粉末冶金成形及其他新型成形方法.ppt

粉末冶金成形及其他新型成形方法,第五章,一、粉末冶金成形定义：采用成形和烧结等工序将金属粉末，或金属与非金属粉末的混合物，制成金属制品的工艺方法。,粉末冶金成形概述,此工艺方法又被称为金属陶瓷法。,粉末冶金工艺的基本工序：,原料粉末的制取和准备,金属粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。,金属粉末的制取和应用渊源久远：,古代曾用金、银、铜、青铜及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首饰等器具的着色、装饰；20世纪初,美国人库利吉()用氢还原氧化钨生产钨粉以制取钨丝，是近代金属粉末生产的开端；此后用化学还原法制取了铜、钴、镍、铁、碳化钨等多种粉末，促进了早期粉末冶金制品(含油多孔轴承、多孔过滤器、硬质合金等)的发展；,30年代先后采用低成本的涡流研磨法及还原法制取铁粉，还出现了熔融金属雾化法，用于制取锡、铅、铝等低熔点金属粉末；40年代初发展成为用高压空气雾化制取铁粉；50年代开始用高压水雾化制取合金钢和多种合金粉末；60年代研究出多种雾化方式生产高合金粉末，促进了高性能粉末冶金制品的发展；70年代出现了多种气相和液相物理化学反应方法，制取重要用途的包覆粉末和超细粉末。,将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块；,坯块烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。,粉末冶金工艺过程：,近代粉末冶金技术发展的三个重要标志：,克服了难熔金属熔铸过程中的困难；多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、无切削的特点；向新材料、新工艺发展。,与液态成形相比，粉末冶金主要优点：,可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现；一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形十分困难。,金属粉末和粉末冶金制品、材料的应用举例见P214表5-2。,大批量生产时，粉末冶金法生产效率高、能耗低、材料省，价格低廉。其经济效益对比见P214表5-1。,5.1 粉末冶金成形,(一)粉末制备,制取粉末：主要取决于该材料的性能及制取方法的成本。粉末的形成是将能量传递到材料，从而制造新生表面的过程。,按转变的作用原理将粉末制取方法分为：机械法 物理化学法,粉末冶金生产实践中，机械法和物理化学法之间并没有明显界限，是相互补充的。,常用的粉末制取方法：还原法、雾化法、电解法。,1.机械粉碎法:,设备分粗碎和细碎两类。主要起压碎作用的有碾碎机、辊轧机、颚式破碎机等粗碎设备。主要起击碎和磨削作用的有锤碎机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等细碎设备。,机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末。,机械粉碎法主要有：机械研磨法 机械合金化涡旋研磨 冷气流粉碎,机械研磨比较适用于脆性材料，涡旋研磨和冷气流粉碎等方法多用于塑性金属或合金粉末制取。,2.雾化法:,雾化法是将液体金属或合金直接破碎，形成直径小于150m的细小液滴，冷凝而成为粉末。,雾化设备：,主要的雾化方法：,水雾化或气雾化，也称二流雾化 离心雾化 真空雾化 超声波雾化,水雾化或气雾化，也称二流雾化,离心雾化,真空雾化,超声波雾化,3.还原法:,用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末，是一种广泛采用的制粉方法。,最简单的反应以下式表示：,MeO+XMe+XO,式中:Me-生成氧化物MeO的金属；X-还原剂。,此外还可通过气相沉积法和液相沉淀法来制取金属粉末。,(二)粉末配制,粉末冶金成形前，要对粉末进行预处理及配制。,预处理包括：退火 筛分 制粒,1.退火,粉末预先退火可使残留氧化物进一步还原、降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度，消除粉末的加工硬化等。,退火温度因金属粉末的种类而异，一般退火温度可按下式计算：,退火一般用还原性气氛，有时也可用惰性气氛或者真空。,T退=（0.50.6）T熔,式中 T退-退火温度，K；T熔-合金的熔点，K。,2筛分,把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。,3制粒,将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。,4混合,将两种或两种以上不同成分粉末均匀混合的过程。,混合包括：机械法和化学法。,(三)压坯,压坯方法包括：压制成形无压成形,压制成形：封闭钢模冷压成形 高能率成形 流体等静压制成形 挤压成形 粉末塑性成形 轧制成形 三轴向压制成形 振动压制成形,主要功能：将粉末成形为所要求的形状；赋予坯体以精确的几何形状与尺寸；赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；赋予坯体以适当的强度，以便搬运。,无压成形：粉浆浇注 松装烧结,着重了解封闭钢模冷压成形方法。