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04/25/21

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1

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POWDER METALLURGY

POWDER METALLURGY

Manufacturing Process 

Manufacturing Process 

Lecture

Lecture

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2

2

Introduction

Introduction

Powder metallurgy, or P/M (pronounced 

Powder metallurgy, or P/M (pronounced 

PM), is a 

PM), is a 

process

process

 for forming metal parts 

 for forming metal parts 

by heating compacted metal 

by heating compacted metal 

powders

powders

 to 

 to 

just below their melting points. 

just below their melting points. 

Powder metallurgy is the study of the 

Powder metallurgy is the study of the 

processing of metal powders, including 

processing of metal powders, including 

the fabrication, characterisation, and 

the fabrication, characterisation, and 

conversion of metal powders into useful 

conversion of metal powders into useful 

engineering components.

engineering components.

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3

3

What do we learn?

What do we learn?

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4

4

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5

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Introduction to Powder 

Introduction to Powder 

Metallurgy

Metallurgy

Attraction  of  P/M  :  the 

Attraction  of  P/M  :  the 

ability 

to 

fabricate 

ability 

to 

fabricate 

high  quality,  complex 

high  quality,  complex 

parts 

to 

close 

parts 

to 

close 

tolerances 

in 

an 

tolerances 

in 

an 

economical manner.

economical manner.

Automated operation : 

Automated operation : 

low  relative  energy 

low  relative  energy 

consumption, 

high 

consumption, 

high 

material 

utilisation, 

material 

utilisation, 

and low capital costs.

and low capital costs.

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6

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POWDER METALLURGY PROCESS

POWDER METALLURGY PROCESS

TOPICS 
COVERED IN 
THIS LECTURE

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7

7

Advantages of the P/M 

Advantages of the P/M 

Process

Process

Eliminates  or  minimises 

Eliminates  or  minimises 

machining.

machining.

Eliminates  or  minimises 

Eliminates  or  minimises 

scrap loses.

scrap loses.

Maintains 

close 

Maintains 

close 

dimensional tolerances.

dimensional tolerances.

Permits  a  wide  variety  of 

Permits  a  wide  variety  of 

alloy systems.

alloy systems.

Produces 

good 

surface 

Produces 

good 

surface 

finishes.

finishes.

Provides  materials  which 

Provides  materials  which 

may  be  heat-treated  for 

may  be  heat-treated  for 

increased 

strength 

or 

increased 

strength 

or 

increased wear resistance.

increased wear resistance.

Provides 

controlled 

Provides 

controlled 

porosity  for  self-lubrication 

porosity  for  self-lubrication 

or filtration.

or filtration.

Facilitates  manufacture  of 

Facilitates  manufacture  of 

complex  or  unique  shapes 

complex  or  unique  shapes 

which would be impractical 

which would be impractical 

or  impossible  with  other 

or  impossible  with  other 

metalworking processes.

metalworking processes.

Suited to moderate-to high 

Suited to moderate-to high 

volume 

component 

volume 

component 

production requirements.

production requirements.

Offers 

long-term 

Offers 

long-term 

performance  reliability  in 

performance  reliability  in 

critical applications.

critical applications.

Cost effective.

Cost effective.

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8

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Applications for Metal 

Applications for Metal 

Powders

Powders

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9

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POWDER CHARACTERISTICS  

POWDER CHARACTERISTICS  

P/M  deals  with  particles 

P/M  deals  with  particles 

that  are  larger  than 

that  are  larger  than 

smoke  (0.01  to  1 

smoke  (0.01  to  1 

m), 

m), 

but  smaller  than  sand 

but  smaller  than  sand 

(0.1  to  3  mm).  Many 

(0.1  to  3  mm).  Many 

metal 

powders 

are 

metal 

powders 

are 

similar  in  size  to  the 

similar  in  size  to  the 

diameter  of  a  human 

diameter  of  a  human 

hair (25-200

hair (25-200

m).

m).

 

 

What is a particle ?

What is a particle ?

Collecting 

Collecting 

representative sample of 

representative sample of 

powder  for  analysis  can 

powder  for  analysis  can 

be  difficult.  Sampling 

be  difficult.  Sampling 

errors  can  be  avoided 

errors  can  be  avoided 

using some simple rules.

using some simple rules.

Particle size and 

Particle size and 

distribution.

distribution.

Particle shape and its 

Particle shape and its 

variation with particle 

variation with particle 

size.

size.

Surface area

Surface area

Interparticle friction

Interparticle friction

Flow and packing

Flow and packing

The internal particle 

The internal particle 

structure

structure

Composition, 

Composition, 

homogeneity, and 

homogeneity, and 

contamination.

contamination.

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10

10

Particle Size

Particle Size

Particle  size  is  a 

Particle  size  is  a 

determination  of  the 

determination  of  the 

dimensions 

of 

dimensions 

of 

particle.

particle.

Most  particle  size 

Most  particle  size 

analysers  use  one 

analysers  use  one 

geometric 

geometric 

parameter and make 

parameter and make 

the  assumption  of  a 

the  assumption  of  a 

spherical 

particle 

spherical 

particle 

shape.

shape.

