《先进材料成形技术与理论 教学课件 ppt 作者 樊自田 王从军 熊建钢 王桂兰 张海鸥 编著 魏华胜 主审第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《先进材料成形技术与理论 教学课件 ppt 作者 樊自田 王从军 熊建钢 王桂兰 张海鸥 编著 魏华胜 主审第六章（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、金属粉末材料的制备,普通粉末冶金技术原理及方法,粉末材料及其成形新技术,粉末成形料坯的烧结及气体保护,第六章 粉末材料及其成形技术,上 页,首 页,下 页,6.1 金属粉末材料的制备,6.1.1 金属粉末制备概述,粉末材料的种类繁多，主要有金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等。粉末材料的成形方法也多种多样，主要有冶金成形、压制成形、注射成形、复合成形。,粉末原料在成形之前，要根据产品最终性能的需要或成形过程的要求，经过一些处理，包括粉末退火、混合、筛分、加润滑剂、制粒等。 表6-1（a）、表6-1（b）,上 页,首 页,下 页,金属粉末,形状,制取粉末的方法,粒度,球形、片状、树枝状,机械法、物理化
2、学法,几百微米的粗粉、纳米级的超细粉末,上 页,首 页,下 页,上 页,首 页,下 页,6.1.2 金属粉末的常用制备方法,图6-1 图6-2 图6-3、4 图6-5,雾化过程是一个复杂过程，按雾化介质与金属液流相互作用的实质，既有物理机械作用，又有物理化学作用。在雾化介质与金属液流之间既有能量交换，又有热量交换。 气雾化的雾化方法（图6-6）、（图6-7）、雾化过程（图6-8）。,条带直径DL取决薄液片厚度和气体速度： m熔融金属密度，熔融金属表面张力,上 页,首 页,下 页,（1）雾化法制粉（视频）,上 页,首 页,下 页,颗粒尺寸D与喷嘴几何尺寸c和熔融金属的粘度m有关，可表达为： m熔
3、融金属密度，熔融金属表面张力。, 采用雾化法生产的粉末的性能： 一是粒度，包括平均粒度、粒度分布、粉末收得率； 二是颗粒形状及与其有关的性能，； 三是颗粒的纯度和结构。,上 页,首 页,下 页,（2）机械粉碎法制粉, 机械研磨法,任务：减小或增大粉末粒度；合金化；固态混料； 改善、转变或改变材料的性能。 研磨体在筒体内的运动规律可简化为三种基本形式：泻落式、离心式、 抛落式。（图6-9）,研磨机械品,上 页,首 页,下 页,筒体内研磨体的运动轨迹（图6-10）。 其中，取筒体截面中半径为R的任意层为研究对象，研磨体随筒体运动上升获得一定的速度v，设重量G，研磨体离开圆弧轨迹抛落的条件是： 式中
4、：脱离角，脱离点O和筒体中心O的连线与Y轴的夹角；R研磨体所在层的半径，m；n筒体的转速，r/min；研究层研磨体圆弧运动的线速度，m/s。,上 页,首 页,下 页,影响球磨机工作效率的因素,筒体内衬,研磨体的质量、形状、大小匹配,装填量,必须建立控制条件,控制转速,讲究研磨体的装填量,上 页,首 页,下 页,令填充系数为，则： 式中：A研磨体在筒体有效截面上的填充面积，m2；G研磨体装填重量，N；R磨膛半径，m；L磨膛长度，m；研磨体重度，N/m2。填充系数取0.40.5较宜。 由式 可知，当0时，研磨体 升至最高点。研磨体随筒体转动而不抛落时筒体的最低转速称为临界转速nc为：,上 页,首
5、页,下 页,机械合金化（图6-11） 与机械混合法不同，用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。 机械合金化与滚动球磨的区别在于使球体运动的驱动力不同。转子搅拌球体产生相当大的加速度并传给物料，因而对物料有较强烈的研磨作用。同时，球体的旋转运动在转子中心轴的周围产生旋涡作用，对物料产生强烈的环流，使粉末研磨得很均匀。,上 页,首 页,下 页,（3）还原法制粉,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。还原剂呈固态、气态或液态；被还原的物料也可以采用固态、气态或液态物质。 制取粉末的常用实例（表6-2） 最简单的反应可用下式表示： Me+X=Me+X
