机械制造基础第七讲粉末冶金成形PPT.ppt
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1、第第5 5章章 粉末冶金成形粉末冶金成形 第一第一节节 粉末冶金基础粉末冶金基础第二节第二节 粉末冶金模具粉末冶金模具第三节第三节 常用粉末冶金材料简介常用粉末冶金材料简介第四节第四节 粉末冶金制品结构工艺性粉末冶金制品结构工艺性 第五节第五节 粉末冶金技术的新发展粉末冶金技术的新发展 碳的熔点:碳的熔点:3550钨的熔点钨的熔点:3410钨灯丝是如何制造的?钨灯丝是如何制造的?钨棒钨棒钨丝钨丝拉拔拉拔钨的熔点钨的熔点为为3410,钨棒材如何制造?,钨棒材如何制造?19091909年年美美国国的的库库利利吉吉发发明明粉粉末末冶冶金金方方法法制制造造钨钨丝丝,其其生生产产工工艺艺过程:过程:将仲
2、钨酸铵在将仲钨酸铵在 500500左右的空气中焙烧成三氧化钨左右的空气中焙烧成三氧化钨在在630630左右用氢气还原成二氧化钨左右用氢气还原成二氧化钨在在820820左右还原成金属钨粉左右还原成金属钨粉将取得的掺杂钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条将取得的掺杂钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条把把方方条条在在氢氢气气中中通通电电,用用自自电电阻阻加加热热(温温度度达达30003000左左右右)的的方法进行烧结,(烧结后钨条的密度可达到理论值的方法进行烧结,(烧结后钨条的密度可达到理论值的85%85%以上)以上)将这种钨条用旋锻方法加工成直径为将这种钨条用旋锻方法加工成直径为3 mm3
3、mm左右的钨棒左右的钨棒然然后后进进一一步步用用模模子子拉拉拔拔的的方方法法加加工工成成各各种种不不同同粗粗细细的的钨钨丝丝。(例如(例如220V220V、15W15W的白炽灯用的钨丝直径约为的白炽灯用的钨丝直径约为15 15 m)多孔金属材料如何制造?多孔金属材料如何制造?切削刀具材切削刀具材料料工具钢工具钢高速钢高速钢硬质合金硬质合金普通硬质合普通硬质合金金涂层硬质合金涂层硬质合金PVDCVD陶瓷陶瓷非金属陶瓷非金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷超硬材料超硬材料CBNPCD碳素工具钢碳素工具钢合金工具钢合金工具钢硬质合金的微观形貌(硬质合金的微观形貌(3000倍)倍)硬质合金车刀硬质合金车刀硬质合金
4、的性能特点硬质合金的性能特点:硬度高(硬度高(868693HRA93HRA,相当于,相当于696981HRC81HRC,高速钢为,高速钢为636367HRC67HRC,工具钢为,工具钢为60HRC60HRC);热硬性好(可达热硬性好(可达90090010001000,保持,保持60HRC60HRC););耐磨性好。耐磨性好。硬质合金硬质合金刀具刀具硬质合金硬质合金刀具的切削速度可达刀具的切削速度可达100100200m/min200m/min,比,比高速钢切削速度高速钢切削速度高高3 35 5倍倍,比工具钢,比工具钢高高20203030倍;刀具寿命比高速钢高倍;刀具寿命比高速钢高5 58 8倍
5、,比倍,比工具工具钢高钢高2020150150倍。可切削倍。可切削50HRC50HRC左右的硬质材料。左右的硬质材料。1969年年瑞瑞典典研研制制成成功功了了碳碳化化钛钛涂涂层层刀刀具具,刀刀具具的的基基体体就就是是硬硬质质合合金金,表表面面碳碳化化钛钛涂涂层层的的厚厚度度不不过过几几微微米米,使使切切削削速速度度提提高高2070%,寿命提高,寿命提高35倍。倍。硬硬质质合合金金是是把把难难熔熔金金属属(钨钨、钽钽、钛钛、钼钼、铌铌等等)的的碳碳化化物物硬硬质质颗颗粒粒,跟跟钴钴或或镍镍的的粉粉末末混混合合后后压压制制成成型型,再经烧结制成。再经烧结制成。硬质合金是如何制造的?硬质合金是如何制
