粉末冶金原理(第二版)-第1部分-粉末成形课件

粉末冶金原理粉末冶金原理授课对象：粉体材料科学与工程授课对象：粉体材料科学与工程讲授者：曹顺华1 1 课程的任务和意义课程的任务和意义粉末冶金材料加工的两个基本过程金属粉末金属粉末小部分直接应用:功能性隐形涂料隐形涂料 Fe,NiFe,Ni及其合金纳米粉末及其合金纳米粉末食品医药食品医药 超细铁粉超细铁粉涂料涂料 汽车用汽车用Al粉粉,变压器用超细铜粉变压器用超细铜粉自发热材料自发热材料(取暖和野外食品自热取暖和野外食品自热)超细超细Fe粉粉固体火箭发动机燃料固体火箭发动机燃料 超细超细Al,Mg粉等粉等金刚石合成粉末触媒金刚石合成粉末触媒 Fe-Ni合金粉末合金粉末电子焊料电子焊料(solder)电子封装用电子封装用Cu,Ag合金合金粉末粉末 太阳能电池微细铝粉末太阳能电池微细铝粉末高性能电路保护器高性能电路保护器 PTC中超细金属中超细金属Ni,Fe粉粉焊料焊料 细铁粉细铁粉绝大多数作为应用于工程结构中部件绝大多数作为应用于工程结构中部件(结构件、结构件、功能件或结构功能一体化件功能件或结构功能一体化件)的制造原料的制造原料粉末冶金制品加工成块体材料或部件需经过成形（shaping or forming）和烧结(sintering)操作成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微观结构与性能观结构与性能主宰着粉末冶金材料及其部件的应用主宰着粉末冶金材料及其部件的应用2 2 课程对象课程对象材料设计的概念材料设计的概念工程应用(服役条件)技术指标（性能要求）材料性能设计微观结构设计材质类型、加工工艺设计(经济性)研究粉末类型、加工工艺参数与材料微研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系观结构及部件几何性能间的关系研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（Engineering Science）问题研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题题3 粉末冶金技术的主要特点粉末冶金技术的主要特点粉末冶金既是冶金方法，也是零件制造技术粉末冶金既是冶金方法，也是零件制造技术什么是粉末冶金？利用金属粉末或化合物粉末为原料，经过成形和烧结操作，制取金属材料及其复合材料的加工方法1）经济性：低成本将材料冶金与零件制造有机地结合在一起，直接制造零部件加工流程少，能耗低，材料利用率高生产效率高制造过程高度自动化齿轮1)传统工艺：铸锭冶金+机加工铁精矿 高炉炼铁铁水 炼钢 铸锭 开坯(多道次)热挤压(多道次)钢锭（棒料）下料机加工(车外圆 平端面铣轴向孔 滚齿)（热处理）齿轮2)粉末冶金铁精矿粉末(总铁大于总铁大于71.5%,SiO71.5%,SiO2 2小于小于0.3%)0.3%)隧道窑高温还原(1050-1100)破碎磁选精还原(750-800)破碎 磁选 合批铁粉混合(添加合金元素)压制烧结（热处理）P/M齿轮传统工艺比粉末冶金工艺主要工序：前者15个以上，后者8个高温工序：前者8个以上，后者3个Powderpress全自动液压机Adaptor模架Sintering Furnace:网带烧结炉网带烧结炉轿车部件轿车部件电动工具与汽车部件齿轮保持架(Ford)汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车变速器系统用粉末烧结钢件粉末锻造（Powder Forged）连杆不锈钢注射成形件2）便于制造难加工材料陶瓷陶瓷/金属复合材料金属复合材料-金属陶瓷cermet粉末超合金粉末超合金 powder powder superalloyssuperalloys粉末高速钢粉末高速钢 powder high-speed steelspowder high-speed steels金属基复合材料金属基复合材料 metal matrix compositesmetal matrix composites弥散强化材料 dispersion-strengthened materials微观结构可控材料微观结构可控材料多孔材料，非晶态材料，超细结构材料等 钨合金钨合金 硬质合金硬质合金 重合金重合金 钨靶材钨靶材 钨钨/钼基电工合金钼基电工合金 纳米晶材料纳米晶材料 nanonano-grained materials-grained materials 梯度复合材料梯度复合材料functionally gradient materialsfunctionally gradient materials等等3 3）尺寸一致性高）尺寸一致性高铁基P/M零件钢模寿命：2万件左右硬质合金模：5-6万件4 4）绿色环保）绿色环保废弃物排放很低“洁净”冶金粉末冶金技术的不足1）加工的零件或材料尺寸有限加工的零件或材料尺寸有限2）应用范围有限应用范围有限固相烧结材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力学性能较低低强度，低拉伸塑性这些不足渐被粉末冶金新技术所克服扩大粉末冶金部件或材料的应用范围5 粉末冶金材料应用1）机械零件汽车（70%）工程机械摩托车家电办公机械电动工具等2）机械加工刀具刀具硬质合金，粉末高速钢，金属陶瓷等加工电极加工电极W-Cu电火花加工电极汽车薄板焊接用弥散强化铜电极3）航天航空火箭发动机喉衬及喷管飞机发动机蜗轮叶片等导弹鼻锥等卫星导航陀螺等制动材料4）微电子电子封装热沉材料5）军事工业重合金，钼材料等6）通信技术钨合金振子、钼铜封装材料7）运动器材钨合金高尔夫球头.