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1、粉末冶金新技术第一页，本课件共有45页本节主要内容：1.概述2.雾化制粉技术3.机械合金化制粉技术4.粉末注射成形技术5.温压和热压成形技术6.等静压成形技术7.SPS烧结五、粉末冶金新技术第二页，本课件共有45页1、概述、概述粉末冶金制取金属粉末成形、烧结及烧结后处理快速冷凝雾化制粉机械化合金制粉超微粉式纳米粉制粉溶胶-凝胶技术粉末注射成形温压成形冷等静压热等静压成形超塑性等温锻造第三页，本课件共有45页粉末冶金方法与液态成形方法相比其优点如下：可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点。用粉末冶金法生产零件制品时，金属的总损耗只有15%；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现。
2、例如，多孔材料、氧化物弥散强化合金、硬质合金等；一些活性金属，高熔点金属制品用其他工艺成形是十分困难的，这些材料在普通工艺过程中，随着温度的升高，材料的显微组织及结构收到明显的损害，而粉末冶金法却可避免；第四页，本课件共有45页粉末冶金的应用：从普通机械制造到精密仪器，从五金工具到大型机械，从电子工业到电机制造，从采矿到化工，从民用工业到军用工业，从一般技术到尖端技术，都在使用粉末冶金材料或制品，金属粉末和粉末冶金制品、材料在工业部门的应用如下表所示：金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用机械制造汽车、拖拉机、机床制造电机制造精密仪器电器和电子工业计算机工业化学、石油工业军工航空航天和火箭原子能工
3、程硬质合金，金属陶瓷，粉末高速钢机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器多孔含油轴承，铜-石墨电刷仪表零件，软磁材料，硬磁材料电触头材料，电真空电极材料，磁性材料记忆元件过滤器，防腐零件，催化剂穿甲弹头，军械零件，高比重合金摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金发汗材料，难熔金属及合金，纤维强化材料核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料第五页，本课件共有45页2、雾化制粉技术、雾化制粉技术定义：雾化法是一种典型的物理制粉方法，通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。优点：可以有效地减少合金成分的偏析，获得成分均匀的合金粉末；通过控制冷凝速率可以获得具
4、有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。第六页，本课件共有45页雾化过程雾化过程雾化雾化聚并聚并凝固凝固 过程一(雾化)：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。过程二(聚并)：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。过程三(凝固)：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。第七页，本课件共有45页雾化制粉分类雾化制粉分类二二流流雾雾化化法法 借助高压液流(通常是水或油)或高压气流(空气、惰性气体)的冲击破碎金
5、属液流来制备粉末的方法，称为气雾化或水雾化，统称二流雾化法；单单流流雾雾化化 如利用离心力破碎金属液流称为离心雾化、利用超声波能力来实现液流的破碎称为超声雾化。雾化制粉的冷凝速率一般为103106/s，适用于金属粉末制备。第八页，本课件共有45页 金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。