6、造的?表1 几种成形、加工方法经济性比较 方方 法法材料利用率(材料利用率(%)单单位能耗位能耗/(J/kgJ/kg)铸铸 造造909030303838粉末冶金粉末冶金95952929冷冷 锻锻85854141热热 锻锻7575808046464949机械加工机械加工4040505066668282零件名称零件名称零件金属消耗量零件金属消耗量/t相对劳动量相对劳动量1000个零件的相对成本个零件的相对成本机械加工机械加工粉末冶金粉末冶金机械加工机械加工粉末冶金粉末冶金机械加工机械加工粉末冶金粉末冶金液压泵齿轮液压泵齿轮1.801.901.051.101.00.31.00.5钛制紧固螺母钛制紧固
7、螺母1.851.951.101.121.00.51.00.5黄铜制轴承保黄铜制轴承保持架持架1.751.851.151.131.00.451.00.35飞机导线用铝飞机导线用铝合金固定架合金固定架1.851.951.051.091.00.351.00.4表2 几种成形、加工方法经济性比较 粉末冶金的概念粉末冶金的概念 是以金属粉末是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物或金属粉末与非金属粉末的混合物)为为原料,通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一原料,通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。种冶金工艺技术。粉末冶金的特点:粉末冶金的特点:1)某些特殊性能材料的唯
8、一制造方法;)某些特殊性能材料的唯一制造方法;唯一性主要体现在唯一性主要体现在:难熔金属及其合金(如钨、钨难熔金属及其合金(如钨、钨钼合金);钼合金);难难熔熔的的化化合合物物和和金金属属组组成成的的各各种种复复合合材材料料(如如硬硬质质合合金金、金金属陶瓷);属陶瓷);组组元元彼彼此此不不相相溶溶、熔熔点点十十分分悬悬殊殊的的特特殊殊性性能能材材料料(如如钨钨铜铜合金型电触头材料)等。合金型电触头材料)等。粉末冶金的特点:粉末冶金的特点:1)某些特殊性能材料的唯一制造方法;)某些特殊性能材料的唯一制造方法;2)可可直直接接制制出出尺尺寸寸准准确确,表表面面光光洁洁的的零零件件,是是少少甚甚至
9、至无无切切削生产工艺;削生产工艺;3 3)节约材料和加工工时,成本低。)节约材料和加工工时,成本低。4)压制成形的压强较高,制品尺寸较小;)压制成形的压强较高,制品尺寸较小;5)压模成本较高,适合批量生产;)压模成本较高,适合批量生产;6)制品强度较低;)制品强度较低;7)流动性较差,形状受限制。)流动性较差,形状受限制。粉末制备粉末制备烧结烧结成形工序成形工序粉末混合粉末混合粉末冶金成形主要工序粉末冶金成形主要工序后序处理后序处理清洗包装清洗包装机械方法、物理方法、化学方法机械方法、物理方法、化学方法加入必要的润滑剂或合金元素加入必要的润滑剂或合金元素浸油、整形、少量加工浸油、整形、少量加工
10、第一节第一节 粉末冶金基础粉末冶金基础一、粉末性能和粉末制备一、粉末性能和粉末制备(一)粉末性能(一)粉末性能 固固态态物物质质按分散程度不同分按分散程度不同分为为致密体、粉末体和胶体:致密体、粉末体和胶体:致密体(亦即常致密体(亦即常说说的固体):粒径在的固体):粒径在l mml mm以上;以上;胶体微粒胶体微粒:0.10.1m以下;以下;粉末体或粉末体或简简称粉末:介于二者之称粉末:介于二者之间间。铁粉铁粉铁铁粉的粒度:粉的粒度:铁铁粉粉按按分分散散程程度度不不同同分分为为粗粗粉粉、中中等等粉粉、细细粉粉、微微细细粉粉和和超超细细粉五个等粉五个等级级:粒度粒度为为150150500m500
