粉末冶金原理（第二版） 第1部分 粉末成形.ppt

粉末冶金原理 授课对象：粉体材料科学与工程 讲授者：曹顺华,1 课程的任务和意义 粉末冶金材料加工的两个基本过程 金属粉末 小部分直接应用:功能性 隐形涂料 Fe,Ni及其合金纳米粉末 食品医药 超细铁粉,涂料 汽车用Al粉, 变压器用超细铜粉 自发热材料(取暖和野外食品自热) 超细Fe粉 固体火箭发动机燃料 超细Al, Mg粉等 金刚石合成粉末触媒 Fe-Ni合金粉末 电子焊料(solder) 电子封装用Cu,Ag合金粉末 太阳能电池微细铝粉末 高性能电路保护器 PTC中超细金属Ni, Fe粉 焊料 细铁粉 ,绝大多数作为应用于工程结构中部件(结构件、功能件或结构功能一体化件)的制造原料 粉末冶金制品 加工成块体材料或部件 需经过成形（shaping or forming）和烧结(sintering)操作 成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微观结构与性能 主宰着粉末冶金材料及其部件的应用,2 课程对象,材料设计的概念 工程应用(服役条件)技术指标（性能要求）材料性能设计微观结构设计材质类型、加工工艺设计(经济性) 研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系,研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（Engineering Science）问题 研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题,3 粉末冶金技术的主要特点,粉末冶金既是冶金方法，也是零件制造技术 什么是粉末冶金？ 利用金属粉末或化合物粉末为原料，经过成形和烧结操作，制取金属材料及其复合材料的加工方法,1）经济性：低成本 将材料冶金与零件制造有机地结合在一起，直接制造零部件 加工流程少，能耗低，材料利用率高 生产效率高 制造过程高度自动化,齿轮 1)传统工艺：铸锭冶金+机加工 铁精矿 高炉炼铁铁水 炼钢 铸锭 开坯(多道次) 热挤压(多道次) 钢锭（棒料） 下料机加工(车外圆 平端面铣轴向孔 滚齿) （热处理）齿轮,2)粉末冶金 铁精矿粉末(总铁大于71.5%,SiO2小于0.3%) 隧道窑高温还原(1050-1100 ) 破碎磁选精还原(750-800) 破碎 磁选 合批铁粉混合(添加合金元素) 压制烧结（热处理）P/M齿轮 传统工艺比粉末冶金工艺 主要工序：前者15个以上，后者8个 高温工序：前者8个以上，后者3个,Powder press 全自动 液压机,Adaptor 模架,Sintering Furnace:网带烧结炉,轿车部件,电动工具与汽车部件,齿轮保持架(Ford),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,粉末锻造（Powder Forged）连杆,不锈钢注射成形件,2）便于制造难加工材料 陶瓷/金属复合材料-金属陶瓷cermet 粉末超合金 powder superalloys 粉末高速钢 powder high-speed steels 金属基复合材料 metal matrix composites 弥散强化材料 dispersion-strengthened materials 微观结构可控材料 多孔材料，非晶态材料，超细结构材料等,钨合金 硬质合金 重合金 钨靶材 钨/钼基电工合金 纳米晶材料 nano-grained materials 梯度复合材料functionally gradient materials等 3）尺寸一致性高 铁基P/M零件 钢模寿命：2万件左右 硬质合金模：5-6万件,4）绿色环保 废弃物排放很低 “洁净”冶金,粉末冶金技术的不足 1）加工的零件或材料尺寸有限 2）应用范围有限 固相烧结材料中的孔隙造成部件或材料的物理、力学性能较低 低强度，低拉伸塑性 这些不足渐被粉末冶金新技术所克服 扩大粉末冶金部件或材料的应用范围,5 粉末冶金材料应用,1）机械零件 汽车（70%） 工程机械 摩托车 家电 办公机械 电动工具等,2）机械加工 刀具 硬质合金，粉末高速钢，金属陶瓷等 加工电极 W-Cu电火花加工电极 汽车薄板焊接用弥散强化铜电极,3）航天航空 火箭发动机喉衬及喷管 飞机发动机蜗轮叶片等 导弹鼻锥等 卫星导航陀螺等 制动材料 4）微电子 电子封装热沉材料,5） 军事工业 重合金，钼材料等 6） 通信技术 钨合金振子、钼铜封装材料 7 ）运动器材 钨合金高尔夫球头 ,第一部分 粉末成形 powder shaping or forming,具体部件具有一定的几何形状和尺寸 利用外力或粘结剂联结松散状态粉末体中的颗粒，将粉末体转变成具有足够强度的几何体的过程 粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或范德华力 分类： 刚性模（rigid die）压制 普通模压、温压与模压流动成形,非模压成形 冷、热等静压，注射成形，粉末挤压， 粉末轧制，粉浆浇注，无模成型，喷射成 形，爆炸成形等,第一章 粉末压制 Powder Pressing or Compaction,1 