第三章_粉末成形技术-2

null《粉末冶金原理》 第三章 粉末成形技术 Technique of Powder Formation《粉末冶金原理》 第三章 粉末成形技术 Technique of Powder Formation程继贵 jgcheng63@sina.com 材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineeringnull本章内容 §3.1 成形前的粉末冶金 §3.2 模压成形技术 §3.3 等静压成形 §3.4 粉末连续成形 §3.5 粉浆浇注 §3.6 粉末注射成形School of Materials Science and Engineeringnull第四节 粉末连续成形定义：粉末在压力作用下由松散状态经过连续变化而成为具 有一定密度、强度以及所需尺寸形状压坯或制品的过程。 主要包括：粉末轧制、挤压、喷射成形、楔形压制等 基本特征：● 是模压成形方法的重要补充，可以生产普通模 压成形无法生产的多孔或致密的板、带、棒、 及管材等； ● 比钢模压制需要较少的设备、容器。 School of Materials Science and Engineeringnull一、金属粉末轧制（Powder rolling） （一）概述 1. 粉末轧制的概念： 粉末通过喂料进入一对轧辊之间，在轧辊力的作用下压实成具有一定强度的连续带坯的过程。 School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull2.粉末轧制的特点： ● 与熔铸轧制相比： 1）基本原理相同，要实现轧制：μ+ξ>α； 2）可轧制出熔铸轧制无法生产 或难以生产的板、带材等 （尤多层复合板、带）； 3）工艺流程短、节能、成本较低， 4）压坯或产品成分精确可控、轧制产品各向同性 ； 5）成材率较高。 School of Materials Science and Engineeringnull ● 与模压成形相比： 1）轧制能耗比压制低； 2）可以生产模压成形无法生产的板、带材； 3）压坯密度更均匀，压坯长度原则上不限； 4）板带材宽度、厚度有限： δ=（1/100 ~1/300）D， 一般≤10mm 粉末轧制适用于生产宽度几百mm，厚度10mm以下，长度原则不限的板带材，或D/δ很大的衬套等 School of Materials Science and Engineeringnull3.粉末轧制的分类： ● 粉末直接轧制（direct powder rolling） 对塑性好的粉末 ● 粉末粘结轧制 (bonded powder rolling) 加入粘结剂改善粉末体的成形性 ● 包套粉末热轧（canned powder hot rolling） 对活性粉末以及要求高致密度的材料 粉 末 冷 轧粉末 热轧按进料方式分为：水平、垂直和倾斜轧制School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull（二）粉末轧制的基本原理 1. 轧制过程 ● 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— 粉末松装堆积区 （自由充填区） Ⅱ— 喂料区 Ⅲ— 压轧区 School of Materials Science and Engineering三个特征区三个特征区●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：轧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。 凡进入此区的粉末将在摩擦力作用下进入压轧区 ● Ⅲ区-压轧区：进入此区的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。School of Materials Science and Engineeringnull2. 轧制过程的定量关系（轧制带坯厚度、密度与粉末特性及轧辊尺寸之间的定量关系） 基本概念及符号： 咬入层、咬入角α（α2） Hα— 咬入宽度 δR — 轧制带坯厚度 D、r — 轧辊直径、半径 ρ松、ρ压—粉末松装密度及轧坯密度 V进、V轧— 粉末进料速度和轧制速度 粉末料柱宽度 B≈轧坯宽度 b Hα图4-26 粉末轧制时的咬入区和变形区HαδSchool of Materials Science and Engineeringnull 几何关系： 质量关系： 定量 关系式： School of Materials Science and Engineeringnull3.影响轧制过程的因素 （1）粉末性能 ● 松装密度： ρ松↑，ρ压↑，δ↑ （保证轧制条件下） ● 流动性： 流动性↑，V进↑，η↓， ρ压↑，δ↑ （保证轧制条件下） ● 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，↑压坯强度 School of Materials Science and Engineeringnull（2）轧辊直径 ↑D, ρ（δ R固定）； δ R ↑（ρ一定） （3）给料方式 水平与垂直：垂直 V进↑，ρ ↑ 、δ R ↑ （4）轧制速度 ↑ω,ρ、δ R↓（m不变） （5）辊缝t ↑t，轧制压力降低，ρ↓，δ R↑ School of Materials Science and Engineeringnull（三）粉末轧制工艺 粉末准备→ 喂料（水平、垂直方式）→ 轧制（冷轧、热轧） → 轧坯→烧结（直接烧结、成卷烧结）School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull1. 