1、 粉末冶金原理粉末冶金原理( () ) 曹 顺 华 粉末冶金研究院粉体材料系导 论 1 1 课程的任务和意义课程的任务和意义 粉末冶金材料加工的两个基本过程 金属粉末金属粉末 小部分直接应用小部分直接应用 隐形涂料隐形涂料 Fe,NiFe,Ni及其合金纳米粉末及其合金纳米粉末 食品医药食品医药 超细铁粉超细铁粉 涂料涂料 汽车用汽车用Al粉粉, 变压器用超细铜粉变压器用超细铜粉 化工合成化工合成 铁粉铁粉 自发热材料自发热材料(取暖和野外食品自热取暖和野外食品自热) 超细超细Fe粉粉 固体火箭发动机燃料固体火箭发动机燃料 超细超细Al, Mg粉等粉等 金刚石合成粉末触媒金刚石合成粉末触媒 Fe
2、-Ni合金粉末合金粉末 电子焊料电子焊料(solder) 电子封装用电子封装用Cu,Ag合金粉末合金粉末 太阳能电池微细铝粉末太阳能电池微细铝粉末 高性能电路保护器高性能电路保护器 PTC中超细金属中超细金属Ni, Fe粉粉 焊料焊料 细铁粉细铁粉 军用含能材料：纳米军用含能材料：纳米Al+Fe2O3 绝大多数用于工程结构中部件的制造原料绝大多数用于工程结构中部件的制造原料 加工成块体材料或部件 (粉末冶金制品) 经过成形成形和烧结烧结操作 Powder mixtures(Metal or Metal+ceramic powders) Pressing+SinteringPressing+Si
3、ntering sintered parts or sintered materials 成形和烧结控制着粉末冶金材料及其部件的微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观结构与性能 主宰着粉末冶金材料及其部件的应用主宰着粉末冶金材料及其部件的应用2 2 课程对象课程对象 研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学（Engineering Science）问题 研究粉末成形与烧结过程中的工程科学研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题问题 材料设计的概念材料设计的概念 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
4、数与材料微研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系观结构及部件几何性能间的关系3 粉末冶金技术的主要特点粉末冶金技术的主要特点 What is Powder Metallurgy？ 利用金属粉末或及其与化合物粉末的混合物为原料，经过成形和烧结操作，制取金属材料及其复合材料制品或零部件的加工方法 冶金方法冶金方法 零件制造技术零件制造技术 1）经济性：低成本 材料冶金与零件制造有机地结合在一起 直接制造零部件 A 短流程、低能耗、高材料利用率 B 生产效率高 制造过程高度自动化 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(
5、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 2)粉末冶金 铁精矿粉末(总铁大于总铁大于71.5%,SiO71.5%,SiO2 2小于小于0.3%)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 主要工序：前者15个以上 后者8个 高温工序：前者8个以上 后者3个 前者材料利用率约为40% PM可达95-100% 短流程、低能耗、节材特点 automatic Powder press全自动液压机Adaptor模架mesh belt walk bea
6、m Sintering Furnace汽车部件电动工具与汽车部件 行星齿轮支架Planetary carrier 2）易于制造难加工材料 陶瓷陶瓷/ /金属复合材料金属复合材料-金属陶瓷cermet 粉末超合金粉末超合金 powder superalloyspowder superalloys 粉末高速钢粉末高速钢 powder high-speed steelspowder high-speed steels 金属基复合材料金属基复合材料 metal matrix compositesmetal matrix composites 弥散强化材料弥散强化材料 dispersion-streng
7、thened dispersion-strengthened materialsmaterials 微观结构可控材料微观结构可控材料 多孔材料，非晶态材料，超细结构材料等 钨合金钨合金 硬质合金硬质合金 重合金重合金 钨靶材钨靶材 钨钨/ /钼基电工合金钼基电工合金 纳米晶材料纳米晶材料 nano-grained materialsnano-grained materials 梯度复合材料梯度复合材料functionally gradient functionally gradient materialsmaterials等等 3 3）尺寸一致性高）尺寸一致性高 铁基P/M零件 钢模寿命：2万
