2020年粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺技术参照模板可编辑
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2013年第1期(总第135期)现代技术陶瓷粉末冶金的陶瓷材料及其加工技术肖 艳(广东省江门化工材料公司,江门529100)摘 要:针对金属陶瓷材料粉末冶金技术开发方兴未艾的趋势,介绍了粉末陶瓷原料的制备技术;阐述了特种陶瓷成形工艺;研究了特种陶瓷的烧结方法;提出了特种陶瓷技术的未来发展。
关键词:粉末冶金;陶瓷材料;加工技术 陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类,特种(金属)陶瓷是以人工化合物为原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等)制成的陶瓷。
它主要用于高温环境、机械、电子、宇航、医学工程等方面,成为近代尖端科学技术的重要组成部分。
金属陶瓷作为一种重要的结构材料,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点,无论在传统工业领域还是在新兴的高技术领域都有着广泛的应用。
然而金属陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点却同时给陶瓷件的成型、加工带来了很多困难,因此研究各种陶瓷成型技术变得至关重要。
1 金属陶瓷材料粉末冶金技术的开发方兴未艾 粉末陶瓷材料有三种:氧化物陶瓷如Al2O3,非氧化物陶瓷如SiN2,SiC;混合物陶瓷如Al2O3+SiN2。
陶瓷材料的毛坯可用粉末冶金方法制造,将陶瓷粉末混合后压制成型,其形状只是接近成品的毛坯,然后焙烧—机械加工(一般是粗加工)—烧结—(精加工)车削或磨削加工。
金属陶瓷材料粉末冶金技术主要包括金属陶瓷材料粉末冶金技术的超细硬质合金、特殊硬质相硬质合金、梯度功能硬质合金、硬质合金热处理、涂层硬质合金、新技术和新工艺及新装备,以及Ti(C,N)基金属陶瓷等内容。
金属陶瓷材料粉末冶金技术的硬质合金制品表面涂覆—涂层技术是近年来发展起来的一项先进技术,是硬质合金领域中具有划时代意义的重要技术突破。
硬质合金制品表面涂覆—涂层技术的出现为解决硬质合金耐磨性和韧性相互矛盾的问题提供了一条较为有效的途径。
目前提高涂层效果的研究与研制工作基本上沿着两个方向进行:一是完善制取耐磨涂层的设备与工艺方法;二是研制涂层的新成分,探索耐磨涂层的新材料。
(冶金行业)粉末冶金新技术新工艺11粉末冶金新技术新工艺11.1概述粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末和非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结,制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。
粉末冶金工艺的第壹步是制取原料粉末,第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理制得成品。
典型的粉末冶金产品生产工艺路线如图11-1所示。
粉末冶金的工艺发展已远远超过此范畴而日趋多样化,已成为解决新材料问题的钥匙,在新材料的发展中起着举足轻重的作用。
粉末冶金技术有如下特点:(1)能够直接制备出具有最终形状和尺寸的零件,是壹种无切削、少切削的新工艺,从而能够有效地降低零部件生产的资源和能源消耗;(2)能够容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性,是壹种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料的工艺技术;(3)能够生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品,如多孔含油轴承、过滤材料、生物材料、分离膜材料、难熔金属和合金、高性能陶瓷材料等;(4)能够最大限度地减少合金成分偏聚,消除粗大、不均匀的铸造组织,在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如Al-Li 合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等)具有重要的作用;(5)能够制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等壹系列高性能非平衡材料,这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能;(6)能够充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料,是壹种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
