材料科学与工程学院
工程综合训练报告
学 生 姓 名： 专
业
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学 号：
材料科学与工程
训练题目： 指 导 教 师:
金属粉末压制、烧结过程的数值模拟研究
2014年10月30日
工程训练任务要求(教师填写) 课题的目的意义： 粉末冶金包括粉末制备和粉末经过压制、烧结得到冶金制品两部分，它既可制造出传统冶炼技术难以得到的金属材料，又可直接由粉末制成最终制品或接近最终形状的制品，而不需或只需少量机加工便可以达到制品的技术需求。与传统的金属加工方法相比，粉末冶金的材料利用率高、能耗低、经济效益好，是节能节材的先进工艺技术。因此，在工业生产中被大量用于金属零件的制备，特别是在汽车制造业领域有着广泛的应用。 粉末材料是由大量颗粒构成，内部含有一定的孔隙，是一个非连续体。这种非连续体的变形是一个非常复杂的过程，在压制成形过程中，需要以各个颗粒的变形以及各颗粒之间的协调关系来研究其整体变形。由于目前非连续介质力学的基础还不完善，对粉末材料塑性变形理论的研究还很欠缺，因此，加强对粉末材料塑性变形过程的研究和掌握粉末材料变形规律的研究对粉末塑性成形的工艺优化方法将是十分必要的。在烧结固化过程中，由于空隙的存在不仅影响粉末材料的导热、导电性能，而且空隙的数量、形状和分布差异也改变着温度场、位移场和力场。因此，研究粉末冶金材料的相对密度和及隙变化规律对优化烧结工艺起着至关重要的作用。 目前，大部分企业在粉末压制、烧结工艺设计和模具设计方面，一般都依赖于设计者的经验，采用反复试验即试错法来确定工艺步骤和模具形状、尺寸。这种方法不仅不能保证产品的质量，而且要消耗大量的人力、物力和时间，更重要的是对成形、烧结过程中许多复杂问题难以考虑，特别在开发新产品时存在很大的盲目性，设计效率低下。随着现代科学技术和计算机技术的快速发展，这种反复试验法已越来越不能适应现代化大规模生产的要求。因此，了解粉末压制成形及烧结过程中的影响因素，改进工艺优化设计方案，提高工艺设计效率及产品质量，成为粉末冶金工艺理论必须研究的重要问题。计算机技术的快速发展和相关科学理论的逐步完善，以数学、力学为基础，以计算机为工具的现代数值分析方法逐渐被人们所重视。因此，采用计算机有限元模拟对粉末材料压制、烧结过程进行模拟就成为一种有效的设计方法。通过有限元模拟，不仅可以得到粉末压制、 1
烧结过程中的所有的宏观力学参数、变形参数，而且还能直观地放映出粉末冶金制品中的应力应变分布、密度分布、温度场、速度场以及粉末颗粒流动规律。此外，还可以观察到实际生产过程中存在的问题，并提出有效的改进措施，从而做到早期评价，优化工艺参数，快速有效地确定模具的最终理想形状，提高生产效率，降低成本。对于认识了解粉末材料压制、烧结过程，有限元数值模拟分析是一种切实可行的有效途径。 指导教师签名：
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工 程 综 合 训 练 报 告
1．结合工程综合训练课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。[1] 广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件(占绝大部分)、含油轴承和金属射出成型制品等。 粉末冶金相关企业主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，相关原料、辅料生产，各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等。军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹，鱼雷等，飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场，约50%的汽车零部件为粉末冶金零部件。[2] 粉末冶金产品的制备过程：首先生产粉末。粉末的生产过程步骤有粉末原材料的制取、粉料的混合等。一般选择加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂来改善粉末的成型性和可塑性。之后是压制成型。将粉末在一定压力下，在模具中压制成所需形状。之后在保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结成型。类似于熟化现象，烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。烧结之后进行后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。 粉末冶金作为一种冶金技术，不同于传统冶金工艺，其特点有： 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。 （1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 （2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 （3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 （4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
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（5）可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。 （6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。[3] 由于粉末冶金的种种性质，因此应用面比较特殊，粉末冶金相关企业主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，相关原料、辅料生产，各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等。军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹，鱼雷等，飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场，约50%的汽车零部件为粉末冶金零部件。 粉末冶金于上世纪90年代在美国已经有所出现，但是由于其技术要求高，成本与以往冶金方式比有差距，外形不同模具不同的原因导致其发展受阻，但是即便如此，其发展速度依旧是可观的。就我国为例，我国粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投入缺乏与困扰。(5)工艺装备、配套设施落后。(6)产品出口少，贸易渠道不畅。 随着我国加入WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。 据《2013-2017年中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》 目前，中国粉末冶金零件及含油轴承总产值超过55亿元，占全球市场比重较小，发展空间也较为广阔。根据中国机协粉末冶金专业协会对53家企业统计数据显示，2010年中国粉末冶金零件行业实现主营业务收入48.41亿元，同比增长39.75%;利润总额为3.76亿元，较上年增加了一倍。在产值方面，粉末冶金零件行业实现工业总产值50.57亿元，其中新产品产值6.28亿元，新产品率(新产品产值/工业总产值)为12.37%;工业销售产值49.73亿元，其中出口交货值6.28亿元，出口率(出口交货值/工业销售产值)为16.62%。[4] 1.《粉末冶金制取粉末的方法》．中国摩擦材料商务网 [引用日期2013-03-29] ． 2.《解读粉体材料科学与工程（粉末冶金专业）》 材料人网 [引用日期2014-01-17] ． 3.《2016年我国车用粉末冶金零部件需求将超过16万吨》 ．产业信息网 [引用日期2013-12-17] ． 4. 《2013-2017年中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》 4