机械制造基础第七讲粉末冶金成形PPT.ppt

第5章 粉末冶金成形,第五节 粉末冶金技术的新发展,碳的熔点：3550,钨的熔点：3410,钨灯丝是如何制造的？,钨棒,钨丝,拉拔,钨的熔点 为3410，钨棒材如何制造？,1909年美国的库利吉发明粉末冶金方法制造钨丝，其生产工艺过程：将仲钨酸铵在 500左右的空气中焙烧成三氧化钨在630左右用氢气还原成二氧化钨在820左右还原成金属钨粉将取得的掺杂钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条把方条在氢气中通电，用自电阻加热(温度达3000左右)的方法进行烧结，（烧结后钨条的密度可达到理论值的85%以上）将这种钨条用旋锻方法加工成直径为3 mm左右的钨棒然后进一步用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。（例如220V、15W的白炽灯用的钨丝直径约为15 m）,多孔金属材料如何制造？,切削刀具材料,工具钢,高速钢,硬质合金,普通硬质合金,涂层硬质合金,PVD,CVD,陶瓷,非金属陶瓷,金属陶瓷,超硬材料,CBN,PCD,碳素工具钢,合金工具钢,硬质合金的微观形貌（3000倍）,硬质合金车刀,硬质合金的性能特点：,硬度高（8693HRA，相当于6981HRC，高速钢为6367HRC，工具钢为60HRC）；热硬性好（可达9001000，保持60HRC）；耐磨性好。硬质合金刀具硬质合金刀具的切削速度可达100200m/min，比高速钢切削速度高35倍，比工具钢高2030倍；刀具寿命比高速钢高58倍，比工具钢高20150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。,1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体就是硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，使切削速度提高2070%，寿命提高35倍。,硬质合金是把难熔金属（钨、钽、钛、钼、铌等）的碳化物硬质颗粒，跟钴或镍的粉末混合后压制成型，再经烧结制成。,硬质合金是如何制造的？,表1 几种成形、加工方法经济性比较,表2 几种成形、加工方法经济性比较,粉末冶金的概念 是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。,粉末冶金的特点：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；,唯一性主要体现在:难熔金属及其合金（如钨、钨钼合金）；难熔的化合物和金属组成的各种复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）；组元彼此不相溶、熔点十分悬殊的特殊性能材料（如钨铜合金型电触头材料）等。,粉末冶金的特点：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；2）可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削生产工艺；3）节约材料和加工工时，成本低。4）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；5）压模成本较高，适合批量生产；6）制品强度较低；7）流动性较差，形状受限制。,粉末制备,烧结,成形工序,粉末混合,粉末冶金成形主要工序,后序处理,清洗包装,机械方法、物理方法、化学方法,加入必要的润滑剂或合金元素,浸油、整形、少量加工,第一节 粉末冶金基础,一、粉末性能和粉末制备（一）粉末性能 固态物质按分散程度不同分为致密体、粉末体和胶体：致密体（亦即常说的固体）：粒径在l mm以上；胶体微粒：0.1m以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。,铁粉,铁粉的粒度：铁粉按分散程度不同分为粗粉、中等粉、细粉、微细粉和超细粉五个等级：粒度为150500m范围内的颗粒组成的铁粉为粗粉粒度在44150m为中等粉1044m的为细粉0.510m的为极细粉小于0.5m的为超细粉分级方法：旋振筛分级、气流分级,金属粉末筛料机,图5-1 粉末冶金材料或制品的工艺流程,（二）粉末的制备 金属粉末的制取方法可分成三大类：机械法、物理、化学法。,机械研磨,气流研磨,液体雾化,蒸发凝聚,气相沉积,还原化合,电化学法,粉末的制备,机械制粉,化学制粉,物理制粉,固态 粉末1、金属（合金）金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀2、金属氧化物（盐类）金属粉末：还原法3、金属非金属化合物 金属化合物粉末：还原化合法金属氧化物非金属化合物,液态 粉末1、液态金属（合金）金属粉末：雾化法2、金属盐溶液金属粉末：置换法，溶液氢还原法，水溶液电解法3、金属熔盐金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法,雾化机理,旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：,旋转轮法,旋转杯法,气态 粉末1、金属蒸汽金属粉末：蒸汽冷凝法2、气态金属羰基物金属粉末：羰基物热离解法3、气态金属卤化物金属粉末：气相氢还原法4、气态金属卤化物金属化合物粉末：化学气相沉积法,一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件,化学还原法,氢还原法：,碳还原法：,还原化合法,一、电化学制粉分类,水溶液电解 有机电解质电解 熔盐电解 液体金属阴极电解,电化学制粉法,铁粉的铁氧化物还原法工艺流程,滚筒式球磨机,振动球磨机,靶式气流磨机,1.