第六章--粉末冶金及陶瓷成型技术

1、材料成形技术基础材料成形技术基础第六章第六章 粉末冶金及陶瓷成型技术粉末冶金及陶瓷成型技术 6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备 6.3 粉末冶金制品的结构工艺性粉末冶金制品的结构工艺性 6.4 粉末冶金及陶瓷成型新技术粉末冶金及陶瓷成型新技术 第六章第六章 粉末冶金及陶瓷成型技术粉末冶金及陶瓷成型技术 6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理概述概述 v粉末冶金和陶瓷材料以粉体（粉末）为原粉末冶金和陶瓷材料以粉体（粉末）为原材料，经过成形和烧结工艺制备而成。材料，经过成形和烧结工艺制备而成。

2、6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理熔铸法熔铸法 熔、炼、铸熔、炼、铸 铸件铸件 机加工机加工零件零件 铸坯铸坯塑性成形塑性成形热处理热处理机加工机加工零件零件粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)压压型型(pressing)烧结烧结(sintering)6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 1909年出现一种电灯钨丝的铸造方法，将钨粉年出现一种电灯钨丝的铸造方法，将钨粉压制成形并将其在高温下进行烧结，然后再经压制成形并将其在高温下进行烧结，然后再经过锻

3、造和拉丝而制成钨丝，这种不用熔炼和铸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造，而用压制、烧结金属粉末来制造零件的工艺称为艺称为“粉末冶金法粉末冶金法”金属材料金属材料 冶炼冶炼铸造铸造1.概述概述与其他成型工艺比较（制造金属结构件）1 1和熔铸技术比较和熔铸技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势： 粉末冶金制件表面光洁度高；粉末冶金制件表面光洁度高； 制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；制造的尺寸公差很窄，尺寸精确； 合金化与制取复合材料的可能性大合金化与制取复合材料的可能性大 组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；、力学性

4、能可靠； 在经济上，粉末冶金工艺能耗小。在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：铸造优势： 形状不受限制；（粉末冶形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受限制金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件），但只能生产小制件） 适于制造大型零件；适于制造大型零件； 零件生产批量小时，经济零件生产批量小时，经济； 一般说来，工、模具费用一般说来，工、模具费用低。低。6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 和热模锻技术比较和热模锻技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势： 粉末冶金制件精度比精锻高；粉末冶金制件精度比精锻高； 粉末锻造节省材料、重量控制精确粉末锻造节省材料、重量控

5、制精确、可无非边锻造，也能制造形状较复、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；杂制件； 粉末锻造只需一副成形模具和一副粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。边模。6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 热模锻优势：热模锻优势： 可制造大型零件；可制造大型零件； 锻件力学性能比烧结粉锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末锻末冶金零件高，但与粉末锻造件相当；造件相当； 可制造形状复杂程度较可制造形状复杂程度较高的制品。高的制品。l 2.2.粉末冶金一般工艺粉末冶金一般工艺（1 1）制粉）制粉（2 2）物料准

6、备）物料准备（3 3）成形）成形（4 4）烧结）烧结 （5 5）烧结后处理）烧结后处理6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理 陶瓷成形陶瓷成形v 陶瓷材料的成形过程与粉末冶金相似，所不同的是两者采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。用不同的原材料。v 一般情况下，陶瓷材料的组织结构包括晶相、玻璃相和气一般情况下，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。相三个部分，其中的晶相是陶瓷材料的主要组成相。6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本原

7、理粉末冶金及陶瓷成型的基本原理6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备 6.2.1.粉体的基本性能粉体的基本性能v粒度粒度：颗粒大小：通常用直径表示。不规则颗粒用等效半径。颗粒大小：通常用直径表示。不规则颗粒用等效半径。粒度分布：不同大小颗粒占的百分比。粒度分布：不同大小颗粒占的百分比。v颗粒形状：颗粒形状： 颗粒形状表示粉体颗粒的几何形状，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。常用的颗粒形状有球形、片形、针形、柱形等。流动性流动性 流动性指粉体的流动能力，粉体的流动性主要取决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。于颗粒之

