粉末冶金学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目录,第一章 粉末冶金概述,第二章 粉末体及其制备技术,第三章 成型理论及工艺,第四章 烧结理论及工艺,第五章 粉末冶金材料及制备,第一章 粉末冶金概述,概念,过程,特点,应用及地位,今后的发展,定义,粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制成型，烧结和必要的后续处理来制取金属材料和制品的科学技术。,第一个标志是，二十世纪初，由于电气技术的迅速发展，迫切地寻找各种新的电光源材料。第二个标志是，本世纪三十年代采用粉末冶金工艺制造多孔含油轴承获得成功第三个标志是：粉末冶金新工艺，新材料在近二三十年来，不断向高水平新领域方面开拓,.,粉末冶金工艺的基本工序,1.,原料粉末的制取和准备，粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其他各种化合物。,2,将粉末成型为所需形状的坯块。成型方式有简单的压制、等静压制、轧制、挤压、爆炸成型等。,3,坯块的烧结。烧结在物料主组元熔点以下的温度进行，以使材料和制品具有最终的物理、化学和力学性能。,粉末冶金的特点,1,绝大多数难溶金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。,2,材料的利用率高、生产效率高。因为压坯往往压制成零件的最终尺寸，而不需要或很少需要随后的机械加工。通常用粉末冶金的方法生产制品时，金属的损耗只有,15%,，而用一般熔铸方法时，损耗可能达到,80%,。,3,有可能制取高纯度的材料。因为粉末冶金工艺与熔铸法不同，在材料生产过程中，不会带给材料任何污垢。,4,粉末冶金工艺本身较简单，易操作。,5,粉末冶金制品的大小和形状受到一定限制，烧结零件的韧性较差。因为粉末成型时的模具加工比较困难，而且也受到压制力的限制。,6,对某些产品小批量生产时，成本较高，因为粉末成本高，但为了得到某些独特性能的产品而采用小批量生产也是合算的。,粉末冶金材料的应用,1,机械零件和结构材料,2,多孔材料,3,电工材料,4,工具材料5,粉末磁性材料,6,耐热材料,7,原子能工程材料,8,粉末冶金武器材料,粉末冶金学科优先发展方向,（,1,）发展粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。重点是超细粉末和纳米粉的制备技术，快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术，机械合金化技术，自蔓延高温合成技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。,（,2,）建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模拟理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。,（,3,）建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。如热等静压、拟热等静压、烧结热等静压、微波烧结、高能成形等。,（,4,）粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的孔隙特性、界面问题及强韧化机理的研究。,第二章 粉体性能及制备技术,2-1,粉体的概念,2-2,粉体的性能指标,2-3,粉体的制备,物理化学法,:,还原法,电解法,机械法,:,雾化法,机械粉碎法,2-1,粉末体的概念,固体材料,:,致密体,(,1mm,),粉末体,胶体,(,3,的球磨机。,球磨机的转速：研磨较细的物料时：采用,0.6n,临界,若物料较粗，性脆，选用,0.7-0.75n,临界。,球的直径：其选择范围是：,d(1/181/24)D,。,装球量：装球体积与球筒体积之比，叫做装填子数。一般球磨机的装填子书为,0.40.5,为宜。,装料量：一般在球体的装填子数为,0.4-0.5,时，装料量应该以填满球之间的空隙，稍掩盖住球体表面积为原则，为方便起见，取装料量为球筒容积的,20%,。,研磨介质：物料除在空气介质中干磨外，还可以在液体中（如水、酒精、汽油、丙酮等）进行湿磨，一是为了加强粉碎作用，或者作为一种保护介质。,研磨时间：研磨时间决定于物料的种类以及所有上述因素。通常研磨时间最多不超过,100,小时，实际中根据经验确定。