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1、第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺主讲人：于美杰主讲人：于美杰 副教授副教授 Tel：88396181 Email： 工程材料与机械制造基础第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成形工艺n本章基本要求本章基本要求n粉体的基本物理性能n粉体成形原理n了解几种常用的成形工艺第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第七章第七章 目录目录v 第一节第一节 粉体成形原理粉体成形原理v 第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术v 第三节第三节 粉末冶金的成形工艺粉末冶金的成形工艺v
2、第四节第四节 陶瓷材料的成形工艺陶瓷材料的成形工艺v 第五节第五节 烧结烧结v 第六节第六节 陶瓷与粉末快速成形工艺陶瓷与粉末快速成形工艺v 第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节第一节 粉体成形原理粉体成形原理第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节第一节 粉体成形原理粉体成形原理Forming theory of powdern 与材料液态铸造成形与固态塑性成形方法不同，粉与材料液态铸造成形与固态塑性成形方法不同，粉末冶金与陶瓷的成形方法是利用末冶金与陶瓷的成形方法是利用粉末粉末特有的性能，通特有的性能，通过坯体成形
3、、烧结等系列工艺组成的。过坯体成形、烧结等系列工艺组成的。n生产工艺过程生产工艺过程:n粉末冶金与陶瓷所用原材料都是粉末冶金与陶瓷所用原材料都是“粉体粉体”第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powderv 一、一、粉料的基本物理性能粉料的基本物理性能n粒度粒度：d、等效直径、等效直径n粒度分布粒度分布、形貌（宏观、微观）形貌（宏观、微观）n拱桥效应拱桥效应：粉体颗粒的：粉体颗粒的形貌形貌千差万别，直接影响到粉千差万别，直接影响到粉体的流动性和填充性。由于实际粉料不是球形，加上体的流动性和填充性。由于实际
4、粉料不是球形，加上表面粗糙不平以及附着和凝聚的作用，颗粒之间相互表面粗糙不平以及附着和凝聚的作用，颗粒之间相互咬合，形成拱桥形空间，咬合，形成拱桥形空间，增大了空隙率，使粉料自由增大了空隙率，使粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多堆积的空隙率往往比理论计算值大得多。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powdern粉体颗粒的表面能和表面状态粉体颗粒的表面能和表面状态n表面能：晶体破碎后内部原子在周围原子的均等作用表面能：晶体破碎后内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡状态，而表面原子只是一侧受到
5、内部下处于能量平衡状态，而表面原子只是一侧受到内部原子的引力，另一侧则处于一种具有原子的引力，另一侧则处于一种具有“过剩能量过剩能量”的的状态，状态，该该“过剩能量过剩能量”称为表面能称为表面能。n吸附与凝聚吸附与凝聚第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powdern 粉料的堆积（填充）特性粉料的堆积（填充）特性与与形状形状有关：拱桥效应，形状越不规则，空隙率有关：拱桥效应，形状越不规则，空隙率越高。越高。与与粒径分布粒径分布有关：粒径分布越宽，空隙率越小，有关：粒径分布越宽，空隙率越小，堆积密度越大。堆
6、积密度越大。n粉料的流动性粉料的流动性自然安息角越小，反映出流动性越好自然安息角越小，反映出流动性越好球形粉末的流动性好球形粉末的流动性好第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powderv 二、二、粉体成形原理粉体成形原理n将将粉体粉体原料制成原料制成块状块状坯体一般采用三种不同的方法：坯体一般采用三种不同的方法：压制成形压制成形：直接将：直接将不含液体不含液体（水或有机溶剂）或（水或有机溶剂）或含有少量液体的粉体含有少量液体的粉体加压加压成形。成形。可塑成形可塑成形：将粉体加入：将粉体加入适量的液体适量
7、的液体，做成可塑泥，做成可塑泥团，通过塑性变形制成坯体。团，通过塑性变形制成坯体。浆料成形浆料成形：将粉体中加入：将粉体中加入足够多的液体足够多的液体（含液量（含液量超过可塑泥团），做成流体形的浆料，将其浇注超过可塑泥团），做成流体形的浆料，将其浇注至模具内形成坯体。至模具内形成坯体。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powderv（1）压制成形原理：）压制成形原理：n基于较大压力基于较大压力n成形过程中坯体的成形过程中坯体的密度密度、强度强度、压力压力发生变化。发生变化。n高而细的产品不适于压制法成型
