第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝

第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2023/12/27第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第一節(jié)粉體成型原理一、粉料的基本物理性能1.粒度(ParticleSize)和粒度分布(ParticleSizeDistribution)

粒度是指粉料的顆粒大小，通常以顆粒半徑r或直徑d表示。粒度分布是指多分散體系中各種不同大小顆粒所占的百分比。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.顆粒的形態(tài)與拱橋效應(yīng)人們一般用針狀、多面體狀、柱狀、球狀等來(lái)描述顆粒的形態(tài)。粉料自由堆積的空隙率往往比理論計(jì)算值大得多，就是因?yàn)閷?shí)際粉料不是球形，加上表面粗糙圖表，以及附著和凝聚的作用，結(jié)果顆?；ハ嘟诲e(cuò)咬合，形成拱橋型空間，增大了空隙率。這種現(xiàn)象稱為拱橋效應(yīng)（見圖7-1）。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝3.粉體的表面特性

（1）粉體顆粒的表面能(surfaceenergy)和表面狀態(tài)

粉體顆粒表面的“過(guò)剩能量”稱為粉體顆粒的表面能。

表7-1是當(dāng)粒徑發(fā)生變化時(shí)，一般物質(zhì)顆粒其原子數(shù)與表面原子數(shù)之間的比例變化。

（2）粉體顆粒的吸附與凝聚(Coagulation)一個(gè)顆粒依附于其它物體表面上的現(xiàn)象稱之為附著。而凝聚則是指顆粒間在各種引力作用下的團(tuán)聚。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝4.粉料的堆積（填充）特性(PackingProperty)單一顆粒（即純粗顆粒或細(xì)顆粒）堆積時(shí)的空隙率約40%。若用二種粒度（如平均粒徑比為10:1）配合則其堆積密度增大；而采用三級(jí)粒度的顆粒配合則可得到更大的堆積密度。5.粉料的流動(dòng)性(FlowingProperty)粉料雖然由固體小顆粒組成，但由于其分散度較高，具有一定的流動(dòng)性。當(dāng)堆積到一定高度后，粉料會(huì)向四周流動(dòng)，始終保持為圓錐體（圖7-2），其自然安息角（偏角）α保持不變。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、壓制成型原理壓制成型是基于較大的壓力，將粉狀坯料在模型中壓成塊狀坯體的。

1.壓制成型過(guò)程中坯體的變化（1）密度的變化（2）強(qiáng)度的變化（3）坯體中壓力的分布

圖7-3為單面加壓是坯體內(nèi)部壓力分布情況。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.影響坯體密度(Density)的因素（1）成型壓力壓制過(guò)程中，施加于粉料上的壓力主要消耗在以下二方面：1）克服粉料的阻力P1，稱為凈壓力。2）克服粉料顆粒對(duì)模壁摩擦所消耗的力P2，稱為消耗壓力。壓制過(guò)程中的總壓力P=P1+P2，即成型壓力。（2）加壓方式

圖7-4為加壓方式和壓力分布關(guān)系圖。（3）加壓速度（4）添加劑的選用第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝3.對(duì)壓制用粉料的工藝性能要求由于壓制成型時(shí)粉料顆粒必須能充滿模型的各個(gè)角落，因此要求粉料具有良好的流動(dòng)性。為了得到較高的素坯密度，粉料中包含的氣體越少越好，粉料的堆積密度越高越好。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝三、可塑泥團(tuán)的成型原理1.可塑泥團(tuán)的流變特性(RheologicalBehavior)

圖7－5為粘土泥團(tuán)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖7－6表示了粘土的含水量與其應(yīng)力－應(yīng)變－曲線的關(guān)系。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.影響泥團(tuán)可塑性的因素（1）固相顆粒大小和形狀一般地說(shuō)，泥團(tuán)中固相顆粒愈粗，呈現(xiàn)最大塑性時(shí)所需的水分愈少，最大可塑性愈低；顆粒愈細(xì)則比表面愈大，每個(gè)顆粒表面形成水膜所需的水分愈多，由細(xì)顆粒堆積而成的毛細(xì)管半徑越小，產(chǎn)生的毛細(xì)管力越大，可塑性也高。不同形狀顆粒的比表面是不同的，因而對(duì)可塑性的影響也有差異。（2）液相的數(shù)量和性質(zhì)水分是泥團(tuán)出現(xiàn)可塑性的必要條件。泥團(tuán)中水分適當(dāng)時(shí)才能呈現(xiàn)最大的可塑性，如圖7-7所示。

