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1、第七章 块体材料及其制备,7.1 粉体的成型与烧结,对粉体进行成型、烧结 (固结) 处理的粉末冶金方法是制取块体材料的一种重要的途径，是生产陶瓷、金属、水泥、耐火材料等常用的方法。,金属粉末冶金材料应用实例,粉末铝合金：飞机结构、家用电器等 粉末铜合金：电阻焊机的电极、X射线管、微波管、开关部件等 粉末高速钢：主要用于大型刀具，切削寿命远远高于熔炼钢 粉末高温合金：飞机发动机的涡轮盘,7.2.1 粉末的成型,成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯体的过程。,一、粉末的堆积与排列,将大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器中，其堆积密度理论上肯定不会大于 74%。 一般情况下，经
2、过振动致密处理后，最高的振实密度只能达到 62.8 为了提高堆积密度，常在较大的均一颗粒之间加入较小的颗粒。,细颗粒 ( 325目) 对不锈钢粗颗粒 (100 150 目) 松装密度的影响,粉末的堆积密度,颗粒尺寸越小，松装密度就越小，这是因为颗粒之间的摩擦力增加了 颗粒形状越不规则或球形度越低，松装密度就越低 球形颗粒的流动性最好，因此可以获得较高的松装密度，也利于后续的成型,粉末在压力下的运动行为,对粉末施加外力进行成型的工艺可能是最传统的工艺。通过对具有一定松装密度的粉末施加压力，可以进一步提高粉末的堆积密度。,在压力作用下，粉末发生的变化可以近似分为三个阶段 第一阶段：颗粒发生重排，颗
3、粒间的架桥现象被部分消除，颗粒间的接触面积增大； 第二阶段：颗粒发生塑性变形；变形的程度因粉末的材种及压力的大小有关 第三阶段：颗粒断裂形成较小的碎块，从而提高密度,在压制过程中，三个阶段并不是界限分明的，常常相互交叉发生,在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加，气孔率下降。 学者们对压力与密度、气孔率之间的关系进行了大量的研究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学公式，但是失败者居多。 理论预测结果与试验结果相去甚远 压制理论仍有一定的研究空间 工业生产,二、压力成型,压力成型指的是用外部的压力使粉体致密化 根据成型方式的不同，压力成型可以分为干压成型和等静压成型,干压成型,将粉料
4、填充到模具中，通过单向或者双向加压，将粉料压制成所需形状 传统的干压成型步骤 原料准备 (退火还原、球磨混合、造粒、成型剂的添加) 装 模、加 压、保 压 (单向加压与双向加压、加压速率、保压) 脱 模 (分层),单向加压与双向加压的比较,双向加压密度不均匀性要比单向加压小得度，但模具比较复杂。,加压速率的影响,加压速度不仅影响到粉末颗粒间的摩擦状态和金属粉末的加工硬化，而且影响到空气从粉末颗粒孔隙中的逸出情况 干压成型通常以静压 (缓慢加压) 状态进行 例外是冲击成型 (加压速率达每秒几米甚至200 m)：压制铁基、铜基以及混合金属粉末的零件。 得到的压坯密度更均匀，相对密度达到90%以上，
5、原因在于速度抑制了加工硬化，同时高能导致高温，粉末易于变形,优 点 操作简便 生产效率高 易于自动化、是常用成型方法之一 缺 点 粉料容易团聚 坯体厚度大时内部密度不均匀 制品形状可控精度差 对模具质量要求高 复杂形状的部件模具设计比较困难,等静压成型,借助于高压泵把流体介质 (气体或者液体) 压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的等静压力直接作用于弹性套模内的粉末上，使粉体各个方向同时均衡受压，从而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯。,湿法等静压,湿法等静压,优点 粉料不需加粘合剂 坯体密度均匀 制品尺寸无限制 缺点 仅适用于简单形状制品 生产效率低、难于实现自动化批量生产,干法等静压,准等
