6.1 粉末成型.ppt

粉末的成形 第一节粉末的成型与干燥 概念 成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸 形状以及一定密度和强度的坯块 传统的成型方法有 模压成型 等静压成型 挤压成型 扎制成型 注浆成型和热压铸成型等 近年来 出现了许多新的成型方法 如 压滤成型 注射成型 流延成型 凝胶铸模成型和直接凝固成型等 概述 6 1粉末的成型与干燥 一 成型的理论基础粉体的堆积与排列粉末在压力下的运动行为粉末的工艺性能二 主要成形方法压力成型增塑成型料浆成型三 压坯的干燥与脱蜡 本节主要内容 6 1粉末的成型与干燥 一 成型的理论基础 影响成型过程的重要因素 粉末的堆积密度粉末在压力下的运动情况 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 粉末的堆积密度 表6 1理想球形颗粒的堆积类型 堆积密度和配位数 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 即使是最密堆积 堆积密度也只能达到74 实际堆积密度要小于理想堆积密度 即使采用最仔细的振动方式 最高的振实密度也仅能达到62 8 1 粉体的堆积与排列 粉末的堆积密度 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 提高堆积密度的措施 振动在较大的均一颗粒之间加入较小的颗粒 粉末的堆积密度 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 衡量粉末堆积密度的指标 松装密度振实密度粉体的流动速率 粉末的堆积密度 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 衡量粉末堆积密度的指标 松装密度松装密度是影响压缩比 即松装粉末的高度与成形坯体高度之比 的重要因素 通常 颗粒尺寸越小 松装密度也越小 这是因为颗粒之间的摩擦力增加了 颗粒形状越不规则或球形度越低 松装密度就越低 粉末的堆积密度 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 衡量粉末堆积密度的指标 振实密度介于松装密度和压坯密度之间 与松装密度相似 通常颗粒尺寸越小 振实密度也越小 颗粒形状越不规则或球形度越低 振实密度就越低 振实密度还与振动状态有关 粉末的堆积密度 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之1 粉体的堆积与排列 衡量粉末堆积密度的指标 粉体的流动速率粉体的流动速率用来描述粉体的流动性 流动速率对成形有重要的影响 一般当颗粒尺寸小于44 m 325目 时 颗粒几乎不具有流动性 使成形难以进行 球形颗粒的流动性最好 并且流动速率随表面粗糙度的增加而降低 流动性好有利于成型加工 2 粉末在压力下的运动行为 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 对粉末施加外力进行成形的工艺主要有 刚性模具中粉末的压制 模压 弹性封套中粉末的等静压粉末的板条滚压以及粉末的挤压 这里主要讨论前两种情况下粉末的运动行为 受力过程的三个阶段接近第一阶段 粉末颗粒重排 位移 滑动转动第二阶段 颗粒变形第三阶段 颗粒断裂 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 弹性变形塑性变形 这三个阶段并不是界限分明的 常常是相互交叉发生的 在压制过程中 随着压力的增加 粉体的密度增加 气孔率降低 人们对压力与密度或气孔率的关系进行了大量的研究 试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学公式 压制理论 目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量公式 包括理论公式和经验公式 有几十种之多 压坯密度与压制压力的关系 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 表6 2粉末压制理论的一些理论公式和经验公式 代表性压制理论 Balshin压制方程 认为在压制金属粉末时 压力和变形之间的关系符合虎克定律 lgP lgPmax L 1 川北公夫压制理论 在压制压力不太高 如小于0 1MN 时较为优越 黄培云压制理论方程 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 压制过程中力的分析 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 侧压系数 摩擦系数 成形剂为改善粉末成形性能的一种添加物 润滑剂为降低粉末与模壁和模冲间的摩擦 改善密度分布 减少压模磨损和有利于脱模的一种添加物 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 在粉末成形加工中 为改善粉末成形性能 经常添加一些辅助成分 常见成形剂 合成橡胶 石蜡 聚乙烯 酵 乙二脂 松香淀粉 甘油 凡土林 樟脑 油酸等常见润滑剂 硬脂酸 硬脂酸锌 硬脂酸钡 硬脂酸锂 硬脂酸钙 硬脂酸铝 硫磺 二硫化钼 石墨粉和机油 1 用硬脂酸润滑模壁 2 3 用二硫化钼润滑模壁 4 无润滑剂 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之2 粉末在压力下的运动行为 结论 在没有润滑剂的情况下 模壁摩擦力的压力损失很大 可达60 90 由于压力沿压模轴向分布不均 造成压坯的密度不均匀现象 加入润滑剂能够改善这一现象 A 松装密度B 流动性C 压缩性D 成形性 