粉末冶金原理1課件

粉末冶金原理(Ⅱ)曹順華粉末冶金研究院粉體材料系

粉末冶金原理(Ⅱ)1導論1課程的任務(wù)和意義粉末冶金材料加工的兩個基本過程金屬粉末小部分直接應(yīng)用隱形涂料

Fe,Ni及其合金納米粉末食品醫(yī)藥超細鐵粉涂料汽車用Al粉,變壓器用超細銅粉化工合成

鐵粉導論1課程的任務(wù)和意義2自發(fā)熱材料(取暖和野外食品自熱)超細Fe粉固體火箭發(fā)動機燃料超細Al,Mg粉等金剛石合成粉末觸媒Fe-Ni合金粉末電子焊料(solder)電子封裝用Cu,Ag合金粉末太陽能電池微細鋁粉末高性能電路保護器PTC中超細金屬Ni,Fe粉焊料細鐵粉軍用含能材料：納米Al+Fe2O3……自發(fā)熱材料(取暖和野外食品自熱)超細Fe粉3絕大多數(shù)用于工程結(jié)構(gòu)中部件的制造原料加工成塊體材料或部件(粉末冶金制品)經(jīng)過成形和燒結(jié)操作Powdermixtures(MetalorMetal+ceramicpowders)

Pressing+Sinteringsinteredpartsorsinteredmaterials成形和燒結(jié)控制著粉末冶金材料及其部件的微觀結(jié)構(gòu)與性能主宰著粉末冶金材料及其部件的應(yīng)用絕大多數(shù)用于工程結(jié)構(gòu)中部件的制造原料42課程對象研究粉末冶金加工過程中的相關(guān)工程科學（EngineeringScience）問題研究粉末成形與燒結(jié)過程中的工程科學問題材料設(shè)計的概念工程應(yīng)用(服役條件)→技術(shù)指標（性能要求）→材料性能設(shè)計→微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計→材質(zhì)類型、加工工藝設(shè)計(經(jīng)濟性)

研究粉末類型、加工工藝參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)及部件幾何性能間的關(guān)系2課程對象研究粉末冶金加工過程中的相關(guān)工程科學（Engin53粉末冶金技術(shù)的主要特點WhatisPowderMetallurgy？利用金屬粉末或及其與化合物粉末的混合物為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)操作，制取金屬材料及其復合材料制品或零部件的加工方法冶金方法零件制造技術(shù)3粉末冶金技術(shù)的主要特點WhatisPowder61）經(jīng)濟性：低成本材料冶金與零件制造有機地結(jié)合在一起直接制造零部件A短流程、低能耗、高材料利用率B生產(chǎn)效率高制造過程高度自動化1）經(jīng)濟性：低成本7齒輪1)傳統(tǒng)工藝：鑄錠冶金+機加工鐵精礦→

高爐煉鐵→鐵水→煉鋼

→鑄錠→開坯(多道次)→熱擠壓(多道次)→鋼錠（棒料）→下料→機加工(車外圓→平端面→銑軸向孔→滾齒)→（熱處理）→齒輪2)粉末冶金鐵精礦粉末(總鐵大于71.5%,SiO2小于0.3%)→隧道窯高溫還原(1050-1100℃)→破碎→磁選→精還原(750-800℃)→破碎→磁選→合批→鐵粉→混合(添加合金元素)→壓制→燒結(jié)→（熱處理）→P/M齒輪齒輪8①主要工序：前者15個以上后者8個②高溫工序：前者8個以上后者3個前者材料利用率約為40%PM可達95-100%短流程、低能耗、節(jié)材特點粉末冶金原理1課件9

automaticPowderpress全自動液壓機粉末冶金原理1課件10Adaptor模架Adaptor11meshbeltwalkbeamSinteringFurnace粉末冶金原理1課件12汽車部件粉末冶金原理1課件13電動工具與汽車部件行星齒輪支架Planetarycarrier粉末冶金原理1課件142）易于制造難加工材料陶瓷/金屬復合材料---金屬陶瓷cermet粉末超合金powdersuperalloys粉末高速鋼powderhigh-speedsteels金屬基復合材料metalmatrixcomposites彌散強化材料

dispersion-strengthenedmaterials微觀結(jié)構(gòu)可控材料多孔材料，非晶態(tài)材料，超細結(jié)構(gòu)材料等2）易于制造難加工材料15

鎢合金硬質(zhì)合金重合金鎢靶材鎢/鉬基電工合金納米晶材料nano-grainedmaterials梯度復合材料functionallygradientmaterials等3）尺寸一致性高鐵基P/M零件鋼模壽命：2萬件左右硬質(zhì)合金模：5-6萬件鎢合金164）綠色環(huán)保廢棄物排放很低“潔凈”冶金粉末冶金原理1課件17粉末冶金技術(shù)的不足1）加工的零件或材料尺寸有限2）應(yīng)用范圍有限固相燒結(jié)材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力學性能較低

低強度，低拉伸塑性逐漸被粉末冶金新技術(shù)所克服擴大粉末冶金部件或材料的應(yīng)用范圍粉末冶金技術(shù)的不足185粉末冶金材料應(yīng)用1）機械零件汽車（70%）工程機械摩托車家電辦公機械電動工具等5粉末冶金材料應(yīng)用1）機械零件192）機械加工刀具硬質(zhì)合金，粉末高速鋼，金屬陶瓷等加工電極W-Cu電火花加工電極汽車薄板焊接用彌散強化銅電極2）機械加工203）航天航空固體火箭發(fā)動機喉襯及噴管飛機發(fā)動機蝸輪盤與葉片等導彈鼻錐、火箭喉襯、燃氣舵等衛(wèi)星導航陀螺等制動材料4）微電子電子封裝熱沉材料3）航天航空215）軍事工業(yè)重合金，鉬材料等6）通信技術(shù)鎢合金振子、鉬銅封裝材料7）運動器材鎢合金高爾夫球頭……..5）軍事工業(yè)22

第一部分粉末成形

powdershapingorforming具體部件具有一定的幾何形狀和尺寸利用外力或粘結(jié)劑聯(lián)結(jié)松散狀態(tài)粉末體中的顆粒，將粉末體轉(zhuǎn)變成具有足夠強度和尺寸精度的幾何體的過程粉末顆粒間的結(jié)合力1）外力作用情形：為機械嚙合力或范德華力2）粘結(jié)劑情形：主要依靠高分子材料的粘結(jié)能力

高分子材料本身的強度及其與粉末顆粒之間的結(jié)合強度第一部分粉末成形

powdershapi23分類：剛性模（rigiddie）壓制

普通模壓、溫壓與模壓流動成形非模壓成形（其它方式）冷、熱等靜壓注射成形連續(xù)成形：粉末擠壓，粉末軋制粉漿澆注無模成型（快速成形技術(shù)如3D打印）噴射成形，爆炸成形等分類：24快速成形技術(shù)（Rapidprototyping-

RP）

簡介兩大類1）基于光源的RP立體光固化造型stereolithography(SL)光固化樹脂選擇性激光燒結(jié)selectivelasersintering(SLS)塑料、金屬、陶瓷等適應(yīng)性強疊層實體制造laminatedobjectmanufacturing（LOM）薄板疊加+激光焊接快速成形技術(shù)（Rapidprototyping-RP）

252）基于噴射的RP熔融沉積成形fuseddepositionmodeling(FDM)塑料等3D打印技術(shù)threedimensionalprinting(3DP)直接金屬沉積directmetaldeposition(DMP)2）基于噴射的RP26

3D打印（3DP）的技術(shù)快速成形技術(shù)的一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)基于微噴射原理（類似于噴墨）將噴射材料從噴嘴噴出微型液滴，按一定路徑逐層打印或堆積材料3D打?。?DP）的技術(shù)快速成形技術(shù)的一種27樹脂類熔融樹脂光固化材料3DP粘結(jié)材料3DP熔融材料3DP3D打印樹脂類熔融樹脂28粉末冶金原理1課件29金屬粉末快速成形技術(shù)原理由CAD軟件產(chǎn)生零件實體模型由分層軟件對CAD實體模型按照一定的厚度進行分層切片處理，獲取各截面的幾何信息然后根據(jù)切片輪廓設(shè)計出掃描軌跡，并將其轉(zhuǎn)化成NC工作臺的運動指令金屬粉末快速成形技術(shù)原理30成形時具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同時金屬粉末由送粉器送出，經(jīng)送粉管路輸送到同軸送粉頭并進入熔池形成熔覆層根據(jù)CAD給定的各層截面的路徑規(guī)劃NC的控制送粉頭相對于工作臺運動金屬材料逐層掃描堆積制造出金屬實體零件成形時具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同時金31SLS快速成形原理示意圖粉末冶金原理1課件32SLS快速成形設(shè)備粉末冶金原理1課件33快速成形的金屬部件粉末冶金原理1課件34主要特點柔性制造研發(fā)周期短低成本主要特點35

