第五章 粉末冶金成形及其他新型成形方法.ppt

粉末冶金成形及其他新型成形方法,第五章,一、粉末冶金成形定义采用成形和烧结等工序将金属粉末，或金属与非金属粉末的混合物，制成金属制品的工艺方法。,粉末冶金成形概述,此工艺方法又被称为金属陶瓷法。,粉末冶金工艺的基本工序,原料粉末的制取和准备,金属粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。,,金属粉末的制取和应用渊源久远,古代曾用金、银、铜、青铜及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首饰等器具的着色、装饰；20世纪初,美国人库利吉W.D.Coolidge用氢还原氧化钨生产钨粉以制取钨丝，是近代金属粉末生产的开端；此后用化学还原法制取了铜、钴、镍、铁、碳化钨等多种粉末，促进了早期粉末冶金制品含油多孔轴承、多孔过滤器、硬质合金等的发展；,30年代先后采用低成本的涡流研磨法及还原法制取铁粉，还出现了熔融金属雾化法，用于制取锡、铅、铝等低熔点金属粉末；40年代初发展成为用高压空气雾化制取铁粉；50年代开始用高压水雾化制取合金钢和多种合金粉末；60年代研究出多种雾化方式生产高合金粉末，促进了高性能粉末冶金制品的发展；70年代出现了多种气相和液相物理化学反应方法，制取重要用途的包覆粉末和超细粉末。,将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块；,坯块烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。,粉末冶金工艺过程,,近代粉末冶金技术发展的三个重要标志,克服了难熔金属熔铸过程中的困难；多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、无切削的特点；向新材料、新工艺发展。,,与液态成形相比，粉末冶金主要优点,可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现；一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形十分困难。,金属粉末和粉末冶金制品、材料的应用举例见P214表5-2。,大批量生产时，粉末冶金法生产效率高、能耗低、材料省，价格低廉。其经济效益对比见P214表5-1。,5.1粉末冶金成形,一粉末制备,制取粉末主要取决于该材料的性能及制取方法的成本。粉末的形成是将能量传递到材料，从而制造新生表面的过程。,按转变的作用原理将粉末制取方法分为机械法物理化学法,粉末冶金生产实践中，机械法和物理化学法之间并没有明显界限，是相互补充的。,常用的粉末制取方法还原法、雾化法、电解法。,,,1.机械粉碎法,设备分粗碎和细碎两类。主要起压碎作用的有碾碎机、辊轧机、颚式破碎机等粗碎设备。主要起击碎和磨削作用的有锤碎机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等细碎设备。,机械粉碎是靠压碎、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。,,机械粉碎法主要有机械研磨法机械合金化涡旋研磨冷气流粉碎,机械研磨比较适用于脆性材料，涡旋研磨和冷气流粉碎等方法多用于塑性金属或合金粉末制取。,,2.雾化法,雾化法是将液体金属或合金直接破碎，形成直径小于150μm的细小液滴，冷凝而成为粉末。,,雾化设备,,,主要的雾化方法,水雾化或气雾化，也称二流雾化离心雾化真空雾化超声波雾化,,水雾化或气雾化，也称二流雾化,,离心雾化,真空雾化,超声波雾化,,3.还原法,用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末，是一种广泛采用的制粉方法。,最简单的反应以下式表示,MeOX→MeXO,式中Me-生成氧化物MeO的金属；X-还原剂。,此外还可通过气相沉积法和液相沉淀法来制取金属粉末。,二粉末配制,粉末冶金成形前，要对粉末进行预处理及配制。,预处理包括退火筛分制粒,1.退火,粉末预先退火可使残留氧化物进一步还原、降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度，消除粉末的加工硬化等。,退火温度因金属粉末的种类而异，一般退火温度可按下式计算,退火一般用还原性气氛，有时也可用惰性气氛或者真空。,T退（0.50.6）T熔,式中T退-退火温度，K；T熔-合金的熔点，K。,2．筛分,把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。,3．制粒,将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。,4．混合,将两种或两种以上不同成分粉末均匀混合的过程。,混合包括机械法和化学法。,三压坯,压坯方法包括压制成形无压成形,压制成形封闭钢模冷压成形高能率成形流体等静压制成形挤压成形粉末塑性成形轧制成形三轴向压制成形振动压制成形,主要功能将粉末成形为所要求的形状；赋予坯体以精确的几何形状与尺寸；赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；赋予坯体以适当的强度，以便搬运。