粉末冶金及陶瓷成型技术

1、第六章 粉末冶金及陶瓷成型技术,粉末冶金及陶瓷成型技术,粉末冶金和陶瓷材料以粉体（粉末）为原材料，经过成形和烧结工艺制备而成,6.1 粉末冶金及陶瓷成形的基本原理,概述 粉体的基本性能 粉体成形的原理 烧结的基本原理,一、 概述 粉末冶金(Powder metallurgy,金属材料的生产和加工，一般需要经过熔炼和铸造两个过程。1909年出现一种电灯钨丝的铸造方法，将钨粉压制成形并将其在高温下进行烧结，然后再经过锻造和拉丝而制成钨丝，这种不用熔炼和铸造，而用压制、烧结金属粉末来制造零件的工艺称为“粉末冶金法” 应用粉末冶金法可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制品。许多难熔材料如WC，Ti

2、C至今只能用粉末冶金方法来生产。互不熔合的金属或金属与非金属，如铜-钨，铜-石墨，也可以应用粉末冶金法制造。此外，应用粉末冶金法，制品可以达到或接近零件要求的形状、尺寸精度与表面粗糙度，不需要或需要很少的后续机械加工。因此，可以节省原材料，节省工时，节约能源等。粉末冶金用得最多、历史最久的是用来制造各种衬套和轴套。 图6-2为几种粉末冶金制品,粉末冶金法常用的金属有：Fe、Cu、Al、Sn、Ti、Ni、Zn以及难熔金属。表5-1列出粉末冶金的优点和缺点,陶瓷成形 陶瓷材料的成形过程与粉末冶金相似，所不同的是两者采用不同的原材料。 一般情况下，陶瓷材料的组织结构包括晶相、玻璃相和气相三个部分，其

3、中的晶相是陶瓷材料的主要组成相,陶瓷制品,二、 粉体的基本性能 粉体（powder）是由大量固体粒子(particles)组成的集合体，它表示物质的一种存在状态。它既不同于气体、液体，也不完全同于固体。 粉体的性能包含物理性能和工艺性能两方面,粒度(particle size)指粉体颗粒的大小，通常以直径表示。对于非球形的颗粒用等效半径来表示，即把不规则的颗粒换算成与之同体积的球体，以球体的等效直径作为颗粒的粒度，实际粉体所含颗粒的粒度并不是完全相等的，而是呈现出一个分布的范围，通常用粒度分布来表示各种不同大小颗粒所占的百分比。粒度分布越窄，说明颗粒的分散程度越小，集中度越高。 筛分法是粉体粒

4、度测试的常用方法之一，通过各种标准尺寸的筛网来确定粉体的粒度。除筛分法之外，还有显微法、沉降法等来测定粉体的粒度。 图6-3为镍铬合金粉体的电子显微图片，从图中可以看出粉体的粒度范围为50100 mm之间。图6-4为测定粉体粒度的标准筛网,1. 粒度,2. 颗粒形状 颗粒形状(particle shape)表示粉体颗粒的几何形状，常用的颗粒形状有球形、片形、针形、柱形等。 3. 流动性 流动性指粉体的流动能力，粉体的流动性主要取决于颗粒之间的摩擦系数。 4. 填充特性 填充特性是粉体成形的基础。由于粉体的形状不规则、表面粗糙，使堆积起来的粉体颗粒间存在大量空隙,三、粉体成形的原理,通过一定的方

5、法，将粉体原料制成具有一定形状、尺寸、密度和强度坯体的过程称为成形 （1）压制成形 （2）塑性成形 （3）浇注成形,压制成形(compaction)是粉末冶金和陶瓷成形的常用方法之一。将松散的粉状原料放入模具中，并施加一定的压力后便获得块状坯体,1. 压制成形,1）受到压力后，颗粒之间发生相对移动，“拱桥”被破坏，密度随压力的增加而迅速增加。 （2）当密度达到一定程度后，密度不随压力的增大而明显增加。 （3）继续增大成形压力，使颗粒之间的结合进一步增强，坯体的密度增大,粉体的压制过程如下,2. 塑性成形,塑性成形利用各种外力，对具有可塑性的坯料进行成形加工，迫使坯料在外力作用下产生塑性变形，并

6、保持其形状，从而制成坯体,3. 浇注成形,浇注成形是陶瓷坯体成形中的一个基本成形工艺，在粉末冶金中有时也用来成形一些形状比较复杂的零件,四、烧结的基本原理 1. 烧结(sintering)过程 烧结是将成形的坯体在低于其主要成分熔点的温度下加热，粉体相互结合并发生收缩与致密化，形成具有一定强度和性能的固体材料的过程。 按照烧结过程有无明显的液相出现进行分类，可分为固相烧结和液相烧结两类,2. 烧结机理 图6-7是固相烧结模型示意图,6.2 粉体的成形方法及设备,1. 粉体制备 2. 粉体成形 3. 烧结 4. 后处理,一、粉体制备,1. 制粉方法 (methods of powder prod