第一部分第一部分 粉末成形粉末成形 powder shaping or forming具体部件具有一定的几何形状和尺寸具体部件具有一定的几何形状和尺寸 利用外力或粘结剂联结松散状态粉末体中的利用外力或粘结剂联结松散状态粉末体中的颗粒，将粉末体转变成具有足够强度的几何颗粒，将粉末体转变成具有足够强度的几何体的过程体的过程 粉末颗粒间的结合力为机械粉末颗粒间的结合力为机械啮合啮合力或范德华力或范德华力力分类：分类：刚性模（刚性模（rigid dierigid die）压制）压制 普通模压、温压与模压流动成形普通模压、温压与模压流动成形非模压成形冷、热等静压，注射成形，粉末挤压，粉末轧制，粉浆浇注，无模成型，喷射成形，爆炸成形等 第一章第一章 粉末压制粉末压制 Powder Pressing or Compaction1 1 压制前粉末料准备压制前粉末料准备1 1 还原退火还原退火 reducing and annealingreducing and annealing作用作用降低氧碳含量，提高纯度降低氧碳含量，提高纯度消除加工硬化，改善粉末压制性能消除加工硬化，改善粉末压制性能粉末钝化粉末钝化使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃粉末自燃退火温度退火温度高于回复高于回复-再结晶温度，（再结晶温度，（0.5-0.60.5-0.6）T Tm m退火气氛退火气氛还原性气氛（还原性气氛（CO,HCO,H2 2），惰性气氛，真空），惰性气氛，真空2 2 合批与混合合批与混合 blendingblendingandandmixingmixing混合混合将将不同成分的粉末混合均匀的过程的粉末混合均匀的过程合批合批同类粉末或粉末混合物的混合同类粉末或粉末混合物的混合消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能差异差异获得性能均匀的粉末料获得性能均匀的粉末料混合方式混合方式干混法：干混法：铁基及其它粉末冶金零件的生铁基及其它粉末冶金零件的生产产湿磨法：湿磨法：硬质合金或含易氧化组份合金硬质合金或含易氧化组份合金的生产的生产WCWC与与CoCo粉之间除产生一般的混合均匀效粉之间除产生一般的混合均匀效果果发生显著的细化效果发生显著的细化效果一般采用工业酒精作为研磨介质一般采用工业酒精作为研磨介质湿磨的主要优点湿磨的主要优点有利于环境保护有利于环境保护无粉尘飞扬和减轻噪音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提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化保护粉末不氧化保护粉末不氧化若固液比保持得当，可减轻组元偏析若固液比保持得当，可减轻组元偏析混合机理简介粉末床的运动行为粉末床的运动行为 粉末整体滚动 小瀑布状落下大瀑布状落下 离心状 取决于园筒形混合器的转速筒体的直径二者对粉末床运动行为的影响可用Froude准数描述Fr=(2 2R)/g (惯性离心力/重力)材料的物性(颗粒尺寸,颗粒形状等,主要影响粉末的静态响应角,与颗粒间摩擦力大小有关)装料量筒壁的粗糙程度在滚动与离心状态,颗粒之间很少发生相对运动,混合效果最差而对于组元之间比重差异大的混合物体系剧烈的抛落容易造成组元间的成分偏析应予避免处于滚动状态时颗粒的微观运动状态零速度区很容易在装料大于50%时出现混合机理严格意义上的扩散过程并不存在实际上为微区内的颗粒对流粉末颗粒混合通过对流与剪切作用实现混合均匀度(成分偏差)与时间的关系添加适当数量的研磨体可强化混合效果即强化颗粒的对流与剪切作用偏析(segregation)现象反混合现象涉及相容性问题“物以类聚”Differences in particle density 颗粒之间密度差Particle size 粒度差异Particle shape颗粒形状球形颗粒与针状颗粒具有最小的偏析趋势混合均匀程度和效率取决于混合均匀程度和效率取决于粉末颗粒的尺寸及其组成粉末颗粒的尺寸及其组成颗粒形状颗粒形状待处理粉末组元间比重差异待处理粉末组元间比重差异混合设备的类型混合设备的类型混合工艺混合工艺装料量装料量球料比球料比转速转速研磨体的尺寸及其搭配研磨体的尺寸及其搭配对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工艺一般采用实验加以确定艺一般采用实验加以确定双锥形混料机V形混料机多维混料机混合方式混合方式机械法混合机械法混合化学法混合化学法混合混合较前者更为均匀混合较前者更为均匀,可以实现原子级可以实现原子级混合混合W-Cu-NiW-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺包覆粉末的制造工艺 W W粉粉+Ni(NO+Ni(NO3 3)2 2溶液溶液混合混合热解还原热解还原（700-750700-750）W-NiW-Ni包覆粉包覆粉 +CuCl+CuCl2 2溶液溶液混合混合热热解还原（解还原（400-450400-450）W-Cu-NiW-Cu-Ni包覆粉末包覆粉末无偏聚（无偏聚（segregation-freesegregation-free）粉末）粉末binder-treated mixturebinder-treated mixture消除元素粉末组元（特别是轻重组元）消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析间的偏析粉末混合与输运过程粉末混合与输运过程3 3 成形剂成形剂(binder)(binder)和润滑剂和润滑剂(lubricant)(lubricant)成形剂成形剂场合场合1)1)硬质粉末硬质粉末：如硬质合金：如硬质合金,陶瓷等陶瓷等粉末变形抗力很高粉末变形抗力很高难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的强度足够的强度添加成形剂以提高生坯强度，利于成形添加成形剂以提高生坯强度，利于成形2)2)流动性差的粉末流动性差的粉末 细粉或轻质粉末细粉或轻质粉末粘结剂作用粘结剂作用适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力改善粉末流动性改善粉末流动性,提高压制性能提高压制性能橡胶、硬脂酸、石蜡、橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS SBS、PEGPEG、PVAPVA等等选择准则选择准则能赋予待成形坯体以足够的强度能赋予待成形坯体以足够的强度易于排除易于排除成形剂及其分解产物不与粉末发生反应成形剂及其分解产物不与粉末发生反应分解温度范围较宽分解温度范围较宽分解产物不污染环境分解产物不污染环境润滑剂润滑剂粉末颗粒与模壁间的摩擦粉末颗粒与模壁间的摩擦压坯密度分布不均匀影响被压制工件的表面质量降低模具的使用寿命粉末颗粒之间的摩擦粉末颗粒之间的摩擦粉末压制用的润滑剂粉末压制用的润滑剂硬脂酸硬脂酸硬脂酸锌硬脂酸锌工业润滑蜡工业润滑蜡PEGPEG(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用用)润滑方式粉末内润滑粉末内润滑internal