6、O 式中，Me生成氧化物MeO的任何金属； X还原剂。,上 页,首 页,下 页,（4）气相沉积法制粉, 金属蒸气冷凝 用于制取具有大的蒸气压的金属，具有较低的熔点和较高的挥发性粉末。, 羰基物热离解法 不仅可以生产纯金属粉末，而且可同时离解几种羰基物的混合物，制得合金粉末。,气相还原法 气相氢还原法和气相金属热还原法, 化学气相沉积法,上 页,首 页,下 页,6.2 普通粉末冶金技术原理及方法,6.2.1 粉末冶金工艺过程 粉末冶金工艺的基本工序（图6-12），包括：粉末准备、加工成形、性能测试等。,6.2.2 粉末冶金（视频）成形的特点 （1）可以直接制备成形出具有最终形状和尺寸的零件，是一
7、种无切削、少切削的新工艺，故可有效地降低零部件生产的材料和能源消耗； （2）可以容易地实现多种材料的复合，充分发挥各组元材料的特点，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料与零件的工艺技术；,上 页,首 页,下 页,（3）可以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； （4）可以最大限度地减少合金成份偏聚，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、新型金属材料具有重要作用； （5）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料； （6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧
8、金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。,上 页,首 页,下 页,6.2.3 粉末成形的方法,（1）普通模压成形（图6-13） 当对压模中粉末施加压力后，粉末颗粒间将发生相对移动，粉末颗粒将填充孔隙，使粉末体的体积减小，粉末颗粒迅速达到最紧密的堆积。,（2）温压成形（图6-14）,粉末,粘结剂,混合,加热粉末,加热粉末,温压成型,产品,后处理,烧结,上 页,首 页,下 页,（3） 热压成形（图6-15）,优点：大大降低成形压力和缩短烧结时间，制得密度较高和晶粒较细的材料或制品。 分类：电阻间接加热式、电阻直接加热式、感应加热式。,（4） 连续轧制成形（图616）,粉末轧制法的优
9、点：制品的长度可不受限制、轧制制品密度较为均匀。 缺点：由轧制法生产的带材受轧辊直径的限制和轧辊宽度的限制。,上 页,首 页,下 页,6.3 粉末材料及其成形新技术,新的粉末成形技术：静压成形、喷射成形、注射成形、增塑挤压成形、激光快速成形、反应烧结、自蔓延高温合成。 （图6-17 ）,6.3.1 等静压成形 （图6-18） （视频）,优点： 1）能够压制具有凹形、空心等复杂形状的零件； 2）压制时，相对移动小，摩擦损耗小，单位压制 压力较钢模压制法低； 3）压坯强度高，便于加工和运输；,上 页,首 页,下 页,4）能够压制各种金属粉末和非金属粉末，压制坯 件密度分布均匀； 5）冷等静压的模具
10、材料是橡胶和塑料，成本低； 6）能在较低的温度下制得接近完全致密的材料。 等静压制法的缺点： 1）对压坯尺寸精度的控制和压坯表面的精度都 比钢模压制法低； 2）尽管采用干袋式或批量湿袋式的等静压制， 生产效率有所提高，但通常其生产效率仍低 于自动钢模压制法； 3）所用橡胶或塑料模具的使用寿命比金属模具 要短得多。,上 页,首 页,下 页,（1）冷等静压（图6-19）,冷等静压按粉料装模及其受压形式可分：湿袋模具压制和干袋模具压制。（图6-20）,（2）热等静压,热等静压机的压力容器是用高强度钢制成的空心圆筒体，直径一般为1501500mm，高5003500mm，工件的体积在0.0282.0m3