8、件左右 硬质合金模：5-6万件 4 4）绿色环保）绿色环保 废弃物排放很低 “洁净”冶金 粉末冶金技术的不足 1）加工的零件或材料尺寸有限加工的零件或材料尺寸有限 2）应用范围有限应用范围有限 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 逐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 2）机械加工 刀具刀具 硬质合金，粉末高速钢，金属陶瓷等 加工电极加工电极 W-Cu电火花加工电极 汽车薄板焊接用弥散强化铜电极 3）航天航空 固体火箭发动机喉衬及喷管 飞机
9、发动机蜗轮盘与叶片等 导弹鼻锥、火箭喉衬、燃气舵等 卫星导航陀螺等 制动材料 4）微电子 电子封装热沉材料 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. 第一部分第一部分 粉末成形粉末成形 powder shaping or forming 具体部件具有一定的几何形状和尺寸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，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和尺寸精度的几何体将粉末体转变成具有足够强度和尺寸精度的几何体的过程的过程 粉末颗粒间的结合力粉末颗粒间的结合力
10、 1 1）外力作用情形：为机械）外力作用情形：为机械啮合啮合力或范德华力力或范德华力 2 2）粘结剂情形：主要依靠高分子材料的粘结能力）粘结剂情形：主要依靠高分子材料的粘结能力 高分子材料本身的强度及其与粉末颗粒之间的结合强度高分子材料本身的强度及其与粉末颗粒之间的结合强度 分类：分类： 刚性模（刚性模（rigid dierigid die）压制）压制 普通模压、温压与模压流动成形普通模压、温压与模压流动成形 非模压成形（其它方式）非模压成形（其它方式）冷、热等静压冷、热等静压注射成形注射成形连续成形：粉末挤压，粉末轧制连续成形：粉末挤压，粉末轧制粉浆浇注粉浆浇注无模成型（快速成形技术如无模成
11、型（快速成形技术如3D打印）打印）喷射成形，爆炸成形等喷射成形，爆炸成形等快速成形技术（Rapid prototyping- RP）简介 两大类 1）基于光源的RP 立体光固化造型 stereo lithography (SL) 光固化树脂 选择性激光烧结 selective laser sintering (SLS) 塑料、金属、陶瓷等 适应性强 叠层实体制造laminated object manufacturing （LOM ） 薄板叠加+激光焊接 2）基于喷射的RP 熔融沉积成形 fused deposition modeling (FDM) 塑料等 3D打印技术 three dime
12、nsional printing(3DP) 直接金属沉积 direct metal deposition (DMP) 3D打印（3DP）的技术 快速成形技术的一种 以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术 基于微喷射原理（类似于喷墨）将喷射材料从喷嘴喷出微型液滴，按一定路径逐层打印或堆积材料 树脂类 熔融树脂 光固化材料3DP 粘结材料3DP 熔融材料3DP 3D打印 金属粉末快速成形技术 原理 由CAD软件产生零件实体模型 由分层软件对CAD实体模型按照一定的厚度进行分层切片处理，获取各截面的几何信息 然后根据切片轮廓设计出扫描轨迹，并将其转
13、化成NC工作台的运动指令 成形时具有一定功率密度的激光束照射到基材表面形成熔池，同时金属粉末由送粉器送出，经送粉管路输送到同轴送粉头并进入熔池形成熔覆层 根据CAD给定的各层截面的路径规划 NC的控制送粉头相对于工作台运动 金属材料逐层扫描堆积 制造出金属实体零件 SLS快速成形原理示意图 SLS快速成形设备 快速成形的金属部件 主要特点 柔性制造 研发周期短 低成本 第一章第一章 粉末压制粉末压制 Powder Pressing or Compaction 1 1 压制前粉末料准备压制前粉末料准备 1 1 还原退火还原退火 reducing and annealingreducing and
14、 annealing 作用作用 降低氧碳含量，提高纯度降低氧碳含量，提高纯度 消除加工硬化，改善粉末压制性能消除加工硬化，改善粉末压制性能 粉末钝化粉末钝化 使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃燃 退火温度退火温度 高于回复高于回复- -再结晶温度，（再结晶温度，（0.5-0.60.5-0.6）T Tm m 退火气氛退火气氛 还原性气氛（还原性气氛（CO,HCO,H2 2），惰性气氛，真空），惰性气氛，真空 2 2 合批与混合合批与混合 blendingblendingandandmixingmixing 混合混合 不同成分的粉末借助于外力
15、作用实现颗粒组份间的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分布均匀的过程分布均匀的过程 合批合批 同类粉末或粉末混合物的混合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获得性能均匀的粉末料 机械法混合与化学法混合机械法混合与化学法混合 机械混合方式机械混合方式 干混法：干混法：铁基及其它粉末冶金零件的生产铁基及其它粉末冶金零件的生产 湿磨法：湿磨法：硬质合金或含易氧化组份合金的生硬质合金或含易氧化组份合金的生产产 WCWC与与CoCo粉之间除