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11

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Particle Size Distribution

Particle Size Distribution

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12

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Particle Shape

Particle Shape

Particle  shape  influences 

Particle  shape  influences 

packing, 

flow, 

and 

packing, 

flow, 

and 

compressibility, 

compressibility, 

provides information on 

provides information on 

the  powder  fabrication 

the  powder  fabrication 

route, and helps explain 

route, and helps explain 

many 

processing 

many 

processing 

characteristics.

characteristics.

Particle shape varies with 

Particle shape varies with 

size  and  manufacturing 

size  and  manufacturing 

technique.*

technique.*

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13

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Variations in Shape

Variations in Shape

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14

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*Water Atomisation Process

*Water Atomisation Process

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15

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Powder Structure

Powder Structure

magnified 

cross 

magnified 

cross 

section 

through 

section 

through 

powder 

reveals 

powder 

reveals 

artifacts that indicate

artifacts that indicate

Fabrication conditions

Fabrication conditions

Possible processing 

Possible processing 

problems

problems

Internal pores, 

Internal pores, 

segregation, 

segregation, 

inclusions, and oxides.

inclusions, and oxides.

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16

16

Powder Chemistries

Powder Chemistries

There are 3 groups of powder:

There are 3 groups of powder:

1.

1.

The  elemental  powders  are 

The  elemental  powders  are 

relatively  high  purity  materials 

relatively  high  purity  materials 

where chemical analysis focuses 

where chemical analysis focuses 

on the impurity concentration.

on the impurity concentration.

2.

2.

Premixed powders are 

Premixed powders are 

combinations of two or more 

combinations of two or more 

distinct powders that will 

distinct powders that will 

diffusionally alloy in sintering 

diffusionally alloy in sintering 

(concerns: impurity levels and 

(concerns: impurity levels and 

proper compounding of the 

proper compounding of the 

mixture).

mixture).

3.

3.

The prealloyed powders 

The prealloyed powders 

constitute micro-castings with 

constitute micro-castings with 

multiple elements in a 

multiple elements in a 

predetermined ratio (concerns: 

predetermined ratio (concerns: 

alloy composition and impurity 

alloy composition and impurity 

concentrations). 

concentrations). 

Surface Conditions:

Surface Conditions:

-

Oxides

Oxides

-

Adsorbed organic films

Adsorbed organic films

-

The presence of 

The presence of 

surface coatings like 

surface coatings like 

silica to determine 

silica to determine 

appropriate cleaning 

appropriate cleaning 

treatments

treatments

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17

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Powder Adjustment to Improve Packing and 

Powder Adjustment to Improve Packing and 

Flow

Flow

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18

18

Packing Structures

Packing Structures

The packing density 

The packing density 

dictates the die fill, 

dictates the die fill, 

binder content, and 

binder content, and 

shrinkage in sintering.

shrinkage in sintering.

The greater the surface 

The greater the surface 

roughness or the more 

roughness or the more 

irregular the particle 

irregular the particle 

shape, the lower the 

shape, the lower the 

packing density.

packing density.

For common P/M 

For common P/M 

powders the packing 

powders the packing 

density ranges from 

density ranges from 

30-65% of theoretical.

30-65% of theoretical.

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19

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Mixing and Blending 

Mixing and Blending 

Mixing and blending are 

Mixing and blending are 

necessary :

necessary :

to prepare unique 

to prepare unique 

particle size 

particle size 

distribution.

distribution.

Combine powders to 

Combine powders to 

generate new alloys 

generate new alloys 

during sintering.

during sintering.

Add lubricants for 

Add lubricants for 

compaction

compaction

To prepare a powder-

To prepare a powder-

binder mixture for 

binder mixture for 

shaping.

shaping.

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Shaping and Compaction

Shaping and Compaction

Injection Molding

Injection Molding

Slurry Techniques : 

Slurry Techniques : 

Slip casting and tape 

Slip casting and tape 

casting

casting

Freezing technique

Freezing technique

Extrusion

Extrusion

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22

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Injection Molding

Slurry 

Techniques

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23

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COMPACTION

COMPACTION

To achieve greater 

To achieve greater 

densities requires 

densities requires 

an external 

an external 

pressure.

pressure.

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24

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Stages of Compaction

Stages of Compaction

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Conventional Compaction

Conventional Compaction

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Density Lines after Compacted 

Density Lines after Compacted 

Powder

Powder

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27

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SINTERING

SINTERING

Sintering is the 

Sintering is the 

bonding together of 

bonding together of 

particles at high 

particles at high 

temperatures.

temperatures.

T < Tm by solid-state 

T < Tm by solid-state 

atomic transport 

atomic transport 

(solid-state sintering)

(solid-state sintering)

Involves formation of 

Involves formation of 

a liquid phase (liquid-

a liquid phase (liquid-

state sintering) 

state sintering) 

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28

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Sintering Theory

Sintering Theory

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Pore Structures in Sintering

Pore Structures in Sintering

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Liquid Phase Sintering

Liquid Phase Sintering

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Practical Sintering 

Practical Sintering 

Operations

Operations

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33

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SECONDARY OPERATIONS

SECONDARY OPERATIONS


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