粉末冶金原理第二粉末成形

粉末冶金原理第二粉末成形第1页/共221页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第2页/共221页涂料

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……第3页/共221页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（shapingorforming）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第4页/共221页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第5页/共221页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第6页/共221页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第7页/共221页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第8页/共221页齿轮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）→齿轮第9页/共221页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个第10页/共221页Powderpress全自动液压机第11页/共221页Adaptor模架第12页/共221页SinteringFurnace:网带烧结炉第13页/共221页第14页/共221页轿车部件第15页/共221页电动工具与汽车部件第16页/共221页齿轮保持架(Ford)第17页/共221页汽车发动机用粉末烧结钢零件第18页/共221页汽车变速器系统用粉末烧结钢件第19页/共221页粉末锻造（PowderForged）连杆第20页/共221页不锈钢注射成形件第21页/共221页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，超细结构材料等第22页/共221页

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：5-6万件第23页/共221页4）绿色环保废弃物排放很低“洁净”冶金第24页/共221页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第25页/共221页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第26页/共221页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第27页/共221页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第28页/共221页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29页/共221页

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（rigiddie）压制

普通模压、温压与模压流动成形第30页/共221页非模压成形冷、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31页/共221页

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，改善粉末压制性能第32页/共221页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，真空第33页/共221页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第34页/共221页混合方式干混法：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第35页/共221页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，可减轻组元偏析第36页/共221页混合机理简介粉末床的运动行为第37页/共221页

粉末整体滚动小瀑布状落下第38页/共221页大瀑布状落下离心状第39页/共221页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=(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第40页/共221页在滚动与离心状态,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第41页/共221页处于滚动状态时颗粒的微观运动状态第42页/共221页零速度区很容易在装料大于50%时出现第43页/共221页混合机理第44页/共221页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第45页/共221页混合均匀度(成分偏差)与时间的关系第46页/共221页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第47页/共221页偏析(segregation)现象反混合现象涉及相容性问题—“物以类聚”Differencesinparticledensity颗粒之间密度差Particlesize粒度差异Particleshape颗粒形状球形颗粒与针状颗粒具有最小的偏析趋势第48页/共221页第49页/共221页第50页/共221页第51页/共221页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第52页/共221页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第53页/共221页双锥形混料机第54页/共221页V形混料机第55页/共221页多维混料机第56页/共221页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包覆粉末第57页/共221页无偏聚（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第58页/共221页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，利于成形第59页/共221页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等第60页/共221页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第61页/共221页润滑剂↓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第62页/共221页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)第63页/共221页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静电喷涂溶液涂敷第64页/共221页静电喷涂模壁润滑系统第65页/共221页粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异第66页/共221页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第67页/共221页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第68页/共221页§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)第69页/共221页第70页/共221页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）加压速度第71页/共221页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→整体断裂第72页/共221页第73页/共221页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→断裂第74页/共221页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第75页/共221页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）第76页/共221页第77页/共221页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第78页/共221页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第79页/共221页粉末粒度组成（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第80页/共221页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mechanicalinterlocking）和接触面积第81页/共221页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第82页/共221页硬脂酸锌及成形剂添加与否高模量组份的含量第83页/共221页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第84页/共221页外在因素：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第85页/共221页§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第86页/共221页侧压力Ph=ν/(1-ν)P=ξPν-泊松系数,ξ-侧压系数模壁摩擦力Pf=μPn=μξPPb=P-Pf压力损失△P=P-Pb第87页/共221页在距上冲为X处的有效外压PxPx=Poexp(-4ξμX/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第88页/共221页3.2脱模压力（ejectionforce）静脱模力（stripingforce）滑动脱模力(slidingforce)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第89页/共221页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第90页/共221页3密度与压力间的关系—压制方程压坯密度ρ是外压的函数ρ=k.f(P)3.1常用力学模型理想弹性体-虎克体（H体）:弹簧σ=Mε理想流体-牛顿体（N体）:活塞在汽缸中运动σ=ηdε/dt第91页/共221页

线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H体与N体串联σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2线弹性体-Kelvin体（K体）：H体与N体并联εT=ε1=ε2σ=M(ε+τ2dε/dt)τ2应变驰预时间第92页/共221页标准线性固体（SLS体）M体与H体并联σT=σ1+σ2εT=ε1+ε2σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)第93页/共221页标准非线性固体（SNLS体）(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)n<1τ1、τ2分别为应力、应变驰豫时间恒应力σo作用并充分保压（dp/dt=0），经数学变换得σon=Mε或σo=(Mε)1/n第94页/共221页

2.2大程度应变的处理自然应变ε=∫LLodL/L=ln(L/Lo)若压坯的受压面积固定不变，则ε=-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)]=ln{[(ρm-ρo)ρ]/[(ρm-ρ)ρo]}第95页/共221页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

dσ/dε=kσ=P/Aε-对应于压缩量；A-颗粒间有效接触面积第96页/共221页积分、变换并取对数后得lgPmax-lgP=L(β-1)L=压制因子β=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第97页/共221页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第98页/共221页2.4黄培云压制理论采用标准非线性固体模型ε=σon/Mlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=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，并采用模型第99页/共221页

