粉末冶金原理第二粉末成形

粉末冶金原理第二粉末成形第1頁/共221頁1課程的任務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用:功能性隱形涂料

Fe,Ni及其合金納米粉末食品醫(yī)藥超細鐵粉第2頁/共221頁涂料

汽車用Al粉,變壓器用超細銅粉自發(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……第3頁/共221頁絕大多數(shù)作為應用于工程結(jié)構(gòu)中部件(結(jié)構(gòu)件、功能件或結(jié)構(gòu)功能一體化件)的制造原料粉末冶金制品加工成塊體材料或部件需經(jīng)過成形（shapingorforming）和燒結(jié)(sintering)操作成形和燒結(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用第4頁/共221頁2課程對象材料設計的概念工程應用(服役條件)→技術(shù)指標（性能要求）→材料性能設計→微觀結(jié)構(gòu)設計→材質(zhì)類型、加工工藝設計(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系第5頁/共221頁研究粉末冶金加工過程中的相關工程科學（EngineeringScience）問題研究粉末成形與燒結(jié)過程中的工程科學問題第6頁/共221頁3粉末冶金技術(shù)的主要特點粉末冶金既是冶金方法，也是零件制造技術(shù)什么是粉末冶金？利用金屬粉末或化合物粉末為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)操作，制取金屬材料及其復合材料的加工方法第7頁/共221頁1）經(jīng)濟性：低成本將材料冶金與零件制造有機地結(jié)合在一起，直接制造零部件加工流程少，能耗低，材料利用率高生產(chǎn)效率高制造過程高度自動化第8頁/共221頁齒輪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）→齒輪第9頁/共221頁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齒輪傳統(tǒng)工藝比粉末冶金工藝①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個第10頁/共221頁Powderpress全自動液壓機第11頁/共221頁Adaptor模架第12頁/共221頁SinteringFurnace:網(wǎng)帶燒結(jié)爐第13頁/共221頁第14頁/共221頁轎車部件第15頁/共221頁電動工具與汽車部件第16頁/共221頁齒輪保持架(Ford)第17頁/共221頁汽車發(fā)動機用粉末燒結(jié)鋼零件第18頁/共221頁汽車變速器系統(tǒng)用粉末燒結(jié)鋼件第19頁/共221頁粉末鍛造（PowderForged）連桿第20頁/共221頁不銹鋼注射成形件第21頁/共221頁2）便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)材料等第22頁/共221頁

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：5-6萬件第23頁/共221頁4）綠色環(huán)保廢棄物排放很低“潔凈”冶金第24頁/共221頁粉末冶金技術(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，低拉伸塑性這些不足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用范圍第25頁/共221頁5粉末冶金材料應用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第26頁/共221頁2）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第27頁/共221頁3）航天航空火箭發(fā)動機喉襯及噴管飛機發(fā)動機蝸輪葉片等導彈鼻錐等衛(wèi)星導航陀螺等制動材料4）微電子電子封裝熱沉材料第28頁/共221頁5）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……..第29頁/共221頁

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)變成具有足夠強度的幾何體的過程粉末顆粒間的結(jié)合力為機械嚙合力或范德華力分類：剛性模（rigiddie）壓制

普通模壓、溫壓與模壓流動成形第30頁/共221頁非模壓成形冷、熱等靜壓，注射成形，粉末擠壓，粉末軋制，粉漿澆注，無模成型，噴射成形，爆炸成形等第31頁/共221頁

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32頁/共221頁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，真空第33頁/共221頁2合批與混合

blending

and

mixing混合將不同成分的粉末混合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第34頁/共221頁混合方式干混法：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)第35頁/共221頁濕磨的主要優(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若固液比保持得當，可減輕組元偏析第36頁/共221頁混合機理簡介粉末床的運動行為第37頁/共221頁