第一章粉末壓制

PowderPressingorCompaction§1壓制前粉末料準備1還原退火

reducingandannealing作用降低氧碳含量，提高純度消除加工硬化，改善粉末壓制性能第一章粉末壓制

PowderPressin36粉末鈍化使細粉末適度變粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃退火溫度高于回復-再結(jié)晶溫度，（0.5-0.6）Tm退火氣氛還原性氣氛（CO,H2），惰性氣氛，真空粉末鈍化372合批與混合blendingandmixing混合不同成分的粉末借助于外力作用實現(xiàn)顆粒組份間分布均勻的過程合批同類粉末或粉末混合物的混合消除因粉末在運輸過程中產(chǎn)生的偏析或在粉末生產(chǎn)過程中不同批號粉末之間的性能差異獲得性能均勻的粉末料2合批與混合blendingandmixing38機械法混合與化學法混合機械混合方式干混法：鐵基及其它粉末冶金零件的生產(chǎn)濕磨法：硬質(zhì)合金或含易氧化組份合金的生產(chǎn)WC與Co粉之間除產(chǎn)生一般的混合均勻效果發(fā)生顯著的細化效果一般采用工業(yè)酒精作為研磨介質(zhì)機械法混合與化學法混合39濕磨的主要優(yōu)點有利于環(huán)境保護無粉塵飛揚和減輕噪音提高破碎效率，有利于粉末顆粒的細化保護粉末不氧化不足操作工序增加粉料干燥增加能耗球磨介質(zhì)損耗成本提高濕磨的主要優(yōu)點40混合機理簡介粉末床的運動行為（a）粉末體整體滑動（b）粉體局部坍塌混合機理簡介粉末床的運動行為41

（c）粉末整體滾動(d)小瀑布狀拋落粉末冶金原理1課件42(e)大瀑布狀拋落(f)離心狀粉末冶金原理1課件43取決于圓筒形混合器的轉(zhuǎn)速筒體的直徑二者對粉末床運動行為的影響可用Froude準數(shù)描述Fr=(ω2R)/g(慣性離心力/重力)材料的物性(顆粒尺寸,顆粒形狀等,主要影響粉末的靜態(tài)響應(yīng)角,與顆粒間摩擦力大小有關(guān))裝料量筒壁的粗糙程度取決于44在滑動與離心狀態(tài),顆粒之間很少發(fā)生相對運動混合效果最差而對于組元之間比重差異大的混合物體系劇烈的拋落容易造成組元間的成分偏析應(yīng)予避免在滑動與離心狀態(tài),顆粒之間很少發(fā)生相對運動45處于滾動狀態(tài)時顆粒的微觀運動狀態(tài)粉末冶金原理1課件46零速度區(qū)很容易在裝料大于50%時出現(xiàn)工程實踐規(guī)定裝料量不大于40%！零速度區(qū)很容易在裝料大于50%時出現(xiàn)47混合機理

混合方式示意圖混合機理48嚴格意義上的擴散過程并不存在實際上為微區(qū)內(nèi)的顆粒對流粉末顆?；旌贤ㄟ^對流與剪切作用實現(xiàn)嚴格意義上的擴散過程并不存在49混合均勻度(成分偏差)與時間的關(guān)系粉末冶金原理1課件50添加適當數(shù)量的研磨體可強化混合效果即強化顆粒的對流與剪切作用添加適當數(shù)量的研磨體可強化混合效果51偏析(segregation)現(xiàn)象反混合現(xiàn)象涉及相容性問題—“物以類聚”Causedbydifferencesinparticledensity顆粒之間密度差異Particlesize粒度差異Particleshape顆粒形狀差異球形顆粒與針狀顆粒具有最小的偏析趨勢偏析(segregation)現(xiàn)象反混合現(xiàn)象52粉末冶金原理1課件53粉末冶金原理1課件54粉末冶金原理1課件55混合均勻程度和效率取決于粉末顆粒的尺寸及其組成顆粒形狀待處理粉末組元間比重差異混合設(shè)備的類型混合工藝混合均勻程度和效率取決于56裝料量球料比轉(zhuǎn)速研磨體的尺寸及其搭配對于給定的粉末和混合設(shè)備，最佳混合工藝一般采用實驗加以確定裝料量57

V-形雙錐形多維常見混合設(shè)備粉末冶金原理1課件58化學法混合混合較前者更為均勻,可以實現(xiàn)原子級混合W-Cu-Ni包覆粉末的制造工藝

W粉+Ni(NO3)2溶液→混合→熱解還原（700-750℃）

→W-Ni包覆粉+CuCl2溶液→混合→熱解還原（400-450℃）

→W-Cu-Ni包覆粉末存在環(huán)保問題！化學法混合59無偏聚（segregation-free）粉末binder-treatedmixture消除元素粉末組元（特別是輕重組元）間的偏析粉末混合與輸運過程無偏聚（segregation-free）粉末603成形劑(binder)和潤滑劑(lubricant)成形劑(非增塑成形)場合1)硬質(zhì)粉末：如硬質(zhì)合金,陶瓷等粉末變形抗力很高難以通過壓制所產(chǎn)生的變形而賦予粉末坯體足夠的強度添加成形劑提高生坯強度，利于成形3成形劑(binder)和潤滑劑(lubricant)612)流動性差的粉末細粉或輕質(zhì)粉末粘結(jié)劑作用適當增大粉末粒度，減小顆粒間的摩擦力改善粉末流動性,提高壓制性能橡膠、硬脂酸、石蠟、SBS、PEG、PVA等2)流動性差的粉末細粉或輕質(zhì)粉末62選擇準則能賦予待成形坯體以足夠的強度易于排除成形劑及其分解產(chǎn)物不與粉末發(fā)生反應(yīng)分解溫度范圍較寬分解產(chǎn)物不污染環(huán)境選擇準則63潤滑劑↓粉末顆粒與模壁間的摩擦壓坯密度分布不均勻影響被壓制工件的表面質(zhì)量降低模具的使用壽命潤滑劑64粉末壓制用的潤滑劑硬脂酸硬脂酸鋅工業(yè)潤滑蠟PEG(二硫化鉬、石墨粉、硫磺粉也可起潤滑作用)粉末壓制用的潤滑劑65潤滑方式粉末內(nèi)潤滑internallubrication潤滑劑直接加入粉末中鐵基粉末潤滑劑含量提高0.1%坯件的無孔隙密度下降0.05g/cm3模壁潤滑diewalllubrication靜電噴涂溶液涂敷潤滑方式粉末內(nèi)潤滑internallubrication66靜電噴涂模壁潤滑系統(tǒng)靜電噴涂模壁潤滑系統(tǒng)67粉末潤滑與模壁潤滑零件表面質(zhì)量差異粉末潤滑與模壁潤滑零件表面質(zhì)量差異684制粒pelletizingorgranulating細小顆粒或硬質(zhì)粉末為了成形添加成形劑改善流動性添加粘結(jié)劑進行自動壓制或壓制形狀較復雜的大型P/M制品粉末結(jié)塊原理借助于聚合物的粘結(jié)作用將若干細小顆粒形成團粒4制粒pelletizingorgranulatin69減小團粒間的摩擦力大幅度降低顆粒運動時的摩擦面積增大運動單元的動力（重量）制粒方法擦篩制粒噴霧干燥擠壓制粒旋轉(zhuǎn)盤制粒減小團粒間的摩擦力70§2壓制現(xiàn)象1顆粒的位移與變形1.1粉末顆粒位移位移方式：滑動與轉(zhuǎn)動顆粒重排列Particlerearrangementorrepacking(restacking)§2壓制現(xiàn)象71粉末冶金原理1課件72影響因素受控于粉末顆粒間內(nèi)摩擦表面粗糙度潤滑條件顆粒的顯微硬度顆粒形狀粒度顆粒間可用于相互填充的空間加壓速度影響因素731.2粉末顆粒的變形彈性變形顆粒間的接觸應(yīng)力≤材料彈性極限塑性變形顆粒接觸應(yīng)力≥金屬的屈服強度點接觸處局部面接觸處局部整體1.2粉末顆粒的變形74脆性粉末點接觸應(yīng)力>斷裂強度斷裂塑性粉末點接觸應(yīng)力>屈服強度塑性變形加工硬化脆化斷裂脆性粉末752致密化現(xiàn)象2.1致密化壓力作用下松散狀態(tài)→拱橋效應(yīng)的破壞（位移→顆粒重排）+顆粒塑性變形→孔隙體積收縮→致密化拱橋效應(yīng)bridgeeffect顆粒間由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱橋孔洞的現(xiàn)象影響因素與粉末松裝密度、流動性相關(guān)2致密化現(xiàn)象76顆粒形狀粒度及其組成顆粒表面粗糙度顆粒比重（含致密程度）顆粒表面粘附作用（顆粒的磁性、陶瓷顆粒的靜電、液膜存在）顆粒形狀77粉末冶金原理1課件78塑性變形阻力的影響因素顆粒的顯微硬度合金化酸不溶物氧化物顆粒本質(zhì)原子間作用力加工硬化速度（晶體結(jié)構(gòu)）顆粒形狀粉末粒度壓制速度塑性變形阻力的影響因素792.2彈性后效Springback反致密化現(xiàn)象壓坯脫出模腔后尺寸脹大的現(xiàn)象殘留內(nèi)應(yīng)力釋放的結(jié)果彈性后效與殘留應(yīng)力相關(guān)壓制壓力粉末顆粒的彈性模量2.2彈性后效Springback80粉末粒度組成（同一目標密度）顆粒形狀顆粒表面氧化膜粉末混合物的成份:彈性模量1）Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C2）WC-Co、陶瓷粉末等3）軟質(zhì)金屬粉末粉末粒度組成（同一目標密度）813壓坯強度

