第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺

第七章粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺粉末冶金（PowderMetallurgy）与陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示为：粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热等静压烧结成品本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、粉体制备技术、粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺，最后介绍快速成型工艺。粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热等静压烧结成品第七章粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺第一节粉体成型原理一、粉料的基本物理性能1.粒度(ParticleSize)和粒度分布(ParticleSizeDistribution)粒度是指粉料的颗粒大小，通常以颗粒半径r或直径d表示。粒度分布是指多分散体系中各种不同大小颗粒所占的百分比。第一节粉体成型原理2.颗粒的形态与拱桥效应人们一般用针状、多面体状、柱状、球状等来描述颗粒的形态。粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应（见图7-1）。第一节粉体成型原理3.粉体的表面特性（1）粉体颗粒的表面能(surfaceenergy)和表面状态粉体颗粒表面的“过剩能量”称为粉体颗粒的表面能。表7-1是当粒径发生变化时，一般物质颗粒其原子数与表面原子数之间的比例变化。（2）粉体颗粒的吸附与凝聚(Coagulation)一个颗粒依附于其它物体表面上的现象称之为附着。而凝聚则是指颗粒间在各种引力作用下的团聚。第一节粉体成型原理4.粉料的堆积（填充）特性(PackingProperty)单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒）堆积时的空隙率约40%。若用二种粒度（如平均粒径比为10:1）配合则其堆积密度增大；而采用三级粒度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。5.粉料的流动性(FlowingProperty)粉料虽然由固体小颗粒组成，但由于其分散度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（图7-2），其自然安息角（偏角）α保持不变。第一节粉体成型原理二、压制成型原理压制成型是基于较大的压力，将粉状坯料在模型中压成块状坯体的。1.压制成型过程中坯体的变化（1）密度的变化（2）强度的变化（3）坯体中压力的分布图7-3为单面加压是坯体内部压力分布情况。第一节粉体成型原理2.影响坯体密度(Density)的因素（1）成型压力压制过程中，施加于粉料上的压力主要消耗在以下二方面：1）克服粉料的阻力P1，称为净压力。2）克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，称为消耗压力。压制过程中的总压力P=P1+P2，即成型压力。（2）加压方式图7-4为加压方式和压力分布关系图。（3）加压速度（4）添加剂的选用第一节粉体成型原理3.对压制用粉料的工艺性能要求由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落，因此要求粉料具有良好的流动性。为了得到较高的素坯密度，粉料中包含的气体越少越好，粉料的堆积密度越高越好。第一节粉体成型原理三、可塑泥团的成型原理1.可塑泥团的流变特性(RheologicalBehavior)图7－5为粘土泥团的应力－应变曲线。图7－6表示了粘土的含水量与其应力－应变－曲线的关系。第一节粉体成型原理2.影响泥团可塑性的因素（1）固相颗粒大小和形状一般地说，泥团中固相颗粒愈粗，呈现最大塑性时所需的水分愈少，最大可塑性愈低；颗粒愈细则比表面愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分愈多，由细颗粒堆积而成的毛细管半径越小，产生的毛细管力越大，可塑性也高。不同形状颗粒的比表面是不同的，因而对可塑性的影响也有差异。（2）液相的数量和性质水分是泥团出现可塑性的必要条件。泥团中水分适当时才能呈现最大的可塑性，如图7-7所示。第一节粉体成型原理3.对可塑坯料的工艺性能要求可塑性好，含水量适当，干燥强度高，收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。第一节粉体成型原理四、泥浆/粉浆的成型原理1.泥浆的流变特性（1）泥浆的流动曲线图7-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。（2）影响泥浆流变性能的因素1）泥浆的浓度图7-9为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。2）固相的颗粒大小一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、颗粒间平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减少。第一节粉体成型原理3）电解质的作用向泥浆中加入电解质是改善其流动性和稳定性的有效方法。4）泥浆的pH值pH值影响其解离程度，又会引起胶粒ζ-电位发生变化，导致改变胶粒表面的吸力与斥力的平衡，最终使这类氧化物胶溶或絮凝。第一节粉体成型原理2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要求制备出的泥浆应能够满足下列基本要求：流动性好，稳定性好，适当的触变性，含水量少，滤过性好，坯体强度高，脱模容易，不含气泡。第一节粉体成型原理第二节粉体制备技术一、粉碎(Porphyrization)与机械合金化(MechanicalAlloying)方法粉碎的过程是由机械能转变为粉料表面能的能量转化过程。机械粉碎法因其设备定型化，产量大，容易操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。在相同的工艺条件下，添加少量的助磨剂往往可使粉碎效率成倍地提高（图7-10）。第二节粉体制备技术二、合成法(Synthetic)1.原料合成的目的和作用2.合成方法（1）金属粉末的合成方法1）还原法(ReductionMethod)还原法的基本原理就是所使用的还原剂对氧的亲和力比相应金属对氧的亲和力大，因而能够夺取金属氧化物中的氧而使金属被还原出来。