lubricationinternal lubrication润滑剂直接加入粉末中润滑剂直接加入粉末中铁基粉末铁基粉末 润滑剂含量提高润滑剂含量提高0.1%0.1%坯件的无孔隙密度下降坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm0.05g/cm3 3模壁润滑模壁润滑die wall lubricationdie wall lubrication静电喷涂静电喷涂溶液涂敷溶液涂敷静电喷涂模壁润滑系统粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异4 4 制粒制粒 pelletizingpelletizing or or granulatinggranulating细小颗粒或硬质粉末细小颗粒或硬质粉末为了成形添加成形剂为了成形添加成形剂改善流动性添加粘结剂改善流动性添加粘结剂进行自动压制或压制形状较复杂的大型进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/MP/M制品制品粉末结块粉末结块原理原理借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形粒形成团粒成团粒减小团粒间的摩擦力减小团粒间的摩擦力大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积增大运动单元的动力（重量）增大运动单元的动力（重量）制粒方法制粒方法擦筛制粒擦筛制粒旋转盘制粒旋转盘制粒挤压制粒挤压制粒喷雾干燥喷雾干燥2 压制现象1 1 颗粒的位移与变形颗粒的位移与变形1.1 1.1 粉末颗粒位移粉末颗粒位移 位移方式：滑动与转动位移方式：滑动与转动颗粒重排列颗粒重排列 Particle rearrangement or Particle rearrangement or repacking(restackingrepacking(restacking)影响因素影响因素粉末颗粒间内摩擦粉末颗粒间内摩擦表面粗糙度表面粗糙度润滑条件润滑条件颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度颗粒形状颗粒形状颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度）颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度）加压速度加压速度1.2 1.2 粉末的粉末的变形变形弹性变形弹性变形颗粒间的接触应力颗粒间的接触应力材料弹性极限材料弹性极限塑性变形塑性变形颗粒接触应力颗粒接触应力金属的屈服强度金属的屈服强度点接触处局部点接触处局部面接触处局部面接触处局部整体整体断裂断裂脆性粉末脆性粉末点接触应力点接触应力 断裂强度断裂强度断裂断裂塑性粉末塑性粉末点接触应力点接触应力 屈服强度屈服强度塑性变形塑性变形加工硬化加工硬化脆化脆化断裂断裂2 2 致密化现象致密化现象2.1 2.1 致密化致密化压力作用下压力作用下松散状态松散状态拱桥效应的破坏（位移拱桥效应的破坏（位移颗粒重排）颗粒重排）+颗颗粒塑性变形粒塑性变形孔隙体积收缩孔隙体积收缩致密化致密化拱桥效应 bridge effect颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象影响因素影响因素与粉末松装密度、流动性存在一定联系与粉末松装密度、流动性存在一定联系颗粒形状粒度及其组成颗粒表面粗糙度颗粒比重（含致密程度）颗粒表面粘附作用（颗粒的磁性、陶瓷颗粒的静电、液膜存在）塑性变形阻力的影响因素的影响因素颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度合金化合金化酸不溶物酸不溶物氧化物氧化物颗粒本质颗粒本质原子间作用力原子间作用力加工硬化速度（晶体结构）加工硬化速度（晶体结构）颗粒形状颗粒形状粉末粒度粉末粒度压制速度压制速度2.2 2.2 弹性后效弹性后效 Spring backSpring back反致密化现象反致密化现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象残留内应力释放的结果残留内应力释放的结果弹性后效与残留应力相关弹性后效与残留应力相关压制压力压制压力粉末颗粒的弹性模量粉末颗粒的弹性模量粉末粒度组成（同一目标密度）粉末粒度组成（同一目标密度）颗粒形状颗粒形状颗粒表面氧化膜颗粒表面氧化膜粉末混合物的成份粉末混合物的成份Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8CFe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C3 3 压坯强度压坯强度 GreenGreenstrengthstrength表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度结强度影响因素影响因素本征因素颗粒间的结合强度（机械啮合颗粒间的结合强度（机械啮合mechanical mechanical interlockinginterlocking）和接触面积）和接触面积颗粒间的结合强度颗粒间的结合强度颗粒表面的粗糙度颗粒表面的粗糙度颗粒形状颗粒形状颗粒表面洁净程度颗粒表面洁净程度压制压力压制压力颗粒的塑性颗粒的塑性硬脂酸锌及成形剂添加与否硬脂酸锌及成形剂添加与否高模量组份的含量高模量组份的含量颗粒间接触面积颗粒间接触面积即颗粒间的邻接度即颗粒间的邻接度 