近些年来,粉末冶金有了突破性进展,壹系列新技术、新工艺大量涌现,例如:快速冷凝雾化制粉技术、机械合金化制粉技术、超微粉或纳米粉制备技术、溶胶-凝胶技术、粉末注射成形、温压成形、粉末增塑挤压、热等静压、烧结/热等静压、场活化烧结、微波烧结、粉末轧制、流延成形、爆炸成形、粉末热锻、超塑性等温锻造、反应烧结、超固相线烧结、瞬时液相烧结、自蔓延高温合成、喷射沉积、计算机辅助激光快速成形技术等。
7粉末冶金及陶瓷材料成形技术7粉末冶金及陶瓷材料成形技术以粉末的获得,成形和烧结为主线制备的粉末冶金及陶瓷材料,其使用历史可以追溯到数千年前.在2500多年前,人们就用块炼锻造法制造铁器.在宋,明朝时期,我国的陶瓷业发展到了顶峰,制作的陶瓷器皿流向世界各地.进入20世纪,粉末冶金电灯钨丝的出现,给人类带来真正的光明;而硬质合金的成功制造被誉为切削加工的一次革命;同样陶瓷材料因其脆性和抗震性获得改善成了最有前途的高温结构材料;陶瓷材料的许多特殊性能被成功地用作重要的功能材料(光导纤维,激光晶体等).随着此类材料制备方法的不断更新,各类粉末冶金金属制品,金属陶瓷及各种复合材料相继问世.表明了粉末冶金及陶瓷材料这类古老的技术已进入现代科学技术发展的行列.7.1 定义及特点粉末冶金及陶瓷是通过制取粉末材料,并以粉末为原料用成形-烧结法制造出的材料与制品.此技术既是制取材料的一种冶炼方法,又是制造机械零件的一种加工方法.目前用量最广的传统金属制品已被越来越多的粉末冶金及陶瓷制品所取代,从而在机械制造,汽车,电器,航空等工业中获得广泛的应用,这主要是粉末冶金及陶瓷在技术上和经济上具有如下一系列特点.作为材料制造技术,能制取普通熔铸法无法生产的具有特殊性能的材料:(1)高熔点金属材料如钨,钼,钽以及某些金属化合物的熔点都在2000℃以上,采用通常的熔铸工艺比较困难,而且材料的纯度与冶金质量难以得到保证;(2)复合材料如含有难熔化合物的硬质合金,钢结硬质合金,金属陶瓷材料,弥散强化型材料及金属及非金属复合材料等;(3)假合金材料假合金指各组元在液态时基本上互不相溶,无法通过熔合法制成的合金.如钨—铜和铜—石墨电触头材料等;(4)特殊结构材料如多孔材料,含油轴承等.表7-1几种成形,加工方法经济性比较方法材料利用率(%)单位能耗(J/Kg)铸造粉末冶金冷锻热锻机械加工90958575~8040~5030~38294146~4966~82作为少无切削材料加工技术,可大批量制造形状复杂,公差窄,表面粗糙度低的零件,且节能,节材,成本低.表7-1为几种成形及加工方法经济性比较的实例.粉末冶金一直被称之为金属陶瓷术.实际上,粉末冶金技术和传统的陶瓷技术有所差别.粉末冶金用粉末主要以金属为主成分,而陶瓷粉末则主要以无机化合物为主成分,如氧化物,氮化物,碳化物等.因而在具体的工序,如粉末原料的精制和烧结工艺的控制上有一定的差别,但随着粉末成形技术和热致密化技术的发展,粉末冶金技术和现代陶瓷制造技术已经很难找出明显的区别.下面内容将主要以粉末冶金为主,兼顾陶瓷材料.7.2 基本工艺流程粉末冶金生产的基本工艺流程包括:粉末制备,粉末混合,压制成形,烧结及后续处理等.用简图表示于图7-1中.陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处,其工艺过程包括粉末制备,成形和致密化三个阶段.7.2.1 粉末制备7.2.1.1 粉末制备粉末是制造烧结零件的基本原料.粉末的制备方法有很多种,归纳起来可分为机械法和物理化学法两大类.(1)机械法机械法有机械破碎法与液态雾化法.机械破碎法中最常用的是球磨法.该法用直径10~20mm钢球或硬质合金对金属进行球磨,适用于制备一些脆性的金属粉末(如铁合金粉).对于软金属粉,采用旋涡研磨法.雾化法也是目前用得比较多的一种机械制粉方法,特别有利于制造合金粉,如低合金钢粉,不锈钢粉等.