16、产生一般的混合均匀效果粉之间除产生一般的混合均匀效果 发生显著的细化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一般采用工业酒精作为研磨介质 湿磨的主要优点湿磨的主要优点 有利于环境保护有利于环境保护 无粉尘飞扬和减轻噪音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提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化 保护粉末不氧化保护粉末不氧化 不足不足 操作工序增加操作工序增加 粉料干燥增加能耗粉料干燥增加能耗 球磨介质损耗球磨介质损耗 成本提高成本提高混合机理简介 粉末床的运动行为粉末床的运动行为 （a）粉末体整体滑动）粉末体整体滑动 （b）粉体局部坍塌）粉体局部坍塌 （c） 粉末整体
17、滚动 (d)小瀑布状抛落 (e)大瀑布状抛落 (f)离心状 取决于 圆筒形混合器的转速 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=(2 2R)/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 在滑动与离心状态,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 处于滚动状态时颗粒的微观运动状态 零速度区很容易在装料大于50%时出现 工程实践规定 装料量不大于40%！混合机理 混合方式示意图 严格意义上的扩散过
18、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 混合均匀度(成分偏差)与时间的关系 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偏析(segregation)现象 反混合现象 涉及相容性问题“物以类聚” Caused by differences in particle density 颗粒之间密度差异 Particle size 粒度差异 Particle shape 颗粒形状差异 球形颗粒与针状颗粒具有最小的偏析趋势 混合均匀程度和效率取决于混合均匀程度和效率取决于 粉末颗粒的尺寸及其组成粉末颗粒的尺寸及其组成 颗粒形状颗粒形状 待处理粉末组元间
19、比重差异待处理粉末组元间比重差异 混合设备的类型混合设备的类型 混合工艺混合工艺 装料量装料量 球料比球料比 转速转速 研磨体的尺寸及其搭配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艺一般采用实验加以确定 V-形 双锥形 多维 常见混合设备 化学法混合化学法混合 混合较前者更为均匀混合较前者更为均匀, ,可以实现原子级可以实现原子级混合混合 W-Cu-NiW-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺包覆粉末的制造工艺 W W粉粉+Ni(NO+Ni(NO3 3) )2 2溶液溶液混合混合热解还原热解还原（700-750700-750）
20、W-NiW-Ni包覆粉包覆粉 + CuCl+ CuCl2 2溶液溶液混合混合热热解还原（解还原（400-450400-450）W-Cu-NiW-Cu-Ni包覆粉末包覆粉末 存在环保问题！存在环保问题！ 无偏聚（无偏聚（segregation-freesegregation-free）粉末）粉末 binder-treated mixturebinder-treated mixture 消除元素粉末组元（特别是轻重组元）消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析间的偏析 粉末混合与输运过程粉末混合与输运过程 3 3 成形剂成形剂(binder)(binder)和润滑剂和润滑剂(lubricant)
21、(lubricant)成形剂成形剂 ( (非增塑成形) ) 场合场合 1)1)硬质粉末硬质粉末：如硬质合金：如硬质合金, ,陶瓷等陶瓷等 粉末变形抗力很高粉末变形抗力很高 难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的强度体足够的强度 添加成形剂提高生坯强度，利于成形添加成形剂提高生坯强度，利于成形 2)2)流动性差的粉末流动性差的粉末 细粉或轻质粉末细粉或轻质粉末 粘结剂作用粘结剂作用 适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力 改善粉末流动性改善粉末流动性, ,提高压制性能提高压制性能橡胶、硬脂酸、石蜡、橡胶、硬脂酸、石蜡、S
22、BS SBS 、PEGPEG、PVAPVA等等 选择准则选择准则 能赋予待成形坯体以足够的强度能赋予待成形坯体以足够的强度 易于排除易于排除 成形剂及其分解产物不与粉末发生反应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温度范围较宽 分解产物不污染环境分解产物不污染环境润滑剂润滑剂 粉末颗粒与模壁间的摩擦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 粉末压制用的润滑剂粉末压制用的润滑剂 硬脂酸硬脂酸 硬脂酸锌硬脂酸锌 工业润滑蜡工业润滑蜡 PEGPEG ( (二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用用)