Greenstrength表征壓坯抵抗破壞的能力，即顆粒間的粘結(jié)強度影響因素本征因素顆粒間的結(jié)合強度（機械嚙合mechanicalinterlocking）接觸面積3壓坯強度

Greenstrength表征壓坯抵抗破壞82顆粒間的結(jié)合強度顆粒表面的粗糙度顆粒形狀顆粒表面潔凈程度壓制壓力顆粒的塑性顆粒間的結(jié)合強度83硬脂酸鋅及成形劑添加與否前者阻隔金屬顆粒的聯(lián)結(jié)后者可提高壓坯強度高模量組份的含量相同應(yīng)變量，高模量增加殘留應(yīng)變能硬脂酸鋅及成形劑添加與否84顆粒間接觸面積即顆粒間的鄰接度contiguity顆粒的顯微硬度粒度組成顆粒間的相互填充程度壓制壓力顆粒形狀顆粒間接觸面積85外在因素：殘余應(yīng)力大小壓坯密度分布的均勻性粉末的填充均勻性粉末壓坯的彈性后效模具設(shè)計的合理性過高的壓制壓力表征方法抗彎強度或轉(zhuǎn)鼓試驗的壓坯重量損失外在因素：殘余應(yīng)力大小壓坯密度分布的均勻性86§3壓坯密度與壓制壓力間的關(guān)系3.1壓制過程力的分析P施加在模腔中的粉末體粉末向周圍膨脹側(cè)壓力Fn(Pn)粉末與模壁之間出現(xiàn)相對運動摩擦力Ff(Pf)下沖頭的壓力Pb§3壓坯密度與壓制壓力間的關(guān)系3.1壓制過程力的分析87側(cè)壓力Ph=ν/(1-ν)P=ξPν-泊松系數(shù),ξ-側(cè)壓系數(shù)模壁摩擦力Pf=μPn=μξPPb=P-Pf壓力損失△P=P-Pb側(cè)壓力88在距上沖為X處的有效外壓PxPx=Poexp(-4ξμX/D)D為模腔內(nèi)徑在距上沖為X處的有效外壓Px893.2脫模壓力（ejectionforce）靜脫模力（stripingforce）滑動脫模力(slidingforce)與坯件的彈性模量，殘留應(yīng)變量即彈性后效及其與模壁之間的摩擦系數(shù)直接相關(guān)3.2脫模壓力（ejectionforce）90壓坯密度或壓制壓力粉末原料顯微硬度、顆粒形狀、粒度及其組成、潤滑劑含量粉末顆粒與模壁之間的摩擦系數(shù)模具材料的硬度零件的側(cè)面積壓坯密度或壓制壓力913密度與壓力間的關(guān)系—壓制方程壓坯密度ρ是外壓的函數(shù)ρ=k.f(P)3.1常用力學模型理想彈性體-虎克體（H體）:彈簧σ=Mε理想流體-牛頓體（N體）:活塞在汽缸中運動σ=ηdε/dt3密度與壓力間的關(guān)系—壓制方程壓坯密度ρ是外壓的函數(shù)92

線彈-塑性體-Maxwell體（M體）：H體與N體串聯(lián)σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2線彈性體-Kelvin體（K體）：H體與N體并聯(lián)εT=ε1=ε2σ=M(ε+τ2dε/dt)τ2應(yīng)變馳預(yù)時間線彈-塑性體-Maxwell體（M體）：H93標準線性固體（SLS體）M體與H體并聯(lián)σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)標準線性固體（SLS體）94標準非線性固體（SNLS體）(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)硬化指數(shù)的倒數(shù)n<1τ1、τ2分別為應(yīng)力、應(yīng)變馳豫時間恒應(yīng)力σo作用并充分保壓（dσ/dt=0），經(jīng)數(shù)學變換得σon=Mε或σo=(Mε)1/n標準非線性固體（SNLS體）95

2.2大程度應(yīng)變的處理自然應(yīng)變ε=∫LLodL/L=ln(L/Lo)若壓坯的受壓面積固定不變，則ε=-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)]=ln{[(ρm-ρo)ρ]/[(ρm-ρ)ρo]}2.2大程度應(yīng)變的處理963.2巴爾申方程基本假設(shè)將粉末體視為彈性體不考慮粉末的加工硬化忽略模壁摩擦任意一點的變形與壓力間的變化率dσ/dε=kσ=P/Aε-對應(yīng)于壓縮量；A-顆粒間有效接觸面積3.2巴爾申方程基本假設(shè)97積分、變換并取對數(shù)后得lgPmax-lgP=L(β-1)L=壓制因子β=壓坯的相對體積適應(yīng)性硬質(zhì)粉末或中等硬度粉末在中壓范圍內(nèi)壓坯密度的定量描述積分、變換并取對數(shù)后得98出現(xiàn)偏差的原因低壓時粉末顆粒以位移方式填充孔隙空間為主粉末體的實際壓縮量高于計算值（即理論值）偏低現(xiàn)象高壓時粉末產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和摩擦力的貢獻大，導致實際值低于計算值偏高現(xiàn)象出現(xiàn)偏差的原因992.4黃培云壓制理論采用標準非線性固體模型ε=σon/Mlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=nlgP-lgM最初形式n=硬化指數(shù)的倒數(shù)M=壓制模量針對對原模型量綱問題，進行修正，并采用模型2.4黃培云壓制理論采用標準非線性固體模型100

ε=（σo

/M）1/mmlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=lgP-lgMm=粉末壓制過程的非線性指數(shù)硬化趨勢的大小晶體結(jié)構(gòu)，粉末形狀、合金化等相關(guān)適應(yīng)性硬質(zhì)或軟質(zhì)粉末均有效ε=（σo/M）1/m101§4壓制實踐1摩擦力在粉末壓制過程中的作用外摩擦力粉末顆粒與模具（陰模內(nèi)壁diewall、模沖puches、芯棒corerod）之間的因相對運動而出現(xiàn)的摩擦作用消耗有效外壓造成壓力降和在壓制面上的壓力再分布，導致粉末壓坯密度分布不均勻§4壓制實踐1摩擦力在粉末壓制過程中的作用102影響因素顆粒與模具之間的摩擦系數(shù)粉末顆粒、模具零件表面表面粗糙度潤滑劑添加量潤滑方式：整體或模壁潤滑潤滑方式顆粒的顯微硬度

顆粒與模具間的冷焊影響因素103內(nèi)摩擦粉末顆粒之間的摩擦interparticlefriction正面作用帶動粉末顆粒位移傳遞壓制壓力內(nèi)摩擦104負面作用降低粉末的流動性和填充性能摩擦功以熱的形式損耗掉→有效致密化壓力損失但發(fā)熱可產(chǎn)生一定的金屬粉末顆粒軟化負面作用1052壓坯密度分布均勻性的控制壓坯密度分布不均勻的后果成形不能正常實現(xiàn)如出現(xiàn)分層，斷裂，掉邊角等燒結(jié)收縮不均勻，導致變形因素高徑比H/D↑H/D，ρ↓，dρ/dX↑當H/D→∞，壓坯的下部粉末無法成形2壓坯密度分布均勻性的控制壓坯密度分布不均勻的后果106粉末冶金原理1課件107模具的潤滑狀態(tài)模壁潤滑優(yōu)于整體潤滑壓制方式若被成形件為軸套類部件，可采用三種壓制方式單向壓制，雙向壓制和強制摩擦芯桿壓制平均密度：ρ3>ρ2>ρ1模具的潤滑狀態(tài)108密度分布均勻性(dρ/dX)1>(dρ/dX)2>(dρ/dX)3強制摩擦芯桿壓制獲得的密度最高，分布也最均勻粉末顆粒平均粒度粒度較粗的粉末的壓縮性較好，密度分布也較均勻密度分布均勻性109模具設(shè)計的合理性使臺階間的粉末壓縮比相同粉末的流動性