2）雾化法(AtomizationMethod)雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（空气、惰性气体）或高压液体（通常是水）通过喷嘴作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。3）电解法(ElectrolysisMethod)电解法既可以在水溶液中进行，也可以在熔盐状态下进行。第二节粉体制备技术（2）化合物粉末的合成方法1）固相法(SolidReactionProcess)制备粉末固相法就是以固态物质为初始原料来制备粉末的方法。①化合反应法②热分解反应法③氧化物还原法2）液相法制备粉末液相法分为溶液法和熔液法两大类。①溶液法1生成沉淀法(PrecipitationMethod)a.直接沉淀法b.均匀沉淀法c.共沉淀法第二节粉体制备技术2溶剂蒸发法(SolventVaporizationProcess)a.冰冻干燥法b.喷雾干燥法c.喷雾热分解法②熔液法1等离子体喷射法典型的等离子喷管如图7-11所示2激光法图7-12为激光法制超微粉工艺原理图。3）气相法制备粉末①蒸发－凝聚法②气相化学反应法第二节粉体制备技术第三节粉末冶金（PowderMetallurgy）的成型工艺一、压制成型1.物料准备（1）粉末的分级（2）配料混合圆锥形混料器如图7-13所示。（3）混合料湿磨第三节粉末冶金的成型工艺术2.压制工艺（1）称料称料量通常称为压坯的单重（允许一定的误差）。压坯的单重可按以下公式计算：Q=V×d×K式中：Q--单件压坯的称料量（单重），kg；V--制品的体积（由制品图算出），m3；d--制品要求密度，kg/m3；K--重量损失系数。称料方法有两种：（1）重量法；（2）容量法。（2）装料将所称量的粉末装入模具中时，要求粉末在模腔内分布均匀、平整，以保证压坯各部分压缩比一致。第三节粉末冶金的成型工艺术（3）压制压制通常在液压机或机械压力机上进行。压制的总压力按下式计算：P=p×S式中：P--总压力，kg；p--单位压制压力，kg/m3；S--与压力方向垂直的压坯受压面积，m2。（4）脱模压力去掉以后，压坯要从压模内脱出，从整体压模中脱出的方法有两种，即将压坯向上顶出或向下推出。第三节粉末冶金的成型工艺术二、粉浆浇注成型1.粉浆的制备2.模具材料浇注用的模具是用石膏做成的。3.浇注方法可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。第三节粉末冶金的成型工艺术三、楔形压制楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模冲，将粉末分段压制而成制品。如图7-14所示。这种方法可以用一组楔形压制循环示意图表示。第三节粉末冶金的成型工艺术第四节陶瓷材料的成型工艺一、普通日用陶瓷的成型工艺1.注浆成型（1）基本注浆方法基本注浆法可分为空心注浆(SlushCasting)（单面注浆）和实心注浆（solidcasting-或叫双面注浆）两种。图7－15为空心注浆示意图。图7－16为实心注浆示意图。第四节陶瓷材料的成型工艺（2）强化注浆方法强化注浆方法是在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使得吸浆速度和坯体强度得到明显改善的方法。根据所加外力的形式，强化注浆可以分为真空注浆、离心注浆和压力注浆等。1）真空注浆（SuctionCasting）2）离心注浆（CentrifugalCasting）3）压力注浆（PressureCasting）第四节陶瓷材料的成型工艺2.可塑成型可塑成型是对具有一定可塑变形能力的泥料进行加工成型的方法。（1）滚压成型（RollerForming）成型时，盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥料进行滚压成型（图7-17）。（2）塑压成型（PlasticPressing）它是将可塑泥料放在模型内在常温下压制成坯的方法。塑压成型的成型步骤如下（图7-18）。3.压制成型粉料含水量为3-7%时为干压成型；粉料含水量为8-15%时为半干压成型。第四节陶瓷材料的成型工艺二、高技术陶瓷的成型工艺1.注浆成型法（1）注浆成型（2）热压铸成型（HotInjectionMoulding）热压铸成型法是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状。它的成型过程如下：1）蜡浆料的制备此工序的目的是为了将准备好的坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中制成蜡板以备成型用。2）热压铸图7-19为热压铸机的结构示意图。3）高温排蜡（3）流延成型（Doctor-BladeCastingProcess）又叫带式浇注法、刮刀法。如图7-20所示。第四节陶瓷材料的成型工艺2.可塑成型法（1）挤压成型（Extruding）挤压成型一般是将真空练制的泥料，放入挤制机内，这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。如图7-21所示。（2）轧膜成型（RollForming）这是新发展起来的一种可塑成型方法，适宜生产1mm以下的薄片状制品，如图7-22所示。第四节陶瓷材料的成型工艺3.模压成型（1）压制成型（2）等静压成型（IsostaticPressing）等静压成型如图7-23所示。等静压成型方法有冷等静压和热等静压两种类型。冷等静压又分为湿式等静压和干式等静压。1）湿式等静压如图7-24所示。2）干式等静压如图7-25所示。第四节陶瓷材料的成型工艺第五节烧结（Sintering）一、烧结工艺1.烧结温度与保温时间（SoakingTime）的确定烧结温度(TS)和熔融温度(TM)的关系有一定规律：金属粉末：TS≈(0.3-0.4)TM，盐类：TS≈0.57TM，硅酸盐：TS≈(0.8-0.9)TM。烧结保温时间与烧结温度有关。通常，烧结温度较高时，保温时间较短；相反，烧结温度较低时，保温时间要长。2.烧结气氛的选择3.升温和降温（冷却）速度的确定升温和降温时间由制品尺寸和性能要求而定。第五节烧结（Sintering）二、烧结方法表7-2列出各种先进或特殊的烧结方法以及它们的优缺点和适用范围。第五节烧结（Sintering）第六节陶瓷与粉末快速成型工艺一、快速成形原理快速成形技术（RPT-RapidPrototypingTechnique）的本质是采用积分法制造三维实体，在成形过程中，先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型，然后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层信息传递