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粉末冶金成形及其他新型成形方法,第五章,一、粉末冶金成形定義：采用成形和燒結(jié)等工序?qū)⒔饘俜勰?，或金屬與非金屬粉末的混合物，制成金屬制品的工藝方法。,粉末冶金成形概述,此工藝方法又被稱為金屬陶瓷法。,粉末冶金工藝的基本工序：,原料粉末的制取和準(zhǔn)備,金屬粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸小于1mm的金屬顆粒群。包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。,,金屬粉末的制取和應(yīng)用淵源久遠(yuǎn)：,古代曾用金、銀、銅、青銅及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首飾等器具的著色、裝飾；20世紀(jì)初,美國人庫利吉(W.D.Coolidge)用氫還原氧化鎢生產(chǎn)鎢粉以制取鎢絲，是近代金屬粉末生產(chǎn)的開端；此后用化學(xué)還原法制取了銅、鈷、鎳、鐵、碳化鎢等多種粉末，促進(jìn)了早期粉末冶金制品(含油多孔軸承、多孔過濾器、硬質(zhì)合金等)的發(fā)展；,30年代先后采用低成本的渦流研磨法及還原法制取鐵粉，還出現(xiàn)了熔融金屬霧化法，用于制取錫、鉛、鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末；40年代初發(fā)展成為用高壓空氣霧化制取鐵粉；50年代開始用高壓水霧化制取合金鋼和多種合金粉末；60年代研究出多種霧化方式生產(chǎn)高合金粉末，促進(jìn)了高性能粉末冶金制品的發(fā)展；70年代出現(xiàn)了多種氣相和液相物理化學(xué)反應(yīng)方法，制取重要用途的包覆粉末和超細(xì)粉末。,將金屬粉末及各種添加劑均勻混合后制成所需形狀的坯塊；,坯塊燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。,粉末冶金工藝過程：,,近代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的三個重要標(biāo)志：,克服了難熔金屬熔鑄過程中的困難；多孔含油軸承的研制成功及粉末冶金機(jī)械零件的發(fā)展，發(fā)揮了粉末冶金少、無切削的特點(diǎn)；向新材料、新工藝發(fā)展。,,與液態(tài)成形相比，粉末冶金主要優(yōu)點(diǎn)：,可避免或者減少偏析、機(jī)加工量大等缺點(diǎn)；材料某些獨(dú)特的性能或者顯微組織也只能用粉末冶金方法來實(shí)現(xiàn)；一些活性金屬、高熔點(diǎn)金屬制品用其它工藝成形十分困難。,金屬粉末和粉末冶金制品、材料的應(yīng)用舉例見P214表5-2。,大批量生產(chǎn)時，粉末冶金法生產(chǎn)效率高、能耗低、材料省，價格低廉。其經(jīng)濟(jì)效益對比見P214表5-1。,5.1粉末冶金成形,(一)粉末制備,制取粉末：主要取決于該材料的性能及制取方法的成本。粉末的形成是將能量傳遞到材料，從而制造新生表面的過程。,按轉(zhuǎn)變的作用原理將粉末制取方法分為：?機(jī)械法?物理化學(xué)法,粉末冶金生產(chǎn)實(shí)踐中，機(jī)械法和物理化學(xué)法之間并沒有明顯界限，是相互補(bǔ)充的。,常用的粉末制取方法：還原法、霧化法、電解法。,,,1.機(jī)械粉碎法:,設(shè)備分粗碎和細(xì)碎兩類。主要起壓碎作用的有碾碎機(jī)、輥軋機(jī)、顎式破碎機(jī)等粗碎設(shè)備。主要起擊碎和磨削作用的有錘碎機(jī)、棒磨機(jī)、球磨機(jī)、振動球磨機(jī)、攪動球磨機(jī)等細(xì)碎設(shè)備。,機(jī)械粉碎是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬、合金或化合物機(jī)械地粉碎成粉末。,,機(jī)械粉碎法主要有：機(jī)械研磨法機(jī)械合金化渦旋研磨冷氣流粉碎,機(jī)械研磨比較適用于脆性材料，渦旋研磨和冷氣流粉碎等方法多用于塑性金屬或合金粉末制取。,,2.霧化法:,霧化法是將液體金屬或合金直接破碎，形成直徑小于150μm的細(xì)小液滴，冷凝而成為粉末。,,霧化設(shè)備：,,,主要的霧化方法：,水霧化或氣霧化，也稱二流霧化離心霧化真空霧化超聲波霧化,,水霧化或氣霧化，也稱二流霧化,,離心霧化,真空霧化,超聲波霧化,,3.