粉末冷轧工艺 ● 室温下轧制 ● 轧制速度较低：0.6-30m/s ● 轧坯可卷成卷后烧结，也可烧结后卷成卷， 还可烧结后再热轧School of Materials Science and Engineeringnull冷轧School of Materials Science and Engineeringnull冷轧+ 热轧School of Materials Science and Engineeringnull2. 粉末热轧工艺 ● 可以对粉末、预成形坯等进行轧制 ● 防氧化—包套（真空）轧制或气氛保护School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull（四）粉末轧制的应用 多孔板材，如过滤板、催化剂板材 层状复合材料带、板材 多层钢背支撑轴承 纤维增强复合材料School of Materials Science and EngineeringPowder ExtrusionPowder Extrusion 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。二、粉末挤压 （一）概述 ● 粉末挤压的定义School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull粉末直接挤压（冷挤压）：适应于塑性好的金属粉末 粉末增塑挤压：粉末加入一定量的成形剂或粘结剂后挤压，适应于硬质粉末如硬质合金粉末 粉末包套热挤：适应于弥散强化合金等 烧结坯或粉末压坯的热挤压：适应于塑性较好的有色金属材料。● 挤压的分类School of Materials Science and Engineeringnull● 粉末挤压成形的特点 1）能挤出直径小（1mm）、壁薄（0.01mm）的管材、 棒材，以及其他异形截面的制品 2）产品长度原则不限，生产过程具有连续性 3）更换挤压嘴可以方便地改变产品的截面形状 4）工艺流程短、节能、成本较低 5）可获得致密、物理机械性能优良的材料或制品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School of Materials Science and Engineeringnull1.粉末在挤压筒内的受力状态 三向受压缩，一方向变形（向下挤出）。 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 物料被挤出的条件： P≥Pf + Pr(粉末变形阻力) （二）粉末挤压成形原理School of Materials Science and Engineeringnull2.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）流出三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响School of Materials Science and Engineeringnull3.超前现象和轴向附加应力的形成超前现象： 由于摩擦力的影响， 挤压筒中中心部位物料的 流动速度较接近筒壁物料 的流动速度快（挤出快） 的现象。School of Materials Science and Engineeringnull4.挤压比挤压比R：挤压筒横截面积与挤压嘴横截面积之比 R= F/F0 =D2/d2 断面收缩率K： K=（F-F0）/F × 100% =（D2-d2）/D2 × 100%合适的挤压比是获得合格压坯的关键之一， 一般 R≥10School of Materials Science and Engineeringnull（三）挤压模具设计1） 确定挤压比R2）正确设计挤压嘴 重要参数： 锥角α 定型带长 l 表面粗糙度School of Materials Science and Engineeringnull增塑剂（plasticizer）： 石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸 （表面活性剂） 添加量： 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（四）粉末挤压工艺1. 增塑挤压：具有一定粘结性性和良好塑性的有机物（增塑剂）粉末一起制成混合料后挤压School of Materials Science and Engineering硬质合金增塑挤压生产工艺流程硬质合金增塑挤压生产工艺流程粉末料+增塑剂 ↓ 掺合（40-50℃） ↓ 预压（排气，提高料密度） ↓ 挤压（40-50℃） ↓ 挤压坯 ↓ 脱增塑剂 ↓ 烧结 ↓ 制品School of Materials Science and Engineeringnull 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等的高温合金或弥散强化材料 包套制作工艺与HIP相同2. 粉末热挤压School of Materials Science and Engineeringnull三、粉末喷射成形 ● 喷射成形是将喷射沉积与成形技术结合一起进行加工金属或合金成半成品或成品的新工艺。 ● 将雾化液态微粒先沉积为预成形实体，然后进行各种形式冷热加工成板、带、棒、管材。 喷射沉积原理示意 1—雾化液微粒流 2—沉积物 3—衬底 4—金属液流School of Materials Science and Engineeringnull喷射成形工艺特点： ● 制各种板、带、管等半成品及成品； ● 控制雾化速度可控制制品的组织和性能 晶态、非晶等组织 ● 材料各向同性； ● 可制多层复合材料School of Materials Science and Engineeringnull在传统快速凝固/粉末冶金(RS/PM)工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。 