压制前粉末料准备 1 还原退火 reducing and annealing 作用 降低氧碳含量，提高纯度 消除加工硬化，改善粉末压制性能,粉末钝化 使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃 退火温度 高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm 退火气氛 还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空,2 合批与混合 blending and mixing 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,混合方式 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,湿磨的主要优点 有利于环境保护 无粉尘飞扬和减轻噪音 提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化 保护粉末不氧化 若固液比保持得当，可减轻组元偏析,混合机理简介,粉末床的运动行为,粉末整体滚动 小瀑布状落下,大瀑布状落下 离心状,取决于 园筒形混合器的转速 筒体的直径 二者对粉末床运动行为的影响可用Froude准数描述 Fr=(2R)/g (惯性离心力/重力) 材料的物性(颗粒尺寸,颗粒形状等,主要影响粉末的静态响应角,与颗粒间摩擦力大小有关) 装料量 筒壁的粗糙程度,在滚动与离心状态,颗粒之间很少发生相对运动,混合效果最差 而对于组元之间比重差异大的混合物体系 剧烈的抛落容易造成组元间的成分偏析 应予避免,处于滚动状态时颗粒的微观运动状态,零速度区很容易在装料大于50%时出现,混合机理,严格意义上的扩散过程并不存在 实际上为微区内的颗粒对流 粉末颗粒混合通过对流与剪切作用实现,混合均匀度(成分偏差)与时间的关系,添加适当数量的研磨体可强化混合效果 即强化颗粒的对流与剪切作用,偏析(segregation)现象,反混合现象 涉及相容性问题“物以类聚” Differences in particle density 颗粒之间密度差 Particle size 粒度差异 Particle shape颗粒形状 球形颗粒与针状颗粒具有最小的偏析趋势,混合均匀程度和效率取决于 粉末颗粒的尺寸及其组成 颗粒形状 待处理粉末组元间比重差异 混合设备的类型 混合工艺,装料量 球料比 转速 研磨体的尺寸及其搭配 对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工艺一般采用实验加以确定,双锥形混料机,V形混料机,多维混料机,混合方式 机械法混合 化学法混合 混合较前者更为均匀,可以实现原子级混合 W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺 W粉+Ni(NO3)2溶液混合热解还原（700-750） W-Ni包覆粉 + CuCl2溶液混合热解还原（400-450） W-Cu-Ni包覆粉末,无偏聚（segregation-free）粉末 binder-treated mixture 消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析 粉末混合与输运过程,3 成形剂(binder)和润滑剂(lubricant) 成形剂 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,选择准则 能赋予待成形坯体以足够的强度 易于排除 成形剂及其分解产物不与粉末发生反应 分解温度范围较宽 分解产物不污染环境,润滑剂 粉末颗粒与模壁间的摩擦 压坯密度分布不均匀 影响被压制工件的表面质量 降低模具的使用寿命 粉末颗粒之间的摩擦,粉末压制用的润滑剂 硬脂酸 硬脂酸锌 工业润滑蜡 PEG (二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用),润滑方式,粉末内润滑internal lubrication 润滑剂直接加入粉末中 铁基粉末 润滑剂含量提高0.1% 坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm3 模壁润滑die wall lubrication 静电喷涂 溶液涂敷,静电喷涂模壁润滑系统,粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异,4 制粒 pelletizing or granulating 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,减小团粒间的摩擦力 大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积 增大运动单元的动力（重量） 制粒方法 擦筛制粒 旋转盘制粒 挤压制粒 喷雾干燥,2 压制现象 1 颗粒的位移与变形 1.1 粉末颗粒位移 位移方式：滑动与转动 颗粒重排列 Particle rearrangement or repacking(restacking),影响因素 