五邑大学粉末冶金及陶瓷成型技术.ppt

第5章粉末冶金及陶瓷成型技术 5 1粉末冶金及陶瓷成型的基本原理5 2粉体的成形方法及设备5 3粉末冶金制品的结构工艺性5 4粉末冶金及陶瓷成型新技术 粉末冶金和陶瓷材料是以粉体 粉末 为原材料 经过成形和烧结工艺制备而成 史料 电灯钨丝与粉末冶金 用钨丝 tungstenfilament 作为灯丝制作白炽灯 是照明发展史上的一座里程碑 同时也奠定了粉末冶金技术的基础 金属材料的生产和加工 一般需要经过熔炼和铸造两个过程 1909年出现一种电灯钨丝的制造方法 将钨粉压制成形并将其在高温下进行烧结 然后再经过锻造和拉丝而制成钨丝 这种不用熔炼和铸造 而用压制 烧结金属粉末来制造零件的工艺称为 粉末冶金法 5 1粉末冶金及陶瓷成形的基本原理 一 概述二 粉体的基本性能三 粉体成形的原理四 烧结的基本原理 一 概述粉末冶金 Powdermetallurgy 应用粉末冶金法可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制品 许多难熔材料如WC TiC至今只能用粉末冶金方法来生产 互不熔合的金属或金属与非金属 如铜 钨 铜 石墨 也可以应用粉末冶金法制造 此外 应用粉末冶金法 制品可以达到或接近零件要求的形状 尺寸精度与表面粗糙度 不需要或需要很少的后续机械加工 因此 可以节省原材料 节省工时 节约能源等 粉末冶金用得最多 历史最久的是用来制造各种衬套和轴套 粉末冶金法常用的金属有 Fe Cu Al Sn Ti Ni Zn以及难熔金属 表5 1列出粉末冶金的优点和缺点 陶瓷成形陶瓷材料的成形过程与粉末冶金相似 所不同的是两者采用不同的原材料 一般情况下 陶瓷材料的组织结构包括晶相 玻璃相和气相三个部分 其中的晶相是陶瓷材料的主要组成相 陶瓷制品 二 粉体的基本性能粉体 powder 是由大量固体粒子 particles 组成的集合体 它表示物质的一种存在状态 它既不同于气体 液体 也不完全同于固体 粉体的性能包含物理性能和工艺性能两方面 粒度 particlesize 指粉体颗粒的大小 通常以直径表示 对于非球形的颗粒用等效半径来表示 即把不规则的颗粒换算成与之同体积的球体 以球体的等效直径作为颗粒的粒度 实际粉体所含颗粒的粒度并不是完全相等的 而是呈现出一个分布的范围 通常用粒度分布来表示各种不同大小颗粒所占的百分比 粒度分布越窄 说明颗粒的分散程度越小 集中度越高 筛分法是粉体粒度测试的常用方法之一 通过各种标准尺寸的筛网来确定粉体的粒度 除筛分法之外 还有显微法 沉降法等来测定粉体的粒度 图6 3为镍铬合金粉体的电子显微图片 从图中可以看出粉体的粒度范围为50 100mm之间 图6 4为测定粉体粒度的标准筛网 1 粒度 2 颗粒形状颗粒形状表示粉体颗粒的几何形状 常用的颗粒形状有球形 片形 针形 柱形等 3 流动性流动性指粉体的流动能力 粉体的流动性主要取决于颗粒之间的摩擦系数 4 填充特性填充特性是粉体成形的基础 由于粉体的形状不规则 表面粗糙 使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙 三 粉体成形的原理 通过一定的方法 将粉体原料制成具有一定形状 尺寸 密度和强度坯体的过程称为成形 1 压制成形 2 塑性成形 3 浇注成形 压制成形 compaction 是粉末冶金和陶瓷成形的常用方法之一 将松散的粉状原料放入模具中 并施加一定的压力后便获得块状坯体 1 压制成形 1 受到压力后 颗粒之间发生相对移动 拱桥 被破坏 密度随压力的增加而迅速增加 2 当密度达到一定程度后 密度不随压力的增大而明显增加 3 继续增大成形压力 使颗粒之间的结合进一步增强 坯体的密度增大 粉体的压制过程如下 2 塑性成形 塑性成形利用各种外力 对具有可塑性的坯料进行成形加工 迫使坯料在外力作用下产生塑性变形 并保持其形状 从而制成坯体 3 浇注成形 浇注成形是陶瓷坯体成形中的一个基本成形工艺 在粉末冶金中有时也用来成形一些形状比较复杂的零件 四 烧结的基本原理1 烧结 sintering 过程烧结是将成形的坯体在低于其主要成分熔点的温度下加热 粉体相互结合并发生收缩与致密化 形成具有一定强度和性能的固体材料的过程 