School of Materials Science and Engineeringnull喷射成形工艺方法 喷射轧制、 喷射锻造、 离心喷射沉积、 喷射涂层School of Materials Science and EngineeringSpray CastingSpray CastingSpray casting (Osprey process) in which molten metal is sprayed over a rotating mandrel to produce seamless tubing and pipe..School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull第五节 粉浆浇注成形（ slurry casting ）1.基本原理 粉末与水（或其它液体）制成一定浓度的悬浮浆料，注入具有所需形状的石膏模中。 多孔石膏模吸收粉浆中 的水分（或液体），使 浆料在模内得以致密并 形成与模具型面相应的 成形注件。School of Materials Science and Engineeringnull2.特点 ● 历史悠久的陶瓷成形方法，后应用于现代粉末冶 金； ● 是制取复杂形状、大件粉末冶金制品的有效方法； ● 适于成形压制性较差的脆性粉末，如碳化物、硅化 物、氮化物、铬和硅等粉末； ● 不需要压力机，设备简单，生产费用低； ● 生产周期长，生产率低。School of Materials Science and Engineeringnull3. 粉浆浇注工艺过程School of Materials Science and Engineeringnull（1） 粉浆的制备● 由金属粉末（纤维）与母液等组成的混合物 ● 要求：具有一定的流动性、粘度和相对稳定性 ● 浆料的主要组成： 粉末 + 溶剂（水、酒精等）+ 添加剂School of Materials Science and Engineeringnull● 浆料中的添加剂 1）粘结剂 干燥后赋予坯件足够强度；PVA、PEG、藻肮酸钠等，3% 2）悬浮剂 阻止粉末颗粒间的聚集；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 机理 3）除气剂 表面活性剂，使颗粒表面吸附的气体脱附，防止颗粒聚 集和消除坯间气孔：正丁醇 4）调节剂 调节料浆粘度，改善流动性；常用NaOH、HCl，氨水等School of Materials Science and Engineering（2）石膏模制作（2）石膏模制作● 制作过程（流程图） ● 石膏粉粒度影响模具的 吸水能力（图）石膏粉+水（1:1.5） ↓ 搅拌 ↓ 浇入型箱 （铸造） ↓ 干燥（40-50℃） ↓ 石膏模 School of Materials Science and Engineering（3） 浇注（3） 浇注石膏模壁涂离型剂： 硅油或肥皂水 作用：隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触、控制吸水速度。 浇注方法：可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。 School of Materials Science and Engineering4 . 影响粉浆浇注的因素4 . 影响粉浆浇注的因素（1）粉末粒度： 细粉末利于浇注 （2）液固比： 影响粉浆粘度和粉末沉降速度 （3）粉浆的pH值： 影响粉浆粘度和粉末沉降速度 （4）分散剂与粘结剂 ：影响粉浆的粘度和沉降速度 和坯体强度 （5）气体 School of Materials Science and Engineeringnull第六节 金属粉末注射成形——专题 （ Metal injection molding， MIM）一、注射成形的原理及特点 基本原理： 利用塑料注射成形原理，将金属粉末（陶瓷粉末等）与有机粘结剂一起制成混合料，在注射成形机上，在一定温度和压力下通过注射口注入闭合的模具中，冷却后开启模具，得到坯体。School of Materials Science and Engineeringnull2. 注射成形的特点： 1）是将粉末冶金与塑料注射成形结合的新的粉末成形工艺 技术。是PM高新技术之一。 2）可以大批量生产接近最终形状、尺寸的复杂形状的金属、陶瓷制品。 3）生产工序少、无工序废料，少无切许削加工。 4）是制造复杂形状粉末冶金零件的研究热点之一，在难熔 金属与硬质合金、不锈钢、轻金属粉末冶金、复合材料、陶瓷等领域有广阔的应用前景。 比较：粉末注射成形和挤压成形School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull3. 注射成形技术背景 ● 塑料制品的通用成形技术之一，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。