材料成形技术基础3.ppt
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1、材料成形技术基础,第四章 粉末压制和常用 复合材料成形过程,第1节 粉末压制成形过程 第2节 粉末压制产品及应用 第3节 粉末压制零件或制品的结构特征 第4节 陶瓷制品成形过程简介 第5节 常用复合材料成形过程简介,主要内容,4.1粉末压制成形过程,粉末压制(这里主要指粉末冶金)是用金属粉末(或者金属和非金属粉末的混合物)做原料,经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。 颗粒状材料兼有液体和固体的双重特性,即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性,人们正是利用这特性来实现粉末的成形,以获得所需的产品。,粉末压制的特点,能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。可制取难熔、极硬和特殊性
2、能的材料,例如:钨丝、硬质合金、磁性材料、高温耐热材料等;又能生产净形和近似净形加工的优质机械零件,如:多孔含油轴承、精密齿轮、摆线泵内外转子、活塞环等。 材料的利用率很高,接近100%。 虽然用其他方法也可以制造,但用粉末冶金法更为经济。 一般说来,金属粉末的价格较高,粉末冶金的设备和模具投资较大,零件几何形状受一定限制,因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。,4.1粉末压制成形过程,粉末压制生产技术流程,原材料粉末添加剂配混压制成形 烧结制品/其他处理加工制品,4.1.1金属粉末的制取及其特性,一、金属粉末的制取,矿物还原法 矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后,得到一定形状和大小的
3、金属料,然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。,金属粉末的生产有多种方法,其中主要有:矿物还原法,雾化法,机械粉碎法等。,4.1.1金属粉末的制取及其特性,2) 电解法 电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块,再用机械法进行粉碎。,3)雾化法:,雾化法是使熔化的液态金属从雾化塔上部的小孔中流出,同时喷入高压气体,在气流的机械力和急冷作用下,液态金属被雾化,冷凝成细小粒状的金属粉末,落入雾化塔下的盛粉桶中。,4.1.1金属粉末的制取及其特性,机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨,适宜于制备一些脆性的金属粉末,或者经过脆性化处理的金属粉末(如
4、经过氢化处理变脆的钛粉)。,4) 机械粉碎法,金属粉末的特性,金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。,(1)成分 粉末的成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于98%99%,完全可以满足烧结机械零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时,需要使用纯度更高的粉末。,影响金属粉末的基本性能的因素包括:成分、粒径分布、颗粒形状和大小及技术特征等。,一些重要的金属粉末生产方法,(2)颗粒形状和大小,颗粒形状是影响粉末技术特征(如松装密度、流动性等)的因素之一。通常,粉粒以球状或粒状为好。,颗粒大小常用粒度表示。粉末粒度通常在
5、0.1500m,150m以上的定为粗粉,40150m定为中等粉,1040m的定为细粉,0.510m为极细粉,0.5m以下的为超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围,各种筛号表示每平方英寸(1 in2=6.4510-4 m2)筛网上的网孔数。,筛号与网孔大小的对应关系,(3)粒度分布,粒度分布是指大小不同的粉粒级别的相对含量,也称为粒度组成。粉末粒度组成的范围广,则制品的密度高,性能也好,尤其对制品边角的强度尤为有利。,(4)技术特征,粉末的成形技术特征主要有: 松装密度:又称松装比,指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能,同
6、时对压模设计是一个十分重要的参数。 流动性:指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短,流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。,(4)技术特征,压制性:包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度,通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质,使其具有一定的强度,且便于生产过程中的运输,粉末需有良好的成形性。,4.1.2 粉末配混,粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物(如润滑剂等)进行充分地混合,此工序通过混粉机完成。,为改
7、善粉末的成形性和可塑性,在粉料中添加增塑剂(如汽油、橡胶溶液、石腊等)。,1) 目的:,2) 成形机理:,将松散的粉料通过压制或其它方法制成具有一定形状,尺寸的压坯。,装入模具型腔内的金属粉料在1501600MN/m2成形压 力作用下,粉粒之间的原子通过固相扩散互相渗透促进粉粒的 结合。,另一方面因粉粒表面凹凸不平,受压后互相合,致使压 坯密度提高,强度增大。,4.1.3 压制成形,压制成形方法,压制成形的方法有很多,如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的有:,1)钢模压制 指在常温下,用机械式压力机或液压机,以一定的比压(压力常在150160 MP
