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15粉末成形

       

  15粉末成形_理学_高等教育_教育专区。第六章 粉末材料 的成形与固结 第一节 粉末的成形与干燥 成型是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。传统的 成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、 扎制成型、注浆成

  第六章 粉末材料 的成形与固结 第一节 粉末的成形与干燥 成型是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。传统的 成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、 扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。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,出现了许多新的成型方法, 如压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸模 成型和直接凝固成型等。 功能 使粉末成为具有一定尺寸和形状的块状物体 成型制品具有一定的机械强度,以保证制品 在工艺流程中转运和进一步加工时,其尺寸 与形状不会破坏; 赋予制品进一步加工的良好加工性能 一、粉末成型的理论基础 1、粉体的堆积与排列 理想球形颗粒的堆积类型、堆积密度和配位数 排列 堆积密度% 配位数 简单立方 52 6 体心立方 68 8 面心立方 74 12 六方密堆 74 12 粉末的工艺性能 ①松装密度 ②流动性 ③压缩性 ④成形性 ①松装密度 粉末试样自然填充规定的容器时,单位容 器内粉末的质量,克/厘米3。 -----规定值 (a) 装配图 (b) 流速漏斗 (c) 量杯 松装密度测定装置一 (1) 漏斗 (2) 阻尼箱 (3) 阻尼隔板 (4) 量杯 (5) 支架 松装密度测定装置二 将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 积密度也较低, 即小于74%。通过振动可以 提高堆积密度,但是,即使采用最仔细的振 动方式,最高的振实密度也仅能达到62.8%, 并且平均配位数也低于12。 一般为了提高堆积密度,常在较大的均一 颗粒之间加入较小的颗粒。当小颗粒粉末量 增加时,粉体的表观密度先增加然后降低。 松装密度,cm3 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 0 20 40 60 80 100 细颗粒,% 细颗粒(-325目)对不锈钢粗颗粒 (-100+150目)松装密度的影响 ②流动性 50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的 时间,单位为秒/50克,其倒数是单位时间 内流出粉末的重量,俗称为流速。 测量方法1 流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。 标准漏斗(又称流速计)是用150目金刚砂粉末, 在40秒内流完50克来标定和校准的。美国标 准还规定用孔径1/5英寸的标准漏斗测定流 动性差的粉末。 测量方法2 采用粉末自然堆积角(又称安息角)试验 测定流动性。让粉末通过一粗筛网自然流下 并堆积在直径为l英寸的圆板上。当粉末堆 满圆板后,以粉末锥的高度衡量流动性,粉 末锥的底角称为安息角,也可作为流动性的 量度。锥愈高或安息角愈大,则表示粉末的 流动性愈差,反之则流动性愈好。 规律 等轴状(对称性好)粉末、粗颗粒粉末的流动性好; 粒度组成中,极细粉末占的比例愈大,流动性 愈差,但是,粒度组成向偏粗的方向增大时, 流动性变化不明显。 ③压缩性 代表粉末在压制过程中被压紧的能力。 在标准的模具中在规定的润滑条件下加以 测定,用规定的单位压力下粉末所达到的 压坯密度表示。通常也可以用压坯密度随 压制压力变化的曲线图表示。 压缩比: 松装粉末的高度与成型坯体高度之比。 ④成形性 成形性是指粉末压制后,压坯保持既定形 状的能力,用粉末得以成形的最小单位压 制压力表示,或者用压坯的强度来衡量。 压制性:是压缩性和成形性的总称。 