11、之间。通常压力范围7200MPa，最高使用温度范围一般为10002300。,上 页,首 页,下 页,（3）烧结-热等静压,烧结-热等静压过程中的热等静压阶段使产品均匀收缩与致密化，温度、压力、时间三个工艺参数之间存在相互关系。（图6-21）,6.3.2 粉末材料注射成形原理及应用,PIM工艺主要包括粘结剂与粉末的混合、制粒、注射成形、脱脂及烧结五个步骤。（图6-22）,（1） MIM技术的发展概况 MIM技术的出现，为精密零件的制造尤其是形 状复杂的零件的制造带来了一场革命。,上 页,首 页,下 页,（2） MIM的基本工艺流程,金属粉末,粘结剂,混炼,制粒,注射成形,料坯件,脱脂,烧结,零件
12、,上 页,首 页,下 页,注射过程自动化框图（图6-23）。主要经过金属粉末与粘结剂的混炼制粒、注射成形制坯、脱脂、烧结等工序。全自动化的注射成形机对成形过程可采用全自动化操作，对成形过程中的各工艺参数可实施自动化监控和调整。,（3） MIM技术的特点,技术优势 与传统粉末冶金技术相比，MIM技术可以制造 传统粉末冶金技术无法制造的零件，拓宽了粉末冶金的应有用范围。,上 页,首 页,下 页, 传统粉末冶金产品大多存在密度不均，造成性差异；而用MIM技术制造的产品具有性能各向同性，组织均匀。 与精密（熔模）铸造相比，MIM的尺寸精度更高、没有铸造的成分偏析。（表6-3） 与传统粉末冶金技术相比。
13、（表6-4） 各种零件制造方法运用范围。,（4） MIM技术关键 MIM的技术关键是粘结剂技术。,上 页,首 页,下 页,1）粘结剂技术 MIM技术对粘结剂的基本要求。（表6-5） 2）脱脂技术 常用方法：热脱脂、溶剂脱脂热脱脂、虹吸脱脂热脱脂，催化脱脂等。 3）MIM专用设备技术 MIM工艺中，粉末对注射机螺杆的磨损要远高于塑料对注射机螺杆的磨损。为此，必须对螺杆进行表面涂覆处理，以提高其耐磨性。为了实现真空和气氛脱脂还需要有专用的脱脂炉。,上 页,首 页,下 页,4）零件尺寸精度的控制 MIM零件的尺寸精度与粉末体性质、混炼工艺、注射工艺、脱脂及烧结工艺等密切相关。,5）MIM 技术的发展
14、动向 MIM 技术由于受到金属粉末成本和粘结剂技术不完善等因素影响，目前它仍主要用于生产体积小、形状复杂的精密零件。 发展技术：粉末共注射成形技术和微型注射成形技术。,上 页,首 页,下 页,MIM 零件举例：,（a） 不锈钢表带扣环,（b）汽车制动器零件,图6-24 MIM零件举例,上 页,首 页,下 页,6.3.3 激光快速烧结成形（视频）,（1）快速成形技术原理概述,快速原型制造工艺流程（图6-25） 传统的零件加工成型（图6-26） 优点：零件的成型速度快、修改很容易。, 快速成形方法和系统： 立体平版印刷机 分层物体制造 选择性激光烧结 熔丝沉积制造 粉末材料选择性粘结,上 页,首
15、页,下 页,（2）选择性激光烧结成形系统（图6-27） SLS的工作过程流程图（图6-28）,（3）系统组成,右图是HRPS系列SLS成形机，该机主要由可升降工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料装置、加热装置等组成。,图6-29 HRPS系列SLS快速 成形系统实物图,上 页,首 页,下 页,（4）用SLS原型快速铸造金属零件,图6-30（a） 用SLS方法快速铸造的砂型及铸件,上 页,首 页,下 页,采用SLS方法烧结成形蜡基原型，再用该原型翻制精密壳型，最后浇注成形涡轮铸件。,(a) 三维实体,(b) SLS蜡基原型,(c) 由SLS原型 翻制的壳型,(d) 铸件,图6-30（b）采用SLS方法与熔模精密 铸造技术翻制铸件的过程,上 页,首 页,下 页,6.4 粉末成形料坯的烧结及气体保护,烧结过程通常是在烧结炉内完成的，它是在低于压坯中主要组分熔点的温度下进行加热，使它们之中相邻的颗粒相互间形成冶金结合。,烧结炉按热源分为燃料加热和电加热；按生产方式的不同分为连续式和间歇式。,（1）钟罩式烧结 钟罩式烧结采用一种电加热的间歇式钟罩烧 结炉（图6-31），主要由炉底座、外罩、内罩三个部分组成。,上 页,首 页,下 页,（2）网带传送烧结炉,直通型网带传送式烧结炉由装料台、烧除带、高温烧结带、缓冷带、水套冷却带及卸料台组成。在装料台上将压坯装在连续运转的网带上，在炉子后端的卸料
