粉末冶金原理P1newppt课件.ppt

粉末冶金原理() 曹 顺 华粉末冶金研究院粉体材料系,导 论,1 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 what is the powder?小部分直接应用隐形涂料 Fe,Ni及其合金纳米粉末食品医药 超细铁粉涂料 汽车用Al粉, 变压器用超细铜粉化工合成 铁粉,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) 电子封装用Cu,Ag合金粉末 太阳能电池微细铝粉末高性能电路保护器 PTC中超细金属Ni, Fe粉焊料 细铁粉,绝大多数作为应用于工程结构中部件的制造原料加工成块体材料或部件 (粉末冶金制品)经过成形和烧结操作Metal or Metal+ceramic powders Pressing，Sintering Powder sintered parts or sintered materials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主宰着粉末冶金材料及其部件的应用,2 课程对象,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题,3 粉末冶金技术的主要特点,What is Powder Metallurgy？ 利用金属粉末或及其与化合物粉末的混合物为原料，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 冶金方法 零件制造技术,1）经济性：低成本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71.5%,SiO2小于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,前者材料利用率约为40%，PM可达95-100%低能耗、节材特点,Powderpress全自动液压机,Adaptor模架,网带式烧结炉Mesh Belt Sintering Furnace,各种异形机械零部件,轿车部件,电动工具与汽车部件,行星齿轮保持架(Ford) planetary gear carrier,汽车发动机用粉末烧结钢零件sintered steel parts for motor engines,汽车变速器系统用粉末烧结钢件 sintered steel parts for motor transmission systems,粉末锻造连杆 powder forged connecting rod,不锈钢注射成形件 Stainless steel MIM parts,2）便于制造难加工材料陶瓷/金属复合材料-金属陶瓷cermet粉末超合金 powder superalloys粉末高速钢 powder high-speed steels金属基复合材料 metal matrix composites弥散强化材料 dispersion-strengthened materials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 硬质合金 重合金 钨靶材 钨/钼基电工合金 纳米晶材料 nano-grained materials 梯度复合材料functionally gradient materials等3）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）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2）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）机械加工刀具硬质合金，粉末高速钢，金属陶瓷等加工电极W-Cu电火花加工电极汽车薄板焊接用弥散强化铜电极,3）航天航空固体火箭发动机喉衬及喷管飞机发动机蜗轮盘与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 粉末成形 powder shaping or forming,具体部件具有一定的几何形状和尺寸成形：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和尺寸精度的几何体的过程 粉末颗粒间的结合力1）外力作用情形：为机械啮合力或范德华力2）粘结剂情形：主要依靠高分子材料的粘结能力,分类：刚性模（rigid die）压制 普通模压、温压与模压流动成形其它成形方式冷、热等静压注射成形连续成形：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 粉末压制 Powder Pressing or Compaction,1 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,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 0.5-0.6Tm退火气氛还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空,2 合批与混合 blendingandmixing混合不同成分的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分布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匀的粉末料,机械法混合与化学法混合机械混合方式干混法：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不足操作工序增加 粉料干燥增加能耗球磨介质损耗 成本提高,混合机理简介,粉末床的运动行为（a）粉末体整体滑动 （b）粉体局部坍塌,（c） 粉末整体滚动 (d)小瀑布状抛落,(e)大瀑布状抛落 (f)离心状态,取决于圆筒形混合器的转速筒体的直径Froude准数Fr=(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,滑动与离心状态：颗粒之间很少发生相对运动混合效果最差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避免！,混合机理,扩散过程并不存在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”Caused by differences in particle density 颗粒之间密度差异Particle size 粒度差异Particle shape 颗粒形状差异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,双锥形混料机,V形混料机,多维混料机,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包覆粉末存在环保问题,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(binder)和润滑剂(lubricant)成形剂 (非增塑成形)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PEG(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用),润滑方式,粉末内润滑internal lubrication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die wall lubrication静电喷涂溶液涂敷,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 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增大运动单元的动力（重量）制粒方法擦筛制粒喷雾干燥挤压制粒旋转盘制粒,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（受控于粉末颗粒间内摩擦）表面粗糙度润滑条件颗粒的显微硬度（密度较高）颗粒形状粒度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2.1 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）,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（同一目标密度）颗粒形状颗粒表面氧化膜粉末混合物的成份Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C,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前者阻隔金属颗粒的联结后者可提高压坯强度高模量组份的含量相同应变量，高模量增加残留应变能,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,3.1 