填充均勻零件形狀復雜程度涉及壓機及模架的動作功能粉末塑性顆粒的本征塑性，化學純度（氧、碳及難溶物含量，合金化程度）和加工方法模具設(shè)計的合理性1103復雜形狀部件的成形密度分布的控制多臺階零件：恒壓縮比壓坯強度：合適粒度組成和表面較粗糙的近球形粉末→高壓坯強度脫模壓力潤滑和低的彈性后效，↓脫模壓力壓坯形狀的合理設(shè)計3復雜形狀部件的成形密度分布的控制111粉末冶金原理1課件1124壓制缺陷的控制主要缺陷類型、成因分層沿坯件棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋，與壓制面形成大約45度的界面彈性后效控制方法適當降低壓制壓力復雜件應(yīng)提高密度分布均勻性4壓制缺陷的控制主要缺陷類型、成因113裂紋：臺階間結(jié)合處，脫模過程中的停頓彈性后效控制方法：提高壓坯強度復雜件成形：保持恒壓縮比與提高粉末填充均勻性裂紋：臺階間結(jié)合處，脫模過程中的停頓114第二章特殊及新型成形技術(shù)Chapter2SpecialandNewPowderFormingTechniques§1概述普通剛性模壓制(rigiddiecompaction)技術(shù)的特點第二章特殊及新型成形技術(shù)Chapter2Specia115優(yōu)點制造成本低可實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)生產(chǎn)效率高部件幾何尺寸一致性好特別是經(jīng)固相燒結(jié)的粉末冶金部件優(yōu)點116不足密度分布不均勻部件形狀復雜程度有限密度較低(經(jīng)固相燒結(jié))尺寸較小，即單重較輕不足117后果1）壓坯強度低坯體中存在殘留應(yīng)力2）燒結(jié)收縮不均勻高低密度區(qū)的收縮不一致后果118各工業(yè)領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨蟀l(fā)展新的粉末成形技術(shù)各工業(yè)領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨?19成形技術(shù)1WP（WarmPressing/Compaction）－溫壓技術(shù)高性能（高強度、高精度）的鐵基粉末冶金零部件；是傳統(tǒng)剛性模壓制（模壓）技術(shù)的發(fā)展2PIM(PowderInjectionMolding)－粉末注射成形技術(shù)形狀復雜、薄壁、小尺寸件成形技術(shù)1WP（WarmPressing/Compact1203CIP(ColdIsostaticPressing)－冷等靜壓高均勻性大型粉末冶金制品4HIP(HotIsostaicPressing)-熱等靜壓全致密、高性能、難燒結(jié)粉體材料或部件3CIP(ColdIsostaticPressing)1215SC(SliporSlurryCasting)－粉漿澆注形狀復雜、大尺寸的粉末冶金零部件，特別是陶瓷制品6PR(PowderRolling)&PE(PowderExtruding)-粉末軋制與擠壓一維尺寸很大而其它兩維尺寸較?。ò簟⒐埽┗蛞痪S尺寸相對較?。ò宀模┑闹破?SC(SliporSlurryCasting)－粉1227PF(PowderForging)-粉末鍛造高強度鐵基粉末冶金零部件8RP(RapidPrototyping)－快速成形借助于CAD、CAM，形狀極為復雜的粉末冶金制品7PF(PowderForging)-粉末鍛造123成形技術(shù)的選擇原則幾何要求幾何尺寸、形狀復雜程度性能要求力學、物理性能及幾何精度制造成本（結(jié)合批量、效率）最低成形技術(shù)的選擇原則124§2溫壓技術(shù)粉末與模具被加熱到較低溫度（一般為150℃）下的剛模壓制方法粉末與模具需加熱其它與常規(guī)模壓幾乎相同溫壓與粉末熱壓完全不同溫壓的加熱溫度遠低于熱壓（高于主要組分的再結(jié)晶溫度）被壓制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光潔§2溫壓技術(shù)粉末與模具被加熱到較低溫度（一般為150℃）下1251溫壓技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀溫壓技術(shù)的開發(fā)的原動力需求汽車特別是轎車工業(yè)急需低成本、高性能的鐵基P/M零部件提高汽車在市場上的競爭力

如2011型FordEdge汽車采用了近30KgP/M零件

發(fā)動機：11.8Kg變速系統(tǒng)：11.8Kg其它部分：6.35Kg1溫壓技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀溫壓技術(shù)的開發(fā)的原動力126問題：材質(zhì)調(diào)整和后處理對改善鐵基P/M零部件力學性能的潛力已發(fā)揮到極限孔隙的消極貢獻造成應(yīng)力集中，降低零部件的強度和韌性孔隙降低材料的熱導性能，抑制熱處理對力學性能改善的貢獻潛力應(yīng)提高零件密度問題：127提高鐵基P/M零部件密度的技術(shù)途徑．復壓-復燒工藝：密度達92%左右，形狀復雜程度有限，成本較高滲銅：密度≥95%，但表面較粗糙，形狀、成分設(shè)計有限，成本高液相燒結(jié)：密度≥93%，變形較大，零件精度低，尺寸控制困難，成分設(shè)計有限，成本提高粉末鍛造：全致密，但尺寸精度低，形狀受限，成本較昂貴提高鐵基P/M零部件密度的技術(shù)途徑．復壓-復燒工藝：密度達9128AncorbondeTM工藝（80年代中后期）擴散粘結(jié)鐵合金粉末解決合金元素偏析造成尺寸穩(wěn)定性低組織均勻性差具有潤滑功能的粘接劑（石墨粉末偏析）處理溫壓技術(shù)的前身八十年代中后期意大利NuovaMerisinter公司鐵基粉末與模具的加熱研制１９９１年出現(xiàn)第１項美國專利１９９４年披露

AncordenseTMAncorbondeTM工藝（80年代中后期）129全球共有200余條溫壓生產(chǎn)線150多種溫壓件鐵基P/M零件,密度7.2-7.4g/cm3溫壓保持了傳統(tǒng)模壓的高效、高精度優(yōu)勢提高鐵基零部件的性能和服役可靠性拓寬部件的應(yīng)用范圍在國際粉末冶金產(chǎn)業(yè)界被譽為”開創(chuàng)P/M零件制造技術(shù)新紀元”的新技術(shù)全球共有200余條溫壓生產(chǎn)線130蝸輪輪轂（1.2kg）蝸輪輪轂（1.2kg）131轎車發(fā)動機溫壓連桿轎車發(fā)動機溫壓連桿1322溫壓工藝粉末原料（擴散粘結(jié)鐵粉+新型潤滑劑）

↓

粉末加熱（130℃）

↓

陰模（130-150℃）裝粉

↓

溫壓(600-750MPa)

↓

溫壓壓坯

↓

燒結(jié)

↓

溫壓零部件2溫壓工藝粉末原料（擴散粘結(jié)鐵粉+新型潤滑劑）

↓

粉末加1333溫壓的技術(shù)特點1)低成本制造高性能P/M零部件若WP=1.0，則1P1S=0.82P2S=1.3CopperInfiltration(CI)=1.5Powderforging(PF)=1.8源于加工工序少，模具壽命長，零件形狀復雜程度提高

3溫壓的技術(shù)特點1)低成本制造高性能P/M零部件1342)壓坯密度高相對密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%3)便于制造形狀復雜的零部件低的脫模壓力，↓30%：彈性后效小，↓50%外摩擦力↓高的壓坯強度，↑25-100%高壓坯密度密度分布均勻，密度差↓0.1-0.2g/cm32)壓坯密度高1354)零件強度高(同質(zhì)、同密度)極限抗拉強度↑10%，燒結(jié)態(tài)達1200MPa疲勞強度↑10%若經(jīng)適度復壓，與粉末鍛件相當5)零件表面質(zhì)量高精度提高2個IT級模具壽命長(模具磨損少)6)壓制壓力降低同壓坯密度時，壓力降低140Mpa提高壓機容量