23、)润滑方式 粉末内润滑粉末内润滑internal lubricationinternal lubrication 润滑剂直接加入粉末中润滑剂直接加入粉末中 铁基粉末铁基粉末 润滑剂含量提高润滑剂含量提高0.1%0.1% 坯件的无孔隙密度下降坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm0.05g/cm3 3 模壁润滑模壁润滑die wall lubricationdie wall lubrication 静电喷涂静电喷涂 溶液涂敷溶液涂敷静电喷涂模壁润滑系统粉末润滑与模壁润滑零件表面质量差异 4 4 制粒制粒 pelletizing or pelletizing or granulatinggranul
24、ating 细小颗粒或硬质粉末细小颗粒或硬质粉末 为了成形添加成形剂为了成形添加成形剂 改善流动性添加粘结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进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/MP/M制品制品 粉末结块粉末结块 原理原理 借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒粒形成团粒形成团粒 减小团粒间的摩擦力减小团粒间的摩擦力 大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积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）增大运动单元的动力（重量） 制粒方法制粒方法 擦筛制粒擦筛制粒 喷雾干燥喷雾干燥 挤压制粒挤压制粒 旋转盘制粒旋转盘制粒 2 压制现象压
25、制现象 1 1 颗粒的位移与变形颗粒的位移与变形 1.1 1.1 粉末颗粒位移粉末颗粒位移 位移方式：滑动与转动位移方式：滑动与转动 颗粒重排列颗粒重排列 Particle rearrangement Particle rearrangement or repacking(restacking)or repacking(restacking) 影响因素影响因素 受控于粉末颗粒间内摩擦受控于粉末颗粒间内摩擦 表面粗糙度表面粗糙度 润滑条件润滑条件 颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度 颗粒形状颗粒形状 粒度粒度 颗粒间可用于相互填充的空间颗粒间可用于相互填充的空间 加压速度加压速度 1.2 1.2 粉末
26、颗粒的变形粉末颗粒的变形 弹性变形弹性变形 颗粒间的接触应力颗粒间的接触应力材料弹性极限材料弹性极限 塑性变形塑性变形 颗粒接触应力颗粒接触应力金属的屈服强度金属的屈服强度 点接触处局部点接触处局部 面接触处局部面接触处局部 整体整体 脆性粉末脆性粉末 点接触应力点接触应力 断裂强度断裂强度 断裂断裂 塑性粉末塑性粉末 点接触应力点接触应力 屈服强度屈服强度 塑性变形塑性变形 加工硬化加工硬化 脆化脆化 断裂断裂 2 2 致密化现象致密化现象 2.1 2.1 致密化致密化 压力作用下压力作用下 松散状态松散状态拱桥效应的破坏（位移拱桥效应的破坏（位移颗粒重排）颗粒重排）+ +颗颗粒塑性变形粒塑
27、性变形孔隙体积收缩孔隙体积收缩致密化致密化 拱桥效应 bridge effect 颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞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的现象 影响因素影响因素 与粉末松装密度、流动性相关与粉末松装密度、流动性相关 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） 塑性变形阻力的影响因素的影响因素 颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度 合金化合金化 酸不溶物酸不溶物 氧化物氧化物 颗粒本质颗粒本质 原子间作用力原子间作用力 加工硬化速度（晶体结构）加工硬化速度（晶体结构） 颗粒形状颗粒形状
28、粉末粒度粉末粒度 压制速度压制速度 2.2 2.2 弹性后效弹性后效 Spring backSpring back 反致密化现象反致密化现象 压坯脱出模腔后尺寸胀大的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残留内应力释放的结果 弹性后效与残留应力相关弹性后效与残留应力相关 压制压力压制压力 粉末颗粒的弹性模量粉末颗粒的弹性模量 粉末粒度组成（同一目标密度）粉末粒度组成（同一目标密度） 颗粒形状颗粒形状 颗粒表面氧化膜颗粒表面氧化膜 粉末混合物的成份粉末混合物的成份: :弹性模量弹性模量 1 1）Fe-2Cu,Fe-2Cu-0.8CFe-2Cu,Fe-2Cu-0.8C 2 2）WC
