4.工艺性能
(1)松装密度:
粉末在自然充填容器时,单位体积内自由松装粉末体的质量(g/cm3)
影响粉末松装密度的因素:
a.粒度:
粒度小,松装密度小
b.颗粒形状:
形状复杂,松装密度小,松装密度从大到小排列:
球形粉>类球形>不规则形>树枝形
c.表面粗糙度
d.粒度分布:
细粉比例增加,松装密度减小;粗粉中加入适量的细粉,松装密度增大;
(2)振实密度:
粉末装于容器内,在规定条件下,经过振动敲打后测得的粉末密度
粒径基准
(1)几何学粒径dg
(2)当量粒径de
a.体积当量径
测出粉末体积,能够换算出粉末的颗粒粒径;
b.面积当量径
(3)比表面粒径dsp
球表面积:
S=πd2,体积:
V=(π/6)d3,体积比表面Sv=S/V=6/d。
d=dsp=6/Sv
(4)衍射粒径dsc
频度分布曲线
频度:
第i级粉末颗粒数与总颗粒数之比100%(或者是质量,体积)
fi=(ni/N)x100%
相对频度:
fi=fi/u
累积分布曲线:
将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图,可以得到累积分布曲线,分布曲线对应50%处称为中位径,
由小于某级的颗粒数占全部颗粒的百分含量对平均作图,由小到大是负量积分布曲线(如图)
平均粒度:
思考题
第一章:
1.
(1)固体碳还原时,何谓还原终点,如何控制?
(2)固体碳还原生产铁粉时,还原退火的目的和方法?
2.水溶液电解法制备金属粉末的成粉条件是什么?
影响电解铜粉粒度的因素有哪些?
3.气体雾化过程的机制是什么?
影响雾化粉末粒度、成分的因素有哪些?
4.为什么不能采用H2还原氧化铝制备Al粉?
第二章:
1.使用200g粉末测量粒度(Ni粉),测得平均粒度为120μm,估算在这一粉体样品中大约有多少颗粉末(Ni(ρ)=8.9g/cm3)
2.对于边长为3μm的立方形颗粒:
a.它的当量球形表面直径是多少?
b.它的当量球形体积直径是多少?
6.10克+325-270目铁粉,大约有多少个粉末颗粒,表面积有多大,铁理论密度为7.86g/cm3。
●某粉末粒度组成数据如下:
0~5μm
5~10μm
10~15μm
15~20μm
20~25μm
25~30μm
37
37
49
72
108
164
30~35μm
35~40μm
40~45μm
45~50μm
>50μm
121
93
62
40
19
做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线,确立中位径,计算平均粒径。
第三章
一、金属粉末压制过程
粉末压制过程中发生的现象
1.压制后粉末体的孔隙度降低,压坯相对密度明显高于粉末体的相对密度。
2.轴向压力(正压力)施加于粉末体,粉末体在某种程度上表现出类似流体的行为,向阴模模壁施加作用力,其反作用力—侧压力产生。
3.随粉末体密实,压坯密度增加,压坯强度也增加。
4.由于粉末颗粒之间摩擦,压力传递不均匀,压坯中不同部位密度存在不均匀。
5.卸压脱模后,压坯尺寸发生膨胀—产生弹性后效
(弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。
)
粉末体在压制过程中的变形动力(变形内因)
1.粉末体的多孔性
粉末体中的孔隙包括:
一次孔隙(颗粒内部孔隙),二次孔隙(颗粒之间孔隙),拱桥效应产生的孔隙
拱桥效应:
粉末在松装堆集时,由于表面不规则,彼此之间有摩擦,颗粒相互搭架而形成拱桥孔,(拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。
)
2.粉末颗粒良好的弹塑性
3.粉末体较高的比表面积
粉末体在压制过程中的(位移)变形规律
粉末的位移和变形与粉末本身性能有关;(不同粉末位移、变形规律不同)
粉末受力后,首先发生颗粒位移,位移方式多种多样;
粉末颗粒位移至一定程度,发生颗粒变形,变形方式多样;
位移和变形不能截然分开,有重叠;位移总是伴随着变形而发生
粉末变形必然产生加工硬化
模压成形不能得到完全致密压坯
二、致密化与弹性后效
致密化:
压力作用下松散状态→拱桥效应的破坏(位移→颗粒重排)+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩→致密化
弹性后效:
当压力去除,把压坯从压模中脱出,由于弹性内应力的松弛作用,粉末压坯会发生弹性膨胀
影响因素:
1 粉末性能
粉末成形性差,难成形,需高的压制压力,增加弹性后效
δ雾化铁粉>δ还原铁粉>δ电解铁粉
细粉弹性后效高于粗粉:
δ细粉>δ粗粉
2 压制压力
P较低时,P增加,δ增加;
P较大时,P增加,δ减小;
3 润滑条件(Cu粉压制)
三、压制过程中力的分析
正压力(单位压制压力、总压力):
p,P
净压力(有效压力):
p’,P1
压力损失:
∆p,P2—克服外摩擦力,
P=P1+P2
侧压力:
压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力
—侧压系数;—泊松比
●压力损失
∆P=P2=P-P1
压力损失是造成压坯密度分布不均匀的根本原因;应尽量减少;
四、粉末压坯密度的分布不均匀
密度分布不均匀现象密度分布不均匀原因:
改善压坯密度分布不均匀性的措施
1.减小压坯的高径比
2.改善模具内壁光洁度、使用润滑剂
3.合理选择压制方式
几种典型压制方式
a)单向压制b)双向压制c)浮动模压制d)拉下式(引下式)压制
(拉下式压制效果与双向压制相同,也是生产中广泛采用的一种设计!
