第七章-粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺

,主讲人：于美杰副教授Tel：88396181Email：yumeijie,工程材料与机械制造基础,第七章粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺,本章基本要求粉体的基本物理性能粉体成形原理了解几种常用的成形工艺,第七章目录,第一节粉体成形原理第二节粉体制备技术第三节粉末冶金的成形工艺第四节陶瓷材料的成形工艺第五节烧结第六节陶瓷与粉末快速成形工艺,第一节粉体成形原理,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,与材料液态铸造成形与固态塑性成形方法不同，粉末冶金与陶瓷的成形方法是利用粉末特有的性能，通过坯体成形、烧结等系列工艺组成的。生产工艺过程:粉末冶金与陶瓷所用原材料都是“粉体”,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,一、粉料的基本物理性能粒度：d、等效直径粒度分布、形貌（宏观、微观）拱桥效应：粉体颗粒的形貌千差万别，直接影响到粉体的流动性和填充性。由于实际粉料不是球形，加上表面粗糙不平以及附着和凝聚的作用，颗粒之间相互咬合，形成拱桥形空间，增大了空隙率，使粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多。,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,粉体颗粒的表面能和表面状态表面能：晶体破碎后内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡状态，而表面原子只是一侧受到内部原子的引力，另一侧则处于一种具有“过剩能量”的状态，该“过剩能量”称为表面能。吸附与凝聚,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,粉料的堆积（填充）特性与形状有关：拱桥效应，形状越不规则，空隙率越高。与粒径分布有关：粒径分布越宽，空隙率越小，堆积密度越大。粉料的流动性自然安息角越小，反映出流动性越好球形粉末的流动性好,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,二、粉体成形原理将粉体原料制成块状坯体一般采用三种不同的方法：压制成形：直接将不含液体（水或有机溶剂）或含有少量液体的粉体加压成形。可塑成形：将粉体加入适量的液体，做成可塑泥团，通过塑性变形制成坯体。浆料成形：将粉体中加入足够多的液体（含液量超过可塑泥团），做成流体形的浆料，将其浇注至模具内形成坯体。,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,（1）压制成形原理：基于较大压力成形过程中坯体的密度、强度、压力发生变化。高而细的产品不适于压制法成型,图73单面加压时坯体内部压力分布情况H坯体高度D坯体直径,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,影响坯体密度的因素成形压力加压方式：单面、双面、四面加压速度：一轻、二重、慢提起润滑剂等添加剂,加压方式和压力分布状态图(a)单面加压；(b)双面同时加压；(c)双面先后加压；(d)四面加压（等静压）,密度均匀程度增加,两次之间有间隙，利于空气排出,第一节粉体成形原理,对压制用粉料的工艺性能要求(由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落)良好的流动性。粉料中气体越少越好。以便得到较高的素坯密度。粉料的堆积密度越高越好。,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,（2）可塑成形原理主要用于形成陶瓷坯体，不用于粉末冶金可塑泥团的流变特性弹性变形假塑性变形开裂y流限、屈服值p强度极限n假塑性形变y回复形变p最大变形量,可塑泥团的应力应变曲线,少量空气和有机增塑剂的作用,泥团中颗粒产生相对位移所致,出现裂纹前的最大变形量,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,影响泥团可塑性的因素固相颗粒大小和形状：颗粒越粗，呈现最大塑性时所需水分愈少，最大可塑性愈低;颗粒愈细，比表面积愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分与多，可塑性愈高。液相的数量和性质：水分是泥团出现可塑性的必要条件，当水分适量时才能呈现最大可塑性。,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,可塑性评价指标：yp。屈服值随含水量增加而减少；最大变形量随含水量增加而增加。,可塑泥团的可塑性与含水量的关系,第一节粉体成形原理,可塑坯料的工艺性能要求可塑性好；含水量适当；干燥强度高；收缩率小；颗粒细度适当；空气含量低。