材料工程基础：第六章 粉末材料的成形与固结

1、第六章 粉末材料的成形与固结 第一节 粉末的成形与干燥 成形：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。分类：压力成形、增塑成形和浆料成形。 1 粉末成形的基本理论1.1 粉体的堆积与排列颗粒尺寸与形状对成形的影响：尺寸过小，形状越不规则或球形度越低，松装密度就越低，流动性越差，越不利于成形。表观密度：材料的质量与表观体积（实体积加闭口孔隙体积）之比。松装密度：在规定条件下自由装填容器所测得的粉末密度。 1.2 粉末在压力下的运动行为模压或等静压成形的三个阶段：颗粒重排，颗粒间的架桥现象被部分消除，且颗粒间的接触程度增加。颗粒发生弹塑性变形。颗粒断裂。 几个有代表性的压制理

2、论。2 压力成形 2.1 模压成形又称为干压成形，是将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加压，将粉料压制成所需形状的方法。视频步骤：原料准备（包括粉末退火、混合、筛分、制粒、添加润滑剂和成形剂等）、装模、加压、保压、脱模。 2.1.1 原料准备（1）粉末退火处理目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度、消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构、防止某些金属粉末的自燃。（2）粉末的混合使两种或两种以上不同成分（或者不同粒度）的粉末混合均匀的过程。影响成形与压坯质量、甚至烧成与最终制品质量。混合方法：机械法和化学法。（3）筛分（4）制粒（造粒、团粒）制粒是将小颗粒粉末制成大颗粒或

3、团粒的工序，目的是为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。 制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。普通造粒就是在粉料中加入适量的粘合剂，研磨搅拌后过筛。加压造粒是将混合了粘合剂的粉料预压成块，然后再粉碎过筛。喷雾干燥法是把混合好粘合剂的粉料先制成料浆，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化干燥。（5）添加成形剂成形剂指能改善成形过程的物质，包括润滑剂、粘合剂、造孔剂、解凝剂、增塑剂、溶剂、分散剂等。润滑剂：主要用来减小粉末颗粒与模腔及模冲之间的摩擦力；粘合剂：主要用来提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械强度、减小粉尘飞扬；造孔剂：主要是在制备多孔材料时用于在烧结体中

4、产生一定的孔隙；解凝剂：能调节浆料中胶团的双电层厚度和电位，从而改变浆料的流变性能的物质；增塑剂：主要用来提高坯体的可塑性；溶剂：用来溶解粘合剂和增塑剂，促进各个组分互溶；分散剂：使料浆具有较好的流动性和稳定性。成形剂的加入量不合理：降低粉末流动性；减小坯体密度；降低坯体强度；后期的排除问题。2.1.2 加压加压方式：有单向加压和双向加压两种。压坯密度的分布规律对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结密度与收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。2.1.3 保压在某一特定压力下保持一段时间，可以使压力传递得更加充分；有利于压坯中各部分的密度均匀；使粉末中的空气有足够的时间逸出；给粉末之间的机

5、械啮合和变形以时间，有利于应变驰豫进行。优点：操作简便，生产效率高，易于自动化。缺点：粉料容易团聚，坯体厚度大时内部密度不均匀，制品形状可控精度差，复杂形状的部件模具设计困难 。2.2 等静压成形借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的等静压力直接作用于弹性模套内的粉末上，使粉体各个方向同时均衡受压，而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯的方法。 2.2.1 湿法等静压放入液压油或水等液体介质中加压成形。示意图优点：无需粘合剂，坯体密度均匀性好，制品尺寸不受限制，具有良好的烧后性能。缺点：仅适用于简单形状制品，难以实现自动化生产。 2.2.2 干式等静压在干

6、态下加压成形。示意图优点：可实现连续等静压。缺点：粉料的顶部和底部都无法受到压力，只适用于大量同类型形状简单产品。 2.2.3 软模压制在普通的压机上加压，通过软模将压力均匀地传递给粉末，达到“等静压”的目的。动画特点：生产效率不高，但在生产高密度的小型、异形等形状复杂制品上比较方便。2.3 三轴压制除了对粉末施加等静压外（周压），还要施加一个轴向负荷（轴压）。示意图特点：其产品具有高密度、高强度的特点。 2.4 高能成形利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力，作用于粉体进行成形的工艺。优点：由于能量高，可制备出密度均匀、烧结后变形小的制品。缺点：不安全。 3 增塑成形3.1 挤压成形又称为挤制

