第三章-粉末成形技术-1.ppt

粉末冶金原理第三章粉末成形技术TechniqueofPowderFormation,程继贵jgcheng63材料科学与工程学院,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,本章内容3.1成形前的粉末冶金3.2模压成形技术3.3等静压成形3.4粉末连续成形3.5粉浆浇注3.6粉末注射成形,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第一节成形前的粉末冶金（成形料准备）,一、对成形料的要求（以铁基粉末冶金为例）（一）成分要求1.主要元素：Fe符合一定标准2.合金元素：种类很多作用：提高力学、物理性能、控制尺寸稳定性加入方式：元素混合、预合金状态比较（下页图）！注意：石墨特殊的合金元素、多功能性！,目的：准备具有一定组成和物理工艺性能的成形混合料。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.成形剂和润滑剂（前述）Fe基常用：硬脂酸、硬脂酸锌（锂）、石墨、硫磺、机油等比较：S在粉末烧结钢与铸钢中的不同作用！机油的作用：1）防止比重偏析2）减少粉尘3）严重降低粉末流动性：用量严格控制！,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）成形料粒度和松装比重的调整1.成形料粒度和粒度组成的调整（1）原料粒度影响制品性能（2）根据制品性能要求来确定粒度和粒度组成高强度结构件：细粉，范围宽含油轴承：稍粗、范围窄一般-80100目,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.成形料松装密度的调整松装密度是最重要的工艺性能之一！如何调整：（1）粉末筛粉分级后根据要求合批；（2）粉末中加入机油，显著降低松装密度；（3）粉末退火后球磨，松装密度随球磨时间变化。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,二、原料金属粉末的还原、退火（Reductionorannealing）作用:降低氧碳含量，提高纯度消除加工硬化，改善粉末压制性能（前者亦然）消除长期放置所吸附气体等注意：此项工作绝大多数由粉末生产厂家完成,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,三、分级分级：将粉末按粒度大小分成若干等级。常用分级方法：筛分分级：旋风分级、离心分级、沉降分级等。粉末的粒度及粒度组成不同，影响压制和烧结工艺，且对产品的最终性能也有重要影响！采用细颗粒粉末制成的产品，其强度较粗颗粒的高韧性也好。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,四、合批与混合（blending，mixing）合批：同质、不同粒度粉末混和均匀过程；混合：将不同成分（材质）的粉末混和均匀过程。,Blending：CombiningpowdersofthesamematerialbutpossiblydifferentparticlesizesMixing：Combiningpowdersofdifferentmaterials.,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（一）合批和混合的目的1.不同成分混合均匀；2.消除运输过程中产生的偏析或生产过程中不同批号粉末之间的性能差异3.混入合金元素4.调整松装密度和流动性5.混入润滑剂、成形剂等,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）影响混合的因素,1.粉末特性比重、粒度及组成、相对含量等2.装料量、球料比、研磨体的尺寸及其搭配,3.混合机的结构与转速,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,临界转速：n临=32D-1/2（rpm）,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,4.混合方式（1）机械法混合：多种原料粉末在混料机中混合均匀得到混合料。,机械混合分为：干混、湿混干混：在空气或惰性气体中混合，铁基及其它粉末冶金零件的生产（多不采用磨介）湿磨混合法：在液体介质中混合，多同时加入磨介（球）广泛应用于硬质合金、含易氧化组分材料；WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀效果，还发生显著的细化效果，一般采用工业酒精作为研磨介质,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,湿磨的主要优点：有利于环境保护无粉尘飞扬和减轻噪音提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化保护粉末不氧化,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）化学法混合：多在溶液中，通过反应同时生成均匀混合的产物（或前驱体），或包覆粉末：混合较机械法更为均匀,可以实现原子尺度的混合例：A.W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺：W粉+Ni(NO3)2溶液混合热解还原（700-750）W-Ni包覆粉+CuCl2溶液混合热解还原（400-450）W-Cu-Ni包覆粉末,B.Cu-Al2O3复合包覆粉末的制备：,Cu(NO3)2+Ni(NO3)2溶液加氨水（pH）过滤、洗涤、干燥、煅烧CuO+Al2O3H2还原Cu-Al2O3复合粉末,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,五、造粒（制粒）pelletizingorgranulating,目的获得团粒：改善细小颗粒或硬质粉末的成形性添加粘结剂、改善流动性进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品减小颗粒间的摩擦力，大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积原理：借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,制粒方法：擦筛制粒传统硬质合金生产旋转盘制粒挤压制粒喷雾干燥最先进的制粒方法之一。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第二节模压成形技术（CompactionTechnique）,模压成形是将金属粉末或粉末混合料装入钢制压模（阴模）中，通过模冲对粉末加压，卸压后脱模，得到压坯的过程。（一）模压成形的特点1.效率高；2.成本较低；3.工序少；4.