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材料工程基础讲稿35

材料工程基础讲稿35

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第二章

粉末材料的成形

粉末的成形 将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度 和强度的坯块。 成形方法有模压、等静压、挤压、轧制、注浆和热压铸 成形等。 近年来,由于各学科的交叉渗透以及胶体化学、表面活 性剂化学的发展,出现了许多新的成形方法,如压滤成 形、注射成形等。按粉料成形时的状态,成形可分为压力 成形,如模压成形、等静压成形等和增塑成形,如挤压成 形、注射成形等几类。成形是一门实验科学,关于成形的 理论尚不完善。

1、粉末成形的基本理论 粉末的堆积密度、粉末在压力下的运动等是影响成形过 程的重要因素。 粉末堆积密度和在压力下的运动情况是影响成形过程 的重要因素。 的重要因素。 1) 粉体的堆积与排列 尺寸均匀的球形颗???以进行规则排列和堆积, 各种堆积类型和堆积密度 (以占粉末固体密度的百 分比表示)及配位数表示。

大小均匀的球形颗粒粉末倒入 容器时,即使颗粒进行面心立方 或六方密堆排列堆积密度也低于 74%。振动振实密度仅达到 62.8%,平均配位数低于12。 为提高堆积密度,在大颗粒 间加入较小的颗粒。当小颗粒粉 末量增加时,表观密度先增加然后降低。 以松装密度、振实密度及粉体的流动速率衡量粉末的堆 积密度。 松装密度影响压缩比??帕3叽缭叫?,松装密度也越 小—颗粒间摩擦力↑;形状不规则或球形度低,密度↓。

松装密度↑→压缩比↓,有利于成形工艺的控制。 流动速率对成形的影响:当颗粒尺寸小于44?m时,颗 粒几乎不流动,难以成形。与松装密度相似,球形颗粒流 动性↑↑;流动速率随表面粗糙度↑→↓。 2) 粉末在压力下的运动行为 松散粉末的模压或等静压过程可分为三个阶段: 1)粉末颗粒发生重排,架桥现象被部分消除,颗粒间 接触增加; 2)颗粒发生弹塑性变形,塑性变形的大小取决于粉末 材料的延性。坯体密度与粉末的压缩性能有关。 3)颗粒断裂。在压制过程中产生加工硬化—脆化粉 体,随着施加压力↑→脆性断裂→较小的碎块。 实际上,这三个阶段是相互交叉发生的。

在压制过程中,随着压力↑→粉体密度↑→气孔率↓。 对压力与密度或气孔率的关系进行了大量研究:压力与 相对密度之间推导出定量的数学公式。 黄培云压制理论方程: (d m ? d 0 )d (2-3) m lg ln = lg p ? lg M (d m ? d )d 0
式中:dm--致密金属密度;do--压坯原始密度;d--压坯密度; 式中:dm--致密金属密度;do--压坯原始密度; --压坯密度; --致密金属密度 --压坯原始密度 压坯密度 --压制压力 压制压力; --相当于压制模数 相当于压制模数; --相当于硬化指数的倒数 相当于硬化指数的倒数。 p--压制压力;M--相当于压制模数;m--相当于硬化指数的倒数。

用等静压法及普通模压法对各种金属及碳化物粉末进 行成形试验,证实了双对数规律的正确性。表明该方程不 仅实用于等静压,也适用于一般的单向压制,且对硬、软 粉末适用效果均较好。

2、压力成形 1)模压成形 将粉料填充到模具内部后,单向或双向加压,将粉料压 制成所需形状。 操作简便,生产效率高,易于自动化。但成形时,粉料 易团聚,坯体厚度大时,内部密度不均匀,形状可控精度 差,模具质量要求高,复杂形状的部件模具设计较困难。 模压成形包括:原料准备、装模、加压、保压、脱模。 粉末退火处理: (1)粉末退火处理:使氧化物还原、降低碳和杂质含 量、提高粉末纯度。消除加工硬化、稳定晶体结构。一般 要进行退火。为防止超细金属粉末自燃,退火处理使其表 面钝化。温度一般选在金属粉末熔点的0.5~0.6倍处。

