第三章粉末成形技術(shù)

1、程繼貴程繼貴 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院粉末冶金原理粉末冶金原理第三章第三章 粉末成形技術(shù)粉末成形技術(shù) Technique of Powder FormationSchool of Materials Science and Engineering本章內(nèi)容本章內(nèi)容3.1 成形前的粉末冶金成形前的粉末冶金3.2 模壓成形技術(shù)模壓成形技術(shù)3.3 等靜壓成形等靜壓成形3.4 粉末連續(xù)成形粉末連續(xù)成形3.5 粉漿澆注粉漿澆注3.6 粉末注射成形粉末注射成形School of Materials Science and Engineering第四節(jié) 粉末連續(xù)成形定義：定義：粉末在壓力作用下由松

2、散狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)變化而成為具粉末在壓力作用下由松散狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)變化而成為具 有一定密度、強度以及所需尺寸形狀壓坯或制品的過程。有一定密度、強度以及所需尺寸形狀壓坯或制品的過程。主要包括：主要包括：粉末軋制、擠壓、噴射成形、粉末軋制、擠壓、噴射成形、楔形壓制楔形壓制等等基本特征：基本特征： 是模壓成形方法的重要補充，可以生產(chǎn)普通模是模壓成形方法的重要補充，可以生產(chǎn)普通模 壓成形無法生產(chǎn)的多孔或致密的板、帶、棒、壓成形無法生產(chǎn)的多孔或致密的板、帶、棒、 及管材等；及管材等； 比鋼模壓制需要較少的設(shè)備、容器。比鋼模壓制需要較少的設(shè)備、容器。 School of Materials Science an

3、d Engineering一、金屬粉末軋制（Powder rolling） （一）概述（一）概述 1. 粉末軋制的概念：粉末軋制的概念： 粉末通過喂料進入一對軋輥之間，在軋輥力粉末通過喂料進入一對軋輥之間，在軋輥力的作用下的作用下, ,壓實成具有一定強度的連續(xù)帶坯的過壓實成具有一定強度的連續(xù)帶坯的過程。程。 School of Materials Science and Engineering軋輥軋輥軋坯軋坯School of Materials Science and Engineering2.2.粉末粉末軋制的特點：軋制的特點： 與一般軋制相比：與一般軋制相比： 1）基本原理相同，要實現(xiàn)軋

4、制：）基本原理相同，要實現(xiàn)軋制：+ tg； 2）可軋制出熔鑄軋制無法生產(chǎn)）可軋制出熔鑄軋制無法生產(chǎn) 或難以生產(chǎn)的板、帶材等或難以生產(chǎn)的板、帶材等 （尤多層復(fù)合板、帶）；（尤多層復(fù)合板、帶）； 3）工藝流程短、節(jié)能、成本較低，）工藝流程短、節(jié)能、成本較低， 4）壓坯或產(chǎn)品成分精確可控、壓坯或產(chǎn)品成分精確可控、軋制產(chǎn)品各向同性軋制產(chǎn)品各向同性 ； 5）成材率較高。）成材率較高。 School of Materials Science and Engineering 與模壓成形相比：與模壓成形相比： 1）軋制能耗比壓制低；）軋制能耗比壓制低； 2）可以生產(chǎn)模壓成形無法生產(chǎn)的板、帶材；）可以生產(chǎn)模壓成

5、形無法生產(chǎn)的板、帶材； 3）壓坯密度更均勻，壓坯長度原則上不限；）壓坯密度更均勻，壓坯長度原則上不限； 4）板帶材寬度、厚度有限：）板帶材寬度、厚度有限： =（1/100 1/300）D， 一般一般10mm 粉末軋制適用于生產(chǎn)寬度幾十粉末軋制適用于生產(chǎn)寬度幾十 幾百幾百mm，厚度厚度10mm以下，長度原則上不限的板帶材，或以下，長度原則上不限的板帶材，或D/很大的襯套等很大的襯套等 School of Materials Science and Engineering3.3.粉末軋制的分類：粉末軋制的分類： 粉末直接軋制（粉末直接軋制（direct powder rolling） 對塑性好的粉