contiguitycontiguity颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度粒度组成粒度组成颗粒间的相互填充程度颗粒间的相互填充程度压制压力压制压力颗粒形状颗粒形状外在因素：残余应力大小：残余应力大小压坯密度分布的均匀性压坯密度分布的均匀性粉末的填充均匀性粉末的填充均匀性粉末压坯的弹性后效粉末压坯的弹性后效模具设计的合理性模具设计的合理性过高的压制压力过高的压制压力表征方法抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失3 3 压坯密度与压制压力间的关系3.1 3.1 压制过程力的分析压制过程力的分析P P施加在模腔中的粉末体施加在模腔中的粉末体粉末向周围膨胀粉末向周围膨胀侧压力侧压力F Fn n(P(Pn n)粉末与模壁之间出现相对运粉末与模壁之间出现相对运动动摩擦力摩擦力F Ff f(P(Pf f)下冲头的压力下冲头的压力P Pb b侧压力侧压力P Ph h=/(1-)P=/(1-)P =PP-泊松系数泊松系数,-,-侧压系数侧压系数模壁摩擦力模壁摩擦力P Pf f=PPn n=PPP Pb b=P-P=P-Pf f压力损失压力损失 P=P-P=P-P Pb b在距上冲为在距上冲为X X处的有效外压处的有效外压P Px x P Px x=P=Po oexp(-4X/D)exp(-4X/D)D D为模腔内径为模腔内径模壁作用在粉末体上的侧压力和摩擦力也模壁作用在粉末体上的侧压力和摩擦力也呈现相似的分布呈现相似的分布3.2 脱模压力（ejection forceejection force）静脱模力（静脱模力（striping forcestriping force）滑动脱模力滑动脱模力(sliding force)(sliding force)与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效及其与模壁之间的摩擦系数直接相关及其与模壁之间的摩擦系数直接相关压坯密度或压制压力压坯密度或压制压力粉末原料粉末原料显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量滑剂含量粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数模具材料的硬度模具材料的硬度零件的侧面积零件的侧面积3 3 密度与压力间的关系密度与压力间的关系压制方程压制方程压坯密度压坯密度是外压的函数是外压的函数=k.f(Pk.f(P)3.13.1常用力学模型常用力学模型理想弹性体理想弹性体-虎克体（虎克体（H H体）体）:弹簧弹簧=MM理想流体理想流体-牛顿体（牛顿体（N N体）体）:活塞在汽缸中运动活塞在汽缸中运动=d/dtd/dt 线弹线弹-塑性体塑性体-Maxwell-Maxwell体（体（M M体）：体）：H H体与体与N N体体串联串联T T=1 1+2 2T T=1 1+2 2线弹性体线弹性体-Kelvin-Kelvin体（体（K K体）：体）：H H体与体与N N体并联体并联T T=1 1=2 2=M(+=M(+2 2d/dt)d/dt)2 2应变驰预时间应变驰预时间标准线性固体（标准线性固体（SLSSLS体）体）M M体与体与H H体并联体并联T T=1 1+2 2T T=1 1+2 2+1 1d/dt=M(+d/dt=M(+2 2d/dt)d/dt)标准非线性固体（标准非线性固体（SNLSSNLS体）体）(+(+1 1d/dt)d/dt)n n=M(+=M(+2 2d/dt)d/dt)n1 n2 21 1密度分布均匀性密度分布均匀性(d/dX)(d/dX)1 1(d/dX)(d/dX)2 2(d/dX)(d/dX)3 3强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀匀粉末颗粒平均粒度粉末颗粒平均粒度粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀匀模具设计的合理性模具设计的合理性使台阶间的粉末压缩比相同使台阶间的粉末压缩比相同粉末的流动性粉末的流动性 填充均匀填充均匀零件形状复杂程度零件形状复杂程度涉及压机及模架的动作功能涉及压机及模架的动作功能粉末塑性粉末塑性颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法化程度）和加工方法3 3 复杂形状部件的成形复杂形状部件的成形密度分布的控制密度分布的控制多台阶零件多台阶零件：恒压缩比恒压缩比压坯强度压坯强度：合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末高压坯强度高压坯强度脱模压力脱模压力润滑和低的弹性后效，润滑和低的弹性后效，脱模压力脱模压力压坯形状的合理设计压坯形状的合理设计4 压制缺陷的控制主要缺陷类型、成因分层沿坯件棱边向内部发展的裂纹，与压制面形成大约45度的界面弹性后效控制方法适当降低压制压力复杂件应提高密度分布均匀性裂纹：台阶间结合处，脱模过程中的停顿弹性后效控制方法：提高压坯强度复杂件成形：保持恒压缩比与提高粉末填充均匀性第二章第二章 特殊及新型成形技术特殊及新型成形技术Chapter 2 Special and New Chapter 2 Special and New Powder Forming TechniquesPowder Forming Techniques11概述概述普通刚性模压制(rigid die compaction)技术的特点优点制造成本低可实现连续自动化生产生产效率高部件几何尺寸一致性好特别是经固相烧结的粉末冶金部件不足密度分布不均匀部件形状复杂程度有限密度较低密度较低(经固相烧结)尺寸较小，即单重较轻后果1）压坯强度低坯体中存在残留应力2）烧结收缩不均匀高低密度区的收缩不一致对粉体材料技术优越性认识的深化各工业领域对新材料的需求发展新的粉末成形技术成形技术1 WP1 WP（Warm Pressing/CompactionWarm Pressing/Compaction）温）温压技术压技术高性能（高强度、高精度）的铁基粉末冶金零部件；是传统刚性模压制（模压）技术的发展2 2 PIM(PowderPIM(Powder Injection Molding)Injection Molding)粉粉末注射成形技术末注射成形技术形状复杂、薄壁、小尺寸件3 3 CIP(ColdCIP(Cold IsostaticIsostatic