规律 成形性好的粉末,往往压缩性差;相反, 压缩性好的粉末,成形性差。例如松装密度 高的粉末,压缩性虽好,但成形性差;细粉 末的成形性好,而压缩性却较差。 2、粉末在压力下的运动行为 成型工艺主要有: ?刚性模具中粉末的压制(模压) ?弹性封套中粉末的等静压 ?粉末的板条滚压以及粉末的挤压,等。 受力过程的三个阶段 第一阶段:首先粉末颗粒发生重排,颗粒间的 架桥现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加; 第二阶段: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。但是,同样的延 性材料在一样的压力下,并不一定得到相同的 坯体密度,还与粉末的压缩性能有关; 第三阶段:颗粒断裂。不论是原本脆性的粉体 如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工硬化 的脆化粉体,都将随着施加压力的增加发生脆 性断裂形成较小的碎块。 压坯密度与压制压力的关系 在压制过程中,随着压力的增加,粉 体的密度增加、气孔率降低。人们对压 力与密度或气孔率的关系进行了大量的 研究,试图在压力与相对密度之间推导 出定量的数学公式。目前已经提出的压 制压力与压坯密度的定量公式(包括理 论公式和经验公式)有几十种之多,表 中所示为其中一部分。 粉末压制理论的一些理论公式和经验公式 序号 提出时间 1 1923 2 1930 3 1938 4 1948 5 1956 6 1961 7 1962 8 1962 9 1963 10 1963 11 1964~ 1980 12 1973 著者姓名 汪克尔 L. F. Athy 艾西 M. Balshin 巴尔申 Smith 史密斯 川北公夫 R. W. Heckel 黑克尔 尼古拉耶夫 米尔逊 库宁 尤尔钦科 平井西夫 黄培云 巴尔申 查哈良 马奴卡 β=k1-k2lgP θ=θ0e-βP 公式 dP dβ LP lg P max lg P L(β 1) lg P max lg P m lgβ d 压=d 松+κP1/3 C=(abP)/(1+bP) ln(1-D)-1=κP+A 注解 k1, k2—系数 P—压制压力,β—相对密度 θ—压力 P 时的空隙率 θ0—无压力时的空隙率 β—压缩系数 Pmax—相应于压至最紧密状态(β=1)时的单位压力 L—压制因素 m—系数 β—相对体积 d 压—压坯密度 d 松—粉末松装密度 C—粉末体积减少率 a、b—系数 A、κ—系数 P=σsCDln[D/(1-D)] σs—金属粉末的屈服强度 C—系数 lg(P+κ)≈-lgβ+lgPk Pk—金属最大压制密度时的临界压力;κ、n—系数 d=dmax-(κ0/d)e-aP dmax—压力无限大时的极限密度 a、κ0—系数 dε/dt=[(β/φ)tkfβ-1](df/dt)+[(K/φ)tk-1fβ′ f—外力,ε—应变 -1]f φ、β、K—系数 lgln[(dm-do)d]/[(dm-d)d0]=nlgP-lgM mlgln[(dm-do)d]/[(dm-d)d0]=lgP-lgM dm—致密金属密度 d0—压坯原始密度 d—压坯密度, P—压制压力 M—相当于压制模树 n—相当于硬化指数的倒数 m—相当于硬化指数 P=3aP0ρ2(Δρ/θ0) P0—初始接触应力 ρ—相对密度 θ0—(1-ρ) a=[ρ2(ρ-ρ0)]/θ0 成形方法 模压成型 等静压成型 压力成型 高能成型 挤压成型 软模成型 增塑成型 注射成型 楔形压制 注浆成型 热压铸成型 流延法成型 压力渗滤工艺 浆料成型 离心成型 凝胶铸模成型 直接凝固成型 粉末冶金工艺过程 二、压力成形 1、模压成形 ? (1)退火 T退=(0.5-0.6) T熔 ? 还原气氛惰性气体保护真空 粉末硬度对成形压力的影响 筛分 粉末粒度组成对压坯密度的影响 (2)混合 合批(干混,湿混) 混合:将不同成分的粉末混合均匀的过程 合批:同类粉末或粉末混合物的混合 消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在 粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能 差异,获得性能均匀的粉末料 干混法:铁基及其它粉末冶金零件的生产 湿磨法:硬质合金或含易氧化组份合金的 生产WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀 效果发生显著的细化效果 一般采用工业酒精作为研磨介质 (3)造粒 提高流动性 ? 