6、末對塑性好的粉末 粉末粘結(jié)軋制粉末粘結(jié)軋制 (bonded powder rolling) 加入粘結(jié)劑改善粉末體的成形性加入粘結(jié)劑改善粉末體的成形性 包套粉末熱軋（包套粉末熱軋（canned powder hot rolling） 對活性粉末以及要求高致密度的材料對活性粉末以及要求高致密度的材料粉粉末末冷冷軋軋粉末粉末熱軋熱軋按進料方式分為：水平、垂直和傾斜軋制按進料方式分為：水平、垂直和傾斜軋制School of Materials Science and Engineering用調(diào)節(jié)閘門控制喂料的垂直軋制用調(diào)節(jié)閘門控制喂料的垂直軋制School of Materials Science a

7、nd EngineeringSchool of Materials Science and Engineering（二）粉末軋制的基本原理（二）粉末軋制的基本原理 1. 軋制過程軋制過程 松散粉末需依次經(jīng)過三個松散粉末需依次經(jīng)過三個區(qū)域才能完成軋制：區(qū)域才能完成軋制： （三個特征區(qū)）（三個特征區(qū)） 粉末松裝堆積區(qū)粉末松裝堆積區(qū) （自由充填區(qū)）（自由充填區(qū)） 喂料區(qū)喂料區(qū) 壓軋區(qū)壓軋區(qū) School of Materials Science and Engineering區(qū)區(qū)- -自由充填區(qū)：自由充填區(qū)：此區(qū)粉末僅受重力和顆粒下移而產(chǎn)此區(qū)粉末僅受重力和顆粒下移而產(chǎn)生的顆粒間摩擦力作用；生的顆粒間

8、摩擦力作用；區(qū)區(qū)- -喂料區(qū)：喂料區(qū)：軋輥表面施予粉末一定的摩擦力，帶動軋輥表面施予粉末一定的摩擦力，帶動粉末顆粒進入輥之間，導(dǎo)致粉末被咬入。粉末顆粒進入輥之間，導(dǎo)致粉末被咬入。 凡進入此區(qū)的粉末都將在摩擦力作用下進入壓軋區(qū)凡進入此區(qū)的粉末都將在摩擦力作用下進入壓軋區(qū) 區(qū)區(qū)- -壓軋區(qū)：壓軋區(qū)：進入此區(qū)的粉末將在軋輥力作用下被進入此區(qū)的粉末將在軋輥力作用下被軋制成坯軋制成坯，粉末質(zhì)量不變，體積縮小，密度增加。粉末質(zhì)量不變，體積縮小，密度增加。三個特征區(qū)三個特征區(qū)School of Materials Science and Engineering2. 軋制過程的定量關(guān)系軋制過程的定量關(guān)系（軋制

9、帶坯厚度、密度與粉末特性及（軋制帶坯厚度、密度與粉末特性及軋輥尺寸之間的定量關(guān)系）軋輥尺寸之間的定量關(guān)系） 基本概念及符號：基本概念及符號： 咬入層、咬入角咬入層、咬入角（2） H 咬入寬度咬入寬度 R 軋制帶坯厚度軋制帶坯厚度 D、r 軋輥直徑、半徑軋輥直徑、半徑 松松、壓壓粉末松裝密度及軋坯密度粉末松裝密度及軋坯密度 V進進、V軋軋 粉末進料速度和軋制速度粉末進料速度和軋制速度 粉末料柱寬度粉末料柱寬度 B軋坯寬度軋坯寬度 b H圖圖4-26 粉末軋制時的咬入粉末軋制時的咬入?yún)^(qū)和變形區(qū)區(qū)和變形區(qū)HSchool of Materials Science and Engineering 幾何關(guān)

10、系：幾何關(guān)系： 質(zhì)量關(guān)系：質(zhì)量關(guān)系： 1cos1cos11zDDRR）（）（松壓進軋vv/松壓/z延伸系數(shù)延伸系數(shù) 壓緊系數(shù)壓緊系數(shù) 定量定量關(guān)系式：關(guān)系式： School of Materials Science and Engineering3.3.影響軋制過程的因素影響軋制過程的因素 （1 1）粉末性能）粉末性能 松裝密度：松裝密度： 松松，壓壓， （保證軋制條件下）（保證軋制條件下） 流動性：流動性： 流動性流動性，V V進進， 壓壓， （保證軋制條件下）（保證軋制條件下） 粉末硬度：粉末硬度：低的粉末硬度便于變形和形成高的機械嚙低的粉末硬度便于變形和形成高的機械嚙 合，合，成形性，成