加料斗；2.高压气体；3.靶板；4.被粉碎物料与气流出口,二、粉末的成形,（一）成形方法 成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。,按成形过程中有无压力：有压（压力）成形、无压成形 按成形过程中粉末的温度：冷压（常温）成形、温压成形、热成形 按成形过程的连续性：间歇成形、粉末连续成形 按成形料的干湿程度：干粉压制、可塑成形、浆料成形,成形方法的其他分类,模压成形的主要功用是：将粉末成形出所要求的形状；赋予压坯以精确的几何尺寸；赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型；赋予压坯以适当的强度以便于搬运。,1、粉末预处理 预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程；可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。,(二）压制成形,2、压制成形 压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。,图5-2 模压示意图,2、压制成形 粉末的压缩过程一般采用压坯密度成形压力曲线来表示，压坯密度变化分为三个阶段。,图5-3 压坯密度与压力,滑动阶段（第阶段）：颗粒位移，填充孔隙 压力增加，密度快速增加平衡阶段（第阶段）：压力续增加，压坯密度增加不明显 颗粒变形阶段（第阶段）：压力超过一定值，压力升高，压坯密度继续增加,压坯的缺点密度分布不均匀：,a)压制前 b)压制后图5-4 用石墨粉作隔层的单向压坯,图5-2 单向模压示意图,（一）压坯密度分布不均匀的现象,仅通过上模冲加压的单向压制Ni粉压坯：H：17.5；D：20；700MPa,内部压力沿径向和轴向分布等位线图,分布特点：在垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。,返回文档,a)填充粉料 b)双向压坯 c)上冲模复位 d)顶出坯块 图5-6 双向压制粉末冶金坯块工步示意图,a）单向压制 b)双向压制 图5-5 压坯密度沿高度分布图,压坯密度分布不均匀的产生原因,二、改善压坯密度分布不均匀性的措施,1）选区合适的压制方式 H/D1，而H/3时，可采用单向压制；H/Dl，而H/3时，采用双向压制；H/D410时，采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压 模压制、引下式压模压制等 对于很长的制品，需采用特殊成形（等静压、挤压等）2）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具；3）模具设计时尽量降低高径比。,一、单向压模,单向压模在压制过程中，相对于阴模运动的只有一个模冲，或是上模冲或是下模冲。如图5-7是压制轴套类压坯的单向手动压模，其基本组成部分有阴模、上模冲、下模冲和芯杆。一般只用来生产高度不大（高径比H/D1），形状简单的零件。,图5-7 单向手动压模,二、双向压模,双向压制的特点是：上下模冲相对阴模都有移动，模腔内粉末体受到两个方向的压缩，或下模冲固定不动，由上模冲和阴模对着下模冲做不同距离的移动，实现双向压制。如图5-8所示为压制套类压坯的双向手动压模。一般用来生产实体类压坯的高径比HD1或管套类压坯的高度与壁厚之比HT3的零件。,图5-8 双向手动压模,三、烧结 烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。,烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”的废品；如烧结温度过低或时间过短，则产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓“欠烧”的废品。,表5-1 常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛,四、后处理,后处理的方法按其目的不同，有以下四种：1.为提高制件的物理及力学性能2.为改善制件表面的耐腐蚀性3.为提高制件的形状与尺寸精度4.熔渗处理,热处理 整体硬化 沉淀硬化表面硬化 熔渗及浸渍金属熔渗聚合物浸渍浸油,其他处理机加工喷丸处理蒸汽处理电镀去毛刺清洗,后加工处理的主要方法,第三节 常用粉末冶金材料简介,粉末冶金常用来制作减摩材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。,一、硬质合金 硬质合金是粉末冶金工具材料的一种。主要用于制造高速切削硬而韧材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件。1、硬质合金的性能特点 1）具有很高的常温硬度（HRC6981），高的热硬性(可达9001000)，优良的耐磨性。,2）具有高的抗压强度（可达6000 MPa），但抗弯强度较低；3）良好的耐蚀性(抗大气、酸、碱等)和抗氧化性；4）线膨胀系数小。,2、切削加工用硬质合金分类、分组代号 切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象的范围可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。