粉末材料及其成形技術(shù)

1、第第19講講 第第6章粉末材料及其成形技術(shù)章粉末材料及其成形技術(shù) 6.3粉末材料及其成形粉末材料及其成形新技術(shù)新技術(shù) 6.3.1 噴射成形噴射成形 6.3.2 等靜壓成形等靜壓成形 6.3.3 粉末材料注射成形粉末材料注射成形原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 6.3.4 激光激光快速燒結(jié)成形快速燒結(jié)成形 6.4 粉末成形料坯的燒結(jié)及氣體保護(hù)粉末成形料坯的燒結(jié)及氣體保護(hù) 6.3粉末材料及其成形新技術(shù)粉末材料及其成形新技術(shù) 典型粉末冶金產(chǎn)品的成形方法及工藝典型粉末冶金產(chǎn)品的成形方法及工藝: : n粉末成形新技術(shù)主要有：粉末成形新技術(shù)主要有： n噴射成形(粉末制備與成形一體化)、 n靜壓成形、 n注射成形、 n

2、激光快速成形。 噴射成形原理：噴射成形原理：用高壓惰性氣體將金屬液流霧 化成細(xì)小液滴，并使其沿噴嘴的軸線方向高 速飛行，在這些液滴尚未完全凝固之前， 將其沉積到一定形狀的接收體上成形。 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：與傳統(tǒng)鑄造或變形工藝制備材料 相比，由于快速冷卻使顯微組織明顯細(xì) 化、相析出細(xì)小而均勻分布，使材料的化 學(xué)成分和組織在宏觀和微觀上都得到了有 效的控制，材料的力學(xué)性能各向同性，其 總體性能明顯提高。復(fù)合成形復(fù)合成形 應(yīng)用：應(yīng)用：廣泛用于高速鋼、高溫合金、鋁合金、 銅合金等先進(jìn)材料的開發(fā)和生產(chǎn)上，其中， 高性能鋁合金是噴射成形技術(shù)領(lǐng)域最具吸引 力的開發(fā)方向。航空航天、國防等領(lǐng)域。 6.3.1噴

3、射成形噴射成形：又稱為噴射沉積或噴射鑄造。它是上世 紀(jì)八十年代，發(fā)達(dá)國家在傳統(tǒng)的快速凝固快速凝固和和粉末粉末冶金工藝的基礎(chǔ)冶金工藝的基礎(chǔ) 上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形材料制備與成形技術(shù)技術(shù)。該技術(shù)于 1972年由英國的Osprey金屬公司首獲專利，又稱為Osprey工藝。 噴射成形噴射成形 噴射成形的組織特征噴射成形的組織特征 鑄態(tài)組織與噴射成形組織比較(Al-20Si) 6.3.2 等靜壓成形等靜壓成形 借助高壓泵的作用把流體介質(zhì) （氣體或液體）壓入耐高壓的 鋼質(zhì)密封容器內(nèi)，高壓流體的 靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi) 的粉料上，粉料在同一時間內(nèi)、 在各個方向

4、上均衡地受壓而獲 得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的 壓坯。 有：冷等靜壓（冷等靜壓（CIPCIP）和熱）和熱等靜等靜 壓（壓（HIPHIP）兩種兩種。 圖620等靜壓成形示意圖 等靜壓制法等靜壓制法比普通鋼模壓制法有下列比普通鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： n1）能夠壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的零件； n2）壓制時，粉末體與彈性模具的相對移動很小，所以摩 擦損耗也很小，單位壓制壓力較鋼模壓制法低； n3）能夠壓制各種金屬粉末和非金屬粉末，壓制坯件密度 分布均勻，對難熔金屬粉末及其化合物尤為有效； n4）壓坯強(qiáng)度高，便于加工和運(yùn)輸； n5）冷等靜壓的模具材料是橡膠和塑料，成本較低； n6）能在較低的溫