11、形性，壓坯強度壓坯強度School of Materials Science and Engineering（2）軋輥直徑）軋輥直徑 D, （ R固定）；固定）； R R （一定）一定）（3）給料方式）給料方式 水平與垂直：垂直水平與垂直：垂直 V進進， 、 R （4）軋制速度）軋制速度 ,、 R（m不變）不變）（5）輥縫）輥縫t t，軋制壓力降低，軋制壓力降低， RSchool of Materials Science and Engineering（三）粉末軋制工藝（三）粉末軋制工藝 粉末準備粉末準備 喂料（水平、垂直方式）喂料（水平、垂直方式）軋制（冷軋、熱軋）軋制（冷軋、熱軋） 軋坯軋

12、坯燒結(jié)（直燒結(jié)（直接燒結(jié)、成卷燒結(jié)）接燒結(jié)、成卷燒結(jié)）School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering1. 粉末冷軋工藝粉末冷軋工藝 室溫下軋制室溫下軋制 軋制速度較低：軋制速度較低：0.6-30m/s 軋坯可卷成卷后燒結(jié)，也可燒結(jié)后卷成卷，軋坯可卷成卷后燒結(jié)，也可燒結(jié)后卷成卷， 還可燒結(jié)后再熱軋還可燒結(jié)后再熱軋School of Materials Science and Engine

13、ering冷軋冷軋School of Materials Science and Engineering冷軋冷軋+ + 熱軋熱軋School of Materials Science and Engineering2. 粉末熱軋工藝粉末熱軋工藝 可以對粉末、預(yù)可以對粉末、預(yù)成形坯等進行成形坯等進行軋制軋制 防氧化防氧化包套包套（真空）（真空）軋制或氣軋制或氣氛保護氛保護School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science

14、and Engineering（四）粉末軋制的應(yīng)用（四）粉末軋制的應(yīng)用 多孔板材，如過濾板、催化劑板材多孔板材，如過濾板、催化劑板材 層狀復(fù)合材料帶、板材層狀復(fù)合材料帶、板材 多層鋼背支撐軸承多層鋼背支撐軸承 纖維增強復(fù)合材料纖維增強復(fù)合材料School of Materials Science and Engineering 粉末、粉末壓坯或粉末粉末、粉末壓坯或粉末燒結(jié)坯在外力作用下，通燒結(jié)坯在外力作用下，通過擠壓筒的擠壓嘴擠成坯過擠壓筒的擠壓嘴擠成坯料或制品的成形方法。料或制品的成形方法。二、粉末擠壓（一）概述（一）概述 粉末擠壓的定義粉末擠壓的定義Powder ExtrusionScho

15、ol of Materials Science and Engineering擠擠School of Materials Science and Engineering 粉末直接擠壓（冷擠壓）：粉末直接擠壓（冷擠壓）：適應(yīng)于塑性好的金屬粉末適應(yīng)于塑性好的金屬粉末 粉末增塑擠壓：粉末增塑擠壓：粉末加入一定量的成形劑或粘結(jié)劑后擠粉末加入一定量的成形劑或粘結(jié)劑后擠壓，適應(yīng)于硬質(zhì)粉末如硬質(zhì)合金粉末壓，適應(yīng)于硬質(zhì)粉末如硬質(zhì)合金粉末 粉末包套熱擠：粉末包套熱擠：適應(yīng)于彌散強化合金等適應(yīng)于彌散強化合金等 燒結(jié)坯或粉末壓坯的熱擠壓：燒結(jié)坯或粉末壓坯的熱擠壓：適應(yīng)于塑性較好的有色適應(yīng)于塑性較好的有色金屬材料。金

16、屬材料。 擠壓的分類擠壓的分類School of Materials Science and Engineering 粉末擠壓成形的特點粉末擠壓成形的特點 1）能擠出直徑?。ǎ┠軘D出直徑?。?mm）、壁?。ǎ?、壁薄（0.01mm）的管材、）的管材、 棒材，以及其他異形截面的制品棒材，以及其他異形截面的制品 2）產(chǎn)品長度原則不限，生產(chǎn)過程具有連續(xù)性）產(chǎn)品長度原則不限，生產(chǎn)過程具有連續(xù)性 3）更換擠壓嘴可以方便地改變產(chǎn)品的截面形狀）更換擠壓嘴可以方便地改變產(chǎn)品的截面形狀 4）工藝流程短、節(jié)能、成本較低）工藝流程短、節(jié)能、成本較低 5）可獲得致密、物理機械性能優(yōu)良的材料或制品）可獲得致密、物理機械性

