第一章粉末成型DOC.docx

1、第一章粉末成型DOC课程名称： 粉末冶金原理(二)授课专业：粉体材料科学与工程1 本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小部分直接应用隐形涂料 Fe,Ni粉末食品医药 超细铁粉涂料 汽车用Al粉, 变压器用超细铜粉自发热材料(取暖和野外食品自热) 超细Fe粉固体火箭发动机燃料 超细Al, Mg粉等金刚石合成粉末触媒 Fe-Ni合金粉末电子焊料(solder) Cu合金粉末焊料 细铁粉绝大多数作为应用于工程结构中部件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和烧结操作成形和烧结过程控制粉末冶金材料及其部件的微观结构主宰着粉末材料及其部件的应用2 研究对象材料设计的概念

2、工程应用(服役情况)性能要求材料性能(经济性)设计微观结构设计材质类型、加工工艺设计 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研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学问题即研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题第一部分 粉末成形 powder shaping or forming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颗粒，将粉末体转变成具有足够强度的几何体的过程 粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或范德华力分类：刚性模（rigid die）压制成形 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

3、型，喷射成形，爆炸成形等第一章 粉末压制 Powder Pressing or Compaction1 压制前粉末料准备1 还原退火 reducing and annealing作用降低氧碳含量，提高纯度消除加工硬化，改善粉末压制性能（前者亦然）粉末钝化使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃退火温度高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm退火气氛还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空2 合批与混合 blendingandmixing混合将不同成分的粉末混合均匀的过程合批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粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能差异获得性能均

4、匀的粉末料混合方式干混法：铁基及其它粉末冶金零件的生产湿磨法：硬质合金或含易氧化组份合金的生产WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀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湿磨的主要优点有利于环境保护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保护粉末不氧化混合均匀程度和效率取决于粉末颗粒的尺寸及其组成颗粒形状待处理粉末组元间比重差异混合设备的类型混合工艺装料量球料比转速研磨体的尺寸及其搭配对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工艺一般采用实验加以确定混合方式机械法混合化学法混合混合较前者更为均匀,可以实现原子级混合W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺 W粉+Ni(NO3)2溶液混合

5、热解还原（700-750）W-Ni包覆粉 + CuCl2溶液混合热解还原（400-450）W-Cu-Ni包覆粉末无偏聚（segregation-free）粉末binder-treated mixture消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析粉末混合与输运过程3 成形剂和润滑剂成形剂场合1)硬质粉末：如硬质合金,陶瓷等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足够的强度添加成形剂的方法以提高生坯强度，利于成形2)流动性差的粉末 细粉或轻质粉末粘结剂作用适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力改善粉末流动性,提高压制性能橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS 、PEG、PVA等选择准则能赋予待成形

6、坯体以足够的强度易于排除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产物不污染环境润滑剂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压制用的润滑剂硬脂酸硬脂酸锌工业润滑蜡(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用)粉末内润滑润滑剂直接加入粉末中铁基粉末 润滑剂含量提高0.1%坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm3模壁润滑静电喷涂溶液涂敷4 制粒 pelletizing or granulating细小颗粒或硬质粉末为了成形添加成形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P/M制品粉末结块原理借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形

7、成团粒减小团粒间的摩擦力大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积制粒方法擦筛制粒旋转盘制粒挤压制粒喷雾干燥2 压制现象1 颗粒的位移与变形1.1 粉末颗粒位移 位移方式：滑动与转动颗粒重排列 Particle rearrangement or repacking(restacking)影响因素粉末颗粒间内摩擦表面粗糙度润滑条件颗粒的显微硬度颗粒形状颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度）加压速度1.2 粉末的变形弹性变形颗粒间的接触应力材料弹性极限塑性变形颗粒接触应力金属的屈服强度点接触处局部面接触处局部整体断裂脆性粉末点接触应力断裂强度断裂塑性粉末点接触应力屈服强度塑性变形加工硬化脆化断裂2 致密化现象2

8、.1 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）颗粒滑动与转动阻力的影响因素颗粒形状粒度组成表面粗糙度颗粒间润滑状态塑性变形阻力的影响因素颗粒的显微硬度合金化酸不溶物氧化物颗粒本质原子间作用力加工硬化速度（晶体结构）颗粒形状粉末粒度压制速度2.2 弹性后效 Spring back反致密化现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的

9、现象残留内应力释放的结果弹性后效与残留应力相关压制压力粉末颗粒的弹性模量粉末粒度组成（同一密度）颗粒形状颗粒表面氧化膜粉末混合物的成份石墨含量3 压坯强度 Greenstrength表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度影响因素本征因素颗粒间的结合强度（机械啮合mechanical interlocking）和接触面积颗粒间的结合强度颗粒表面的粗糙度颗粒形状颗粒表面洁净程度压制压力颗粒的塑性硬脂酸锌及成形剂添加与否高模量组份的含量颗粒间接触面积即颗粒间的邻接度 contiguity颗粒的显微硬度粒度组成颗粒间的相互填充程度压制压力颗粒形状外在因素：残余应力大小压坯密度分布的均匀性粉末的填充