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Pb,侧压力Ph =/(1-) P =P-泊松系数, -侧压系数模壁摩擦力Pf =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,3.2 脱模压力（ejection force）静脱模力（striping force）滑动脱模力(sliding force)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,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,3 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)3.1常用力学模型理想弹性体-虎克体（H体）:弹簧=M理想流体-牛顿体（N体）:活塞在汽缸中运动=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),标准非线性固体（SNLS体）(+1d/dt)n = M(+2d/dt) 硬化指数的倒数 n11、2分别为应力、应变驰豫时间恒应力o作用并充分保压（d/dt=0），经数学变换得on =M或o=(M)1/n,2.2 大程度应变的处理自然应变=LLodL/L=ln(L/Lo)若压坯的受压面积固定不变，则=-ln(V-Vm)/(Vo-Vm) =ln(m-o)/(m-)o,3.2巴尔申方程,基本假设将粉末体视为弹性体不考虑粉末的加工硬化忽略模壁摩擦任意一点的变形与压力间的变化率 d/d=k =P/A -对应于压缩量； A-颗粒间有效接触面积,积分、变换并取对数后得lgPmax-lgP=L(-1)L=压制因子 =压坯的相对体积适应性硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述,出现偏差的原因低压时粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主粉末体的实际压缩量高于计算值（即理论值）偏低现象高压时粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值偏高现象,2.4黄培云压制理论,采用标准非线性固体模型=on /Mlgln(m-o)/(m-)o=nlgP-lgM 最初形式n=硬化指数的倒数M=压制模量针对对原模型量纲问题，进行修正，并采用模型,=（o /M）1/mmlgln(m-o)/(m-)o=lgP-lgMm=粉末压制过程的非线性指数硬化趋势的大小晶体结构，粉末形状、合金化等相关适应性硬质或软质粉末均有效,4压制实践,1 摩擦力在粉末压制过程中的作用外摩擦力粉末颗粒与模具（阴模内壁die wall、模冲puches、芯棒core rod）之间的因相对运动而出现的摩擦作用消耗有效外压造成压力降和在压制面上的压力再分布，导致粉末压坯密度分布不均匀,影响因素颗粒与模具之间的摩擦系数粉末颗粒、模具零件表面表面粗糙度润滑剂添加量润滑方式：整体或模壁润滑润滑方式颗粒的显微硬度 颗粒与模具间的冷焊,内摩擦粉末颗粒之间的摩擦interparticle friction正面作用带动粉末颗粒位移传递压制压力,负面作用降低粉末的流动性和填充性能摩擦功以热的形式损耗掉有效致密化压力损失但发热可产生一定的金属粉末颗粒软化,2 压坯密度分布均匀性的控制,压坯密度分布不均匀的后果成形不能正常实现如出现分层，断裂，掉边角等烧结收缩不均匀，导致变形因素高径比H/DH/D，d/dX 当H/D，压坯的下部粉末无法成形,模具的润滑状态模壁润滑优于整体润滑压制方式若被成形件为轴套类部件，可采用三种压制方式单向压制，双向压制和强制摩擦芯杆压制平均密度： 321,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涉及压机及模架的动作功能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 特殊及新型成形技术,Chapter 2 Special and New Powder Forming Techniques1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(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,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 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、大尺寸的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品6 PR(Powder Rolling) & 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 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 温压技术的发展背景与现状,温压技术的开发的原动力需求：汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基P/M零部件提高汽车在市场上的竞争力 如2011型Ford Edge汽车采用了近30KgP/M零件 发动机：11.8Kg 变速系统：11.8Kg 其它部分：6.35Kg,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应提高零件密度,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，成本较高渗铜：密度 95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高液相烧结：密度93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限，成本提高粉末锻造：全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本较昂贵,AncorbondeTM工艺（ 80年代中后期）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具有润滑功能的粘接剂（石墨粉末偏析）处理温压技术的前身八十年代中后期意大利Nuova Merisinter公司铁基粉末与模具的加热研制年出现第项美国专利年披露 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、高精度优势提高铁基零部件的性能和服役可靠性 拓宽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 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（130-150）装粉温压(600-750MPa)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 Copper Infiltration (CI)=1.5 Powder forging (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%：弹性后效小，50% 外摩擦力高的压坯强度，25-100%高压坯密度密度分布均匀，密度差0.1-0.2g/cm3,4)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,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,热油循环粉末加热系统,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压坯密度有效地减小粉末与模壁间的摩擦:增大有效外压力降低粉末颗粒间的内摩擦：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,室温压制,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：1)有效外压密度2)颗粒重排得以充分进行密度温度，摩擦系数：粉末颗粒间的相互填充能力弹性后效，脱模压力,技术核心专用粉末设计基粉base materials：高压缩性高效润滑剂润滑剂膜包覆每个颗粒润滑剂膜具有耐压性能加热系统,3 注射成形 Injection moulding,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PM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 Premixing（预混） Compounding(混炼mixing and pelletizing) Feedstock（喂料） Injection moulding Debinding(脱脂solvent and or thermal debinding/Presintering) Sintering（烧结） PIM