17、能優(yōu)良的材料或制品粉末擠壓適用于截面尺寸較小，形狀多樣的粉末擠壓適用于截面尺寸較小，形狀多樣的各種棒材、管材坯體及制品各種棒材、管材坯體及制品School of Materials Science and Engineering1.1.粉末在擠壓筒內(nèi)的受力狀態(tài)粉末在擠壓筒內(nèi)的受力狀態(tài) 三向受壓縮，一方向變形（向下擠三向受壓縮，一方向變形（向下擠出）。出）。 擠壓桿施加壓力擠壓桿施加壓力P，筒壁約束產(chǎn)生側(cè)，筒壁約束產(chǎn)生側(cè)壓力壓力P側(cè)側(cè)， P側(cè)側(cè) =P 相對運動產(chǎn)生摩擦力相對運動產(chǎn)生摩擦力Pf （筒、嘴）（筒、嘴）, Pf =P側(cè)側(cè) =P物料被擠出的條件：物料被擠出的條件： PPf + Pr(粉末

18、變形阻力粉末變形阻力) （二）粉末擠壓成形原理（二）粉末擠壓成形原理圖圖 擠壓時混合料擠壓時混合料的受力狀態(tài)的受力狀態(tài)11軸向壓力軸向壓力22徑向（側(cè)）壓力徑向（側(cè)）壓力33模壁摩擦力模壁摩擦力44拉力拉力1443School of Materials Science and Engineering2.2.粉末在擠壓筒內(nèi)的流動狀況粉末在擠壓筒內(nèi)的流動狀況三個區(qū)域：三個區(qū)域： V1區(qū)：區(qū)：擠壓初期物料不流動，后擠壓初期物料不流動，后 期進入期進入V3區(qū)，向下流動；區(qū)，向下流動； V2區(qū)：區(qū)：物料回流；物料回流； V3區(qū)：區(qū)：向下（模嘴）流出向下（模嘴）流出三個區(qū)域位置不斷變化、大小、形狀受多重因

19、素影響三個區(qū)域位置不斷變化、大小、形狀受多重因素影響School of Materials Science and Engineering3.3.超前現(xiàn)象和軸向附加應(yīng)力的形成超前現(xiàn)象和軸向附加應(yīng)力的形成超前現(xiàn)象：超前現(xiàn)象： 由于摩擦力的影響，由于摩擦力的影響，擠壓筒中中心部位物料的擠壓筒中中心部位物料的流動速度較接近筒壁物料流動速度較接近筒壁物料的流動速度快（擠出快）的流動速度快（擠出快）的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。School of Materials Science and Engineering4.4.擠壓比擠壓比擠壓比擠壓比R：擠壓筒橫截面積與擠壓嘴橫截面積之比擠壓筒橫截面積與擠壓嘴橫截面積之比R

20、= F/F0 =D2/d2斷面收縮率斷面收縮率K： K=（F-F0）/F 100% =（D2-d2）/D2 100%合適的擠壓比是獲得合格壓坯的關(guān)鍵之一，合適的擠壓比是獲得合格壓坯的關(guān)鍵之一， 一般一般 R10School of Materials Science and Engineering（三）擠壓模具設(shè)計（三）擠壓模具設(shè)計1） 確定擠壓比確定擠壓比R2）正確設(shè)計擠壓嘴）正確設(shè)計擠壓嘴重要參數(shù)：重要參數(shù)： 錐角錐角 定型帶長定型帶長 l 表面粗糙度表面粗糙度School of Materials Science and Engineering（四）粉末擠壓工藝（四）粉末擠壓工藝1. 增塑

21、擠壓：增塑擠壓：具有一定粘結(jié)性性和良好塑性的有具有一定粘結(jié)性性和良好塑性的有機物（增塑劑）粉末一起制成混合料后擠壓機物（增塑劑）粉末一起制成混合料后擠壓 增塑劑（增塑劑（plasticizer）：）： 石蠟石蠟+粘結(jié)劑粘結(jié)劑PVA+硬脂酸硬脂酸 （表面活性劑）（表面活性劑） 添加量：添加量： 6-8.5% 粗顆粒粉末或厚壁件取下限粗顆粒粉末或厚壁件取下限 細顆粒粉末或薄壁件取上限細顆粒粉末或薄壁件取上限School of Materials Science and Engineering粉末料粉末料+增塑劑增塑劑摻合（摻合（40-50）預(yù)壓（排氣，提高料密度）預(yù)壓（排氣，提高料密度） 擠壓（擠