ε=（σo

/M）1/mmlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=lgP-lgMm=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第100页/共221页§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diewall、模冲puches、芯棒corerod）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第101页/共221页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第102页/共221页内摩擦粉末颗粒之间的摩擦interparticlefriction正面作用带动粉末颗粒位移传递压制压力第103页/共221页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第104页/共221页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，ρ↓,dρ/dX↑当H/D→∞，压坯的下部粉末无法成形第105页/共221页第106页/共221页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：ρ3>ρ2>ρ1第107页/共221页密度分布均匀性(dρ/dX)1>(dρ/dX)2>(dρ/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，密度分布也较均匀第108页/共221页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）和加工方法第109页/共221页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第110页/共221页第111页/共221页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第112页/共221页裂纹：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113页/共221页第二章特殊及新型成形技术Chapter2SpecialandNewPowderFormingTechniques§1概述普通刚性模压制(rigiddiecompaction)技术的特点第114页/共221页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第115页/共221页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，即单重较轻第116页/共221页后果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第117页/共221页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第118页/共221页成形技术1WP（WarmPressing/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2PIM(PowderInjectionMolding)－粉末注射成形技术形状复杂、薄壁、小尺寸件第119页/共221页3CIP(ColdIsostaticPressing)－冷等静压高均匀性大型粉末冶金制品4HIP(HotIsostaicPressing)-热等静压全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件第120页/共221页5SC(SliporSlurryCasting)－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6PR(PowderRolling)&PE(PowderExtruding)-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）的制品第121页/共221页7PF(PowderForging)-粉末锻造技术高强度铁基粉末冶金零部件8RPF(RapidPrototypeForming)－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第122页/共221页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）最低第123页/共221页§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，表面光洁第124页/共221页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第125页/共221页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

第126页/共221页密度达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，成本昂贵第127页/共221页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１项美国专利（１９９１年）１９９４年披露，

AncordenseTM全球共有200余条温压生产线150多种温压件第128页/共221页铁基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”的新技术第129页/共221页蜗轮轮毂（1.2kg）第130页/共221页轿车发动机温压连杆第131页/共221页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

↓

温压零部件第132页/共221页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=0.82P2S=1.3CopperInfiltration(CI)=1.5Powderforging(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

第133页/共221页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第134页/共221页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

第135页/共221页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，也存在过热问题第136页/共221页热油循环粉末加热系统第137页/共221页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第138页/共221页塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献第139页/共221页颗粒重排贡献C1/(C1+C2)压力（MPa）C1/(C1+C2)1000.87832000.78416000.69726760.69180.6%NewLub.+100℃/120℃第140页/共221页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μ↓，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basematerials高效润滑剂(润滑剂膜包覆每个颗粒，膜具有耐压性能)加热系统第141页/共221页§3注射成形Injectionmoulding1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第142页/共221页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就实现了产业化第143页/共221页2PIM工艺概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing（预混）

↓

Compounding(混炼mixingandpelletizing)

↓

Feedstock（喂料）

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding(脱脂，solventandorthermaldebinding/Presintering)

↓

Sintering（烧结）

↓

PIMparts第144页/共221页第145页/共221页第146页/共221页3PIM(MIM)工艺的过程控制因素粉末原料1particlesize金属粉末：一般小于30μm，常用2-8μm陶瓷粉末：通常小于2μm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）便于混练和注射第147页/共221页2particleshape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（particleaspectratio）λ最好在1-1.5之间脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shaperetention）第148页/共221页3particlesizedistribution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↑packingdensity,↓bindercontent→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第149页/共221页粘结剂

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/B→S/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

第150页/共221页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第151页/共221页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，喂料不均匀性第152页/共221页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第153页/共221页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,entrappedgassinkmarks:

shrinkage,segregation第154页/共221页weldlines:

jetting,flowaroundcoressurfacepatterns:coldflow,segregationdeformation:

residualstress,ejectionofweakgreenpartsinconsistentshotweight:

inconsistentfeedstock,machinecontrol缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现不可挽回的废品第155页/共221页脱脂脱脂类型热脱脂(thermaldebinding)和溶剂脱脂(solventdebinding)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第156页/共221页注射坯件的微观结构第157页/共221页脱脂过程第158页/共221页热脱脂过程第159页/共221页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第160页/共221页常用脱脂方法

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↑脱脂速度第161页/共221页脱脂方法Wiech法：适于蜡基粘结剂体系，1980发明（Ⅰ）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（Ⅱ）法：惰性气体环境，热脱脂粘结剂的蒸汽压稍高于气氛压力,1day（Ⅲ）法：虹吸脱脂除去大部分粘结剂（200℃，3hrs），常压氢中热脱脂,10hrs第162页/共221页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6hrsMetamold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

第163页/共221页低于粘结剂的熔点，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第164页/共221页烧结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→坯体变形和空洞第165页/共221页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第166页/共221页§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第167页/共221页

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，需大量后续加工第168页/共221页1CIP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第169页/共221页第170页/共221页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第171页/共221页2CIP工艺2.1柔性模套（flexibledieset）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→坯件第172页/共221页3CIP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→分层第173页/共221页4CIP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）第174页/共221页框架式CIP压机第175页/共221页5压制方式湿袋式（wetbag）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

压制生产率较低第176页/共221页干袋式（drybag）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

干袋式不取出软模第177页/共221页§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第178页/共221页2HIP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30—60Mpa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制品第179页/共221页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

第180页/共221页3HIP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，安全系数高第181页/共221页框架式HIP第182页/共221页4HIP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第183页/共221页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后易被除去成本低第184页/共221页中低碳钢：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℃第185页/共221页6HIP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产品第186页/共221页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↑生产效率第187页/共221页8HIP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

第188页/共221页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第189页/共221页§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第190页/共221页粉末直接挤压（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第191页/共221页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=ξP,Pf=μPh=ξμP

物料被挤出的条件：P≥Pf+PR(变形阻力)

第192页/共221页第193页/共221页物料运动示意图第194页/共221页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第195页/共221页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

↓

制品第196页/共221页4粉末热挤压借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，使坯体发生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，棒材应用烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金粉末包套热挤压含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等高温合金或弥散强化材料包套制作工艺与HIP相同第19