(2)粉末的混合: (2)粉末的混合: 粉末的混合 将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。 有时也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合—合批。 两种方法:机械法和化学法,机械法应用较多。 机械法:可分为干混和湿混。 湿混:在混合过程中加入液体分散介质,常用的液体介 质有:水、酒精、汽油、丙酮等。 湿混介质的要求:不与物料发生反应、沸点低易挥发、 无毒性、来源广泛、成本低廉等。 化学法混料:将金属或化合物粉末与金属盐溶液混 合,或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合后沉淀、 干燥和还原等处理得到成分均匀分布的混合物。

(3)制粒:用于成形的粉末粒度较细时,进行制粒 (造 制粒: 粒)——小颗粒的粉末制成大颗?;蛲帕5墓ば?。 目的:改善粉末的流动性,使粉末能顺利地充填模腔。 普通造粒法:将粉料加入适量的粘合剂,然后于研钵内 混匀后过筛——少量试料。 批量造粒在相应的设备上进行,如滚筒制?;?、圆盘制 ?;筒辽富?、震动筛等。 加压造粒:将混合了粘合剂的粉料预压成块,然后再粉 碎过筛。特点是固体颗粒体积密度大,机械强度高,能满 足各种大型和异型制品的成形要求,常用的方法。

喷雾干燥法 密封体系中完成。把混合好粘合剂的粉料先制成料浆, 分以下几个阶段: 用喷雾器喷入造粒塔雾化; 液滴群与加热介质相接触,与另一路进入塔内的热空 气会合而进行干燥,雾滴中的水分受热空气的干燥作用在 塔内蒸发而成为干粉,然后经旋风分离器吸入料斗,回收 备用。 可以得到流动性好的球状团粒,产量大,可连续生 产,劳动强度低,易于自动化成形。但造粒质量与料浆 的粘度和喷嘴的压力有关,粘度和压力不当,会使造出的 团粒出现各种缺陷。

(4)成形剂:在成形前,粉末混合料中添加能改善成形 过程的物质——成形剂 。 润滑剂:用来减小粉末颗粒与模腔及模冲间的摩擦力; 润滑剂 粘合剂:提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合 粘合剂 力并提高坯体的机械强度、减小粉尘; 造孔剂:制备多孔材料时用于在烧结体中产生一定的孔 造孔剂 隙。 细颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗颗粒粉末的量要 多。成形的压坯高度越高,所需成形剂的量越多。成形剂 的加入量还影响压坯密度和脱模压力以及烧结体的抗弯强 度。

成形剂的不足:降低了粉末的流动性;占一定体积,使 密度减小,不利于制取高密度制品;压制过程中由于成形 剂的阻隔,粉末颗粒之间的相互接触程度降低,从而降低 了压坯的强度;成形剂在烧结前或烧结中排除,因而可能 损伤烧结体的外观,排除的气体可能影响炉子的寿命,污 染空气。某些成形剂容易和粉末起作用或遗留某种产物, 改变产品的化学成分,降低产品的力学性能。

(5)加压与脱模:有单向加压和双向加压两种。单向加 压受压一端压力大,离加压端越远坯体密度越小。即在 任何垂直截面上,上层密度比下层密度大。而在水平截面 上,接近上模冲的截面的密度分布是两边大、中间小。远 离上模冲的截面密度分布则是中间大,两边小。双向加压 时两端直接受压密度大,中间密度较小。

成形压力影响压坯的烧结密度和烧结收缩率。成形压力 大,烧后产品收缩小、密度高。但压力超过一定值时,烧 结体密度提高很少 。而且 当压力过大时,坯体易出 现裂纹、分层和脱模困难 等现象。 加压速度不仅影响到粉末 颗粒间的摩擦状态和金属粉 末的加工硬化,且影响到空气从粉末颗??紫吨械囊莩?。 加压速度↑→空气逸出困难→坯体分层、坯体内夹杂气 表面致密而中间松散等缺陷。通常的压制过程均是以静压 (缓慢加压)状态进行的。