22、壓（40-50） 擠壓坯擠壓坯 脫增塑劑脫增塑劑 燒結(jié)燒結(jié) 制品制品硬質(zhì)合金增塑擠壓生產(chǎn)工藝流程硬質(zhì)合金增塑擠壓生產(chǎn)工藝流程School of Materials Science and Engineering 借助于高溫的作用改善金屬的塑性流動性能，借助于高溫的作用改善金屬的塑性流動性能，使坯體發(fā)生充分致密化，便于制造高性能使坯體發(fā)生充分致密化，便于制造高性能P/M管材，管材，棒材。棒材。 應(yīng)用應(yīng)用 燒結(jié)坯熱擠壓：塑性好的金屬與合金燒結(jié)坯熱擠壓：塑性好的金屬與合金 粉末包套熱擠壓：含有活性高的元素粉末如粉末包套熱擠壓：含有活性高的元素粉末如Ti、B、Zr、Al、Si等的等的高溫合金或彌散強化

23、材料高溫合金或彌散強化材料 包套制作工藝與包套制作工藝與HIP相同相同2. 粉末熱擠壓粉末熱擠壓School of Materials Science and Engineering三、粉末噴射成形三、粉末噴射成形 噴射成形是將噴射沉積與成形技噴射成形是將噴射沉積與成形技術(shù)結(jié)合一起進行加工金屬或合金術(shù)結(jié)合一起進行加工金屬或合金成半成品或成品的新工藝。成半成品或成品的新工藝。 將霧化液態(tài)微粒先沉積為預(yù)成形將霧化液態(tài)微粒先沉積為預(yù)成形實體，然后進行各種形式冷熱加實體，然后進行各種形式冷熱加工成板、帶、棒、管材。工成板、帶、棒、管材。 噴射沉積原理示意噴射沉積原理示意1霧化液微粒流霧化液微粒流2沉積

24、物沉積物 3襯底襯底 4金屬液流金屬液流12p43214School of Materials Science and Engineering噴射成形工藝特點：噴射成形工藝特點： 制各種板、帶、管等半成品及成品；制各種板、帶、管等半成品及成品； 控制霧化速度可控制制品的組織和性能控制霧化速度可控制制品的組織和性能 晶態(tài)、非晶等組織晶態(tài)、非晶等組織 材料各向同性；材料各向同性； 可制多層復(fù)合材料可制多層復(fù)合材料School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering在 傳 統(tǒng) 快

25、速 凝 固在 傳 統(tǒng) 快 速 凝 固 / 粉 末 冶 金粉 末 冶 金(RS/PM)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的先進材料制備與的一種全新的先進材料制備與成形技術(shù)。成形技術(shù)。原原料料噴噴射射熔熔化化產(chǎn)產(chǎn)品品接接收收體體噴射成形工藝流程圖噴射成形工藝流程圖產(chǎn)品形狀產(chǎn)品形狀棒坯、管坯、板坯、環(huán)、盤等棒坯、管坯、板坯、環(huán)、盤等涉及合金涉及合金鋁基合金、銅基合金、鋁基合金、銅基合金、鎳基高溫合金、鋼、硅基合金等鎳基高溫合金、鋼、硅基合金等應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域汽車、電子、航空航天和其它普通工業(yè)等汽車、電子、航空航天和其它普通工業(yè)等TiAl圓柱鍛造成圓盤噴射成形工藝方法噴射成形工藝方法 噴射

26、軋制、噴射軋制、 噴射鍛造、噴射鍛造、 離心噴射沉積、離心噴射沉積、 噴射涂層噴射涂層School of Materials Science and EngineeringSpray CastingSpray casting (Osprey process) in which molten metal is sprayed over a rotating mandrel to produce seamless tubing and pipe.School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and En