将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流,用高压气体(如压缩空气)或液体(如水)喷射,通过机械力与急冷作图7-1 粉末冶金生产工艺流程用使金属熔液雾化.结果获得颗粒大小不同的金属粉末.图7-2为粉末气体雾化示意图.雾化法工艺简单,可连续,大量生产,而被广泛采用.(2)物理化学法常见的物理方法有气相与液相沉积法.如锌,铅的金属气体冷凝而获得低熔点金属粉末.又如金属羰基物Fe(CO)5,Ni(CO)4等液体经180~250℃加热的热离解法,能够获得纯度高的超细铁与镍粉末,称为羰基铁与羰基镍.化学法主要有电解法与还原法.电解法是生产工业铜粉的主要方法,即采用硫酸铜水溶液电解析出纯高的铜.还原法是生产工业铁粉的主要方法,采用固体碳还原铁磷或铁矿石粉的方法.还原后得到得到海绵铁,经过破碎后的铁粉在氢气气氛下退火,最后筛分便制得所需要的铁粉. 图7-2 粉末气体雾化示意图7.2.1.2 粉末性能粉末的性能对其成形和烧结过程,及制品的性能都有重大影响,因而对粉末的性能必须加以了解.粉末的性能可分为物理性能,化学性能和工艺性能.物理性能有颗粒形状,粒度及粒度组成,密度,硬度,加工硬化性,塑性变形能力以及显微组织等;化学性能有化学成分;工艺性能有粉末的松装密度,流动性和压制性等.通常用下述几个主要性能来评价粉末的性能.(1)颗粒形状,粒度及粒度组成a.颗粒形状颗粒形状是决定粉末工艺性能的主要因素.用不同方法制造的粉末形状不同,如表7-2所示.颗粒的形状如图7-3所示.颗粒形状对粉末的压制成形和烧结都会带来影响.如表面光滑的粉末颗粒,其流动性好,对提高压坯的密度有利.但形状复杂的粉末,对提高制品的压坯强度有利,同时能促进烧结的进行.表7-2 颗粒形状,松装密度与粉末生产方法的关系粉末生产方法粉末颗粒形状松装密度g/cm3粉末生产方法粉末颗粒形状松装密度g/cm3羰基铁粉雾化铁粉还原铁粉球形粉末球形或不规则状不规则海绵状3.02.2电解铁粉球磨研磨铁粉旋涡研磨铁粉树枝状片状碟状0.352.0~2.11 2 3 4 5 6 7 8图7-3粉末颗粒形状1球形2近球形3多角形4片状5树枝状6不规则形7多孔海绵状8碟状b.粒度及粒度分布粉末粒度是指颗粒的大小.对粉末体而言,粒度是指颗粒的平均大小.工业上制造的粉末,粒度范围一般为0.1~400μm,粒度大小通常用目数(一英寸长度筛网上的网孔数表示).粒度有专门的测定方法,如筛分析法,显微镜法以及沉降法等,最常用的是筛分析法.粒度大小直接影响制品的性能,如硬质合金,陶瓷材料等,要求粒度越细越好.而对常用的粉末冶金制品生产,不仅要测定粉末体平均颗粒的大小,更重要的是测定大小不同的颗粒的含量,简称为粒度分布.粉末的粒度分布对成形,烧结有一定的影响.如粉末粒度分布得当,粉末颗粒间的孔隙就小,成形密度高,烧结容易进行.(2)松装密度,流动性和压制性a.松装密度松装密度亦称松装比,是指单位容积自由松装粉末的质量,常用g/cm3表示.粉末的松装密度是一个综合性能,它受粉末粒度,粒度组成,颗粒形状及颗粒内的孔隙等因素的影响.松装密度用粉末流动仪进行测量.b.流动性粉末流动性是指单位质量的粉末自由下落到流完的时间,常用s/50g表示.粉末流动性反映的是粉末充填一定形状容器的能力,对实现自动压制和对于压制形状复杂的制品的均匀装粉很重要.粉末的流动性也是一个综合性能,主要取决于粉末之间的摩擦系数,即与粉末形状,粒度,粒度组成及表面吸水和气体量等有关.流动性也用粉末流动仪进行测量.c.压制性粉末压制性包括压缩性和成形性.粉末压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力.一般是用一定压力(如400MPa)下压制的压坯密度(g/cm3)来表示.它的好坏决定压坯的强度和密度.粉末的压缩性主要由粉末的硬度,塑性变形能力与加工硬化性能决定,并在相当大的程度上与颗粒的大小及形状有关.粉末成形性是指粉末压制后,压坯保持既定形状的能力.一般用给予压坯适当强度(仅只搬运不破碎或不会发生变形的强度)所需之压力来表示.粉末的成形性直接反映的是压坯强度,因而也可用压坯的抗压强度或抗弯强度定量地表示.粉末的成形性主要与颗粒形状,粒度及粒度组成等物理性质有关.(3)化学成分粉末的化学成分应包括主要金属或合金组元的含量及杂质的含量.为满足一般制品的制造要求,金属或合金粉末中的合金组元的含量都不能低于98~99%,在制造磁性合金和某些特殊用途的合金材料时其纯度要求更高.