Pressing)Pressing)冷等静压冷等静压高均匀性大型粉末冶金制品4 4 HIP(HotHIP(Hot IsostaicIsostaic Pressing)-Pressing)-热等热等静压静压全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件5 5 SC(SlipSC(Slip or Slurry Casting)or Slurry Casting)粉浆浇粉浆浇注注形状复、杂尺寸的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品6 6 PR(PowderPR(Powder Rolling)&Rolling)&PE(PowderPE(Powder Extruding)-Extruding)-粉末轧制与挤压粉末轧制与挤压一维尺寸很大而其它两维尺寸较小（棒、管）或一维尺寸相对较小（板材）的制品7 7 PF(PowderPF(Powder Forging)-Forging)-粉末锻造技术粉末锻造技术高强度铁基粉末冶金零部件8 8 RPF(RapidRPF(Rapid Prototype Forming)Prototype Forming)无模无模成形技术成形技术借助于计算机模拟控制粉末物料有序沉积，形状极为复杂的大型粉末冶金制品成形技术的选择原则成形技术的选择原则几何要求几何尺寸、形状复杂程度性能要求力学、物理性能及几何精度制造成本（结合批量、效率）最低2 2 温压技术温压技术粉末与模具被加热到较低温度（一般为150）下的刚模压制方法除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同温压与粉末热压完全不同温压的加热温度远低于热压（高于主要组分的再结晶温度）被压制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光洁1 1 温压技术的发展背景与现状温压技术的发展背景与现状温压技术的开发的原动力温压技术的开发的原动力需求：需求：汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基P/M零部件，以提高汽车在市场上的竞争力问题：材质调整和后处理对改善铁基P/M零部件力学性能的潜力已发挥到极限孔隙的消极贡献孔隙的消极贡献造成应力集中，降低零部件的强度和韧性孔隙降低材料的热导性能，抑制热处理对力学性能改善的贡献潜力提高铁基P/M零部件密度的技术途径复压复压-复烧工艺复烧工艺密度达92%左右，形状复杂程度有限，成本较高渗铜渗铜密度大于95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高液相烧结液相烧结密度可达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粉末锻造全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵AncorbondeTM工艺（80年代后期）扩散粘结铁合金粉末解决合金元素偏析造成尺寸稳定性低组织均匀性差温压技术的前身第项美国专利（年）年披露，AncordenseTM全球共有200余条温压生产线150多种温压件铁基P/M零件,密度7.2-7.4g/cm3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在国际粉末冶金产业界被誉为”开创P/M零件制造技术新纪元”的新技术蜗轮轮毂（1.2kg）轿车发动机温压连杆2 2 温压工艺温压工艺粉末原料（扩散粘结铁粉粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）新型润滑剂）粉末加热（粉末加热（130130）阴模装粉（阴模装粉（130-150130-150）温压温压(600-750MPa)(600-750MPa)温压压坯温压压坯烧结烧结温压零部件温压零部件3 3 温压的技术特点温压的技术特点1)1)低成本制造高性能低成本制造高性能P/MP/M零部件零部件 若WP=1.0，则 1P1S=0.8 2P2S=1.3 Copper Infiltration(CI)=1.5 Powder forging(PF)=1.8源于于加工工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高2)2)压坯密度高压坯密度高相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%3)3)便于制造形状复杂的零部件便于制造形状复杂的零部件低的脱模压力，30%弹性后效小，50%高的压坯强度，25-100%高压坯密度密度分布均匀，密度差0.1-0.2g/cm34)4)零件强度高零件强度高(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5)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)6)压制压力降低压制压力降低同压坯密度时，压力降低140Mpa提高压机容量 4 温压加热系统温压加热系统阴模的加热：电阻加热粉末加热方式粉末加热方式热油循环热油循环温控稳定性好，不易过热微波微波加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题感应：感应：与微波相似与微波相似电阻加热电阻加热加热速度较快，也存在过热问题热油循环粉末加热系统5 5 温压过程的实质温压过程的实质塑性变形得以充分进行：塑性变形得以充分进行：加工硬化速度和程度降低加工硬化速度和程度降低压坯密度有效地减小粉末与模壁间的摩擦有效地减小粉末与模壁间的摩擦:增大有效外压力增大有效外压力降低粉末颗粒间的内摩擦：降低粉末颗粒间的内摩擦：便于颗粒间的相互填充便于颗粒间的相互填充压坯密度颗粒重排为主导机理颗粒的塑性变形为前者提高协调性变形成为后期的主导致密化机理塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献颗粒重排贡献C1/(C1+C2)压力（MPa）C1/(C1+C2)100 0.8783200 0.7841600 0.6972676 0.69180.6%New Lub.