粉末整體滾動小瀑布狀落下第38頁/共221頁大瀑布狀落下離心狀第39頁/共221頁取決于園筒形混合器的轉(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)響應角,與顆粒間摩擦力大小有關)裝料量筒壁的粗糙程度第40頁/共221頁在滾動與離心狀態(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予避免第41頁/共221頁處于滾動狀態(tài)時顆粒的微觀運動狀態(tài)第42頁/共221頁零速度區(qū)很容易在裝料大于50%時出現(xiàn)第43頁/共221頁混合機理第44頁/共221頁嚴格意義上的擴散過程并不存在實際上為微區(qū)內(nèi)的顆粒對流粉末顆粒混合通過對流與剪切作用實現(xiàn)第45頁/共221頁混合均勻度(成分偏差)與時間的關系第46頁/共221頁添加適當數(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第47頁/共221頁偏析(segregation)現(xiàn)象反混合現(xiàn)象涉及相容性問題—“物以類聚”Differencesinparticledensity顆粒之間密度差Particlesize粒度差異Particleshape顆粒形狀球形顆粒與針狀顆粒具有最小的偏析趨勢第48頁/共221頁第49頁/共221頁第50頁/共221頁第51頁/共221頁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備的類型混合工藝第52頁/共221頁裝料量球料比轉(zhuǎn)速研磨體的尺寸及其搭配對于給定的粉末和混合設備，最佳混合工藝一般采用實驗加以確定第53頁/共221頁雙錐形混料機第54頁/共221頁V形混料機第55頁/共221頁多維混料機第56頁/共221頁混合方式機械法混合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包覆粉末第57頁/共221頁無偏聚（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第58頁/共221頁3成形劑(binder)和潤滑劑(lubricant)成形劑場合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以提高生坯強度，利于成形第59頁/共221頁2)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等第60頁/共221頁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)生反應分解溫度范圍較寬分解產(chǎn)物不污染環(huán)境第61頁/共221頁潤滑劑↓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↓粉末顆粒之間的摩擦第62頁/共221頁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)第63頁/共221頁潤滑方式粉末內(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靜電噴涂溶液涂敷第64頁/共221頁靜電噴涂模壁潤滑系統(tǒng)第65頁/共221頁粉末潤滑與模壁潤滑零件表面質(zhì)量差異第66頁/共221頁4制粒pelletizingorgranulating細小顆?；蛴操|(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第67頁/共221頁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）制粒方法擦篩制粒旋轉(zhuǎn)盤制粒擠壓制粒噴霧干燥第68頁/共221頁§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)第69頁/共221頁第70頁/共221頁影響因素粉末顆粒間內(nèi)摩擦表面粗糙度潤滑條件顆粒的顯微硬度顆粒形狀顆粒間可用于相互填充的空間（孔隙度）加壓速度第71頁/共221頁1.2粉末的變形彈性變形顆粒間的接觸應力≤材料彈性極限塑性變形顆粒接觸應力≥金屬的屈服強度點接觸處局部→面接觸處局部→整體斷裂第72頁/共221頁第73頁/共221頁脆性粉末點接觸應力>斷裂強度→斷裂塑性粉末點接觸應力>屈服強度→塑性變形→加工硬化→脆化→斷裂第74頁/共221頁2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、流動性存在一定聯(lián)系第75頁/共221頁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）第76頁/共221頁第77頁/共221頁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第78頁/共221頁2.2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)應力釋放的結(jié)果彈性后效與殘留應力相關壓制壓力粉末顆粒的彈性模量第79頁/共221頁粉末粒度組成（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Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C第80頁/共221頁3壓坯強度

Green

strength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）和接觸面積第81頁/共221頁顆粒間的結(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第82頁/共221頁硬脂酸鋅及成形劑添加與否高模量組份的含量第83頁/共221頁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第84頁/共221頁外在因素：殘余應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第85頁/共221頁§3壓坯密度與壓制壓力間的關系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第86頁/共221頁側(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第87頁/共221頁在距上沖為X處的有效外壓PxPx=Poexp(-4ξμX/D)D為模腔內(nèi)徑模壁作用在粉末體上的側(cè)壓力和摩擦力也呈現(xiàn)相似的分布第88頁/共221頁3.2脫模壓力（ejectionforce）靜脫模力（stripingforce）滑動脫模力(slidingforce)與坯件的彈性模量，殘留應變量即彈性后效及其與模壁之間的摩擦系數(shù)直接相關第89頁/共221頁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)面積第90頁/共221頁3密度與壓力間的關系—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/dt第91頁/共221頁

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應變馳預時間第92頁/共221頁標準線性固體（SLS體）M體與H體并聯(lián)σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)第93頁/共221頁標準非線性固體（SNLS體）(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)n<1τ1、τ2分別為應力、應變馳豫時間恒應力σo作用并充分保壓（dp/dt=0），經(jīng)數(shù)學變換得σon=Mε或σo=(Mε)1/n第94頁/共221頁