8、高而细的产品不适于压制法成型图图73 单面加压单面加压时坯体内部压力分时坯体内部压力分布情况布情况H坯体高度D坯体直径第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powdern 影响坯体密度的因素影响坯体密度的因素成形压力成形压力加压方式：单面、双面、四面加压方式：单面、双面、四面加压速度：加压速度：一轻、二重、慢提起一轻、二重、慢提起润滑剂等添加剂润滑剂等添加剂加压方式和压力分布状态图加压方式和压力分布状态图(a)单面加压；单面加压；(b)双面同时加压；双面同时加压；(c)双面先后加压；双面先后加压；(d)四面
9、加压（等静压）四面加压（等静压）密度均匀程度增加密度均匀程度增加两次之间有两次之间有间隙，利于间隙，利于空气排出空气排出第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理v对压制用粉料的工艺性能要求对压制用粉料的工艺性能要求v(由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落个角落)n 良好的流动性。良好的流动性。n 粉料中气体越少越好。以便得到较高的素坯密度。粉料中气体越少越好。以便得到较高的素坯密度。n 粉料的堆积密度越高越好。粉料的堆积密度越高越好。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形
10、工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powderv（2）可塑成形原理）可塑成形原理n 主要用于形成陶瓷坯体，不用于粉末冶金主要用于形成陶瓷坯体，不用于粉末冶金n可塑泥团的流变特性可塑泥团的流变特性弹性变形弹性变形假塑性变形假塑性变形开裂开裂y y流限、屈服值流限、屈服值p p强度极限强度极限n n假塑性形变假塑性形变y y回复形变回复形变p p最大变形量最大变形量可塑泥团的应力应变曲线可塑泥团的应力应变曲线少量空气和有机增少量空气和有机增塑剂的作用塑剂的作用泥团中颗粒产生相对位泥团中颗粒产生相对位移所致移所致出现裂纹前的出现裂纹前的最大变形量最大变形量第第七七章章
11、粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powdern 影响泥团可塑性的因素影响泥团可塑性的因素l固相颗粒大小和形状固相颗粒大小和形状：颗粒越粗，呈现最大塑性：颗粒越粗，呈现最大塑性时所需水分愈少，最大可塑性愈低时所需水分愈少，最大可塑性愈低;颗粒愈细颗粒愈细，比，比表面积愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分表面积愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分与多，可塑性愈高。与多，可塑性愈高。l液相的数量和性质液相的数量和性质：水分是泥团出现可塑性的必：水分是泥团出现可塑性的必要条件，当要条件，当水分适量水分适量时才能呈现最大可塑
12、性。时才能呈现最大可塑性。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powdern可塑性评价指标：可塑性评价指标：y yp p 。n屈服值随含水量增加而减少；屈服值随含水量增加而减少；n最大变形量随含水量增加而增加。最大变形量随含水量增加而增加。可塑泥团的可塑性与含水量的关系可塑泥团的可塑性与含水量的关系第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理v可塑坯料的工艺性能要求可塑坯料的工艺性能要求n 可塑性好；可塑性好；n 含水量适当；含水量适当；n 干燥强度高；干燥强
13、度高；n 收缩率小；收缩率小；n 颗粒细度适当；颗粒细度适当；n 空气含量低。空气含量低。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powderv（3 3）浆料成形原理）浆料成形原理n将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，在贴近模壁的一层泥浆被模型吸水而形成一均匀的泥层，水性，在贴近模壁的一层泥浆被模型吸水而形成一均匀的泥层，这泥层随着时间的延长而逐渐加厚，当达到所需的厚度时，可这泥层随着时间的延长而逐渐加厚，当达到所需的厚度时，可将多
