粉末冶金新工艺.ppt

,成形方法 成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最基本方法。,第二章 粉末压制成形新技术,1.粉末预处理 预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。,第二章 粉末压制成形新技术,2.压制成形 压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。粉末的压缩过程一般采用压坯密度成形压力曲线来表示。压坯密度变化分为三个阶段。滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力增加而急剧增加；二是粉末体出现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显变化；三是当压力超过粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开始变形，从而使其密度又随压力增高而增加。,模压示意图,压坯密度与压力,压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发生了变化，由图5-5可知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。,a)压制前 b)压制后用石墨粉作隔层的单向压坯,a）单向压制 b)双向压制压坯密度沿高度分布图,为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比。,a)单向压制 b)双向压制压坯密度沿高度方向的分布图,粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力机吨位一般为5005000kN。,a)填充粉料 b)双向压坯 c)上冲模复位 d)顶出坯块双向压制粉末冶金坯块工步示意图,传统压制技术的局限1、模具要求高，占用生产成本比例大；2、所加工部件尺寸受到限制；3、部件密度分布不均匀；4、脱模困难，工序长，生产效率低。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,1.动磁压制技术,原理:将粉末装于一个导电的容器(护套)内,置于高强磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流,线圈腔中形成磁场,护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用,产生由外向内压缩护套的磁力,因而粉末得到二维压制。整个压制过程不足1ms。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,动磁压制的优点:由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0，因而可达到更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产成本低；由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材料,因而工作条件更加灵活；由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。,1.动磁压制技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化,由粉末材料一次制成近终形定子与转子,从而获得高性能产品,大大降低生产成本。动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高,其磁能积可提高15%-20%。,1.动磁压制技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。对于象、与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制可达到较高的密度,从而降低烧结收缩率。目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。,1.动磁压制技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,2.高速压制,瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快5001000倍,其压头速度高达230m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的重锤(51200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,2.高速压制,高速压制的另一个特点是产生多重冲击波，间隔约0 3s的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套及轴承座圈等产品。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,2.高速压制,与传统压制相比,高速压制的优点是：压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；压制件抗拉强度可提高20%25%；高速压制压坯径向弹性后效很小,脱模力较低；高速压制的密度较均匀,其偏差小于0.01g/cm3。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型技术。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,3.温压成型技术,其与传统模压工艺主要区别之处在于压制过程中将粉末和模具加热到一定的温度，温度通常设定在130150范围以内，可使铁基粉末冶金零件密度提高0.150.4g/cm3，粉末压坯相对密度可达到98-99%。在该工艺中，为了充分发挥在压制过程中的颗粒重排和塑性变形等温压致密化机制，往往需要优化原料粉末设计（如形状、粒度组成的选择），通过退火或扩散退火处理以改善粉末塑性，以及往粉末中掺入高性能高温润滑剂（添加量通常为0.6wt%）。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,3.温压成型技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,特点：（1）密度高且分布均匀 常规一次压制-烧结最高密度一般为7.1g/cm3左右，温压一次压制-烧结密度可达到7.40-7.50 g/cm3，温压二次压制-烧结密度可高达7.6g/cm3左右。温压工艺中高性能润滑剂保证了粉末与模壁之间具有较低的摩擦系数，使得压坯密度分布更加均匀，采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间的密度差比常规压制工艺低0.10.2g/cm3。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,特点：（2）生坯强度高常规工艺的生坯强度约为1020MPa，温压压坯的强度则为2530MPa，提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷，有利于制备形状复杂的零件；同时，还有望对生坯直接进行机加工，免去烧结后的机加工工序，降低了生产成本。这一点在温压-烧结连杆制备中表现得尤为明显。