粉末冶金新技术

1、粉末冶金新技术第1页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二本节主要内容：概述雾化制粉技术机械合金化制粉技术粉末注射成形技术温压和热压成形技术等静压成形技术SPS烧结五、粉末冶金新技术第2页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二1、概述粉末冶金制取金属粉末成形、烧结及烧结后处理快速冷凝雾化制粉机械化合金制粉超微粉式纳米粉制粉溶胶-凝胶技术粉末注射成形温压成形冷等静压热等静压成形超塑性等温锻造第3页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二粉末冶金方法与液态成形方法相比其优点如下：可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点。用粉末冶金法生产零件制品时，金属的总

2、损耗只有15%；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现。例如，多孔材料、氧化物弥散强化合金、硬质合金等；一些活性金属，高熔点金属制品用其他工艺成形是十分困难的，这些材料在普通工艺过程中，随着温度的升高，材料的显微组织及结构收到明显的损害，而粉末冶金法却可避免；第4页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二粉末冶金的应用：从普通机械制造到精密仪器，从五金工具到大型机械，从电子工业到电机制造，从采矿到化工，从民用工业到军用工业，从一般技术到尖端技术，都在使用粉末冶金材料或制品，金属粉末和粉末冶金制品、材料在工业部门的应用如下表所示：金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用

3、机械制造汽车、拖拉机、机床制造电机制造精密仪器电器和电子工业计算机工业化学、石油工业军工航空航天和火箭原子能工程硬质合金，金属陶瓷，粉末高速钢机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器多孔含油轴承，铜-石墨电刷仪表零件，软磁材料，硬磁材料电触头材料，电真空电极材料，磁性材料记忆元件过滤器，防腐零件，催化剂穿甲弹头，军械零件，高比重合金摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金发汗材料，难熔金属及合金，纤维强化材料核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料第5页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二2、雾化制粉技术定义： 雾化法是一种典型的物理制粉方法，通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲

4、击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。优点： 可以有效地减少合金成分的偏析，获得成分均匀的合金粉末；通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。第6页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二雾化过程雾化聚并凝固 过程一(雾化)：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。 过程二(聚并)：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。 过程三(凝固)：液体颗粒冷却

5、形成小的固体颗粒。第7页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二雾化制粉分类二流雾化法 借助高压液流(通常是水或油)或高压气流(空气、惰性气体)的冲击破碎金属液流来制备粉末的方法，称为气雾化或水雾化，统称二流雾化法；单流雾化 如利用离心力破碎金属液流称为离心雾化、利用超声波能力来实现液流的破碎称为超声雾化。雾化制粉的冷凝速率一般为103106/s，适用于金属粉末制备。第8页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时

6、间内凝固成为粉末颗粒。气流(水、油、气体)气流(水、油、气体)121液态金属2气流(水、油或气体)第9页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 气体雾化气雾化的四个区域负压紊流区高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；颗粒形成区在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；有效雾化区气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；冷却凝固区细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。(1) 二流雾化第10页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二气体动能喷嘴结构液流性质喷射方式 气雾化制粉的影响因素a) 气体动能 增大气体压力，能够增加气体的喷射速度

7、，有利于金属液体雾化率的提高。但前提条件是金属液的流量一定。b) 喷嘴结构嘴结构应具备以下基本条件：雾化介质获得尽可能高的出口速度；雾化介质与金属液流之间形成合理的喷射角度；金属液流产生最大的紊流；金属液流雾化稳定，不会因出口负压造成喷嘴堵塞。c) 液流性质 金属液的表面张力、金属液的粘度、金属液的化学组成、金属液的过热温度都会影响雾化制粉。第11页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二d) 喷射方式按照雾化介质对流体的作用可分为以下几种:垂直喷嘴；V形喷嘴；锥形喷嘴；漩涡环形喷嘴垂直喷射示意图1气流；2金属液流特点：雾化介质与金属液流互呈垂直方向。喷制的粉末一般比较粗，常用来