冲击成形,属于动压范畴。压制速度由每秒几米增加到 2OOm/S以上。粉末冶金用的冲击压力机,加压速度相当于 锻造速度,约6.1~18.3m/s。压制的铁基、铜基以及混 合金属粉零件。铁粉冲击成形的相对密度可达97%以上, 铜粉可达98%,混合粉可达93~96%。 高速冲压成形压坯密度分布比缓慢加压更加均匀。是 因为成形时的动量大,速度快使粉体变形不受加工硬化的 影响。同时,粉体是以大量的点接触为主。当受到外力冲 击时,接触区因迅速变形而放出大量的热,使接触部分温 度升高,从而使粉末的塑性增加而易于变形。

在压制过程中,常在某一特定压力下保持一段时间,特 别是对形状复杂或休积较大的制品。原因: 保压使压力传递得更充分,有利于压坯中各部分的密度 均匀; 使粉末中的空气有足够的时间通过模壁和模腔,或模冲 和芯杆之间逸出;可以给粉末之间的机械啮合和变形以时 间,有利于应变弛豫地进行。对于形状简单、体积小的制 品通常不采取保压。

把坯体从模具中卸出所需的压力——脱模压力。 脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、压坯尺 寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响。 对于金属粉末脱模压力与压制压力成线性关系: p脱≤p压ζμ, ζ-摩擦系数,μ-泊松比。 陶瓷粉末的脱模压力和压制压力不是简单的线性关系。 一般压制压力小于或等于300~400MPa时,脱模压力不超 过压制压力的0.3倍。实验表明,润滑性好的成形剂可成 倍甚至几十倍地降低脱模压力。 (6)侧压力、外摩擦力和弹性后效:

(7)温压成形:提高粉末冶金件密度→性能↑。 提高坯体密度的一种新方法。实际上是对一次压制/烧 结工艺的改进,即将预混合粉末在一定温度下压制,然后 常规烧结,以获得较高的产品密度。 关键技术:预混合粉末的制备和温压系统的设计。温 压工艺如下: 金属粉末(铁粉等)+聚合物粉末→混合→预处理→添加 高温润滑剂→温压→烧结. 在压制过程中,压制系统将粉末加热、粉末传输和压 机的模具加热结合在一起,粉末加热到所需温度,控温的 传输与进料系统就将粉末送进模腔中。 温压成形工艺主要用于制造高强度、高性能零件。

3、增塑成型 1)挤压成形 利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的,模 具的形状就是成形坯体的形状。 用于柱状、纤维状、空心解状体及厚板状坯体等沿挤出 方向外形平直的制品。 要求粉料具有可塑性—受力时有良好的形变能力,而且 要求成形后粉料能保持原形或变形很小。粘土质陶瓷材料 很适合这种方法成形。对非粘土质陶瓷粉料或金属粉料可 通过引入各种有机塑性粘接剂(增塑剂)而获得可挤压性。 生产效率高、产量大、操作简便,挤压制品的长度不 受挤压设备的限制,能挤压出壁很薄 (0.Olmm)、直径很 细(lmm)的小管,但不适宜三维复杂形状制品,且对二维 制品还要求外形平直。

与熔铸轧制相比,粉末轧制的优点是: ①能够生产常规轧制法难于或无法生产的板带材,如各 种双金属或多层金属带材,难熔金属及其化合物的板带 材,磁性材料、减摩材料、多孔材料、电触头材料以及超 导材料等的带材。 ②能够轧制成分比较均匀的带材。 ③粉末轧制的板带材具有各向同性的特点。

④粉末轧制工艺过程短,节约能源。 ⑤粉末轧制法的成材率高,一般可达80~90%,而熔铸轧 制法仅为60%或者更低。 金属粉末轧制与模压相比:零件长度上不受限制,轧制 的制品密度比较均匀。但粉末轧制法生产的带材厚度受轧 辊直径的限制(一般不超过l0mm),宽度也受到轧辊尺寸 的限制。只能制备形状较简单的板带材以及直径与厚度比 值很大的衬套。