单纯的塑料的强度、耐磨性低，应用范围受限，在熔融塑料中金属、陶瓷粒子作填充剂 ● 美国AMAX Met. Injet.Moulding 和德国BASF公司：开发PIM的先驱 ● 20世纪八十年代初，实现产业化，展示良好的技术、经济效益School of Materials Science and Engineeringnull二、注射成形工艺过程School of Materials Science and EngineeringnullMetallic or ceramic powders + Binder ↓ Premixing ↓ Compounding(mixing and pelletizing) ↓ Feedstock ↓ Injection moulding ↓ Debinding (solvent and /or thermal debinding/Presintering) ↓ Sintering ↓ PIM partsSchool of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull1. 选取合适的粉末原料 （1） particle size 一般小于30μm，常用2-8μm 利于制造薄壁、形状复杂制品 提高粉末烧结驱动力 保证脱脂后坯体的强度 便于混练和注射 School of Materials Science and Engineeringnull（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）λ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） 有利于颗粒间相互间钩连 School of Materials Science and Engineeringnull（3） particle size distribution 合适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 ↑packing 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School of Materials Science and Engineeringnull2. 配制能有效团聚粉末，并赋予混合料流变性能的粘接剂 ► 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 School of Materials Science and Engineeringnull3. 混练 借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀 ● 混练温度 温度过高：导致粘结剂分解，或粘度太低而发生两相分 离现象 温度过低：粉末聚集，喂料不均匀性 ● 混练过程剪切力：由旋转速度决定 剪切力太高：混练设备磨损和引入机械夹杂 剪切力太低：粉末聚集、混料不均School of Materials Science and Engineeringnull4.注射成形 关键工艺参数为：注射压力、温度School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineering5. 脱脂5. 脱脂1. 脱脂类型 热脱脂(thermal debinding ）：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，也可形成相应单分子化合物排出高熔点组份，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(solvent debinding)：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。School of Materials Science and Engineering注射坯件的微观结构注射坯件的微观结构School of Materials Science and Engineeringnull脱脂过程School of Materials Science and Engineeringnull溶剂脱脂+热脱脂 ★ 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， ★ 降低分解产物可能形成的内压 ★ 减少造成脱脂缺陷的机会 ★ 增加脱脂速度 ●常用脱脂方法School of Materials Science and Engineeringnull● 新型脱脂工艺 —Metamold法（BSAF）—催化脱脂法适于聚醛树脂粘结剂体系，酸性气氛下脱脂 （九十年代初开发）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 对设备具有一定程度的腐蚀School of Materials Science and Engineeringnull■ 脱脂后的PIM坯体为多孔结构，导热系数很小 ■ 过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成硬壳，阻止内部粉末收缩 ■ 热应力可能导致坯体变形和空洞 ■ 注射成形坯体的烧结技术要求高！6. 烧结注射成形坯体的烧结技术要求高！School of Materials Science and Engineeringnull三、注射成形产品性能Remington兵器公司MIM材料性能School of Materials Science and Engineeringnull技术难点：高性能粉末、脱脂变形的控制 待解决问题： 粉末成本 粘结剂的回收 脱脂时间长，生产效率低 铁基材料、硬质合金中碳量控制 精度控制 缺陷消除MIM的技术难点和待解决的技术问题School of Materials Science and Engineeringnull思考题 教材第四章： 2、5、6、7、8、9School of Materials Science and EngineeringnullThe End of Part 2，Chapter 3School of Materials Science and Engineering