,高能球磨机,(a),球磨机外形,(b),球磨机内部结构,图,Simoloyer01-2L,卧式高能球磨机,球磨机,各种混料机或球磨机,各种混料机或球磨机,第三章 压制成型技术,3-1压制成型过程,3-2,压制成型原理,3-3,压制成型工艺,3-4,压制成型方法,成型,:,指将松散的粉末加工成具有一定形状,一 定尺寸和一定密度和强度的坯快,.,模压概述,对压模中的粉末施加压力后，粉末颗粒间将发生相对移动，粉末颗粒将填充孔隙，使粉末体的体积减小，粉末颗粒迅速达到最紧密的堆积，直到达到所要求的密度。随着压制压力的继续增大，当压力达到和超过粉末颗粒的强度极限，粉末颗粒发生塑性变形。,压制模具,3-1,粉末压制过程,粉末在松装堆积时，由于颗粒形状和表面不规则，颗粒间相互搭接而形成拱桥现象。受压时拱桥被破坏，粉末颗粒发生位移，填充孔隙，体积减小。继续加压，粉末不但产生位移，并且主要产生了变形（弹性变形、塑性变形和脆性断裂）,金属粉末压制示意图,拱桥效应,由于粉末颗粒在自由堆积时的搭接,造成比颗粒大很多倍的大孔现象。,压制过程及压坯密度分布,单向压制过程及压坯密度延高度的分布,双向压制过程及压坯密度延高度的分布,带浮动凹模的双向压制过程示意图,粉末压制过程中压坯密度的变化,对装于压模中的松装粉末加压时，压坯的相对密度（压坯密度,/,相同成分致密金属的密度）发生如图规律性变化：,阶段,（曲线,a,），,施加压力后，拱桥破坏，,颗粒位移，填充孔隙，并,达到最大充填密度。结果，,压坯体积减小，密度迅速,增加。,阶段,（曲线,b,），压坯经,过第一阶段压缩后，密度已,达一定值。这时粉末体出现,了一定的压缩阻力，此时压力虽然继续增加，但是压坯密度增加很少，这是因为此时粉末颗粒的位移已大大减小，而其大量的变形却未开始。,阶段,（曲线,c,），当压力继续增大，超过粉末材料的临界应力值（屈服极限或强度极限）时，粉末颗粒开始变形或断裂。由于位移和变形同时起作用。因此，压坯密度又随之增大。,粉末压制过程所受的力,粉末体在压模内的受力过程，在某种程度上表现出与液体相似的性质，力图向各个方向流动，这就引起对压模模壁的压力，称之为,侧压力,(,P,侧,=P,压，,为侧压系数，,=/,（,1-,），,为泊松比,),。,由于侧压力的作用，压模内靠近模壁的外层粉末与模壁之间产生,摩擦力,（,F,摩,=P,侧,S,，,为粉末与模壁的摩擦系数，,S,为粉末与模壁的接触面积），这种摩擦力的出现会使压坯在高度方向上存在明显的压力降。（导致压坯各部分粉末致密化不均匀）,压制过程中，粉末颗粒要经受着各个不同程度的弹性变形和塑性变形，在压坯内聚集了很大的内应力。当去除压力后压坯由于这些应力的作用会力图膨胀。把压坯脱出压模后，压坯发生膨胀的这种现象称之为,弹性后效,（,=L-L0/L0,）,。,压坯在压模中，当去除压力后，压坯仍会紧紧地固定在压模内。为了从压模中取出压坯，还需要施加一定的压力，这个压力为,脱模压力,（,一般为压制压力的,10%30%,）,。,压坯受力分析示意图,F,净,=F,压,P,损,P,侧,P,侧,P,压,F,摩,P,侧,P,侧,压制成型方程,汪克尔,巴尔申,黄培云,相对体积，,P,压制压力，,L,压制系数，,M,相当于压制模数，,m,相当于硬化指数的倒数，,压坯强度,1,观点,机械啮合力：取决于粉末颗粒表面的凹凸不平所构成的楔住 和勾连。,原子间的结合力：粉末颗粒表面原子靠近到一定距离后，原 子之间便产生引力，依靠这种引力的作用，使压坯具有一定强度。,2,测定,压坯抗弯强度试验法：试样规格,12.76.3531.75mm,bb,=3PL/2bh,2,(kg/mm,2,),压坯边角稳定性转鼓试验法：试样规格,12.76.35mm,条件,14,目的网筒,以,87,转,/,分的速度转动,1000,转,.,S=(A-B)/A100%(,重量损失率,),3-2,压制工艺,压制前的准备,:,退火、筛分、混合、加成型 剂、制粒等,压制工艺过程,称料,装料,压制,脱模,压制工艺参数,:,加压速度,保压时间,压制前的准备,退火,目的：为了提高粉末的塑性和改善压制性。,作用：降低杂质含量、消除加工硬化。,退火温度的确定：,T,退,=,（,0.50.6,）,T,熔,，一般用还原性气氛。,混合,：指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。有时，为了 需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这称为合批。,方法,:,机械法,(,干混,湿混,),化学法：是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合，或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥、还原等处理而得到均匀分布的混合物。