8、喷制铝、锌等粉末。V形喷射示意图特点：两股板状雾化截止射流呈V形，金属液流在交叉处被击碎。这种喷嘴是在垂直喷嘴的基础上改进而成的，不易发生堵嘴。可喷制不锈钢粉。第12页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二锥形喷射示意图特点：雾化介质以极高的速度从若干个均匀分布在圆周上的小孔喷出构成一个未封闭的气锥，交汇于锥顶点，将流经该处的金属液流击碎。这种喷嘴雾化效率较高，但要求金属液流对中好，同时由于雾化介质高速射出时会在锥中形成真空，容易造成液滴反飞，并在喷嘴上凝固而堵嘴。漩涡环形喷射示意图特点：压缩气体从切向进入喷嘴内腔，然后高速喷出形成一漩涡状锥体，金属液流在锥顶被击碎。第13页，

9、共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二(2) 离心雾化法 离心雾化法是利用机械旋转造成的离心力使金属熔液克服其表面张力，以细小的液滴甩出，然后在飞行过程中球化、冷凝成粉的一种制粉方法。 1974年，首先由美国提出旋转电极(REP)雾化制粉法，后来又发展了旋转盘法(RD)、旋转坩埚法(RC)，电子束旋转电极法(EBRE)，等离子旋转电极法(PREP)等。旋转电极法原理图旋转电极过程中液膜破碎、球形粉形成原理图旋转坩埚法原理图第14页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二离心雾化法特点： 能制取几乎所有金属或合金的粉末，还可以制取难熔化合物(如氧化物、碳化物)粉末；

10、离心雾化法不受坩埚耐火材料的污染，是目前制取高纯、无污染难熔金属和化合物球形粉末最理想的方法，特别是对易氧化(或氮化)金属最为有效，冷凝速度一般为103106K/s。离心雾化法的缺点： 工艺受到设备规模、生产过程连续化和自动化限制，生产能力低，粉末价格高。第15页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 机械合金化是一种从元素粉末制取具有平衡或非平衡相组成的合金粉末或复合粉末技术。 它是在高能球磨机中，通过粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面相互冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。3、机械合金化制粉技

11、术第16页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二机械合金化技术的特点：可形成高度弥散的第二相粒子；可以扩大合金的固溶度，得到过饱和固溶体；可以细化晶粒，甚至达到纳米级，还可以改变粉末的形貌；可以制取具有新的晶体结构、准晶或非晶结构的合金粉末；可以使有序合金无序化；可以促进低温下的化学反应和提高粉末的烧结活性。第17页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二原料粉末： 纯金属粉、母合金粉末、预合金粉末和难熔金属化合物粉末，其粒度一般为1200m。过程控制剂： 过程控制剂是一种表面活性剂，它可以覆盖在粉末的表面，降低新生表面的表面张力，缩短球磨时间；过程控制剂的加入，

12、还可以减少粉末间的冷焊，防止粉末发生团聚。控制剂的量一般在14%；控制剂一般为有机化合物，如硬脂酸、乙烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、异丙酮、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂，石墨粉、氧化铝、氮化铝、氧化钠也曾用作过程控制剂。注意： 在球磨过程中，这些化合物的大部分都会分解，并与粉末发生反应后在其基体中形成均匀弥散分布的化合物新相，所以过程控制剂的选择很重要。机械合金化原料及过程控制剂第18页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介质球磨制粉第19页，共45页，2022年，5月20日，8点

13、37分，星期二 在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为，不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。第20页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则第21页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二滚筒式行星式振动式搅动式球磨制粉的基本方式第

14、22页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁； 转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞； 转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速V临2。(1) 滚筒式球磨第23页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临1 V 实际 V临2 限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的

15、。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。第24页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二球磨罐(筒体)被夹紧并以每分钟数千次的频率前后晃动，与此同时，球磨罐的两端还作横向摆动，球磨罐每摆动以下，磨球就是撞击粉末样品和球磨罐顶部，从而达到球磨和混合粉末的目的。 (2) 振动式球磨第25页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二行星球磨原理示意图原理：多个球磨罐对称安装在一个旋转的圆盘上，每个球磨罐还饶自己的轴心转动。由球磨罐环绕自己的轴心转动和支撑盘的旋转所产生的离心力作用于装有球磨原料和磨球的球磨罐上，在支撑盘离心力的作用下，粉末和磨球将飞向外壁，产生撞