细小颗粒或硬质粉末 ? 为了成形添加成形剂 ? 改善流动性添加粘结剂 ? 进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M 制品 ? 粉末结块 ? 原理 ? 借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒 形成团粒 (4)成形剂 加润滑剂(成形剂) ●润滑剂作用:提高压坯强度及均匀性,改 善劳动条件 ●润滑剂组成:石蜡, 硬脂酸硬质酸盐加入量 为金属粉末的0.1 %~2 % ●润滑剂还具有造孔剂的作用 场合 ①硬质粉末:如硬质合金,陶瓷等 粉末变形抗力很高,难以通过压制所产生的 变形而赋予粉末坯体足够的强度,添加成形 剂的方法以提高生坯强度,利于成形。 ②流动性差的粉末细粉或轻质粉末 粘结剂作用 适当增大粉末粒度,减小颗粒间的摩擦力 改善粉末流动性,提高压制性能 橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS 、PEG、PVA等 成形剂 为改善粉末成形性能的一种添加物。 润滑剂 为降低粉末与模壁和模冲间的摩擦、改善密 度分布、减少压模磨损和有利于脱模的一种 添加物 常见成形剂: 合成橡胶、石蜡、聚乙烯,酵、乙二脂、松香 淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等 常见润滑剂: 硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬 脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉 和机油 润滑剂对脱模力的影响 润滑剂加入量对压坯性能的影响 (5)加压与脱模 压坯密度与压力关系 单向压制压坯的密度的不均匀性 单向压制不均匀性的克服 1单向压制,2添加润滑剂,3双向压制 轴套双向自动压制 影响压坯质量的主要因素 1.粉末性能(硬度、纯度、粒度、形状) 2.成型剂(润滑剂,粘结剂) 3.压制方式 4.保压时间,震动加压 压制铁粉保 压时间对压 坯密度的影 响 (6)压制过程中力的分析 总压力 P 净压力 P静 压力损失 P损失 侧压力 P侧 模壁摩擦力 P摩 内摩擦力 P内摩 弹性力 P弹 P侧 P总 P摩 P总 摩擦系数 侧压系数 1--用硬脂酸润滑模壁 2、3--用二硫化 4--无润滑剂 钼润滑模壁 结论 在没有润滑剂的情况下,模壁摩擦力的压 力损失很大,可达60~90%。由于压力沿压 模轴向分布不均,造成压坯的密度不均匀 现象。加入润滑剂能够改善这一现象。 弹性后效 Springback ? 反致密化现象 ? 压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象 ? 残留内应力释放的结果 ? 弹性后效与残留应力相关 ? 压制压力 ? 粉末颗粒的弹性模量 (7)温压成形 高性能(高强度、高精度)的铁基粉末冶金 零部件;是传统刚性模压制(模压)技术的 发展。 粉末与模具被加热到较低温度(一般为 150℃)下的刚模压制方法 除粉末与模具需加热以外,与常规模压几乎 相同 温压与粉末热压完全不同,温压的加热温度 远低于热压(高于主要组分的再结晶温度) 被压制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高, 表面光洁 温压技术的发展背景与现状 温压技术的开发的原动力 汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能 的铁基P/M零部件,以提高汽车在市场上的 竞争力 材质调整和后处理对改善铁基P/M零部件力 学性能的潜力已发挥到极限 汽车发动机用粉末烧结钢零件 汽车变速器系统用粉末烧结钢件 温压工艺 粉末原料(扩散粘结铁粉+新型润滑剂) ↓ 粉末加热(130℃) ↓ 阴模装粉(130-150℃) ↓ 温压 ↓ 温压压坯 ↓ 烧结 ↓ 温压零部件 温压的技术特点 1)低成本制造高性能P/M零部件 源于加工工序少,模具寿命长,零件形状 复杂程度提高 2)压坯密度高 相对密度提高0.02-0.06,即孔隙度降低2- 6% 3)便于制造形状复杂的零部件 