,影响因素：组元的颗粒大小和形状、比重、所用介质的特性、混合设备的种类和混合工艺（如装料量、球料比、时间和转速等）。,检验：检验工艺性能，并进行化学分析。,筛分,目的：把颗粒大小不同的原始粉末进行分级，而使粉末能够按照颗粒大小分成 大小范围更窄的若干等级。,方法：用标准筛网制成的筛子或振动筛来筛分。,制粒：,是将小颗粒制成大颗粒或团粒的工序。,目的：改善流动性。,方法：圆筒制粒机、圆盘制粒机、擦筛机。,添加成型剂,成型剂,(,润滑剂、粘结剂,),是指有利粉末压制生坯过程的添加剂,使用成型剂，目的在于促进粉末颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制压力。另外还可使粉尘飘扬现象得到控制，改善工作环境。,种类,：硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉、机油、合成橡胶、石蜡、松香、淀粉、甘油、樟脑、油酸。,选择,的原则：,（,1,）具有适当的粘性和良好的润滑性且易于和粉末均匀混合；,（,2,）与粉末物料不发生化学反应，预烧或烧结时易排除，并且不残留有害物质，所放出的气体对环境、设备不能有损害作用。,（,3,）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大，除特殊情况外，其软化点应当高，以防止由于混料过程中温度升高而软化。,（,4,）烧结后对产品性能和外观等没有影响。,压制工艺过程,1,、,称料,容积法：利用阴模型腔的容积确定装料量。,Q=Vd,松,重量法：用于贵金属或手工操作。,Q=Vd,致,（,1-,）,K,（,K=1.05,）,2,、,装料,对压坯的尺寸、密度的均匀性、同心度和掉边掉角等有直接影响。,手工装料,自动装料：落入法装料、吸入法装料、多余装料法、零腔装料法、超满 装料法、不满装料法,3,、,压制,压制行程：等于粉末在阴模中松装高度和压坯高度之差。,行程控制：压机上设高度限位块、油缸活塞调整、模柱限位、控制油压 机压力。,压制方式：单向压制、双向压制、浮动压制、带摩擦芯杆的压制。,4,、,脱模,脱模压力：,F=,静,P,侧剩,S,侧一般为压制压力的,10%30%,3-3,压制废品分析,1,、分层,：沿压坯的棱出现的，并大约与受压面呈,45,角的整齐界面。,原因是粉末颗粒之间的破坏力大于粉末颗粒之间的结合力。分层主要是压制压力过高引起的。,2,、裂纹,：与分层不同，裂纹一般是不规则的，并无整体的界面，但却同样出现在应力集中的部位，而且本质相同，都是弹性后效的结果。,裂纹与分层的区别：,第一，裂纹出现的部位很不一致，它可能在棱角出现，也可能在其他部位出现。,第二，裂纹出现时没有严格的方向性，它可以是纵向的，也可是横向的，甚至是任意方向的。,第三，裂纹可以是明显的，也可是显微的，甚至是隐裂纹，若不做破坏实验，往往不易发现。,3,、未压好：,由于压坯内孔尺寸太大，在烧结过程中不能完全消失，使合金内残留较多的特殊孔洞的现象。,产生原因是：料粒过硬、料粒过粗、料粒分布不均、压制压力低。,4,、掉边掉角,：主要是压坯强度和密度不够、或操作不慎造成的。,另外，还有压坯表面拉毛、压坯尺寸误差或单重不准、压坯强度不够、压坯密度严重分布不均等缺陷。,压制废品图示,裂纹,分层,拉毛,掉边,掉角,密度分布不均,单重不准,3-4,压制成型方法,压力机法,离心成型法,:,利用把粉末装入模具并安装在高速旋转体上由中心向外侧的离心力进行成型的方法。,挤压成型,:,把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合（成糊状），用适当的模具在常温（或高温）下加上压力进行挤压，经过干燥、固化和烧结便可制成产品。,等静压成型,:,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器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模具内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而达到密度分布均匀和较高强度的压坯。,三向压制成型技术,:,用像干袋等静压一样的工具，借助活塞把比侧限压力更大的压力加载到上下顶盖，这一总的压力状态在成型坯内产生了剪切应力，从而使成型坯得到更高的密度和强度。,粉末轧制法,:,将金属粉末由料斗直接装入特殊的轧辊轧制成板带，接着连续通过预烧炉，再继续通过第二组轧辊、热处理炉和第三组轧辊等多次通过炉子和轧辊，最后加工成金属带材的方法粉浆浇注法,:,先将细粉末分散在液体中，制成稳定的悬浮状态（即粉浆），将其注入吸收液体强的例如用石膏制成的模具里并浇注成一定形状。