3 粉末的工艺性能 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 A 松装密度粉末试样自然填充规定的容器时 单位容器内粉末的质量 克 厘米3 规定值 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 松装密度测定装置一 a 装配图 b 流速漏斗 c 量杯 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 松装密度测定装置二 1 漏斗 2 阻尼箱 3 阻尼隔板 4 量杯 5 支架 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 B 流动性50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间 单位为秒 50克 其倒数是单位时间内流出粉末的重量 俗称为流速 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 测量方法1流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定 标准漏斗 又称流速计 是用150目金刚砂粉末 在40秒内流完50克来标定和校准的 美国标准还规定用孔径1 5英寸的标准漏斗测定流动性差的粉末 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 测量方法2采用粉末自然堆积角 又称安息角 试验测定流动性 让粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为l英寸的圆板上 当粉末堆满圆板后 以粉末锥的高度衡量流动性 粉末锥的底角称为安息角 也可作为流动性的量度 锥愈高或安息角愈大 则表示粉末的流动性愈差 反之则流动性愈好 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 流动性一般规律 对称性好的粉末 粗颗粒粉末的流动性好 粒度组成中 极细粉末占的比例愈大 流动性愈差 但是 粒度组成向偏粗的方向增大时 流动性变化不明显 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 C 压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力 在标准的模具中在规定的润滑条件下加以测定 用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度表示 通常也可以用压坯密度随压制压力变化的曲线图表示 压缩比 松装粉末的高度与成型坯体高度之比 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 C 压缩性成形性是指粉末压制后 压坯保持既定形状的能力 用粉末得以成形的最小单位压制压力表示 或者用压坯的强度来衡量 压制性 是压缩性和成形性的总称 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 压缩性一般规律 成形性好的粉末 往往压缩性差 相反 压缩性好的粉末 成形性差 例如松装密度高的粉末 压缩性虽好 但成形性差 细粉末的成形性好 而压缩性却较差 6 1粉末的成型与干燥 6 1 1成型基本理论 之3 粉末的工艺性能 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 粉末主要成型方法 压力成形 增塑成形 料浆成形 模压成形等静压成形三轴压制高能成形 挤压成形轧膜成形注射成形 注浆成形热压铸成形流延法成形压力渗滤和离心成形凝胶铸模成形直接凝固成形 概念 也称干压成形 是将粉料填充到模具内部后 通过单向或双向加压 将粉料压制成所需形状 优点 操作简便 生产效率高 易于自动化 缺点 粉料容易团聚 坯体厚度大时 内部密度不均匀 制品形状可控精度差 且对模具质量要求高 复杂形状的部件模具设计较困难 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 模压成形 基本工艺流程 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 粉末退火 主要针对是金属粉末原料 混合 指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程 目的是使两种或以上的粉末混合均匀 混合主要有两种方法 机械法和化学法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 制粒 是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序 目的是为了改善粉末的流动性 以使粉末能顺利地充填模腔 制粒方法主要包括 普通造粒 加压造粒 喷雾造粒添加成型剂 粉末混合料中常常要添加一些能改善成形过程的物质 即成形剂 包括润滑剂 粘合剂和造孔剂等 选择成型剂的基本条件 1 有较好的粘结性和润滑性 2 软化点高 3 对粉体松装密度和流动性以及烧结体性能影响小 4 加热时易从坯体中呈气态排除 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 加压方式 单向加压和双向加压 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 单向压制 a 与双向压制 b 的压坯密度沿高度方向的分布 成形压力的大小直接影响压坯的烧结密度和烧结收缩率 一般成形压力大 则烧后产品收缩小 密度高 但压力过大时 坯体易出现裂纹 