粉末材料及其成形技術(shù)課件

第19講

第6章粉末材料及其成形技術(shù)

6.3粉末材料及其成形新技術(shù)

6.3.1噴射成形

6.3.2等靜壓成形

6.3.3粉末材料注射成形原理及應(yīng)用

6.3.4激光快速燒結(jié)成形

6.4粉末成形料坯的燒結(jié)及氣體保護(hù)

1第19講

第6章粉末材料及其成形技術(shù)6.36.3粉末材料及其成形新技術(shù)典型粉末冶金產(chǎn)品的成形方法及工藝:

26.3粉末材料及其成形新技術(shù)典型粉末冶金產(chǎn)品的成形方法及工

粉末成形新技術(shù)主要有：噴射成形(粉末制備與成形一體化)、靜壓成形、注射成形、激光快速成形。3粉末成形新技術(shù)主要有：3噴射成形原理：用高壓惰性氣體將金屬液流霧化成細(xì)小液滴，并使其沿噴嘴的軸線方向高速飛行，在這些液滴尚未完全凝固之前，將其沉積到一定形狀的接收體上成形。主要特點(diǎn)：與傳統(tǒng)鑄造或變形工藝制備材料相比，由于快速冷卻使顯微組織明顯細(xì)化、相析出細(xì)小而均勻分布，使材料的化學(xué)成分和組織在宏觀和微觀上都得到了有效的控制，材料的力學(xué)性能各向同性，其總體性能明顯提高。復(fù)合成形應(yīng)用：廣泛用于高速鋼、高溫合金、鋁合金、銅合金等先進(jìn)材料的開發(fā)和生產(chǎn)上，其中，高性能鋁合金是噴射成形技術(shù)領(lǐng)域最具吸引力的開發(fā)方向。航空航天、國防等領(lǐng)域。6.3.1噴射成形：又稱為噴射沉積或噴射鑄造。它是上世紀(jì)八十年代，發(fā)達(dá)國家在傳統(tǒng)的快速凝固和粉末冶金工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)。該技術(shù)于1972年由英國的Osprey金屬公司首獲專利，又稱為Osprey工藝。46.3.1噴射成形：又稱為噴射沉積或噴射鑄造。它是上世紀(jì)八噴射成形5噴射成形5噴射成形的組織特征

鑄態(tài)組織與噴射成形組織比較(Al-20Si)

6噴射成形的組織特征

鑄態(tài)組織與噴射成形組織比較(Al-26.3.2等靜壓成形借助高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉料上，粉料在同一時(shí)間內(nèi)、在各個(gè)方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯。有：冷等靜壓（CIP）和熱等靜壓（HIP）兩種。圖6－20等靜壓成形示意圖76.3.2等靜壓成形圖6－20等靜壓成形示意圖7等靜壓制法比普通鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）能夠壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的零件；

2）壓制時(shí)，粉末體與彈性模具的相對移動(dòng)很小，所以摩擦損耗也很小，單位壓制壓力較鋼模壓制法低；

3）能夠壓制各種金屬粉末和非金屬粉末，壓制坯件密度分布均勻，對難熔金屬粉末及其化合物尤為有效；

4）壓坯強(qiáng)度高，便于加工和運(yùn)輸；

5）冷等靜壓的模具材料是橡膠和塑料，成本較低；

6）能在較低的溫度下制得接近完全致密的材料。

8等靜壓制法比普通鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn)：1）能夠壓制具有凹形等靜壓制法的缺點(diǎn)是：

1）對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的精度都比鋼模壓制法低；

2）盡管采用干袋式或批量濕袋式的等靜壓制，生產(chǎn)效率有所提高，但通常其生產(chǎn)效率仍低于自動(dòng)鋼模壓制法；

3）所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。

冷等靜壓（CIP），常用水或油作壓力介質(zhì)，故有液靜壓、水靜壓或油靜壓之稱；

熱等靜壓（HIP），常用氣體（如氬氣）作壓力介質(zhì)（高溫高壓氣體），故有氣體熱等靜壓之稱。

9等靜壓制法的缺點(diǎn)是：1）對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的精冷等靜壓機(jī)工作系統(tǒng)示意圖

