第六章-粉末材料及其成形技术

第六章第六章粉末材料及其成形技术粉末材料及其成形技术•6.1金属粉末材料的制备•6.2普通粉末冶金技术原理及方法•6.3粉末材料及其成形新技术粉末锻件粉末锻件硬质合金、金属陶瓷硬质合金、金属陶瓷粉末冶金粉末冶金•制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的制品的技术科学。•是一门多学科交叉的综合性技术，涉及到化工、冶金、材料制备、压力加工、自动控制等学科技术。•最大可制造：3吨的制件（热等静压）；•最小：零点零几克（～0.01克）；•制品最小厚度：可达15～20µm。•粉末冶金一般工艺（1）制粉（2）物料准备（3）成形（4）烧结（热压（热等静压）、固相烧结、液相烧结等）（5）烧结后处理粉末冶金生产工艺金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例地质、采矿工具硬质合金，金刚石-金属材料机械加工硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车、拖拉机制造机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机床制造、纺织机械机械零件，多孔含油轴承等机车制造多孔含油轴承，摩擦材料等造船多孔含油轴承，摩擦材料，油漆用铝粉等冶金矿山机械多孔含油轴承，机械零件，等电机制造多孔含油轴承，铜-石墨电刷，硬磁材料精密仪器、仪表零件硬磁材料，软磁材料，功能陶瓷等工业炉电热材料，电真空材料电气和电子工业电接触材料，电真空材料，磁性材料，功能陶瓷无线电和电视磁性材料，功能陶瓷等五金和办公用具机械零件等医疗器械机械零件，特殊器械等化学、石油工业过滤器，防腐零件，催化剂载体等军事工业穿甲弹头，炮弹箍，军械零件等航空摩擦材料，过滤器，粉末超合金等航天和火箭难熔金属及合金，纤维强化材料，发汗材料等原子能工业核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料等6.16.1金属粉末材料的制备金属粉末材料的制备•粉末材料的种类繁多，主要有金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末、生物质粉末(如,木粉)等。•粉末材料的成形方法也多种多样，主要有冶金成形、压制成形、注射成形、复合成形等。•任何粉末材料成形的第一步，都必须获取原料粉末。金属粉末从形状上看，有球形、片状、树枝状等；从粒度上看，有几百微米的粗粉、纳米级的超细粉末；从制取粉末的方法看，有物理化学法、机械法等。另外，一些难熔的金属化合物(如碳化物、硼化物、硅化物、氯化物等)可采用还原化合、化学气相沉积等方法制备。金属粉末的主要制备方法•雾化法•机械粉碎法•还原法•气相沉积法粉末原料在成形前的处理•退火、混合、筛分、加润滑剂、制粒……雾化法•在外力的作用下，将液体金属或合金直接破碎称为细小的液滴，并快速冷凝而制得粉末的方法，粉末直径一般小于150μm。•可制取多种金属和合金粉末，任何能形成液体的材料都可以进行雾化制粉。•水雾化&气雾化：借助高压水流或气流的冲击作用破碎液流。又称之“二流雾化”。•离心雾化：利用机械离心力作用破碎液流。•真空雾化•超声波雾化•根据雾化介质对金属液流作用方式，雾化具有多种形式：①平行喷射式②垂直喷射式③V形喷射式④锥形喷射式⑤漩涡环形喷射式机械粉碎法•依靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末。•根据物料粉碎的最终程度，分为粗碎、细碎。•压碎为主要作用：碾碎、辊轧等；•击碎和磨削为主要作用：球磨、棒磨、锤磨等。•常用的机械粉碎法：机械研磨法、机械合金化。•机械研磨法：将球磨机筒体内腔装填适量料、水、磨球，筒体做回转运动，带动筒体内众多大大小小的研磨体以某种规律运动，使物料受到撞击、研磨作用而粉碎，直至达到预定的细度。转速较低转速较高转速较适宜•机械合金化机械合金化是一种从元素粉末制取具有平衡或非平衡相组成的合金粉末或复合粉末的制粉技术。它是在高能球磨机中，通过粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。机械合金化与滚动球磨的区别：使球体运动的驱动力不同。•机械合金化技术的特点主要有：(1)可形成高度弥散的第二相粒子；(2)可以扩大合金的固溶度，得到过饱和固溶体；(3)可以细化晶粒，甚至达到纳米级。