应用受限（压坯尺寸、形状、密度等）,一、概述,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,A:highest,B:median,C:lowest,ProcessCapabilities,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）模压成形的发展方向高强度、高精度、复杂形状结构零件的生产,（三）模压成形工序：,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,二、称料和装粉,（一）称料称料量通常称为压坯的单重（允许一定的误差）。压坯的单重可按以下公式计算：Q=VdK式中：Q-单件压坯的称料量（单重），kg；V-制品的体积（由制品图算出），m3；d-制品要求密度，kg/m3；K-重量损失系数。称料方法有两种：（1）重量法；（2）容量法。（二）装料（粉）将所称量的粉末装入模具中时，要求粉末在模腔内分布均匀、平整，以保证压坯各部分压缩比一致。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.装粉要求：保证各高度（料腔）处装填系数相同！2.基本方法：（1）手工装粉重量法要求：保证粉料重量在允许误差范围内；装料均匀，尤注意边角处的充填；不能过分振动阴模，防止比重轻的组元上浮产生偏析多台阶压坯，要严格控制各料腔的装填高度。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）自动装粉容量法装于料仓中的粉末，通过送料器自动地送入阴模模腔中。自动装料是自动压制的一个重要的工艺步骤！常用的装料方式有：落入（下）法、吸入法、多余装料法、超满装料法、零腔装料法、不满装料法（图）,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,落入法装料,吸入法装料,多余装料法,零腔装料法,超满装料法,不满装料法,双料斗装料法,常用装粉方法示意图,三、压制,（一）压制行程1.定义：为得到一定密度压坯，模冲压制粉末时必须移动的最小距离。压制行程等于粉料在阴模中的松装高度与压坯高度之差。2.控制方法：（1）模冲行程控制法：采用高度限位块、行程开关等；高度精度高，但密度误差可能大，应严格控制装粉量！,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）压制压力控制法根据密度-压力关系，控制压机压力（压力表读数）各压坯密度较一致，但高度误差可能较大，应严格控制装粉量，压力表精度要高！,实际生产中：两种方法结合使用！,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）压制方式及其选择,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.保压时间根据压坯材质和结构形状复杂程度而定3.压制速度（后述）,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,四、脱模（一）脱模的基本方式1.顶出式脱模：阴模固定不动，通过上下模冲的运动将压坯从阴模中脱出。又分：下顶出手动压制中常用；上顶出自动压制中常用2.拉下式脱模：上模冲撤回，阴模向下阴模拉动，使压坯脱出。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）脱模的基本原则1.速度快、连续平稳；2.对侧向加压压坯，先撤垂直压力，后撤侧向压力3.合理选择脱模方式：柱状压坯，可顶出或拉下式带发兰压坯多拉下式强动压制多拉下式拉下式脱模速度快，更适合大规模生产。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,柱状压坯，采用顶出式脱模,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,柱状压坯，采用拉下式脱模,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,强动压制，一般采用拉下式脱模,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,带摩擦芯杆压制，一般采用顶出式脱模,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,五、模压成形新技术（一）粉末高速压制成形（Highvelocitycompaction，HVC）压制压力600-1000MPa、压制速度2-30m/s下对粉末进行高能锤击：可将压坯密度提高0.3g/cm3以上；结合模壁润滑，生坯密度可达7.6g/cm3以上结合模壁润滑加温压，生坯密度可达7.7g/cm3。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,以足够的冲击能量，瞬时作用于模腔内已预除气体的粉末体，使颗粒快速移动和变形，实现高致密和稳态动压成形。特有的“绝热压制”特征，高冷态压制密度，低静摩擦系数和弹性后效值；作为常规模压技术极限外延，具有“高密度、高强度、高精度、低成本”优势。瑞典Hydropulsor专利技术，兼具动态压制的高能量冲击和传统压制的高速平稳双重特征，适用于金属、陶瓷和聚合物的成形。与高致密成形（复压、复烧、热压、热等静压、温压）相比，具有密度、效率和形状等优势；与动压成形（冲击、爆炸、模锻）相比，具有高速、平稳和精密等优势。,高速压制（HVCHighVelocityCompaction）,HVC压机,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,粉末填充和零件脱模与传统压制相似,HVC过程示意,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC的基本原理及冲击波压制曲线,HVC压制速度比传统压制快500-1000倍,m=35-1200kgV=2-30m/sE=3-60kJ,0.2s,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC压坯和传统压制压坯的密度,HVC的高密度,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC密度与性能,更高的密度和分布均匀性,烧结钢的主要性能与密度的关系,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC压坯及加工部件,高密度-生坯加工变为可能,高密度的生坯,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC与其它方法结合，可获得更高的密度。,HVC与其它方法结合,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC生坯的烧结及硬化,HVC成形AstaloyCrM到7.5g/cm3的性能,密度提高0.3g/cm3,TS和YS约提高20-25%，高温烧结及硬化处理进一步提高强度。