27、gineeringSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering第五節(jié)第五節(jié) 粉漿澆注成形（粉漿澆注成形（ slurry casting ）1.1.基本原理基本原理粉末與水（或其它液體）制成一定濃度的懸浮漿料，注入具粉末與水（或其它液體）制成一定濃度的懸浮漿料，注入具有所需形狀的石膏模中。有所需形狀的石膏模中。多孔石膏模吸收粉漿中多孔石膏模吸收粉漿中的水分（或液體），使的水分（或液體），使?jié){料在模內(nèi)得以致密并漿料在模內(nèi)得以致密并形成與模具型面相應(yīng)的形成與模具型面相應(yīng)的成

28、形注件。成形注件。School of Materials Science and Engineering2.2.特點特點 是是歷史悠久的陶瓷成形方法，后應(yīng)用于現(xiàn)代粉末冶歷史悠久的陶瓷成形方法，后應(yīng)用于現(xiàn)代粉末冶 金；金； 是制取復(fù)雜形狀、大件粉末冶金制品的有效方法；是制取復(fù)雜形狀、大件粉末冶金制品的有效方法； 適于成形壓制性較差的脆性粉末，如碳化物、硅化適于成形壓制性較差的脆性粉末，如碳化物、硅化 物、氮化物、鉻和硅等粉末；物、氮化物、鉻和硅等粉末； 不需要壓力機，設(shè)備簡單，生產(chǎn)費用低；不需要壓力機，設(shè)備簡單，生產(chǎn)費用低； 生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)率低。生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)率低。School of Mat

29、erials Science and Engineering3. 粉漿澆注工藝過程粉漿澆注工藝過程School of Materials Science and Engineering（1） 粉漿的制備粉漿的制備 由金屬粉末（纖維）與母液等組成的混合物由金屬粉末（纖維）與母液等組成的混合物 要求：具有一定的流動性、粘度和相對穩(wěn)定性要求：具有一定的流動性、粘度和相對穩(wěn)定性 漿料的主要組成：漿料的主要組成： 粉末粉末 + + 溶劑（水、酒精等）溶劑（水、酒精等）+ + 添加劑添加劑School of Materials Science and Engineering 漿料中的添加劑漿料中的添加劑

30、1）粘結(jié)劑）粘結(jié)劑 干燥后賦予坯件足夠強度；干燥后賦予坯件足夠強度；PVA、PEG、藻骯酸鈉等，、藻骯酸鈉等，3% 2）懸浮劑）懸浮劑 阻止粉末顆粒間的聚集；弱酸、堿，在顆粒表面上吸附阻止粉末顆粒間的聚集；弱酸、堿，在顆粒表面上吸附 H+或或OH-離子，靜電吸附，同性相斥離子，靜電吸附，同性相斥分離分離 機理機理 3）除氣劑）除氣劑 表面活性劑，使顆粒表面吸附的氣體脫附，防止顆粒聚表面活性劑，使顆粒表面吸附的氣體脫附，防止顆粒聚 集和消除坯間氣孔：正丁醇集和消除坯間氣孔：正丁醇 4）調(diào)節(jié)劑）調(diào)節(jié)劑 調(diào)節(jié)料漿粘度，改善流動性；常用調(diào)節(jié)料漿粘度，改善流動性；常用NaOH、HCl，氨水等，氨水等Sc

31、hool of Materials Science and Engineering 制作過程（流程圖）制作過程（流程圖） 石膏粉粒度影響模具的石膏粉粒度影響模具的 吸水能力（圖）吸水能力（圖）（2）石膏模制作）石膏模制作石膏粉石膏粉+ +水水（1:1.51:1.5）攪拌攪拌澆入型箱澆入型箱（鑄造）（鑄造）干燥（干燥（40-5040-50）石膏模石膏模School of Materials Science and Engineering石膏模壁涂離型劑：石膏模壁涂離型劑： 硅油或肥皂水硅油或肥皂水作用：作用：隔絕粉末顆粒與石膏顆粒間的接觸、控隔絕粉末顆粒與石膏顆粒間的接觸、控制吸水速度。制吸水速

32、度。澆注方法：澆注方法：（3 3） 澆注澆注School of Materials Science and Engineering（1）粉末粒度：）粉末粒度： 細粉末利于澆注細粉末利于澆注（2）液固比：）液固比： 影響粉漿粘度和粉末沉降速度影響粉漿粘度和粉末沉降速度（3）粉漿的）粉漿的pH值：值： 影響粉漿粘度和粉末沉降速度影響粉漿粘度和粉末沉降速度（4）分散劑與粘結(jié)劑）分散劑與粘結(jié)劑 ：影響粉漿的粘度和沉降速度影響粉漿的粘度和沉降速度 和坯體強度和坯體強度（5）氣體）氣體 4 . 影響粉漿澆注的因素影響粉漿澆注的因素School of Materials Science and Engine