2.2大程度應變的處理自然應變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]}第95頁/共221頁3.2巴爾申方程基本假設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-對應于壓縮量；A-顆粒間有效接觸面積第96頁/共221頁積分、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第97頁/共221頁在高壓與低壓情形下出現(xiàn)偏差的原因低壓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模量高于計算值（即理論值），產(chǎn)生偏高現(xiàn)象高壓粉末產(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第98頁/共221頁2.4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=壓制模量對原模型進行修正，并采用模型第99頁/共221頁

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、合金化等相關適應性硬質(zhì)或軟質(zhì)粉末均有效第100頁/共221頁§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第101頁/共221頁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第102頁/共221頁內(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第103頁/共221頁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第104頁/共221頁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不能正常實現(xiàn)成形，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第105頁/共221頁第106頁/共221頁模具的潤滑狀態(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第107頁/共221頁密度分布均勻性(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，密度分布也較均勻第108頁/共221頁模具設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）和加工方法第109頁/共221頁3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計第110頁/共221頁第111頁/共221頁4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提高密度分布均勻性第112頁/共221頁裂紋：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第113頁/共221頁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114頁/共221頁優(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)的粉末冶金部件第115頁/共221頁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，即單重較輕第116頁/共221頁后果1）壓坯強度低坯體中存在殘留應力2）燒結(jié)收縮不均勻高低密度區(qū)的收縮不一致第117頁/共221頁對粉體材料技術(shù)優(yōu)越性認識的深化各工業(yè)領域?qū)π虏牧系男枨蟀l(fā)展新的粉末成形技術(shù)第118頁/共221頁成形技術(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、小尺寸件第119頁/共221頁3CIP(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)粉體材料或部件第120頁/共221頁5SC(SliporSlurryCasting)－粉漿澆注形狀復、雜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小（棒、管）或一維尺寸相對較?。ò宀模┑闹破返?21頁/共221頁7PF(PowderForging)-粉末鍛造技術(shù)高強度鐵基粉末冶金零部件8RPF(RapidPrototypeForming)－無模成形技術(shù)借助于計算機模擬控制粉末物料有序沉積，形狀極為復雜的大型粉末冶金制品第122頁/共221頁成形技術(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）最低第123頁/共221頁§2溫壓技術(shù)粉末與模具被加熱到較低溫度（一般為150℃）下的剛模壓制方法除粉末與模具需加熱以外，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，表面光潔第124頁/共221頁1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，以提高汽車在市場上的競爭力問題：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)揮到極限第125頁/共221頁孔隙的消極貢獻造成應力集中，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提高鐵基P/M零部件密度的技術(shù)途徑復壓-復燒工藝

第126頁/共221頁密度達92%左右，形狀復雜程度有限，成本較高滲銅密度大于95%，但表面較粗糙，形狀、成分設計有限，成本高液相燒結(jié)密度可達93%，變形較大，零件精度低，尺寸控制困難，成分設計有限粉末鍛造全致密，但尺寸精度低，形狀受限，成本昂貴第127頁/共221頁AncorbondeTM工藝（80年代后期）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溫壓技術(shù)的前身第１項美國專利（１９９１年）１９９４年披露，

AncordenseTM全球共有200余條溫壓生產(chǎn)線150多種溫壓件第128頁/共221頁鐵基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)勢提高了鐵基零部件的性能和服役可靠性拓寬了部件的應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)第129頁/共221頁蝸輪輪轂（1.2kg）第130頁/共221頁轎車發(fā)動機溫壓連桿第131頁/共221頁2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℃）

↓

陰模裝粉（130-150℃）

↓

溫壓(600-750MPa)

↓

溫壓壓坯

↓

燒結(jié)

↓

溫壓零部件第132頁/共221頁3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

第133頁/共221頁2)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%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/cm3第134頁/共221頁4)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

第135頁/共221頁4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：與微波相似電阻加熱加熱速度較快，也存在過熱問題第136頁/共221頁熱油循環(huán)粉末加熱系統(tǒng)第137頁/共221頁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第138頁/共221頁塑性變形與顆粒重排對溫壓致密化的相對貢獻第139頁/共221頁顆粒重排貢獻C1/(C1+C2)壓力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100℃/120℃第140頁/共221頁潤滑劑的作用降低粉末顆粒的內(nèi)外摩擦，↑有效外壓→密度↑↑溫度，摩擦系數(shù)μ↓，利于塑性變形和粉末顆粒間的相互填充，彈性后效↓，脫模壓力↓技術(shù)核心專用粉末設計基粉basematerials高效潤滑劑(潤滑劑膜包覆每個顆粒，膜具有耐壓性能)加熱系統(tǒng)第141頁/共221頁§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第142頁/共221頁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P/M小型零部件開發(fā)PIM的先驅(qū)美國AMAX