14、余的泥浆倒出。最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离。将多余的泥浆倒出。最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离。从模型取出后即为毛坯。从模型取出后即为毛坯。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理n影响泥浆流变性能的因素影响泥浆流变性能的因素泥浆浓度泥浆浓度：浓度越高，在同一剪切速率下所需应力越大，流：浓度越高，在同一剪切速率下所需应力越大，流动性降低。动性降低。固相颗粒大小固相颗粒大小：颗粒越细，吸引力越大，流动阻力越大；：颗粒越细，吸引力越大，流动阻力越大；电解质的作用电解质的作用：泥浆解凝：泥浆解凝泥浆的泥浆的pHpH值值：影响离解程度，或胶溶或
15、絮凝：影响离解程度，或胶溶或絮凝未解凝的可塑粘未解凝的可塑粘土泥浆浓度与流土泥浆浓度与流动曲线的关系动曲线的关系第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第一节 粉体成形原理Forming theory of powder注浆成型对泥浆的总的工艺性能的要求注浆成型对泥浆的总的工艺性能的要求l 流动性好；l 稳定性好；l 适当的触变性；l 含水量少；l 滤过性好；l 坯体强度高；l 脱模容易；l 不含气泡。第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第二节 粉体制备技术Preparation technologies of powderv粉体
16、制备方法粉体制备方法n粉碎法：粉碎法：机械粉碎、气流粉碎机械粉碎、气流粉碎不易制备不易制备1 1微米以下的微细颗粒微米以下的微细颗粒设备定型化，产量大，容易操作，被广泛地应用设备定型化，产量大，容易操作，被广泛地应用于粉末生产中，属于物理法于粉末生产中，属于物理法机械合金化（高速高能球磨）机械合金化（高速高能球磨）n合成法：合成法：通过离子、原子、分子反应，成核、生长、通过离子、原子、分子反应，成核、生长、收集、后处理获得微细颗粒收集、后处理获得微细颗粒纯度高纯度高粒度可控粒度可控均匀性好均匀性好颗粒微细颗粒微细第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第二节 粉体
17、制备技术Preparation technologies of powdern金属粉末的合成方法金属粉末的合成方法还原法还原法雾化法雾化法电解法电解法n化合物粉末的合成方化合物粉末的合成方法法固相法固相法化合反应法化合反应法热分解反应法热分解反应法氧化物还原法氧化物还原法液相法液相法生成沉淀法生成沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法溶剂蒸发法溶剂蒸发法熔液法熔液法气相法气相法蒸发蒸发-凝聚法凝聚法气相化学反应法气相化学反应法第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第三节 粉末冶金成形工艺Powder metallurgyv粉末冶金成型工艺粉末冶金成型工艺n压制成
18、形：压制成形：使用最广泛使用最广泛n粉浆浇注成形粉浆浇注成形n楔形压制楔形压制第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第三节 粉末冶金成形工艺Powder metallurgyv压制成形压制成形n（1 1）物料准备）物料准备粉末分级粉末分级配料混合配料混合混合料湿磨：混合混合料湿磨：混合+研细研细n（2 2）压制工艺）压制工艺称料称料装模装模压制压制脱模脱模第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第三节 粉末冶金成形工艺Powder metallurgyv粉浆浇注成形粉浆浇注成形n将粉末预先制成悬浮状或浆糊状物质将粉末预先制成悬浮状或
19、浆糊状物质,然后注入石膏然后注入石膏模中的成形方法模中的成形方法,叫粉浆浇注叫粉浆浇注.n粉浆的制备粉浆的制备n模具材料模具材料:石膏石膏(200(200度失去结晶水度失去结晶水)n浇注方法浇注方法:手工浇注手工浇注(倾倒浇注倾倒浇注)、压缩空气浇注、压缩空气浇注第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第三节 粉末冶金成形工艺Powder metallurgyv楔形压制成形楔形压制成形n楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模冲，将粉末分段压制而成制品冲，将粉末分段压制而成制品.第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与
20、陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsn浆料成形浆料成形注浆成形注浆成形热压铸成形热压铸成形流延成形：超薄型制品流延成形：超薄型制品n可塑成形可塑成形滚压成形滚压成形塑压成形塑压成形挤压成形挤压成形轧膜成形轧膜成形n压制成形压制成形模压成形模压成形等静压成形等静压成形第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsv（1 1）注浆成形：坯料具有一定液态流动性）注浆成形：坯料具有一定液态流动性n基本注浆方法：空心注