29、-CoWC-Co、陶瓷粉末等、陶瓷粉末等 3 3）软质金属粉末）软质金属粉末3 3 压坯强度压坯强度 GreenGreenstrengthstrength 表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度结强度 影响因素影响因素 本征因素 颗粒间的结合强度（机械啮合颗粒间的结合强度（机械啮合mechanical mechanical interlockinginterlocking） 接触面积接触面积 颗粒间的结合强度颗粒间的结合强度 颗粒表面的粗糙度颗粒表面的粗糙度 颗粒形状颗粒形状 颗粒表面洁净程度颗粒表面洁净程度 压制压力压制压力 颗粒的塑性颗粒的塑性 硬脂
30、酸锌及成形剂添加与否硬脂酸锌及成形剂添加与否 前者阻隔金属颗粒的联结 后者可提高压坯强度 高模量组份的含量高模量组份的含量 相同应变量，高模量增加残留应变能 颗粒间接触面积颗粒间接触面积 即颗粒间的邻接度即颗粒间的邻接度 contiguitycontiguity 颗粒的显微硬度颗粒的显微硬度 粒度组成粒度组成 颗粒间的相互填充程度颗粒间的相互填充程度 压制压力压制压力 颗粒形状颗粒形状外在因素：残余应力大小：残余应力大小 压坯密度分布的均匀性压坯密度分布的均匀性 粉末的填充均匀性粉末的填充均匀性 粉末压坯的弹性后效粉末压坯的弹性后效 模具设计的合理性模具设计的合理性 过高的压制压力过高的压制压
31、力 表征方法 抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失3 3 压坯密度与压制压力间的关系 3.1 3.1 压制过程力的分析压制过程力的分析 P P施加在模腔中的粉末体施加在模腔中的粉末体 粉末向周围膨胀粉末向周围膨胀 侧压力侧压力F Fn n(P(Pn n) ) 粉末与模壁之间出现相对运动粉末与模壁之间出现相对运动 摩擦力摩擦力F Ff f( P( Pf f) ) 下冲头的压力下冲头的压力P Pb b 侧压力侧压力 P Ph h =/(1-) P =/(1-) P =P =P -泊松系数泊松系数, -, -侧压系数侧压系数模壁摩擦力模壁摩擦力P Pf f =P =Pn
32、n =P =P P Pb b =P- P =P- Pf f 压力损失压力损失 P=P- PP=P- Pb b 在距上冲为在距上冲为X X处的有效外压处的有效外压P Px x P Px x=P=Po oexp(-4X/D)exp(-4X/D) D D为模腔内径为模腔内径 3.2 脱模压力（ejection forceejection force） 静脱模力（静脱模力（striping forcestriping force） 滑动脱模力滑动脱模力(sliding force)(sliding force) 与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效 及其与模壁之
33、间的摩擦系数直接相关及其与模壁之间的摩擦系数直接相关 压坯密度或压制压力压坯密度或压制压力 粉末原料粉末原料 显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量滑剂含量 粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数 模具材料的硬度模具材料的硬度 零件的侧面积零件的侧面积3 3 密度与压力间的关系密度与压力间的关系压制方程压制方程 压坯密度压坯密度是外压的函数是外压的函数 =k.f(P)=k.f(P) 3.13.1常用力学模型常用力学模型理想弹性体理想弹性体- -虎克体（虎克体（H H体）体）: :弹簧弹簧 =M=M 理想流体理想流体- -牛顿体（牛顿体
34、（N N体）体）: :活塞在汽缸中运动活塞在汽缸中运动 =d/dt=d/dt 线弹线弹- -塑性体塑性体-Maxwell-Maxwell体（体（M M体）：体）：H H体与体与N N体体串联串联 T T=1 1+2 2 T T=1 1+2 2 线弹性体线弹性体-Kelvin-Kelvin体（体（K K体）：体）：H H体与体与N N体并联体并联 T T=1 1=2 2 =M(+=M(+2 2d/dt) d/dt) 2 2应变驰预时间应变驰预时间 标准线性固体（标准线性固体（SLSSLS体）体） M M体与体与H H体并联体并联 T T=1 1+2 2 T T=1 1+2 2 +1 1d/dt=
35、M(+d/dt=M(+2 2d/dt)d/dt) 标准非线性固体（标准非线性固体（SNLSSNLS体）体） (+(+1 1d/dt)d/dt)n n = M(+= M(+2 2d/dt) d/dt) 硬化指数的倒数硬化指数的倒数 n1n2 21 1 密度分布均匀性密度分布均匀性 (d/dX)(d/dX)1 1 (d/dX) (d/dX)2 2 (d/dX) (d/dX)3 3 强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀匀 粉末颗粒平均粒度粉末颗粒平均粒度 粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀匀 模具设
36、计的合理性模具设计的合理性 使台阶间的粉末压缩比相同使台阶间的粉末压缩比相同 粉末的流动性粉末的流动性 填充均匀填充均匀 零件形状复杂程度零件形状复杂程度 涉及压机及模架的动作功能涉及压机及模架的动作功能 粉末塑性粉末塑性 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）和加工方法化程度）和加工方法3 3 复杂形状部件的成形复杂形状部件的成形 密度分布的控制密度分布的控制 多台阶零件多台阶零件：恒压缩比恒压缩比 压坯强度压坯强度： 合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末 高压坯强度高压坯强度 脱模压力