3)注射成形 注射成形 借鉴塑料的注射成形工艺,但比成形复杂。也用于高 温工程陶瓷成形。近年来发展较快 把粉料与热塑性树脂等有机物混合料,以一定温度和 压力下高速注入模具,迅速冷凝后脱模取出坯体。成形时 间为数十秒,经脱脂可得到致密度达60%的素坯体。 原料:物料和有机物的混合物压碎、造粒后成形,压 力高达1300kg/cm2; 注射成形机可分为活塞式和螺旋棒式两类,由于螺旋 棒式具有计量性好、可塑化的均一性高、成形速度快、注 入压力损失小、制品质量稳定等优点,应用较多。

特点:适合批量生产,成本低,成品尺寸可控、一般不 必再修整,易于制作不规则表面、孔道等复杂形状制品。 但存在脱脂时间长,浇口封凝后内部不均匀性等。 通过在注射喷嘴与模具的浇口之间联接一个振动频率可 调的活塞来解决。

第三章 粉末烧结 粉末成形后,粉末颗粒之间多数为机械咬合,强度↓,粉末颗粒 表面能的驱动力↑→借助高温激活粉末中原子、离子等的运动和迁 移→粉末颗粒间增加粘结面,降低表面能,形成稳定的、所需强度 的块体材料(制品与坯锭)——陶瓷、金属粉末冶金中的高温烧结技 术。 1、烧结原理 烧结:在高温作用下,坯体发生一系列物理化学变化,由松散 状态逐渐致密化→机械强度↑的过程。 烧结中的物理化学变化: 有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少; 在烧结气氛作用下粉末颗粒表面氧化物的还原、原子的扩散、粘 性流动和塑性流动; 烧结后期还可能出现二次再结晶过程和晶粒长大等; 生成液相时,还可能发生固相的溶解与析出。根据烧结过程中有 无液相产生,可以将烧结分为固相烧结和液相烧结。

单元系烧结:纯金属或化合物及均匀单相固溶体的烧结。 单元系烧结 多元系烧结:多种粉末的烧结。 多元系烧结 两种情况: ①混合粉末,多组分、多物相混合的粉末; ②烧结过程中固溶体分解。 使用混合粉末进行烧结——实现合金化。 采用混合粉末有以下优点: 容易调整成分和压制成形,有较高的压坯强度等。 与烧结类型无关,烧结驱动力、传质机理是一致的。

烧结时的迁移机制:体积扩散。 复杂烧结机理研究内容:粉末压坯的收缩动力学、压力 下的烧结、强化烧结等。 1)烧结驱动力 结块是粉体特有的现象,细粉在室温下就有结块的倾 向。粉体比块状材料的稳定性差,即粉体处于高能状态。 烧结驱动力——体系的表面能和缺陷能。

粉料尺寸↓→表面积↑→表面能↑; 新生态物质的缺陷浓度较高→缺陷能↑。 缺陷能:晶格畸变或空位缺陷贮存的能量。 粉末粒度、粉末表面的凹凸,以粉末颗粒中的孔隙—— 影响粉末的表面积。 原料越细——活性↑,烧结驱动力↑。 烧结过程:体系表面能和缺陷能降低的过程。 烧结过程:体系表面能和缺陷能降低的过程。 体系能量的降低依赖于高温下的物质传递过程。 体系能量的降低依赖于高温下的物质传递过程。

烧结原动力:烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存在 化学位差。有三种表现形式: ①表面张力造成的一种机械力,它垂直作用于烧结颈曲 面上,使烧结颈向外扩大,最终形成孔隙网。此后孔隙中 的气体会阻止孔隙收缩和烧结颈的进一步长大,少量闭气 孔仅靠延长烧结时间是不能消除的; ②过??瘴慌ǘ忍荻冉鹕战峋北砻嫦挛⑿∏蚰诘?空位向粉末颗粒内扩散,从而造成原子在相反方向上的迁 移,使颈部得以长大; ③烧结颈表面与颗粒表面之间存在的蒸气压之差,将导 致物质向烧结颈迁移。

2)烧结时的物质迁移 烧结过程传质机理: ①粘塑性流动过程; ②扩散过程,包括体积、表面和界面的扩散; ③蒸发--凝结过程; ④溶解--沉析过程。 坯体的烧结从物相传质的角度有固相和液相烧结两种。 四种传质机理在不同的情况下出现。固相烧结过程,主 要出现②、③过程;在固一液相烧结中主要出现①、④过 程;在复杂的烧结中,则四种情况并存。

