第十二章粉末冶金材料及新型材料_工程材料及制造技术基础

教学内容及步骤：第十二章粉末冶金材料及新型材料第一节粉末冶金材料粉末冶金材料是用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成形、烧结和后处理等工艺过程而制成的材料。一、粉末冶金法的应用粉末冶金法可使压制品达到或极接近零件所要求的形状、尺寸精度和表面粗糙度，是一种少屑或无屑、生产率高、材料利用率高、节省生产设备的精密加工方法。二、硬质合金硬质合金是以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加入起粘接作用的金属粉末，用粉末冶金法制得的材料。1、常用硬质合金的类别、成分和牌号（1）钨钴类硬质合金主要化学成分是WC（碳化钨）及Co。牌号由“YG+数字”组成。其中“YG”是“硬钴”二字汉语拼音字首，数字是以名义百分数表示的Co的质量分数。例如：YG6表示Co≈6%，余量为WC的钨钴类硬质合金。（2）钨钛钴类硬质合金主要化学成分是WC、TiC（碳化钛）及Co。牌号由“YT+数字”组成。其中，“YT”是“硬钛”二字汉语拼音字首，数字是以名义百分数表示的TiC的质量分数。例如：YT15表示TiC≈15%的钨钛钴类硬质合金。（3）钨钛钽（铌）类硬质合金这类硬质合金又称为万能硬质合金或通用硬质合金。它是用TaC（碳化钽）或NbC（碳化铌）取代钨钛钴类合金中的部分TiC。牌号由“YW+数字”组成。其中，“YW”是“硬万”二字汉语拼音字首，数字是顺序号。如YW1表示是1号万能硬质合金。2、硬质合金的性能硬质合金具有高的抗压强度、耐蚀性和抗氧化性，常温下硬度可达86～93HRA，热硬性高，耐磨性好，其切削速度比高速工具钢高４～７倍，刀具寿命高５～80倍，可切削50HRC左右的硬质材料。但抗弯强度较低，韧性差，线膨胀系数小，导热性差。3、硬质合金的应用硬质合金常用来做刀具材料，广泛用于高速切削和对高硬度或高韧性材料的切削加工中。硬质合金还可用来制作冷作模具。钨钴类适用于拉深模，YG6、YG8适用于小拉深模，YG15适用于大拉深模和冲压模具。各种专用量具的易磨损面镶以硬质合金，可延长使用寿命。如千分尺的测量头，车床顶尖、精轧辊、无心磨床的导板等。4、切削加工用硬质合金的分类和分组代号切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象范围不同，分为Ｐ、M、K三类，每一类所适用的被加工材料的类别不同，可将各类硬质合金按用途进行分组，用途代号由“类别代号+数字”组成，如P01、M10、K20…第二节新型材料一、形状记忆合金形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金。形状记忆效应是指合金经变形后，在一定条件下，仍能恢复到变形前的形状的现象。形状记忆效应的三种情况形状记忆合金的应用：最先报道的形状记忆合金应用的例子是制造月面天线。这种月面天线是用处于马氏体状态的Ti-Ni丝焊接成半环状天线，然后压缩成小团，用阿波罗火箭送上月球。在月面上，小团被阳光晒热后又恢复原状，即可用于通讯。对于体积大而难以运输的物体亦可用这种材料及方法制造。形状记忆效应和超弹性可广泛用于医学领域，如制造血栓过滤器、牙齿矫形丝、心脏修补元件等。用记忆合金作铆钉，铆接过程如图12-2所示。图12-2形状记忆铆钉的铆接过程示意图a）成型（T＞Ms）b）施力扳直（T＜Mf）c）插入（T＜As）d）加热（T＞Af）（T＝工作温度）（T＝工作温度）二、纳米材料纳米材料是晶粒或晶界等显微构造能小到纳米尺寸水平（一般指在1～100nm之间）并具有新特性的材料。应注意，纳米材料是以材料的尺寸来定义的材料领域，它并不特指某一种成分（组分）或某一类结构或某一类特性的材料，它跨越了原有各种材料的学科分类界限。在纳米材料的定义中，要注意尺寸范围和新的特性两个方面，缺少任何一方面都是不完整的。纳米材料的特性：纳米材料的诱人价值在于它具有传统材料所不具备的新特性，而这些新特性又都与其纳米级的小尺寸有着必然联系。纳米颗粒尺寸在1～100nm尺度范围中，纳米效应（表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等）也随之表现出来，各种纳米效应都可能使得纳米材料产生某一方面新的特性。例如：原来是良导体的金属，当尺寸减小到几个nm时就变成了绝缘体；原来是典型的共价键无极性的绝缘体，当尺寸减小到几nm或十几nm时，电阻大大下降，甚至可能导电；原是铁磁性的粒子在几nm尺寸时可能变成超顺磁性，矫顽力为零；金属的熔点也会大大降低。如大块金和银的熔点分别是1063℃和960℃，而在2nm时分别降至330℃和100℃。纳米材料的应用：纳米TiN改性TiC基金属陶瓷材料，是在金属陶瓷TiC中主要加入纳米TiN以细化晶粒。晶粒细小有利于提高材料的强度、硬度和断裂韧度，因此纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具具有优良的力学性能，是一种高技术含量和高附加值的新型刀具，在切削加工领域可以部分取代YG8、YT15等硬质合金刀具，刀具寿命提高两倍以上，生产成本与YG8刀具相当或略低。三、新兴永磁合金通常所说的永磁材料，也叫做硬磁或恒磁材料，是指被磁化后，去掉外加磁场仍能保持较强的剩磁，且不易退磁的材料。典型永磁合金的特性及应用：1、金属永磁合金2、铁氧体永磁合金3、稀土钴类永磁合金4、钕铁硼永磁合金进入二十世纪九十年代，稀土永磁材料又有新的发展，正在研究中的稀土-铁氮化物（Sm2Fe17Nx与NdFe10.5Mo1.5Nx）材料具有更好的磁性能，它极有可能成为第四代稀土永磁材料。另外，纳米复合磁体的研究也倍受关注，其性能有可能远远超过钕铁硼永磁合金。四、非晶态合金由于非晶合金在结构上与玻璃相似，故亦称为金属玻璃。非晶态合金的制备：非晶态合金的制备可采用液相急冷法、气相沉积法、注入法等。液相急冷法即通过快速冷却来获得非晶态固体材料。非晶态合金的特点：1、高强韧性2、耐腐蚀性3、优良的磁性的软磁材料。4、工艺简单、节能、环保典型的非晶态合金：1、铁基非晶合金2、铁镍基非晶合金3、钴基非晶合金4、铁基纳米晶合金（超微晶合金）非晶态合金的应用：在高档录音、录像机中广泛应用的高耐磨音频视频磁头。图书管或超市中的报警设施等。小结:新型材料的学习主要是开阔视野，了解发展动态，不作深入探讨。