低的脱模压力,↓30% 高的压坯强度,↑25-100% 弹性后效小,↓50% 密度分布均匀,密度差↓0.1-0.2g/cm3 温压保持了传统模压的高效、高精度优势 提高了铁基零部件的性能和服役可靠性 拓宽了部件的应用范围 被誉为“导致铁基粉末冶金技术革命的新 技术” 4)零件强度高(同质、同密度) 极限抗拉强度↑10%,烧结态达1200MPa 疲劳强度↑10% 若经适度复压,与粉末锻件相当 5)零件表面质量高 精度提高2个IT级 模具寿命长(模具磨损少) 6)压制压力降低 同压坯密度时,压力降低140Mpa 提高压机容量 温压过程的实质 塑性变形得以充分进行 加工硬化速度和程度降低 有效地减小粉末与模壁间的摩擦和降低粉 末颗粒间的内摩擦 便于颗粒间的相互填充 颗粒重排为主导机理 颗粒的塑性变形为前者提高协调性变形 成为后期的主导致密化机理 塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献 c(p) 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 Particle rearrangement, C (P) 1 Plastic deformation, C (P) 2 100 200 300 400 500 Pressure/MPa 600 700 2、三轴压制 三轴压制是单轴压制(模 压)和等静压的结合。除 了对粉末施加等静压外 (周压),还要增加一个 轴向负荷(轴压),即三 轴压制=周压十轴压。由于 轴压不等于周压(一般是 轴压大于周压),因此对 粉体产生了剪切应力,使 粉末颗粒更容易重新排列, 更利于小颗粒向大颗粒孔 三轴压制装置示意图 1一侧限压力;2一轴向承载活塞; 隙充填。 3一放油孔;4一出油孔 3、等静压成形 应用帕斯卡原理,依靠高 压液体或气体在粉体各个 方向上施加等同压力进行 成型的方法。常用的压力 传递介质为液体。因刹车 油或无水甘油的可压缩性 极小,几乎可以把全部压 力传递到弹性模具上,故 多用这两种液体作为压力 传递介质。 等静压成型的特点 粉体各部分受压均匀且压力很高,这样得 到的制品密度高且均匀,从而使制品在烧 成过程中的变形和收缩等大为减少,也不 会出现一般成型法成型制品因密度差产生 应力而导致的烧成裂纹。 湿袋式(wet bag) 优点 能在同一压力容器中同时压制不同形状、 尺寸的粉末压坯 模具寿命长,成本低 缺点 压制生产率较低 干袋式(dry bag) 优点 生产率高,易于实现自动化 模具使用寿命长 缺点 每次只能压制一种产品 两者的区别 干袋式不取出软模 4、爆炸成形 粉末在瞬间承受巨大冲击波作用,粉末呈 现非弹塑性行为,在接触处出现复杂的应 力状态,硬化过程不能进行,获得相对密 度≥0.97的坯件。 应用 硬质粉末或形状复杂的大型粉末部件的成形 超大型金属板材的焊接 三、增塑成形 1、挤压成型 ? 将粉末、粉末压坯或粉末烧 结坯在外力作用下,通过挤 压筒的挤压嘴挤成坯料或制 品的成形方法 ? 挤压成型多用于特殊耐火材 料的生产。 特殊耐火材料用的原料大多不具有可塑性 。在挤压成型前通常加入塑化剂或粘结剂 使其成为可塑料,如糊精、工业糖浆、羧 甲基纤维素、聚醋酸乙烯脂、聚乙烯醇等 有机塑化剂。 粉末增塑挤压原理 三向受压缩,一方向变 形。(附图) 物料运动示意图 粉末料+增塑剂 硬 质 ↓ 掺合(40-50℃) 合 金 ↓ 预压(排气,提高料密度) 增 塑 ↓ 挤压(40-50℃) 挤 压 ↓ 挤压坯 工 艺 ↓ 脱增塑剂 流 程 ↓ 烧结 ↓ 制品 2、轧膜成形 定义 将粉末引入一对轧棍之间并使之 压实成具有一定粘结强度的连续带坯 的成形方法 分类 ? 粉末直接轧 塑性良好的粉末(应用多) ? 粘结粉末轧制 加入粘结剂改善粉末体的成形性 ? 包套粉末热轧 活性粉末和高致密度的坯带 粉末轧制原理 Ⅰ区-自由流动区 颗粒受重力和因颗粒下移而产生颗粒间 的摩擦力作用 Ⅱ区-喂料区 辊表面施予粉末一定的摩擦力,带动粉 末颗粒进入辊之间,导致粉末被咬入 Ⅲ区-压轧区 粉末质量不变,体积缩小,密度增加 轧制过程的影响因素 粉末可轧制性:可塑性、成形性和流动性 粉末硬度:低的粉末硬度便于变形和形成高的机 械啮合,↑成形性 轧辊直径 给料方式 轧制速度 辊缝t 粉末轧制的应用 多孔板材,如过滤板、催化剂板材 层状复合材料带、板材 纤维增强复合材料 3、注射成形 技术背景 IM是塑料制品的一种通用成形技术 原理是利用熔融塑料的流动行为 借助于外压经注射嘴注入特定的形腔 由于单纯的塑料的强度和耐磨性低,应用 范围受到很大限制 在熔融塑料中加入诸如金属或陶瓷粒子作 填充剂 四、浆料成形 1、注浆成形 将泥浆注入石膏模型,借助于模型吸水制成 坯体的方法。 ? 注浆成型法 空心浇注的特点 石膏模不带任何型芯,所 以又称单面浇注或单面吸浆。泥浆注入石膏 模型后,在模腔内壁形成坯体的外形,适合 于薄壁中空制品。 实心浇注的特点 石膏模腔内放置一个或几 个型芯,以形成注件铸件的内表面,所以又 称为双面浇注或双面吸浆,适合于壁厚大件 或外形复杂的制品。 注浆成型的特点 泥浆水分一般达40%左右,它主要用于生 产中空壁薄的高级耐火制品及特种耐火制品, 在陶瓷工业中,注浆成型是一种适应性大、 生产效率高的成型方法。凡是形状复杂或不 规则、以及薄胎等制品,均可采用注浆成型 法来生产。 (1)料浆的制备 ? 由金属粉末或纤维与分散剂等组成的混合物 ? 具有一定的流动性、粘度和相对稳定性 (2)石膏模制作 ? 石膏粉末粒度细,吸水能力强 ? 制作过程 ? 石膏粉末+水(1:1.5)→外加1%尿素→混 匀→注入型箱→干燥→取出型芯→干燥(4050℃)→石膏模 (3) 浇注 2、热压铸成形 是陶瓷成形常用的 方法之一。成形时, 先将粉料与蜡或有 机高分子粘结剂混 合、加热,使混合 料具有一定流动性, 然后将混合料加压 注入模具,冷却后 即可得到致密的、 较硬实的坯体。 3、流延法成形 一般要获得膜厚度在 10 m以下的陶瓷膜必 须用流延法。它是将超细粉中混入适当的 粘结剂制成流延浆料,然后通过固定的流 延嘴及依靠料浆本身的自重,将浆料刮成 薄片状,流在一条平移转动的环形钢带上。 经过上下烘干道,钢带又回到初始位置时 就得到所需的薄膜坯体。 4、压力渗滤工艺和离心成形 是在注浆成形基础上发 展起来的,可避免一般 工艺中发生的超细粉团 聚和重力再团聚现象, 并可获得较高的生坯密 度。料浆通过静压让模 腔内液态介质通过多孔 模壁排除,而使粉料固 化成坯体。 特别适用于晶须或纤维 补强的复合材料的成形。 5、凝胶铸模成型 凝胶铸模成型是近年来提出的一种新型成 型技术,它是把陶瓷粉体分散于含有有机 单体的溶液中形成泥浆,然后将泥浆填充 到模具中,在一定温度和催化剂条件下有 机单体发生聚合,使体系发生胶凝,这样 模内的料浆在原位成型。经干燥后可得到 强度较高的坯体。 有机单体交联剂 粉末分散剂 催化剂 引发剂 水 预混液 泥浆 浇注 凝胶 脱模 干燥 凝胶铸模成型 排有机物 工艺 烧结 检 查 最终制品 6、直接凝固成型 陶瓷粉料 烧结助剂 反絮凝剂 分散良好 高固相体积 分散的浆料 注入模型 脱模 分散剂 烧结 最终制品 五、压坯的干燥与脱脂 成形后的坯体,均含有水分或有机物。 含水的坯体具有可塑状态,强度低且易变 形,不利于后续加工,如修坯、搬运及烧 成等。 含有较多有机物的坯体,在烧成前需单独 氧化和分解除掉,否则易引起制品烧成缺 陷。 因此,对成形的坯体,在烧成前必须干燥 (脱水)或脱脂(排蜡)以提高坯体强度 ,缩短烧成周期,避免烧成缺陷,提高产 品质量。 1.坯体的干燥 (1)干燥原理与过程:成形后坯体所含水分 以三种不同状态存在,一是化学结合水, ;二是吸附水;三是游离水。 坯体的干燥主要是排除游离水和部分吸附 水。 干燥过程四个阶段:升速阶段、等速阶段 、降速阶段与平衡阶段。 坯体干燥过程阶段示意图 曲线——坯料含水量与干燥时间的关系; 曲线——干燥速度与干燥时间的关系; 曲线——坯体的表面温度与干燥时间的关系 (2)干燥制度:干燥制度主要指坯体干燥各 阶段的干燥速度,一般希望速度尽量快, 以节省时间和能源。但实际上在干燥各阶 段不可能太快,否则易出现质量问题。干 燥速度大小受很多因素影响,如坯体本身 特性、干燥介质温度与湿度,干燥介质流 速与流量、干燥方法等。 (3)干燥方法:自然干燥法和热空气干燥法 ,微波、红外干燥等技术。 2.脱脂与排蜡 采用热压铸、注射成形等方法时,因坯料 需加入塑化剂等有机物,故坯体中含有较 多有机物,需在烧成前排除,这个过程称 为脱脂或排蜡。 脱脂和排蜡的过程是先将坯体埋入疏松、 惰性粉料(也称吸附剂,如Al2O3粉),然 后按一定升温速度加热,当达到一定温度 时,坯中有机物开始熔化或氧化分解并向 吸附剂中扩散,至有机物基体排除时,脱 脂或排蜡过程则结束。 Si3N4和SiC注射坯体脱脂温度曲线 瓷热压铸件排蜡温度曲线