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第5章粉末冶金及陶瓷成型技術(shù) 5 1粉末冶金及陶瓷成型的基本原理5 2粉體的成形方法及設(shè)備5 3粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性5 4粉末冶金及陶瓷成型新技術(shù) 粉末冶金和陶瓷材料是以粉體 粉末 為原材料 經(jīng)過成形和燒結(jié)工藝制備而成 史料 電燈鎢絲與粉末冶金 用鎢絲 tungstenfilament 作為燈絲制作白熾燈 是照明發(fā)展史上的一座里程碑 同時也奠定了粉末冶金技術(shù)的基礎(chǔ) 金屬材料的生產(chǎn)和加工 一般需要經(jīng)過熔煉和鑄造兩個過程 1909年出現(xiàn)一種電燈鎢絲的制造方法 將鎢粉壓制成形并將其在高溫下進行燒結(jié) 然后再經(jīng)過鍛造和拉絲而制成鎢絲 這種不用熔煉和鑄造 而用壓制 燒結(jié)金屬粉末來制造零件的工藝稱為 粉末冶金法 5 1粉末冶金及陶瓷成形的基本原理 一 概述二 粉體的基本性能三 粉體成形的原理四 燒結(jié)的基本原理 一 概述粉末冶金 Powdermetallurgy 應(yīng)用粉末冶金法可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制品 許多難熔材料如WC TiC至今只能用粉末冶金方法來生產(chǎn) 互不熔合的金屬或金屬與非金屬 如銅 鎢 銅 石墨 也可以應(yīng)用粉末冶金法制造 此外 應(yīng)用粉末冶金法 制品可以達到或接近零件要求的形狀 尺寸精度與表面粗糙度 不需要或需要很少的后續(xù)機械加工 因此 可以節(jié)省原材料 節(jié)省工時 節(jié)約能源等 粉末冶金用得最多 歷史最久的是用來制造各種襯套和軸套 粉末冶金法常用的金屬有 Fe Cu Al Sn Ti Ni Zn以及難熔金屬 表5 1列出粉末冶金的優(yōu)點和缺點 陶瓷成形陶瓷材料的成形過程與粉末冶金相似 所不同的是兩者采用不同的原材料 一般情況下 陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)包括晶相 玻璃相和氣相三個部分 其中的晶相是陶瓷材料的主要組成相 陶瓷制品 二 粉體的基本性能粉體 powder 是由大量固體粒子 particles 組成的集合體 它表示物質(zhì)的一種存在狀態(tài) 它既不同于氣體 液體 也不完全同于固體 粉體的性能包含物理性能和工藝性能兩方面 粒度 particlesize 指粉體顆粒的大小 通常以直徑表示 對于非球形的顆粒用等效半徑來表示 即把不規(guī)則的顆粒換算成與之同體積的球體 以球體的等效直徑作為顆粒的粒度 實際粉體所含顆粒的粒度并不是完全相等的 而是呈現(xiàn)出一個分布的范圍 通常用粒度分布來表示各種不同大小顆粒所占的百分比 粒度分布越窄 說明顆粒的分散程度越小 集中度越高 篩分法是粉體粒度測試的常用方法之一 通過各種標準尺寸的篩網(wǎng)來確定粉體的粒度 除篩分法之外 還有顯微法 沉降法等來測定粉體的粒度 圖6 3為鎳鉻合金粉體的電子顯微圖片 從圖中可以看出粉體的粒度范圍為50 100mm之間 圖6 4為測定粉體粒度的標準篩網(wǎng) 1 粒度 2 顆粒形狀顆粒形狀表示粉體顆粒的幾何形狀 常用的顆粒形狀有球形 片形 針形 柱形等 3 流動性流動性指粉體的流動能力 粉體的流動性主要取決于顆粒之間的摩擦系數(shù) 4 填充特性填充特性是粉體成形的基礎(chǔ) 由于粉體的形狀不規(guī)則 表面粗糙 使堆積起來的粉體顆粒間存在大量空隙 三 粉體成形的原理 通過一定的方法 