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,齿轮零件的密度分布,HVC生坯的密度分布,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HVC的工艺成本,较低的生产成本,几种不同工艺制备材料的密度和成本,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）粉末温压成形（Warmcompaction，pressing）,1.概述（1）定义：添加专门粘结剂的粉末与模具被加热到较低温度（一般150）后进行的刚模压制。除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同；与热压不同，温压加热温度低（热压温度高于主要组分的再结晶温度）。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）温压技术开发的原动力汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基PM零部件。A.高致密度压坯烧结可以获得高密度高性能零部件；B.材质调整和后处理也可改善铁基PM零部件力学性能，但：潜力已几乎发挥到极限。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,提高铁基P/M零部件密度的技术途径复压-复烧工艺密度92%左右，形状复杂程度有限，成本较高浸铜（熔渗）密度大于95%，表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高液相烧结密度可达93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限粉末锻造全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（3）温压的特点低成本制造高性能P/M零部件相对成本：若WP=1.0，则1P1S0.8；2P2S=1.3；CI（浸铜）=1.5；PF=1.8工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高压坯密度高相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%便于制造形状复杂的零部件低脱模压力：30%；高压坯强度，25-100%；弹性后效小：50%；密度分布均匀，密度差：0.1-0.2g/cm3,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,零件强度高(同质、同密度)极限抗拉强度10%，烧结态达1200MPa疲劳强度10%若经适度复压，与粉末锻件相当零件表面质量高精度提高2个IT级，模具寿命长(模具磨损少)压制压力降低同压坯密度时，压力降低140MPa，提高压机容量,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,温压保持了传统模压的高效、高精度优势提高了铁基零部件的性能和服役可靠性拓宽了部件的应用范围是“导致铁基粉末冶金技术革命的新技术”,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.温压工艺,粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）粉末加热（130）阴模装粉（130-150）温压温压压坯烧结温压零部件,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.温压加热系统,阴模加热：多采用电阻加热粉末加热：热油循环加热：温控稳定性好，不易过热微波加热：加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题感应加热：与微波相似电阻加热：加热速度较快，存在过热问题,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,热油循环粉末加热系统,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（1）塑性变形得以充分进行加工硬化速度和程度降低（2）减小粉末与模壁间的摩擦、降低粉末颗粒间的内摩擦，便于颗粒间的相互填充和颗粒重排颗粒的塑性变形进一步促进颗粒重排，成为后期的主导致密化机理。,4.温压过程的实质,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,压力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100/120,颗粒重排贡献C1/(C1+C2),SchoolofMaterialsScienceandEngineering,温压最关键技术之一润滑剂（粘结剂）降低粉末颗粒的内外摩擦有效外压密度温度，摩擦系数，利于塑性变形和粉末颗粒间的相互填充，弹性后效，脱模压力,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,温压蜗轮轮毂（1.2kg）,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,PowderedMetalTransmissionGear,Warmcompactionmethodwith1650-tonpressTeetharemoldednetshape:NomachiningUTS=155,000psi30%costsavingsovertheoriginalforgedpart,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,轿车发动机温压连杆,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第三节等静压成形（Isostaticpressing）,一、概述（一）等静压的定义与分类定义：粉末装于弹性（柔性）模具（包套）中，以流体为传压介质，各向均匀受压。分类：冷等静压（CIP）：常温下进行的等静压热等静压（HIP）：高温下进行的等静压,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）等静压的一般特点压坯形状、尺寸范围大，尤大尺寸、形状复杂压坯或制品；压坯密度高且均匀成形粉末广，尤难熔金属化合物、陶瓷、高合金钢等工艺简单，可不加润滑剂不足之处：a）制品表面质量较差；b）生产效率较低；c）模具寿命短；d）设备投资较大,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,二、冷等静压CIP定义：常温下，粉末装于弹性模具中，以液体为传压介质，使粉末体各向均匀受压而密实成压坯。