11、m范范围围内的内的颗颗粒粒组组成的成的铁铁粉粉为为粗粉粗粉粒度在粒度在4444150m150m为为中等粉中等粉101044m44m的的为细为细粉粉0.50.510m10m的的为为极极细细粉粉小于小于0.5m0.5m的的为为超超细细粉粉分分级级方法:旋振方法:旋振筛筛分分级级、气流分、气流分级级金属粉末筛料机金属粉末筛料机原料粉末原料粉末其它添加剂其它添加剂混合混合松松装装烧烧结结(石石膏膏模模)粉粉末末浇浇注注模压成形模压成形预烧结预烧结烧结烧结二次模压二次模压二次烧结二次烧结整形整形高温烧结高温烧结锻造锻造拉丝拉丝烧结烧结锻锻造造轧轧制制挤挤压压冷冷等等静静压压轧轧制制挤挤压压烧烧结结热热压
12、压热热挤挤压压热热等等静静压压后续处理(选择):浸渍后续处理(选择):浸渍热处理热处理电镀电镀机械加工机械加工粉末冶金材料、制品粉末冶金材料、制品图图5-1粉末冶金材料或制品的工艺流程粉末冶金材料或制品的工艺流程(二)粉末的制备(二)粉末的制备 金金属属粉粉末末的的制制取取方方法法可可分分成成三三大大类类:机机械械法法、物物理理、化学法。化学法。机机械械研研磨磨气气流流研研磨磨液液体体雾雾化化蒸蒸发发凝凝聚聚气气相相沉沉积积还还原原化化合合电电化化学学法法粉末的制备粉末的制备机械制粉机械制粉化学制粉化学制粉物理制粉物理制粉制备粉末的三种途径:制备粉末的三种途径:固态固态 液态液态 粉末粉末 气
13、态气态 固态固态 粉末粉末1 1、金属(合金)、金属(合金)金属粉末:机械粉碎,电化腐蚀金属粉末:机械粉碎,电化腐蚀2 2、金属氧化物(盐类)、金属氧化物(盐类)金属粉末:还原法金属粉末:还原法3 3、金属非金属化合物、金属非金属化合物 金属化合物粉末:还原化合法金属化合物粉末:还原化合法金属氧化物非金属化合物金属氧化物非金属化合物 液态液态 粉末粉末1 1、液态金属(合金)、液态金属(合金)金属粉末:雾化法金属粉末:雾化法2 2、金金属属盐盐溶溶液液金金属属粉粉末末:置置换换法法,溶溶液液氢氢还还原原法法,水水溶溶液液电电解解法法3 3、金属熔盐、金属熔盐金属粉末:熔盐沉淀法,熔盐电法金属粉
14、末:熔盐沉淀法,熔盐电法u 雾化机理雾化机理雾化雾化聚并聚并凝固凝固旋转锭模法(又称旋转坩埚法):旋转锭模法(又称旋转坩埚法):旋转轮法旋转轮法旋转杯法旋转杯法 气态气态 粉末粉末1 1、金属蒸汽、金属蒸汽金属粉末:蒸汽冷凝法金属粉末:蒸汽冷凝法2 2、气态金属羰基物、气态金属羰基物金属粉末:羰基物热离解法金属粉末:羰基物热离解法3 3、气态金属卤化物、气态金属卤化物金属粉末:气相氢还原法金属粉末:气相氢还原法4 4、气态金属卤化物、气态金属卤化物金属化合物粉末:化学气相沉积法金属化合物粉末:化学气相沉积法一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件
15、8化学还原法化学还原法氢还原法:氢还原法:碳还原法:碳还原法:8还原化合法还原化合法一、电化学制粉分类一、电化学制粉分类v水溶液电解水溶液电解v有机电解质电解有机电解质电解v熔盐电解熔盐电解v液体金属阴极电解液体金属阴极电解8电化学制粉法电化学制粉法铁粉的铁氧化物还原法工艺流程铁粉的铁氧化物还原法工艺流程铁矿粉铁矿粉磁选磁选筛分筛分球磨破碎球磨破碎烘干烘干煤粉煤粉石灰石石灰石烘干烘干装装罐罐一次还原一次还原清洗清洗破碎破碎破碎破碎筛选筛选磁选磁选二次还原二次还原磁选磁选破破碎碎筛分筛分分级分级称重、包装称重、包装发运发运滚筒式球磨机滚筒式球磨机振动球磨机振动球磨机靶式气流磨机靶式气流磨机1.1