,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,（3）浆料成形原理将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，在贴近模壁的一层泥浆被模型吸水而形成一均匀的泥层，这泥层随着时间的延长而逐渐加厚，当达到所需的厚度时，可将多余的泥浆倒出。最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离。从模型取出后即为毛坯。,第一节粉体成形原理,影响泥浆流变性能的因素泥浆浓度：浓度越高，在同一剪切速率下所需应力越大，流动性降低。固相颗粒大小：颗粒越细，吸引力越大，流动阻力越大；电解质的作用：泥浆解凝泥浆的pH值：影响离解程度，或胶溶或絮凝,未解凝的可塑粘土泥浆浓度与流动曲线的关系,第一节粉体成形原理,Formingtheoryofpowder,注浆成型对泥浆的总的工艺性能的要求流动性好；稳定性好；适当的触变性；含水量少；滤过性好；坯体强度高；脱模容易；不含气泡。,第二节粉体制备技术,Preparationtechnologiesofpowder,粉体制备方法粉碎法：机械粉碎、气流粉碎不易制备1微米以下的微细颗粒设备定型化，产量大，容易操作，被广泛地应用于粉末生产中，属于物理法机械合金化（高速高能球磨）合成法：通过离子、原子、分子反应，成核、生长、收集、后处理获得微细颗粒纯度高粒度可控均匀性好颗粒微细,第二节粉体制备技术,Preparationtechnologiesofpowder,金属粉末的合成方法还原法雾化法电解法化合物粉末的合成方法固相法化合反应法热分解反应法氧化物还原法,液相法生成沉淀法水热法溶胶凝胶法溶剂蒸发法熔液法气相法蒸发-凝聚法气相化学反应法,第三节粉末冶金成形工艺,Powdermetallurgy,粉末冶金成型工艺压制成形：使用最广泛粉浆浇注成形楔形压制,第三节粉末冶金成形工艺,Powdermetallurgy,压制成形（1）物料准备粉末分级配料混合混合料湿磨：混合+研细（2）压制工艺,称料,装模,压制,脱模,第三节粉末冶金成形工艺,Powdermetallurgy,粉浆浇注成形将粉末预先制成悬浮状或浆糊状物质,然后注入石膏模中的成形方法,叫粉浆浇注.粉浆的制备模具材料:石膏(200度失去结晶水)浇注方法:手工浇注(倾倒浇注)、压缩空气浇注,第三节粉末冶金成形工艺,Powdermetallurgy,楔形压制成形楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模冲，将粉末分段压制而成制品.,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,浆料成形注浆成形热压铸成形流延成形：超薄型制品可塑成形滚压成形塑压成形挤压成形轧膜成形,压制成形模压成形等静压成形,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,（1）注浆成形：坯料具有一定液态流动性基本注浆方法：空心注浆、实心注浆（单面注浆、双面注浆）,小件、薄壁,外模,注口,型芯,注浆,出气口,吸水,硬化脱模,大件、厚壁,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,强化注浆方法：（提高吸浆速度和坯体强度）真空注浆离心注浆压力注浆（2）热压铸成形利用石蜡的热流行特点，与坯料配合，是用金属模具在压力下成形，冷凝后坯体能够保持其形状。蜡浆料的制备：浆坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中热压铸高温排蜡,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,（3）滚压成形盛放着泥料的石膏模具和滚压头分别绕着自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥料进行滚压成形。坯体质量好生产效率高日用品陶瓷,阳滚压,阴滚压,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,（4）塑压成形在模型内常温下压制成坯抽真空挤压成形，通压缩空气迅速脱模各种盘碟类制品坯体致密度高石膏模寿命短多孔树脂膜、金属膜高强模型,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,（5）挤压成形效率高适合管件、棒状制品（6）轧膜成形厚度1mm以下的薄片制品横向收缩大，易变形和开裂,第四节陶瓷材料成形工艺,Formingtechniquesofceramics,（5）模压成形将流动性好、颗粒级配合合适的粉料，装入模具内，通过施加外力，使粉料压制成一定形状的坯体。液压成形机、自动压片机（6）等静压成形（静水压成形）利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性先将配好坯料装入用塑料或橡胶做成的弹性模具内，置于高压容器内，密封后，打入高压液体介质，压力传递至弹性模具对坯料加压。释放压力取出模具，得到坯件。形状复杂、大件、细而长制品成型质量高、密度高而均匀模具寿命长、成本低