6、气流(水、油、气体)气流(水、油、气体)121液态金属2气流(水、油或气体)第九页，本课件共有45页 气体雾化气雾化的四个区域负压紊流区高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；颗粒形成区在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；有效雾化区气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；冷却凝固区细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。(1)二流雾化第十页，本课件共有45页气体动能喷嘴结构液流性质喷射方式 气雾化制粉的影响因素a)气体动能 增大气体压力，能够增加气体的喷射速度，有利于金属液体雾化率的提高。但前提条件是金属液的流量一定。b)喷嘴结构嘴结构应具备以下基本条件：雾
7、化介质获得尽可能高的出口速度；雾化介质与金属液流之间形成合理的喷射角度；金属液流产生最大的紊流；金属液流雾化稳定，不会因出口负压造成喷嘴堵塞。c)液流性质 金属液的表面张力、金属液的粘度、金属液的化学组成、金属液的过热温度都会影响雾化制粉。第十一页，本课件共有45页d)喷射方式按照雾化介质对流体的作用可分为以下几种:垂直喷嘴；V形喷嘴；锥形喷嘴；漩涡环形喷嘴垂直喷射示意图1气流；2金属液流特点：雾化介质与金属液流互呈垂直方向。喷制的粉末一般比较粗，常用来喷制铝、锌等粉末。V形喷射示意图特点：两股板状雾化截止射流呈V形，金属液流在交叉处被击碎。这种喷嘴是在垂直喷嘴的基础上改进而成的，不易发生堵嘴
8、。可喷制不锈钢粉。第十二页，本课件共有45页锥形喷射示意图特点：雾化介质以极高的速度从若干个均匀分布在圆周上的小孔喷出构成一个未封闭的气锥，交汇于锥顶点，将流经该处的金属液流击碎。这种喷嘴雾化效率较高，但要求金属液流对中好，同时由于雾化介质高速射出时会在锥中形成真空，容易造成液滴反飞，并在喷嘴上凝固而堵嘴。漩涡环形喷射示意图特点：压缩气体从切向进入喷嘴内腔，然后高速喷出形成一漩涡状锥体，金属液流在锥顶被击碎。第十三页，本课件共有45页(2)离心雾化法 离心雾化法是利用机械旋转造成的离心力使金属熔液克服其表面张力，以细小的液滴甩出，然后在飞行过程中球化、冷凝成粉的一种制粉方法。1974年，首先由
9、美国提出旋转电极(REP)雾化制粉法，后来又发展了旋转盘法(RD)、旋转坩埚法(RC)，电子束旋转电极法(EBRE)，等离子旋转电极法(PREP)等。旋转电极法原理图旋转电极过程中液膜破碎、球形粉形成原理图旋转坩埚法原理图第十四页，本课件共有45页离心雾化法特点：能制取几乎所有金属或合金的粉末，还可以制取难熔化合物(如氧化物、碳化物)粉末；离心雾化法不受坩埚耐火材料的污染，是目前制取高纯、无污染难熔金属和化合物球形粉末最理想的方法，特别是对易氧化(或氮化)金属最为有效，冷凝速度一般为103106K/s。离心雾化法的缺点：工艺受到设备规模、生产过程连续化和自动化限制，生产能力低，粉末价格高。第十
10、五页，本课件共有45页 机械合金化是一种从元素粉末制取具有平衡或非平衡相组成的合金粉末或复合粉末技术。它是在高能它是在高能球磨机球磨机中，通过粉末颗粒之间、粉末颗中，通过粉末颗粒之间、粉末颗粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破粒与磨球之间长时间发生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面相互冷焊而逐步合金化，碎和撕裂，所形成的新生表面相互冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。其过程反复进行，最终达到机械合金化的目的。3、机械合金化制粉技术、机械合金化制粉技术第十六页，本课件共有45页机械合金化技术的特点：可形成高度弥散的第二相粒子；可形成高度弥散的第二
11、相粒子；可以扩大合金的固溶度，得到过饱和固溶体；可以扩大合金的固溶度，得到过饱和固溶体；可以细化晶粒，甚至达到纳米级，还可以改变粉末的形貌；可以细化晶粒，甚至达到纳米级，还可以改变粉末的形貌；可以制取具有新的晶体结构、准晶或非晶结构的合金粉末；可以制取具有新的晶体结构、准晶或非晶结构的合金粉末；可以使有序合金无序化；可以使有序合金无序化；可以促进低温下的化学反应和提高粉末的烧结活性。可以促进低温下的化学反应和提高粉末的烧结活性。第十七页，本课件共有45页原料粉末：纯金属粉、母合金粉末、预合金粉末和难熔金属化合物粉末，其粒度一般为1200m。过程控制剂：过程控制剂是一种表面活性剂，它可以覆盖在粉