將粉體原料制成具有一定形狀 尺寸 密度和強度坯體的過程稱為成形 1 壓制成形 2 塑性成形 3 澆注成形 壓制成形 compaction 是粉末冶金和陶瓷成形的常用方法之一 將松散的粉狀原料放入模具中 并施加一定的壓力后便獲得塊狀坯體 1 壓制成形 1 受到壓力后 顆粒之間發(fā)生相對移動 拱橋 被破壞 密度隨壓力的增加而迅速增加 2 當密度達到一定程度后 密度不隨壓力的增大而明顯增加 3 繼續(xù)增大成形壓力 使顆粒之間的結(jié)合進一步增強 坯體的密度增大 粉體的壓制過程如下 2 塑性成形 塑性成形利用各種外力 對具有可塑性的坯料進行成形加工 迫使坯料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形 并保持其形狀 從而制成坯體 3 澆注成形 澆注成形是陶瓷坯體成形中的一個基本成形工藝 在粉末冶金中有時也用來成形一些形狀比較復(fù)雜的零件 四 燒結(jié)的基本原理1 燒結(jié) sintering 過程燒結(jié)是將成形的坯體在低于其主要成分熔點的溫度下加熱 粉體相互結(jié)合并發(fā)生收縮與致密化 形成具有一定強度和性能的固體材料的過程 燒結(jié)是粉末冶金和陶瓷生產(chǎn)中的基本工序之一 對產(chǎn)品的性能起決定性作用 按照燒結(jié)過程有無明顯的液相出現(xiàn)進行分類 可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩類 2 燒結(jié)機理圖6 7是固相燒結(jié)模型示意圖 5 2粉體的成形方法及設(shè)備 一 粉體制備二 粉體成形三 燒結(jié)四 后處理 一 粉體制備 1 制粉方法 methodsofpowderproduction 粉體是粉末冶金和陶瓷制品的原材料 粉體的質(zhì)量顯著影響后續(xù)的成形和燒結(jié)過程以及制品的最終性能 粉體制備方法一般可分為機械粉碎法和物理化學(xué)法兩大類 粉碎法通過將粗粒的原材料粉碎而獲得細粉 粉碎過程中基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 但是在粉碎過程中會混入雜質(zhì) 而且采用粉碎法一般不易獲得粒徑在1mm以下的微細顆粒 物理化學(xué)法通過物理或化學(xué)作用 改變材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲取粉體 這種方法的特點是粉體的純度和粒度可控 均勻性好 顆粒微細 并且可以實現(xiàn)粉體顆粒在分子級水平上的復(fù)合和均化 圖6 8列舉了一些粉體制備的常見方法 球磨法 ballmilling 將物料與磨球放入球磨筒內(nèi) 通過滾筒的滾動 轉(zhuǎn)動以及振動等運動 使磨球與物料之間產(chǎn)生強烈 頻繁的摩擦和撞擊 從而獲得粉體 球磨法制備粉體的生產(chǎn)量大 成本較低 在工程中應(yīng)用較為普遍 在成形之前需要對粉體進行一定的預(yù)處理 如分級 去雜質(zhì) 混合 造粒等 1 分級分級是指將粉體按粒度分成若干等級的過程 通過分級可以在配料時控制粉體的粒度及粒度分布 以滿足成形及燒結(jié)工藝的要求 通常采用標準篩網(wǎng)進行篩分 2 去雜質(zhì)去雜質(zhì)的目的是降低粉體中的雜質(zhì)含量 常用的有退火處理 酸洗處理等 3 混合將兩種以上不同成分的粉體均勻混合的過程稱為混合 球磨是常用的混合方法 4 造粒造粒是在細的粉體中加入一定的塑化劑制成粒度較粗 具有一定假粒度級配 流動性好的粒子 2 粉體的預(yù)處理 二 粉體成形 模壓成形加壓方式由單面加壓和雙面加壓兩種方式 模壓成形法工藝簡單 效率高 