4)零件強度高(同質(zhì)、同密度)1364溫壓加熱系統(tǒng)陰模的加熱：電阻加熱粉末加熱方式熱油循環(huán)溫控穩(wěn)定性好，不易過熱微波加熱速度快，但存在過熱和微波外泄（安全）問題感應(yīng)：與微波相似電阻加熱加熱速度較快，也存在過熱問題4溫壓加熱系統(tǒng)陰模的加熱：電阻加熱137熱油循環(huán)粉末加熱系統(tǒng)熱油循環(huán)粉末加熱系統(tǒng)1385溫壓過程的實質(zhì)塑性變形得以充分進行：加工硬化速度和程度降低↑壓坯密度有效地減小粉末與模壁間的摩擦:增大有效外壓力降低粉末顆粒間的內(nèi)摩擦：便于顆粒間的相互填充↑壓坯密度顆粒重排為主導機理顆粒的塑性變形為前者提高協(xié)調(diào)性變形成為后期的主導致密化機理5溫壓過程的實質(zhì)塑性變形得以充分進行：加工硬化速度和程度降139室溫壓制室溫壓制140塑性變形與顆粒重排對溫壓致密化的相對貢獻塑性變形與顆粒重排對溫壓致密化的相對貢獻141顆粒重排貢獻C1/(C1+C2)壓力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100℃/120℃顆粒重排貢獻C1/(C1+C2)壓力（MPa）142潤滑劑的作用降低粉末顆粒的內(nèi)外摩擦：1)↑有效外壓→密度↑2)顆粒重排得以充分進行→密度↑↑溫度，摩擦系數(shù)μ↓粉末顆粒間的相互填充能力↑→彈性后效↓，脫模壓力↓潤滑劑的作用143技術(shù)核心專用粉末設(shè)計基粉basematerials：高壓縮性高效潤滑劑潤滑劑膜包覆每個顆粒潤滑劑膜具有耐壓性能加熱系統(tǒng)技術(shù)核心144§3注射成形Injectionmoulding1技術(shù)背景

IM是塑料制品的一種通用成形技術(shù)原理是利用熔融塑料的流動行為借助于外壓經(jīng)注射嘴注入特定的形腔由于單純的塑料的強度和耐磨性低，應(yīng)用范圍受到很大限制在熔融塑料中加入諸如金屬或陶瓷粒子作填充劑§3注射成形Injectionmoulding1技術(shù)145能否最大限度地提高塑料中填充劑的體積分數(shù)，而又可以保持塑料的良好流動性能呢？PIM用以制造形狀復雜程度很高的PM小型零部件開發(fā)PIM的先驅(qū)美國AMAXMet.Injet.Moulding和德國BASF公司八十年代初，PIM就實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化能否最大限度地提高塑料中填充劑的體積分數(shù)，而又可以保持塑料的1462PIM工藝概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing（預(yù)混）

↓

Compounding(混煉mixingandpelletizing)

↓

Feedstock（喂料）

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding(脫脂solventandorthermaldebinding/Presintering)

↓

Sintering（燒結(jié)）

↓

PIMparts2PIM工藝概述

Metallicorceramic147粉末冶金原理1課件148粉末冶金原理1課件1493PIM(MIM)工藝的過程控制因素粉末原料1particlesize金屬粉末：一般小于30μm，常用2-8μm陶瓷粉末：通常小于2μm提高粉末燒結(jié)驅(qū)動力脫脂后坯體的強度（增加顆粒的鄰接度）便于混練和注射3PIM(MIM)工藝的過程控制因素粉末原料1502particleshape球形顆粒有利于脫脂后獲得最大的顆粒填充密度和混煉均勻的喂料顆粒外形比（particleaspectratio）λ最好在1-1.5之間脫脂后能獲得最佳的坯件形狀保持性（shaperetention）2particleshape1513particlesizedistribution相當寬或窄的粒度分布易于獲得穩(wěn)定流變性能的喂料便于混練和注射成形Wider↑packingdensity,↓bindercontent→提高注射坯件在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性利于燒結(jié)致密化3particlesizedistribution1524粘結(jié)劑

必須滿足：1）較低的粘度

<0.1Pa.s，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象2）與粉末顆粒潤濕性好強化顆粒與粘結(jié)劑之間的結(jié)合,便于S/B→S/G加入表面活性劑阻止在混練和注射過程中發(fā)生兩相分離粉末聚集現(xiàn)象

4粘結(jié)劑

必須滿足：1533）冷卻后粘結(jié)劑具有足夠的強度和韌性脫脂過程中易于排除，且不易形成脫脂缺陷為滿足混練、注射和脫脂的要求一般采用多組元體系的粘結(jié)劑3）冷卻后粘結(jié)劑具有足夠的強度和韌性1545混練借助于溫度和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使PIM喂料均勻且高度一致性1）混練溫度過高導致粘結(jié)劑“分解”（物理蒸發(fā)）粘度太低易發(fā)生兩相分離現(xiàn)象過低粉末聚集，喂料不均勻5混練借助于溫度和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使PIM喂料均勻且高1552）剪切力由螺桿轉(zhuǎn)速決定太高混練設(shè)備磨損和引入機械夾雜太低粉末聚集2）剪切力156喂料的不一致性導致注射坯件單重變化和造成燒結(jié)坯收縮不一致6注射成形注射壓力和溫度是關(guān)鍵工藝參數(shù)取決于粘結(jié)劑類型與粉末粒度，顆粒形狀注射缺陷及成因void:

shrinkage,entrappedgassinkmarks:

shrinkage,segregation喂料的不一致性導致注射坯件單重變化和造成燒結(jié)坯收縮不一致157weldlines:

jetting,flowaroundcoressurfacepatterns:coldflow,segregationdeformation:

residualstress,ejectionofweakgreenpartsinconsistentshotweight:

inconsistentfeedstock,machinecontrol缺陷大多數(shù)在脫脂或燒結(jié)后才發(fā)現(xiàn)不可挽回的廢品weldlines:jetting,flowaroun1587脫脂脫脂類型熱脫脂(thermaldebinding)和溶劑脫脂(solventdebinding)熱脫脂：在一定溫度和氣氛條件，多元組份中的低熔點組份形成液相（體積膨脹），借毛細作用溢出注射坯體或蒸發(fā)若T≥分解溫度，形成相應(yīng)單分子化合物排出7脫脂脫脂類型159注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)160脫脂過程脫脂過程161熱脫脂過程熱脫脂過程162高熔點組份部分殘留在粉末顆粒接觸處賦予脫脂坯體足夠強度在更高的溫度下脫除溶劑脫脂利用粘結(jié)劑組份在溶劑中的選擇性溶解粘結(jié)劑擴散逸出注射坯體過程進行速度慢高熔點組份部分殘留在粉末顆粒接觸處163常用脫脂方法

先采用溶劑脫脂在注射坯體中形成開孔隙網(wǎng)絡(luò)為后續(xù)熱脫脂的分解產(chǎn)物的排出提供物質(zhì)傳輸通道↓分解產(chǎn)物可能形成的內(nèi)壓造成脫脂缺陷的機會↑脫脂速度常用脫脂方法先采用溶劑脫脂在注射坯體中形成開孔隙網(wǎng)絡(luò)164脫脂方法Wiech法：適于蠟基粘結(jié)劑體系，1980發(fā)明（Ⅰ）法：氣態(tài)溶劑脫脂+液態(tài)溶劑脫脂

真空，T≥粘結(jié)劑的流動溫度→注入氣態(tài)溶劑→粘結(jié)劑的溶劑溶液并滲出坯體（脫除大部分）→液態(tài)溶劑脫脂。變形嚴重，3days（Ⅱ）法：惰性氣體環(huán)境，熱脫脂粘結(jié)劑的蒸汽壓稍高于氣氛壓力,1day（Ⅲ）法：虹吸脫脂除去大部分粘結(jié)劑（200℃，3hrs），常壓氫中熱脫脂,10hrs脫脂方法Wiech法：適于蠟基粘結(jié)劑體系，1980發(fā)明165Injectamax法適于多組元粘結(jié)劑體系（高熔點和低熔點組份）1988年發(fā)明在室溫處于液態(tài)或半固態(tài)低熔點組份→液態(tài)溶劑脫除低熔點組元→高熔點組元熱脫脂6hrsMetamold法（BSAF）—催化脫脂法（九十年代初）適于聚醛樹脂粘結(jié)劑體系，在酸性氣氛下脫脂