12、末的表面，降低新生表面的表面张力，缩短球磨时间；过程控制剂的加入，还可以减少粉末间的冷焊，防止粉末发生团聚。控制剂的量一般在14%；控制剂一般为有机化合物，如硬脂酸、乙烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、异丙酮、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂，石墨粉、氧化铝、氮化铝、氧化钠也曾用作过程控制剂。注意：在球磨过程中，这些化合物的大部分都会分解，并与粉末发生反应后在其基体中形成均匀弥散分布的化合物新相，所以过程控制剂的选择很重要。机械合金化原料及过程控制剂机械合金化原料及过程控制剂第十八页，本课件共有45页球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介质球
13、磨制粉第十九页，本课件共有45页 在在球球磨磨过过程程中中，球球磨磨筒筒将将机机械械能能传传递递到到筒筒内内的的球球磨磨物物料料及及介介质质上上，相相互互间间产产生生正正向向冲冲击击力力、侧侧向向挤挤压压力力、摩摩擦擦力力等等，当当这这些些复复杂杂的的外外力力作作用用到到脆脆性性粉粉末末颗颗粒粒上上时时，细细化化过过程程实实质质上上就就是是大大颗颗粒粒的的不不断断解解理理过过程程；如如果果粉粉末末的的塑塑性性较较强强，则则颗颗粒粒的的细细化化过过程程较较为为复复杂杂，存存在在着着磨磨削削、变变形形、加加工工硬硬化化、断断裂裂和和冷冷焊焊等等行行为为，不不论论何何种种性性质质的的研研磨磨物物料料
14、，提提高高球磨效率的基本原则是一致的。球磨效率的基本原则是一致的。第二十页，本课件共有45页1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则第二十一页，本课件共有45页滚筒式行星式振动式搅动式球磨制粉的基本方式第二十二页，本课件共有45页 转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转
15、速V临2。(1)滚筒式球磨第二十三页，本课件共有45页滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临1 V 实际 V临2 限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。第二十四页，本课件共有45页球磨罐(筒体)被夹紧并以每分钟数千次的频率前后晃动，与此同时，球磨罐的两端还作横向摆动，球磨罐每摆动以下，磨球就是撞击粉末样品和球磨罐顶部，从而达到球磨和混合粉末的目的。(2)振动式球磨第二十五页，本课件共有45页行星球磨原理示意图原理：多个球磨罐对称安装在一个旋转的圆盘上，每个球磨罐还饶自己的轴心转动。由球磨罐环绕自己的轴心转动和支撑盘的旋
16、转所产生的离心力作用于装有球磨原料和磨球的球磨罐上，在支撑盘离心力的作用下，粉末和磨球将飞向外壁，产生撞击效应，从而达到机械合金化的效果。球磨罐(3)行星式球磨第二十六页，本课件共有45页 这种球磨机可以较大批量的生产机械合金化粉末，球磨料的运动速率要比振动球磨机和行星球磨机低，因此能力也较低。搅拌球磨机的操作简单，将粉末和磨球放入一固定的球磨罐中，在高速旋转的搅拌杆的作用下，磨球对粉末施行剪切和撞击作用。(4)搅动式球磨第二十七页，本课件共有45页定义 粉末注射成形技术(powder injection molding，简称PIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门近净形形
17、成新技术。粉 末黏结剂混 合混炼和制粒注射成形脱出黏结剂烧 结粉末注射成形工艺流程图4、粉末注射成形技术、粉末注射成形技术第二十八页，本课件共有45页粉粉末末注注射射成成形形 工工艺艺流流程程粉末粉末黏结剂黏结剂预混合预混合混炼和制粒混炼和制粒注射成形注射成形溶剂脱脂溶剂脱脂热脱脂热脱脂/预烧结预烧结烧结烧结第二十九页，本课件共有45页(1)粉末注射成形技术的特点可可以以直直接接制制备备出出具具有有最最终终形形状状和和尺尺寸寸的的复复杂杂零零部部件件。例如：非对称零件，带沟槽、横孔、盲孔的零件，壁厚变化比较大的零件，表面带花纹和文字的零件等。第三十页，本课件共有45页 产产品品性性能能优优越越
