粉末冶金原理P1new

粉末冶金原理(Ⅱ)曹顺华粉末冶金研究院粉体材料系导论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whatisthepowder?小部分直接应用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化工合成铁粉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的制造原料加工成块体材料或部件(粉末冶金制品)经过成形和烧结操作MetalorMetal+ceramicpowdersPressing，SinteringPowdersinteredpartsorsinteredmaterials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（EngineeringScience）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WhatisPowderMetallurgy？利用金属粉末或及其与化合物粉末的混合物为原料，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冶金方法零件制造技术1）经济性：低成本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①主要工序：前者15个以上后者8个②高温工序：前者8个以上后者3个前者材料利用率约为40%，PM可达95-100%低能耗、节材特点Powderpress全自动液压机Adaptor模架网带式烧结炉MeshBeltSinteringFurnace各种异形机械零部件轿车部件电动工具与汽车部件行星齿轮保持架(Ford)planetarygearcarrier汽车发动机用粉末烧结钢零件sinteredsteelpartsformotorengines汽车变速器系统用粉末烧结钢件sinteredsteelpartsformotortransmissionsystems粉末锻造连杆powderforgedconnectingrod不锈钢注射成形件StainlesssteelMIMparts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powdersuperalloys粉末高速钢powderhigh-speedsteels金属基复合材料metalmatrixcomposites弥散强化材料dispersion-strengthenedmaterials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-grainedmaterials梯度复合材料functionallygradientmaterials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固体火箭发动机喉衬及喷管飞机发动机蜗轮盘与叶片等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powdershapingorforming具体部件具有一定的几何形状和尺寸成形：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和尺寸精度的几何体的过程粉末颗粒间的结合力1）外力作用情形：为机械啮合力或范德华力2）粘结剂情形：主要依靠高分子材料的粘结能力分类：刚性模（rigiddie）压制普通模压、温压与模压流动成形其它成形方式冷、热等静压注射成形连续成形：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PowderPressingorCompaction§1压制前粉末料准备1还原退火reducingandannealing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0.5-0.6Tm退火气氛还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空2合批与混合blendingandmixing混合不同成分的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分布均匀的过程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机械法混合与化学法混合机械混合方式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不足操作工序增加粉料干燥增加能耗球磨介质损耗成本提高混合机理简介粉末床的运动行为（a）粉末体整体滑动（b）粉体局部坍塌（c）粉末整体滚动(d)小瀑布状抛落(e)大瀑布状抛落(f)离心状态取决于圆筒形混合器的转速筒体的直径Froude准数Fr=(ω2R)/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滑动与离心状态：颗粒之间很少发生相对运动混合效果最差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避免！！混合机理扩散过程并不存在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”Causedbydifferencesinparticledensity颗粒之间密度差异Particlesize粒度差异Particleshape颗粒形状差异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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存在环保问题无偏聚（segregation-free）粉末binder-treatedmixture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(非增塑成形)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internallubrication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diewalllubrication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pelletizingorgranulating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喷雾干燥挤压制粒旋转盘制粒§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Particlerearrangementorrepacking(restacking)影响因素（受控于粉末颗粒间内摩擦）表面粗糙度润滑条件颗粒的显微硬度（密度较高）颗粒形状粒度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bridgeeffect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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-0.8C3压坯强度Greenstrength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mechanicalinterlocking）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