10冷等靜壓機(jī)工作系統(tǒng)示意圖10冷等靜壓模具圖6-2211冷等靜壓模具圖6-2211

燒結(jié)-熱等靜壓：把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(jī)高壓容器內(nèi)，依次進(jìn)行脫蠟、燒結(jié)和熱等靜壓制，使工件的相對密度接近100%。

圖6-23脫蠟-燒結(jié)-熱等靜壓時(shí)溫度、壓力及時(shí)間的關(guān)系12燒結(jié)-熱等靜壓：把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(jī)高航空航天精密鑄件：

通常采用熱等靜壓后處理工藝，來封閉鑄件內(nèi)部的縮松、微縮孔；粉末冶金零件＋熱等靜壓后處理工藝，致密鑄件，提高零件強(qiáng)度。13航空航天精密鑄件：13熱等靜壓研究進(jìn)展14熱等靜壓研究進(jìn)展146.3.3粉末材料注射成形原理及應(yīng)用

粉末注射成形（PowderInjectionMolding,PIM）是一種采用粘結(jié)劑固結(jié)金屬粉末、陶瓷粉末、復(fù)合材料、金屬化合物的一種特殊成形方法，它是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合塑料工業(yè)的注射成形技術(shù)而發(fā)展起來的一種近凈成形（Near-Shaped）技術(shù)。

PIM工藝主要包括粘結(jié)劑與粉末的混合、制粒、注射成形、脫脂及燒結(jié)五個(gè)步驟。常見的粉末注射成形方法是：金屬粉末的注射成形（MetalPowderInjectionMolding,MIM）和陶瓷粉末的注射成形（CeramicInjectionMolding,CIM）兩種。

156.3.3粉末材料注射成形原理及應(yīng)用粉末注射成形（金屬粉末的注射成形（MIM）原理及關(guān)鍵技術(shù)。圖6－24注射成形示意圖1－裝料斗2－注射混合料3－轉(zhuǎn)動(dòng)連軸器4－料筒5－螺桿6－加熱器7－制品8－冷卻套9－模具10－移動(dòng)模板11－液壓中心頂桿12－活動(dòng)撐桿13－注射液壓缸16金屬粉末的注射成形（MIM）原理及關(guān)鍵技術(shù)。圖6－24注射（1）MIM的基本工藝流程

金屬粉末粘結(jié)劑混煉制粒注射成形料坯件脫脂燒結(jié)零件17（1）MIM的基本工藝流程金屬粉末粘結(jié)劑混煉制粒注射成形料（2）注射過程自動(dòng)化框圖

圖6-2518（2）注射過程自動(dòng)化框圖圖6-2518（3）MIM技術(shù)的特點(diǎn)1）技術(shù)優(yōu)勢①．傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，MIM技術(shù)可以制造前者無者制造的零件，拓寬了粉末冶金的應(yīng)有用范圍。②．傳統(tǒng)粉末冶金產(chǎn)品大多存在密度不均，造成性差異；而用MIM技術(shù)制造的產(chǎn)品具有性能各向同性，組織均勻。③．與精密（熔模）鑄造相比，MIM的尺寸精度更高、沒有鑄造的成分偏析。如下表示。

精密鑄造MIM最小孔直徑（mm）20.4盲孔最大深度（Φ2mm）220最小壁厚（mm）2<1最大壁厚（mm）－104mm直徑的公差（mm）±0.2±0.06表面粗糙度Ra（μm）5119（3）MIM技術(shù)的特點(diǎn)1）技術(shù)優(yōu)勢

精密鑄造MIM最小孔直徑④

與傳統(tǒng)粉末冶金（PM------PowderMetallurgy）技術(shù)相比。如下表所示。

粉末粘結(jié)劑成形脫脂燒結(jié)MIM球形、微細(xì)粉大量，提供流動(dòng)性注射時(shí)間長收縮大、均勻、密度高PM粗粉少量，作潤滑劑模壓時(shí)間短收縮小、不均、密度低⑤．各種零件制造方法運(yùn)用范圍（模壓燒結(jié)、粉末注射成形、精密鑄造成形）