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,特点：（2）生坯强度高常规工艺的生坯强度约为1020MPa，温压压坯的强度则为2530MPa，提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷，有利于制备形状复杂的零件；同时，还有望对生坯直接进行机加工，免去烧结后的机加工工序，降低了生产成本。这一点在温压-烧结连杆制备中表现得尤为明显。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,特点：（3）脱模压力小温压工艺脱模压力(Slide pressure)约为1020MPa，而常规工艺却高达5575MPa，其降低幅度超过60%。低的脱模压力意味着温压工艺易于压制形状复杂的铁基P/M零件和减小模具磨损从而延长其使用寿命。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,特点：（4）表面精度高由于温压工艺使压坯密度升高，而且温压中处于粘流态的润滑剂具有良好的“整平”作用，因此它可以使铁基粉末冶金零件表面精度提高2个IT等级，使纳米晶硬质合金粉末压坯表面精度提高3个IT等级。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,温压技术研究和开发的核心：预合金化粉末的制造技术；新型聚合物润滑剂的设计；石墨粉末有效添加技术；无偏析粉末的制造技术；温压系统制备技术。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造 机械制造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,3.温压成型技术,温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造 机械制造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.流动温压技术,流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性,这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.流动温压技术,流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过两种方法来实现：第一种方法是:向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合粉末的松装密度。第二种方法是:比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性很高的液流体。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.流动温压技术,将上述两种方法结合起来,混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体,它既具有液体的所有优点,又具有很高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,流动温压工艺主要特点如下:(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由此得到的材料密度也更加均匀。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.流动温压技术,(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。(4)简化了工艺,降低了成本。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.冷成形工艺,美国开发出一种能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称之为“冷成形粉末冶金”。它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料靴技术,在压力下精确地将粉末注入模中。加压输送的进料靴使粉末填充更加均匀,而活性溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊效应。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,4.冷成形工艺,采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力，使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%100%的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。目前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术 并已进入工业化生产阶段。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的 OA 器件)、电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点：其结构小而复杂，密度和精度高等。制作材料除铁 镍合金外，还有钛及钛合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,微注射成型 传统粉末注射成形技术,可制得0 11尺寸的部件,已制得最小20mg的零件。但随着微型系统的发展,包括微观光学,最小侵害外科及微观射流技术等,需要形状复杂、尺寸在微米范围内的金属与陶瓷零件。微注射成形适用于大规模制造微型结构件。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,德国在10年前就开始研究微注射成形技术,不过所用的原料为热塑性塑料,最小件尺寸已达0.2。德国在此研究的基础上,现正研究微金属注射成形与微陶恣注射成形技术。所用粉末为平均粒度1 5的羰基铁粉,45的不锈钢粉和0.6的氧化铝粉。所用粘结剂有自混聚烯烃/蜡化合物与常态聚醛基化合物。研究中的脱粘结剂方法有加热去除有机物法,聚醛基化合物催化脱粘结剂法及超临界二氧化碳脱粘结剂法。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,5.注射成形技术,所制的产品复压后密度达98%，线性收缩15%22%。最小微陶瓷注射成形结构件尺寸达10，微注射陶瓷齿轮重量仅为0 5mg，最小的微金属注射成形件尺寸为50。微注射成形用于微型泵、微型齿轮、微型涡轮、最小损伤外科用的微型导管等。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,选择激光烧结法是用激光束一层一层地烧结生产塑料原型。现在可选用多种粉末,包括金属粉末与陶瓷粉末。金属粉末选择激光烧结,旨在直接生产功能部件。这使工业界对它产生了极大兴趣,因为它在产品开发过程中,节省时间并降低成本。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,选择激光烧结法（SLS）工艺原理图,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,SLS系统设备,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,SLS产品,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,多相喷射固结法是一种新的自由成形技术。