Met.Injet.Moulding和德國BASF公司八十年代初，PIM就實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化第143頁/共221頁2PIM工藝概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing（預混）

↓

Compounding(混煉mixingandpelletizing)

↓

Feedstock（喂料）

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding(脫脂，solventandorthermaldebinding/Presintering)

↓

Sintering（燒結(jié)）

↓

PIMparts第144頁/共221頁第145頁/共221頁第146頁/共221頁3PIM(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）便于混練和注射第147頁/共221頁2particleshape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）第148頁/共221頁3particlesizedistribution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)致密化第149頁/共221頁粘結(jié)劑

必須滿足較低的粘度

<0.1Pa.s，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象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

第150頁/共221頁冷卻后粘結(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)劑第151頁/共221頁混練借助于溫度和剪切應力的聯(lián)合作用，使PIM喂料均勻且高度一致性混練溫度過高導致粘結(jié)劑分解因粘度太低而發(fā)生兩相分離現(xiàn)象過低粉末聚集，喂料不均勻性第152頁/共221頁剪切力由旋轉(zhuǎn)速度決定太高混練設備磨損和引入機械夾雜太低粉末聚集第153頁/共221頁喂料的不一致性導致注射坯件單重變化和造成燒結(jié)坯收縮不一致注射成形注射壓力和溫度是關鍵工藝參數(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第154頁/共221頁weldlines:

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)不可挽回的廢品第155頁/共221頁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，形成相應單分子化合物排出第156頁/共221頁注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)第157頁/共221頁脫脂過程第158頁/共221頁熱脫脂過程第159頁/共221頁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第160頁/共221頁常用脫脂方法

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↑脫脂速度第161頁/共221頁脫脂方法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第162頁/共221頁Injectamax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

第163頁/共221頁低于粘結(jié)劑的熔點，借助于氣-固反應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但對設備具有一定程度的腐蝕第164頁/共221頁燒結(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)部粉末收縮熱應力→坯體變形和空洞第165頁/共221頁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第166頁/共221頁§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)生第167頁/共221頁

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)加工第168頁/共221頁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第169頁/共221頁第170頁/共221頁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）內(nèi)摩擦的影響因素粉末顆粒的表面形貌粉末顆粒形狀粉末顆粒尺寸金屬粉末的顯微硬度第171頁/共221頁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2.2工藝流程

粉末混合物裝入軟?！鷵u實→密封→冷靜壓→脫?！骷?72頁/共221頁3CIP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→分層第173頁/共221頁4CIP設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（預應力結(jié)構(gòu)）第174頁/共221頁框架式CIP壓機第175頁/共221頁5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)率較低第176頁/共221頁干袋式（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

干袋式不取出軟模第177頁/共221頁§5熱等靜壓制1技術(shù)背景在CIP基礎上發(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)合金軋輥制品第178頁/共221頁2HIP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制品第179頁/共221頁3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)溫度無成份偏析核廢料HIP處理，避免環(huán)保問題和對操作人員的損害鑄件等的后處理，消除孔洞或裂紋等設備投資大，成本高

第180頁/共221頁3HIP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，應力均勻分布，安全系數(shù)高第181頁/共221頁框架式HIP第182頁/共221頁4HIP壓機的結(jié)構(gòu)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)第183頁/共221頁油壓機構(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)生反應和造成污染HIP后易被除去成本低第184頁/共221頁中低碳鋼：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℃第185頁/共221頁6HIP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)品第186頁/共221頁7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熱爐加熱，轉(zhuǎn)入HIP壓機↑生產(chǎn)效率第187頁/共221頁8HIP的應用HIP成形鑄件處理擴散聯(lián)結(jié)：M/C，C/C，M/M核廢料處理

第188頁/共221頁9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備投資少第189頁/共221頁§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第190頁/共221頁粉末直接擠壓（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第191頁/共221頁2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)

第192頁/共221頁第193頁/共221頁物料運動示意圖第194頁/共221頁3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第195頁/共221頁硬質(zhì)合金增塑擠壓工藝流程粉末料+增塑劑

↓

摻合（40-50℃）

↓

預壓（排氣，提高料密度）

↓

擠壓（40-50℃）

↓

擠壓坯

↓

脫增塑劑

↓

燒結(jié)

↓

制品第196頁/共221頁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，使坯體發(fā)生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材應用燒結(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相同第19