粉末的杂质主要是指与主要金属结合的Si,Mn,C,S,P,O等一些元素;SiO2,Al2O3,硅酸盐,难熔金属或碳化物等酸不熔物;粉末表面吸附的氧,水气,N2,CO2等气体.粉末的杂质对后续工艺过程及最终制品质量都会有较显著的影响.因而必须严格控制.如铁粉要求酸不溶物在0.2%以下,氢还原减重在0.2%以下.7.2. 2 粉末混合粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程.混合的质量不仅影响成形过程和压坯质量,而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量.混合主要分为机械法和化学法两种.其中广泛应用的是机械法.机械法又分为干混和湿混.铁基制品生产中常采用干混;制备硬质合金混合料常采用湿混,如在混料时加入一定比例硬质合金球于汽油中进行充分湿磨.化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合;或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合,然后经沉淀,干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物,如用来制取钨-铜-镍高密度合金,铁-镍磁性材料,银-钨触头合金等混合物原料. 为了改善粉料的压制性能,使产品密度分布均匀,减少压模磨损和有利于脱模,常加入少量的润滑剂,如铁基制品需加入适量的硬脂酸锌,其技术要求见表7-4.在烧结过程中硬脂酸锌发生分解,挥发便在制品的相应部位留下所需的孔隙并使产品最终孔隙互相连通,还将起到造孔的目的.表7-3 硬脂酸锌的技术要求金属锌含量水份游离酸熔点粒度外观10.2-11.2%<0.2%120℃-200目白色用于粉末混合的常用混料机类型见图7-4所示.装粉量,粉末比重差别,混合制度,混料机的结构及转数,混合时间和混合介质都将影响混合的均匀度.混料应保证特定材料组合的化学成分,工艺性能及混合均匀度等技术要求.V型混料机双锥形混料机旋转立方混料机偏心转动六角型混料机水平旋转混料机偏心转动混料机图7-4 各种混料机的外形示意图陶瓷粉料为有机化合物,且颗粒极细,需要进行塑化和造粒处理,才能用于成形.所谓塑化是指在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性的过程.塑化剂是指使坯料具有可塑能力的物质,根据其在陶瓷成型中的不同作用,可分为黏结剂,增塑剂和溶剂三类.黏结剂(通常有聚乙烯醇,聚乙二醇及石蜡等)使常温下粉料颗粒黏合在一起,使坯料具有成型性能并有一定强度,高温时氧化,分解和挥发.增塑剂(通常有甘油,草酸等)溶于有机黏合剂中,在粉料间形成液态层,提高坯料的可塑性.溶剂(通常有水,无水酒精,丙酮,苯,乙酸乙酯等)能溶解黏结剂和增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体.所谓造粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程,常用来改善细粉的充填性.将陶瓷粉料造粒的常用方法分为这样三类:普通造粒法—将加入适量粘结剂的混料在滚筒,圆盘和擦筛机上制成粒;压块造粒法—将加入适量粘结剂的混料在较低的压力下预压成块,然后粉碎过筛;喷雾造粒法—将加入粘结剂的液体料在干热气氛中雾化转化为干燥粉体.7.2. 3 压制成形压制成形是指将松散的粉末体密实成具有一定形状,尺寸,密度和强度的压坯的工艺过程.压制成形方法有很多,如模压成形,等静压成形,粉末连续成形,粉末注射成形和粉浆浇注成形等,而模压成形是最广泛使用的粉末成形技术.模压成形通常在机械式压机或油压机上,于室温及一定压力下进行的.粉末冶金的压制压力一般为140~840MPa,陶瓷材料的压制压力一般为40~100MPa.它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内,在模冲压力的作用下,对粉末体加压,保压,随后卸压,再将压坯从阴模中脱出的工艺过程,如图7-5所示.上模冲阴模下模冲a松装b压缩c脱模图7-5 压制过程示意图7.2.3.1装粉一般采用容积法,即将粉末装入具有规定容积的阴模型腔中.常用装粉方法有下列三种:(1)落入法(7-6a)送粉器移到阴模与芯棒形成的型腔上,粉末自由落入型腔中.