便于自動化生產(chǎn) 但是該方法壓力分布不均勻 使坯體密度不均勻 易發(fā)生開裂現(xiàn)象 導(dǎo)致次品的出現(xiàn) 1 模壓成形 2 等靜壓成形 冷等靜壓成形是在模壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 它是利用液體 如油 水或甘油 作為傳遞介質(zhì)獲得均勻靜壓力施加到材料上的一種方法 等靜壓成形具有以下特點 坯體密度高 均勻 缺陷少 模具制作方便 成本低 可生產(chǎn)形狀復(fù)雜 大件以及細長的制品 1 冷等靜壓 熱等靜壓中用金屬箔代替冷等靜壓中的橡皮模具 用氣體代替液體 使金屬箔內(nèi)的粉料均勻受壓 通常選用氦氣 氬氣等惰性氣體 一般在100 300MPa的氣壓下 幾百度至2000 的高溫下進行壓縮燒結(jié) 采用熱等靜壓法獲得的制品 性能優(yōu)良 均勻 強度高 但成本較高 2 熱等靜壓 澆注成形是將粉體制成懸浮液 注入石膏模具中的一種成形方法 這種方法適于小型薄壁產(chǎn)品 如花瓶 坩堝等 3 澆注成形 成形后的金屬或陶瓷坯體只是半成品 一般需要經(jīng)過干燥處理后 在窯爐或燒結(jié)爐中經(jīng)過適當燒結(jié)工藝 才能獲得制品 影響燒結(jié)制品的因素主要包括 燒結(jié)溫度 保溫時間 升溫和降溫速度 燒結(jié)氣氛等 其中 為了防止成形后的坯體氧化 例如 鐵基粉末冶金 碳化硅等 通常在保護性氣氛或真空環(huán)境下燒結(jié) 常用的保護氣體有 氫 分解氨 發(fā)生爐煤氣以及惰性氣體等 表6 3列出適于粉末冶金和燒結(jié)制品的各種燒結(jié)方法 優(yōu)缺點以及適用范圍 三 燒結(jié) 按照加熱方式燒結(jié)爐可分為燃料加熱爐和電加熱爐 根據(jù)作業(yè)的連續(xù)性可分為間歇式和連續(xù)式燒結(jié)爐 目前以電爐較為普遍 圖6 14為網(wǎng)帶傳送式燒結(jié)爐 常用于燒結(jié)鐵基與銅基粉末冶金制品 網(wǎng)帶由耐熱合金制成 傳動裝置帶動環(huán)狀網(wǎng)帶在爐膛內(nèi)作連續(xù)循環(huán)運動 從而達到傳送物料的目的 粉末壓坯可以直接放置在網(wǎng)帶上 隨著網(wǎng)帶的移動 依次對壓坯進行預(yù)熱 燒結(jié) 冷卻 最后從出口處出爐 網(wǎng)帶燒結(jié)爐操作簡單 機械化程度高 在連續(xù)傳送中升溫均勻 適合大量生產(chǎn) 粉末冶金和陶瓷制品在燒結(jié)中通常產(chǎn)生收縮 變形以及一些表面缺陷 燒結(jié)后的表面粗糙度差 一般情況下 不能作為最終產(chǎn)品直接使用 為了獲得所需要的尺寸精度和表面質(zhì)量 需要對制品進行機械加工 浸漬 精整精壓復(fù)壓 四 后處理 5 3粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性 模壓法是常用的成形方法 因此 采用壓制成形的零件應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)工藝性 1 盡量采用簡單 對稱的形狀 避免尖角 2 避免局部薄壁 以利于裝粉壓實和防止出現(xiàn)裂紋 3 設(shè)計時應(yīng)避免與壓制方向垂直或斜交的溝槽 孔腔 以利于壓實和減少余塊 4 沿壓制方向的橫截面要均勻變化 工程實例 銅基含油軸承的制造 6 6 3青銅是國內(nèi)常用的軸承材料 其化學(xué)成分如下表所示 其中的C總指游離石墨含量 銅基含油軸承的生產(chǎn)工藝流程 如圖6 23所示 1 原料2 混合3 壓制4 燒結(jié)5 精整6 切削加工7 浸油8 檢驗 銅基含油軸承的制造過程如下