8、a)将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。,1)钢模压制,2)流体等静压制,它是利用高压流体(液体或气体)同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。,1工件; 2橡胶或塑料模; 3高压容器; 4高压泵,3)三向压制,1侧向压力;2轴向冲头;3放气孔,综合了单向钢模压制与等静压制的特点,这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。但它适用于成形形状规则的零件,如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。,另外,可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品,如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同,可选择不同的加热及加工顺序。目前,这个生
9、产领域发展较快。 通常一个理想的零件,其各个部位都必须具有均匀的密度分配。在粉末冶金中,粉末压制成形的主要问题是如何使成形的压坯密度均匀,它不仅标志着压制对粉末密实的有效程度,且可决定随后烧结时材料的形状。,3)三向压制,软、硬两种粉末在压制中压力与密度的关系,压力与密度之间的关系 1软质材料粉末;2硬质材料粉末,压坯的强度是一个比较重要的品质指标。压制过程中,随着压力增大,压坯强度也提高,这主要是因为一方面粉末接触表面的塑性变形导致的原子间作用力增大,另一方面是粉粒表面凹凸不平而产生的机械啮合力的结果。,4.1.3 压制成形,压坯的密度和强度大小对烧结体的品质有直接的影响,密度大,强度高,烧
10、结体的品质也好。另外,坚固的压坯便于生产过程中的运输和半成品加工。对于某些硬质材料的粉粒,因塑性变形能力差,压制中即使增大压力也产生不了很大效果。故生产中常靠加入润滑剂(又叫成形剂)来增加压制时粉末间的黏结与压坯的强度。凡影响成形性的因素都将影响压坯的密度和强度。,4.1.3 压制成形,4.1.4 压坯烧结,1) 目的,压制的型坯强度很低,必须进行烧结。烧结是将型坯按一 定的规范加热到规定温度并保温一段时间,使型坯获得一定的 物理与机械性能(机械强度)的工序。,2) 烧结机理,粉末压坯的表面积大,表面能高,表面与内部的各种缺陷 多,处于不稳定状态。在烧结过程中,高温坯料颗粒之间易于 发生扩散、
11、熔焊、化合、溶解和再结晶等物理化学过程。使分 散的坯料颗粒结合成为一个稳定、坚实的结晶体、即烧结体。 最终获得所需要的性能。,3)烧结方法,通常在保护性气氛的高温炉或真空炉内进行烧结。,A 烧结规范, 烧结温度:一般为基体熔点的2/33/4。即烧=(2/33/4)T熔。,B 烧结分类, 保温时间:时间太短,不利于原子扩散和迁移,不利于成分, 组分均匀化;保温时间过长,易造成晶粒粗大,生产率低, 成本升高等缺点。, 保护气氛:为防止粉料氧化,烧结过程一般在还原性或中性气氛下进行(如煤气,氢气等),要求高的应在真空炉内进行烧结。, 固相烧结 :烧结过程中各组元均不形成液相。, 液相烧结:烧结时部分
12、组元形成液相。在液相表面张力的作用 下,粉粒相互靠紧,故烧结速度快,制品强度高。,4.1.4 压坯烧结,粉末压坯一般因孔隙度大,表面积大,在烧结中高温长时间加热下,粉粒表面容易发生氧化,造成废品。因此,烧结必须在真空或保护气氛中进行,若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。 (1)翘曲 (2)过烧 (3)分解反应及多晶转变 (4)黏结剂烧掉,4.1.5烧结后的其他处理或加工,1)渗透(又称为熔渗) 把低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。 2)复压 将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次,叫做复压 。 3)粉末金属锻造 以金属粉末为原料,先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺
13、寸的预成形坯,然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。,4.1.5烧结后的其他处理或加工,4)精压,将零件放入模具中并加以高压的工序。目的是进一步提高制 品的密度、强度。,粉末冶金制品有一些后续工序,如含油轴承的浸油处理,以及机械加工、喷砂处理,有时还须进行一些必要的热处理等。,5)其他后续处理,根据技术要求,生产粉末金属可选择下属过程 压制+烧结; 压制+烧结+复压; 压制+预烧结+精压+烧结; 压制+预烧结+精压+烧结+复压。 通常情况下:类过程的应用约占80%;但类过程的应用也不少。而较复杂的类和类过程仅用于某些特殊零件。近年来,由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发,经一
14、次压制就可获得较高强度的零件。,4.1.5烧结后的其他处理或加工,4.2 粉末压制产品及应用,现代汽车、飞机、工程机械、仪器仪表、航空航天、军工、核能、计算机等工业中,需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件,粉末压制在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务。,4.2.1粉末压制机械结构零件,粉末压制机械结构零件又称烧结结构件,这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。 在现今汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。烧结结构件总产量的60%70%用于汽车工业,如发动机、变速箱、转向器、启动马达、刮雨器、减震器、车门锁中都使用有烧结零件。,汽车变速箱中粉末压制件,4.2.2粉
15、末压制轴承材料,1)多孔含油轴承材料 这是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料,用作轴承、衬套等。常用的有铁-石墨和青铜-石墨含油轴承材料。 含油轴承工作时,由于摩擦发热,使润滑油膨胀从合金孔隙中压到工作表面,起到润滑作用。运转停止后,轴承冷却,表面上润滑油由于毛细管现象的作用,大部分被吸回孔隙,少部分仍留在摩擦表面,使轴承再运转时避免发生干摩擦。这样就可保证轴承能在相当长的时间内,不需加油而能有效地工作。,含油轴承材料的孔隙度通常是18%25%。孔隙度高则含油多,润滑性好,但强度较低,故适宜在低负荷、中速条件下工作;孔隙度低则含油少,强度较高,适宜于中、高负荷,低速条件下工作
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