6、静压,软模成型： 利用橡胶、塑料等弹性好、能象液体介质一样均匀传递压力且不收缩的特点。,三、增塑成型,挤压成型 轧膜成型 注射成型 车坯成型,挤压成型,又称为挤制成型或挤出成型：利用压力将具有塑性的粉料通过模具挤出来成型，模具的形状就是成型坯体的形状 一般柱状、纤维状、空心管状以及厚板状坯体等沿挤出方向外形平直的制品均可采用此法 生产效率高、产量大、操作简便，挤压制品的尺寸不受设备限制，能挤出壁很薄、直径很细的小管,粘土质陶瓷材料很适合这种方法成型 下水道用排水管 对非粘土质陶瓷粉体和金属粉体可以通过引入各种有机增塑剂而获得可挤压性 陶瓷管,轧膜成型,滚 (辊) 压成型，在粉末冶金行业也称为粉
7、末轧制,分水平滚压和垂直滚压两种形式 一般脆性粉末带材强度较低，常采用水平方式 垂直方式较容易控制粉末的加入量,金属粉末的轧制：直接将金属粉末通过特制的漏斗喂入转动的轧辊缝隙中，即可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料，这些坯料经预烧、烧结、，再经轧制加工以及热处理等工序，就可以制得又一定孔隙度的或者致密的粉末冶金板带材。 金属粉末轧制中，轧辊间缝隙大小对轧制带材的密度有重要影响。增大辊间缝隙便减小了轧辊对板材的压力，而当辊间缝隙很大时，粉末便不受轧制。为改进粉末轧制中不能轧制较厚板材的不足，可以采用楔形压制。,楔形压制成形,注射成型,从塑料的注射成型工艺借鉴而来，先用于陶瓷粉末，近
8、年来也成为金属粉末成型的热点研究内容 将粉料和热塑性树脂等有机物混练后得到的混合料，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷却后脱模取出坯体。,注射成型的主要优点是： 适合大批量生产，生产成本低 成品的最终尺寸可以控制，一般不必再修整 易于经济地制作具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品 脱脂时间长是注射成型的最大缺点 物料的有机添加剂的选择是一个关键 我国在七五、八五期间注射成型取得了一定的进展,车坯成型,车坯成型是粘土质陶瓷成型的一种古老工艺。利用粘土的可塑性，采用真空练泥机挤出的泥段或注浆成形注出的粗泥坯，在车床上加工成型。 泥坯需要经过烘干，使含水量适合于车坯的要求 在粉末冶金中
9、，也可将经过预烧的毛坯 (如硬质合金坯体) 进行机加工,四、浆料成型,注浆成型 热压铸成型 流延成型 凝胶铸模成型 直接凝固成型,注浆成型,最古老的成型工艺 在石膏模中进行，通过脱水硬化成形 粉末颗粒尺寸分布不同，利用沉降速度的差别，可以制备孔隙率梯度的坯体 金属的铸造是一种广义的注浆成型？,改进的注浆成型：压力渗滤,改进的注浆成型：离心成形,离心注浆成型：将料浆注入容器中，利用大的离心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成形 较适合于空心柱状部件的成型 不足之处：坯体的密度沿径向变化,热压铸成型,陶瓷成型常用方法之一 将粉体与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，使混合料具有一定的流动性，然后将混合料加压
10、注入模具，冷却后即可得到致密的、较硬实的坯体 制备形状复杂的部件 蜡含量高，排蜡是问题,热压铸与注射成型的比较,二者都是将混合有有机物的物料压入模具中，冷却固化成型 热压铸所用压力小 注射成形所用设备复杂、可塑化的均匀性高、成型速度快,流延法成型,浆料通过一个确定的缝隙，由刮浆刀刮到基体上。这一高度正是带厚的决定因素,基片向右运动的同时经过上下烘干道，料浆被烘干得到所需的厚膜坯体,流延法制厚膜的几个典型应用 多层电容器：陶瓷层和金属层相互交替叠层 燃料电池：电解质和电极材料 层状陶瓷基复合材料 流延成型的浆料 粉末必须在合适的液体体系中均匀悬浮，形成一个可浇注的高浓度的浆料 有机粘结剂的选择很
11、重要 同样存在一个脱脂问题,类流延工艺：涂覆,凝胶铸模成型 (Gel-Casting),近年来提出的一种新型成型方法 把陶瓷粉体分散在含有有机单体的溶液中形成泥浆，然后将泥浆填充到模具中，在一定温度和催化剂条件下有机单体发生聚合，使体系发生胶凝。这样模具内的料浆在原位成型，经干燥后可得到强度较高的坯体 优点：收缩小，生坯强度高、有机粘结剂用量低、可成型形状复杂的部件,材料：SiC/Si 复合材料,直接凝固成型 DCC (Direct Coagulation Casting),在瑞士工作的德国人 Gauckler 的杰作 基本步骤： 利用胶体颗粒的静电或位阻效应，首先制备出固相体积分数高、分散性