還原法:,用還原劑還原金屬氧化物及鹽類來制取金屬粉末，是一種廣泛采用的制粉方法。,最簡單的反應(yīng)以下式表示：,MeO+X→Me+XO,式中:Me-生成氧化物MeO的金屬；X-還原劑。,此外還可通過氣相沉積法和液相沉淀法來制取金屬粉末。,(二)粉末配制,粉末冶金成形前，要對粉末進(jìn)行預(yù)處理及配制。,預(yù)處理包括：?退火?篩分?制粒,1.退火,粉末預(yù)先退火可使殘留氧化物進(jìn)一步還原、降低碳和其它雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度，消除粉末的加工硬化等。,退火溫度因金屬粉末的種類而異，一般退火溫度可按下式計算：,退火一般用還原性氣氛，有時也可用惰性氣氛或者真空。,T退=（0.5~0.6）T熔,式中T退-退火溫度，K；T熔-合金的熔點(diǎn)，K。,2．篩分,把顆粒大小不勻的原始粉末進(jìn)行分級，使粉末能夠按照粒度分成大小范圍更窄的若干等級。,3．制粒,將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序，常用來改善粉末的流動性。,4．混合,將兩種或兩種以上不同成分粉末均勻混合的過程。,混合包括：機(jī)械法和化學(xué)法。,(三)壓坯,壓坯方法包括：壓制成形無壓成形,壓制成形：?封閉鋼模冷壓成形?高能率成形?流體等靜壓制成形?擠壓成形?粉末塑性成形?軋制成形?三軸向壓制成形?振動壓制成形,主要功能：將粉末成形為所要求的形狀；賦予坯體以精確的幾何形狀與尺寸；賦予坯體要求的孔隙度和孔隙類型；賦予坯體以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，以便搬運(yùn)。,無壓成形：?粉漿澆注?松裝燒結(jié),著重了解封閉鋼模冷壓成形方法。,封閉鋼模冷壓成形：常溫下,粉料在封閉鋼模中，按規(guī)定的單位壓力,將粉料制成壓坯的方法。,工序組成：?稱粉?裝粉?壓制?保壓及脫模,1．稱粉與裝粉,稱量形成一個壓坯所需粉料的質(zhì)量或容積。,采用非自動壓模和小批量生產(chǎn)時，多用質(zhì)量法；大量生產(chǎn)和自動化壓制成形時，一般采用容積法。,裝粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。,2．壓制,按一定的單位壓力，將裝在型腔中的粉料，集聚成達(dá)到一定強(qiáng)度、密度、形狀和尺寸要求的壓坯工序。,(1)壓坯密度的均勻性,壓坯密度的均勻性是其質(zhì)量的重要標(biāo)志。,燒結(jié)制品的強(qiáng)度、硬度及各部分性能的同一性，皆取決于密度分布的均勻程度；壓坯密度分布不均勻，在燒結(jié)時將導(dǎo)致收縮不均勻，從而使制品中產(chǎn)生很大的應(yīng)力，出現(xiàn)翹曲變形、甚至裂紋等。,壓制成形時應(yīng)力求使壓坯密度分布均勻。,(2)壓制過程,粉末顆粒移動，孔隙減小，顆粒間相互擠緊；粉末擠緊，小顆粒填入大顆粒間隙中，顆粒開始有變形；粉末顆粒表面的凹凸部分被壓緊且嚙合成牢固接觸狀態(tài)；粉末顆粒加工硬化到了極限狀態(tài)，進(jìn)一步增高壓力，粉末顆粒被破壞和結(jié)晶細(xì)化。,3．脫模,壓坯從模具型腔中脫出是壓制工序中重要的一步。,剩余側(cè)壓強(qiáng)的存在使壓坯與模壁間產(chǎn)生很大的摩擦阻力，脫模力必須大于這個摩擦阻力，才能使壓坯脫出型腔。,(四)燒結(jié),燒結(jié)過程中，固體顆粒表面能的減小是燒結(jié)的“推動力”。,燒結(jié)的結(jié)果是粉末顆粒之間發(fā)生粘接，燒結(jié)體的強(qiáng)度增加，密度提高。,燒結(jié)：壓坯置于基體金屬熔點(diǎn)以下溫度加熱保溫，粉末顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強(qiáng)化。,(五)后處理,浸漬表面冷擠壓切削加工熱處理表面保護(hù)處理,常用的后處理方法：,后處理：金屬粉末壓坯燒結(jié)后的進(jìn)一步處理。,三、模壓成形粉末冶金制品結(jié)構(gòu)工藝,1．避免模具出現(xiàn)脆弱的尖角。,2．避免模具和壓坯出現(xiàn)局部薄壁,壁厚應(yīng)不小于1.5mm,利于壓坯密度均勻，減小燒結(jié)變形。,3．錐面和斜面需有一小段平直帶,4．需要有脫模錐角或圓角,5．避免垂直于壓制方向的側(cè)凹,6．適應(yīng)壓制方向的需要,7．壓制工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求,垂直于壓制方向的孔,粉末冶金成形件缺陷分析,1．