《功能材料制備與成形》課件第三章 軋制成型

1、鋼鋁復(fù)合板鋼銅復(fù)合板銅合金軸瓦大型主軸瓦粉末軋制產(chǎn)品銅合金軸瓦大型主軸瓦第三章 軋 制 成 型Metal Powder Rolling 粉末軋制是一種連續(xù)成型工藝。使用粉末軋制工藝可以生產(chǎn)出長度不受限制的壓坯，如帶、條、棒坯等。第1節(jié) 軋制成型原理鋼鋁復(fù)合板鋼銅復(fù)合板銅合金軸瓦 將具有塑性變形能力或者通過添加塑性粘結(jié)劑方式使粉末具有一定塑性變形能力的粉末，在壓力條件下將粉料不斷送入轉(zhuǎn)動方向相反且處在同一平面的兩個軋輥之間的縫隙，通過軋輥的壓力將粉料壓實成連續(xù)的坯材。第1節(jié) 軋制成型原理3.1 軋制成型原理圖31粉末軋制示意圖1、可軋制出板、帶材等（尤多層復(fù)合板、帶）工藝流程短、節(jié)能、成本較低；

2、2、壓坯或產(chǎn)品成分精確可控、軋制產(chǎn)品各向同性；3、成材率較高。第1節(jié) 軋制成型原理軋制成型的優(yōu)點 適用于生產(chǎn)寬度幾百mm，厚度10mm以下，長度原則不限的板帶材，或D/很大的襯套等若軋制時加熱，稱之為熱軋，否則稱之為冷軋。軋制成型的分類 粉末直接軋制（Direct powder rolling） 用于塑性較好粉末 粉末粘接軋制（Bonded powder rolling） 加入粘結(jié)劑,用于氧化物粉末 包套粉末軋制（Canned powder rolling） 用于活性粉末 按照型坯離開軋輥的方向，軋制分垂直軋制、水平軋制、傾斜軋制。若軋制時加熱，稱之為熱軋，否則稱之為冷軋。圖32 軋制基本方式

3、垂直軋制傾斜軋制水平軋制按軋制排布方式分類3.1.1 粉末在軋制過程中的流動與變形 粉末軋制時致密化過程：當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)動時，由于摩擦力作用，粉末被帶進(jìn)棍縫中，被連續(xù)轉(zhuǎn)動的軋輥連續(xù)地壓縮。圖33 軋輥間粉末分區(qū)A：供料自由流動區(qū)B：喂料咬入?yún)^(qū)C：壓實區(qū) 軋輥間的粉末可劃分為三個區(qū)域：該單元的自重及上方粉體對它產(chǎn)生的向下的壓力Q軋輥對粉體的徑向壓力R周圍粉體對該單元體積的側(cè)壓力P粉體與軋輥表面之間的摩擦力T（由軋輥轉(zhuǎn)動所引起）確定咬入條件的受力分析圖3.1.2 咬入條件 在咬入?yún)^(qū)內(nèi)貼近軋輥曲面上取一微小粉料單元，該體積單元所受到的力有：確定咬入條件的受力分析圖3.1.2 咬入條件 Tcos+Q - R

4、sin 貼近軋輥曲面的粉體單元所受各種力在x軸(即咬入)方向的合力為：(3-1)Tcos+Q-Rsin 0只有當(dāng)此合力大于零：(3-2)T R由于： Rcos+Q Rsin 或 所以：-摩檫系數(shù)圖34 確定咬入條件的受力分析圖因為Q/Rcos為垂直壓力與它所引起的側(cè)壓力之比,有： （側(cè)壓系數(shù)） 故有： tg+這就是咬入的基本條件。 a 稱為咬入角（3-3）由于松裝時， 45度3.2.2 軋制方式 軋制方式分垂直軋制、水平軋制、傾斜軋制；不同方式得到的坯體的特性有差別。 輥縫距離/mm帶坯厚度/mm水平軋制垂直軋制0.250.330.440.370.450.530.500.570.640.620