Injectamax法適于多組元粘結(jié)劑體系（高熔點和低熔點組166低于粘結(jié)劑的熔點，借助于氣-固反應(yīng)脫脂脫脂過程由表及里減小形成缺陷的可能性精度高，速度快，4mm/h但對設(shè)備具有一定程度的腐蝕低于粘結(jié)劑的熔點，借助于氣-固反應(yīng)脫脂167燒結(jié)PIM坯體經(jīng)脫脂后為多孔結(jié)構(gòu)，導熱系數(shù)很小過快的升溫速度造成坯件表面層優(yōu)先燒結(jié)，形成硬殼阻止內(nèi)部粉末收縮熱應(yīng)力→坯體變形和空洞燒結(jié)PIM坯體經(jīng)脫脂后為多孔結(jié)構(gòu)，導熱系數(shù)很小1684待解決的技術(shù)問題粉末成本：解決粗粉的注射成形問題粘結(jié)劑的回收脫脂時間長，生產(chǎn)效率低鐵基材料、硬質(zhì)合金中碳量控制精度控制缺陷消除4待解決的技術(shù)問題粉末成本：解決粗粉的注射成形問題169§4冷等靜壓等靜壓冷等靜壓和熱等靜壓兩者差異：壓制條件（室溫與加熱，氣體與高壓油）致密化機理CIP-與剛性模壓制相同HIP-燒結(jié)與粉末變形同時發(fā)生§4冷等靜壓等靜壓冷等靜壓和熱等靜壓170優(yōu)點能壓制大尺寸、形狀較復雜的P/M部件毛坯密度分布均勻，壓制壓力降低三軸均勻壓制，能壓制硬脆粉末壓坯強度高單件模具費用低缺點生產(chǎn)效率低精度很低，需大量后續(xù)加工優(yōu)點能壓制大尺寸、形狀較復雜的P/M部件毛坯1711CIP原理—帕斯卡原理借助于高壓泵的作用將流體介質(zhì)壓入耐高壓鋼質(zhì)密閉容器高壓流體的靜壓力直接作用于彈性模套內(nèi)的粉末體依照帕斯卡原理粉末體受到各個方向上大致相等的壓力作用消除了粉末與模套之間的外摩擦密度分布均勻，同一密度所需壓力較模壓降低1CIP原理—帕斯卡原理借助于高壓泵的作用將流體介質(zhì)壓入耐172粉末冶金原理1課件173粉末致密化阻力取決于粉末顆粒間摩擦（內(nèi)摩擦）和顆粒本身的變形能力（顯微硬度）2CIP工藝2.1柔性模套（flexibledieset）的制造耐油、耐壓橡膠：厚度為10mm以下的橡膠板軟模制作聚氯乙烯樹脂、硬脂酸、三鹽基硫酸鉛混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液攪拌成漿料，提拿制模粉末致密化阻力取決于粉末顆粒間摩擦（內(nèi)摩擦）和顆粒本身的變形1742.2工藝流程

粉末混合物裝入軟?！鷵u實→密封→冷靜壓→脫?！骷?CIP坯塊質(zhì)量控制粉末流動性良好裝粉：振動或敲打搖實均勻2.2工藝流程

粉末混合物裝入軟模→搖實→密封→冷靜壓→脫模175密封：防止液壓介質(zhì)滲入模內(nèi)加壓速度：過快導致出現(xiàn)軟心卸壓：過快→分層密封：防止液壓介質(zhì)滲入模內(nèi)1764CIP設(shè)備高壓容器和高壓泵系統(tǒng)組成分類：依高壓容器結(jié)構(gòu)分螺紋式：能承受較高壓力，螺紋磨損拉桿式：較低壓力，拉桿承受壓力框架式：很高壓力，最安全（預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)）4CIP設(shè)備高壓容器和高壓泵系統(tǒng)組成177框架式CIP壓機粉末冶金原理1課件1785壓制方式濕袋式（wetbag）柔性袋浸沒在壓力介質(zhì)中，即無支撐的CIP優(yōu)點能在同一壓力容器中同時壓制不同形狀、尺寸的粉末壓坯模具壽命長，成本低缺點

壓制生產(chǎn)率較低5壓制方式濕袋式（wetbag）179干袋式（drybag）柔性模固定在壓力容器內(nèi)，即有支撐的CIP優(yōu)點生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化模具使用壽命長缺點

每次只能壓制一種產(chǎn)品兩者的區(qū)別

干袋式不取出軟模干袋式（drybag）柔性模固定在壓力容器內(nèi)，即有支撐的C180§5熱等靜壓制1技術(shù)背景在CIP基礎(chǔ)上發(fā)展開發(fā)高性能飛機發(fā)動機用粉末高溫合金（即粉末超合金）渦輪盤粉末高速鋼硬質(zhì)合金軋輥制品§5熱等靜壓制1技術(shù)背景1812HIP原理包套置于一具有發(fā)熱元件的高壓容器內(nèi)，抽出缸內(nèi)空氣壓入30—60Mpa的氬氣，加熱致100Mpa左右借助于高溫、高壓的聯(lián)合作用使粉末體發(fā)生充分致密化獲得全致密高性能P/M制品2HIP原理1823特點幾乎能消除粉末坯體中的所有孔隙，相對密度達0.9999壓力作用，加熱溫度低于通常的燒結(jié)溫度無成份偏析PmHippedHSSForgedHSS

3特點幾乎能消除粉末坯體中的所有孔隙，相對密度達0.999183核廢料HIP處理鑄件等的后處理，消除孔洞或裂紋等設(shè)備投資大，成本高核廢料HIP處理鑄件等的后處理，消除孔洞或裂紋等1843HIP壓機的分類螺紋式和框架式螺紋式螺紋承受軸向壓力缺點：工作壓力難以均勻地由各個螺紋承擔→巨大應(yīng)力集中→斷裂→爆炸框架式軸向壓力通過上下活塞傳遞到框架，應(yīng)力均勻分布，安全系數(shù)高3HIP壓機的分類185框架式HIP框架式HIP186粉末冶金原理1課件187粉末冶金原理1課件1884HIP壓機的結(jié)構(gòu)4HIP壓機的結(jié)構(gòu)189發(fā)熱元件

NiCrAl絲（1200℃）；Mo絲（1800℃）；W絲及鎢錸合金，石墨（2000℃以上）隔熱屏爐內(nèi)溫度在1000-3000℃，缸體溫度為100-200℃高效隔熱屏，多層結(jié)構(gòu)壓縮機真空系統(tǒng)發(fā)熱元件

NiCrAl絲（1200℃）；Mo絲（1800℃）190油壓機構(gòu)控制上下活塞開閉和框架移動5包套材料選擇準則可塑性和強度不破裂和隔絕高壓氣體滲入良好的可加工性和可焊接性不與粉末發(fā)生反應(yīng)和造成污染HIP后易被除去成本低油壓機構(gòu)191中低碳鋼：適于粉末高速鋼，<1400℃Ni：Ti,陶瓷，<1430℃不銹鋼：不銹鋼，<1350℃鉛-堿玻璃：金屬，陶瓷，<630℃高硅玻璃：金屬，陶瓷，890-1600℃石英玻璃：1130-1600℃中低碳鋼：適于粉末高速鋼，<1400℃1926HIP工藝流程粉末→裝入包套→真空脫氣（或加熱）→檢漏→封焊→HIP→出爐→除去包套（陶瓷、玻璃：敲碎；金屬：機加工）→表面清理→HIP產(chǎn)品6HIP工藝流程粉末→裝入包套→真空脫氣（或加熱）1937壓制方式取決于包套材料金屬：

↑P，↑T（可采用低壓壓縮機系統(tǒng)）玻璃、陶瓷和金屬：↑T，↑P玻璃、陶瓷和金屬：

↑(T，P)熱裝爐操作工件在預(yù)熱爐加熱，轉(zhuǎn)入HIP壓機↑生產(chǎn)效率7壓制方式取決于包套材料1948HIP的應(yīng)用HIP成形航空發(fā)動機壓氣機鎳基合金渦輪盤鑄件處理擴散聯(lián)結(jié)：M/C，C/C，M/M核廢料處理

8HIP的應(yīng)用1959陶瓷模工藝陶瓷粒子作傳壓介質(zhì)陶瓷粒子的可流動性普通壓機加壓設(shè)備投資少9陶瓷模工藝196§6粉末擠壓1定義與分類定義將粉末、粉末壓坯或粉末燒結(jié)坯在外力作用下，通過擠壓筒的擠壓嘴擠成坯料或制品的成形方法分類§6粉末擠壓1定義與分類197粉末直接擠壓（冷擠壓）：塑性好的金屬粉末粉末增塑擠壓：加入一定量的成形劑或粘結(jié)劑，硬質(zhì)粉末如硬質(zhì)合金粉末粉末包套熱擠：彌散強化合金等燒結(jié)坯或粉末壓坯的熱擠壓：塑性較好的有色金屬材料粉末直接擠壓（冷擠壓）：塑性好的金屬粉末1982粉末增塑擠壓原理粉末在擠壓筒內(nèi)的受力情況三向受壓縮，一方向變形沖頭施加的壓力P，筒壁約束產(chǎn)生側(cè)壓力Ph，相對運動產(chǎn)生摩擦力Pf