借助毛细管现象只将粉浆中的液体吸收到模具材料中，剩下的粉末固化后即可送到下面的烧结工序。,粉末热锻技术,:,是把金属粉末压制成一预成型坯，并在保护气氛中进行预烧结，使其具有一定的强度，然后，将预成型坯加热到锻造温度保温后，迅速移到热锻模腔里进行锻打。,高能成型法（爆炸成型法）,金属注射成形,(Metal Injection Molding,MIM),定义,:,是一种将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法。它是先将所选粉末与粘结剂进行混合，然后将混合料进行制粒再注射成形所需要的形状。聚合物将其粘性流动的特征赋予混合料，而有助于成形、模腔填充和粉末装填的均匀性。成形以后排除粘结剂，再对脱脂坯进行烧结。,设备,:1-,合模装置,2-,注射装置,3-,机架,流延法成形,成型方式,三向压制,等静压制,粉末轧制工艺流程,粉末轧制,楔形,(,循环,),压制,注浆成型,空心注浆法,实心注浆法,挤压成型,1-,活塞；,2,挤压筒；,3,物料；,4,型环；,5,型芯；,6,挤嘴,离心成型,油压机,智能冷等静压机,等静压机,各种成型设备,油压机,挤压机,各种成型设备,轧制机,流延,粉浆浇铸,小结,粉末成型理论,粉末成型工艺,存在问题及今后的发展？,第四章 粉末冶金模具设计,4-1,模具概述,4-2,粉末冶金,模具分类,4-3,粉末冶金零件,压坯类型,4-4,模具设计的内容及步骤,4-5,等高制品成型模结构设计原理,4-6,不等高制品成型模结构设计原理,4-7,模具零件的尺寸计算及制备,4-8,典型模具结构及压模零件尺寸计算,模具示意图,模架示意图,4-1,粉末冶金模具分类,几种常见压坯示意图,4-2,模具设计的内容及步骤,1.,设计前搜集有关数据和资料,使用粉末的松装密度和流动性,：松装密度直接决定模具的高度，流动性的好坏影响自动下料的时间。,压件单重、单位压力、密度,：因不同成分、不同粒度组成、不同单重的粉末，采用不同的单位压力，压件的密度会不同。,弹性后效和烧结收缩率,：需注意的是粉末性能参数、混合工艺、压件单重、压制速度、保压时间等都影响弹性后效。,对一些烧结后需要整形的零件或复压复烧等零件，还需了解和掌握,整形余量和复压量、复烧量,等。,此外，还需了解产品技术要求、产量大小、压制设备的压力、工作台尺寸、行程高度、速度、和自动化程度等。,2.,根据制品图纸确定压坯基本形状、选择压机和压制方式,对于用户提出的制品形状，有些必须作以修改，避免出现脆弱的尖角、局部薄壁、锥面和斜面需有一段平直带、需要有脱模锥角或圆角、改变退刀槽方向、适应压制方向的需要。,3.,压模结构及压制方式确定,在压坯形状确定后，要根据压坯的形状、高度和直径的比值，生产批量，压机特点来选择压制方式和压模结构类型。,当,H/D1,或,H/3,时，采用单向压制和单向压模,当,H/D1,或,H/3,时，采用双向压制和双向压模,当,H/D4,，采用带摩擦芯杆的压制和压模,4.,压模零件的尺寸计算,当压模结构确定后要根据产品尺寸、精度、公差和压坯在压制时的膨胀量、烧结时的收缩量、整形量、复压复烧量等，计算压坯的几何尺寸，然后再计算模具各零件的设计尺寸。,5.,模具强度和刚度设计与校核,模具的强度和刚度，不仅关系到操作安全，而且直接影响坯件的精度和生产成本。不同用途的模具以及模腔形状不同的模具，其强度计算方法也不同。,6.,绘制模具装配图和零件图,包括总装配图、零件图，图中应标注尺寸、公差和形位公差等加工要求。,4-3,等高制品成型模结构设计原理,特点,:,粉末在压制过程中没有侧向运动，粉末的运动规律为直线压缩。,设计原理,:,(,1),压制无内孔的制品，成型模的型腔截面形状应与制品的截面形状完全相同，冲头的截面形状也应与制品的截面形状相同。,(2),压制有内孔的制品时，成型模的内腔截面轮廓线应与制品截面轮廓线相同，但冲头的截面形状应与制品截面形状相同（不包括芯杆）。,等高制品是指沿压制方向压坯的截面形状不变，压坯的高度相等的制品,不等高制品成型模结构设计,1,、粉末填装系数,(k),相同或相近,压坯各横截面上的粉末填装系数相同,粉末填装系数,k=,装粉高度,H,粉,/,该截面上的压坯高度,h,压,压制过程粉末体只产生柱式流动和几乎不产生横向流动的特点,实际中先受压缩或受压缩程度大的横截面上的粉末填装系数大一些。,2,、压缩比相同或相近,压坯各横截面上的粉末得到相同或相近的压缩比,为保证压坯各横截面上的粉末得到相同或相近的压缩比，要求各个模冲的移动距离不同，即,L=H,粉,-h,坯,=,（,K-1,）,H,粉,/K,。