37、脱模压力 润滑和低的弹性后效，润滑和低的弹性后效，脱模压力脱模压力 压坯形状的合理设计压坯形状的合理设计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 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二章第二章 特殊及新型成形技术特殊及新型成形技术Chapter 2 Special and New Chapter 2 Special and New Powder Forming TechniquesPo
38、wder Forming Techniques 1 1概述概述 普通刚性模压制(rigid die compaction)技术的特点 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 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 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 各工业领域对新材料的需求 发展新的粉末成形技术成形技术 1 WP1 WP（Warm Pressing/CompactionWarm Pressing/Compaction）温压技）温压
39、技术术 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 2 PIM(Powder Injection Molding)2 PIM(Powder Injection Molding)粉末注粉末注射成形技术射成形技术 形状复杂、薄壁、小尺寸件 3 3 CIP(Cold Isostatic Pressing)CIP(Cold Isostatic Pressing)冷等冷等静压静压 高均匀性大型粉末冶金制品 4 HIP(Hot Isostaic Pressing)-4 HIP(Hot Isostaic Pressing)-热等静压热等静压 全致密、高性能、难烧结粉体材
40、料或部件 5 SC(Slip or Slurry Casting)5 SC(Slip or Slurry Casting)粉浆浇粉浆浇注注 形状复杂、大尺寸的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品 6 PR(Powder Rolling) & PE(Powder 6 PR(Powder Rolling) & PE(Powder Extruding)-Extruding)-粉末轧制与挤压粉末轧制与挤压 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 7 PF(Powder Forging)-7 PF(Powder Forging)-粉末锻造粉末锻造 高强度铁基粉末冶金零部件 8
41、 RP(Rapid Prototyping)8 RP(Rapid Prototyping)快速成形快速成形 借助于CAD、CAM，形状极为复杂的粉末冶金制品 成形技术的选择原则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2 2 温压技术温压技术 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 粉末与模具需加热 其它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1 1 温压技术的发展背景与现状温压技术的发展背景
42、与现状 温压技术的开发的原动力温压技术的开发的原动力 需求需求 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 提高汽车在市场上的竞争力 如2011型Ford Edge汽车采用了近30KgP/M零件 发动机：11.8Kg 变速系统：11.8Kg 其它部分：6.35Kg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 孔隙的消极贡献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应提高零件密度应提高零件密度提高铁基P/M零部件密度的技术途径复压复压- -复烧工艺复烧工艺：密度达92%左右，形状复杂程度有限
43、，成本较高 渗铜：渗铜：密度 95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高 液相烧结：液相烧结：密度93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限，成本提高 粉末锻造：粉末锻造： 全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本较昂贵 AncorbondeTM工艺（ 80年代中后期） 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 具有润滑功能的粘接剂（石墨粉末偏析）处理 温压技术的前身 八十年代中后期意大利Nuova Merisinter公司 铁基粉末与模具的加热研制 年出现第项美国专利 年披露 AncordenseTM 全球共有200余条温压生产线 150多种温压件