可用于制造生物医学零件,如像矫形植入物、牙齿矫正与修复材料、一般修复外科用部件等。多相喷射固结法,根据扫瞄得到的假体的三维描述,就可以制造出通常外科所需零件,而无需开刀去实际测量。将金属粉或陶瓷粉与粘结剂混合,形成均匀混合料。多相喷射固结法就是将这些混合料按技术要求进行喷射,一层一层地形成一个零件。在部件形成之后,其中的粘结相用化学法或者加热去除,而后烧结到最终密度。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,多相喷射固结法流程示意图,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,三维印刷法是美国麻省理工学院发明的。该法是根据印刷技术,通过计算机辅助设计,将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷,直至达到最终的几何形状。由此便得到一个生坯件。生坯件经烧结并在炉中熔渗,可达到全密度。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,三维印刷法不同于原型制做的选择激光烧结法。后者一次只能制做一个零件,而前者可同时生产几个形状不同的零件。三维印刷法有两个优点:第一,它能制造任何形状的零件,包括有空腔、内通孔、有锥度或泡沫状表面的零件。第二,生产速度快。采用耗时费钱的传统原型制作法,一个零件原型要数周或数月才能制成,而用三维印刷法,几天便可完成。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第二章 粉末冶金成型新技术,6.快速原型制作技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,烧结决定了粉末冶金零件最终的物理和力学性能 烧结是一种高温热处理，包括（1)烧结炉；（2)烧结气氛；（3)烧结条件的选择和控制烧结过程能源消耗大、设备投资高、产品质量特性不能充分测定的特殊工序。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,必须全面了解和掌握（1)烧结的基本原理；（2)烧结工艺，如：材料、温度、时间、烧结气氛、环境，烧结,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,定义烧结是将粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下进行的热处理。目的是使粉末颗粒间产生冶金结合，即使粉末颗粒之间由机械啮合转变成原子之间的晶界结合,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,Jk,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,(二)烧结的要求1尺寸和形状的精度要求烧结会使烧结体发生收缩或膨胀，并且由于压坯密度分布不均匀以及炉子温度的不均匀，使烧结体发生变形。造就需要严格的控制烧结条件，才能保证烧结产品的尺寸和形状精度要求。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2密度的要求 在烧结中由于收缩或膨胀，因此烧结产品的密度、孔隙度和孔隙连通状态会发生变化。相对密度和孔隙度表征粉末冶金零件密度的高低。作为自润滑的粉末冶金含油轴承还有连通孔隙的要求。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,3组织结构的要求对晶粒度、相结构、相的分布、合金成分的分布以及孔隙度、孔隙大小和孔隙形状。4力学性能和物理性能的要求力学性能：强度、硬度、伸长率和冲击韧性等；物理性能：密度、导电性、导热性和磁性等。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,烧结分类：1.固相烧结；（1)单元系固相烧结在熔点以下的温度进行只发生颗粒之间冶金结合的烧结，无相组织和成分的变化（2)多元系固相烧结由两种或两种以上的组元组成的烧结体系，在低于低熔点组元熔点的温度下进行烧结。还发生各成分之间的合金化。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.液相烧结粉末压坯在高于烧结零件中低熔点组元熔点的温度下进行烧结粉木颗粒之间的烧结和各成分之间的合金化是在有液相出现的状态下进行的。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,1.烧结颈的形成2.烧结颈的长大,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,1.微波烧结技术,微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了粒子间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更高的效率。避免了外部加热由于内外温度梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变形等缺陷。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,1.微波烧结技术,双频微波烧结炉,生产用大型微波烧结炉,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,1.微波烧结技术,已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,放电等离子烧结是将金属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放电活化、热塑变形和冷却阶段完成制取高性能材料或制件的一种方法。它是粉末冶金的一种新的烧结技术，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS烧结原理示意图,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS原理是利用强脉冲电流加在粉末颗粒上产生的诸多有利于快速烧结的效应：1）由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场 中反方向的高速流动,可使粉末吸附的气体逸散,粉末表 面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿,使粉末得以净 化、活化;,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,2）由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生,在粉末颗粒未接触 部位产生的放电热,以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热,都大大促进了粉末颗粒原子的扩散,其扩散系数比通常热 压条件下的要大得多,而达到粉末烧结的快速化;3）快速脉冲电流的加入,无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位,都会快速移动,使粉末的烧结能够均匀化。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活性化状态为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/101/20。烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达106/s，自动化生产小型制件时的生产率可达400件/h。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,采用石墨模具，成本低，加工方便。大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS可加工材料,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术制备梯度功能材料 通过SPS技术可以制造陶瓷/金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,美国国立标准技术研究所和机械工程实验室与日本国际贸易工业部门合作,共同开发了高效发动机用的大尺寸耐热、高强梯度材料。现已能批量生产 150,厚15,11层的ZrO2 梯度材料。采用的SPS工艺参数是:压力2040MPa,温度12431293,升温速率50K/Min,真空度10Pa。采用SPS烧结得到了两头分别是100%的玻璃与100%的304不锈钢,而中间呈4层的梯度材料。烧结温度1073,保持时间15Min,真空下进行。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术制备电磁材料 通过SPS技术可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系热电转换元件,以及广泛用于电子领域的各种功能材料,如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)的非晶合金,在稍高于晶化温度处理后,可得到晶粒数10，具有体心立方结构，高Bs、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目前只能是带材或粉末,制作成品还需要将带材重叠和用树脂固结,这使得成品的密度和Bs均变低。近年,日本采用SPS工艺研究FeMe块材的成形条件及磁性能。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是:先将由非晶薄带经球磨制成的50150非晶粉末装入WC/Co合金模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度110-2Pa以下、升温速度0.091.7K/s、温度673873、压力590MPa),再把所得的烧结体在110-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923、保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、100下的动态磁导率3430,矫顽力12/。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS制备块状纳米晶FeMeB系永磁材料,日本开展了用SPS 制备Fe66Co20Nd2Pr7B5异向性永磁的研究。将急冷制作的非晶薄带球磨成37105的粉末,装入WC/Co合金模具内,在SPS烧结机上烧结(压力374636MPa,温度673873),然后将烧结体在真空110-2Pa下、于973进行180s处理。结果表明:烧结温度873、压力636MPa时,烧结体的相对密度达97 6%98 4%。经磁性测定表明,烧结加压方向的最大磁能积比平行方向的要大,并且随着SPS烧结温度和压力的升高,异向性增加。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,日本还研究了用作交换弹簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6块状纳米晶材料的研究。采用SPS工艺,将急冷制取的薄带烧结成块材。试验结果表明:采用压力940MPa、温度948K、保温1Min的SPS工艺可得到很好的磁性:Br=1.02T,Hcj=461kA/,(BH)=122kJ/m3,Hk/Hcj=30%,=7.67g/cm3。在3731加热条件下,材料的不可逆磁损只有4%,与MQP-B粘结磁体大致相同。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS制备BaTiO3高介电材料,日本报道了将BaTiO3粉末装入石墨模具内,采用SPS工艺(加压39MPa,通入电流4000,温度1373,时间3Min)制成的烧结体,其密度可达5.82g/cm3,达到理论密度的97%,而采用传统烧结方法只能达到88%;SPS烧结体的晶粒尺寸基本上为0.5,而传统烧结时为11.5。SPS烧结体的介电系数达到6200,而传统烧结仅能达到2400。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术生产硬质合金 在日本SPS首先投入批量生产的是硬质合金。住友石炭矿业株式会社已在北海道建立了SPS生产超级硬质合金的示范工厂,并形成TC系列产品。下表列出TC10、TC20以及无钴TC00合金的性能。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术生产精细陶瓷 由于SPS脉冲放电特有的烧结效应,可广泛烧结各种氧化物、氮化物、硅化物、碳化物、硼化物等。SPS烧结的Si3N4+Al2O3精细陶瓷(环形、圆筒形、圆柱、圆饼等)作为耐热耐磨材料已被广泛应用。SPS烧结可抑制晶粒长大、消除微孔和烧结不均匀性,相对密度达到99%100%,HV达到20GPa以上。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,高纯、高密度SiC的烧结 采用SPS可使不含结合剂的SiC烧结到99%以上的理论密度,而采用传统烧结法只能达到92%93%。SPS的烧结工艺为:温度2673、升温和保温时间7Min。下表列出在两种烧结方法下SiC陶瓷性能的比较。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术制备多孔材料 SPS不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化,而且通过选择合适的工艺参数(主要是压力)，还可制取理想的多孔材料。近年日本用金红石、切削铸铁粉、雾化铸铁粉等进行了SPS烧结多孔材料的研究。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,将SiC晶须装入石墨模内,在19732273，1080MPa、560Min工艺条件下作了较系统的烧结研究。当烧结压力为10MPa时，烧结体的孔隙度达到63%，抗弯强度达到42MPa；当烧结压力为80MPa时，烧结体的孔隙度达到34%，抗弯强度达到80MPa。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,第三章 粉末冶金烧结新技术,2.放电等离子烧结（SPS）,SPS技术制备的多孔材料中孔隙的均匀性十分好。将雾化Ni20Cr(平均粒径20)粉末用SPS技术制备多孔材料,SPS的工艺参数是真空下烧结,温度1073,烧结300s。在多孔体半径(25)方向上，孔隙度的均匀性很好,各区域孔隙度相差不到2%。在SEM的断面形貌图上看不出加压方向下粉末颗粒被压扁的现象,而颗粒之间结合的很好,开孔气孔率达到33%左右。,昆明理工大学材料与冶金学院 胡劲,Thanks for your attention!,