(2)吸入法(7-6b)下模冲位于顶出压坯的位置,送粉器移型腔上,下模冲下降(或阴模一芯棒升起)复位时,将粉末吸入型腔中.(3)过量装粉法(7-6c)芯棒下降到下模冲的位置,粉末落入阴模型腔中后,芯棒升起将多余的粉末顶出,并被送粉器刮走.这种方法适用于成形薄壁零件压坯时.a落入法b吸入法c过量装粉法图7-6 自动装粉方法以上各种填料方法的目的只有一个,就是将压坯要求的粉料均匀而准确地装入料腔.7.2.3.2 压制(1)受力情况用图7-7所示的一简单立方体,作为粉末体在压模中受力的示意图.a.压制压力(F总) :施加于上模冲使粉末体成形的力.压制压力主要消耗有两部分:使粉末体致密所需的净压力(F1)和用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力(F2)即:F总=F1+F2 图7-7 压坯受力示意图b.侧压力(P侧) : 粉末体在压模内受压时,压坯会向周围膨胀,模壁就会给压坯一个等量,反向的作用力.由于粉末颗粒之间和粉末体与阴模壁之间的摩擦等因素的影响,从而粉末对压模侧面的压力始终小于压制压力.如压制铁粉时,P侧与F总成正比例关系(P侧=0.38~0.41F总).c.外摩擦力:粉末在压模中受压向下运动时,由于侧压力的存在,粉末与模壁之间产生摩擦力,其大小等于摩擦系数与侧压力的乘积.(2)粉末的运动和变形粉末体在压模内受力后,由松装变成致密状态,形成具有一定的形状和强度的压坯.这是由于粉末颗粒受不平衡力作用后产生运动(位移)和变形的结果.a.粉末的位移粉末体在压模中自由松装时,由于粉体颗粒的摩擦力和机械咬合,使颗粒相互搭接,造成比颗粒大很多倍的孔隙,这种现象称为"拱桥效应",如图7-8所示.粉末体在受力后,粉末体内的"拱桥"遭到破坏,粉末颗粒重新排列位置,彼此填充孔隙,增加接触,粉末体的孔隙度大大降低.粉末颗粒的位移情况,可用如图7-9所示的模型图较形象地表示出来.当然,粉末体在受压状态时所发生的位移情况要复杂得多,可能同时发生几种位移,而且,位移总是伴随着变形而发生的.图7-9 粉末位移的几种形式a粉末颗粒的接近b粉末颗粒的分离c 粉末颗粒的滑动图7-8"拱桥效应"示意图d粉末颗粒的转动e粉末颗粒历粉碎而产生的移动b.粉末的变形粉末颗粒受力后,相互接触的颗粒运动受阻相互挤压而产生变形,粉末颗粒也如所有固体物质受力变形一样,出现弹性变形,塑性变形和脆性断裂三种情况.粉末的受力情况虽属于三向受力的应力状态,但是造成粉末运动和变形的不平衡力,只有沿压制方向的正压力起作用,压坯受侧压力较正压力小得多.摩擦力与粉末运动方向相反,影响粉末运动速度,而对粉末运动方向不起作用.因此粉末运动及变形的最大特征是:①粉末主要沿压制方向作直线运动,少量的横向移动.②压坯中的孔隙都在横向被压扁.(3)密度的分布及强度的大小a.压坯密度图7-10表示了不同粉末的压力与密度之间的关系.施加压力后,"拱桥"破坏,颗粒位移,填充空隙,并达到最大充填密度,压坯密度迅速增加;当压力继续增大,粉末体表现出一定的压缩阻力,在此阶段,随压力增大,密度并未提高;在压力超过粉末材料的临界应力值(屈服强度或强度极限)时,粉末颗粒变形增大或出现断裂(如脆性粉末),由于位移和变形同时作用,压坯密度又随之缓慢增大.压制时,由于摩擦力的作用,造成模冲施加在粉末体上的应力传递不均匀,因而压坯密度呈不均匀分布.图7-11所示为单向压制的镍粉压坯的实际密度分布情况.b.压坯强度是指粉末压坯的力学强度.它取决于压制压力与金属粉末的种类,即影响压坯强度的因素有:压坯密度,粉末颗粒表面的粗糙度,表面积,表面的氧化与污染,粉末的松装密度,添加剂的加入量等.压坯的密度与强度大小对烧结体的质量有直接影响,密度大且均匀分布,强度高,则烧结体的质量也高.图7-10密度与压制力的关系图7-11单向压制的镍粉压坯的实际密度(g/cm3)分布状态(单位压力630Mpa;高度/直径=0.87)(4)压制方式根据粉末体在压制时的受力情况,粉末的运动,密度的分布及强度的大小等规律,用于压制成形的方式主要有下述四种.a.单向压制在压制过程中,阴模与芯棒不动,仅只上模冲从一个方向施压的方法.所得压坯的密度分布不均匀(上大下小),它适用于压制无台阶类厚度较小的零件(图7-12a).b.双向压制在压制过程中,阴模固定不动,上下模冲从两个方向同时施压的方法.所得压坯的密度分布较单向压制均匀,上下密度较高且基本相等,密度最低层位于压坯中间,它适用于压制无台阶类厚度较大的零件(图7-12b).c.浮动压制在压制过程中,阴模为弹簧支承,下模冲固定不动.