,不等高制品的模冲应设计成组合模冲。,3,、压制速率相同,单位时间内粉末被压缩的体积与原粉末体积的比相等,保证压坯密度分布均匀和防止裂纹产生,(,在压制的最后瞬间，压坯横截面变化处的粉末横向流动，形成滑移面，导致产生裂纹,)不等高压坯模具设计的,基本原则,是沿不等高分界线将冲头分型和在压制时采用压制速率相等的压制法。,压制不等高压坯的,特点,，先压缩装粉高度较大的粉末区，待压到与低区冲头相同高度时再同时压缩整个压坯能够减小粉末的横向流动。或者利用非同时双向压制方式，在压坯等高端进行后压，由于后压时各横截面上粉末的压制速率和压制速度都相等，可以使相邻区域的压坯平均密度相同，防止横截面变化分界处产生裂纹。,不等高制品成型模说明,4-4,模具零件的尺寸计算,压模尺寸计算涉及的,几个基本参数,：,1,压缩比（,K,）：指粉末压缩前与压缩后的体积比。,2,压坯的弹性后效（,t,）：用压坯径向或轴向的膨胀量同膨胀前压坯的径向或轴向尺寸的百分比来表示。,3,烧结收缩率（,s,）：用压坯在烧结过程中的线性收缩量与烧结前压坯尺寸的百分比来表示。,4,精整余量（,Z,）：在设计压模尺寸时留有适当的精整余量，通过在精整过程中压坯产生的少量塑性变形，来消除烧结过程中引起的变形，提高表面光洁度和尺寸精度。,5,机加工余量（,J,）：是为了满足产品尺寸精度和表面光洁度的要求而增加的磨削辅助机械加工的加工余量。机加工余量不宜留的太大，也不宜太小。一般车削加工取,11.5,毫米，磨削加工取,0.050.08,毫米。,6,复压装模间隙（,b,）：如进一步提高产品密度，以获得更高的机械物理性能。以便复压时压坯能顺利放入模腔。装模间隙的大小应根据压坯尺寸大小合理选择，一般为,0.10.2,毫米。,7,复压压下率（,f,）：用复压压下量与复烧前烧结坯的高度的百分比表示,。,具体的计算方法,如下,:,1,阴模高度的计算,：阴模高度应满足粉末容量和模冲定位的需要。,H,阴,=H,粉,（,=Kh,坯,）,+h,上,+h,下,h,坯,=h,0,（,1-t,轴,+s,轴,）,+h,0,（,1-t,轴,+s,轴,）,f,2,芯杆长度的确定,：原则取与阴模高度一样或略短一点。过长加工麻烦，精度难 保证，过短引起夹粉，磨损芯杆。,3,模冲高度的确定,：应考虑模冲的安装、定位、装粉高度的调节，以及脱模移动的距离等因素。下模冲一般取,1020毫米,上模冲原则上要将压坯从阴模中压出,即其高度大于等于阴模高度,.,4,阴模内径的计算,：阴模的内径应根据压坯的外径要求进行确定。,D=D,0,（,1-t,径,+s,径,）,+,J,径,+,Z,径,-,b,D,0,产品外径（基本尺寸,+,上下偏差的平均值）,5,芯杆外径的确定,：根据压坯内孔尺寸的要求确定。,d=d,0,（,1-t,径,+s,径,）,-,J,内孔,(,Z,内孔,)+,b,内孔,6,模冲内外径的确定,：是按照与之配合的芯杆外径和阴模内径来确定的。一般将模冲与阴模之间的配合间隙按,H8/f7,或,H7/g6,的配合公差来选取，而将模冲与芯杆之间的配合间隙按,G7/h6,或,F5/h6,的配合公差来选取。（通常间隙在,0.010.03,毫米）。,7,阴模外径的计算,：粉末冶金压模在压制时，阴模承受较大的侧向压强（,P,侧,=,P,），这样就会产生应力和应变。在设计模具时，应根据所受的侧压强来验算阴模的强度和刚性。,e,求出装配时的单边过盈量,r,中,f,求出热装时所需要的温度,t,（,1,）如果为单层圆筒阴模,阴模外半径与内半径之比,m,（,=R/r,）,（,2,）如果为双层套筒阴模,a,根据已知的,，,P,侧及,值，求出单层模时所需的,m,值，即,b,利用,m,单值确定由单层模改为双层模后的修正系数,K,。,c,计算组合模所需的,m,值，并得出,R,，,r,，,r,中,d,求预紧压强,P,预，主要来自阴模和模套的过盈配合,e,求出装配时的单边过盈量,r,中,f,求出热装时所需要的温度,t,4-5,模具材料的选择与制备,1,模具材料选用的基本原则,（,1,）批量大时，用耐磨性好的材料，如高速钢（,W18Cr4V,，,W12Cr4V4Mo,）或硬质合金（,YG15,，,YG8,），批量小或试制产品，则用廉价的碳素工具钢（,T10A,，,T12A,）。,（,2,）形状复杂的产品，用易加工并热处理变形小的合金工具钢（,GCr15,，,Cr12MoV,，,9CrSi,，,CrWMn,）较合适。,（,3,）对于软金属粉末，如铜，青铜，铅，锡等，宜用碳素工具钢或合金工具钢，对于硬金属粉末，如钢、钨、钼、摩擦材料及硬质合金等，宜用硬质合金模。,（,4,）高密度压件宜用耐磨性好的材料。,（,5,）整形模和高精度的压件的模具，宜用耐磨性好的材料，尽可能用硬质合金模。