21、浆、实心注浆基本注浆方法：空心注浆、实心注浆n （单面注浆、双面注浆单面注浆、双面注浆）小件、薄壁小件、薄壁外模外模注口注口型芯型芯注浆注浆出气口出气口吸水吸水硬化脱模硬化脱模大件、厚壁大件、厚壁第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsn强化注浆方法：（提高吸浆速度和坯体强度）强化注浆方法：（提高吸浆速度和坯体强度）真空注浆真空注浆离心注浆离心注浆压力注浆压力注浆v（2 2）热压铸成形）热压铸成形n利用石蜡的热流行特点，与坯料配合，是用金属模具在利用石蜡的热流行特点，与坯料配合，是用
22、金属模具在压力下成形，冷凝后坯体能够保持其形状。压力下成形，冷凝后坯体能够保持其形状。蜡浆料蜡浆料的制备：浆坯料加入到以石蜡为主的粘结剂的制备：浆坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中中热压铸热压铸高温排蜡高温排蜡第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsv（3 3）滚压成形）滚压成形n盛放着泥料的石膏模具和滚压头分别绕着自己的轴线以盛放着泥料的石膏模具和滚压头分别绕着自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥
23、料进行滚压成形。近石膏模型，并对泥料进行滚压成形。n坯体质量好坯体质量好n生产效率高生产效率高n日用品陶瓷日用品陶瓷阳滚压阴滚压第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsv（4 4）塑压成形）塑压成形n在模型内常温下压制成坯在模型内常温下压制成坯n抽真空挤压成形，通压缩空气迅速脱模抽真空挤压成形，通压缩空气迅速脱模n各种盘碟类制品各种盘碟类制品n坯体致密度高坯体致密度高n石膏模寿命短石膏模寿命短n多孔树脂膜、金属膜高强模型多孔树脂膜、金属膜高强模型第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶
24、瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsv（5 5）挤压成形）挤压成形n效率高效率高n适合管件、棒状制品适合管件、棒状制品v（6 6）轧膜成形）轧膜成形n厚度厚度1mm1mm以下的薄片制品以下的薄片制品n横向收缩大，易变形和开裂横向收缩大，易变形和开裂第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramicsv（5 5）模压成形）模压成形n将流动性好、颗粒级配合合适的粉料，装入模具内，通将流动性好、颗粒级配合合适的粉料，装入模具
25、内，通过施加外力，使粉料压制成一定形状的坯体。过施加外力，使粉料压制成一定形状的坯体。n液压成形机、自动压片机液压成形机、自动压片机v（6 6）等静压成形（静水压成形）等静压成形（静水压成形）n利用利用液体介质液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性的不可压缩性和均匀传递压力性n先将配好坯料装入用塑料或橡胶做成的弹性模具内，置先将配好坯料装入用塑料或橡胶做成的弹性模具内，置于高压容器内，密封后，打入高压液体介质，压力传递于高压容器内，密封后，打入高压液体介质，压力传递至弹性模具对坯料加压。释放压力取出模具，得到坯件。至弹性模具对坯料加压。释放压力取出模具，得到坯件。n形状复杂、大件、细而长制品形状
26、复杂、大件、细而长制品n成型质量高、成型质量高、密度高而均匀密度高而均匀n模具寿命长、成本低模具寿命长、成本低第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第四节 陶瓷材料成形工艺Forming techniquesof ceramics第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第五节 烧结工艺Sinteringv烧结基本过程烧结基本过程n将成型后的坯体放入烧结炉中，按一定时间将成型后的坯体放入烧结炉中，按一定时间加热加热到烧结到烧结温度，并在烧结温度下温度，并在烧结温度下保温保温若干时间，若干时间，冷却冷却后出炉。后出炉。n烧结温度：烧结温度：金属粉末：金属粉末：Ts=0.3Ts=0.30.4Tm0.4Tm盐类：盐类：Ts=0.57TmTs=0.57Tm硅酸盐：硅酸盐：Ts=0.8Ts=0.80.9Tm0.9Tmn烧结气氛烧结气氛还原气氛还原气氛氧化气氛氧化气氛中性气氛中性气氛第第七七章章 粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷材材料料的的成成形形工工艺艺第五节 烧结工艺Sintering