烧结时的物质迁移可分为表面迁移和体积迁移两类。 表面迁移:由物质在颗粒表面流动而引起的。表面扩散 和蒸发-凝聚是主要的表面迁 移机制。 烧结发生表面迁移时,烧结 体的基本尺寸不发生变化, 密度也还保持原来的大小。 体积迁移:包括体 积扩散、塑性流动以及非晶 物质的粘性流动。引起烧结 体基本尺寸的变化。 体积迁移过程主要发生 在烧结后期。

不同的烧结机制对烧结的贡献与材料类型、粉末粒度、 烧结温度以及工艺条件相关。 何种机制起主导作用——由具体情况而定。细粉末颗粒 烧结时,表面扩散机制可能起着决定作用。高温烧结时, 主要是体积扩散机制。某些易蒸发的金属粉(如锌)烧结 时,可能蒸发--凝聚过程起着十分重要的作用。加压烧结 时,则起主要作用的是塑性流动机制。 3)烧结的基本过程 坯体经烧结后,由于粉末颗粒之间的粘结而强度升高。 按烧结机理,粉末坯体的高温烧结过程大致可分为三个阶 段 。

(1)初期烧结颈形成阶段:通过形核、长大的原子迁 移过程,颗粒间的原始接触点或面→晶粒结合→形成烧结 颈。烧结颈的长大速度与物质迁移机制有关,烧结颈部变 化与烧结温度、烧结时间的关系可表示为:
xm R
n

= F (T )t

(3-1)

x—烧结颈半径;R—粉末颗粒半;t—烧结时间;F(T) 与烧结温 烧结颈半径; 粉末颗粒半; 烧结时间; 烧结颈半径 粉末颗粒半 烧结时间 F(T)—与烧结温 度有关的常数; 与烧结机构有关的常数。 度有关的常数;m、n—与烧结机构有关的常数。 与烧结机构有关的常数

可以看出: 较细的粉末颗??梢缘玫浇峡斓纳战?; 烧结温度对烧结颈长大有重大影响; 与温度相比较,烧结时间的作用相对较小。 同时发生吸附气体和水分的挥发,成形剂的分解与排 除,金属的回复等。由于粉末颗粒结合面的增大,烧结体 的强度和导电性有明显增加,但颗粒内的晶粒尚末发生变 化,颗粒外形也基本末变。

(2)中间烧结颈长大阶段: 原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大,颗粒间距 缩小,孔隙的结构变得光滑,形成连续的孔隙网络。 这阶段可以用烧结体的致密化和晶粒长大来表征??紫?可能在晶粒长大时被平直化而大量消失——决定压坯性能 最重要阶段。 在致密化过程中,体积扩散、晶界扩散起主导作用。特 别是晶界对致密化有很重要的作用。为了促进烧结过程, 要求提高加热温度以提高原子的扩散系数。为了阻止因晶 粒长大而减少晶界,可以在坯体中加入少量能阻碍晶粒长 大且在高温下稳定的添加剂。 由于粉末颗粒经受了一定的加工变形,在此阶段开始发 生再结晶及晶粒长大。

(3)最终烧结阶段:缓慢的过程。 体积扩散使孔隙——孤立、球化及收缩。位于晶界上的 孔隙由于晶粒长大,孔隙与晶界脱离→孤立孔隙??瘴坏?扩散→孔隙收缩→过程↓↓。 孔隙内存在残留的气体,将影响孔隙消失的速率。伴随 着小孔隙的消失,孔隙总数目减小,某些大孔隙还会长 大,引起平均孔隙尺寸的增大。 烧结终了坯体中孔隙的大小与分布——粉末粒度分布 和堆积方式相关??紫兜拇只?、聚化和收缩综合作用决定 实际的孔隙状况??紫断У乃俾视肟紫睹芏?、孔隙半 径、体积扩散、晶粒大小以及应力的作用相关,烧结体难 以完全致密化。如最终的粉末烧结体的显微结构是具有一 定孔隙的细晶多晶体,可直接烧成为制品和致密的金属粉 末坯体,后者还可以进行塑性变形深加工。



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