10、均匀性粉末压坯的弹性后效模具设计的合理性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3 压坯密度与压制压力间的关系1 压制过程力的分析P施加在模腔中的粉末体粉末向周围膨胀侧压力Fn(Pn)粉末与模壁之间出现相对运动摩擦力Ff( Pf)下冲头的压力PbPh =/(1-) P =PPf =Pn =PPb =P- Pf压力损失 P=P- Pb在距上冲为X处的有效外压Px Px=Poexp(-4X/D)D为模腔内径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2 脱模压力（ejection force）静脱模力（striping force）滑动脱模力(sliding force)与坯件

11、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压坯密度或压制压力粉末原料显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数模具材料的硬度零件的侧面积2 密度与压力间的关系压制方程压坯密度是外压的函数=k.f(P)2.1常用力学模型理想弹性体-虎克体（H体）=M理想流体-牛顿体（N体）=d/dt 线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H体与N体串联T=1+2T=1+2线弹性体-Kelvin体（K体）：H体与N体并联T=1=2=M(+2d/dt) 2应变驰预时间标准线性固体（SLS体）M体与H体并联T=1+2T=1+2+1d/dt=M(+2d/dt)标准非

12、线性固体（SNLS体）(+1d/dt)n = M(+2d/dt) n21密度分布均匀性(d/dX)1 (d/dX)2 (d/dX)3强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀粉末颗粒平均粒度粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀模具设计的合理性使台阶间的粉末压缩比相同粉末的流动性 填充均匀零件形状复杂程度粉末塑性颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法3 复杂形状部件的成形密度分布的控制多台阶零件：恒压缩比压坯强度：合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末高压坯强度脱模压力润滑和低的弹性后效，脱模压力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

13、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第二章 特殊及新型成形技术Chapter 2 Special and New Forming Techniques1概述普通刚性模压制(rigid die compaction)技术的特点优点可实现连续自动化生产生产效率高制造成本低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

14、成形技术成形技术1 WP（Warm Pressing/Compaction）温压技术高性能（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 PIM(Powder Injection Molding)粉末注射成形技术形状复杂、薄壁、小尺寸件3 CIP(Cold Isostatic Pressing)冷等静压高均匀性大型粉末冶金制品4 HIP(Hot Isostaic Pressing)-热等静压全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件5 SC(Slip or Slurry Casting)粉浆浇注形状复杂的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品6 PR(Powder Rollin

15、g) & PE(Powder Extruding)-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 PF(Powder Forging)-粉末锻造技术高强度铁基粉末冶金零部件8 RPF(Rapid Prototype Forming)无模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 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

16、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 温压技术的发展背景与现状温压技术的开发的原动力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，抑制热处理潜力对力学性能改善的贡献提高铁基P/M零部件密度的技术途径复压-复烧工艺密度达92%左右，形状复杂程度有限，成本较高浸铜密度大于95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高液相烧结密度可达93%，变形较大，零件精度低，尺寸控

17、制困难，成分设计有限粉末锻造全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵AncorbondeTM工艺（ 80年代后期）温压技术的前身扩散粘结铁合金粉末第项美国专利（年）年披露， AncordenseTM全球共有100余条温压生产线150多种温压件2 温压工艺粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）粉末加热（130）阴模装粉（130-150）温压温压压坯烧结温压零部件3 温压的技术特点1)低成本制造高性能P/M零部件 若WP=1.0，则 1P1S=0.8 2P2S=1.3 CI（浸铜）=1.5 PF=1.8源于加工工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高2)压坯密度高相对密度提高0.02-0.06，即孔

18、隙度降低2-6%3)便于制造形状复杂的零部件低的脱模压力，30%高的压坯强度，25-100%弹性后效小，50%密度分布均匀，密度差0.1-0.2g/cm34)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)压制压力降低同压坯密度时，压力降低140Mpa提高压机容量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被誉为“导致铁基粉末冶金技术革命的新技术”4 温压加热系统阴模的加热：电阻加热粉末加热方式热油循环温控稳定性好，不易过热

19、微波加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题感应：与微波相似电阻加热加热速度较快，也存在过热问题5 温压过程的实质塑性变形得以充分进行加工硬化速度和程度降低有效地减小粉末与模壁间的摩擦和降低粉末颗粒间的内摩擦便于颗粒间的相互填充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润滑剂的作用降低粉末颗粒的内外摩擦，有效外压密度温度，摩擦系数，

20、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3 注射成形1 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PIM的先驱美国AMAXMet. Injet. Moulding 和德国BASF公司八十年代初，PIM就实现了产业化2 PIM工艺概述Metallic or ceramic powders + Binder

21、 Premixing Compounding(mixing and pelletizing) Feedstock Injection moulding Debinding(solvent and or thermal debinding/Presintering) Sintering PIM parts3 PIM(MIM)工艺的过程控制因素粉末原料1 particle size一般小于30m，常用2-8m提高粉末烧结驱动力脱脂后坯体的强度便于混练和注射2 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练均匀的喂料颗粒外形比（particle aspect ratio

22、）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）相互间钩连3 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Widerpacking 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必须满足较低的粘度 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

23、系的粘结剂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压力和温度是关键工艺参数注射缺陷及成因void: shrinkage,entrapped gassink marks: shrinkage,segregationweld lines: jetting,flow around coressurface patterns: cold flow,segregationd

24、eformation: residual stress,ejection of weak green partsinconsistent shot weight: inconsistent feedstock,machine control缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现，属于不可挽回的废品脱脂脱脂类型热脱脂(thermal debinding )和溶剂脱脂(solvent debinding)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