16、.加料斗;加料斗;加料斗;加料斗;2.2.高压气体;高压气体;高压气体;高压气体;3.3.靶板;靶板;靶板;靶板;4.4.被粉碎物料与气流出口被粉碎物料与气流出口被粉碎物料与气流出口被粉碎物料与气流出口二、粉末的成形二、粉末的成形 (一)成形方法(一)成形方法 成成形形是是粉粉末末冶冶金金工工艺艺的的重重要要步步骤骤。成成形形的的目目的的是是制制得得具有一定具有一定形状形状、尺寸尺寸、密度密度和和强度强度的压坯。的压坯。松松装装烧烧结结粉粉浆浆浇浇注注模模压压成成形形热热压压成成形形等等静静压压成成形形轧轧制制成成形形离离心心成成形形挤挤压压成成形形爆爆炸炸成成形形成形成形无压成形无压成形加压
17、成形加压成形 按成形过程中有无压力:按成形过程中有无压力:有压(压力)成形、无压成形有压(压力)成形、无压成形 按成形过程中粉末的温度:按成形过程中粉末的温度:冷压(常温)成形、温压成形、热成形冷压(常温)成形、温压成形、热成形 按成形过程的连续性:按成形过程的连续性:间歇成形、粉末连续成形间歇成形、粉末连续成形 按成形料的干湿程度:按成形料的干湿程度:干粉压制、可塑成形、浆料成形干粉压制、可塑成形、浆料成形 成形方法的其他分类成形方法的其他分类模压成形的主要功用是:模压成形的主要功用是:将粉末成形出所要求的形状;将粉末成形出所要求的形状;赋予压坯以精确的几何尺寸;赋予压坯以精确的几何尺寸;赋
18、予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型;赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型;赋予压坯以适当的强度以便于搬运。赋予压坯以适当的强度以便于搬运。1 1、粉末预处理、粉末预处理 预预处处理理包包括括:粉粉末末退退火火,筛筛分分,混混合合,制制粒粒,加加润润滑滑剂剂等。等。粉粉末末的的预预先先退退火火可可使使氧氧化化物物还还原原,降降低低碳碳和和其其它它杂杂质质的的含含量量,提提高高粉粉末末的的纯纯度度;同同时时,还还能能消消除除粉粉末末的的加加工工硬硬化、稳定粉末的晶体结构化、稳定粉末的晶体结构。筛分筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混混合合一一般般是
19、是指指将将两两种种或或两两种种以以上上不不同同成成分分的的粉粉末末混混合合均匀的均匀的过过程程;可采用;可采用机械法和化学法机械法和化学法。制制粒粒是是将将小小颗颗粒粒的的粉粉末末制制成成大大颗颗粒粒或或团团粒粒的的工工序序,以以此来改善粉末的流动性。此来改善粉末的流动性。(二)压制成形二)压制成形2 2、压制成形、压制成形 压压模模压压制制是是将将置置于于压压模模内内的的松松散散粉粉末末施施加加一一定定的的压压力力后后,成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图图5-2模压示意图模压示意图2 2、压制成形、压制成形 粉粉末末的的压压缩缩过过
20、程程一一般般采采用用压压坯坯密密度度成成形形压压力力曲曲线线来来表表示示,压坯密度变化分为三个阶段。压坯密度变化分为三个阶段。图图5-3压坯密度与压力压坯密度与压力滑动阶段(滑动阶段(第第阶段):阶段):颗粒位颗粒位移,填充孔隙移,填充孔隙压力增加,密度快速增加压力增加,密度快速增加平衡阶段(平衡阶段(第第阶段):阶段):压力续增压力续增加,压坯密度增加不明显加,压坯密度增加不明显颗粒变形阶段(颗粒变形阶段(第第阶段):阶段):压压力超过一定值,压力升高,压坯密度力超过一定值,压力升高,压坯密度继续增加继续增加压坯的缺点压坯的缺点密度分布不均匀:密度分布不均匀:a)压制前压制前b)压制后压制后