,封闭钢模冷压成形：常温下,粉料在封闭钢模中，按规定的单位压力,将粉料制成压坯的方法。,工序组成：称粉 装粉 压制 保压及脱模,1称粉与装粉,称量形成一个压坯所需粉料的质量或容积。,采用非自动压模和小批量生产时，多用质量法；大量生产和自动化压制成形时，一般采用容积法。,装粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。,2压制,按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定强度、密度、形状和尺寸要求的压坯工序。,(1)压坯密度的均匀性,压坯密度的均匀性是其质量的重要标志。,烧结制品的强度、硬度及各部分性能的同一性，皆取决于密度分布的均匀程度；压坯密度分布不均匀，在烧结时将导致收缩不均匀，从而使制品中产生很大的应力，出现翘曲变形、甚至裂纹等。,压制成形时应力求使压坯密度分布均匀。,(2)压制过程,粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。,3脱模,压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。,剩余侧压强的存在使压坯与模壁间产生很大的摩擦阻力，脱模力必须大于这个摩擦阻力，才能使压坯脱出型腔。,(四)烧结,烧结过程中，固体颗粒表面能的减小是烧结的“推动力”。,烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘接，烧结体的强度增加，密度提高。,烧结：压坯置于基体金属熔点以下温度加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化。,(五)后处理,浸渍 表面冷挤压 切削加工 热处理 表面保护处理,常用的后处理方法：,后处理：金属粉末压坯烧结后的进一步处理。,三、模压成形粉末冶金制品结构工艺,1避免模具出现脆弱的尖角。,2避免模具和压坯出现局部薄壁,壁厚应不小于1.5mm,利于压坯密度均匀，减小烧结变形。,3锥面和斜面需有一小段平直带,4需要有脱模锥角或圆角,5避免垂直于压制方向的侧凹,6适应压制方向的需要,7压制工艺对结构设计的要求,垂直于压制方向的孔,粉末冶金成形件缺陷分析,1局部密度(中间密度过低),2超差,3裂纹,4皱纹(即轻度重皮),5缺角掉边,6表面划伤,此外，还有尺寸超差及不同心度超差等缺陷。,四、粉末冶金非模压特殊成形方法,1粉末锻造成形,(二)粉末注射成形,将粉末与有机粘结剂均匀混合，形成具有流变性的物质，采用注射机将其具有零件形状的模腔，形成坯件，再脱除坯件中粘结剂并经烧结成为制品。,(三)金属粉末轧制成形,五、几种典型粉末冶金制品与材料,(一)粉末冶金高速钢,粉末冶金高速钢经惰性气体雾化为粉末，经冷等静压制成坯件，高温、高压下热等静压实现致密固结。,(二)硬质合金,硬质基体 碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等难熔碳化物粉末 粘接金属 钴等金属粉末,(三)粉末冶金多孔材料,粉末冶金多孔材料可制成：宇航用发汗材料；过滤器；催化剂载体；含油自润滑轴承,5.2 其他新型成形方法简介,快速成形技术半固态合金成形电磁成形液压成形,一、快速成形技术,分层实体成形法(LOM法)立体印刷成形法(SLA法)选择性激光烧结法(SLS法)熔融沉积成形法(FDM法),快速成形技术根据材料堆积原理制造实物产品。,分层实体成形法(LOM法)(laminated object manufacturing),2.立体印刷成形法(SLA法)（stereo lithography apparatus）,SLA（stereo lithography apparatus）是基于液态光敏树脂光固化原理工作的，其工作原理如图所示,液槽中盛满液态光敏树脂，紫外波长的激光束在偏转镜作用下于液面上按截面轮廓信息扫描，光点经过的地方，受辐射的液体就固化，这样一次平面扫描便加工出一个与分层平面图形相对应的层面，并与前一层已固化部分牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。,3.选择性激光烧结法(SLS法)（selected laser sintering）,SLS与SLA工艺在材料、激光器和材料进给方式上有较大差别。工作原理如图所示：成形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。,4.熔融沉积成形法(FDM法)（fused deposition modeling）,FDM也称丝状材料选择性熔覆，工作原理如图所示：三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x-y运动。丝材（如塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚度，再进行后一层的覆涂，如此循环，形成三维产品。,二、半固态合金成形,半固态合金成形是介于液态成形和固态成形之间的一中成形方法。,三、电磁成形,电磁成形是利用瞬间的高压脉冲磁场，迫使金属产生塑性变形，从而实现成形的新型塑性加工方法，属于高能率加工。,四、液压成形,管材液压成形 液压胀形 板材液压成形,五、计算机技术在材料成形中的应用,(一)计算机技术在铸造工业中的应用(二)计算机技术在塑性成形加工中的应用(三)计算机技术在焊接工业中的应用,