上模冲施压,随着粉末被压缩,阴模壁与粉末间的摩擦逐渐增大至大于弹簧支撑力时,阴模即与上模冲一起下降,相当于下模冲的上升,如同双向压制.与双向压制相比,其整体密度提高,且密度最低层分布较长,生坯强度增加(图7-12c).d.拉下模压制阴模的运动是靠压机而不是靠摩擦力起作用,适用于摩擦力小而不能浮动的一些制品.阴模的拉下式类似于阴模强制压下,且阴模向下的运动距离(即改变上模冲与阴模之间的相对运动)可根据每个制品的需要精确地控制.从而将压坯中间的低密度层减低到最小,且中间低密度层可调到所要求的合适位置(图7-12d).图7-12 四种基本压制方式a单向压制b双向压制c浮动压制d拉下模压制由此可看出,应针对不同形状和要求的压坯,选择合适的压制方式.7.2.3.3保压及脱模(1)保压指粉末体在承受最大压制压力下停留一段时间,从而使①压力传递充分,进而有利于压坯中各部分的密度均匀化;②粉末间孔隙中的空气有足够的时间逸出;③给粉末颗粒的相互啮合与变形以充分的时间. 实现压坯的密度和强度的提高.这对于使用压缩性和成形性差的原料粉压制,形状复杂或体积较大的压坯尤其重要.例如,以6吨/厘米2的压力压制铁粉时,不保压时,压坯密度为5.65克/厘米3;经0.5分钟保压后其密度为5.75克/厘米3;经3分钟保压后其密度为6.14克/厘米3,即压坯密度提高了8.7%.(2)脱模就是将压制成形的压坯从阴模中顺利脱出.常用的脱模方式有:顶出式:下模冲作相对于阴模腔向上的相对运动,从而将压坯顶出模腔.见图7-12c.拉下式:下模冲不动,阴模腔作向下的相对运动,从而将压坯顶出阴模.见图7-12d.7.2.4 烧结烧结是粉末或粉末压坯,在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程.烧结的结果是颗粒之间由机械啮合转变成原子间的晶体结合,烧结体强度增加,而且在多数情况下,密度也提高.那么是什么力使得坯件密度和强度得到提高烧结过程中发生了哪些变化呢7.2.4.1烧结的推动力(1)表面能由于粉末高度分散,且粉末颗粒表面凹凸不平,故粉末体与致密金属和烧结后的制品比较,具有很大的比表面,因而有很大的表面能.(2)畸变能粉末在制造过程中,其颗粒内部晶格发生畸变,产生各种缺陷.另外,在压制过程中,粉末颗粒产生很大的变形,晶格严重歪扭,因而粉末压坯储存了大量的畸变能.上述两方面的能量使得压坯内粉末颗粒的原子处于不稳定状态.烧结时,处于不稳定状态的原子将趋向于降低能量.从压坯的整体来看,粉末颗粒的相互结合必是能量降低的一种自发过程.7.2.4.2烧结的基本过程在烧结温度作用下,具有很大能量的原子将引起物质迁移,主要的迁移形式有:扩散和流动.从而使粉末体经历了图7-13示意的变化过程.(1)粘接阶段烧结初期,由于在高温下粉末颗粒表面原子的扩散,在两个颗粒之间形成粘结面,并且随着粘接面扩大,颗粒间形成烧结颈,颗粒间形成晶体结合.在这个阶段烧结件几乎不发生收缩,密度增加极微.(2)烧结颈长大阶段随烧结过程的继续,原子向颗粒结合面大量迁移,使烧结颈长大并形成连续的孔隙网络.晶界移动,晶粒长大,使孔隙互相并吞,集中,总孔隙体积减小,烧结体收缩,密度增加,强度也大大提高.(3)封闭孔隙球化和缩小阶段当烧结体的孔隙度低于10%后,多数孔隙被完全分离,形成许多封闭孔隙,趋于球化并不断缩小,甚至消失,烧结体仍缓慢收缩,在烧结未期,烧结基本停止.烧结时,上述三个步骤往往互相联系和重叠,不能严格划分.图7-13 烧结过程接触面和孔隙形状变化模型a颗粒间原始接触及粘结开始b烧结颈长大c封闭孔隙球化和缩小7.2.4.3烧结类型按烧结方式可分为常压烧结和施压烧结二大类.常压烧结是将压坯在大气压下或在较低的气体压力下进行烧结的方法.常压烧结时,不产生液相的烧结称为固相烧结.有液相参与的烧结又称为液相烧结.液相烧结过程中,液相将渗入孔隙,同时加快收缩,使烧结体的密度增加.根据施压方式的不同,施压烧结又可分为热压烧结,粉末热锻和热等静压等.热压是指对石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程,以提高烧结密度,如粉末冶金摩擦片,双金属减磨材料;Al2O3,BeO,SiO,BN,AlN等功能陶瓷均可用热压烧结,其烧结温度可降低100~150℃左右.粉末热锻一般是先对压坯预烧结,然后在适当的高温下再实施锻造.热等静压是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程.