粉末冶金及陶瓷成形课件.ppt

材料工艺基础,第五章 粉末冶金及陶瓷成形,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,2,6.1 粉末冶金概述,粉末冶金是一种制取金属粉末以及用金属或合金（或金属粉末与非金属粉末的混合物）粉末作为原料，经过成形和烧结获得零件制品的工艺过程。,可生产出用普通熔炼法不能或很难生产的特殊材料；粉末冶金制品的尺寸精度高；制品材料纯度高、成分配比准确而均匀；适合生产批量大的产品，可实现自动化批量生产；不足：粉末成本较高、制品大小和形状受限制、烧结零件韧性较差等,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,3,汽摩配件,气门、导管类,油泵齿轮转子,缝纫机部件,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,4,粉末冶金基本工艺,粉末的制备与处理：机械法和物理化学法原料混合：不同粒度粉末混合粉末成形：加压成形和无压成形坯块烧结：施加外力或不施加外力产品的后处理：精整、浸油、机加工、热处理和表面处理等,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,5,粉末冶金制品在各工业部门的应用,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,6,6.2 粉末的制备,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,7,粉末特性,粉末颗粒形状与粒度粉末密度: 松装密度，振实密度粉末的流动性与压制性：种类、粒度及分布、形状有关,粉末颗粒形状与生产方法的关系,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,8,6.3 粉末成形,为了获得合格的粉末冶金制品，在粉末成形前要进行相应的物料准备。包括粉末退火、筛分、混合、制粒、加成形剂和润滑剂等。粉末成形方法主要有以下几种： 压制（模压）成形 等静压成形 注射成形 粉末轧制成形 爆炸成形 粉浆浇注成形,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,9,6.3.1 粉末压制（模压）成形,粉末料在钢制模具中经单轴向压制而成为一定形状成形体（压坯）的过程,在压制过程中，由于粉末与粉末之间、粉末与模壁之间存在摩擦力，使得粉末在压模内各个部位受到的压力是不均匀的，因此压坯各部分的致密程度也是不一样的。,压制成形的过程1阴模；2上模冲；3下模冲；4-粉体,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,10,压制成形工艺,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,11,压制成形影响因素,粉体性能的影响润滑剂和塑化剂的影响工艺参数的影响加压速度的影响保压时间和卸压速度加压方式的影响振动压制磁场压制,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,12,6.3.2 粉末等静压成形,将待压试样置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压的一种成形方法。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,13,粉末等静压成形工艺,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,14,6.3.3 粉末注射成形,将固体粉末与有机黏结剂均匀混合并制成粒状喂料，在加热状态下用注射成形机注入模腔内冷凝成形，然后用化学溶解或热分解的方法将成形坯中的黏结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。,适用：Fe合金，Fe-Ni合金，不锈钢，W合金，Ti合金，Si-Fe合金，硬质合金，永磁合金等材料,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,15,6.3.4 粉末轧制成形,金属粉末由供料装置不断送入转动方向相反且处于同一平面的两个轧辊之间的缝隙，通过轧辊的压力将其压实程连续的坯材。坯材的截面形状由轧辊决定，坯材再经过烧结和后续轧制及热处理，以进一步提高密度并消除应力，从而获得足够的强度和塑性。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,16,粉末轧制成形工艺,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,17,粉末轧制成形工艺,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,18,粉末轧制成形影响因素,粉末性能的影响粉末松装密度粉末的流动性粉末的压实性能和成形性能工艺参数和工艺条件的影响轧辊直径的影响轧辊缝隙的影响轧辊表面状态的影响轧制速度的影响供料厚度的影响带坯宽度的影响,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,19,6.4 烧结,高温烧结是粉末坯块强化和致密化的过程。,可分为三个过程：1）粘结阶段：颗粒间的原始接触点或面转变为晶体结合，即经过生核，长大过程形成烧结颈。该阶段粉末颗粒内部的晶粒不发生变化，外形也不变化，整个烧结体不发生收缩，密度微变化。2）烧结颈长大阶段：原子向颗粒结合面大量迁移，使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，同时晶粒长大，晶界越过孔隙移动，使孔隙大量消失。