4-2-第四章-粉末成形技术

付健fujia料科学与工程学院,粉末冶金原理第四章粉末成形技术TechniqueofPowderFormation,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,本章内容4.1成形前的粉末冶金4.2模压成形技术4.3等静压成形4.4粉末连续成形4.5粉浆浇注4.6粉末注射成形,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第四节粉末连续成形,定义：粉末在压力作用下由松散状态经过连续变化而成为具有一定密度、强度以及所需尺寸形状压坯或制品的过程。主要包括：粉末轧制、挤压、喷射成形、楔形压制等基本特征：是模压成形方法的重要补充，可以生产普通模压成形无法生产的多孔或致密的板、带、棒、及管材等；比钢模压制需要较少的设备、容器。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,一、金属粉末轧制（Powderrolling）（一）概述1.粉末轧制的概念：粉末通过喂料进入一对轧辊之间，在轧辊力的作用下压实成具有一定强度的连续带坯的过程。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.粉末轧制的特点：与熔铸轧制相比：1）基本原理相同，要实现轧制：+；2）可轧制出熔铸轧制无法生产或难以生产的板、带材等（尤多层复合板、带）；3）工艺流程短、节能、成本较低，4）压坯或产品成分精确可控、轧制产品各向同性；5）成材率较高。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,与模压成形相比：1）轧制能耗比压制低；2）可以生产模压成形无法生产的板、带材；3）压坯密度更均匀，压坯长度原则上不限；4）板带材宽度、厚度有限：=（1/1001/300）D，一般10mm粉末轧制适用于生产宽度几百mm，厚度10mm以下，长度原则不限的板带材，或D/很大的衬套等,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.粉末轧制的分类：粉末直接轧制（directpowderrolling）应用较广泛：对塑性好的粉末粉末粘结轧制(bondedpowderrolling)加入粘结剂改善粉末体的成形性包套粉末热轧（cannedpowderhotrolling）对活性粉末以及要求高致密度的材料,粉末冷轧,粉末热轧,按进料方式分为：水平、垂直和倾斜轧制,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,用调节闸门控制喂料的垂直轧制,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（二）粉末轧制的基本原理1.轧制过程,松散粉末需依次经过三个区域才能完成轧制：（三个特征区）粉末松装堆积区（自由充填区）喂料区压轧区,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,区-自由充填区：此区粉末仅受重力和颗粒下移而产生的颗粒间摩擦力作用；区-喂料区：轧辊表面施予粉末一定的摩擦力，带动粉末颗粒进入辊之间，导致粉末被咬入。凡进入此区的粉末将在摩擦力作用下进入压轧区区-压轧区：进入此区的粉末将在轧辊力作用下被轧制成坯粉末质量不变，体积缩小，密度增加。,三个特征区,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.轧制过程的定量关系（轧制带坯厚度、密度与粉末特性及轧辊尺寸之间的定量关系）基本概念及符号：咬入层、咬入角（2）H咬入宽度R轧制带坯厚度D、r轧辊直径、半径松、压粉末松装密度及轧坯密度V进、V轧粉末进料速度和轧制速度粉末料柱宽度B轧坯宽度b,H,图4-26粉末轧制时的咬入区和变形区,H,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,几何关系：,质量关系：,定量关系式：,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.影响轧制过程的因素,（1）粉末性能松装密度：松，压，（保证轧制条件下）流动性：流动性，V进，压，（保证轧制条件下）粉末硬度：低的粉末硬度便于变形和形成高的机械啮合，成形性，压坯强度,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）轧辊直径D,（R固定）；R（一定）（3）给料方式水平与垂直：垂直V进，、R（4）轧制速度,、R（m不变）（5）辊缝tt，轧制压力降低，R,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（三）粉末轧制工艺,粉末准备喂料（水平、垂直方式）轧制（冷轧、热轧）轧坯烧结（直接烧结、成卷烧结）,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.粉末冷轧工艺室温下轧制轧制速度较低：0.6-30m/s轧坯可卷成卷后烧结，也可烧结后卷成卷，还可烧结后再热轧,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,冷轧,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,冷轧+热轧,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.粉末热轧工艺可以对粉末、预成形坯等进行轧制防氧化包套（真空）轧制或气氛保护,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（四）粉末轧制的应用多孔板材，如过滤板、催化剂板材层状复合材料带、板材多层钢背支撑轴承纤维增强复合材料,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,粉末、粉末压坯或粉末烧结坯在外力作用下，通过挤压筒的挤压嘴挤成坯料或制品的成形方法。,二、粉末挤压（一）概述粉末挤压的定义,PowderExtrusion,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,粉末直接挤压（冷挤压）：适应于塑性好的金属粉末粉末增塑挤压：粉末加入一定量的成形剂或粘结剂后挤压，适应于硬质粉末如硬质合金粉末粉末包套热挤：适应于弥散强化合金等烧结坯或粉末压坯的热挤压：适应于塑性较好的有色金属材料。