5、.680.74表31 垂直軋制與水平軋制的帶坯比較多數(shù)選擇水平軋制 在其它條件相同時，水平軋制坯的密度較垂直軋制坯略低，在同樣密度條件下，水平軋制坯的厚度也較垂直軋制坯低。傾斜軋制坯的厚度、密度居垂直軋制坯與水平軋制坯之間。大家想想，為什么？課堂習(xí)題：3.2.3 軋輥直徑 圖320 軋輥直徑對帶坯厚度的影響 隨軋輥直徑增加，帶坯的厚度呈直線增加。 事實上，帶坯的密度也隨軋輥直徑增加而增加。h= D(1-cos) / ( Z - 1) (3-13)(3-14) 采用直徑較大的軋輥，在其它條件不變時，可以獲得厚度或密度較大的帶坯。 圖321 軋輥直徑對帶坯厚度的影響 （壓制系數(shù)、咬入角相同） 對某

6、種粉末，若延伸系數(shù) 、壓制系數(shù)、咬入角 一定，對照圖3-21，可得：0/R=H0/HR 大輥對應(yīng)于厚度大的帶坯。 咬入?yún)^(qū)、壓實區(qū)的大小也取決于軋輥的直徑。 圖322 軋輥直徑對變形區(qū)大小的影響 這里大小輥的直徑分別為D2、D1，若供料高度、軋輥縫隙不變，咬入角也相差極小，則大輥對應(yīng)的咬入厚度為2 ，大于小輥對應(yīng)的咬入厚度1。也即在單位時間大輥可以比小輥咬入更多的粉末，因此坯體的密度也高。圖323 軋輥直徑對電解質(zhì)帶坯特征的影響結(jié)論： 要獲得厚度和相對密度較大的帶坯，應(yīng)采用直徑較大的軋輥；要獲得較薄的帶坯應(yīng)采用直徑較小的軋輥。3.2.4 軋輥的縫隙1) 回彈值 軋制過程中，軋輥處于彈性變形狀態(tài)，

7、軋出的帶坯厚度大于軋輥的原始縫隙，等于原始縫隙加上某一個數(shù)值，該數(shù)值稱為回彈值。 回彈值相當(dāng)于彈性后效。 回彈值不僅包括坯體本身的彈性變形值，還包括軋輥的彈性變形及支撐軋輥的各部件的彈性變形值。 軋制壓力越大，回彈值越高。 2）負(fù)縫距 由于有回彈值，軋輥的縫隙尺寸通常設(shè)計為比軋制出的坯體的厚度小。 在軋制薄帶材時，軋輥間的原始縫隙甚至采用負(fù)縫距。負(fù)縫距，兩軋輥的中心距與半徑和的差值為負(fù)數(shù)。 在粉末軋制前，軋輥間不僅沒有縫隙，還由于相互壓緊，使軋輥產(chǎn)生了一定的彈性變形，導(dǎo)致兩軋輥的中心距小于軋輥的半徑和。 產(chǎn)生負(fù)縫距需要對軋輥施加預(yù)壓力，預(yù)壓力越大，負(fù)縫距越大。 預(yù)壓力的消耗使粉末軋制時所需壓力

8、增大。圖324 輥縫距與軋制壓力的關(guān)系3）軋輥縫隙對坯體性能的影響圖325輥縫對鈦粉帶坯性能的影響3）軋輥縫隙對坯體性能的影響 隨輥縫的增大，帶坯的厚度增加，密度和強(qiáng)度下降。 對金屬粉末的軋制，帶坯的厚度一般不超過軋輥直徑的1%1.5%。 隨輥縫的減小，所需軋制力卻增大； 輥縫小到一定程度時，坯體的不均勻程度增加。1）軋輥的表面粗糙度表面粗糙度越大，摩擦系數(shù)也越大。 軋輥表面加工狀態(tài)帶坯厚度/mm高度拋光0.35平滑無光0.55噴砂處理0.70表3-2 軋輥表面狀態(tài)對帶坯厚度的影響tg+ 4） 軋輥的表面狀態(tài) 帶坯的厚度與密度隨軋輥的表面粗糙度增加而增加，增加的趨勢逐漸變緩，當(dāng)粗糙度達(dá)到7微米

9、時，厚度與密度幾乎不再增加。實際經(jīng)驗表明5）軋輥表面的粘粉程度 在軋制力作用下，變形的粉末顆粒與軋輥間會產(chǎn)生某種程度的粘聯(lián)，也即產(chǎn)生粘輥現(xiàn)象。 粘輥是普遍現(xiàn)象，只是程度上有差異。 壓力越大，粘輥現(xiàn)象越明顯，最后趨于穩(wěn)定。 粉末粘輥改變了軋輥的表面狀態(tài)，增大摩擦系數(shù)。 圖326 粘粉造成帶坯性能沿長度方向變化（電解鎳粉，平均粒徑1525微米，松裝密度1.21.6g/cm3 ，輥徑16mm，軋制速度1.5m/min) 由于粉末粘輥，造成帶坯在開始一段時間里，密度與厚度逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定。圖327 輥面粗糙度對帶坯性能的影響1粗銅粉；2鐵粉；3細(xì)銅粉；4粗鐵粉(輥縫：1、2、3為0.1mm；4為