该阶段烧结体收缩，密度和强度增加。3）闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔数量增加，孔隙形状逐渐球化。该阶段烧结体缓慢收缩，但主要是小孔消失和孔隙数量减少。该阶段连续很长时间，可能残留少量孔隙。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,20,烧结原理,发生上述过程的根本原因是粉末烧结过程系统自由能的降低。包括以下几个方面:1）颗粒结合面的增大和颗粒的平直化，粉末体的总面积和总的表面自由能减少。 2）在粉末坯块高温烧结过程中，烧结体内会发生孔隙总体积和总面积的减少。 3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。粉末烧结过程必须在真空或保护气氛的烧结炉内进行。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,21,作业:简述粉末烧结的致密化过程，分析烧结过程的推动力。双号,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,22,粉末烧结过程,单相烧结单相烧结是指纯金属或化合物在其熔点以下烧结，在烧结过程中不发生相变，不产生新的组元或新相，因此在各种烧结过程中，单相烧结是最简单和最基本的烧结过程。1. 烧结温度与烧结时间对烧结过程的影响 单相烧结的物质迁移方式主要是扩散和流动，所以烧结过程与烧结温度和时间的关系极为密切。无论是扩散还是流动，当温度升高后烧结过程都加速进行。实际生产中烧结温度一般为组元熔点（绝对温度）的0. 8左右。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,23,粉末烧结过程,通常把单相烧结划分为三个温度阶段（Tm绝对温度熔点）： 1) 低温烧结阶段（T 0. 25Tm) 该阶段主要是变形粉末颗粒的恢复，吸附的气体和水分的挥发，坯块中成形剂和润滑剂的分解和排除。由于恢复过程中消除了压制时的残余弹性应力，粉末颗粒间的接触相对减少，加之挥发物的排除，所以在这个阶段压坯的体积收缩不明显，坯块的密度基本不变。 2) 中温烧结阶段 (0.4Tm - 0. 55Tm） 在这个阶段开始出现再结晶。在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒。颗粒表面形成烧结颈。 3) 高温烧结阶段 (0.5Tm - 0.85Tm) 该阶段是烧结过程的最终阶段。在这个阶段扩散和流动充分进行，形成大量闭孔，并不断缩小，使得孔隙尺寸和孔隙均有所减少。烧结体的密度明显增加。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,24,粉末烧结过程,烧结温度和时间对烧结体性能的影响,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,25,粉末烧结过程,2. 烧结密度与尺寸的变化 在烧结过程中，多数情况下压制的烧结件尺寸是收缩的，但由于某些原因有时也会膨胀。比如压制压坯时压力过大、升温速度过快等。所以为了有效地控制烧结体的尺寸，要从压制压力、粉末的选择、压模设计和烧结参数的选择等多方面考虑。3. 烧结过程中的再结晶与晶粒长大 粉末经过压制成形后，粉末颗粒经受了变形加工，在烧结时会产生再结晶与晶粒长大现象。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,26,粉末烧结过程,液相烧结 当烧结体系由两个以上熔点不同的组分构成时，如果烧结温度超过低熔点组分的熔点，则在烧结过程中会有液相出现，这种在有液相存在的状态下的烧结被称为液相烧结。液相可以提供快速的物质迁移，而且最终液相将充满烧结体内的空隙，由此可以获得密度高、性能好的产品。 这是在不加压的情况下，能使粉末压坯达到完全致密，最具吸引力的强化烧结方法。液相烧结广泛应用于各种烧结合金零件、电触头材料、硬质合金及金属陶瓷等。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,27,粉末烧结过程,1. 液相烧结过程 液相烧结过程大致可以分为三个界线不十分明显的阶段。 1) 液相流动与颗粒重排阶段 因烧结体系中有液相存在，由颗粒间空隙中的液相形成的毛细管力及液相本身的粘性流动，使在液相中近乎悬浮状态的固相颗粒发生滑动、旋转、重排，烧结体迅速致密化。 2) 固相溶解与再析出 如果固相在液相中可以溶解，细小的粉末和粗大颗粒的凸起及棱角部分会优先在液相中溶解。由于细小粉末颗粒的溶解度要比粗颗粒大，因此在细小颗粒溶解的同时，在粗颗粒表面上有析出，使粗颗粒长大和球形化。 3) 固相烧结 经过固相颗粒的重排和再析出过程，在固体颗粒表面发生接触时产生固相烧结。剩余液相则填充于骨架间隙中。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,28,液相烧结过程,粉末烧结过程,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,29,粉末烧结过程,2. 液相烧结的条件 为使液相烧结能顺利完成，要具备以下条件：1) 液相必须对固相有良好的润湿性2) 固相在液相中有一定的溶解度 因为固相在液相中有限溶解可以改善润湿性，可以相对增加液相数量，还可以借助液相进行物质迁移。溶于液相中的固相部分，冷却时如能析出，则可填补固相颗粒表面的缺陷和颗粒间隙，增大固相颗粒分布的均匀性。 3) 合适的液相数量 液相烧结需要有合适的液相数量，一般是以液相填满颗粒的间隙为限。通常以液相数量占烧结体体积的20-50为宜。为保证烧结时的液相数量，希望液相在固相中不溶解或溶解度有限。