,挤压的分类,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,粉末挤压成形的特点,1）能挤出直径小（1mm）、壁薄（0.01mm）的管材、棒材，以及其他异形截面的制品2）产品长度原则不限，生产过程具有连续性3）更换挤压嘴可以方便地改变产品的截面形状4）工艺流程短、节能、成本较低5）可获得致密、物理机械性能优良的材料或制品,粉末挤压适用于截面尺寸较小，形状多样的各种棒材、管材坯体及制品,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.粉末在挤压筒内的受力状态三向受压缩，一方向变形（向下挤出）。挤压杆施加压力P，筒壁约束产生侧压力P侧，P侧=P相对运动产生摩擦力Pf（筒、嘴）,Pf=P侧=P物料被挤出的条件：PPf+Pr(粉末变形阻力),（二）粉末挤压成形原理,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.粉末在挤压筒内的流动状况三个区域：V1区：挤压初期物料不流动，后期进入V3区，向下流动；V2区：物料回流；V3区：向下（模嘴）流出,三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.超前现象和轴向附加应力的形成,超前现象：由于摩擦力的影响，挤压筒中中心部位物料的流动速度较接近筒壁物料的流动速度快（挤出快）的现象。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,4.挤压比,挤压比R：挤压筒横截面积与挤压嘴横截面积之比R=F/F0=D2/d2断面收缩率K：K=（F-F0）/F100%=（D2-d2）/D2100%,合适的挤压比是获得合格压坯的关键之一，一般R10,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（三）挤压模具设计,1）确定挤压比R,2）正确设计挤压嘴重要参数：锥角定型带长l表面粗糙度,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（四）粉末挤压工艺,1.增塑挤压：具有一定粘结性性和良好塑性的有机物（增塑剂）粉末一起制成混合料后挤压,增塑剂（plasticizer）：石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸（表面活性剂）添加量：6-8.5%粗颗粒粉末或厚壁件取下限细颗粒粉末或薄壁件取上限,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,粉末料+增塑剂掺合（40-50）预压（排气，提高料密度）挤压（40-50）挤压坯脱增塑剂烧结制品,硬质合金增塑挤压生产工艺流程,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，使坯体发生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材。应用烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金粉末包套热挤压：含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等的高温合金或弥散强化材料包套制作工艺与HIP相同,2.粉末热挤压,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,三、粉末喷射成形喷射成形是将喷射沉积与成形技术结合一起进行加工金属或合金成半成品或成品的新工艺。将雾化液态微粒先沉积为预成形实体，然后进行各种形式冷热加工成板、带、棒、管材。,喷射沉积原理示意1雾化液微粒流2沉积物3衬底4金属液流,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,喷射成形工艺特点：制各种板、带、管等半成品及成品；控制雾化速度可控制制品的组织和性能晶态、非晶等组织材料各向同性；可制多层复合材料,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,喷射成形工艺方法喷射轧制、喷射锻造、离心喷射沉积、喷射涂层,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SprayCasting,Spraycasting(Ospreyprocess)inwhichmoltenmetalissprayedoverarotatingmandreltoproduceseamlesstubingandpipe.,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第五节粉浆浇注成形（slurrycasting）,1.基本原理粉末与水（或其它液体）制成一定浓度的悬浮浆料，注入具有所需形状的石膏模中。多孔石膏模吸收粉浆中的水分（或液体），使浆料在模内得以致密并形成与模具型面相应的成形注件。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.特点历史悠久的陶瓷成形方法，后应用于现代粉末冶金；是制取复杂形状、大件粉末冶金制品的有效方法；适于成形压制性较差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、氮化物、铬和硅等粉末；不需要压力机，设备简单，生产费用低；生产周期长，生产率低。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.