分层和脱模困难等现象 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 加压速度影响到粉末颗粒间的摩擦状态 金属粉末的加工硬化 以及空气从粉末颗粒孔隙中的逸出情况 按不同加压速度可将压制过程分为 静压 缓慢加压 和动压 快速加压 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 保压主要针对形状复杂或体积较大的制品 保压目的 使压力传递得更充分 有利于压坯中各部分的密度均匀 使粉末中的空气有足够的时间通过模壁和模腔或模冲和芯杆之间逸出 可以给粉末之间的机械啮合和变形以时间 有利于应变弛豫的进行 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 脱模压力 把坯体从模具中卸出所需要的压力 脱模压力受压制压力 压坯密度 粉末特性 压坯尺寸 模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响 一般 压制压力小于或等于300 400MPa时 脱模压力不超过压制压力的0 3倍 润滑性好的成形剂可成倍甚至几十倍地降低脱模压力 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 原料准备 装模 加压 保压 脱模 侧压力 粉体在压模内受压时 压坯会向周围膨胀 模壁就会给压坯一个大小相等 方向相反的反作用力 结果 引起外摩擦力外摩擦力 粉末与模壁之间由于侧压力的作用产生的摩擦力称为外摩擦力 又叫摩擦压力损失 结果 所需单位压制压力增大 阻碍粉体填充模腔 弹性后效 当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后 由于弹性内应力的作用 压坯将发生弹性膨胀 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 压力成形中的几个问题 概念 将预混合粉末在一定温度下压制 然后常规烧结 以获得较高的产品密度 关键技术 一是预混合粉末的制备 二是温压系统的设计 主要应用 制造高强度 高性能粉末冶金零件 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 压力成型之 模压成形 1 模压成型 对传统的一次压制 烧结工艺的改进 温压成型 概念 借助高压泵的作用把流体介质 气体或液体 压入耐高压的钢体密封容器内 高压流体的等静压力直接作用于弹性模套内的粉末上 使粉体各个方向同时均衡受压 而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯 分类 湿袋式等静压干袋式等静压 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 等静压成形 2 等静压成型 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 等静压成形 2 等静压成型 优点 粉料不需要加粘合剂 坯体密度均匀性好 所成形的制品尺寸几乎不受限制 并具有良好的烧结体性能 缺点 主要适用于简单形状制品 形状和尺寸控制性差 生产效率低 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 等静压成形 2 等静压成型 概念 是利用复合应力状态 除了对粉末施加等静压外 周压 还要增加一个轴向负荷 轴压 即三轴压制 周压 轴压 可以近似认为三轴压制就是单轴压制 模压 和等静压的结合 由于轴压不等于周压 一般是轴压大于周压 因此对粉体产生了剪切应力 使粉末颗粒更容易重新排列 更利于小颗粒向大颗粒孔隙充填 特点 产品具有高密度与高强度 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 等静压成形 3 三轴压制 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 等静压成形 3 三轴压制 三轴压制装置示意图 概念 是利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力 作用于粉体进行成形的工艺 将高能量作用于粉末使其成形有两个途径 一是直接把高压传给压模进行压制成形 二是象等静压那样 通过液体把能量传递给粉体进行压制 特点 可制备出密度均匀 烧结后变形小的制品 难以连续生产 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 1 压力成型 压力成型之 高能成形 4 高能成形 概念 又称挤制或挤出成形 是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形 应用对象 柱状 纤维状 空心管状体及厚板状坯体等沿挤出方向外形平直的制品 基本要求 粉料具有可塑性 成形后粉料能保持原形或变形很小 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 增塑成型之 挤压成形 1 挤压成形 挤压成型示意图 优点 生产效率高 产量大 操作简便 而且挤压制品的长度几乎不受挤压设备的限制 缺点 不适宜三维复杂形状制品 对二维制品要求外形平直 成形设备 挤压机 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 增塑成型之 挤压成形 1 挤压成形 概念 也称为滚 辊 压成形 是将加入粘结剂的粉料放入反向滚动的轧辊之间 使物料不断受到挤压 从而得到薄膜状坯体的一种成形方法 应用对象 薄膜状坯体 形状简单的板带材 基本要求 粉料具有可塑性 成形后粉料能保持原形或变形很小 