解决了普通热压缺少横向压力和压力不均匀所造成的制品密度不均的问题. 7.2. 5 后续处理某些烧结零件烧结后就可以使用了.但是,许多零件需要进行补充加工,以使烧结零件具有规定的形状,尺寸精度及使用性能.通常的后续处理包括:精整(整形,校准,复压),热处理,蒸汽氧化处理,车,铣,磨,钻,攻丝,滚光,浸油或浸树脂,电镀,渗金属等.几乎所有适合于金属锻件的加工工艺都适用于粉末冶金制品.7.3 典型制品加工工艺实例7.3.1含油轴承轴承是指主要起摩擦作用的一类机械零件.在工作时要求:具有一定的机械强度和塑性;具有低的摩擦系数和良好的磨合性能;在重负荷下运转时耐磨性要好;不会剥落,粘着及卡住转轴等.7.3.1.1 含油轴承的优点含油轴承是利用粉末冶金工艺方法制成的多孔性材料,并通过浸油处理后,能广泛用于各工业部门的重要结构零件(如图7-14).主要原因是具有以下一系列优点.(1)原料来源充足,价格便宜.例如制造铁基含油轴承所用的主要原料是还原铁粉及少量石墨粉等.(2)工序少,周期短,效率高,成本低.(3)自润滑性能好.所谓自润滑性是指含油轴承在工作时,能将贮存于孔隙中的润滑油自动提供给摩擦表面进行润滑,从而达到减磨的性能.(4)含有固体润滑剂(如石墨,二硫化钼等),这对在高温下工作的轴承尤其重要.(5)选择材料组份范围较大,在根据不同要求,在配料时加入不同的合金元素,以获得理想的耐磨组织,适应使用性能要求.(6)工作时噪音小,并能承受间断的冲击负荷,使用寿命长.7.3.1.2 含油轴承的种类与性能按材质含油轴承可分为铁基,铜基,铝基,镍基,钴基,碳化物基等.在机械制造业中应用最广的是铁基和铜基含油轴承.铁基的有铁-石墨,铁-铅-石墨,铁-铜-石墨,铜基的有铜-锡,铜-锡-石墨,铜-锡-铅-石墨等.其主要性能列于表7-5中.表7-4常用含油轴承的化学成分和主要物理与力学性能。
第四章粉末冶金成形技术一、粉末冶金成形定义:用金属粉末或金属与非金属粉末混合物作原料,采用压制、烧结及后解决等工序来制造某些金属材料、复合材料或制品工艺技术。
粉末冶金生产工艺与陶瓷制品生产工艺相似,因而粉末冶金成型技术又经常叫金属陶瓷法。
办法:将均匀混合粉末材料压制成形,借助粉末原子间吸引力和机械啮合伙用,使制品结合成为具备一定强度整体,然后再高温烧结,进一步提高制品强度,获得与普通合金相似组织。
二、粉末冶金材料或制品1. 难熔金属及其合金(如钨、钨——钼合金);2. 组元彼此不相溶,熔点十分悬殊特殊性能材料,如钨——铜合金;3. 难溶化合物或金属构成复合材料(如硬质合金、金属陶瓷)三、粉末冶金成型技术特点:1. 某些特殊性能材料唯一成型办法;2. 可直接制出尺寸精确,表面光洁零件,是少甚至无切削生产工艺;3. 节约材料和加工工时;4. 制品强度较低;5. 流动性较差,形状受限;6. 压制成型压强较高,制品尺寸较小;7. 压模成本较高。
四、粉末冶金成形过程原始粉末+添加剂→混合→压制成型→烧结→零件成品五、粉末冶金工艺理论基本一)、金属粉末性能金属粉末性能对其成型和烧结过程及制品质量有重要影响,分为化学成分、物理性能和工艺性能。
固态物质按分散限度不同分为致密体、粉末和胶体。
致密体:普通所说固体,粒径在1mm以上;胶体微粒:粒径在0.1μm如下;粉末体或简称粉末:粒径介于两者之间。
1. 粉末化学成分重要金属或组元含量,杂质或夹杂物含量,气体含量。
金属含量普通不低于98-99%。
2. 粉末物理性能1)颗粒形状:球状、粒状、片状和针状。
影响粉末流动性、松装密度等。
2)粒度:粉末颗粒线性尺寸,用“目”来表达,用筛分法等测量。
对压制时比压、烧结时收缩及烧结制品力学性能有影响。
3)粒度分布:按粒度不同分为若干级,每一级粉末(按质量、数量或体积)所占比例。
对粉末压制和烧结有影响。
4)颗粒比表面积:单位质量粉末总表面积,可算出颗粒平均尺寸。
粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺技术粉末冶金是一种重要的材料成型技术,它通过将金属或非金属粉末在高温下压制成形,进而得到各种金属零件和陶瓷材料。
粉末冶金不仅可以制造出形状复杂的零件,还能够获得优良的材料性能,因此被广泛应用于汽车、航空、航天等工业领域。
粉末冶金的成型工艺技术主要分为两个步骤:粉末的制备和成型。
首先是粉末的制备。
粉末冶金所需的粉末通常通过机械研磨、化学反应、气相沉积等方法制备而成。
机械研磨是最常用的方法,它通过将金属块或合金块放入球磨机中与磨料球一起进行高速旋转,使金属块逐渐研磨成粉末。