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,30,粉末烧结过程,液相烧结举例：WC-Co硬质合金,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,31,粉末烧结过程,WC-Co硬质合金中含Co量根据需要通常为质量分数3-25。WC-Co硬质合金能够进行液相烧结基于满足以下三个条件： (1) 液态Co对WC完全浸润。在1500和氢气氛下，液态Co与WC的润湿角为0，即完全浸润。 (2) WC在Co部分溶解。W-Co-C三元相图的WC-Co纵截面(WC含C质量分数为6.1）。Co基固溶体中WC的溶解度随温度提高而增大，在1340时达到最大值。在硬质合金中WC是过量的，所以在温度超过1340后会出现液相，并且随温度的升高，WC在液相中的溶解度增加。 (3) 烧结温度(1350 -1480）下有液相Co存在，而液相Co在WC中不溶解，使得在保温阶段液相始终存在。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,32,粉末烧结过程,WC-Co硬质合金烧结过程如下：(1) 预热及升温阶段 在烧结炉内随炉温的不断升高，压坯也随之变化。但加热温度大于500时，在Co颗粒之间以及Co与W的颗粒之间开始产生烧结现象。随温度进一步升高，烧结加剧。当温度达到1000左右，WC开始向Co中迅速扩散，随温度升高WC的溶解量加大。在达到a以前，尚无液相出现。(2) 达到共晶温度 在达到共晶温度并少许过热后相与WC开始发生共晶反应，液相开始生成。在充分保温后，固溶体可完全进入液相。但因WC是过量的，因此烧结体内仍有大量的WC固相存在。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,33,粉末烧结过程,(3) 升温至烧结温度 达到共晶温度后继续升温，将有更多的WC溶入到液相中。(4) 烧结保温 在温度刚达到烧结温度的时候，只有保温一定时间后，液相成分才达到真正的平衡。继续保温，只发生WC通过液相产生溶解与再析出过程，两相的成分与比例维持不变。(5) 冷却 随烧结体温度的下降，WC开始由液相中析出，液相数量不断减少。降到共晶温度时，液相成分又回到了E点，并开始进行共晶反应，同时析出固溶体与WC。共晶反应结束后，固溶体不断析出二次WC。烧结体的收缩主要产生在液相出现以后，由于液相的流动所引起WC颗粒的重排与溶解和吸收造成烧结体的收缩与致密化。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,34,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,35,6.5 后处理（I）,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,36,6.5 后处理（II）,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,37,作业:分析WC-Co硬质合金可以进行液相烧结的原因，简述其烧结过程。单号,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,38,6.6 粉末冶金制品的常见缺陷（I）,局部密度超差中间密度过低 侧面积过大；模壁粗糙；模壁润滑差；粉末压制性差；一端密度过低 长细比或长厚比过大；模壁粗糙；模壁润滑差；粉料压制性差；密度高或低 补偿装粉不恰当薄壁处密度低 局部长厚比过大；单向压不适用,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,39,粉末冶金制品的常见缺陷（II）,裂纹拐角处裂纹 补偿粉不恰当；粉料压制性能差；脱模方式不对侧面龟裂 凹模内孔沿脱模方向尺寸变小；粉料中石墨粉偏析分层；压制机上下面不平；粉末压制性差对角裂纹 模具刚性差；压制压力过大；粉末压制性差,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,40,粉末冶金制品的常见缺陷（III）,皱纹内台拐角皱纹 大孔芯棒过早压下，端台已先成形，薄壁套继续压制时，粉末流动冲破已成形部位，又重新成形，现皱纹外球面皱纹 压制过程中，已成形的球面，不断地被流动粉末冲破，又不断重新成形的结果过压皱纹 局部压力过大，已成形处表面被压碎，失去塑性，进一步压制时不能重新成形,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,41,粉末冶金制品的常见缺陷（IV）,缺角掉边掉棱角：密度不均；脱模不当；存放搬动碰伤；侧面局部剥落：球径大于柱径，或球与柱不同心,表面划伤 模腔表面粗糙度大，或硬度低；模壁产生模瘤；模腔表面局部被划伤尺寸超差 模具磨损过大；工艺参数选择不合理不同心度超差 模具安装调中差；装粉不均；模具间隙过大；模具导向段短,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,42,6.7 陶瓷,陶 瓷,普通陶瓷,特种陶瓷,以粘土（含水的铝、镁硅酸盐）、长石（铝硅酸盐）和硅石等为原料，经粉碎、成形及烧结而成，主要用来制造日用品，建筑用品及电器，耐酸器皿等,以人工化合物为原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷，具有特殊的性能，如高强度、硬度，耐蚀性、导电性、绝缘性、磁性、透光性及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等，主要用于机械、航空航天、医学工程等,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,43,电子陶瓷器件,温控陶瓷,耐磨陶瓷,陶瓷金属化,水暖 阀片,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,44,6.8 粉末冶金与陶瓷成形比较,采用粉末作为原材料；通过一定的成型工艺，将原先处于松散状态的粉末聚集成具有特定形状和确定尺寸的坯体；通过烧结工艺，将坯体烧结成内部结合更牢固、外部形状更稳定的制品。