7、或挤出成形，是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的，模具的形状就是成形坯体的形状。动画特点：生产效率高，产量大，操作简便。3.2 轧膜成形将粉料加入反向滚动的轧辊之间，使物料不断受到挤压，从而得到薄膜状坯体的成形方法。动画特点：滚压成形生产效率高、薄片厚度均匀、设备较简单，能够成形出厚度很薄（可达10um）的膜片。3.3 注射成形把粉料与热塑性树脂等有机物混合，于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体的方法。动画优点：适合大量生产，成本低，尺寸易控制，易于制备具有不规则表面、孔道等复杂形状的制品。缺点：脱脂时间长，浇口封凝后内部不均匀。3.4 车坯成形利用粘土的可塑性，采

8、用真空练泥机挤出的泥段或注浆成形出的粗泥坯，在车床上加工成形的方法。 3.5 可塑料的制备（1）传统陶瓷原料的煅烧黏土的风干与风化原料的粉碎除铁、筛分与搅拌泥浆脱水练泥与陈腐（2）先进陶瓷利用塑化剂：粘结剂、增塑剂和溶剂。根据成型方法、坯料的性质、制品性能的要求、塑化剂的性质、价格及其对制品性能的影响情况来选择。4 浆料成形 4.1 注浆成形把一定浓度的浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围首先脱水（或脱其它有机溶液）、硬化，粉料沿石膏模内壁成形出所需形状，经脱模、干燥后得到具有一定形状和强度的坯体的方法。浇注方式：空心、实心、压力、离心、真空。示意图、视频一般要求料浆具有流动性好，稳定性好，触

9、变性小，含水（或含液）量低，渗透性好，气体含量低等性质。 优点：可制造大而复杂的制品，成本较低，设备简单。缺点：生产周期长，生产效率低。4.2 热压铸成形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、较硬实的坯体的方法。动画优点：适用于形状比较复杂的部件，易于工业规模生产。缺点：坯体中的蜡含量较高（约为23%），烧成时排蜡周期长，薄壁且大而长的制品易变形翘曲。 4.3 流延法成形在超细粉中混入粘结剂制成浆料，然后通过固定的流延嘴及依靠浆料本身的自重，将浆料刮成薄片状，经过烘干后得到所需的薄膜坯体的方法 。示意图优点：易于连续自

10、动化生产；膜片弹性好、坯体致密度高。缺点：对有机溶剂的选择比较敏感，水含量及水质对料浆流变性、坯体密度、产品部件的拉伸强度均有较大的影响。 4.4 压力渗滤工艺压力渗滤工艺：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的工艺。动画4.5 凝胶铸模成形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，使体系发生凝胶，模内的料浆在原位成形，经干燥后可得到强度较高的坯体的方法 。（流程图）优点：收缩小，生坯强度高，有机粘结剂用量低，并且可以成形形状复杂及大截面尺寸的部件。缺点：坯体干燥缓慢，颗粒分散不易均匀。4.6 直

11、接凝固成形利用胶体颗粒的静电效应或位阻效应，制备出固相体积分数高、分散性好的悬浮体或料浆，再加入催化剂。料浆注入模具后，通过酶在料浆中的催化反应使泥浆聚沉成形的方法。（流程图）优点：可成形出高固相含量且显微结构均匀的复杂形状的陶瓷制品。缺点：湿坯强度低，对异形大件制品脱模不利，浆料中的颗粒分散不易均匀易沉淀。5 压坯的干燥与脱脂成形后的坯体均含有水分和有机物。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。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，在烧成前必须干燥或脱脂以提高坯体强度，缩短烧成周期，避免烧成缺陷，提高产品质量。 5.1 坯体的干燥

12、（1）干燥原理及过程a）外扩散：干燥时，当外界热源将热量传递到坯体表面时，坯表水分汽化蒸发，并向外界扩散的方式。 b）内扩散：由于坯表水分蒸发引起坯体内外水分浓度不一致，以及传热作用，水分将从坯体内部不断向外表扩散的方式。两种扩散方式周而复始不断循环，直至达到坯体完全干燥。干燥过程：升速阶段、等速阶段、降速阶段、平衡阶段。（2）干燥制度指坯体干燥各阶段的干燥速度。 影响干燥速度的因素：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、干燥设备结构，坯体初始温度等。不同的干燥方法5.2 脱脂与排蜡当采用热压铸、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