粉末颗粒间内摩擦 表面粗糙度 润滑条件 颗粒的显微硬度 颗粒形状 颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度） 加压速度,1.2 粉末的变形 弹性变形 颗粒间的接触应力材料弹性极限 塑性变形 颗粒接触应力金属的屈服强度 点接触处局部面接触处局部整体 断裂,脆性粉末 点接触应力断裂强度断裂 塑性粉末 点接触应力屈服强度 塑性变形 加工硬化 脆化断裂,2 致密化现象 2.1 致密化 压力作用下 松散状态拱桥效应的破坏（位移颗粒重排）+颗粒塑性变形孔隙体积收缩致密化 拱桥效应 bridge effect 颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象 影响因素 与粉末松装密度、流动性存在一定联系,颗粒形状 粒度及其组成 颗粒表面粗糙度 颗粒比重（含致密程度） 颗粒表面粘附作用（颗粒的磁性、陶瓷颗粒的静电、液膜存在）,塑性变形阻力的影响因素 颗粒的显微硬度 合金化 酸不溶物 氧化物 颗粒本质 原子间作用力 加工硬化速度（晶体结构） 颗粒形状 粉末粒度 压制速度,2.2 弹性后效 Spring back 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,粉末粒度组成（同一目标密度） 颗粒形状 颗粒表面氧化膜 粉末混合物的成份 Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C,3 压坯强度 Green strength,表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度 影响因素 本征因素 颗粒间的结合强度（机械啮合mechanical interlocking）和接触面积,颗粒间的结合强度 颗粒表面的粗糙度 颗粒形状 颗粒表面洁净程度 压制压力 颗粒的塑性,硬脂酸锌及成形剂添加与否 高模量组份的含量,颗粒间接触面积 即颗粒间的邻接度 contiguity 颗粒的显微硬度 粒度组成 颗粒间的相互填充程度 压制压力 颗粒形状,外在因素：残余应力大小,压坯密度分布的均匀性 粉末的填充均匀性 粉末压坯的弹性后效 模具设计的合理性 过高的压制压力 表征方法 抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失,3 压坯密度与压制压力间的关系,3.1 压制过程力的分析 P施加在模腔中的粉末体 粉末向周围膨胀 侧压力Fn(Pn) 粉末与模壁之间出现相对运动 摩擦力Ff( Pf) 下冲头的压力Pb,侧压力 Ph =/(1-) P =P -泊松系数, -侧压系数 模壁摩擦力 Pf =Pn =P Pb =P- Pf 压力损失 P=P- Pb,在距上冲为X处的有效外压Px Px=Poexp(-4X/D) D为模腔内径 模壁作用在粉末体上的侧压力和摩擦力也呈现相似的分布,3.2 脱模压力（ejection force） 静脱模力（striping force） 滑动脱模力(sliding force) 与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效 及其与模壁之间的摩擦系数直接相关,压坯密度或压制压力 粉末原料 显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量 粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数 模具材料的硬度 零件的侧面积,3 密度与压力间的关系压制方程,压坯密度是外压的函数 =k.f(P) 3.1常用力学模型 理想弹性体-虎克体（H体）:弹簧 =M 理想流体-牛顿体（N体）:活塞在汽缸中运动 =d/dt,线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H体与N体串联 T=1+2 T=1+2 线弹性体-Kelvin体（K体）：H体与N体并联 T=1=2 =M(+2d/dt) 2应变驰预时间,标准线性固体（SLS体） M体与H体并联 T=1+2 T=1+2 +1d/dt=M(+2d/dt),标准非线性固体（SNLS体） (+1d/dt)n = M(+2d/dt) n1 1、2分别为应力、应变驰豫时间 恒应力o作用并充分保压 （dp/dt=0），经数学变换得 on =M或o=(M)1/n,2.2 大程度应变的处理 自然应变 =LLodL/L=ln(L/Lo) 若压坯的受压面积固定不变，则 =-ln(V-Vm)/(Vo-Vm) =ln(m-o)/(m-)o,3.2巴尔申方程,基本假设 将粉末体视为弹性体 不考虑粉末的加工硬化 忽略模壁摩擦 任意一点的变形与压力间的变化率 d/d=k =P/A -对应于压缩量； A-颗粒间有效接触面积,积分、变换并取对数后得 lgPmax-lgP=L(-1) L=压制因子 =压坯的相对体积 适应性 硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述,在高压与低压情形下出现偏差的原因 低压 粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主 粉末体的实际压缩模量高于计算值（即理论值），产生偏高现象 高压 粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值,2.4黄培云压制理论,采用标准非线性固体模型 =on /M lgln(m-o)/(m-)o =nlgP-lgM 最初形式 n=硬化指数的倒数 M=压制模量 对原模型进行修正，并采用模型,=（o /M）1/m mlgln(m-o)/(m-)o =lgP-lgM m=粉末压制过程的非线性指数 硬化趋势的大小 晶体结构，粉末形状、合金化等相关 适应性 硬质或软质粉末均有效,4压制实践,1 摩擦力在粉末压制过程中的作用 外摩擦力 粉末颗粒与模具（阴模内壁die wall、模冲puches、芯棒core rod）之间的因相对运动而出现的摩擦 作用 消耗有效外压 造成压力降和在压制面上的压力再分布，导致粉末压坯密度分布不均匀,影响因素 颗粒与模具之间的摩擦系数 粉末颗粒、模具零件表面表面粗糙度 润滑剂添加量 润滑方式：整体或模壁润滑润滑方式 颗粒的显微硬度 颗粒与模具间的冷焊,内摩擦 粉末颗粒之间的摩擦interparticle friction 正面作用 带动粉末颗粒位移 传递压制压力,负面作用 降低粉末的流动性和填充性能 摩擦功以热的形式损耗掉有效致密化压力损失 但发热可产生一定的金属粉末颗粒软化,2 压坯密度分布均匀性的控制,压坯密度分布不均匀的后果 不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等 烧结收缩不均匀，导致变形 因素 高径比H/D H/D，,d/dX 当H/D，压坯的下部粉末无法成形,模具的润滑状态 模壁润滑优于整体润滑 压制方式 若被成形件为轴套类部件，可采用三种压制方式 单向压制，双向压制和强制摩擦芯杆压制 平均密度： 321,密度分布均匀性 (d/dX)1 (d/dX)2 (d/dX)3 强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀 粉末颗粒平均粒度 粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀,模具设计的合理性 使台阶间的粉末压缩比相同 粉末的流动性 填充均匀 零件形状复杂程度 涉及压机及模架的动作功能 粉末塑性 颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法,3 复杂形状部件的成形,密度分布的控制 多台阶零件：恒压缩比 压坯强度： 合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末 高压坯强度 脱模压力 润滑和低的弹性后效，脱模压力 压坯形状的合理设计,4 压制缺陷的控制,主要缺陷类型、成因 分层 沿坯件棱边向内部发展的裂纹，与压制面形成大约45度的界面 弹性后效 控制方法 适当降低压制压力 复杂件应提高密度分布均匀性,裂纹：台阶间结合处，脱模过程中的停顿 弹性后效 控制方法： 提高压坯强度 复杂件成形：保持恒压缩比与提高粉末填充均匀性,第二章 特殊及新型成形技术,Chapter 2 Special and New Powder Forming Techniques 1 概述 普通刚性模压制(rigid die compaction)技术的特点,优点 制造成本低 可实现连续自动化生产 生产效率高 部件几何尺寸一致性好 特别是经固相烧结的粉末冶金部件,不足 密度分布不均匀 部件形状复杂程度有限 密度较低(经固相烧结) 尺寸较小，即单重较轻,后果 1）压坯强度低 坯体中存在残留应力 2）烧结收缩不均匀 高低密度区的收缩不一致,对粉体材料技术优越性认识的深化 各工业领域对新材料的需求 发展新的粉末成形技术,成形技术,1 WP（Warm Pressing/Compaction）温压技术 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 2 PIM(Powder Injection Molding)粉末注射成形技术 形状复杂、薄壁、小尺寸件,3 CIP(Cold Isostatic Pressing)冷等静压 高均匀性大型粉末冶金制品 4 HIP(Hot Isostaic Pressing)-热等静压 全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件,5 SC(Slip or Slurry Casting)粉浆浇注 形状复、杂尺寸的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品 6 PR(Powder Rolling) & PE(Powder Extruding)-粉末轧制与挤压 一维尺寸很大而其它两维尺寸较小（棒、管）或一维尺寸相对较小（板材）的制品,7 PF(Powder Forging)-粉末锻造技术 高强度铁基粉末冶金零部件 8 RPF(Rapid Prototype Forming)无模成形技术 借助于计算机模拟控制粉末物料有序沉积，形状极为复杂的大型粉末冶金制品,成形技术的选择原则 