)
1)单向压制
阴模与芯杆不动,上模冲单向加压。
2)双向压制
压制过程中阴模不动、上、下模冲都对粉末体施加压力。
3)浮动阴模压制
定义:
压制过程中上模冲向粉末加压,下冲不动、阴模不是固定不动,而是通过弹簧或汽缸、油缸等适当支撑。
4)拉下式(强动式、引下式)压制
压制开始时,上模冲被压下一定距离,然后与阴模一同下降(阴模被强制拉下)。
(5)摩擦芯杆压制。
压制时,阴模和下模冲固定不动,上模冲强制芯杆一同下移
压缩比:
粉末松装高度与压坯高度之比。
装填系数:
压坯密度与粉末松装密度之比。
思考题
5、压制压力、净压力、摩擦压力、侧压力之间的关系怎样?
P=P1+P2 总压力=净压力+压力损失
P侧=ε P 侧压力小于压制力 (ε 为侧压系数)
P=μ P μ为粉末体与模壁间的摩擦系数
P=ε μ P
6、压制时压力的分布状况怎样?
产生压力降的原因是什么?
压坯中产生压力分布不均匀的原因有哪些?
由于存在压力损失,上部应力比底部应力大;在接近模冲的上部同一断面,边缘的应力比中心部位大;在远离模冲的底部,中心部位的应力比边缘应力大。
由于粉末颗粒之间的摩擦和颗粒与模壁间的外摩擦等,压力不能均匀的全部传递。
外摩擦力引起的压力降是导致压力沿高度分布不均匀的根本原因。
取决于压坯、原料与压模材料之间的摩擦系数,压坯与压模材料间粘结的倾向,模壁加工的质量,润滑剂,粉末压坯高度,压膜的直径等。
而压力在横向的分布不均是由颗粒与颗粒间的内摩擦力造成的。
7、压坯中密度分布不均匀的状况及其产生原因是什么?
在与模冲相接触的压坯上层,密度从中心向边缘逐步增大的,顶部的边缘部分最大;
在压坯纵向层中,沿着压坯高度从上而下降低。
但是在靠近模壁的层中,轴向压力的降低比压坯中心大得多,以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低,因此下层分布与上层相反。
压力损失是主要原因。
13、影响压制过程的因素数有哪些?
⑴粉末性能对压制过程的影响:
物理性能(粉末的硬度和可塑性、摩擦性能),粉末纯度,粉末粒度及粒度组成,粉末形状,粉末松装密度
⑵润滑剂及成型剂:
种类及选择原则、用量及效果
⑶压制方式:
加压方式、加压保持时间、震动压制的影响、磁场压制的影响。
第四章
一、等静压成型
定义:
粉末装于弹性(柔性)模具(包套)中,以流体为传压介质,各向均匀受压。
分类:
冷等静压(CIP):
常温下进行的等静压
常温下,粉末装于弹性模具中,以液体为传压介质,粉末体各向均匀受压而密实成压坯
热等静压(HIP):
高温下进行的等静压
高温下,粉末或压坯装于包套中,在高压容器内,以气体为传压介质,使粉末同时承受高温和等静压力作用而获得致密材料或制品.