Ph=ξP,Pf=μPh=ξμP

物料被擠出的條件：P≥Pf+PR(變形阻力)

2粉末增塑擠壓原理粉末在擠壓筒內(nèi)的受力情況199粉末冶金原理1課件200物料運動示意圖物料運動示意圖2013擠壓過程增塑劑（plasticizer）石蠟+粘結(jié)劑PVA+硬脂酸（表面活性劑）低密度聚乙烯LDPE/硬脂酸SA聚丙烯PP/SA添加總量為6-8.5%粗顆粒粉末或厚壁件取下限細顆粒粉末或薄壁件取上限3擠壓過程增塑劑（plasticizer）202硬質(zhì)合金增塑擠壓工藝流程粉末料+增塑劑

↓

摻合（40-50℃）

↓

預(yù)壓（排氣，提高料密度）

↓

擠壓（40-50℃）

↓

擠壓坯

↓

脫增塑劑

↓

燒結(jié)

↓

制品硬質(zhì)合金增塑擠壓工藝流程粉末料+增塑劑

↓

摻合（40-502034粉末熱擠壓借助于高溫的作用改善金屬的塑性流動性能，使坯體發(fā)生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材應(yīng)用燒結(jié)坯熱擠壓：塑性好的金屬與合金粉末包套熱擠壓含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等高溫合金或彌散強化材料包套制作工藝與HIP相同4粉末熱擠壓借助于高溫的作用改善金屬的塑性流動性能，使坯體204§7粉末軋制1定義與分類定義將粉末引入一對軋棍之間并使之壓實成具有一定粘結(jié)強度的連續(xù)帶坯的成形方法分類粉末直接軋（directpowderrolling）塑性良好的粉末（應(yīng)用多）粘結(jié)粉末軋制(bondedpowderrolling)加入粘結(jié)劑改善粉末體的成形性§7粉末軋制1定義與分類205包套粉末熱軋cannedpowderhotrolling活性粉末和高致密度的坯帶2粉末軋制原理包套粉末熱軋206特征區(qū)Ⅰ區(qū)-自由流動區(qū)顆粒受重力和因顆粒下移而產(chǎn)生顆粒間的摩擦力作用Ⅱ區(qū)-喂料區(qū)輥表面施予粉末一定的摩擦力，帶動粉末顆粒進入輥之間，導致粉末被咬入

特征區(qū)Ⅰ區(qū)-自由流動區(qū)207Ⅲ區(qū)-壓軋區(qū)粉末質(zhì)量不變，體積縮小，密度增加Ⅲ區(qū)-壓軋區(qū)208特征區(qū)特征區(qū)209粉末軋制示意圖粉末軋制示意圖210Hα=D(1-COSα)+δRδR--帶坯厚度α–咬入角質(zhì)量不變Hα.B.Vin.ρo=δR.b.Vout.ρ→ρ=（Hα.Vin.ρo）/（δR.Vout）

令軋延系數(shù)η=Vout/Vin壓實系數(shù)Z=ρ/ρo,則

ρ=ρo[1+D(1-COSα)/δR]/η

或δR=D(1-COSα)/(ηZ-1)Hα=D(1-COSα)+δR2113軋制過程的影響因素粉末性能粉末可軋制性:可塑性、成形性和流動性流動性粉末具有足夠成形性的同時，愈高愈好粉末硬度低的粉末硬度便于變形和形成高的機械嚙合，↑成形性3軋制過程的影響因素粉末性能212軋輥直徑↑D,ρ（δR固定）、Hα↑給料方式水平與垂直m↑，ρ、δR↑軋制速度↑ω,ρ、δR↓（m不變）輥縫t↑t，軋制壓力降低，ρ↓，δR↑軋輥直徑2134粉末軋制的應(yīng)用多孔板材，如過濾板、催化劑板材層狀復合材料帶、板材纖維增強復合材料4粉末軋制的應(yīng)用214§8粉漿澆注slurrycasting大尺寸、形狀復雜陶瓷坯件成形的常用方法1料漿的制備由金屬粉末或纖維與分散劑等組成的混合物具有一定的流動性、粘度和相對穩(wěn)定性分散劑：水或酒精§8粉漿澆注slurrycasting大尺寸、形狀復雜陶215添加劑粘結(jié)劑賦予澆注件以足夠強度PVA，PEG，藻酸鈉，3%穩(wěn)定劑阻止粉末顆粒間的聚集，加入弱酸、堿，在顆粒表面上吸附H+或OH-離子靜電吸附，同性相斥→分離添加劑216除氣劑表面活性劑，減小氣-固界面能，使顆粒表面吸附的氣體脫附，有利于防止顆粒聚集和消除坯間氣孔正丁醇調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)料漿粘度，改善流動性NaOH,HCl稀溶液，氨水溶液除氣劑2172石膏模制作石膏粉末粒度細，吸水能力強制作過程石膏粉末+水（1：1.5）→外加1%尿素→混勻→注入型箱→干燥→取出型芯→干燥（40-50℃）→石膏模2石膏模制作石膏粉末粒度細，吸水能力強2183澆注離型劑硅油或肥皂水隔絕粉末顆粒與石膏顆粒間的接觸和控制吸水速度但會降低后續(xù)使用時吸水速度3澆注離型劑2194影響因素粉末粒度細粉末利于澆注液固比影響粉漿粘度和粉末沉降速度粉漿的PH值影響粉漿粘度和粉末沉降速度分散劑與粘結(jié)劑粉漿的粘度和沉降速度和坯體強度石膏模的吸水能力4影響因素粉末粒度細粉末利于澆注2205顆粒的偏析效應(yīng)漿料在石膏模形腔的固化受控于顆粒隨分散劑流向模壁的運動重力場中沉降作用5顆粒的偏析效應(yīng)漿料在石膏模形腔的固化受控于221顆粒偏析效應(yīng)示意圖粉末冶金原理1課件222

顆粒的堵塞效應(yīng)示意圖粉末冶金原理1課件223研究發(fā)現(xiàn),偏析現(xiàn)象細顆?；蜉p質(zhì)顆粒的重力沉降作用較小,顆粒堵塞效應(yīng)明顯粗顆粒或重質(zhì)顆粒隨分散劑的運動較小,重力沉降效應(yīng)顯著料漿的固液比,顆粒尺寸差異,顆粒比重差異,石膏模的吸水速度研究發(fā)現(xiàn),偏析現(xiàn)象224利用這一現(xiàn)象可制備梯度復合材料Fe-Cu/WC復合材料的硬度在澆注方向上的變化利用這一現(xiàn)象可制備梯度復合材料225§93D打印技術(shù)簡介1原理3D打印技術(shù)分為四類，包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。其中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是在激光照射下進行燒結(jié)，在激光燒結(jié)的過程中，為防止金屬的氧化，必須將金屬粉末密封在容器中進行。激光燒結(jié)技術(shù)的特點主要是采用多種材料，對形狀沒有要求，精度高、材料利用率高。同時我們也應(yīng)該看到，激光燒結(jié)成形速度較慢，強度較低，打印機價格非常昂貴。在激光燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的激光熔化技術(shù)是一種金屬件直接成形方法，是快速成形技術(shù)的最新發(fā)展。激光熔化技術(shù)有很多優(yōu)點，它可以直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)，可得到冶金結(jié)構(gòu)的金屬實體，密度接近百分之百，工件也較高的拉伸強度，較低的粗糙度，較高的尺寸精度，適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復雜異型結(jié)構(gòu)的模型?！?3D打印技術(shù)簡介1原理2262構(gòu)成粉末包套和炸藥引爆裝置3應(yīng)用硬質(zhì)粉末或形狀復雜的大型粉末部件的成形超大型金屬板材的焊接2構(gòu)成2273D打印技術(shù)分為四類，包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)、熔融沉積造型技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。其中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是在激光照射下進行燒結(jié)，在激光燒結(jié)的過程中，為防止金屬的氧化，必須將金屬粉末密封在容器中進行。激光燒結(jié)技術(shù)的特點主要是采用多種材料，對形狀沒有要求，精度高、材料利用率高。同時我們也應(yīng)該看到，激光燒結(jié)成形速度較慢，強度較低，打印機價格非常昂貴。在激光燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的激光熔化技術(shù)是一種金屬件直接成形方法，是快速成形技術(shù)的最新發(fā)展。激光熔化技術(shù)有很多優(yōu)點，它可以直接制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)，可得到冶金結(jié)構(gòu)的金屬實體，密度接近百分之百，工件也較高的拉伸強度，較低的粗糙度，較高的尺寸精度，適合各種復雜形狀的工件，尤其適合內(nèi)部有復雜異型結(jié)構(gòu)的模型。3D打印技術(shù)分為四類，包括固化成形技術(shù)、疊層實體制造技術(shù)、熔228第六章