粉浆浇注工艺过程,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（1）粉浆的制备,由金属粉末（纤维）与母液等组成的混合物要求：具有一定的流动性、粘度和相对稳定性浆料的主要组成：粉末+溶剂（水、酒精等）+添加剂,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,浆料中的添加剂1）粘结剂干燥后赋予坯件足够强度；PVA、PEG、藻肮酸钠等，3%2）悬浮剂阻止粉末颗粒间的聚集；弱酸、碱，在颗粒表面上吸附H+或OH-离子，静电吸附，同性相斥分离机理3）除气剂表面活性剂，使颗粒表面吸附的气体脱附，防止颗粒聚集和消除坯间气孔：正丁醇4）调节剂调节料浆粘度，改善流动性；常用NaOH,HCl，氨水等,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,制作过程（流程图）石膏粉粒度影响模具的吸水能力（图）,（2）石膏模制作,石膏粉+水（1:1.5）搅拌浇入型箱（铸造）干燥（40-50）石膏模,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,石膏模壁涂离型剂：硅油或肥皂水作用：隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触、控制吸水速度。浇注方法：可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。,（3）浇注,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（1）粉末粒度：细粉末利于浇注（2）液固比：影响粉浆粘度和粉末沉降速度（3）粉浆的PH值：影响粉浆粘度和粉末沉降速度（4）分散剂与粘结剂：影响粉浆的粘度和沉降速度和坯体强度（5）气体,4.影响粉浆浇注的因素,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,第六节金属粉末注射成形专题（Metalinjectionmolding，MIM）,一、注射成形的原理及特点基本原理：利用塑料注射成形原理，将金属粉末（陶瓷粉末等）与有机粘结剂一起制成混合料，在注射成形机上，在一定温度和压力下通过注射口注入闭合的模具中，冷却后开启模具，得到坯体。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.注射成形的特点：1）是将粉末冶金与塑料注射成形结合的新的粉末成形工艺技术。是PM高新技术之一。2）可以大批量生产接近最终形状、尺寸的复杂形状的金属、陶瓷制品。3）生产工序少、无工序废料，少无切许削加工。4）是制造复杂形状粉末冶金零件的研究热点之一，在难熔金属与硬质合金、不锈钢、轻金属粉末冶金、复合材料、陶瓷等领域有广阔的应用前景。,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.注射成形技术背景塑料制品的通用成形技术之一，利用熔融塑料的流动行为借助于外压经注射嘴注入特定的形腔。单纯的塑料的强度、耐磨性低，应用范围受限，在熔融塑料中金属、陶瓷粒子作填充剂美国AMAXMet.Injet.Moulding和德国BASF公司：开发PIM的先驱20世纪八十年代初，实现产业化，展示良好的技术、经济效益,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,二、注射成形工艺过程,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Metallicorceramicpowders+BindePremixingCompounding(mixingandpelletizing)FeedstockInjectionmouldingDebinding(solventand/orthermaldebinding/Presintering)SinteringPIMparts,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.选取合适的粉末原料（1）particlesize一般小于30m，常用2-8m利于制造薄壁、形状复杂制品提高粉末烧结驱动力保证脱脂后坯体的强度便于混练和注射,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（2）particleshape球形颗粒有利于脱脂后获得最大的颗粒填充密度和混练均匀的喂料颗粒外形比（particleaspectratio）最好在1-1.5之间脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shaperetention）有利于颗粒间相互间钩连,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,（3）particlesizedistribution合适的粒度分布易于获得稳定流变性能的喂料，便于混练和注射成形packingdensity,bindercontent提高注射坯件在烧结过程中的尺寸稳定性利于烧结致密化,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,2.配制能有效团聚粉末，并赋予混合料流变性能的粘接剂较低的粘度：0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象与粉末颗粒润湿性好加入表面活性剂，阻止在混练和注射过程中发生两相分离粉末聚集现象冷却后有足够的强度和韧性脱脂过程中易于排除，且不易形成脱脂缺陷,为满足混练、注射和脱脂的要求，一般采用多组元体系的粘结剂,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,3.混练借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀混练温度温度过高：导致粘结剂分解，或粘度太低而发生两相分离现象温度过低：粉末聚集，喂料不均匀性混练过程剪切力：由旋转速度决定剪切力太高：混练设备磨损和引入机械夹杂剪切力太低：粉末聚集、混料不均,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,4.注射成形关键工艺参数为：注射压力、温度,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,1.脱脂类型热脱脂(thermaldebinding）：在一定温度和气氛条件，多元组份中的低熔点组份形成液相借毛细作用溢出注射坯体或蒸发；若T分解温度，也可形成相应单分子化合物排出高熔点组份，部分残留在粉末颗粒接触处，赋予脱脂坯体足够强度.溶剂脱脂(solventdebinding)：利用粘结剂组份在溶剂中的选择性溶解，粘结剂扩散逸出注射坯体。过程进行速度慢。,5.脱脂,SchoolofMater