13、在烧成前排除，这个过程称为脱脂或排蜡。 脱脂与排蜡的温度制度：直接影响到脱脂与排蜡的速度和坯体质量。需根据坯料特性，有机物种类、性质及数量和坯体大小、形状及厚度确定，关键是控制升温速度和最高温度。 第二节 粉末体烧结 1 烧结原理烧结：在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化（包括有机物挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少、物质的迁移、二次再结晶和晶粒长大），由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。 分为固相烧结和液相烧结。 1.1 烧结驱动力烧结的驱动力为体系的表面能和缺陷能。 （1）体系的表面能：表面积越大，表面能越高，活性越高。（2）体系的缺陷能：粉末中的缺陷浓度越高，缺陷能越高

14、，活性越高。烧结本质：体系表面能及缺陷能降低的过程。体系能量的降低依靠高温热能激活下的物质传递过程。 烧结过程中，物质的传递是从颗粒的其它部位向烧结颈部进行的，原因是烧结颈部与颗粒其它部位之间存在化学位差。产生这一化学位差的主要原因有三种：烧结颈部表面张力的作用、烧结颈部与颗粒其它部位的空位浓度差、烧结颈部与颗粒其它部位的蒸气压差。1.2 烧结时的物质迁移烧结时的物质迁移可大致分为表面迁移和体积迁移两类机制。表面迁移是由物质在颗粒表面流动而引起的，主要的传质机理是表面扩散和蒸发-凝聚，烧结体的基本尺寸不发生变化，密度也保持原来的大小。体积迁移的主要传质机理是体积扩散和粘塑性流动，可引起烧结体基

15、体尺寸的变化，主要发生在烧结的后期。动画传质方式：粘塑性流动、扩散过程、蒸发-凝结过程、溶解-沉析过程。1.2.1 粘塑性流动粘性流动：牛顿型流动传质。塑性流动：塑性流动传质。 1.2.2 扩散过程表面扩散：沿颗粒表面；界面扩散：沿颗粒之间的界面；体积扩散：沿晶粒内部。1.2.3 蒸发-凝结过程物质从蒸气压高的地方蒸发而凝聚到蒸气压低的地方，使颈部不断长大。 1.2.4 溶解-沉析过程细小颗粒溶解于液相，通过液相扩散在大颗粒上沉淀析出。 1.3 烧结的基本过程 固相烧结：（1）初期烧结颈形成阶段：颗粒间的原始接触点或面转变成晶粒结合，形成烧结颈。（2）中间烧结颈长大阶段：烧结颈扩大，颗粒间距缩

16、小，孔隙的结构变得光滑，形成连续的孔隙网络。 （3）最终烧结阶段：发生孔隙的孤立、球化、收缩，且不断消失。 液相烧结：（1）生成液相和颗粒重新分布阶段：坯体中气体通过扩散及液相冒气泡而逸出，在液相毛细管力作用下，固相颗粒发生较大流动，使粉末颗粒重新分布和致密化。（2）溶解和析出阶段：细小的粉末或较粗颗粒的尖角溶解于液相而消失，并在粗颗粒表面上析出，导致粗颗粒的长大和球化。（3）固相形成刚性骨架阶段：由于液相对固相的润湿不完全，存在固相颗粒之间的接触，由固相烧结而形成骨架，致密化过程趋于停止。 1.4 影响烧结的因素 （1）烧结气氛适当的烧结气氛可以防止烧结体与周围环境发生有害反应，并能在烧结中

17、去除吸附气体和有害杂质，维持或调整烧结材料中有用成分。类型：氧化性气氛、还原性气氛、惰性气氛和真空气氛。（2）烧结压力加压烧结增加了烧结驱动力，并提高烧结速度与烧结成品致密度。 方式：热压烧结、热等静压烧结。（3）添加剂与活化烧结添加剂促进烧结的机理如下：添加剂与烧结相形成固溶体，致使主晶相晶格畸变、缺陷增加，便于结构基元移动而促进烧结；添加剂与烧结相形成化合物，可抑制二次再结晶；添加剂阻止多晶转变，使烧结易于进行；添加剂与烧结物形成液相，可加速扩散，从而可降低烧结温度。活化烧结：采用化学或物理的措施，使烧结温度降低，加速烧结过程，或使烧结体密度和性能得以提高的方法。在活化烧结中，可依靠外在条