20④

與傳統(tǒng)粉末冶金（PM------PowderM２）MIM技術(shù)的不足①.采用大量高分子聚合物作粘結(jié)劑，提高了粉末的流動(dòng)性，可以成形雜形狀的零件，但粘結(jié)劑的脫除卻是一個(gè)需要嚴(yán)格控制的長時(shí)間的過程；②.需要采用微細(xì)粉作原料，微細(xì)粉的價(jià)格高；③.小批量生產(chǎn)形狀簡單的零件，MIM無法取代傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)導(dǎo)地位；④.受到脫脂的限制，MIM技術(shù)難于制造壁厚較大的零件（這一點(diǎn)，也大大地限制了MIM技術(shù)的應(yīng)用）；

21２）MIM技術(shù)的不足①.采用大量高分子聚合物作粘結(jié)劑，提高了（4）MIM技術(shù)關(guān)鍵

MIM的技術(shù)關(guān)鍵是粘結(jié)劑技術(shù)（包括：粘結(jié)劑的制備技術(shù)、粘結(jié)劑的脫除技術(shù)）。對于特定的粉末要選擇恰當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑體系，且必須保證粘結(jié)劑在脫脂階段快捷、順利地脫除，使產(chǎn)品在燒結(jié)前不出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。粘結(jié)劑的配方和脫脂工藝往往是企業(yè)或公司的保密核心或受專利保護(hù)。

除粘結(jié)劑技術(shù)外，脫脂技術(shù)、MIM專用設(shè)備技術(shù)、零件尺寸精度的控制技術(shù)等，對MIM零件的性能與精度都有重要影響。（詳見教材）

22（4）MIM技術(shù)關(guān)鍵MIM的技術(shù)關(guān)鍵是粘結(jié)劑技術(shù)（包括：粘（5）MIM技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

①.粉末共注射成形技術(shù)（PowderCo-injectionMolding,PCM）?？梢陨a(chǎn)出復(fù)合材料零部件。②.微型注射成形技術(shù)（Micro-MIM）。該技術(shù)在微（精、細(xì)）型制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

（a）

不銹鋼表帶扣環(huán)

(b)汽車制動(dòng)器零件

MIM零件舉例

23（5）MIM技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向①.粉末共注射成形技術(shù)（Powd6.3.4激光快速燒結(jié)成形粉末材料的選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering,簡稱SLS）成形系統(tǒng)如圖6-29所示。屬快速成形領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要由激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉筒、鋪粉輥和工作缸等構(gòu)成。

成形零件升降工作缸圖6-29SLS成形過程的示意圖掃描鏡裝置激光器激光束鋪粉輥工作臺面粉末材料擴(kuò)束聚焦鏡246.3.4激光快速燒結(jié)成形粉末材料的選擇性激光燒結(jié)（SeSLS系統(tǒng)的工作過程流程圖NYNY確定所加工的零件選擇數(shù)據(jù)處理方法成型工藝的優(yōu)化選擇工藝準(zhǔn)備鋪粉掃描掃描完成？工作臺下降一層厚成型件加工完畢？結(jié)束圖6-30SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖25SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖NYNY確定所加工的零件選擇數(shù)據(jù)處用SLS原型快速鑄造金屬零件

SLS原型的原材料一般為粉末材料。當(dāng)材料為石蠟、塑料等時(shí)，制出的SLS原型用于生產(chǎn)金屬零件的方法與SLA原型用來生產(chǎn)金屬零件的方法相同。當(dāng)材料為金屬粉末時(shí)，直接燒結(jié)成金屬零件（目前，直接由SLS燒結(jié)成的金屬零件在強(qiáng)度和精度上都很難達(dá)到理想的結(jié)果）。當(dāng)前用SLS法直接制作金屬件的成功方法是，在SLS原型經(jīng)焙燒后滲入低熔點(diǎn)的金屬。當(dāng)材料為陶瓷粉末或鑄造砂等時(shí)，可直接燒結(jié)鑄造用（陶瓷等材料）殼型來生產(chǎn)各類鑄件，甚至是復(fù)雜的金屬零件。用這種方法直接快速生產(chǎn)各類金屬鑄件具有很大的實(shí)用價(jià)值。

26用SLS原型快速鑄造金屬零件SLS原型的原材料一般為粉末材用SLS方法快速鑄造的砂型及鑄件

27用SLS方法快速鑄造的砂型及鑄件27SLS方法與熔模精密鑄造技術(shù)翻制鑄件(a)三維實(shí)體