7、uction,粉体是粉末冶金和陶瓷制品的原材料，粉体的质量显著影响后续的成形和烧结过程以及制品的最终性能。粉体制备方法一般可分为机械粉碎法和物理化学法两大类。 粉碎法通过将粗粒的原材料粉碎而获得细粉，粉碎过程中基本不发生化学反应。但是在粉碎过程中会混入杂质，而且采用粉碎法一般不易获得粒径在1 mm以下的微细颗粒。物理化学法通过物理或化学作用，改变材料的化学成分或聚集状态而获取粉体。这种方法的特点是粉体的纯度和粒度可控，均匀性好，颗粒微细。并且可以实现粉体颗粒在分子级水平上的复合和均化。 图6-8列举了一些粉体制备的常见方法,球磨法 (ball milling) 将物料与磨球放入球磨筒内，通过滚

8、筒的滚动、转动以及振动等运动，使磨球与物料之间产生强烈、频繁的摩擦和撞击，从而获得粉体。 球磨法制备粉体的生产量大、成本较低，在工程中应用较为普遍,1）分级 分级是指将粉体按粒度分成若干等级的过程，通过分级可以在配料时控制粉体的粒度及粒度分布，以满足成形及烧结工艺的要求，通常采用标准筛网进行筛分。 （2）去杂质 去杂质的目的是降低粉体中的杂质含量，常用的有退火处理、酸洗处理等。 （3）混合 将两种以上不同成分的粉体均匀混合的过程称为混合，球磨是常用的混合方法。 （4）造粒 造粒是在细的粉体中加入一定的塑化剂制成粒度较粗，具有一定假粒度级配、流动性好的粒子,2. 粉体的预处理,模压成形加压方式由

9、单面加压和双面加压两种方式。 模压成形法工艺简单，效率高，便于自动化生产。但是该方法压力分布不均匀，使坯体密度不均匀，易发生开裂现象，导致次品的出现,二、粉体成形,1. 模压成形,浇注成形是将粉体制成悬浮液，注入石膏模具中的一种成形方法。 这种方法适于小型薄壁产品，如花瓶，坩埚等,2. 浇注成形,成形后的金属或陶瓷坯体只是半成品，一般需要经过干燥处理后，在窑炉或烧结炉中经过适当烧结工艺，才能获得烧成制品。 影响烧结制品的因素主要包括：烧结温度、保温时间、升温和降温速度、烧结气氛等。其中，为了防止成形后的坯体氧化，例如，铁基粉末冶金，碳化硅等，通常在保护性气氛或真空环境下烧结，常用的保护气体有：

10、氢、分解氨、发生炉煤气以及惰性气体等。 表6-3列出适于粉末冶金和烧结制品的各种烧结方法、优缺点以及适用范围,三、烧结,按照加热方式烧结炉可分为燃料加热炉和电加热炉。根据作业的连续性可分为间歇式和连续式烧结炉。目前以电炉较为普遍。 图6-14为网带传送式烧结炉，常用于烧结铁基与铜基粉末冶金制品。网带由耐热合金制成，传动装置带动环状网带在炉膛内作连续循环运动，从而达到传送物料的目的。粉末压坯可以直接放置在网带上，随着网带的移动，依次对压坯进行预热、烧结、冷却，最后从出口处出炉。网带烧结炉操作简单，机械化程度高，在连续传送中升温均匀，适合大量生产,粉末冶金和陶瓷制品在烧结中通常产生收缩、变形以及一

11、些表面缺陷，烧结后的表面粗糙度差，一般情况下，不能作为最终产品直接使用。 浸渍。 精整 精压 复压,四、后处理,6.3 粉末冶金制品的结构工艺性,模压法是常用的成形方法，因此，采用压制成形的零件应考虑其结构工艺性,1. 尽量采用简单、对称的形状，避免尖角,2. 避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹,3. 设计时应避免与压制方向垂直或斜交的沟槽、孔腔，以利于压实和减少余块,4. 沿压制方向的横截面要均匀变化,6.4 粉末冶金及陶瓷成形新技术,1. 快速成型技术 2. 等静压成型,选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）将金属粉末和陶瓷粉末在激光照射下直接烧结，实现成形与烧结一体化，适合于粉体的快速成形,1. 选择性激光烧结,一、快速成型技术,2. 三维打印法,三维打印法（three dimensional printing， 3DP）采用喷墨打印原理，将熔融的材料有序喷出，一个层面又一个层面地堆积而最终形成三维实体,二、等静压成形,冷等静压成形是在模压基础上发展起来的，它是利