第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝3.對(duì)可塑坯料的工藝性能要求可塑性好，含水量適當(dāng)，干燥強(qiáng)度高，收縮率小，顆粒細(xì)度適當(dāng)，空氣含量低。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝四、泥漿/粉漿的成型原理1.泥漿的流變特性（1）泥漿的流動(dòng)曲線

圖7-8為一些陶瓷原料泥漿的流動(dòng)曲線。（2）影響泥漿流變性能的因素1）泥漿的濃度

圖7-9為不同濃度的可塑泥漿的流動(dòng)曲線。2）固相的顆粒大小一定濃度的泥漿中，固相顆粒越細(xì)、顆粒間平均距離越小，吸引力增大，位移時(shí)所需克服的阻力增大，流動(dòng)性減少。

第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝3）電解質(zhì)的作用向泥漿中加入電解質(zhì)是改善其流動(dòng)性和穩(wěn)定性的有效方法。4）泥漿的pH值pH值影響其解離程度，又會(huì)引起膠粒ζ-電位發(fā)生變化，導(dǎo)致改變膠粒表面的吸力與斥力的平衡，最終使這類氧化物膠溶或絮凝。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.注漿成型對(duì)泥漿的工藝性能的要求制備出的泥漿應(yīng)能夠滿足下列基本要求：流動(dòng)性好，穩(wěn)定性好，適當(dāng)?shù)挠|變性，含水量少，濾過(guò)性好，坯體強(qiáng)度高，脫模容易，不含氣泡。第一節(jié)粉體成型原理第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第二節(jié)粉體制備技術(shù)一、粉碎(Porphyrization)與機(jī)械合金化(MechanicalAlloying)方法

粉碎的過(guò)程是由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榉哿媳砻婺艿哪芰哭D(zhuǎn)化過(guò)程。機(jī)械粉碎法因其設(shè)備定型化，產(chǎn)量大，容易操作等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于粉末生產(chǎn)中。在相同的工藝條件下，添加少量的助磨劑往往可使粉碎效率成倍地提高（圖7-10）。

第二節(jié)粉體制備技術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、合成法(Synthetic)1.原料合成的目的和作用2.合成方法（1）金屬粉末的合成方法1）還原法(ReductionMethod)還原法的基本原理就是所使用的還原劑對(duì)氧的親和力比相應(yīng)金屬對(duì)氧的親和力大，因而能夠奪取金屬氧化物中的氧而使金屬被還原出來(lái)。2）霧化法(AtomizationMethod)霧化法生產(chǎn)金屬和合金粉末就是利用高壓氣體（空氣、惰性氣體）或高壓液體（通常是水）通過(guò)噴嘴作用于金屬液流使其迅速地碎化成粉末。3）電解法(ElectrolysisMethod)電解法既可以在水溶液中進(jìn)行，也可以在熔鹽狀態(tài)下進(jìn)行。

第二節(jié)粉體制備技術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝（2）化合物粉末的合成方法1）固相法(SolidReactionProcess)制備粉末固相法就是以固態(tài)物質(zhì)為初始原料來(lái)制備粉末的方法。①化合反應(yīng)法②熱分解反應(yīng)法③氧化物還原法2）液相法制備粉末液相法分為溶液法和熔液法兩大類。

①溶液法<1>生成沉淀法(PrecipitationMethod)a.直接沉淀法b.均勻沉淀法c.共沉淀法第二節(jié)粉體制備技術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝<2>溶劑蒸發(fā)法(SolventVaporizationProcess)冰凍干燥法噴霧干燥法噴霧熱分解法②熔液法<1>等離子體噴射法典型的等離子噴管如圖7-11所示<2>激光法

圖7-12為激光法制超微粉工藝原理圖。

3）氣相法制備粉末①蒸發(fā)－凝聚法②氣相化學(xué)反應(yīng)法第二節(jié)粉體制備技術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第三節(jié)粉末冶金（PowderMetallurgy）的成型工藝一、壓制成型1.物料準(zhǔn)備（1）粉末的分級(jí)（2）配料混合圓錐形混料器如圖7-13所示。（3）混合料濕磨第三節(jié)粉末冶金的成型工藝術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.壓制工藝（1）稱料稱料量通常稱為壓坯的單重（允許一定的誤差）。壓坯的單重可按以下公式計(jì)算：Q=V×d×K式中：Q--單件壓坯的稱料量（單重），kg；V--制品的體積（由制品圖算出），m3；d--制品要求密度，kg/m3；K--重量損失系數(shù)。稱料方法有兩種：（1）重量法；（2）容量法。（2）裝料將所稱量的粉末裝入模具中時(shí)，要求粉末在模腔內(nèi)分布均勻、平整，以保證壓坯各部分壓縮比一致。

