金属粉末的热固结

金属粉末的热固结作者：葛浦LOGO2本章知识掌握要点◆了解热等静压（HIP）的原理、工艺及其主要设备组成；◆说明粉末金属锻造，特别是与轴线对称的零件的锻造；◆理解包套及其应用；◆说明应用于金属粉末的热挤压工艺及其他相关细节，比如它在无缝管上的应用；◆对放电等离子体烧结有所了解。3金属的热固结方法◆热压◆热挤压◆热等静压◆放电等离子体烧结◆结构零件的粉末锻造4热压hotpressing◆又称加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低一点，经过较短时间烧结成致密而均匀的制品。5模具材料的选择◆合适的模具材料在热压温度下，应具有足够高的强度来承受所施加的压力而不会发生塑形变形，且不与热压的粉末发生任何反应。◆广泛采用的材料是石墨，它可用来制作铍和硬质合金的热压膜。6应用◆铍制品◆硬质合金◆金刚石工具等7热压成型机8热挤压◆综合了热压和热机械加工，可生产完全致密的产品。◆三种基本的粉末热挤压方法9第一种◆将粉末松装于热挤压筒中，而后将粉末直接从挤压模挤出。◆适用于挤压某些镁合金粉末，或称之为镁合金球粒10第二种◆将粉末先进行冷压而后热压。◆适用于挤压铝合金粉末坯料。11第三种——最广泛采用◆将粉末装入金属容器或包套中，加热后连包套一起进行挤压。◆适用于处理那些有毒的、有放射性的、易燃的或者易被空气污染的粉末。12热等静压（HotIsostaticPressing，简称HIP）◆将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温,在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。13工艺◆热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中（类似模具作用），包套可以采用金属或陶瓷制作（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺；或者将成型后的铸件；包括铝合金；钛合金；高温合金等缩松缩孔的铸件进行热致密化化处理，通过热等静压处理后，铸件可以达到100%致密化，提高铸件的整体力学性能。14包套的要求◆粉末包套的形状不得有太大变化◆在加压时，包套不得发生泄漏◆包套不得与粉末发生反应◆热等静压完成后，必须用切削加工、磨加工或化学方法将包套除去15优点◆集热压和等静压的优点于一身，成形温度低，产品致密，性能优异，故是高性能材料制备的必要手段16热等静压系统简图17热等静压原理图18框架塞头式缸盖密封结构热等静压设备◆1、绕丝框架◆2、塞头顶部◆3、塞头端部◆4、密封圈◆5、绕丝热等静压室◆6、高压容器中心部钢板1920热等静压技术的应用及发展◆重要应用实例是制造喷气发动机的涡轮盘◆目前在美国，日本，已经欧洲都实现了产业化，在海洋，航空，航天，汽车等领域应用；我国起步较晚，20世纪60年代，国内一些科研单位，开展了一系列的研究，包括热等静压设备的开发，航空高温合金粉末涡轮盘的开发，热等静压高性能材料的研发，取得了一系列的研究成果及科学技术进步奖；我国开展热等静压的产业化起步较晚，目前此技术在我国的普及率极低，由于没有规模化，产业化，故生产成本较高，目前主要还技术集中在航空航天高性能材料的研发及铸件的致密化处理；但是随着经济的发展，建设创新性国家的需求，以及一些高性能材料的开发，国内某些单位依托科研院所的研究成果，开展了热等静压产业化的工作；为我国的新材料开发，以及热等静压的普及工作作出了卓有成效的工作；21放电等离子体烧结(SparkPlasmaSintering,简称SPS)◆将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。22SPS的烧结原理◆SPS是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是电离气体，由大量正负带电粒子和中性粒子组成，并表现出集体性为的一种准中性气体。23◆等离子体是解离的高温导电气体，可提供反应活性高的状态。等离子体温度4000～10999℃，其气态分子和原子处在高度活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。24SPS的应用◆等离子体加工技术已得到较多的应用，例如等离子体CVD、低温等离子体PBD以及等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子刻蚀方面，在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。而等离子体的另一个很有潜力的应用领域是在陶瓷材料的烧结方面。25SPS装置◆SPS装置主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统（真空、氩气）；直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量、和安全等控制单元。26SPS设备基本结构27SPS的工艺优势◆加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件等。28◆与HP和HIP相比，SPS装置操作简单，不需要专门的熟练技术。据文献报道，生产一块直径100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不锈钢梯度材料（FGM）用的总时间是58min，其中升温时间28min、保温时间5min和冷却时间25min。与HP相比，SPS技术的烧结温度可降低100～200℃。29SPS在材料制备中的应用◆近几年，国内外用SPS制备新材料的研究主要集中在：陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物，复合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料，他包括热电材料、磁性材料、功能梯度材料、复合功能材料和纳米功能材料等。对SPS制备非晶合金、形状记忆合金、金刚石等也作了尝试，取得了较好的结果。30结构零件的粉末锻造◆复压◆镦（dun）锻31粉末锻造工序◆预成形坯设计◆粉末选择◆预成形坯压制◆预成形坯烧结◆预成形坯锻造32预成形坯设计◆是粉末锻造成功的主要关键，因为其对材料中的金属流动与应力分布有重大影响。33粉末选择◆一般来说，粉末锻造的零件必须能与现有的用常规锻造或铸造生产的零件，在性能和价格的基础上进行竞争。34预成形坯压制◆将松散粉末压制成预成形坯的压力取决于粉末的压缩性和所要求的预成形坯密度◆严格控制质量35预成形坯锻造◆粉末锻造机特点1、压力——位移特性必须符合预成形坯变形的要求；2、工件与模具接触的时间要尽量短，以将预成形坯的激冷减小到最低限度；3、为使锻件尺寸工差精密，压机应是刚性的，压头的间隙应窄小；4、必须有零件脱出机构。36应用◆主要用来制造高性能粉末冶金零件，特别是汽车零件中的轴向对称零件。◆轴向对称零件——锥形滚柱轴承座圈、内凸轮/座圈、变速器、变扭器及连杆等