44、 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 提高铁基零部件的性能和服役可靠性 拓宽部件的应用范围 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”的新技术蜗轮轮毂（1.2kg）轿车发动机温压连杆2 2 温压工艺温压工艺粉末原料（扩散粘结铁粉粉末原料（扩散粘结铁粉+ +新型润滑剂）新型润滑剂）粉末加热（粉末加热（130130）阴模（阴模（130-150130-150）装粉）装粉温压温压(600-750MPa)(600-750MPa)温压压坯温压压坯烧结烧结温压零部件温压零部件3 3 温压的技术特点温压的技术特点1)1)低成本制造高性能低成本制造
45、高性能P/MP/M零部件零部件 若WP=1.0，则 1P1S=0.8 2P2S=1.3 Copper Infiltration (CI)=1.5 Powder forging (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2)2)压坯密度高压坯密度高相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%3)3)便于制造形状复杂的零部件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% 外摩擦力高的压坯强度，25-100%高压坯密度密度分布均匀，密度差0.1-0.2g/cm3 4)4)零件强度高零件强度高( (同质、同密度) ) 极限抗拉强度10%，烧结态达120
46、0MPa 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)压制压力降低压制压力降低 同压坯密度时，压力降低140Mpa 提高压机容量 4 温压加热系统温压加热系统阴模的加热：电阻加热粉末加热方式粉末加热方式热油循环热油循环温控稳定性好，不易过热微波微波加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题感应：感应：与微波相似与微波相似电阻加热电阻加热加热速度较快，也存在过热问题热油循环粉末加热系统5 5 温压过程的实质温压过程的实质 塑性变形得以充分进行：塑性变形得以充分进行：加工硬化速度和程度降低加工硬化速度和程度降低 压坯密度 有
47、效地减小粉末与模壁间的摩擦有效地减小粉末与模壁间的摩擦:增大有效外压力增大有效外压力 降低粉末颗粒间的内摩擦：降低粉末颗粒间的内摩擦：便于颗粒间的相互填充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室温压制01002003004005006007000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Pressure/MPaC(P)particle rearrangement, C1(p)plastic deformation, C2(P)塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献01002003004005006
48、007000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Pressure/MPaC(P)particle rearrangement, C1(P)plastic deformation, C2(P)颗粒重排贡献C1/(C1+C2) 压力（MPa） C1/(C1+C2) 100 0.8783 200 0.7841 600 0.6972 676 0.6918 0.6%New Lub.+100/120 润滑剂的作用润滑剂的作用 降低粉末颗粒的内外摩擦： 1)有效外压密度 2)颗粒重排得以充分进行密度 温度，摩擦系数 粉末颗粒间的相互填充能力 弹性后效，脱模压力 技术核心 专用粉末
49、设计 基粉base materials：高压缩性 高效润滑剂 润滑剂膜包覆每个颗粒 润滑剂膜具有耐压性能 加热系统加热系统3 3 注射成形注射成形 Injection mouldingInjection moulding 1 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 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PM小型零部件 开发开发PIMPIM的先驱的先驱 美国美国A
50、MAXAMAXMet. Injet. Moulding Met. Injet. Moulding 和德国和德国BASFBASF公司公司 八十年代初，PIM就实现了产业化2 PIM2 PIM工艺概述工艺概述 Metallic or ceramic powders + BinderMetallic or ceramic powders + Binder Premixing Premixing（预混）（预混） Compounding(Compounding(混炼混炼mixing and pelletizing)mixing and pelletizing) FeedstockFeedstock（喂料