+100/120润滑剂的作用润滑剂的作用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，脱模压力技术核心专用粉末设计基粉base materials高效润滑剂(润滑剂膜包覆每个颗粒，膜具有耐压性能)加热系统加热系统3 3 注射成形注射成形 Injection Injection mouldingmoulding1 技术背景IM是塑料制品的一种通用成形技术原理是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由于单纯的塑料的强度和耐磨性低，应用范围受到很大限制在熔融塑料中加入诸如金属或陶瓷粒子作填充剂能否最大限度地提高塑料中填充剂的体积分数，而又可以保持塑料的良好流动性能呢？PIM用以制造形状复杂程度很高的P/M小型零部件开发开发PIMPIM的先驱的先驱美国美国AMAXAMAXMet.Met.InjetInjet.MouldingMoulding 和德国和德国BASFBASF公司公司八十年代初，PIM就实现了产业化2 PIM2 PIM工艺概述工艺概述Metallic or ceramic powders+BinderMetallic or ceramic powders+Binder Premixing Premixing（预混）（预混）Compounding(Compounding(混炼混炼mixing and mixing and pelletizingpelletizing)FeedstockFeedstock（喂料）（喂料）Injection Injection mouldingmoulding DebindingDebinding(脱脂，脱脂，solvent and or thermal solvent and or thermal debinding/Presinteringdebinding/Presintering)Sintering Sintering（烧结）（烧结）PIM partsPIM parts3 PIM(MIM)3 PIM(MIM)工艺的过程控制因素工艺的过程控制因素粉末原料粉末原料1 particle size1 particle size金属粉末：一般小于30m，常用2-8m陶瓷粉末：通常小于2m提高粉末烧结驱动力脱脂后坯体的强度（增加颗粒的邻接度）便于混练和注射2 particle shape2 particle shape球形颗粒有利于脱脂后获得最大的颗粒填充密度和混炼均匀的喂料颗粒外形比（particle aspect ratio）最好在1-1.5之间脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shape retention）3 particle size distribution3 particle size distribution相当宽或窄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WiderWiderpacking density,binder content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粘结剂粘结剂必须满足必须满足较低的粘度较低的粘度 0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象与粉末颗粒润湿性好与粉末颗粒润湿性好强化颗粒与粘结剂之间的结合,便于S/BS/G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粘结剂具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混练混练借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀且高度一致性混练温度混练温度过高导致粘结剂分解因粘度太低而发生两相分离现象过低粉末聚集，喂料不均匀性剪切力剪切力由旋转速度决定由旋转速度决定太高混练设备磨损和引入机械夹杂太低粉末聚集喂料的不一致性导致注射坯件单重变化和造成烧结坯收缩不一致注射成形注射成形注射压力和温度是关键工艺参数取决于粘结剂类型与粉末粒度，颗粒形状注射缺陷及成因注射缺陷及成因void:void:shrinkage,entrapped gassink marks:sink marks:shrinkage,segregationweld lines:weld lines:jetting,flow around coressurface patterns:surface patterns:cold flow,segregationdeformation:deformation:residual stress,ejection of weak green partsinconsistent shot weight:inconsistent shot weight:inconsistent feedstock,machine control缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现不可挽回的废品脱脂脱脂脱脂类型脱脂类型热脱脂(thermal debinding)和溶剂脱脂(solvent debinding)热脱脂：热脱脂：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（体积膨胀），借毛细作用溢出注射坯体或蒸发 若T分解温度，形成相应单分子化合物排出注射坯件的微观结构脱脂过程热脱脂过程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在更高的温度下脱除溶剂脱脂溶剂脱脂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常用脱脂方法常用脱脂方法 先采用溶剂脱脂在注射坯体中形成开孔隙网络为后续热脱脂的分解产物的排出提供物质传输通道分解产物可能形成的内压造成脱脂缺陷的机会脱脂速度脱脂方法脱脂方法Wiech法：适于蜡基粘结剂体系，1980发明（）法：气态溶剂脱脂+液态溶剂脱脂真空，T粘结剂的流动温度注入气态溶剂粘结剂的溶剂溶液并渗出坯体（脱除大部分）液态溶剂脱脂。