,基本工序：粉末加工与处理、成型和烧结,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,45,6.9 陶瓷成形方法,干压成形法直接将不含水分或含少量水的粉体加压成形可塑成形法将粉体加入适量的水，做成可塑泥团，通过塑性变形形成坯体注浆成形法 粉体中加入足够多的水，做成流体型的泥浆，并将注浆形成坯体,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,46,6.9.1 日用陶瓷加工成形,注浆成形（1）基本注浆方法,注浆成形方法是将粉料注入多孔质石膏模型或多孔树脂模型内水通过接触面渗入模型体内，粉料脱水、形成硬层。注浆成形又分为双面吃浆法（实心注浆法）与单面吃浆法（空心注浆法）。这是很早的陶瓷器制作方法。注浆成形法可制造形状复杂、大型薄壁的制品。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,47,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,48,日用陶瓷加工成形,（2）强化注浆方法真空注浆在模型外边抽取真空，或将紧固的模型处于负压的真空中离心注浆向旋转的型腔中注入泥浆，在离心力作用下泥浆紧靠型腔脱水形成坯体压力注浆通过提高泥浆压力来增大注浆过程推动力，加速水分的扩散,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,49,日用陶瓷加工成形,可塑成形（1）滚压成形,成形时，盛放着泥坯的石膏模型和滚压头分别绕着自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥坯进行滚压成形。,刀压成形示意图,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,50,日用陶瓷加工成形,（2）塑压成形将可塑泥坯放在模型内在常温下压制成坯的方法,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,51,日用陶瓷加工成形,压制成形 将含有一定水分的颗粒粉料填充到模型中，施加压力，使之成为具有一定形状和强度的陶瓷坯体。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,52,6.9.2 高技术陶瓷加工成形,注浆成形（1）注浆成形一些非黏土类型的瘠性料需要靠塑化剂及温度的作用才能调制成具有一定流动性和悬浮性的浆料。（2）热压铸成形利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属型模具在压力下进行成形，冷凝后坯体能保持其形状。（3）流延成形,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,53,高技术陶瓷加工成形,将准备好的粉料内加粘结剂、增塑剂、分散剂、溶剂，然后进行混合使其均匀。再把浆料放入流延机的料斗中，料浆从料斗下部流至流延机的薄膜载体上。控制厚度，再经加热烘干，得到膜坯，连同载体一起卷轴待用，最后按所需形状切割或开孔。,适合厚度小于0.2mm、表面粗糙度低、超薄型的制品,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,54,高技术陶瓷加工成形,可塑成形法,（1）挤压成形将具有可塑性的泥料，通过挤机嘴成形。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,55,高技术陶瓷加工成形,（2）轧模成形将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混炼，使之混合均匀，伴随吹风，溶剂逐步挥发，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制得薄片瓷坯。,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,56,高技术陶瓷加工成形,（3）带式成形 一般用于制备厚度 80 m的坯片,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,57,高技术陶瓷加工成形,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,58,高技术陶瓷加工成形,模压成形（1）干压成形,（2）冷等静压成形- 冷等静压可分为干式和湿式两种形式。,湿式冷等静压（液体为传压介质）干式冷等静压（气体或弹性体为传压介质）,冷等静压,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,59,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,60,举例分析陶瓷成形的方法及其应用 双号,材料工艺基础（粉末冶金及陶瓷成形）,61,6.10 陶瓷成形技术的发展,陶瓷成形主要分为干法成形和胶态成形。而技术方面的最新进展，包括注射成形中的水溶液注射成形、温度诱导成形、直接凝固注模成形、电泳沉积成形、凝胶注模成形、水解辅助固化成形、压滤成形和离心注浆成形等。陶瓷胶态成形技术工艺设备简单，成本低廉，能净尺寸成形复杂的陶瓷制品，而且制品组分均匀，缺陷少，强度高，易于机械加工，已在国内外得到广泛应用。,