8、间的摩擦系数。形状形状粒度粒度粒度分布粒度分布。填充特性填充特性 填充特性是粉体成形的基础。由于粉体的形状不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。规则、表面粗糙，使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙。形状形状粒度粒度表面性质表面性质6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备填充特性填充特性 填充特性是粉体成形的基础。由于粉体的形状不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。规则、表面粗糙，使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备影响填充的因

9、素（1）颗粒大小的影响:临界粒径DCDC时，粒径越小填充越疏松。 填充特性填充特性 填充特性是粉体成形的基础。由于粉体的形状不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。规则、表面粗糙，使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备影响填充的因素（2）颗粒形状和凝聚的影响在填充中，若颗粒的形状越偏离球体，填充越困难，填充结构越疏松，空隙率变得越大。颗粒表面粗糙，则由于填充时摩擦阻力大，就难以达到紧密填充，这种颗粒形状的影响，一般当颗粒越小，颗粒间相互作用力越强时，表现得更明显。 填充特性填充特性 填充特性是

10、粉体成形的基础。由于粉体的形状不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。规则、表面粗糙，使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备影响填充的因素（3） 由于吸附水份，导致颗粒间凝取力的强烈作用。由于这种凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动，所以得不到紧密填充。凝聚力不仅构成对填充的直接阻力。二次颗粒二次颗粒而且当凝聚力存在时，多数情况下颗粒通过凝聚会形成凝聚颗粒（也称二次颗粒），并且这种二次颗粒往往作为填充过程的基本颗粒。二次颗粒的形状很不规则，致密填充很困难。 6.2.2.粉体的制备粉体的制备6.2 粉

11、体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备球磨法球磨法v球磨法球磨法制备粉制备粉体的体的生生产量大、产量大、成本较成本较低，低，在在工程中工程中应用较应用较为普遍。为普遍。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2.2.粉体的制备粉体的制备6.2.2粉体的制备粉体的制备气流研磨法气流研磨法 通过气体传输粉料的一种研磨方法。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2.2粉体的制备粉体的制备物理化学法物理化学法 液体金属雾化法液体金属雾化法 许多雾化法部是采用双液流：一

12、为液态金属流，许多雾化法部是采用双液流：一为液态金属流，为液为液体或气体流。后者冲击液态金属流，将之破碎成金属液体或气体流。后者冲击液态金属流，将之破碎成金属液滴，随后凝固成粉末颗粒。对于制取铁、钢粉末，一般滴，随后凝固成粉末颗粒。对于制取铁、钢粉末，一般用水或油作为冲击流体；对于某些特殊金属和或应用，用水或油作为冲击流体；对于某些特殊金属和或应用，则采用空气、水蒸气或惰件气体作为冲击流体；对则采用空气、水蒸气或惰件气体作为冲击流体；对于其他金属，用惰性气体氮、氩或氮作为雾化介质；在于其他金属，用惰性气体氮、氩或氮作为雾化介质；在某些场合采用水蒸气。某些场合采用水蒸气。用机械粉碎法生产粉末，通

13、常只能用于脆性金属，也可用用机械粉碎法生产粉末，通常只能用于脆性金属，也可用于将脆性的金属的金属间化合物或经脆件处理的金属制成于将脆性的金属的金属间化合物或经脆件处理的金属制成粉末。粉末。一般不易获得粒径在一般不易获得粒径在1 mm以下的微细颗粒。以下的微细颗粒。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2.2粉体的制备粉体的制备物理化学法物理化学法液体金属雾化法液体金属雾化法6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备 雾化法是一种典型的物理雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离

14、心力使之破碎、冷却或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。凝固来实现的。雾化雾化聚聚并并凝固凝固6.2.2粉体的制备粉体的制备还原铁粉还原铁粉6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备（1）分级分级 分级是指将粉体按粒度分成若干等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。的要求，通常采用标准筛网进行筛分。（2）去杂质去杂质 去杂质的目的是降低粉体中的杂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。

15、质含量，常用的有退火处理、酸洗处理等。（3）混合混合 将两种以上不同成分的粉体均匀混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。合的过程称为混合，球磨是常用的混合方法。（4）造粒造粒 造粒是在细的粉体中加入一定的塑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、化剂制成粒度较粗，具有一定假粒度级配、流动性好的粒子。流动性好的粒子。6.2.3 粉体的预处理粉体的预处理6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备v通过一定的方法，将粉体原料制成具有一通过一定的方法，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定形状、尺寸、密度和强度坯体