变形严重，3days（）法：惰性气体环境，热脱脂粘结剂的蒸汽压稍高于气氛压力,1 day（）法：虹吸脱脂除去大部分粘结剂（200，3hrs），常压氢中热脱脂,10 hrsInjectamaxInjectamax法法适于多组元粘结剂体系（高熔点和低熔点组份）1988年发明在室温处于液态或半固态低熔点组份液态溶剂脱除低熔点组元高熔点组元热脱脂 6 hrsMetamoldMetamold法（法（BSAFBSAF）催化脱脂法催化脱脂法（九十年代初）适于聚醛树脂粘结剂体系，在酸性气氛下脱脂 低于粘结剂的熔点，借助于气-固反应脱脂脱脂过程由表及里减小形成缺陷的可能性精度高，速度快，4mm/h但对设备具有一定程度的腐蚀烧结烧结PIMPIM坯体经脱脂后为多孔结构，导热系数很坯体经脱脂后为多孔结构，导热系数很小小过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成硬壳形成硬壳阻止内部粉末收缩阻止内部粉末收缩热应力热应力坯体变形和空洞坯体变形和空洞4 4 待解决的技术问题待解决的技术问题粉末成本：解决粗粉的注射成形问题粉末成本：解决粗粉的注射成形问题粘结剂的回收粘结剂的回收脱脂时间长，生产效率低脱脂时间长，生产效率低铁基材料、硬质合金中碳量控制铁基材料、硬质合金中碳量控制精度控制精度控制缺陷消除缺陷消除4 4 冷等静压冷等静压等静等静压 冷等静压和热等静压两者差异：压制条件（室温与加热，气体与高压油）致密化机理CIP-与刚性模压制相同HIP-烧结与粉末变形同时发生 优点优点能压制大尺寸、形状较复杂的能压制大尺寸、形状较复杂的P/MP/M部件毛坯部件毛坯密度分布均匀，压制压力降低密度分布均匀，压制压力降低三轴均匀压制，能压制硬脆粉末三轴均匀压制，能压制硬脆粉末压坯强度高压坯强度高单件模具费用低单件模具费用低 缺点缺点生产效率低生产效率低精度很低，需大量后续加工精度很低，需大量后续加工1 CIP1 CIP原理原理帕斯卡原理帕斯卡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密度分布均匀，同一密度所需压力较模压降低粉末致密化阻力取决于粉末颗粒间摩擦粉末颗粒间摩擦（内摩擦）和颗粒本身的颗粒本身的变形能力变形能力（显微硬度）内摩擦的影响因素内摩擦的影响因素粉末颗粒的表面形貌粉末颗粒形状粉末颗粒尺寸金属粉末的显微硬度2 CIP2 CIP工艺工艺2.1柔性模套（flexible die set）的制造耐油、耐压橡胶：耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板软模制作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2.2工艺流程粉末混合物装入软模摇实密封冷静压脱模坯件3 CIP3 CIP坯块质量控制坯块质量控制粉末流动性良好粉末流动性良好装粉：振动或敲打摇实均匀装粉：振动或敲打摇实均匀密封：防止液压介质渗入模内密封：防止液压介质渗入模内加压速度：过快导致出现软心加压速度：过快导致出现软心卸压：过快卸压：过快分层分层4 CIP4 CIP设备设备高压容器和高压泵系统组成高压容器和高压泵系统组成分类：依高压容器结构分分类：依高压容器结构分螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损拉杆式：较低压力，拉杆承受压力拉杆式：较低压力，拉杆承受压力框架式框架式：很高压力，最安全（预应力结构）：很高压力，最安全（预应力结构）框架式CIP压机5 5 压制方式压制方式湿袋式湿袋式（wet bag）柔性袋浸没在压力介质中，即无支撑的CIP优点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，成本低缺点缺点 压制生产率较低干袋式干袋式（dry bag）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两者的区别 干袋式不取出软模5 5 热等静压制热等静压制1 1 技术背景技术背景在CIP基础上发展开发高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡轮盘粉末高速钢硬质合金轧辊制品2 HIP2 HIP原理原理包套置于一具有发热元件的高压容器内，抽出缸内空气压入3060Mpa的氩气，加热致100Mpa左右借助于高温、高压的联合作用使粉末体发生充分致密化获得全致密高性能P/M制品3 3 特点特点几乎能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度达0.9999压力作用，加热温度低于通常的烧结温度无成份偏析核废料HIP处理，避免环保问题和对操作人员的损害铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等设备投资大，成本高3 HIP3 HIP压机的分类压机的分类螺纹式和框架式螺纹式螺纹式螺纹承受轴向压力缺点：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框架式框架式轴向压力通过上下活塞传递到框架，应力均匀分布，安全系数高框架式HIP4 HIP4 HIP压机的结构压机的结构发热元件发热元件NiCrAl丝（1200）；Mo丝（1800）；W丝及钨铼合金，石墨（2000以上）隔热屏隔热屏炉内温度在1000-3000，缸体温度为100-200高效隔热屏，多层结构压缩机真空系统油压机构油压机构控制上下活塞开闭和框架移动5 5 包套材料包套材料选择准则选择准则可塑性和强度不破裂和隔绝高压气体渗入良好的可加工性和可焊接性不与粉末发生反应和造成污染HIP后易被除去成本低中低碳钢：中低碳钢：适于粉末高速钢，1400NiNi：Ti,陶瓷，1430不锈钢：不锈钢：不锈钢，1350铅铅-碱玻璃：碱玻璃：金属，陶瓷，630高硅玻璃：高硅玻璃：金属，陶瓷，890-1600石英玻璃：石英玻璃：1130-16006 HIP6 HIP工艺流程工艺流程粉末装入包套真空脱气（或加热）检漏检漏封焊HIP出炉除去包套（陶瓷、玻璃：敲碎；金属：机加工）表面清理HIP产品7 7 