33、ering第六節(jié)第六節(jié) 金屬粉末注射成形金屬粉末注射成形專題專題 （ Metal injection molding， MIM）一、注射成形的原理及特點1.1.基本原理：基本原理： 利用塑料注射成形原理，將金屬粉末（陶瓷粉末等）利用塑料注射成形原理，將金屬粉末（陶瓷粉末等）與有機粘結(jié)劑一起制成混合料，在注射成形機上，在一與有機粘結(jié)劑一起制成混合料，在注射成形機上，在一定溫度和壓力下通過注射口注入閉合的模具中，冷卻后定溫度和壓力下通過注射口注入閉合的模具中，冷卻后開啟模具，得到坯體。開啟模具，得到坯體。School of Materials Science and Engineering2. 2

34、. 注射成形的特點：注射成形的特點： 1）是將粉末冶金與塑料注射成形結(jié)合的新的粉末成形工藝）是將粉末冶金與塑料注射成形結(jié)合的新的粉末成形工藝 技術(shù)。技術(shù)。是是PM高新技術(shù)之一。高新技術(shù)之一。 2）可以大批量生產(chǎn)接近最終形狀、尺寸的復(fù)雜形狀的金屬、）可以大批量生產(chǎn)接近最終形狀、尺寸的復(fù)雜形狀的金屬、陶瓷制品。陶瓷制品。 3）生產(chǎn)工序少、無工序廢料，少無切許削加工。）生產(chǎn)工序少、無工序廢料，少無切許削加工。 4）是制造復(fù)雜形狀粉末冶金零件的研究熱點之一，是制造復(fù)雜形狀粉末冶金零件的研究熱點之一，在難熔在難熔 金屬與硬質(zhì)合金、不銹鋼、輕金屬粉末冶金、復(fù)合材料、陶金屬與硬質(zhì)合金、不銹鋼、輕金屬粉末冶金

35、、復(fù)合材料、陶瓷等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。瓷等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 比較：粉末注射成形和擠壓成形比較：粉末注射成形和擠壓成形School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering3. 注射成形技術(shù)背景注射成形技術(shù)背景 塑料制品的通用成形技術(shù)之一，利用熔融塑料的流動行為，塑料制品的通用成形技術(shù)之一，利用熔融塑料的流動行為，借助于外壓經(jīng)注射嘴注入特定的形腔。單純的塑料的強度、借助于外壓經(jīng)注射嘴注入特定的形腔。單純的塑料的強度、耐磨性低，應(yīng)用范圍受限，在熔融塑料中金屬、陶瓷粒子耐磨性

36、低，應(yīng)用范圍受限，在熔融塑料中金屬、陶瓷粒子作填充劑作填充劑 美國美國AMAX Met. Injet.Moulding 和德國和德國BASF公司：開發(fā)公司：開發(fā)PIM的先驅(qū)的先驅(qū) 20世紀八十年代初，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，展示良好的技術(shù)、經(jīng)濟世紀八十年代初，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，展示良好的技術(shù)、經(jīng)濟效益效益School of Materials Science and Engineering二、注射成形工藝過程二、注射成形工藝過程School of Materials Science and EngineeringMetallic or ceramic powders + Binder Premixing Com

37、pounding(mixing and pelletizing) Feedstock Injection moulding Debinding (solvent and /or thermal debinding/Presintering) Sintering PIM partsSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering1. 選取合適的粉末原料選取合適的粉末原料 （1） particle sizep 一般小于一般小于30m，常用，常用2-8mp 利于制造薄壁、形狀復(fù)

38、雜制品利于制造薄壁、形狀復(fù)雜制品p 提高粉末燒結(jié)驅(qū)動力提高粉末燒結(jié)驅(qū)動力p 保證脫脂后坯體的強度保證脫脂后坯體的強度p 便于混練和注射便于混練和注射School of Materials Science and Engineering（2）particle shape 球形顆粒有利于脫脂后獲得最大的顆粒填充密度球形顆粒有利于脫脂后獲得最大的顆粒填充密度和混練均勻的喂料和混練均勻的喂料 顆粒外形比（顆粒外形比（particle aspect ratio）最好在最好在1-1.5之間之間 脫脂后能獲得最佳的坯件形狀保持性（脫脂后能獲得最佳的坯件形狀保持性（shape retention） 有利于顆粒