第三節(jié)粉末冶金的成型工藝術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝（3）壓制壓制通常在液壓機(jī)或機(jī)械壓力機(jī)上進(jìn)行。壓制的總壓力按下式計(jì)算：P=p×S式中：P--總壓力，kg；p--單位壓制壓力，kg/m3；S--與壓力方向垂直的壓坯受壓面積，m2。（4）脫模壓力去掉以后，壓坯要從壓模內(nèi)脫出，從整體壓模中脫出的方法有兩種，即將壓坯向上頂出或向下推出。

第三節(jié)粉末冶金的成型工藝術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、粉漿澆注成型粉漿的制備2.模具材料澆注用的模具是用石膏做成的。3.澆注方法可以用手工澆注，即所謂傾倒?jié)沧⒎āＲ部梢杂脡嚎s空氣澆注，即用壓縮氣體將粉漿壓入模具內(nèi)。

第三節(jié)粉末冶金的成型工藝術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝三、楔形壓制

楔形壓制又稱循環(huán)壓制。其方法是用一只楔形的上模沖，將粉末分段壓制而成制品。如圖7-14所示。這種方法可以用一組楔形壓制循環(huán)示意圖表示。

第三節(jié)粉末冶金的成型工藝術(shù)第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝一、普通日用陶瓷的成型工藝1.注漿成型（1）基本注漿方法基本注漿法可分為空心注漿(SlushCasting)（單面注漿）和實(shí)心注漿（solidcasting-或叫雙面注漿）兩種。

圖7－15為空心注漿示意圖。

圖7－16為實(shí)心注漿示意圖。第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝（2）強(qiáng)化注漿方法強(qiáng)化注漿方法是在注漿過(guò)程中人為地施加外力，加速注漿過(guò)程的進(jìn)行，使得吸漿速度和坯體強(qiáng)度得到明顯改善的方法。根據(jù)所加外力的形式，強(qiáng)化注漿可以分為真空注漿、離心注漿和壓力注漿等。1）真空注漿（SuctionCasting）2）離心注漿（CentrifugalCasting）3）壓力注漿（PressureCasting）第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.可塑成型可塑成型是對(duì)具有一定可塑變形能力的泥料進(jìn)行加工成型的方法。（1）滾壓成型（RollerForming）成型時(shí)，盛放著泥料的石膏模型和滾壓頭分別繞自己的軸線以一定的速度同方向旋轉(zhuǎn)。滾壓頭在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，逐漸靠近石膏模型，并對(duì)泥料進(jìn)行滾壓成型（圖7-17）。（2）塑壓成型（PlasticPressing）

它是將可塑泥料放在模型內(nèi)在常溫下壓制成坯的方法。塑壓成型的成型步驟如下（圖7-18）。3.壓制成型粉料含水量為3-7%時(shí)為干壓成型；粉料含水量為8-15%時(shí)為半干壓成型。第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、高技術(shù)陶瓷的成型工藝1.注漿成型法（1）注漿成型（2）熱壓鑄成型（HotInjectionMoulding）熱壓鑄成型法是利用石蠟的熱流性特點(diǎn)，與坯料配合，使用金屬模具在壓力下進(jìn)行成型的，冷凝后坯體能保持其形狀。它的成型過(guò)程如下：1）蠟漿料的制備此工序的目的是為了將準(zhǔn)備好的坯料加入到以石蠟為主的粘結(jié)劑中制成蠟板以備成型用。2）熱壓鑄

圖7-19為熱壓鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。3）高溫排蠟（3）流延成型（Doctor-BladeCastingProcess）又叫帶式澆注法、刮刀法。如圖7-20所示。

第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝2.可塑成型法（1）擠壓成型（Extruding）擠壓成型一般是將真空練制的泥料，放入擠制機(jī)內(nèi)，這種擠制機(jī)一頭可以對(duì)泥料施加壓力，另一頭裝有機(jī)嘴即成型模具，通過(guò)更換機(jī)嘴，能擠出各種形狀的坯體。如圖7-21所示。