5、度下制得接近完全致密的材料。 等靜壓制法的缺點(diǎn)是等靜壓制法的缺點(diǎn)是： n1）對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的精度都比鋼模壓 制法低； n2）盡管采用干袋式或批量濕袋式的等靜壓制，生產(chǎn)效率 有所提高，但通常其生產(chǎn)效率仍低于自動鋼模壓制法； n3）所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。 n冷等靜壓（CIP），常用水或油作壓力介質(zhì)，故有液靜壓、 水靜壓或油靜壓之稱； n熱等靜壓（HIP），常用氣體（如氬氣）作壓力介質(zhì)（高 溫高壓氣體），故有氣體熱等靜壓之稱。 冷等靜壓機(jī)工作系統(tǒng)示意圖冷等靜壓機(jī)工作系統(tǒng)示意圖 冷等靜壓模具冷等靜壓模具 圖6-22 燒結(jié)-熱等靜壓：把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊

6、放入熱等靜壓機(jī)高壓容器內(nèi)，依次進(jìn)行脫蠟、燒 結(jié)和熱等靜壓制，使工件的相對密度接近100%。 圖6-23 脫蠟-燒結(jié)-熱等靜壓時溫度、壓力及時間的關(guān)系 n航空航天精密鑄件：航空航天精密鑄件： 通常采用熱等靜壓后處理工藝，來封閉鑄件 內(nèi)部的縮松、微縮孔； 粉末冶金零件熱等靜壓后處理工藝，致密 鑄件，提高零件強(qiáng)度。 熱等靜壓研究進(jìn)展熱等靜壓研究進(jìn)展 6.3.3 粉末材料注射成形原理及應(yīng)用粉末材料注射成形原理及應(yīng)用 粉末注射成形（Powder Injection Molding, PIM）是一種采用粘結(jié) 劑固結(jié)金屬粉末、陶瓷粉末、復(fù)合材料、金屬化合物的一種特殊成形 方法，它是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上，

7、結(jié)合塑料工業(yè)的注射成形技 術(shù)而發(fā)展起來的一種近凈成形（Near-Shaped）技術(shù)。 PIM工藝主要包括粘結(jié)劑與粉末的混合、制粒、注射成形、脫脂及 燒結(jié)五個步驟。 常見的粉末注射成形方法是：金屬粉末的注射成形（Metal Powder Injection Molding, MIM）和陶瓷粉末的注射成形（Ceramic Injection Molding, CIM）兩種。 金屬粉末的注射成形（MIM）原理及關(guān)鍵技術(shù)。 圖624注射成形示意圖 1裝料斗2注射混合料3轉(zhuǎn)動連軸器4料筒5螺桿6加熱器7制品 8冷卻套9模具10移動模板11液壓中心頂桿12活動撐桿13注射液壓缸 （1）MIM的基本工藝流程

8、的基本工藝流程 金屬粉末 粘結(jié)劑 混煉 制粒注射成形 料坯件脫脂燒結(jié) 零件 （2）注射過程自動化框圖注射過程自動化框圖 圖圖6-25 （3）MIM技術(shù)的特點(diǎn)技術(shù)的特點(diǎn) n1）技術(shù)優(yōu)勢）技術(shù)優(yōu)勢 n傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，MIM技術(shù)可以制造前者無者 制造的零件，拓寬了粉末冶金的應(yīng)有用范圍。 n傳統(tǒng)粉末冶金產(chǎn)品大多存在密度不均，造成性差異； 而用MIM技術(shù)制造的產(chǎn)品具有性能各向同性，組織均勻。 n與精密（熔模）鑄造相比，MIM的尺寸精度更高、沒 有鑄造的成分偏析。如下表示。 精密鑄造MIM 最小孔直徑（mm）20.4 盲孔最大深度（2mm）220 最小壁厚（mm）21 最大壁厚（mm）10 4mm直

9、徑的公差（mm）0.20.06 表面粗糙度Ra （m）51 n 與傳統(tǒng)粉末冶金（PM-Powder Metallurgy）技 術(shù)相比。如下表所示。 粉末粘結(jié)劑成形脫脂燒結(jié) MIM球形、微細(xì) 粉 大量，提供流動性注射時間長收縮大、均勻、密 度高 PM粗粉少量，作潤滑劑模壓時間短收縮小、不均、密 度低 各種零件制造方法運(yùn)用范圍（模壓燒結(jié)、粉末注 射成形、精密鑄造成形） ）MIM技術(shù)的不足技術(shù)的不足 .采用大量高分子聚合物作粘結(jié)劑，提高了粉末的流動性，可以成形雜形狀 的零件，但粘結(jié)劑的脫除卻是一個需要嚴(yán)格控制的長時間的過程； .需要采用微細(xì)粉作原料，微細(xì)粉的價格高； n.小批量生產(chǎn)形狀簡單的零件，M