39、間相互間鉤連有利于顆粒間相互間鉤連School of Materials Science and Engineering（3） particle size distribution 合適的粒度分布易于獲得穩(wěn)定流變性能的喂料，合適的粒度分布易于獲得穩(wěn)定流變性能的喂料，便于混練和注射成形便于混練和注射成形 packing density,binder content 提高注射坯件在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性提高注射坯件在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性 利于燒結(jié)致密化利于燒結(jié)致密化School of Materials Science and Engineering2. 配制能有效團聚粉末，并賦予混合料流變配制

40、能有效團聚粉末，并賦予混合料流變性能的粘接劑性能的粘接劑 較低的粘度：較低的粘度： 0.1Pa.s，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象 與粉末顆粒潤濕性好與粉末顆粒潤濕性好 加入表面活性劑，阻止在混練和注射過程中發(fā)生兩相分加入表面活性劑，阻止在混練和注射過程中發(fā)生兩相分離粉末聚集現(xiàn)象離粉末聚集現(xiàn)象 冷卻后有足夠的強度和韌性冷卻后有足夠的強度和韌性 脫脂過程中易于排除，且不易形成脫脂缺陷脫脂過程中易于排除，且不易形成脫脂缺陷 為滿足混練、注射和脫脂的要求，為滿足混練、注射和脫脂的要求， 一般采用多組元體系的粘結(jié)劑一般采用多組元體系的粘結(jié)劑School of Materials S

41、cience and Engineering3. 混練混練 借助于溫度和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使借助于溫度和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使PIM喂料均勻喂料均勻 混練溫度混練溫度 溫度過高：溫度過高：導(dǎo)致粘結(jié)劑分解，或粘度太低而發(fā)生兩相分導(dǎo)致粘結(jié)劑分解，或粘度太低而發(fā)生兩相分 離現(xiàn)象離現(xiàn)象 溫度過低：溫度過低：粉末聚集，喂料不均勻性粉末聚集，喂料不均勻性 混練過程剪切力：由混練過程剪切力：由旋轉(zhuǎn)速度決定旋轉(zhuǎn)速度決定 剪切力太高：剪切力太高：混練設(shè)備磨損和引入機械夾雜混練設(shè)備磨損和引入機械夾雜 剪切力太低：剪切力太低：粉末聚集、混料不均粉末聚集、混料不均School of Materials Scienc

42、e and Engineering4.4.注射成形注射成形關(guān)鍵工藝參數(shù)為：關(guān)鍵工藝參數(shù)為：注射壓力、溫度注射壓力、溫度School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering1. 1. 脫脂類型脫脂類型熱脫脂熱脫脂(thermal debinding ）：）：在一定溫度和氣氛條件，多在一定溫度和氣氛條件，多 元組份中的低熔點組份形成液相借毛細作用溢出注射坯體元組份中的低熔點組份形成液相借毛細作用溢出注射坯體或蒸發(fā)；或蒸發(fā)； 若若T分解溫度，也可形成相應(yīng)單分子化合物排出高熔分解溫度

43、，也可形成相應(yīng)單分子化合物排出高熔點組份，部分殘留在粉末顆粒接觸處，賦予脫脂坯體足夠點組份，部分殘留在粉末顆粒接觸處，賦予脫脂坯體足夠強度強度. 溶劑脫脂溶劑脫脂(solvent debinding)：利用粘結(jié)劑組份在溶劑中的選利用粘結(jié)劑組份在溶劑中的選 擇性溶解，粘結(jié)劑擴散逸出注射坯體。過程進行速度慢。擇性溶解，粘結(jié)劑擴散逸出注射坯體。過程進行速度慢。5. 脫脂脫脂School of Materials Science and Engineering注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)注射坯件的微觀結(jié)構(gòu)School of Materials Science and Engineering脫脂過程脫脂過程School of Materials Science and Engineering溶劑脫脂溶劑脫脂+熱脫脂熱脫脂 先采用溶劑脫脂