21、图图5-4用石墨粉作隔层的单向压坯用石墨粉作隔层的单向压坯图图5-2单向模压示意图单向模压示意图(一)压坯密度分布不均匀的现象(一)压坯密度分布不均匀的现象仅通过上模冲加压的单向压制仅通过上模冲加压的单向压制Ni粉压坯:粉压坯:H:17.5;D:20;700MPa内部压力沿径向和轴向分布等位线图内部压力沿径向和轴向分布等位线图分布特点:分布特点:在垂直面上,上层密度比下层密度大;在垂直面上,上层密度比下层密度大;在在水水平平面面上上接接近近上上模模冲冲的的断断面面的的密密度度分分布布是是两两边边大大,中中间间小小;而远离上模冲的截面的密度分别是中间大,两边小。而远离上模冲的截面的密度分别是中间
22、大,两边小。返回文档返回文档a)a)填充粉料填充粉料 b)b)双向压坯双向压坯 c)c)上冲模复位上冲模复位 d)d)顶出坯块顶出坯块 图图5-6 5-6 双向压制粉末冶金坯块工步示意图双向压制粉末冶金坯块工步示意图a)单向压制)单向压制b)双向压制双向压制图图5-5压坯密度沿高度分布图压坯密度沿高度分布图压坯密度分布不均匀的产生原因压坯密度分布不均匀的产生原因外摩擦力(压力损失)外摩擦力(压力损失)内摩擦力内摩擦力侧压力侧压力压制方式压制方式压坯形状与尺寸压坯形状与尺寸压模结构与设计压模结构与设计润滑润滑直接影响压制压力的直接影响压制压力的传递和局部压力的大小传递和局部压力的大小间接影响压制
23、压力的间接影响压制压力的传递和局部压力的大小传递和局部压力的大小二、改善压坯密度分布不均匀性的措施1)选区合适的压制方式)选区合适的压制方式H/D1,而,而H/3时,可采用单向压制;时,可采用单向压制;H/Dl,而,而H/3时,采用双向压制;时,采用双向压制;H/D410时,采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压时,采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压模压制、引下式压模压制等模压制、引下式压模压制等对于很长的制品,需采用特殊成形(等静压、挤压等)对于很长的制品,需采用特殊成形(等静压、挤压等)2)减减小小摩摩擦擦力力:模模具具内内壁壁上上涂涂抹抹润润滑滑油油或或采采用用内内壁壁更更光光洁洁的的模具;
24、模具;3)模具设计时尽量降低高径比)模具设计时尽量降低高径比。一、单向压模一、单向压模 单单向向压压模模在在压压制制过过程程中中,相相对对于于阴阴模模运运动动的的只只有有一一个个模冲,或是上模冲或是下模冲。模冲,或是上模冲或是下模冲。如如图图5-7是是压压制制轴轴套套类类压压坯坯的的单单向向手手动动压压模模,其其基基本本组组成成部部分分有有阴阴模模、上上模模冲冲、下下模模冲冲和和芯芯杆杆。一一般般只只用用来来生生产产高高度不大(高径比度不大(高径比H/D1),形状简单的零件),形状简单的零件。图图5-7单向手动压模单向手动压模二、双向压模二、双向压模 双双向向压压制制的的特特点点是是:上上下下
25、模模冲冲相相对对阴阴模模都都有有移移动动,模模腔腔内内粉粉末末体体受受到到两两个个方方向向的的压压缩缩,或或下下模模冲冲固固定定不不动动,由由上上模模冲冲和和阴阴模模对对着着下下模模冲冲做做不不同同距距离离的的移移动动,实实现现双双向向压压制制。如如图图5-85-8所所示示为为压压制制套套类类压坯的双向手动压模。压坯的双向手动压模。一一般般用用来来生生产产实实体体类类压压坯坯的的高高径径比比H HD D1 1或或管管套套类类压压坯坯的的高高度度与与壁壁厚厚之比之比H HT T3 3的零件。的零件。图图5-8双向手动压模双向手动压模三、烧结三、烧结 烧烧结结是是将将压压坯坯按按一一定定的的规规范
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