,（,6,）对模具工作时不起重要作用的零件，如垫铁、脱模器、顶出杆、装粉垫和限位垫铁等零件，选用一般钢，如,45#,，,A3,或,40Cr,等。,2,模具主要零件的加工,机械切削加工，电加工和热处理,(,见图,),。,常见的模具加工设备,(1),平面磨床,内外圆磨床,多功能磨床,数控车床,常见的模具加工设备,(2),数控线切割,电火花加工机床,数控加工中心,万能铣床,4-6,典型模具结构及压模零件尺寸计算,制品密度为,5.86.2g/cm,2,，所用粉末的松装密度,2.5g/cm,3,，压坯的轴向弹性后效为,1.0%,，轴向烧结收缩率为,1.5%,，两端面机加工余量各,0.5mm,，,压坯的径向弹性后效为,0.2%,，径向烧结收缩率,0.8%,，压坯不留精整余量。,(1),阴模高度,：,H,阴,=Kh,坯,+h,上,+h,下,设下模冲定位高度为,15mm,，上模冲压缩前伸进阴模深度为,7mm,。,压缩比,K=d,坯,/d,松,=6.0/2.5=2.4(,取压坯密度为,6.0g/cm,3,),为了弥补成型主体时少量粉末的侧向移动，主体粉末要稍多装一点粉末 ，故取主体部分的 装填系数（或压缩比为,2.5,。,H,阴,=kh,0,（,1-t,轴,+s,轴,）,+h,上,+h,下,+,J=99.88,取,100(mm),(2),阴模内台阶深度,：由结构知根据发兰所需装粉高度和下模冲定位高度确定。,H,台阶,=kh,发兰,+h,下,+,J=kh,发兰,（,1-t,轴,+s,轴,）,+h,下,+,J=28.27,取,28mm,(3),下模冲高度,：等于阴模内台阶深度减去压坯发兰的高度，即,H,下,=H,台阶,-h,发兰,=H,台阶,-h,发兰,（,1-t,轴,+s,轴,）,+0.5=28-5.33=22.47mm,(4),装粉垫高度,：即由松装粉末高度移至压坯高度,(,即所移动的距离,)装粉高度,(,指发兰,)kh,发兰,=kh,发兰,（,1-t,轴,+s,轴,）,=13.27mm,装粉垫高度：,13.27-5.53=7.74,取,8mm,(5),芯杆长度,：芯杆长度应等于或小于阴模与装粉垫的总高度。,L,芯,=H,阴,+H,装粉垫,=100+8=108mm,(6),上模冲高度,：上模冲要兼作脱模杆的作用。其高度应大于或等于阴模上端面至内台阶的距离，即阴模总高与阴模内台阶的深度之差。,100-28=72mm,(7),垫块高度,：垫块高度应保证压坯的高度尺寸，它等于上下模冲及压坯总高减去阴模高度。,H,上,+H,下,+H,坯,=H,垫块,+H,阴,H,垫块,=72+31.5+22-47-100=25.62mm,(8),脱模座高度,：保证脱模时能方便地取出制品,.,这里取,90mm,。,(9),阴模内径,：,阴模台阶上部内径,=19.97(1-0.2%+0.8%)=20.09mm,阴模台阶下部内径,=29.90(1-0.2%+0.8%)=30.08mm,(10),上下模冲外径,：分别按,H8/f7,和,H7/g6,的配合间隙选取。,上模冲外径取,20.09,-0.020,-0.041,下模冲外径取,30.08,-0.009,-0.025,(11),芯杆外径：,假设内孔精整余量为,0.08mm,。,D,芯,=d0(1-t,径,+s,径,)-Z=10.02-(1-02%+0.8%)-0.08=10.00mm,(12),上下模冲内径,：按,G7/h6,的配合间隙选取。,上模冲内径取,10,+0.020,-0.005,下模冲内径取,10,+0.020,-0.005,(13),阴模的外径及中径,：对铁基制品,设单位压制压力为,7,吨,/,厘米,2,侧压系数,取,0.38,因相对密度,=d,坯,/d,致密,=6.2/7.8=0.795=80%,P,侧,=P=0.38x0.8x70=21.28kg/mm2,假如隐模材料选用,GCr15,安全系数,n=2.7,抗拉强度,b,=100kg/mm,2,=0.3,则,=b/n=100/2.7=37 kg/mm,2,实际模具图,小结,模具设计程序,粉末冶金钢压模的快速设计,模具材料的选择及制备,怎么提高模具的寿命？,第五章 烧结理论及方法,5-1,烧结机构,热力学,:,为什么能粘结到一块,动力学,:,物质的迁移,5-2,固相烧结,5-3,液相烧结,5-4,烧结气氛,5-5,烧结工艺,5-6,烧结废品分析,5-7,烧结方法,5-8,烧结体的性能及其检测,5-1,烧结概况,烧结的概念,粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的加热处理，借颗粒间的联结以提高强度。