材料加工新技术与新工艺-11-2课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,11.5 粉末注射成形技术,粉末注射成形,(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,成形新技术。,它的基本工艺过程如图11-14所示。,第11章 粉末冶金新技术新工艺,11.5 粉末注射成形技术 粉末注射成形(p,1,粉末注射成形的基本,工艺过程,是：首先将,固体粉末,与,有机黏结剂,均匀混合并制成粒状喂料，在加热状态下用注射成形机将其注入模腔内冷凝成形，然后用化学溶解或热分解的方法将成形坯中的黏结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。,该技术的最大特点是可以直接制造出具有最终形状的零部件，产品不仅精度高、组织均匀、性能优异，而且生产成本只有传统成形工艺的2060。因此，国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命，已成为国际上“当今最热门的零部件成形技术”。,粉末注射成形的基本工艺过程是：首先将固体粉末,2,粉末注射成形技术的原型起源于20世纪20年代，最早是应用于制造陶瓷火花塞。第二次世界大战期间，在美国的曼哈顿计划中，美国橡树岭国家实验室采用粉末注射成形方法制备了用于原子弹核燃料铀同位素分离的镍管。1976年，第一项金属粉末注射成形技术的专利授权给River。由于当时粉末原料成本高、脱脂时间长、产品易变形等问题没有解决，其发展非常缓慢。,直道1979年，美国Parmatech公司有两件PIM产品在国际粉末冶金大会的产品设计大赛中获奖后，PIM技术才开始受到粉术冶金界的关注。,粉末注射成形技术的原型起源于20世纪20年代，,3,20世纪80年代由于美国政府研究机构和大学的介入，使研究工作向深层次发展，从完全凭经验进入到在一定理论指导下工作，这一时期PIM技术得到了迅速的发展。这一方面归于在流体力学和气体动力学研究成果基础上开发出的超高压水雾化和高压惰性气体雾化技术的发展，使细粉率大大提高，,原材料成本下降,。另一方面，在,黏结剂,设计理论和脱脂机理等研究成果的指导下，新一代黏结剂及其脱除技术的开发成功，不仅使原来的脱脂时间从数十小时缩到几个小时，而且其保形性得到明显的改善，大规模生产的产品的尺寸精度从0.5提高到了0.3。,进入20世纪90年代，一方面，是PIM 工艺进一步改进，新材料、新工艺不断涌现，另一方面，产业化发展非常迅速。,20世纪80年代由于美国政府研究机构和大学的,4,黏结剂是PIM技术的核心，在PIM中黏结剂具有增强粉体流动性和维持坯块形状的两个基本职能，此外它还应具有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点。,黏结剂一般是由,低分子量组元,与,高分子量组元,加上一些必要的,添加剂,和,表面活性剂,构成。,低分子量组元,黏度低，流动性好，易脱去；,高分子量组元,黏度高，强度高，保证成形坯具有一定的强度。添加剂和表面活性剂主要用以增强黏结刺的流动性和与粉末的相容性。各组元以适当比例搭配以获得高的粉末装载量，最终得到高精度和高均匀性的产品。,通常采用的黏结剂体系主要有：热塑性体系(石蜡基、汕基和聚合物基)、热固性体系、热固-热塑性体系，凝胶体系和水溶性体系等。表11-2列举了一些已公开的黏结剂配方。,黏结剂是PIM技术的核心，在PIM中黏结剂具,5,表11-2列举了一些已公开的黏结剂配方：,表11-2列举了一些已公开的黏结剂配方：,6,材料加工新技术与新工艺-11-2课件,7,传统的黏结剂在热脱脂过程中，由于几乎是在成形坯内外同时分解，脱脂速率极慢，往往需要数十小时甚至数天，加快热脱脂速度往往会造成鼓泡和开裂等无法弥补的缺陷。采用液固或气固界面反应脱脂(即溶剂脱脂和气相脱脂)，可以使脱脂过程由外及里推进，可以有效地提高脱脂速率，已成为黏结剂开发的主要发展方向。