16、的过程称为成形为成形（1）压制成形压制成形 粉末冶金、陶瓷粉末冶金、陶瓷 （2）塑性成形塑性成形 陶瓷陶瓷（3）浇注成形浇注成形 陶瓷、粉末冶金陶瓷、粉末冶金6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2.4 粉体的成形粉体的成形v压制成形压制成形是粉是粉末冶金和陶瓷成形末冶金和陶瓷成形的常用方法之一。的常用方法之一。将松散的粉状原料将松散的粉状原料放入模具中，并施放入模具中，并施加一定的压力后便加一定的压力后便获得块状坯体。获得块状坯体。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2.4 粉体的成形粉体的成形（1）受到压力后，颗）受到压力后，颗粒之间发生相对移动，粒之间发生相

17、对移动，“拱桥拱桥”被破坏，密被破坏，密度随压力的增加而迅度随压力的增加而迅速增加。速增加。（2）当密度达到一定）当密度达到一定程度后，密度不随压程度后，密度不随压力的增大而明显增加。力的增大而明显增加。 （3）继续增大成形压）继续增大成形压力，使颗粒之间的结力，使颗粒之间的结合进一步增强，坯体合进一步增强，坯体的密度增大。的密度增大。 粉体的压制过程如下：6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备v 塑性成形利用各种外力，对具有可塑性的坯料进行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，并保持其加工，迫使坯料在外力作用下产生塑性变形，并保

18、持其形状，从而制成坯体。主要用于陶瓷成形。形状，从而制成坯体。主要用于陶瓷成形。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备塑性成形塑性成形浇注成形浇注成形v浇注成形是陶瓷坯体成形中的一个基本成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。些形状比较复杂的零件。6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备烧结的基本原理烧结的基本原理 烧结过程烧结过程v烧结是将成形的坯体在烧结是将成形的坯体在低于低于其主要成分熔点的温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，度下加热，粉体相互结合并发生

19、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。形成具有一定强度和性能的固体材料的过程。6. 2.5烧结烧结6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备烧结过程烧结过程 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6. 2.5烧结烧结 坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固大气孔消失），固-气总表面积没有变化。气总表面积没有变化。 烧结过程烧结过程 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6. 2.5烧结烧结 传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，

20、但仍然连通，形如隧道。仍然连通，形如隧道。 烧结过程烧结过程 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6. 2.5烧结烧结 传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到度达到95%以上，制品强度提高。以上，制品强度提高。烧结过程烧结过程 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6. 2.5烧结烧结v按照烧结过程有无明显的液相出现进行分类，可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。分为固相烧结和液相烧结两类。指烧结温度下基本上无液相出现的烧结，指烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的

21、烧结过程。如高纯氧化物之间的烧结过程。 指有液相参与下的烧结，如多组分物系在指有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现。烧结温度下常有液相出现。v粉末冶金和陶瓷制品在烧结中通常产生收缩、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度差，一般情况下，不能作为最终产品直接使用。使用。v浸渍：用油、石蜡、树脂填充烧结制品的空浸渍：用油、石蜡、树脂填充烧结制品的空隙。隙。v精整：烧结后再模具中再压一次以获得所需精整：烧结后再模具中再压一次以获得所需的尺寸精度和表面粗糙度。的尺寸

22、精度和表面粗糙度。v精压：获得特定的表面形状和适当改善密度精压：获得特定的表面形状和适当改善密度的工艺。的工艺。v复压：提高制品密度、提高强度的工艺。复压：提高制品密度、提高强度的工艺。6.2.6后处理后处理 6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备6.2 粉体的成形方法及设备粉体的成形方法及设备v陶瓷制品实例6.3 粉末冶金制品的结构工艺性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。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，避免尖尽量采用简单、对称的形状，避免尖角。角。2. 避免局部薄壁，以利避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出于装粉压实和防止出现裂纹。现裂纹。3. 设计时应避免与压制方设计时应避免与压制方向垂直或斜交的沟槽、向垂直或斜交的沟槽、孔腔，以利于压实和减孔腔，以利于压实和减少余块。少余块。4. 沿压制方向的横截面沿压制方向的横截面要均匀变化。要均匀变化。6.3 粉末冶金制品的结构工艺性粉末冶金