化学反应法利用化学反应生成粉末,例如气相法将金属气体于高温下反应生成粉末。
制备好的粉末应具备一定的粒度、形状和分布以满足成型的需求。
其次是成型工艺技术。
成型是将粉末压制成所需形状的过程。
常用的成型工艺有冷压成型、等静压成型和注浆成型等。
冷压成型是最简单的成型方法,它通过将粉末放置在模具中,然后在模具上施加压力,使粉末紧密结合成形。
但冷压成型得到的零件强度较低,通常需要进行后续的烧结工艺。
等静压成型是常用的粉末冶金成型方法。
它通过在模具中施加等压力,使粉末均匀密实地填充模具,然后通过高温烧结使粉末颗粒结合成致密的金属材料。
等静压成型可以获得高密度、高强度的零件,适用于制造各种金属零件。
注浆成型是粉末冶金的一种新型成型工艺。
它通过在模具中注入粉末与流体混合物,然后通过高压使混合物注入模具的空隙中,最后再进行烧结。
注浆成型可以制造出形状复杂的零件,并且具有较高的密度和强度。
总之,粉末冶金是一种重要的材料成型技术,它通过粉末的制备和成型工艺来制造各种金属零件和陶瓷材料。
不同的成型工艺可以得到不同性能的材料,所以在应用中需要根据具体要求来选择合适的成型工艺。
粉末冶金是一种重要的材料成型技术,其广泛应用于汽车、航空、航天等众多领域。
通过将金属或非金属粉末在高温下压制成形,可获得形状复杂且性能优良的材料。
下面将进一步探讨粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺技术。
(冶金行业)粉末冶金新技术新工艺11粉末冶金新技术新工艺11.1概述粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末和非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结,制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。
粉末冶金工艺的第壹步是制取原料粉末,第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理制得成品。
典型的粉末冶金产品生产工艺路线如图11-1所示。
粉末冶金的工艺发展已远远超过此范畴而日趋多样化,已成为解决新材料问题的钥匙,在新材料的发展中起着举足轻重的作用。
粉末冶金技术有如下特点:(1)能够直接制备出具有最终形状和尺寸的零件,是壹种无切削、少切削的新工艺,从而能够有效地降低零部件生产的资源和能源消耗;(2)能够容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性,是壹种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料的工艺技术;(3)能够生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品,如多孔含油轴承、过滤材料、生物材料、分离膜材料、难熔金属和合金、高性能陶瓷材料等;(4)能够最大限度地减少合金成分偏聚,消除粗大、不均匀的铸造组织,在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如Al-Li 合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等)具有重要的作用;(5)能够制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等壹系列高性能非平衡材料,这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能;(6)能够充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料,是壹种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
近些年来,粉末冶金有了突破性进展,壹系列新技术、新工艺大量涌现,例如:快速冷凝雾化制粉技术、机械合金化制粉技术、超微粉或纳米粉制备技术、溶胶-凝胶技术、粉末注射成形、温压成形、粉末增塑挤压、热等静压、烧结/热等静压、场活化烧结、微波烧结、粉末轧制、流延成形、爆炸成形、粉末热锻、超塑性等温锻造、反应烧结、超固相线烧结、瞬时液相烧结、自蔓延高温合成、喷射沉积、计算机辅助激光快速成形技术等。