几何要求 几何尺寸、形状复杂程度 性能要求 力学、物理性能及几何精度 制造成本（结合批量、效率） 最低,2 温压技术,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,1 温压技术的发展背景与现状,温压技术的开发的原动力 需求： 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 问题： 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,孔隙的消极贡献,造成应力集中，降低零部件的强度和韧性 孔隙降低材料的热导性能，抑制热处理对 力学性能改善的贡献潜力 提高铁基P/M零部件密度的技术途径 复压-复烧工艺,密度达92%左右，形状复杂程度有限，成本较高 渗铜 密度大于95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高 液相烧结 密度可达93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限 粉末锻造 全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵,AncorbondeTM工艺（ 80年代后期） 扩散粘结铁合金粉末 解决 合金元素偏析造成尺寸稳定性低 组织均匀性差 温压技术的前身 第项美国专利（年） 年披露， AncordenseTM 全球共有200余条温压生产线 150多种温压件,铁基P/M零件,密度7 .2-7.4g/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 在国际粉末冶金产业界被誉为”开创P/M零件制造技术新纪元”的新技术,蜗轮轮毂（1.2kg）,轿车发动机温压连杆,2 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(600-750MPa) 温压压坯 烧结 温压零部件,3 温压的技术特点,1)低成本制造高性能P/M零部件 若WP=1.0，则 1P1S=0.8 2P2S=1.3 Copper Infiltration (CI)=1.5 Powder forging (PF)=1.8 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% 弹性后效小，50% 高的压坯强度，25-100% 高压坯密度 密度分布均匀，密度差0.1-0.2g/cm3,4)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,4 温压加热系统,阴模的加热：电阻加热 粉末加热方式 热油循环 温控稳定性好，不易过热 微波 加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题 感应：与微波相似 电阻加热 加热速度较快，也存在过热问题,热油循环粉末加热系统,5 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 压坯密度 有效地减小粉末与模壁间的摩擦:增大有效外压力 降低粉末颗粒间的内摩擦：便于颗粒间的相互填充 压坯密度 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,颗粒重排贡献C1/(C1+C2),压力（MPa） C1/(C1+C2) 100 0.8783 200 0.7841 600 0.6972 676 0.6918 0.6%New Lub.+100/120,润滑剂的作用 降低粉末颗粒的内外摩擦，有效外压密度 温度，摩擦系数，利于塑性变形和粉末颗粒间的相互填充，弹性后效，脱模压力 技术核心 专用粉末设计 基粉base materials 高效润滑剂(润滑剂膜包覆每个颗粒，膜具有耐压性能) 加热系统,3 注射成形 Injection moulding,1 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,能否最大限度地提高塑料中填充剂的体积分数，而又可以保持塑料的良好流动性能呢？ PIM用以制造形状复杂程度很高的P/M小型零部件 开发PIM的先驱 美国AMAX Met. Injet. Moulding 和德国BASF公司 八十年代初，PIM就实现了产业化,2 PIM工艺概述,Metallic or ceramic powders + Binder Premixing（预混） Compounding(混炼mixing and pelletizing) Feedstock（喂料） Injection moulding Debinding(脱脂，solvent and or thermal debinding/Presintering) Sintering（烧结） PIM parts,3 PIM(MIM)工艺的过程控制因素,粉末原料 1 particle size 金属粉末：一般小于30m，常用2-8m 陶瓷粉末：通常小于2m 提高粉末烧结驱动力 脱脂后坯体的强度（ 增加颗粒的邻接度） 便于混练和注射,2 