等静压的一般特点:
压坯形状、尺寸范围大,尤大尺寸、形状复杂压坯或制品;
压坯密度高且均匀
形粉末广,尤难熔金属化合物、陶瓷、高合金钢等
工艺简单,可不加润滑剂
设备:
冷等静压机分类:
螺纹式、拉杆式、框架式
热等静压机分类:
螺纹式、框架式
HIP特点:
1 压制、烧结同时进行,能消除粉末坯体中的所有孔隙,相对密度可达0.9999
2 压力作用,使HIP的烧结温度低于通常的烧结温度
3 HIP所需压制压力比CIP低
4 晶粒细小、组织均匀,无成分偏析
5 材料综合性能好,是PM高新技术之一
6 设备投资大,成本高
二、粉末连续成形
粉末轧制的基本原理
松散粉末需依次经过三个区域才能完成轧制:
(三个特征区)
Ⅰ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;
Ⅱ区——喂料区:
该区域内的粉末受轧辊的摩擦被咬入辊缝内。
Ⅲ区——压轧区:
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。
Ø要实现轧制,必须使摩擦系数μ与测压系数ζ之和大于咬入角α的正切值
μ+ξ>tgα
粉末挤压成形原理
v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
1、粉末在挤压筒内的受力状态
1 三向受压缩,一方向变形(向下挤出)。
2 挤压杆施加压力P,筒壁约束产生侧压力P侧,
P侧=ξP
相对运动产生摩擦力Pf(筒、嘴),
Pf=μP侧=ξμP
Ø物料被挤出的条件:
P≥Pf+Pr(粉末变形阻力)
1—轴向压力,2—径向(侧)压力,
3—模壁摩擦力,4—拉力
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
v三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响
思考题:
1、粉末冶金技术特殊成型包括哪些内容?
与一般钢模压制法相比有什么特点?
等静压成型,粉末连续成型,粉浆浇注成型,粉末注射成形,爆炸成形
等静压成型:
1)能够压制具有凹形、空心等复杂形状的杆件;2)压制时,粉末体与弹性模具的相对移动很小,所以摩擦损耗也很小。
单位压制压力较钢模制法低;3)能够压制各种金属粉末及非金属粉末。
压制坯件密度均匀,对难熔金属粉末及其化合物尤其有效;4)压坯强度较高,便于加工和运输;5)模具材料是橡胶和塑料,成本较低廉;6)能在较低的温度下制得接近完全致密的材料
粉末连续成型:
1)能够生产一般轧制法难于或无法生产的板带材;2)能够轧制出成分比较精确的带材;3)粉末轧制的板带材料具有各向同性;4)工艺过程短、解约能源;5)粉末轧制法成材率比熔铸轧制法高;6)不需大型设备,减少大量投资
第五章
一、单元系烧结
定义:
单相(纯金属、固定成分化合物或均匀固溶体)粉末或压坯在固态下烧结,烧结过程中不出现新的组成物或新相、无物质聚集状态的改变。
1.烧结过程的现象
(1)排除辅助添加剂(蒸发与分解)
(2)当烧结温度达到退火温度时,压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大,产生回复和再结晶现象
(颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形,为再结晶提供了能量条件。
)
(3)孔隙缩小,形成连通孔隙网络,封闭孔隙……
(4)晶粒长大
(5)烧结体强度增大,物理性能明显改善
2.单元系烧结的三个阶段
1 粘结面的形成
2 烧结颈的形成与长大
3 闭孔隙的形成和球化
3.烧结温度
(1)单元系烧结的起始温度:
使烧结体物理力学性能发生显著改变的温度。
密度发生显著改变的最低塔曼温度指数α:
α=Ts/Tm
不同金属,α值不同(Ts不同)
(2)按温度划分的烧结阶段
低温预烧阶段:
α≤0.25
金属回复、吸附气体、粘结剂等排除
中温升温烧结阶段:
α≤0.45-0.55
再结晶、形成烧结颈
高温保温完成烧结阶段:
α≤0.5-0.85
闭孔形成、烧结体密度增加
(3)烧结温度T:
指最高烧结温度,即高温保温温度
一般:
T烧绝=(2/3-4/5)T熔绝(α=0.67-0.80)
4、烧结时间t:
指高温保温阶段的时间(注意:
烧结时间≠烧结过程时间)
5、烧结体显微组织的变化
孔隙的变化:
孔隙的形状、大小、数量、分布都发生变化
孔隙形状:
连通网络→封闭→球化
孔隙大小:
平均尺寸逐渐减小,烧结后期闭孔形成,小孔消失,少数孔隙可能增大
孔隙分布:
靠近晶界、表面的孔隙易通过扩散消失,最终少量隔离孔隙远离表面和晶界。
孔隙数量:
一般烧结后密度增加,总孔隙率减少,但开、闭孔率变化趋势不同。
晶粒和颗粒的变化