压制方式压制方式取决于包套材料金属：金属：P，T（可采用低压压缩机系统）玻璃、陶瓷和金属玻璃、陶瓷和金属：T，P玻璃、陶瓷和金属：玻璃、陶瓷和金属：(T，P)热装炉操作热装炉操作工件在预热炉加热，转入HIP压机生产效率8 HIP8 HIP的应用的应用HIP成形铸件处理扩散联结：M/C，C/C，M/M核废料处理9 9 陶瓷模工艺陶瓷模工艺陶瓷粒子作传压介质陶瓷粒子的可流动性普通压机加压设备投资少6 6 粉末挤压粉末挤压1 定义与分类定义定义将粉末、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分类分类粉末直接挤压（冷挤压）：塑性好的金属粉末粉末增塑挤压：加入一定量的成形剂或粘结剂，硬质粉末如硬质合金粉末粉末包套热挤：弥散强化合金等烧结坯或粉末压坯的热挤压：塑性较好的有色金属材料2 2 粉末增塑挤压原理粉末增塑挤压原理粉末在挤压筒内的受力情况受力情况三向受压缩，一方向变形冲头施加的压力P，筒壁约束产生侧压力Ph，相对运动产生摩擦力PfPh=P,Pf=Ph=P物料被挤出的条件：PPf+PR(变形阻力)物料运动示意图3 3 挤压过程挤压过程增塑剂（plasticizer）石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸（表面活性剂）低密度聚乙烯LDPE/硬脂酸SA聚丙烯PP/SA添加总量为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硬质合金增塑挤压工艺流程粉末料粉末料+增塑剂增塑剂掺合（掺合（40-5040-50）预压（排气，提高料密度）预压（排气，提高料密度）挤压（挤压（40-5040-50）挤压坯挤压坯脱增塑剂脱增塑剂烧结烧结制品制品4 4 粉末热挤压粉末热挤压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等高温合金或弥散强化材料包套制作工艺与HIP相同7 7 粉末轧制粉末轧制1 1 定义与分类定义与分类定义定义 将粉末引入一对轧棍之间并使之压实成具有一定粘结强度的连续带坯的成形方法分类分类粉末直接轧（粉末直接轧（direct powder rollingdirect powder rolling）塑性良好的粉末（应用多）粘结粉末轧制粘结粉末轧制(bonded powder rolling)(bonded powder rolling)加入粘结剂改善粉末体的成形性包套粉末热轧包套粉末热轧canned powder hot rollingcanned powder hot rolling活性粉末和高致密度的坯带2 2 粉末轧制原理粉末轧制原理特征区特征区区区-自由流动区自由流动区颗粒受重力和因颗粒下移而产生颗粒间的摩擦力作用区区-喂料区喂料区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 区区-压轧区压轧区粉末质量不变，体积缩小，密度增加特征区粉末轧制示意图粉末轧制示意图H H=D(1-COS=D(1-COS)+)+R R R R-带坯厚度带坯厚度 咬入角咬入角质量不变质量不变H H.B.V.B.Vinin.o o=R R.b.V.b.V outout.=（H H.V.Vinin.o o）/（R R.V.V outout）令轧延系数令轧延系数=V Voutout/V Vinin压实系数压实系数Z=Z=/o o,则则=o o1+D(1-COS)/1+D(1-COS)/R R/或或 R R=D(1-COS)/(Z-1)=D(1-COS)/(Z-1)3 轧制过程的影响因素粉末性能粉末性能粉末可轧制性:可塑性、成形性和流动性流动性流动性粉末具有足够成形性的同时，愈高愈好粉末硬度粉末硬度低的粉末硬度便于变形和形成高的机械啮合，成形性轧辊直径轧辊直径 D,（R固定）、H给料方式给料方式水平与垂直 m，、R轧制速度轧制速度,、R（m不变）辊缝辊缝t tt，轧制压力降低，R4 4 粉末轧制的应用粉末轧制的应用多孔板材，如过滤板、催化剂板材多孔板材，如过滤板、催化剂板材层状复合材料带、板材层状复合材料带、板材纤维增强复合材料纤维增强复合材料8 8 粉浆浇注粉浆浇注slurry castingslurry casting大尺寸、形状复杂陶瓷坯件成形的常用方法1 料浆的制备由金属粉末或纤维与分散剂等组成的混合物具有一定的流动性、粘度和相对稳定性分散剂分散剂：水或酒精添加剂添加剂粘结剂粘结剂赋予浇注件以足够强度PVA，PEG，藻酸钠，3%稳定剂稳定剂阻止粉末颗粒间的聚集，加入弱酸、碱，在颗粒表面上吸附H+或OH-离子静电吸附，同性相斥分离除气剂除气剂表面活性剂，减小气-固界面能，使颗粒表面吸附的气体脱附，有利于防止颗粒聚集和消除坯间气孔 正丁醇调节剂调节剂调节料浆粘度，改善流动性NaOH,HCl稀溶液，氨水溶液2 2 石膏模制作石膏模制作石膏粉末粒度细，吸水能力强制作过程制作过程石膏粉末+水（1：1.5）外加1%尿素混匀注入型箱干燥取出型芯干燥（40-50）石膏模3 3 浇注浇注离型剂离型剂硅油或肥皂水隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触和控制吸水速度但会降低后续使用时吸水速度4 影响因素粉末粒度 细粉末利于浇注液固比 影响粉浆粘度和粉末沉降速度粉浆的PH值 影响粉浆粘度和粉末沉降速度分散剂与粘结剂 粉浆的粘度和沉降速度和坯体强度石膏模的吸水能力5 颗粒的偏析效应浆料在石膏模形腔的固化受控于颗粒随分散剂流向模壁的运动重力场中沉降作用 颗粒偏析效应示意图 颗粒的堵塞效应示意图研究发现,偏析现象细颗粒或轻质颗粒的重力沉降作用较小,颗粒堵塞效应明显粗颗粒或重质颗粒随分散剂的运动较小,重力沉降效应显著料浆的固液比,颗粒尺寸差异,颗粒比重差异,石膏模的吸水速度利用这一现象可制备梯度复合材料Fe-Cu/WC复合材料的硬度在浇注方向上的变化9 9 爆炸成形爆炸成形1 1 原理原理粉末在瞬间承受巨大冲击波作用，粉末呈现非弹塑性行为，在接触处出现复杂的应力状态，硬化过程不能进行，获得相对密度0.97的坯件2 2 构成构成粉末包套和炸药引爆装置粉末包套和炸药引爆装置3 3 应用应用硬质粉末或形状复杂的大型粉末部件的成硬质粉末或形状复杂的大型粉末部件的成形形超大型金属板材的焊接超大型金属板材的焊接