particle shape 球形颗粒有利于脱脂后获得最大的颗粒填充密度和混炼均匀的喂料 颗粒外形比（particle aspect ratio）最好在1-1.5之间 脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shape retention）,3 particle size distribution 相当宽或窄的粒度分布易于获得稳定 流变性能的喂料，便于混练和注射成形 Wider packing density,binder content 提高注射坯件在烧结过程中的尺寸稳定性 利于烧结致密化,粘结剂,必须满足 较低的粘度 0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象 与粉末颗粒润湿性好 强化颗粒与粘结剂之间的结合,便于S/BS/G 加入表面活性剂，阻止在混练和注射过程中发生两相分离 粉末聚集现象,冷却后粘结剂具有足够的强度和韧性 脱脂过程中易于排除，且不易形成脱脂缺陷 为满足混练、注射和脱脂的要求 一般采用多组元体系的粘结剂,混练,借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀且高度一致性 混练温度 过高 导致粘结剂分解 因粘度太低而发生两相分离现象 过低 粉末聚集，喂料不均匀性,剪切力 由旋转速度决定 太高 混练设备磨损和引入机械夹杂 太低 粉末聚集,喂料的不一致性导致注射坯件单重变化和造成烧结坯收缩不一致 注射成形 注射压力和温度是关键工艺参数 取决于粘结剂类型与粉末粒度，颗粒形状 注射缺陷及成因 void: shrinkage, entrapped gas sink marks: shrinkage, segregation,weld lines: jetting,flow around cores surface patterns: cold flow, segregation deformation: residual stress, ejection of weak green parts inconsistent shot weight: inconsistent feedstock, machine control 缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现 不可挽回的废品,脱脂,脱脂类型 热脱脂(thermal debinding )和溶剂脱脂(solvent debinding) 热脱脂：在一定温度和气氛条件，多元组份中的低熔点组份形成液相（体积膨胀），借毛细作用溢出注射坯体或蒸发 若T分解温度，形成相应单分子化合物排出,注射坯件的微观结构,脱脂过程,热脱脂过程,高熔点组份部分残留在粉末颗粒接触处 赋予脱脂坯体足够强度 在更高的温度下脱除 溶剂脱脂 利用粘结剂组份在溶剂中的选择性溶解 粘结剂扩散逸出注射坯体 过程进行速度慢,常用脱脂方法,先采用溶剂脱脂在注射坯体中形成开孔隙网络 为后续热脱脂的分解产物的排出提供物质传输通道 分解产物可能形成的内压 造成脱脂缺陷的机会 脱脂速度,脱脂方法,Wiech法：适于蜡基粘结剂体系，1980发明 （）法：气态溶剂脱脂+液态溶剂脱脂 真空，T粘结剂的流动温度注入气态溶剂粘结剂的溶剂溶液并渗出坯体（脱除大部分）液态溶剂脱脂。 变形严重，3days （）法：惰性气体环境，热脱脂 粘结剂的蒸汽压稍高于气氛压力,1 day （）法：虹吸脱脂除去大部分粘结剂（200，3hrs），常压氢中热脱脂,10 hrs,Injectamax法,适于多组元粘结剂体系（高熔点和低熔点组份） 1988年发明 在室温处于液态或半固态低熔点组份液态溶剂脱除低熔点组元高熔点组元热脱脂 6 hrs Metamold法（BSAF）催化脱脂法 （九十年代初） 适于聚醛树脂粘结剂体系，在酸性气氛下脱脂,低于粘结剂的熔点，借助于气-固反应脱脂 脱脂过程由表及里 减小形成缺陷的可能性 精度高，速度快，4mm/h 但对设备具有一定程度的腐蚀,烧结,PIM坯体经脱脂后为多孔结构，导热系数很小 过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成硬壳 阻止内部粉末收缩 热应力坯体变形和空洞,4 待解决的技术问题,粉末成本：解决粗粉的注射成形问题 粘结剂的回收 脱脂时间长，生产效率低 铁基材料、硬质合金中碳量控制 精度控制 缺陷消除,4 冷等静压,等静压 冷等静压和热等静压 两者差异： 压制条件（室温与加热，气体与高压油） 致密化机理 CIP-与刚性模压制相同 HIP-烧结与粉末变形同时发生,优点,能压制大尺寸、形状较复杂的P/M部件毛坯 密度分布均匀，压制压力降低 三轴均匀压制，能压制硬脆粉末 压坯强度高 单件模具费用低 缺点 生产效率低 精度很低，需大量后续加工,1 CIP原理帕斯卡原理,借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容器 高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体 依照帕斯卡原理 粉末体受到各个方向上大致相等的压力作用 消除了粉末与模套之间的外摩擦 