（2）軋膜成型（RollForming）這是新發(fā)展起來(lái)的一種可塑成型方法，適宜生產(chǎn)1mm以下的薄片狀制品，如圖7-22所示。

第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝3.模壓成型（1）壓制成型

（2）等靜壓成型（IsostaticPressing）等靜壓成型如圖7-23所示。等靜壓成型方法有冷等靜壓和熱等靜壓兩種類型。冷等靜壓又分為濕式等靜壓和干式等靜壓。1）濕式等靜壓如圖7-24所示。2）干式等靜壓如圖7-25所示。

第四節(jié)陶瓷材料的成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第五節(jié)燒結(jié)（Sintering）一、燒結(jié)工藝1.燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間（SoakingTime）的確定燒結(jié)溫度(TS)和熔融溫度(TM)的關(guān)系有一定規(guī)律：金屬粉末：TS≈(0.3-0.4)TM，鹽類：TS≈0.57TM，硅酸鹽：TS≈(0.8-0.9)TM。燒結(jié)保溫時(shí)間與燒結(jié)溫度有關(guān)。通常，燒結(jié)溫度較高時(shí)，保溫時(shí)間較短；相反，燒結(jié)溫度較低時(shí)，保溫時(shí)間要長(zhǎng)。2.燒結(jié)氣氛的選擇3.升溫和降溫（冷卻）速度的確定升溫和降溫時(shí)間由制品尺寸和性能要求而定。

第五節(jié)燒結(jié)（Sintering）第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、燒結(jié)方法

表7-2列出各種先進(jìn)或特殊的燒結(jié)方法以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

第五節(jié)燒結(jié)（Sintering）第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第六節(jié)陶瓷與粉末快速成型工藝一、快速成形原理快速成形技術(shù)（RPT-RapidPrototypingTechnique）的本質(zhì)是采用積分法制造三維實(shí)體，在成形過(guò)程中，先用三維造型軟件在計(jì)算機(jī)中生成部件的三維實(shí)體模型，然后用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分層處理，即將三維模型分成一系列的層，將每一層信息傳遞到成型機(jī)，通過(guò)材料的逐層添加得到三維實(shí)體模型?？焖俪尚蔚脑砜驁D見圖7-26)。第六節(jié)陶瓷與粉末快速成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝二、快速原型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀三、快速成形技術(shù)的加工特點(diǎn)與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。(2)不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具，無(wú)刀具磨損和切削力影響。(3)無(wú)振動(dòng)、噪聲和切削廢料。(4)可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)。 (5)加工效率高，能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。第六節(jié)陶瓷與粉末快速成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝四、粉體的分層實(shí)體制造技術(shù)分層實(shí)體制造(LOM)的工藝原理圖見圖7-27。五、選擇性激光燒結(jié)工藝SLS工藝原理見圖7-28。

六、三維打印法

三維打印法(3DP),也叫噴墨打印法(InkJetMethods),由美國(guó)麻省理工學(xué)院率先研制成功,其工作原理如圖7-29所示。

第六節(jié)陶瓷與粉末快速成型工藝第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝本章學(xué)習(xí)指南

本章的主要內(nèi)容包括：粉體的三種成型原理，粉末冶金的成型工藝，普通陶瓷的成型工藝，高技術(shù)陶瓷的成型工藝。讀者應(yīng)通過(guò)對(duì)粉體成型基本理論的學(xué)習(xí)和對(duì)粉體制備技術(shù)的了解，著重掌握粉末冶金成型工藝和陶瓷材料的成型工藝。成型理論是基礎(chǔ)，工藝方法是關(guān)鍵，只有在充分理解成型理論的基礎(chǔ)上，才能更好地掌握各種成型方法。與第四、五、六、八章的區(qū)別是：本章所述成型工藝所使用的原料為細(xì)小的粉體，其顆粒大小一般在100μm以下；成型得到的坯件還需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的燒結(jié)才能得到成品。當(dāng)然，它也是一種制備塊體材料的有效方法，與其它制備方法互為補(bǔ)充。其中的一些方法與第九章某些部分相似，可相互參照。本章學(xué)習(xí)指南第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第七章圖表第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第七章圖表第七章粉末冶金與陶瓷材料的成型工藝第七章