还可以改变粉末的形貌；(4)可以制取具有新的晶体结构、准晶或非晶结构的合金粉末；(5)可以使有序合金无序化；(6)可以促进低温下的化学反应和提高粉末的烧结活性。6.26.2普通粉末冶金技术原理及方法普通粉末冶金技术原理及方法•粉末冶金是一门制造金属粉末，并以金属粉末为主要原料（有时也添加非金属粉末），经过混合、成形、烧结和后处理工序，制造材料或制品的技术。粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上相似，因此粉末冶金法又称为金属陶瓷法。•粉末冶金工艺过程粉末冶金成形的特点粉末冶金成形的特点1．优点可生产普通熔铸法难于生产的材料•多孔材料（孔隙度可控）；•假合金（如Cu-W）；•复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；•特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；某些粉末冶金材料与熔铸材料相比，性能更优越：•避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。•钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。对制品成型有明显优势①是一种少切削、无切削工艺（近净成型nearnet-shape）；②可大批量生产同一零件；③形状很复杂零件（如齿轮、凸轮等）的制造公差窄；④不需或简化机械的精加工作业；⑤节能、省材；⑥可制造自润滑材料。2．缺点①粉末成本高；②形状、尺寸受到一定限制；③成形模具较贵；一般要生产量在5000～10000个/批，才经济。④烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。与其他成型工艺比较（制造金属结构件）与其他成型工艺比较（制造金属结构件）1．和熔铸技术比较粉末冶金优势：①粉末冶金制件表面光洁度高；②制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；③合金化与制取复合材料的可能性大④组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；⑤在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：①形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件）②适于制造大型零件；③零件生产批量小时，经济；④一般说来，工、模具费用低。2．和热模锻技术比较粉末冶金优势：①粉末冶金制件精度比精锻高；②粉末锻造节省材料、重量控制精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；③粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。热模锻优势：①可制造大型零件；②锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末锻造件相当；③可制造形状复杂程度较高的制品。•粉末冶金的主要成形方法近年来，粉末材料及其成形作为材料技术研究与应用领域的热点之一，取得了长足的进步，出现了大量新技术、新工艺。•普通模压成形：将金属粉末或混合粉末装在压模内，通过压力机加压成形。•非模压成形：等静压成形、喷射成形、注射成形、激光快速成形、反应烧结等。•模压成形粉料在常温下、密闭的钢模中，按规定的压力（一般150~600MPa）、在普通机械式压力机或自动液压机上将粉料制成压坯的方法。特点：•工装设备简单，成本低。•但由于压力分布不均匀，会使压坯各部分密度分布不均匀影响制品性能。适用于简单、小尺寸零件。•温压成形将专用金属或合金粉末与聚合物润滑剂混合后，采用特制的粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，升温到一定温度，压制成压坯，再经预烧、烧结、整形等工序，可获得较高密度的粉末冶金件。•温压成形可显著提高压坯密度，原因在于：加热状态下，粉末的屈服强度较低，且润滑剂作用增强。•特点：成本低、密度高、模具寿命长、效率高、工艺简单、易精密成形和可完全连续化。•热压成形又称加热烧结，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些，经过较短的烧结时间，获得致密而均匀的制品。