高
局限
- 残留的孔隙（常占体积的 5–15%）使零件比实心钢更弱
- 模具很贵，所以小批量很少划算
- 形状必须能直接从模具中顶出：不能有倒扣或侧孔
- 尺寸和高度受压机的力以及粉末填充是否均匀所限
应用领域
- 汽车机油泵齿轮、正时链轮、气门正时转子、变速箱同步器齿毂
- 电动工具与家电行星齿轮；电钻、风扇和搅拌机里的自润滑轴套
- 锁具与五金锁凸轮、杠杆、锁舌零件
- 电气软磁电机铁芯、铁氧体和稀土磁体
- 过滤器多孔青铜和不锈钢过滤器、气阀上的消声器
- 切削刀具碳化钨刀片和钻头
如何识别
- 表面是均匀的哑光灰色；用放大镜可能会发现微小的孔隙。
- 棱柱状的形状：轮廓从上到下保持不变，只有沿压制方向才有平面和台阶。
- 青铜轴套摸起来略带油感，因为它们的孔隙里含着油。
- 倒角的末端在边缘有一个很小的平台，因为刀刃般锋利的冲头边缘会碎裂。
对比
观看
MPIF Videos · 行业协会讲解从粉末到成品零件的整个流程
Simeko AG · 烧结炉内颗粒之间发生了什么
Comtec Mfg., Inc. · 真实的压制成形机、烧结炉和成品零件
GKN Powder Metallurgy · 金属粉末本身如何制造，以及现代生产线
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- 维基百科：粉末冶金 — 工艺概述，附烧结零件的照片
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 把粉末压成形，再加热到熔点以下，使颗粒结合。
- 最适合轮廓简单的小零件，成十万地制造，几乎没有废料。
- 残留的孔隙会损失一些强度，但也使自润滑轴承和过滤器成为可能。