液相燒結(jié)

Liquidphasesintering§1概述1液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展在陶瓷領(lǐng)域發(fā)展起來在7000年前，古人用粘土礦物燒制建筑用磚塊陶器，瓷器，耐火材料當今的高技術(shù)陶瓷廣泛采用液相燒結(jié)技術(shù)制造耐磨陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體，電子基板及高溫結(jié)構(gòu)陶瓷第六章液相燒結(jié)

Liquidphasesinteri229液相燒結(jié)在金屬加工技術(shù)中的應(yīng)用大約在400年前古印加人加工昂貴的金鉑首飾和工藝品現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展開發(fā)液相燒結(jié)技術(shù)是滿足愛迪生發(fā)明電燈絲（W）的需求拉絲模：天然金剛石替代材料發(fā)展階段初期：采用鑄造WC在冷卻過程中分解成脆性W2C，WC和石墨相

液相燒結(jié)在金屬加工技術(shù)中的應(yīng)用230

第二階段：WC粉末壓制并在低于2600度燒結(jié)制品仍表現(xiàn)為本質(zhì)脆性無工業(yè)應(yīng)用價值突破階段：一戰(zhàn)前夕，德國化學家KARL1922年發(fā)明了粘結(jié)碳化物拉絲模（Ni,Fe,Co）1923年申請了發(fā)明專利標志著現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)成功地應(yīng)用金屬工業(yè)中

231二十世紀二十年代初硬質(zhì)合金工具材料及稍后的青銅含油軸承的成功的開發(fā)三十年代初期（二戰(zhàn)前奏）高比重合金的開發(fā)與應(yīng)用為液相燒結(jié)奠定了理論基礎(chǔ)液相燒結(jié)技術(shù)發(fā)展迅速用以制造高性能的P/M材料二十世紀二十年代初硬質(zhì)合金工具材料及稍后的青銅含油軸承的成功232包括電接觸材料、軸瓦材料（Al-Pb）工具鋼、超合金磁性材料、汽車零部件航天材料電子焊料（solderingpaste）等包括2332液相燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)、缺點優(yōu)點1)加快燒結(jié)速度

a液相的形成加快了原子遷移速度

遷移通道與速度↑

b在無外壓的情況下，毛細管力的作用加快坯體的收縮c液相的存在降低顆粒間的摩擦有利于顆粒重排列便于獲得固相晶粒的緊密堆積2)晶粒尺寸可以通過調(diào)節(jié)液相燒結(jié)工藝參數(shù)加以控制優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)和性能2液相燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)、缺點優(yōu)點2343)可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高4)粉末顆粒的尖角處優(yōu)先溶于液相易于獲得有效的顆粒間填充不足之處變形（distortion，slumping）燒結(jié)坯體液相數(shù)量過大或混合粉的粒度、混合不均勻時易出現(xiàn)變形收縮大尺寸精度控制困難3)可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高2353定義和分類

什么是液相燒結(jié)？

燒結(jié)溫度高于燒結(jié)體系低熔組分的熔點或共晶溫度的多元系粉末燒結(jié)過程或燒結(jié)過程中出現(xiàn)液相的粉末燒結(jié)過程統(tǒng)稱為液相燒結(jié)分類瞬時液相燒結(jié)穩(wěn)定液相燒結(jié)熔浸超固相線液相燒結(jié)3定義和分類2361.瞬時液相燒結(jié)Transientliquidphasesintering在燒結(jié)中、初期存在液相，后期液相消失的燒結(jié)過程特點：燒結(jié)中初期為液相燒結(jié)，后期為固相燒結(jié)體系：Cu-Sn,Cu-Pb,Ag-Hg,Ni-Ag,Fe-Fe3P,Fe-Cu3P,Fe-Ni-Al、Fe-Cu(<10%)等液相數(shù)量(體積分數(shù))取決于1）成分（低熔點組分的含量）1.瞬時液相燒結(jié)Transientliquidphase2372）升溫速度3）粉末顆粒的粒度提高液相數(shù)量的途徑1）提高低熔點組分含量2）升溫速度快3）粒度較粗高熔點組分顆粒與液相接觸面積小減小擴散面積粉末冶金原理1課件2382穩(wěn)定液相燒結(jié)Persistentliquidphasesintering燒結(jié)過程始終存在液相的燒結(jié)過程Insoluble:W（Mo）-Cu(Ag)、WC-Cu（Ag）、Cu-TiB2等Soluble:指固相在液相中溶解，如WC-Co、W-Ni、W-Ni-Fe(Cu，Mn)、TiC-Ni、Pb-Sn,Fe-Cu(>10%)等3熔浸Infiltration多孔骨架的固相燒結(jié)和低熔點金屬滲入骨架后的液相燒結(jié)過程前期為固相燒結(jié)，后期為液相燒結(jié)全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等復合材料2穩(wěn)定液相燒結(jié)2394.超固相線液相燒結(jié)Supersolidiusliquidphasesintering

燒結(jié)溫度在合金固相線溫度之上的液相燒結(jié)過程

液相在多晶粉末顆粒內(nèi)形成,是一種在微區(qū)范圍內(nèi)較普通液相燒結(jié)更為均勻的燒結(jié)過程

高碳鐵合金，工具鋼，粉末超合金,納米晶復合WC-Co粉末等的燒結(jié)4.超固相線液相燒結(jié)240§2液相燒結(jié)的條件1液相必須潤濕固相顆粒(goodwetability)

液相燒結(jié)的前提

燒結(jié)體系滿足Yong方程γS=γSL+γLCosθ

θ-潤濕角§2液相燒結(jié)的條件1液相必須潤濕固相顆粒2411)θ=0液相充分潤濕固相顆粒固液界面充分取代固氣界面最理想的液相燒結(jié)條件2)θ>90O液相被推出燒結(jié)體，發(fā)生反燒結(jié)現(xiàn)象燒結(jié)氣氛與固相或液相組分間形成穩(wěn)定氧化物或氮化物體系如Al-Pb,Cu-Al,Cu-Sn，Cu-Pb等粉末冶金原理1課件242

液相滲出“出汗”粉末冶金原理1課件2433)0<θ<900這是普通的液相燒結(jié)情況燒結(jié)效果一般θ降低利于固/液界面取代固/氣界面燒結(jié)效果↑加入合金元素改善液相對固相顆粒的潤濕性促進液相燒結(jié)過程3)0<θ<900244潤濕角的影響因素1)燒結(jié)溫度：T↑，θ↓主要降低γSL2)燒結(jié)時間：潤濕是一動態(tài)平衡過程，t↑，θ↓3）添加劑：↓θ添加劑能促進固相與液相間的物理溶解和輕微的化學反應(yīng)潤濕角的影響因素245TiC-Ni：添加MoW-Cu：添加Ni,Co,Fe4）固相顆粒的表面狀態(tài)固相顆粒的粗糙度↑，↑固-氣界面能潤濕過程易于進行TiC-Ni：添加Mo2465）燒結(jié)氣氛液相或固相氧化膜的形成成形劑分解后的殘?zhí)迹ㄨF基，YG合金除外）固相表面的氮化物（TiC-Ni中形成碳氮化合物）導致潤濕性下降

另外，體系中的二面角越小，液相燒結(jié)效果越好5）燒結(jié)氣氛2472固相在液相中具有有限的溶解度

(solubilityofsolidinliquid)

結(jié)果是1)溶解可改善潤濕性2)增加液相的數(shù)量即體積分數(shù)，促進致密化3)顆粒表面突出部位的化學位較高產(chǎn)生優(yōu)先溶解，通過擴散和液相流動在顆粒凹陷處析出

改善固相晶粒的形貌（表面光滑化與輪廓球化）減小顆粒重排的阻力2固相在液相中具有有限的溶解度2484)馬欒哥尼效應(yīng)有利于液相遷移

溶質(zhì)濃度的變化導致固液界面面張力梯度驅(qū)動液相流動

固液界面能γSL與燒結(jié)時間的關(guān)系粉末冶金原理1課件2495)增加了固相物質(zhì)遷移通道加速燒結(jié)過高的溶解度造成燒結(jié)體的變形為晶粒異常長大提供條件液相在固相中固溶，造成液相數(shù)量減小5)增加了固相物質(zhì)遷