18、 由于PIM产品微观组织均匀，没有铸造工艺中出现的粗大结晶组织和成分偏析，产品密度高，其力学性能要明显优于精密铸造材料和传统粉末冶金材料。第三十一页，本课件共有45页 可可以以实实现现零零部部件件一一体体化化 由由于于加加工工技技术术或或材材料料性性能能的的原原因因，有有些些部部件件采采用用传传统统技技术术制制造造时时，需需要要加加工工成成几几个个零零件件来来组组装装，有有时时几几个个零零件件的的材材料料还还不不一一样样。采采用用PIM技技术术则则可可以以直直接接制制成一个整体的复合部件。成一个整体的复合部件。第三十二页，本课件共有45页集束箭弹小箭集束箭弹小箭钨基合金箭头钨基合金箭头钨基合金
19、箭头钨基合金箭头铁基合金尾翼铁基合金尾翼铁基合金尾翼铁基合金尾翼霰弹枪霰弹枪第三十三页，本课件共有45页 高分子材料金属材料陶瓷材料复合材料复合材料 材材料料适适应应性性广广 可以说合适粉末的任何材料都可以用PIM技术制造零部件。第三十四页，本课件共有45页 生产成本低生产成本低 主要表现在：可以减少甚至消除机加工；材料利用率高；生产线建设规模灵活、投资少；生产线高度自动化。第三十五页，本课件共有45页复杂形状复杂形状高性能高性能低成本低成本PIM特点：以较低的成本生产出高性能特点：以较低的成本生产出高性能的复杂形状零部件的复杂形状零部件第三十六页，本课件共有45页5、温压和热压成形技术、温压
20、和热压成形技术温压成形的基本工艺过程：将金属或合金粉和聚合物润滑剂混合后，采用特制的粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，升温到75150，压制成坯，再经预烧、烧结、整形等工序，获得粉末冶金零件。具体如下面所述的工艺路线。粉 末黏结剂混 合加热粉末加热模具温压成形烧结后处理产品温压成形工艺路线第三十七页，本课件共有45页热压成形的基本工艺过程：热压又称为加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低一些，经过较短时间烧结获得致密而均匀的制品。热压是将压制和烧结两个工序一并完成的，热压是一种强化烧结。优点：大大降低成形压力和缩短烧结时间，制得的材料密度较高，晶粒较细
21、。第三十八页，本课件共有45页6、等静压成形技术、等静压成形技术等静压成形热等静压(HIP)冷等静压(CIP)以水或油作压力介质液静压水静压油水静压以气体(如氩气)作压力介质气体热等静压第三十九页，本课件共有45页(1)冷等静压成形冷等静压按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具和干袋模具。橡胶模粉料高压容器压力传动介质a)湿袋模具原理：原理：把无须外力支持也能保持一定形状的薄壁软模装入粉末料，用橡皮塞塞紧密封袋口，然后套装入穿孔金属套内并一起放入高压容器中，使模袋泡浸在液体压力介质中经受高压泵注入的高压液体压制。优点：优点：u能在同一压力容器内同时压制各种形状的压件；u模具寿命长、成本低。缺点：
22、缺点：装袋脱模过程中消耗时间较多。第四十页，本课件共有45页高压容器粉料加压橡皮压力传动介质成型橡胶模b)干袋模具原理：原理：干袋固定在筒体内，模具外层衬以穿孔金属护套板，粉末装入模袋内靠上层封盖密封。高压泵将液体介质输入容器内产生压力使软模内粉末均匀受压。压力去除后即从模袋取出压块，模袋仍然留在容器内供下次装料用。优点：优点：u生产率高，易于实现自动化，如自动干袋模具压制生产率可达1015个/min，直径较大的制品(如直径为150mm)的生产率可以达到300件/h；u模具寿命较长；第四十一页，本课件共有45页(2)热等静压成形定义：定义：在高温下，采用惰性气体代替液体作压力传递介质的等静压成
23、形，是在冷等静压成形与热压烧结的工艺基础上发展起来的，又称热等静压烧结。优点与缺点：优点与缺点：与热压烧结相比，该法烧结制品致密均匀，但所用设备复杂，生产效率低、成本高。原理：原理：用金属箔代替橡胶模，用惰性气体向密封容器内的粉末同时施加各向均匀的高压高温，使成形与烧结同时完成。第四十二页，本课件共有45页7、SPS烧结烧结SPS烧结的优势：烧结温度低(比常规的热压烧结低100200)、烧结时间短(一般在10min左右)、可获得细小、均匀的组织，并能保持原始材料的自然状态；能获得高致密度材料；通过控制烧结组分与工艺，能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂材料；与热压烧结法、热等静压烧结法、常压控制气氛炉等传统烧结工艺法相比，SPS装置具有操作容易、不要求熟练技术、烧结速度等特点。第四十三页，本课件共有45页SPS实验装置图 SPS烧结原理 第四十四页，本课件共有45页SPS烧结阶段 烧结过程中原子扩散示意图 第四十五页，本课件共有45页