烧结是粉末冶金和陶瓷生产中的基本工序之一 对产品的性能起决定性作用 按照烧结过程有无明显的液相出现进行分类 可分为固相烧结和液相烧结两类 2 烧结机理图6 7是固相烧结模型示意图 5 2粉体的成形方法及设备 一 粉体制备二 粉体成形三 烧结四 后处理 一 粉体制备 1 制粉方法 methodsofpowderproduction 粉体是粉末冶金和陶瓷制品的原材料 粉体的质量显著影响后续的成形和烧结过程以及制品的最终性能 粉体制备方法一般可分为机械粉碎法和物理化学法两大类 粉碎法通过将粗粒的原材料粉碎而获得细粉 粉碎过程中基本不发生化学反应 但是在粉碎过程中会混入杂质 而且采用粉碎法一般不易获得粒径在1mm以下的微细颗粒 物理化学法通过物理或化学作用 改变材料的化学成分或聚集状态而获取粉体 这种方法的特点是粉体的纯度和粒度可控 均匀性好 颗粒微细 并且可以实现粉体颗粒在分子级水平上的复合和均化 图6 8列举了一些粉体制备的常见方法 球磨法 ballmilling 将物料与磨球放入球磨筒内 通过滚筒的滚动 转动以及振动等运动 使磨球与物料之间产生强烈 频繁的摩擦和撞击 从而获得粉体 球磨法制备粉体的生产量大 成本较低 在工程中应用较为普遍 在成形之前需要对粉体进行一定的预处理 如分级 去杂质 混合 造粒等 1 分级分级是指将粉体按粒度分成若干等级的过程 通过分级可以在配料时控制粉体的粒度及粒度分布 以满足成形及烧结工艺的要求 通常采用标准筛网进行筛分 2 去杂质去杂质的目的是降低粉体中的杂质含量 常用的有退火处理 酸洗处理等 3 混合将两种以上不同成分的粉体均匀混合的过程称为混合 球磨是常用的混合方法 4 造粒造粒是在细的粉体中加入一定的塑化剂制成粒度较粗 具有一定假粒度级配 流动性好的粒子 2 粉体的预处理 二 粉体成形 模压成形加压方式由单面加压和双面加压两种方式 模压成形法工艺简单 效率高 便于自动化生产 但是该方法压力分布不均匀 使坯体密度不均匀 易发生开裂现象 导致次品的出现 1 模压成形 2 等静压成形 冷等静压成形是在模压基础上发展起来的 它是利用液体 如油 水或甘油 作为传递介质获得均匀静压力施加到材料上的一种方法 等静压成形具有以下特点 坯体密度高 均匀 缺陷少 模具制作方便 成本低 可生产形状复杂 大件以及细长的制品 1 冷等静压 热等静压中用金属箔代替冷等静压中的橡皮模具 用气体代替液体 使金属箔内的粉料均匀受压 通常选用氦气 氩气等惰性气体 一般在100 300MPa的气压下 几百度至2000 的高温下进行压缩烧结 采用热等静压法获得的制品 性能优良 均匀 强度高 但成本较高 2 热等静压 浇注成形是将粉体制成悬浮液 注入石膏模具中的一种成形方法 这种方法适于小型薄壁产品 如花瓶 坩埚等 3 浇注成形 成形后的金属或陶瓷坯体只是半成品 一般需要经过干燥处理后 在窑炉或烧结炉中经过适当烧结工艺 才能获得制品 影响烧结制品的因素主要包括 烧结温度 保温时间 升温和降温速度 烧结气氛等 其中 为了防止成形后的坯体氧化 例如 铁基粉末冶金 碳化硅等 通常在保护性气氛或真空环境下烧结 常用的保护气体有 氢 分解氨 发生炉煤气以及惰性气体等 表6 3列出适于粉末冶金和烧结制品的各种烧结方法 优缺点以及适用范围 三 烧结 按照加热方式烧结炉可分为燃料加热炉和电加热炉 根据作业的连续性可分为间歇式和连续式烧结炉 目前以电炉较为普遍 图6 14为网带传送式烧结炉 常用于烧结铁基与铜基粉末冶金制品 网带由耐热合金制成 传动装置带动环状网带在炉膛内作连续循环运动 从而达到传送物料的目的 粉末压坯可以直接放置在网带上 随着网带的移动 依次对压坯进行预热 烧结 冷却 最后从出口处出炉 网带烧结炉操作简单 机械化程度高 在连续传送中升温均匀 适合大量生产 粉末冶金和陶瓷制品在烧结中通常产生收缩 变形以及一些表面缺陷 烧结后的表面粗糙度差 一般情况下 不能作为最终产品直接使用 为了获得所需要的尺寸精度和表面质量 需要对制品进行机械加工 浸渍 精整精压复压 四 后处理 5 3粉末冶金制品的结构工艺性 模压法是常用的成形方法 因此 采用压制成形的零件应考虑其结构工艺性 1 尽量采用简单 对称的形状 避免尖角 2 避免局部薄壁 以利于装粉压实和防止出