10、IM無法取代傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)導(dǎo)地位； n.受到脫脂的限制，MIM技術(shù)難于制造壁厚較大的零件（這一點(diǎn)，也大 大地限制了MIM技術(shù)的應(yīng)用）； （4）MIM技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵 nMIM的技術(shù)關(guān)鍵是粘結(jié)劑技術(shù)（包括：粘結(jié)劑的制 備技術(shù)、粘結(jié)劑的脫除技術(shù)）。 n對于特定的粉末要選擇恰當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑體系，且必須 保證粘結(jié)劑在脫脂階段快捷、順利地脫除，使產(chǎn)品在 燒結(jié)前不出現(xiàn)變形、開裂等缺陷。 n粘結(jié)劑的配方和脫脂工藝往往是企業(yè)或公司的保密 核心或受專利保護(hù)。 n除粘結(jié)劑技術(shù)外，脫脂技術(shù)、脫脂技術(shù)、MIMMIM專用設(shè)備技術(shù)、零專用設(shè)備技術(shù)、零 件尺寸精度的控制技術(shù)等，對件尺寸精度的控制技術(shù)等，對MIMMIM零件的性

11、能與精度都零件的性能與精度都 有重要影響。（詳見教材）有重要影響。（詳見教材） （5）MIM技術(shù)的發(fā)展動向技術(shù)的發(fā)展動向 .粉末共注射成形技術(shù)（Powder Co-injection Molding, PCM）?？梢陨a(chǎn)出復(fù)合材料零部件。 .微型注射成形技術(shù)（Micro-MIM）。該技術(shù)在微 （精、細(xì)）型制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。 （a） 不銹鋼表帶扣環(huán) (b) 汽車制動器零件 MIM零件舉例 6.3.4 激光快速燒結(jié)成形激光快速燒結(jié)成形 粉末材料的選擇性激光燒結(jié)（粉末材料的選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, Selective Laser Sinterin

12、g, 簡稱簡稱SLSSLS）成形系統(tǒng)如圖）成形系統(tǒng)如圖6-29所示。屬快速成形領(lǐng)域。所示。屬快速成形領(lǐng)域。 該系統(tǒng)主要由激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉該系統(tǒng)主要由激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺、供粉 筒、鋪粉輥和工作缸等構(gòu)成。筒、鋪粉輥和工作缸等構(gòu)成。 成形零件 升降工作缸 圖6-29 SLS成形過程的示意圖 掃描鏡裝置 激光器 激光束 鋪粉輥 工作臺面 粉末材料 擴(kuò)束聚焦鏡 SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖系統(tǒng)的工作過程流程圖 N Y N Y 確定所加工的零件 選擇數(shù)據(jù)處理方法 成型工藝的優(yōu)化選擇 工藝準(zhǔn)備鋪粉 掃描 掃描完成？ 工作臺下降一層厚 成型件加工完畢？ 結(jié)束 圖6-3

13、0 SLS系統(tǒng)的工作過程流程圖 用用SLSSLS原型快速鑄造金屬零件原型快速鑄造金屬零件 nSLS原型的原材料一般為粉末材料。 n當(dāng)材料為石蠟、塑料等時，制出的SLS 原型用于生產(chǎn)金屬零 件的方法與SLA原型用來生產(chǎn)金屬零件的方法相同。 n當(dāng)材料為金屬粉末時，直接燒結(jié)成金屬零件（目前，直接由 SLS燒結(jié)成的金屬零件在強(qiáng)度和精度上都很難達(dá)到理想的結(jié) 果）。當(dāng)前用SLS法直接制作金屬件的成功方法是，在SLS原 型經(jīng)焙燒后滲入低熔點(diǎn)的金屬。 n當(dāng)材料為陶瓷粉末或鑄造砂等時，可直接燒結(jié)鑄造用（陶瓷 等材料）殼型來生產(chǎn)各類鑄件，甚至是復(fù)雜的金屬零件。用 這種方法直接快速生產(chǎn)各類金屬鑄件具有很大的實(shí)用價值。 用用SLS方法快速鑄造的砂型及鑄件方法快速鑄造的砂型及鑄件 SLS方法與