密度分布均匀，同一密度所需压力较模压降低,粉末致密化阻力取决于,粉末颗粒间摩擦（内摩擦）和颗粒本身的变形能力（显微硬度） 内摩擦的影响因素 粉末颗粒的表面形貌 粉末颗粒形状 粉末颗粒尺寸 金属粉末的显微硬度,2 CIP工艺,2.1柔性模套（flexible die set）的制造 耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板 软模制作 聚氯乙烯树脂、硬脂酸、三盐基硫酸铅混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液搅拌成浆料，提拿制模 2.2工艺流程 粉末混合物装入软模摇实密封冷静压脱模坯件,3 CIP坯块质量控制,粉末流动性良好 装粉：振动或敲打摇实均匀 密封：防止液压介质渗入模内 加压速度：过快导致出现软心 卸压：过快分层,4 CIP设备,高压容器和高压泵系统组成 分类：依高压容器结构分 螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损 拉杆式：较低压力，拉杆承受压力 框架式：很高压力，最安全（预应力结构）,框架式CIP压机,5 压制方式,湿袋式（wet bag） 柔性袋浸没在压力介质中，即无支撑的CIP 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）,柔性模固定在压力容器内，即有支撑的CIP 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,5 热等静压制,1 技术背景 在CIP基础上发展 开发高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡轮盘 粉末高速钢 硬质合金轧辊制品,2 HIP原理 包套置于一具有发热元件的高压容器内，抽出缸内空气 压入3060Mpa的氩气，加热致100Mpa左右 借助于高温、高压的联合作用使粉末体发生充分致密化 获得全致密高性能P/M制品,3 特点,几乎能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度达0.9999 压力作用，加热温度低于通常的烧结温度 无成份偏析 核废料HIP处理，避免环保问题和对操作人员的损害 铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等 设备投资大，成本高,3 HIP压机的分类 螺纹式和框架式 螺纹式 螺纹承受轴向压力 缺点：工作压力难以均匀地由各个螺纹承担巨大应力集中断裂爆炸 框架式 轴向压力通过上下活塞传递到框架，应力均匀分布，安全系数高,框架式HIP,4 HIP压机的结构,发热元件 NiCrAl丝（1200）；Mo丝（1800）；W丝及钨铼合金，石墨（2000以上 ） 隔热屏 炉内温度在1000-3000，缸体温度为100-200 高效隔热屏，多层结构 压缩机 真空系统,油压机构 控制上下活塞开闭和框架移动 5 包套材料 选择准则 可塑性和强度 不破裂和隔绝高压气体渗入 良好的可加工性和可焊接性 不与粉末发生反应和造成污染 HIP后易被除去 成本低,中低碳钢：适于粉末高速钢，1400 Ni：Ti,陶瓷，1430 不锈钢：不锈钢，1350 铅-碱玻璃：金属，陶瓷，630 高硅玻璃：金属，陶瓷，890-1600 石英玻璃：1130-1600,6 HIP工艺流程,粉末装入包套真空脱气（或加热） 检漏封焊HIP出炉 除去包套（陶瓷、玻璃：敲碎；金属：机加工）表面清理HIP产品,7 压制方式,取决于包套材料 金属： P，T（可采用低压压缩机系统） 玻璃、陶瓷和金属： T，P 玻璃、陶瓷和金属： (T，P) 热装炉操作 工件在预热炉加热，转入HIP压机 生产效率,8 HIP的应用 HIP成形 铸件处理 扩散联结：M/C，C/C，M/M 核废料处理,9 陶瓷模工艺 陶瓷粒子作传压介质 陶瓷粒子的可流动性 普通压机加压 设备投资少,6 粉末挤压,1 定义与分类 定义 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 分类,粉末直接挤压（冷挤压）：塑性好的金属粉末 粉末增塑挤压：加入一定量的成形剂或粘结剂，硬质粉末如硬质合金粉末 粉末包套热挤：弥散强化合金等 烧结坯或粉末压坯的热挤压：塑性较好的有色金属材料,2 粉末增塑挤压原理,粉末在挤压筒内的受力情况 三向受压缩，一方向变形 冲头施加的压力P，筒壁约束产生侧压力Ph，相对运动产生摩擦力Pf Ph =P, Pf =Ph =P 物料被挤出的条件：PPf + PR(变形阻力),物料运动示意图,3 挤压过程,增塑剂（plasticizer） 石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸（表面活性剂） 低密度聚乙烯LDPE/硬脂酸SA 聚丙烯PP/SA 添加总量为6-8.5% 粗颗粒粉末或厚壁件取下限 细颗粒粉末或薄壁件取上限,硬质合金增塑挤压工艺流程,粉末料+增塑剂 掺合（40-50） 预压（排气，提高料密度） 挤压（40-50） 挤压坯 脱增塑剂 烧结 制品,4 粉末热挤压,借助于高温的作用改善金属的塑性