,烧结的分类,烧结理论的发展,无限固溶系：如,Cu-Ni,Fe-Ni.,有限固溶系：如,Fe-C,Fe-Cu.,互不固溶系：如,Ag-W,Cu-W.,单元系烧结纯金属或化合物在其熔点以下的温度进行的固相烧结,。,多元系液相烧结,液相存在烧结过程的始终：如,WC-CO,液相在保温后期消失：如,Cu-Sn.,溶浸：液相烧结的特殊情况,。,多元系固相烧结,多元系烧结,(,由两种或两种以上的组元构成的烧结体系,),烧结理论,1,1929,年，德国绍百尔德进认为晶粒开始长大的温度大约在,3/4,绝对熔点，与压制压力根本无关。,2,巴尔申和特吉毕亚托斯基认为压制时发生的加工硬化所引起的再结晶可以促进烧结。但是我们知道，压制并不是粉末烧结的必须条件，松装粉末也可以发生烧结。,3,1937,琼斯认为：物质本身的凝聚力是粉末烧结的动力，压制只是增加了颗粒间的接触面积具有使烧结容易进行的效果。,4,达维尔认为由于粉末颗粒表面存在无序或不规则运动状态而引起原子的迁移。,5,1942,年许提格利用物理化学的研究手段测定了烧结温度对电动势、溶解度、吸附能力、密度、显微组织、力学性能等的影响，发现烧结过程十分复杂。,6,1945,年弗兰克尔提出烧结的物质迁移是由表面张力所引起的粘性流动所造成的。,7,1949,年库钦基用实验证实烧结时对物质迁移机构主要是以空位为媒介的体积扩散。,8,六十年代，才开始大量的研究，复杂的烧结过程和机构。,9,1971,年萨姆利诺夫开始以电子理论为基础来研究烧结的物理本质。,烧结的基本过程之一,粘结阶段,烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，即通过成核、结晶长大等原子过程形成烧结颈。此阶段内，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增加也极微。但是烧结体强度和导电性由于颗粒结合面增大而又明显增加。,烧结颈长大阶段,原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络，同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体收缩，密度和强度增加是这个阶段的主要特征,。,烧结的基本过程之二,烧结的基本过程之三,封闭孔隙球化和缩小阶段,当烧结体密度达到,90%,以后，多数孔隙被完全分隔。闭孔数量大多增加，孔隙形状接近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段虽可延续很长时间，但仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。,烧结过程,镍粉的烧结过程,WCu,混合粉烧结前后,5-2,烧结的原动力或热力学,烧结是粉末体特有的现象。特别是细粉，只要不氧化甚至在室温长时间的放置都会有粘结或结块的倾向。粉末的这种自发变化，从热力学关系来看，是因为粉末比同一物质的块状材料具有多余的能量，所以它的稳定性较差。这种多余的能量，就是烧结过程的原动力。,粉末的表面能：,晶格缺陷所储存的能量（畸变能）：,烧结过程中物质迁移的方式,粘性流动,蒸发凝聚,体积扩散,表面扩散,晶界扩散,塑性流动,式中：,m,，,n,常数,与温度有关的常数,两球模型,(1),粘性流动,颗粒中心距离不发生变化，只有表面,物质的迁移，填充到接触颈部。颗粒,中心距离减小，而且发生收缩。,（,2,）蒸发凝聚,两个粉末颗粒相接触时，在颗粒外表面,和接触颈部的曲率半径是不同，必然存,在蒸汽压差别。这样物质就可能由接触,点以外的表面蒸发在接触点处凝聚迁移。,（,3,）体积扩散,在粉末的烧结中，空位及扩散起着重要的作用。作为扩散空位“源”的有烧结表面，小孔隙表面，凹面及位错。而存在吸收空位“阱”的有晶界，平面凸面，大孔隙表面，位错。在接触颈部的空位浓度高于平衡浓度，远离接触颈部的空位浓度低于平衡浓度。因此在凹凸两个表面之间存在着空位浓度差就构成了物质迁移的动力，使之颈部长大，孔隙变圆和收缩。,（,4,）表面扩散,不管把金属表面研磨的如何平整光滑，它仍保持着极大的凹凸不平，即使能够做成在物理上没有畸变的表面，其原子也是呈阶梯状排列的。所以表面原子很容易发生移动和扩散。,对金属粉末，其颗粒表面更是凹凸不平。所以烧结过程中颗粒的相互联结，首先是在颗粒表面上进行的。,（,5,）晶界扩散,晶界对烧结的重要性有：烧结时，在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界，特别是细粉末烧结后形成许多网状晶界与孔隙互相交错，使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易通过邻接的晶界进行扩散或被吸收。