P适用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志；M适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色全属，以黄色作标志；K适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，以红色作标志。,返回文档,表5-2 常用硬质合金的牌号及化学成分,注：摘自YB84975硬质合金牌号。,粉末冶金减摩材料,返回文档,表5-3 用途分组代号与硬质合金牌号对照表,二、硬质合金的应用 刀具（硬质合金作刀具材料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等）工具（凿岩工具、采掘工具、钻探工具）测量量具（卡尺、块规、塞规）耐磨零件(精密轴承、喷嘴、拉丝模具、螺栓模具、螺母模具）。,二、含油轴承材料,含油轴承材料是一种具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造轴承零件。这种材料压制成轴承后，放在润滑油中浸润，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛细现象作用下，可吸附大量润滑油(一般含油率为1230)，故称为含油轴承。,常用的含油轴承有铁基和铜基含油轴承两类。1、铁基含油轴承。2、铜基含油轴承。一般用于制作中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制作不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器等的轴承。,三、铁基结构材料,铁基结构材料是以碳钢或合金钢粉末为主要原材料，采用粉末冶金方法制造结构零件。用这类材料制造的结构零件具有制品精度较高、表面粗糙度值低，不需或只需少量切削加工，节省材料，提高生产率等特点。制品还可通过热处理方法强化和提高耐磨性。广泛用于制作各种机械零件，如机床上的调整垫圈、调整环法兰盘、偏心轮，汽车制造中的油泵齿轮差速器齿轮、止推环以及拖拉机上的传动齿轮、活塞环等。,汽车变速器系统用粉末烧结钢件,四、过滤材料,五、难熔金属材料,钨的熔点：3410,钨灯丝,六、金属陶瓷,为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎，在制作陶瓷时加金属粉末，可制成金属陶瓷。金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂 常用于制造飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件等。,1、氧化物基金属陶瓷。以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。2、碳化物基金属陶瓷。以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体，与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，用于制造切削刀具、高温轴承、密封环、捡丝模套及透平叶片。3、氮化物基金属陶瓷。以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体，具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性，应用较少。4、硼化物基金属陶瓷。以硼化钛、硼化钽、硼化钒、硼化铬、硼化锆、硼化钨、硼化钼、硼化铌、硼化铪等为基体，与部分金属材料复合而成。5、硅化物基金属陶瓷。以硅化锰、硅化铁、硅化钴、硅化镍、硅化钛、硅化锆、硅化铌、硅化钒、硅化铌、硅化钽、硅化钼、硅化钨、硅化钡等为基体，与部分或微量金属材料复合而成。其中硅化钼金属陶瓷在工业中得到广泛地应用。,七、无偏析高速钢,八、磁性材料,Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永磁铁,软磁铁氧体,八、含油轴承,第四节 粉末冶金制品结构工艺性,考虑粉末冶金零件结构工艺性时，一般需要从压制困难性、脱模困难性、粉末均匀填充困难性和压模强度、寿命等诸方面考虑。,作业题：1、何谓粉末冶金？粉末冶金的主要工序有哪些？2、粉末冶金模具主要有哪几种类型？3、常见粉末冶金材料有哪些？并指出下列牌号的含义 YG6X YT14 YW1,第二节 工程陶瓷的成形,认识陶瓷,陶瓷是古老而又新型的材料，它是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成形和高温烧结而制成的一种多相固体材料。,电绝缘用氧化铝陶瓷,机械密封,氧化铝陶瓷坩埚,导弹天线罩,装甲防护防弹陶瓷,直径为2m的碳化硅反射镜（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）,传统陶瓷以粘土（塑性组分），长石（熔剂组分），石英（惰性组分）等天然矿物为原料，经粉碎、混合、磨细、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。工程陶瓷以人工合成化合物为原料制备，用于工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空和其它高新技术领域。