parts,3 PIM(MIM)工艺的过程控制因素,粉末原料1 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 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 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,4 粘结剂,必须满足：1）较低的粘度 0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象2）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,3）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,5 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1）混练温度过高导致粘结剂“分解”（物理蒸发）粘度太低易发生两相分离现象过低粉末聚集，喂料不均匀,2）剪切力由螺杆转速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6 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void: shrinkage, entrapped gassink marks: shrinkage, segregation,weld lines: jetting,flow around coressurface patterns: cold flow, segregationdeformation: 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不可挽回的废品,7 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（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 hrs,Injectamax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 hrsMetamold法（BSAF）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,PIM坯体经脱脂后为多孔结构，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坯体变形和空洞,4 待解决的技术问题,粉末成本：解决粗粉的注射成形问题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,4 冷等静压,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,能压制大尺寸、形状较复杂的P/M部件毛坯密度分布均匀，压制压力降低三轴均匀压制，能压制硬脆粉末压坯强度高单件模具费用低 缺点生产效率低精度很低，需大量后续加工,1 CIP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（内摩擦）和颗粒本身的变形能力（显微硬度）2 CIP工艺2.1柔性模套（flexible die set）的制造耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板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 CIP坯块质量控制粉末流动性良好装粉：振动或敲打摇实均匀,密封：防止液压介质渗入模内加压速度：过快导致出现软心卸压：过快分层,4 CIP设备,高压容器和高压泵系统组成分类：依高压容器结构分螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损拉杆式：较低压力，拉杆承受压力框架式：很高压力，最安全（预应力结构）,框架式CIP压机,5 压制方式,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 压制生产率较低,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 热等静压制,1 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 HIP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 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Pm Hipped HSS Forged HSS,核废料HIP处理铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等设备投资大，成本高,3 HIP压机的分类螺纹式和框架式螺纹式螺纹承受轴向压力缺点：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HIP,4 HIP压机的结构,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,油压机构控制上下活塞开闭和框架移动5 包套材料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：适于粉末高速钢，1400Ni：Ti,陶瓷，1430不锈钢：不锈钢，1350铅-碱玻璃：金属，陶瓷，630高硅玻璃：金属，陶瓷，890-1600石英玻璃：1130-1600,6 HIP工艺流程,粉末装入包套真空脱气（或加热）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 压制方式,取决于包套材料金属： P，T（可采用低压压缩机系统）玻璃、陶瓷和金属： T，P玻璃、陶瓷和金属： (T，P)热装炉操作工件在预热炉加热，转入HIP压机生产效率,8 HIP的应用HIP成形 航空发动机压气机镍基合金涡轮盘铸件处理扩散联结：M/C，C/C，M/M核废料处理,9 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 粉末挤压,1 定义与分类定义将粉末、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,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 粉末增塑挤压原理,粉末在挤压筒内的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 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+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,4 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 粉末轧制,1 定义与分类定义 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粉末直接轧（direct powder rolling）塑性良好的粉末（应用多）粘结粉末轧制(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活性粉末和高致密度的坯带2 粉末轧制原理,特征区,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-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-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,H=D(1-COS)+ R R -带坯厚度 咬入角质量不变H.B.Vin.o=R.b.V out.=（H.Vin.o）/（R.V out）令轧延系数= Vout / Vin压实系数Z=/o ,则=o1+D(1-COS)/R/或 R = D(1-COS )/(Z-1),3 轧制过程的影响因素,粉末性能粉末可轧制性:可塑性、成形性和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 D,（R固定）、H给料方式水平与垂直 m，、R轧制速度,、R（m不变）辊缝tt，轧制压力降低，R,4 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、板材纤维增强复合材料,8 粉浆浇注slurry 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：水或酒精,添加剂粘结剂赋予浇注件以足够强度PVA，PEG，藻酸钠，3%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 正丁醇调节剂调节料浆粘度，改善流动性NaOH,HCl稀溶液，氨水溶液,2 石膏模制作,石膏