,无压成形粉浆浇注松装烧结,着重了解封闭钢模冷压成形方法。,封闭钢模冷压成形常温下,粉料在封闭钢模中，按规定的单位压力,将粉料制成压坯的方法。,工序组成称粉装粉压制保压及脱模,1．称粉与装粉,称量形成一个压坯所需粉料的质量或容积。,采用非自动压模和小批量生产时，多用质量法；大量生产和自动化压制成形时，一般采用容积法。,装粉方式落入法、吸入法、多余充填法。,2．压制,按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定强度、密度、形状和尺寸要求的压坯工序。,1压坯密度的均匀性,压坯密度的均匀性是其质量的重要标志。,烧结制品的强度、硬度及各部分性能的同一性，皆取决于密度分布的均匀程度；压坯密度分布不均匀，在烧结时将导致收缩不均匀，从而使制品中产生很大的应力，出现翘曲变形、甚至裂纹等。,压制成形时应力求使压坯密度分布均匀。,2压制过程,粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。,3．脱模,压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。,剩余侧压强的存在使压坯与模壁间产生很大的摩擦阻力，脱模力必须大于这个摩擦阻力，才能使压坯脱出型腔。,四烧结,烧结过程中，固体颗粒表面能的减小是烧结的“推动力”。,烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘接，烧结体的强度增加，密度提高。,烧结压坯置于基体金属熔点以下温度加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化。,五后处理,浸渍表面冷挤压切削加工热处理表面保护处理,常用的后处理方法,后处理金属粉末压坯烧结后的进一步处理。,三、模压成形粉末冶金制品结构工艺,1．避免模具出现脆弱的尖角。,2．避免模具和压坯出现局部薄壁,壁厚应不小于1.5mm,利于压坯密度均匀，减小烧结变形。,3．锥面和斜面需有一小段平直带,4．需要有脱模锥角或圆角,5．避免垂直于压制方向的侧凹,6．适应压制方向的需要,7．压制工艺对结构设计的要求,垂直于压制方向的孔,粉末冶金成形件缺陷分析,1．局部密度中间密度过低,2．超差,3．裂纹,4．皱纹即轻度重皮,5．缺角掉边,6．表面划伤,此外，还有尺寸超差及不同心度超差等缺陷。,四、粉末冶金非模压特殊成形方法,1．粉末锻造成形,二粉末注射成形,将粉末与有机粘结剂均匀混合，形成具有流变性的物质，采用注射机将其具有零件形状的模腔，形成坯件，再脱除坯件中粘结剂并经烧结成为制品。,三金属粉末轧制成形,五、几种典型粉末冶金制品与材料,一粉末冶金高速钢,粉末冶金高速钢经惰性气体雾化为粉末，经冷等静压制成坯件，高温、高压下热等静压实现致密固结。,二硬质合金,硬质基体碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等难熔碳化物粉末粘接金属钴等金属粉末,三粉末冶金多孔材料,粉末冶金多孔材料可制成宇航用发汗材料；过滤器；催化剂载体；含油自润滑轴承,5.2其他新型成形方法简介,快速成形技术半固态合金成形电磁成形液压成形,一、快速成形技术,分层实体成形法LOM法立体印刷成形法SLA法选择性激光烧结法SLS法熔融沉积成形法FDM法,快速成形技术根据材料堆积原理制造实物产品。,分层实体成形法LOM法laminatedobjectmanufacturing,2.立体印刷成形法SLA法（stereolithographyapparatus）,SLA（stereolithographyapparatus）是基于液态光敏树脂光固化原理工作的，其工作原理如图所示,液槽中盛满液态光敏树脂，紫外波长的激光束在偏转镜作用下于液面上按截面轮廓信息扫描，光点经过的地方，受辐射的液体就固化，这样一次平面扫描便加工出一个与分层平面图形相对应的层面，并与前一层已固化部分牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。,3.选择性激光烧结法SLS法（selectedlasersintering）,SLS与SLA工艺在材料、激光器和材料进给方式上有较大差别。工作原理如图所示成形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。,4.熔融沉积成形法FDM法（fuseddepositionmodeling）,FDM也称丝状材料选择性熔覆，工作原理如图所示三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x-y运动。丝材（如塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚度，再进行后一层的覆涂，如此循环，形成三维产品。,二、半固态合金成形,半固态合金成形是介于液态成形和固态成形之间的一中成形方法。,三、电磁成形,电磁成形是利用瞬间的高压脉冲磁场，迫使金属产生塑性变形，从而实现成形的新型塑性加工方法，属于高能率加工。,四、液压成形,管材液压成形液压胀形板材液压成形,五、计算机技术在材料成形中的应用,一计算机技术在铸造工业中的应用二计算机技术在塑性成形加工中的应用三计算机技术在焊接工业中的应用,