晶界扩散的激活能比体积扩散的小,1/2,，而扩散系数大,1000,倍。6,）塑性流动,烧结颈形成和长大可看成是金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形的结果。,5-3,固相烧结,定义,:,烧结过程中不出现液相,.,是烧结时在不同 组分的颗粒间发生扩散与合金均匀化的过程,.,颗粒间扩散过程,原子半径,温度,浓度,溶解度,添加其它组元等,.,合金均匀化过程,烧结温度,时间,粉末粒度,压坯密度,原料,杂质等,扩散规律,原子半径相差越大,或在元素周期表中相距越远的元素,互扩散速度越大,.,间隙式固溶的原子比替换式固溶的扩散速度大,.,温度相同或浓度差别不大时,在体心立方点阵相中的原子比在面心立方点阵相中扩散速度快,.,在金属中溶解度最小组元,具有最大的扩散速度,.,添加第三组元可显著改变二组元的相互扩散速度,.,由于组元的互扩散系数不相等,产生柯肯德尔效应,.,柯肯达尔,(KIrkendall),效应,如下面两张图片：“近朱者赤，近墨者黑”可以作为固态物质中一种扩散现象的描述。为了进一步证实固态扩散的存在，可作下述试验：把,Cu,，,Ni,两根金属棒对焊在一起，在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志然后加热到高温并保温很长时间后，令人惊异的事情发生了：作为界面标志的钨丝向纯,Ni,一侧移动了一段距离。经分析，界面的左侧（,Cu,）也含有,Ni,原子，而界面的右侧（,Ni,）也含有,Cu,原子，但是左侧,Ni,的浓度大于右侧,Cu,的浓度，这表明，,Ni,向左侧扩散过来的原子数目大于,Cu,向右侧扩散过来的原子数目。过剩的,Ni,原子将使左侧的点阵膨胀，而右边原子减少的地方将发生点阵收缩，其结果必然导致界面向右漂移。,影响合金均匀化因素,烧结温度,:,因原子互扩散系数随温度升高显著增大,.,烧结时间,:,时间越长,扩散越充分,合金化程度越高,.,粉末粒度,:,合金化速度随粒度减小而增加,.,压坯密度,:,增大压制压力,使粉末颗粒间接触面增大,扩散界面增大,加快合金化进程,但作用有限,.,粉末原料,:,采用一定量的预合金粉或复合粉会使扩散路程缩短,减少原子的迁移数量,.,杂质,:,杂质存在一般会阻碍合金化,.,5-4,液相烧结,定义,:,烧结过程中一直保持固相的难熔组分的颗粒 和提供液相的黏结相构成,.,液相烧结满足的条件,:,润湿性,溶解度,液相数量,液相烧结过程及机构,液相流动与颗粒重排阶段,固相溶解和再析出阶段,骨架烧结阶段,液相烧结满足的条件,润湿性,:,由固相液相的表面张力,s,L,以及两相的界面张力,SL,所决定,.,90,液相才能渗入颗粒的微孔和裂隙甚至晶粒间界,.,影响因素,:,温度与时间,表面活性物质,粉末表面状态,气氛,.,溶解度,:,固相有限溶解于液相可改善润湿性,.,但过大不利烧结,.,液相数量,:,液相量一般不超过烧结体体积的,35%,为宜,.,多不能 保证产品形状和尺寸,少烧结体内会残留一部分不被液相填充的小孔sg,-,sl,=,lg,cos,此式称为润湿方程，是,T.Young,在,1805,年提出来的。,液相烧结过程及机构,颗粒重排机构,:,液相流动使颗粒重新排列以获得最紧密的堆砌和最小的孔隙总表面积,.,溶解,-,再析出机构,:,因颗粒大小不同,表面形状不规整,各部位的曲率不同造成在液相中的饱和溶解度不相等,引起颗粒之间或颗粒不同部位之间的物质通过液相迁移时,小颗粒减小或消失,大颗粒更加长大,.,固架烧结机构,:,颗粒之间靠拢,使颗粒彼此黏合,剩余液相填充于固相骨架的间隙,.,5-5,烧结气氛,气氛的作用,:,(1),防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应。如氧化、脱碳等，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定。,(2),排除有害杂质，如吸附气体，避免氧化物或内部夹杂。,(3),维持或改变烧结材料中的有用成分，这些成分常常能与烧结金属生成合金或活化烧结过程。例如烧结钢的碳控制、渗碳和预氧化烧结等。,烧结气氛的类型,:,(1),氧化气氛：包括纯氧、空气和水蒸汽。可用于贵金属的烧结，氧化物弥散强化材料的内氧化烧结、铁和铜基零件的预氧化烧结。,(2),还原气氛：如纯氧、分解氨、煤气、碳氢化合物的转化气。,(3),惰性或中性气体：包括活性金属、高纯金属烧结用的,N2,、,Ar,、,He,以及真空。,CO2,或水蒸汽对铜合金的烧结也属中性气氛。,(4),渗碳气氛：,CO,、,CH4,以及其