18、件的变化或提高粉末本身的活性来达到促进烧结的目的。2 烧结工艺烧结设备：间歇式、连续式辊道窑（视频）2.1 无压烧结指在大气压或真空状态下，将坯体置于烧结炉中，按一定的烧结制度进行加热的普通烧结。 一个完整周期包括：升温阶段（从室温至最高温度）：有机物和水的挥发、结晶水的排除、相变等过程，在发生这些过程的温区要注意升温速度不能太快。 烧成阶段（在最高温度的保温）：如果烧成温度选择在允许范围的下限，应当适当延长保温时间，反之，则应缩短保温时间。 冷却阶段（从最高温度降至室温）：冷却速度会对材料的结构和性能产生很大影响。 特点：固相烧结：低温阶段以表面扩散为主，高温阶段主要以体积扩散为主。液相烧结

19、：液相烧结时，液相必须对固相有良好的润湿性，这样液相可以围绕固相形成薄膜促进烧结；固相在液相中应有一定的溶解度，这样可以改善润湿性，并增加液相的相对数量，还可以借助液相进行物质迁移；还应有一定的液相量，以填满颗粒的间隙为限度。 2.2 加压烧结将加压和加热同时并用，以达到消除孔隙的目的，从而大幅度提高粉末制品的性能的烧结工艺。类型：热压、热等静压、烧结-热等静压。 热压烧结模具：石墨、钢模。加热方式：电阻丝加热、感应加热。特点：时间短，晶粒细小，性能好。 热等静压特点：压力较高，粉末体受压均匀，制品密度高，晶粒细小，性能好。传递压力的介质：惰性气体、陶瓷颗粒。烧结-热等静压不需要包套，压力较热

20、等静压低，产品性能优良。2.3 反应烧结先将原材料粉末以适当方式成形后，在一定气氛中加热发生原位反应合成所需要的材料并同时发生烧结的工艺。 特点：精确控制制品的尺寸、烧成致密度不高。2.4 微波烧结机理：不同介质吸收微波的能力不同电导率适中和高介电损耗的材料容易实现微波加热改进：微波能与其它热源结合、改变材料自身的介电性2.5 电火花等离子烧结利用粉末间火花放电所产生的等离子活化颗粒，同时在外力作用下进行的一种特殊烧结方法。特点：烧结速率非常快、晶粒尺寸小、烧结密度高、收缩率大、室温力学性能好。 第三节 胶凝固化 1 概述1.1 无机胶凝材料气硬性：只能在空气中硬化并保持强度，如石灰、石膏等。

21、水硬性：既能在空气中又能在水中硬化并保持强度，如水泥。1.2 凝固硬化机理首先将胶凝材料与水等形成浆体，由于水化和蒸发，浆体中自由水减少且形成胶体微粒，浆体变稠，失去塑性，表现为凝结。然后胶粒凝聚或形成晶核并逐渐长大，相互交错和共生，使已经凝结的浆体产生强度，并不断增长，直到完全干燥。2 气硬固化 2.1 石膏 （1）凝结硬化机理CaSO40.5H2O+1.5H2OCaSO42H2O；CaSO42H2O溶解度小于CaSO40.5H2O，比表面积大于后者，需更多水包裹，使浆体变稠失去可塑性而凝结。CaSO42H2O胶粒凝聚成晶核长大使浆体产生强度直至完全干燥。（2）石膏制品特点强度较低（孔隙率高），耐蚀性较差（有溶解性），轻质、防火、隔热。2.2 石灰（1）气硬固化机理CaO+H2OCa(OH)2结晶作用：游离水分蒸发，Ca(OH)2从饱和溶液中结晶。 碳化作用：Ca(OH)2+CO2+nH2OCaCO3+(n+1)H2O（2）石灰硬化体特点表层是碳酸钙晶体，内部是氢氧化钙晶体。强度不高。2.3 菱苦土（1）凝结