12、好的悬浮液或料浆，同时引入延迟反应的催化剂 料浆注入模具后，通过酶在料浆中的催化反应或增加高价盐的浓度等手段来调节体系的 pH值，从而使体系的 电位移向等电位点，使泥浆聚沉成型,DCC 实例：Al2O3陶瓷的成型,采用平均粒径为 0.5 m 、比表面为 10m2/g 的高纯Al2O3粉为原料，HCl为分散剂，尿素为底物，尿酶为催化剂 通过加入HCl调节 pH 值为 4 左右，制备出固相含量为57%的浓悬浮体浆料 在低于5C的温度下，加入尿素和尿酶 浆料浇注后温度升高至20C以上，促使催化反应进行，使浆料pH值达到9左右。 此时 电位等于零，浆料发生絮凝并逐渐固化成坯体,7.2.2 粉末体烧结,
13、粉末成形后，坯体经过干燥或者预烧基本上仍然是粉末之间的机械咬合，强度很低，一般不能直接应用。必须利用粉末颗粒表面能的驱动力，借助高温激活粉末中原子、离子等的运动和迁移，使粉末颗粒之间增加粘结面，降低表面能，形成稳定的、具有所需强度的快体材料。这就是陶瓷、金属粉末冶金中常用的高温烧结技术。,烧结原理：表面迁移,凹面处蒸气压低，蒸发出来的物质易于在此凝聚,两颗粒接触面之间易于发生直接的原子、离子等的扩散成键，以降低界面能,烧结原理：体积迁移,体积扩散,塑性流动,非晶物质的粘性流动,烧结方法：无压烧结,在大气压或真空状态下，将压制的坯体置于烧结炉中，按一定的烧结制度 (升温速率、保温时间、降温速率等
14、) 进行加热的普通烧结 固相烧结 主要借助于蒸发凝聚和扩散传质 液相烧结 金属体系的烧结多为液相烧结 液相烧结通常需要添加剂作用,陶瓷的液相烧结,选择添加剂，由相图确定低共熔点，从而大幅度降低烧结温度 少量添加剂的加入同时可以改善材料的性能 大多数功能陶瓷均采用低温液相烧结 SiC的烧结,金属的液相烧结：溶浸,将固相粉末压坯与低熔点液态金属接触，使压坯中的孔隙被液体填充，冷却下来就得到致密的材料或制品 实现溶浸的基本条件： 骨架材料与溶浸金属的熔点相差很大，避免零件的变形； 溶浸金属很很好的润湿骨架材料 骨架与溶浸金属之间溶解度不大 溶浸的零件基本上不发生收缩，制作时间短，主要用于制作金属陶瓷
15、 (WC/Co),烧结方法：加压烧结,将加压和加热同时并用，以达到消除孔隙的目的。从而大幅度提高粉末制品的性能。 热压烧结 铜粉在400C/700MPa下热压，相对密度达到99% 试样的镶嵌 热等静压烧结 (气压烧结),烧结方法：反应烧结,在烧结过程中通过反应生成产物 致密度不高是主要不足 高温自蔓延合成与反应烧结 相似之处：预成形，在烧结过程中反应 不同之处：能量来源,烧结方法：微波烧结,根据材料与微波间的作用方式，材料可以分为三类 微波透明型：不能吸收微波能。低损耗的绝缘体 微波反射型：不能吸收微波能。金属导体 微波吸收型：损耗性绝缘体 80年代后期微波烧结曾掀起高潮，目前尚未工业化,7.
16、3 复合材料,复合材料是这样的一类材料：采用物理的或者化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态或性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能 (或功能) 的目的。 获得复合材料的方法 构成复合材料的组元形式 复合的目的,一、复合材料的发展,1942年，美国匹兹堡平板玻璃公司将办理纤维织网含浸于芳基酯系非饱和聚酯树脂中，然后将含浸网叠合起来，施以固化处理，意外地得到了一种在性能上从未有过的高弹性、高强度的树脂板，俗称玻璃钢。 这是一种玻璃纤维增强树脂基复合材料 此后复合材料就得到了迅速发展,7.3.1 复合材料概述,中国在两千多年前就已经开始采用的在粘性泥浆中加入稻草，做成土坯建筑房子的方法，可以认为是纤维强化复合材料的最早原型。,二、复合材料的种类,按用途分类：结构复合材料合功能复合材料 按各成分的分散情况分类：分散强化型复合材料、层状复合材料、梯度功能材料 按基体材料分类：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料,分散强化型复合材料,层状复合材料,多层复合钢板、三合板等,核燃料颗粒是一种层状复合材料 疏松层称