局部密度(中間密度過低),2．超差,3．裂紋,4．皺紋(即輕度重皮),5．缺角掉邊,6．表面劃傷,此外，還有尺寸超差及不同心度超差等缺陷。,四、粉末冶金非模壓特殊成形方法,1．粉末鍛造成形,(二)粉末注射成形,將粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合，形成具有流變性的物質(zhì)，采用注射機(jī)將其具有零件形狀的模腔，形成坯件，再脫除坯件中粘結(jié)劑并經(jīng)燒結(jié)成為制品。,(三)金屬粉末軋制成形,五、幾種典型粉末冶金制品與材料,(一)粉末冶金高速鋼,粉末冶金高速鋼經(jīng)惰性氣體霧化為粉末，經(jīng)冷等靜壓制成坯件，高溫、高壓下熱等靜壓實(shí)現(xiàn)致密固結(jié)。,(二)硬質(zhì)合金,硬質(zhì)基體碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮等難熔碳化物粉末粘接金屬鈷等金屬粉末,(三)粉末冶金多孔材料,粉末冶金多孔材料可制成：宇航用發(fā)汗材料；過濾器；催化劑載體；含油自潤滑軸承,5.2其他新型成形方法簡介,快速成形技術(shù)半固態(tài)合金成形電磁成形液壓成形,一、快速成形技術(shù),分層實(shí)體成形法(LOM法)立體印刷成形法(SLA法)選擇性激光燒結(jié)法(SLS法)熔融沉積成形法(FDM法),快速成形技術(shù)根據(jù)材料堆積原理制造實(shí)物產(chǎn)品。,分層實(shí)體成形法(LOM法)(laminatedobjectmanufacturing),2.立體印刷成形法(SLA法)（stereolithographyapparatus）,SLA（stereolithographyapparatus）是基于液態(tài)光敏樹脂光固化原理工作的，其工作原理如圖所示,液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，紫外波長的激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下于液面上按截面輪廓信息掃描，光點(diǎn)經(jīng)過的地方，受輻射的液體就固化，這樣一次平面掃描便加工出一個與分層平面圖形相對應(yīng)的層面，并與前一層已固化部分牢固地粘結(jié)起來。如此反復(fù)直到整個產(chǎn)品完成。,3.選擇性激光燒結(jié)法(SLS法)（selectedlasersintering）,SLS與SLA工藝在材料、激光器和材料進(jìn)給方式上有較大差別。工作原理如圖所示：成形時先在工作臺上鋪上一層粉末材料，激光束在計算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件的實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進(jìn)行后一層的鋪粉燒結(jié)。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。,4.熔融沉積成形法(FDM法)（fuseddepositionmodeling）,FDM也稱絲狀材料選擇性熔覆，工作原理如圖所示：三維噴頭在計算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓的信息，做x-y運(yùn)動。絲材（如塑料絲）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱、熔化，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層完成后，工作臺下降一層厚度，再進(jìn)行后一層的覆涂，如此循環(huán)，形成三維產(chǎn)品。,二、半固態(tài)合金成形,半固態(tài)合金成形是介于液態(tài)成形和固態(tài)成形之間的一中成形方法。,三、電磁成形,電磁成形是利用瞬間的高壓脈沖磁場，迫使金屬產(chǎn)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)成形的新型塑性加工方法，屬于高能率加工。,四、液壓成形,管材液壓成形液壓脹形板材液壓成形,五、計算機(jī)技術(shù)在材料成形中的應(yīng)用,(一)計算機(jī)技術(shù)在鑄造工業(yè)中的應(yīng)用(二)計算機(jī)技術(shù)在塑性成形加工中的應(yīng)用(三)計算機(jī)技術(shù)在焊接工業(yè)中的應(yīng)用,