,由于水的价格低廉、无毒，有利于环保，开发水溶性黏结剂体系是溶剂脱脂技术研究的重点。由德国BASF公司开发的黏结剂及其催化脱脂技术是目前应用于工业化生产中最先进的脱脂技术之一，并可为粉末注射成形厂家直接供应喂料和提供后续生产工艺。德国CREMER公司已开发出了适应该技术的连续脱脂和烧结一体化炉，该技术的脱脂速率可达到14mmh。,传统的黏结剂在热脱脂过程中，由于几乎是在成形,8,粉末注射成形技术由于采用了大量的黏结剂作为粉末流动填充模腔的载体，所以可以像成形塑料那样制备出各种任意形状的粉末冶金零部件，这是传统粉末冶金模压工艺不可能达到的。,由于射成形是一种近净形成形工艺，产品基本上不需要后续加工，有些需要几十道机加工工序才能完成的产品采用PIM可以一次成形，制造成本相对较低。PIM技术还可以实现零部件一体化。由于加工技术或者材料性能的原因，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。,粉末注射成形技术由于采用了大量的黏结剂作为粉,9,采用PIM技术则可以直接制成一个整体复合部件如图11-15所示。,采用PIM技术则可以直接制成一个整体复合部件如,10,由于注射成形的原料是以流态状均匀充填模腔，成形坯粉术密度分布均匀，避免了粉 冶金模压工艺中由于模壁摩擦压力损失所造成的成形坯密度分布不均匀问题，这样可以大大减少烧结变形。此外，由于PIM技术所用的粉来一般较细，产品烧结后可以达到很高的密度，因此，PIM产品的力学性能一般优于粉末冶金模压和精密铸造产品。,图11-16是一些典型的粉末往射成形产品的照片。,由于注射成形的原料是以流态状均匀充填模腔，成,11,材料加工新技术与新工艺-11-2课件,12,11.6 温压成形技术,温压成形的基本,工艺过程,是：将专用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，压制成压坯，再经预烧、烧结、整形等工序。,采用温压成形技术可获得密度高达7.27.5gcm,3,的铁基粉末冶金零件。,温压成形的工艺路线如图11-17所示。,11.6 温压成形技术,13,温压可以,显著提高压坯密度,的机理一般归于在加热状态下粉末的屈服强度降低(如图11-18所示)和润滑剂作用增强。,温压成形技术由Hoeganaes公司于1994年正式工业化应用，并推出了Ancordense和Densemix两种牌号的温压成形专用粉末。在材料达到同等密度的前提下，温压工艺的生产成本比粉末锻造低75，比复压复烧低25，比渗铜低15。,温压可以显著提高压坯密度的机理一般归于在加热,14,在零件达到同等力学性能和加工精度的前提下，温压工艺的生产成本比现行热、冷机械加工工艺低5080%，生产效率提高1030倍。,温压成形因其成本低、密度高、模具寿命长、效率高、工艺简单、易精密成形和可完全连续化、自动化等一系列优点而受到关注，被认为是20世纪90年代粉末冶金零件致密化技术的一项重大突破，被誉为“开创粉末冶金零件应用新纪元的一项新型制造技术”。,该技术已广泛应用于制造汽车零件和磁性材料制品，如：涡轮轮毂、形状复杂的齿轮和斜齿轮、锁零件、发动机连杆和阀座等。,在零件达到同等力学性能和加工精度的前提下，温,15,温压成形的铁基材料的力学性能可以与锻钢比美，两者的屈服强度和拉伸断裂强度都基本相当，因此可以用温压成形制品来取代部分锻钢产。需要指出的是，粉术冶金产品的伸长率一般较低，选择温压成形工艺需要考虑其产品的延性和冲击韧性。,温压成形技术使用的压机和模具与传统模压基本相同，惟一不同的是温压成形需要一套粉末和模具,加热系统,。,模具和粉末的温度一定要均匀和稳定，一般控制在2.5，最高温度不超过170，超过此温度后，添加的润滑剂和黏结剂就会分解，从而影响粉末的流动性。,温压成形的铁基材料的力学性能可以与锻钢比美，,16,11.7 热压成形技术,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。,热压可将,压制,和,烧结,两个工序一并完成，可以在较低压力下迅速获得冷压烧结所达不到的密度，从这个意义上说，热压是一种强化烧结。