（一）冷等静压原理压坯密度及分布,原理：借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容器高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体上；依照帕斯卡原理,粉末体受到各个方向上大致相等的压力作用；消除了粉末与模套之间的外摩擦达到同一密度所需压力较模压降低,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,冷等静压原理图,Schematicillustrationofcoldisostaticpressingasappliedtoformationofatube.Thepowderisenclosedinaflexiblecontaineraroundasolidcorerod.Pressureisappliedisostaticallytotheassemblyinsideahigh-pressurechamber.,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.压坯密度的分布：模具（包套）与粉末同步运动，没有外摩擦力轴向密度分布均匀内摩擦力的存在，径向密度分布有轻微的不均匀性经典的压制方程来描述仍适用,2.粉末致密化的阻力a）颗粒间摩擦（内摩擦）：粉末颗粒的表面形貌、粉末颗粒形状、粉末颗粒尺寸b）颗粒本身的变形能力：显微硬度,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）冷等静压设备,冷等静压机组成：高压容器+流体加压泵+辅助设备1.高压容器和高压泵系统组成：分类依高压容器结构分：螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损拉杆式：较低压力，拉杆承受压力框架式：很高压力，最安全（预应力结构)2.辅助设备：流体储罐、压力表、管道、阀门,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ExampleofanIsostaticPress,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（三）冷等静压方法,1.湿袋冷等静压装有粉末的包套，放置于穿孔金属套中，直接置于高压容器的传压介质中进行等静压。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.干袋冷等静压粉末装于成形包套中，再放入固定于高压容器内的加压包套中进行的冷等静压。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.干、湿袋冷等静压比较（1）湿袋式（wetbag）：柔性袋浸没在压力介质中无支撑的CIP优点：能在同一压力容器中同时压制不同形状、尺寸的粉末压坯模具寿命长，成本低缺点：压制生产率较低（2）干袋式（drybag）：柔性模固定在压力容器内，即有支撑的CIP优点：生产率高，易于实现自动化模具使用寿命长缺点：每次只能压制一种产品,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,4.软模压制成形是一种在液压机上进行的干袋模具压制可以达到接近等静压的效果,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（四）冷等静压工艺,1.柔性模套（flexibledieset）的制造包套的选择原则常用：耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板软模制作：聚氯乙烯树脂、硬脂酸、三盐基硫酸铅混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液搅拌成浆料，提拿制模2.工艺流程粉末混合物装入软模摇实密封冷静压脱模（包套剥离）坯件,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.CIP压坯的质量控制粉末流动性良好装粉：振动或敲打摇实均匀密封：防止液压介质渗入模内加压速度：过快导致出现软心卸压：过快分层,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,三、热等静压HIP定义：高温下，粉末或压坯装于包套中，在高压容器内，以气体为传压介质，使粉末同时承受高温和等静压力作用而获得致密材料或制品.（一）HIP的原理和特点,原理：粉末体同时经受高温和高压的联合作用，强化了压制和烧结过程；降低了制品的烧结温度；改善了制品的晶粒结构；消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙；提高了材料的致密度和强度。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HIP的特点,等静加压，压制、烧结同时进行，能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度可达0.9999压力作用，使HIP的烧结温度低于通常的烧结温度HIP所需压制压力比CIP低晶粒细小、组织均匀，无成分偏析材料综合性能好，是PM高新技术之一设备投资大，成本高,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HotIsostaticPressing(HIP)PressingandsinteringinthesamestepIncreasedensity(99%)AttractiveforbrittlematerialsExpensiveandunattractiveforhighvolumeproduction,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,表4-3热等静压制某些材料的密度值,对比:HIP与HP工艺有无区别？制备材料性能如何？,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）HIP的技术背景和发展趋势,技术背景在CIP基础上发展高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡轮盘的开发粉末高速钢制品开发硬质合金轧辊制品开发,发展趋势设备趋于大型化、高温化、高效率工艺上充分发挥HIP制备复杂形状、高性能产品特点不断开发新的应用领域,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（三）HIP压机,1.HIP压机的分类：螺纹式和框架式（1）螺纹式螺纹承受轴向压力。缺点：工作压力难以均匀地由各个螺纹承担巨大应力集中断裂爆炸。（2）框架式轴向压力通过上下活塞传递到框架，应力均匀分布，安全系数高。,SchoolofMaterialsScienceandEn