,陶瓷（ceramics）,表6-1 传统陶瓷和新型陶瓷的主要区别,先进陶瓷（Advanced ceramics）精细陶瓷（Fine ceramics）工程陶瓷（Engineering ceramics）新型陶瓷（New ceramics）近代陶瓷（Modern ceramics）高技术陶瓷（High Technology ceramics）高性能陶瓷（High Performance ceramics）特种陶瓷（Special ceramics）,特种陶瓷的名称,结构陶瓷主要利用其热、机械、化学特性，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材料。功能陶瓷利用其绝缘、压电、光电、声光、透光、超导等特性，例如绝缘陶瓷、压电陶瓷等。,非氧化物陶瓷,结构陶瓷,氧化物陶瓷,氧化铝陶瓷,氧化锆陶瓷,氧化铍陶瓷,氮化物陶瓷,碳化物陶瓷,结构陶瓷的优点：1）高强度2）高硬度3）耐高温4）耐腐蚀5）耐磨损6）耐氧化7）绝缘性好8）密度小,结构陶瓷的缺点:1）难加工,压电陶瓷,功能陶瓷,装置瓷（电绝缘瓷）,电容器陶瓷,磁性瓷,导电陶瓷,超导陶瓷,制Al2O3粉末,球磨破碎,混料,成型,烧结,修坯,烧结,机械加工,氧化铝陶瓷的制备流程,机械法：有振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。化合反应法：热分解反应法：氧化物还原法：,工程陶瓷的粉料制备,2NH4Al(SO4)2 12H2O Al2O3+2NH3+4SO2+13H2O,Zr(OH)4 ZrO2+2H2O,非氧化物陶瓷的原料粉末多采用氧化物还原方法制备。或者还原碳化，或者还原氮化。SiC粉末的制备：将SiO2与碳粉混合，在14601600的加热条件下，逐步还原碳化。其大致历程如下：SiO2+C SiO+CO(1-1)SiO+2C SiC+CO(1-2)SiO+C Si+CO(1-3)Si+C SiC(1-4)Si3N4粉末的制备：在N2条件下，通过SiO2与C的还原-氮化。反应温度在1600附近。其基本反应如下：3SiO2+6C+2N2 Si3N4+6CO(1-5),高纯度氧化铝粉体制备：是将高纯度铝盐或金属铝分别热解、氧化而制得的，主要有以下四种方法：1.铵明矾热解法2.有机铝盐加水分解法3.铝在水中放电分解法4.铝的铵碳酸盐热分解法,机械粉碎：振动球磨法搅动球磨法气流粉碎法,工程陶瓷的粉料制备,工程陶瓷坯料的成形,图6-13 注浆成形,陶瓷坯料成形工艺有两种:第一种是用细颗粒陶瓷原料,加上粘结剂压制成型 第二种是将原料粉体制成料浆，注入模内成形。,压制就是将坯料制成具有一定尺寸和形状的坯体，并具有一定的机械强度和一定的致密度。压制方法主要有干压成形、等静压成形和热压烧结成形等。1）干压成形：将团粒松散装人模具内，在压机柱塞施加的外压力作用下，形成较致密的具有一定形状、尺寸的压坯，然后卸模脱出坯体。,工程陶瓷坯料的压制成形,2）等静压成形 是利用液体或气体介质均匀传递压力的性能，把陶瓷粒状粉料置于有弹性的软模中，使其受到液体或气体介质传递的均衡压力而被压实成形的方法。,工程陶瓷坯料的压制成形,图6.15a湿式等静压成形,图6.15b干式等静压成形,3）热压烧结：是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成形与烧结同时完成。4）挤压成形5）注射成形6）流延成形7）轧膜成形,发热体,阴模,粉料,压杆,冲模,图6.16热压成形烧结示意图,热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气盘的成型。把高温合金粉末装入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后进行热等静压，除去包套即可获得致密的、接近所需形状的盘件。,热等静压原理示意图,轻量化碳化硅反射镜背面,8）坯体铣削,工程陶瓷的烧结,烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。,烧结的主要阶段：1）烧结前期阶段（坯体入炉90致密化）粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化 挥发。随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。2）烧结后期阶段 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除。晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。,表2 Al2O3陶瓷的常见烧结技术,坯体通常由直径约为数微米或更细的Al2O3的粉粒组成。烧结温度通常为14001800，高温持续时间约为24小时。烧成的Al2O3陶件通常都是机械强度高、致密性好的多晶结构体。,碳化硅的烧结：无压烧结：热压烧结：热等静压烧结：反应烧结：先将SiC粉和石墨粉按比例混匀，经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态Si接触，坯体中的C与渗入的Si反应，生成SiC，并与SiC相结合，过量的Si填充于气孔，从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8的游离Si。,4、后继加工 陶瓷经成形、烧结后，还可根据需要进行后续精密加工，使之符合表面粗糙度、形状、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨与抛光、超声波加工、激光加工甚至切削加工等。,工程陶瓷的后续加工,