原则上，凡是用一般方法能制得的粉末零件，都适于用热压方法制造，尤其适于制造全致密难熔金属及其化合物等材料。,热压方法的最大,优点,是可以大大降低成形压力和缩短烧结时间，另外，可以制得密度较高和晶粒较细的材料,。,11.7 热压成形技术,17,热压模可选用,高速钢,及其他,耐热合金,，但使用温度应在 800以下。当温度更高(15002000)时，应采用,石墨材料,，但承压能力却降低到70MPa以下。,一般对于低温、高压的操作，可选择金属或硬质合金模；高温、低压操作则选择石墨模。,热压加热的方式分为电阻间接加热式、电阻直接加热式和感应加热式三种。,电阻间接加热式,电阻间接加热是电流通过碳管发热（图中1），对模具和粉末坯同时加热。,热压模可选用高速钢及其他耐热合金，但使用温,18,电阻直接加热式,（图b）,采用电阻直接加热时，电流主要通过压横材料发热，使得与上下冲模和模腔接触的部位比其他部位温度高。,感应加热式,（图c）,采用感应加热时，由于粉末坯块中的涡流大小与坯块密度有关，在热压后期密度升高，电阻降低，涡流发热也减少，温度不好控制。因此，在进行热压模具没计时，除了要保证温度外，要特别注意温度分布的均匀性。,电阻直接加热式（图b）感应加热式（图c）,19,为了减少空气中氧的危害，,真空热压机,已经得到广泛应用。,在没有真空热压机的条件下，可以采用如下措施来减少压坯的氧化：(1)加热前先将粉末压实：(2)模具配合严密，可防止空气大量进入模腔；(3)将保护气氛经过专门的管道引入模腔内；(4)将整个模具置入一密封的耐热管中，并采用外置式间接加热或感应加热方式；(5)在粉末中加进一些高温下能产生还原性气氛的物质，如碳、金属氢化物、酒精等。,为了减少空气中氧的危害，真空热压机已经得到广,20,11.8 等静压成形技术,等静压制是伴随现代粉末冶金技术而发展起来的一种新的成形方法。通常，等静压成形按其特性分成冷等静压(CIP)和热等静压(HIP)，前者常用水或油作压力介质，故有液静压、水静压或油水静压之称；后者常用气体(如缸气)作压力介质，故有气体热等静压之称。,等静压成形,是将待压试样置于高压容器中，利用液体（或气体）介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。,11.8 等静压成形技术,21,等静压制过程是借助于高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压人耐高压的钢质密封容器内。高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯(如图11-20所示)。,等静压制过程是借助于高压泵的作用把流体介质(,22,等静压制法比一般的钢模压制法有下列,优点,：,能够压制具有凹形、空心等复杂形状的压件；,压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦损耗电很小，单位压制力较钢模压制法低；,能够压制各种金属粉末和非金属粉末，压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效；,压坯强度较高，便于加工和运输；,冷等静压的模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉；,能在较低的温度下制得接近完全致密的材料。,等静压制法比一般的钢模压制法有下列优点：,23,等静压制法的,缺点,：,对压坯尺寸精度的控制和压坯表面的光洁度都比钢模压制法低；,尽管采用干袋式或批量湿袋式的等静压制，生产效率有所提高，但一般地说，生产率仍低于自动钢模压制法；,所用橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具要短得多。,等静压制法的缺点：,24,1.冷等静压制,冷等静压力机主要由高压容器和流体加压泵组成。辅助设备有流体储罐、压力表、输送流体的高压管道和高压阀门等。图11-21所示为冷等静压力机的工作系统。,物料装