16、击效应，从而达到机械合金化的效果。球磨罐(3) 行星式球磨第26页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 这种球磨机可以较大批量的生产机械合金化粉末，球磨料的运动速率要比振动球磨机和行星球磨机低，因此能力也较低。 搅拌球磨机的操作简单，将粉末和磨球放入一固定的球磨罐中，在高速旋转的搅拌杆的作用下，磨球对粉末施行剪切和撞击作用。(4) 搅动式球磨第27页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二定义 粉末注射成形技术(powder injection molding，简称PIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门近净形形成新技术。粉 末黏结剂混 合混

17、炼和制粒注射成形脱出黏结剂烧 结粉末注射成形工艺流程图4、粉末注射成形技术第28页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二粉末注射成形 工艺流程粉末黏结剂预混合混炼和制粒注射成形溶剂脱脂热脱脂/预烧结烧结第29页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二(1) 粉末注射成形技术的特点可以直接制备出具有最终形状和尺寸的复杂零部件。 例如：非对称零件，带沟槽、横孔、盲孔的零件，壁厚变化比较大的零件，表面带花纹和文字的零件等。第30页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 产品性能优越 由于PIM产品微观组织均匀，没有铸造工艺中出现的粗大结晶组织和成分偏析，

18、产品密度高，其力学性能要明显优于精密铸造材料和传统粉末冶金材料。第31页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 可以实现零部件一体化 由于加工技术或材料性能的原因，有些部件采用传统技术制造时，需要加工成几个零件来组装，有时几个零件的材料还不一样。采用PIM技术则可以直接制成一个整体的复合部件。第32页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二集束箭弹小箭钨基合金箭头铁基合金尾翼霰弹枪第33页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二 高分子材料金属材料陶瓷材料复合材料 材料适应性广 可以说合适粉末的任何材料都可以用PIM技术制造零部件。第34页，共45页

19、，2022年，5月20日，8点37分，星期二 生产成本低 主要表现在： 可以减少甚至消除机加工； 材料利用率高； 生产线建设规模灵活、投资少； 生产线高度自动化。第35页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二复杂形状高性能低成本PIM特点：以较低的成本生产出高性能的复杂形状零部件第36页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二5、温压和热压成形技术温压成形的基本工艺过程：将金属或合金粉和聚合物润滑剂混合后，采用特制的粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，升温到75150，压制成坯，再经预烧、烧结、整形等工序，获得粉末冶金零件。具体如下面所述的工艺路线。粉 末黏

20、结剂混 合加热粉末加热模具温压成形烧结后处理产品温压成形工艺路线第37页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二热压成形的基本工艺过程：热压又称为加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低一些，经过较短时间烧结获得致密而均匀的制品。 热压是将压制和烧结两个工序一并完成的，热压是一种强化烧结。优点： 大大降低成形压力和缩短烧结时间，制得的材料密度较高，晶粒较细。第38页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二6、等静压成形技术等静压成形热等静压(HIP)冷等静压(CIP)以水或油作压力介质液静压水静压油水静压以气体(如氩气)作压力介质气体

21、热等静压第39页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二(1) 冷等静压成形冷等静压按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具和干袋模具。橡胶模粉料高压容器压力传动介质a) 湿袋模具原理：把无须外力支持也能保持一定形状的薄壁软模装入粉末料，用橡皮塞塞紧密封袋口，然后套装入穿孔金属套内并一起放入高压容器中，使模袋泡浸在液体压力介质中经受高压泵注入的高压液体压制。优点：能在同一压力容器内同时压制各种形状的压件；模具寿命长、成本低。缺点：装袋脱模过程中消耗时间较多。第40页，共45页，2022年，5月20日，8点37分，星期二高压容器粉料加压橡皮压力传动介质成型橡胶模b) 干袋模具原理：干袋固定在筒体内，模具外层衬以穿孔金属护套板，粉末装入模