(1)单元系烧结再结晶的基本形式
颗粒内再结晶:
再结晶形核发生于颗粒接触表面,向相邻颗粒内长大,晶粒边界不越过颗粒边界。
颗粒间聚集再结晶:
再结晶形核发生于颗粒接触表面,向相邻颗粒内长大,晶粒边界越过颗粒边界,颗粒合并,晶粒长大。
(2)影响烧结再结晶的因素
1)孔隙:
阻碍再结晶晶粒长
2)第二相:
阻碍再结晶晶粒长大
第二相的尺寸和含量都对再结晶有影响df=d/f
3)晶界沟:
阻碍再结晶晶粒长大
二、多元系固相烧结
Ø1、有限互溶多元系固相烧结
有限互溶:
两种或两种以上组元在液态下无限互溶,在固态下有限互溶。
Ø烧结的理论基础——Fe-C二元合金相图
Ø2.互不相溶多元系固相烧结(假合金)
互不互溶:
两种或两种以上组元在固态、液态下都没有互溶性。
(1)烧结的热力学条件(A-B系)
必要条件:
γAB<γA+γB
充分条件:
若γAB>|γA-γB|,界面能大于两组份单独存在时能量之差,可以实现烧结,但不太理想
若γAB<|γA-γB|,烧结比较理想,因为,若γA》γB,则B有可能附在A上,均匀地形成B包裹层,烧结效
(2)互不相容多元系固相烧结的特点
1 粉末冶金工艺的固有优点:
多种假合金,颗粒增纤维增强复合材料
2 烧结温度的选择存在很宽的范围—固相、液相
3 为提高密度,需补充致密化,工艺或热成形工艺;
4 存在性能-成分加和规律,可用于复合材料设计:
a根据性能需要设计组成b由组成预测性能
5 有时需采用特殊的混料方法;
6 颗粒间的结合界面对材料性能影响明显。
7 注意非活性相问题→
Ø3、多元系液相烧结
.定义:
两种或两种以上组元组成的压坯,在其中低熔成分熔点温度之上、高熔成分熔点温度之下某一温度进行的烧结。
注意:
低熔成分不一定是组元单质,可能是低共熔物。
(硬质合金)
液相烧结的特点(优、缺点)
优点:
(1)加快烧结速度
(2)晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制,便于优化显微结构和性能
(3)可制得全致密的P/M材料或制品,延伸率高
(4)粉末颗粒的尖角处优先溶于液相,易于获得有效的颗粒间填充
不足之处:
a.变形:
当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度、混合不均匀时,易出现变形
b.收缩大,尺寸精度控制困难
液相烧结的条件:
(1)润湿性条件
液相润湿固相颗粒,是液相烧结得以进行的前提。
否则,产生反烧结现象!
θ—润湿角
当θ=0,液相充分润湿固相颗粒(最理想的液相烧结条件)
当θ>90o,液相被推出烧结体,发生反烧结现象
当0<θ<90o,—普通的液相烧结情况,
烧结效果一般,可加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性,促进液相烧结过程
(2)固相在液相中应具有一定的溶解度
(3)液相数量
液相数量的增加,有利于液相充分而均匀地包覆固相颗粒,减小固相颗粒间的接触机会,为颗粒重排列提供足够的空间和降低重排列阻力,对致密化有利
但,过大的液相数量造成烧结体的刚度降低,形状保持性下降
一般液相数量控制在35vol%以内
液相烧结过程(阶段)和烧结机构
液相烧结致密化的三个阶段:
液相形成与颗粒重排:
流动(液相流动)与颗粒重排是此阶段液相烧结的主导致密化机制
固相溶解-再析出:
溶解-析出是此阶段烧结致密化的主要机制
在化学位高的部位(突起or尖角,细颗粒)处溶解,在化学位低的部位(凹陷,大颗粒表面)析出
固相烧结晶粒粗化:
扩散是此阶段烧结致密化的主要机制
与前两阶段相比,本阶段进行速度较慢
思考题:
10、互不溶系固相烧结的热力学条件是什么?
为获得理想的烧结组织,还就满足怎样的充分条件?
A-B的比界面能必须小于A、B单独存在的比表面能之和(即rAB在满足上式条件下,如果rAB>|rA-rB|,那么在两组元的颗粒间形成烧结颈的同时,他们可互相靠拢至某一临界值;如果rAB<|rA-rB|,则开始时通过表面扩散,比表面能低的组元覆盖在另一组元的颗粒表面,然后同单元系烧结一样,在类似复合粉末的颗粒间形成烧结颈。
11、简明阐述液相烧结的溶解 - 再析出机构及对烧结后合金组织的影响。
阐述:
因颗粒大小不同、表面形状不规整,各部位的曲率不相同造成饱和溶解度不相等,引起颗粒之间或颗粒不同部位之间通过液相迁移时,小颗粒或颗粒表面曲率大的部位溶解较多,相反的,溶解物质又在大颗粒表面或具有负曲率的表面析出。
在这一阶段,致密化过程已明显减慢,因为这时气孔已基本上消失,而颗粒间距离更缩小。
使液相流进孔隙变得更加困难。
对组织的影响:
溶解和再析出过程使得颗粒外形逐渐趋于球形,固相颗粒发生重结晶长大,冷企鹅后的颗粒多呈卵形,紧密的排列在粘结相内。