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 增塑成型之 轧膜成形 2 轧膜成形 优点 坯体成分较均匀 工艺过程短 生产效率高 产量大 操作简便 制品的长度不受限制 缺点 只能制备形状较简单的板带材以及直径与厚度比值很大的衬套 成形设备 滚压机改进 楔形压制 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 2 轧膜成形 增塑成型之 轧膜成形 楔形压制 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 2 轧膜成形 增塑成型之 轧膜成形 概念 是把粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料 在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具 迅速冷凝后脱模取出坯体 应用对象 具有不规则表面 孔道等复杂形状的制品 添加剂 结合剂 可塑剂 润滑剂等 及要求 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 增塑成型之 注射成形 3 注射成形 优点 适合大批量生产 且大批量生产时成本可很低 成品的最终尺寸可以控制 一般不必再修整 易于经济地制作具有不规则表面 孔道等复杂形状的制品 缺点 脱脂时间长 浇口封凝后内部不 成形设备 注射成形机 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 3 注射成形 增塑成型之 注射成形 概念 是利用粘土的可塑性 采用真空练泥机挤出的泥段或注浆成形注出的粗泥坯 在车床上加工成形的 应用对象 具有规则表面形状的柱状 环状 筒状制品 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 2 增塑成型 增塑成型之 车坯成形 4 车坯成形 概念 把一定浓度的浆料注入石膏模中 与石膏相接触的外围层首先脱水 或脱其它有机溶液 硬化 粉料沿石膏模内壁成形出所需形状 经脱模 干燥后得到具有一定形状和强度的坯体 应用对象 形状复杂的制品 尤其是大而复杂的制品 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 注浆成形 1 注浆成形 优点 不使用压力和钢制模具 对于制造大而复杂的制品成本可以降低 而且所用设备简单 缺点 生产周期长 生产效率低 对悬浮液浆的要求与措施 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 1 注浆成形 浆料成型之 注浆成形 概念 先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合 加热 使混合料具有一定流动性 然后将混合料加压注入模具 冷却后即可得到致密的 较硬实的坯体 应用对象 形状比较复杂部件的规模化生产 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 热压铸成形 2 热压铸成形 优点 适用于形状比较复杂的部件 易于工业规模生产 缺点 坯体中的蜡含量较高 约23 烧成时排蜡周期长 薄壁且大而长的制品易变形翘曲 成形设备 热压铸机 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 2 热压铸成形 浆料成型之 热压铸成形 热压铸机 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 2 热压铸成形 浆料成型之 热压铸成形 热压铸机结构示意图 概念 将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料 然后通过固定的流延嘴及依靠料浆本身的自重 将浆料刮成薄片状 流在一条平移转动的环形钢带上 经过烘干得到所需薄膜坯体 应用对象 薄膜状坯体 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 流延成形 3 流延成形 流延法成形工艺示意图 优点 生产效率高 易于连续自动化生产 膜片弹性好 坯体致密度高 缺点 对有机溶剂的选择比较敏感 同时水含量及水质对料浆流变性 坯体密度 产品部件的拉伸强度均有较大的影响 合理选用流延法成形所用料浆的添加剂是一个重要问题 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 流延成形 3 流延成形 概念 料浆通过静压让模腔内液态介质通过多孔模壁排除 而使粉料固化成坯体 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 压力渗滤 4 压力渗滤工艺 压力渗滤工作原理 概念 也称为离心注浆成形 是将料浆注入容器中 利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成形 应用对象 空心柱状部件成形 特点 坯体的密度沿径向会发生变化 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 离心成型 5 离心成形 概念 把陶瓷粉体分散于含有有机单体的溶液中形成泥浆 然后将泥浆填充到模具中 在一定温度和催化剂条件下有机单体发生聚合 使体系发生胶凝 这样模内的料浆在原位成形 经干燥后可得到强度较高的坯体 优点 收缩小 生坯强度高 有机粘结剂用量低 可以成形形状复杂及大截面尺寸的部件 缺点 坯体干燥缓慢 干燥要求高湿度的环境 要求悬浮而不沉淀的料浆 二 主要成型方法 6 1粉末的成型与干燥 6 1 2主要成型方法 3 浆料成型 浆料成型之 凝胶铸模成形 6