优点：大大降低成形压力和缩短烧结时间，并可制得密度较高和晶粒较细的材料或制品。6.36.3粉末材料及其成形新技术粉末材料及其成形新技术•等静压成形•粉末注射成形•粉末激光快速烧结成形粉末等静压成形粉末等静压成形•等静压成形原理•冷等静压成形•热等静压成形•烧结-热等静压借助高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压人耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉料上，粉料在同一时间内、在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。等静压成形原理•等静压成形按其特性分成冷等静压(CIP)和热等静压(HIP)两种。前者常用水或油作为压力介质，故有液静压、水静压或油静压之称；后者常用气体(如氩气)作为压力介质，故有气体热等静压之称。与一般的钢模压制法相比，等静压成形有下列优点：①能够压制具有凹形、空心等复杂形状的零件；②压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦损耗也很小，单位压制压力较钢模压制法低；③能够压制各种金属粉末和非金属粉末，压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效；④压坯强度高，便于加工和运输；⑤冷等静压的模具材料是橡胶和塑料，成本较低；⑥能在较低的温度下制得接近完全致密的材料。等静压成形的缺点是：①压坯尺寸精度和压坯表面的精度都比钢模压制法的低；②尽管采用干袋式或批量湿袋式的等静压成形，生产效率有所提高，但通常其生产效率仍低于自动钢模压制法；③所用橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具要短得多。冷等静压成形冷等静压成形由冷等静压机完成，冷等静压机主要由高压容器和流体加压泵组成，其辅助设备有流体储罐、压力表、输送流体的高压管道和高压阀门等。在冷等静压机的工作系统中，物料装人弹性模套内，被放置入高压容器内，压力泵将过滤后的流体注入压力容器内，使弹性模套受压，施加压力达到了所要求的数值之后，开启回流阀，使流体返回储罐内，备用。压力容器是压制粉末的工作室，其大小由所需要压制工件的最大尺寸按一定的压缩率放大计算。工作室承受压力的大小应由粉末特性、压坯性能、压坯尺寸来确定；根据不同的要求，高压容器可被设计成单层筒体、双层筒体或缠绕式简体。冷等静压按粉料装模方式及其受压形式可分为：湿袋模具压制和干袋模具压制两类。热等静压成形把粉末压坯或把装入特制容器(粉末包套)内的粉末体置于热等静压机高压容器中，施以高温和高压，使这些粉末体被均匀压制和烧结成致密的零件或材料的过程称为粉末热等静压成形。粉末体(粉末压坯或包套内的粉末)在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，可以强化压制与烧结过程，降低制品的烧结温度，改善制品的组织结构，消除材料内部颗粒间的缺陷和孔隙，提高材料的致密度和强度。热等静压设备通常是由装有加热炉体的压力容器和高压介质输送装置及电气设备组成的。但热等静压技术最新的发展趋势是，用预热炉在热等静压机外加热工件。省去压力容器内的加热炉体，这将会提高压力机容器的有效容积，消除了由于容器内炉体装接电极柱造成密封的困难，成倍地提高了热等静压机的工作效率。热等静压机的压力容器是用高强度钢制成的空心圆筒体，直径一般为150～1500mm，高为500～3500mm，工件的体积在0.028～2.0m3之间。通常压力范围为7～200MPa，最高使用温度范围一般为1000～2300℃。国内外已采用热等静压技术制取核燃料棒、粉末高温合金涡轮盘、钨喷嘴、陶瓷及金属基复合材料等。如今它在制取金属陶瓷、硬质合金、难熔金属制品及其化合物、粉末金属制品、金属基复合材料制品、功能梯度材料、有毒物质及放射性废料的处理等方面都得到了广泛应用。烧结-热等静压(Sinter—HIP)过程把经模压或冷等静压压制成的坯块放人热等静压机的高压容器内，依次进行脱蜡、烧结和热等静压压制，使工件的相对密度接近于100％。这是继常规热等静压压制技术之后开发出的一种先进工艺。脱蜡（或其他成形剂）和烧结可在真空状态下或在工艺确定的气体（如氢气、氨氢混合气、甲烷）保护下进行。按照传统的烧结概念，液相和固相烧结都会促进烧结坯块内部孔隙减少，并产生收缩和致密化。在这一过程中，烧结温度和时间是要准确