10、0.25mm)3.2.6 軋制速度 定義為軋輥的轉(zhuǎn)動的線速度或坯體的軋出速度。1）軋制速度對軋坯質(zhì)量的影響提高軋制速度，會降低摩擦系數(shù)，從而減少粉末咬入量；較快的軋制速度，意味著粉末在變形區(qū)被迅速壓縮，被擠出的氣體向后流動（前方是壓實區(qū)），形成所謂方向氣流，阻礙供料區(qū)粉末流入咬入?yún)^(qū)，同樣減少粉末咬入量。而減少粉末咬入量，會造成帶坯密度與厚度減小。 軋制速度增加，排氣困難，坯體的密度及均勻形不高。軋制速度減慢，效率不高。3）影響軋制過程的因素（1）粉末性能 松裝密度： 松高，壓制壓力大，則厚度大 粉末流動性：流動性好，進(jìn)料速度高，厚度大 粉末硬度：硬度越高，成型性越差3）影響軋制過程的因素（2）

11、軋輥直徑直徑越大，壓力大，厚度大（3）軋制方式垂直軋制密度高、厚度大 如粉末中所含空氣量、粉末的粒度、粉末的可塑性等。一般鐵粉的軋制速度為0.6-30 M/min。軋制速度對帶坯性能的影響確定軋制速度的依據(jù) 軋制速度主要根據(jù)粉末的特性來決定：3.2.7 帶坯寬度 帶坯的寬度越大，坯體的密度減小，厚度增加。 圖328帶坯性能與帶坯寬度的關(guān)系 （1，2，3為牌號不同的鐵粉）原因：軋制總壓力與帶坯的寬度成正比。帶寬越大，總壓力越大，所引起的軋輥回彈值越大，輥縫也越大，而這必然引起帶坯的厚度越大；帶坯的厚度的增加，將使壓制系數(shù)減小，壓實系數(shù)也隨之減小，即帶坯的厚度的密度減小。3.3 熱軋 如不加以特別

12、說明，粉末軋制都是指冷軋，即在室溫下進(jìn)行的軋制。如果在加熱狀態(tài)進(jìn)行軋制，就成為熱軋。圖329 直接熱軋 1供料漏斗；2振動器；3低頻加熱器加熱的優(yōu)點： 粉末更容易發(fā)生塑性變形 溫度升高，材料的屈服抗力和加工硬化能力都降低。 粉末與軋輥間的摩擦系數(shù)增大 使咬入角增大從而提高坯體的厚度及密度。 在軋制時完成燒結(jié)1）粉末直接熱軋 將粉末在爐中或供料斗中預(yù)先加熱后，再進(jìn)行軋制。圖329 直接熱軋 1供料漏斗；2振動器；3低頻加熱器將冷軋坯加熱后，進(jìn)行軋制。 圖330 一種粉末帶材的熱軋2）冷軋坯的熱軋圖331 粉末包套環(huán)的軋制 1上軋輥；2金屬包套； 3粉末；4下軋輥 將粉末或者用粉末壓制的生坯裝入金

13、屬制包套中，抽真空后密封，再進(jìn)行熱軋，軋制成包套包裹的型材。3）粉末包套熱軋1）松裝密度 粉料松裝密度直接影響進(jìn)入咬入?yún)^(qū)的粉料密度，這兩者有正比關(guān)系。 一般來說，采用松裝密度較小、成型性好的粉料，可獲得孔隙率低、厚度薄的坯體；而采用松裝密度大、壓實性好的粉料，則可獲得密度較高、厚度較大的坯體。3.4 粉料性能對軋制工藝及制品的影響粉的松裝密度/g.cm-3軋制坯厚度/mm密度/g.cm-3可彎性0.900.3595.41371.170.4095.751.480.4356.21321.560.4426.3231311.680.4506.332030表3-3 鐵粉密度與帶坯性能的關(guān)系增加 2)流動

14、性 若粉料流動性不好，壓實區(qū)內(nèi)粉末不能得到及時、連續(xù)的補(bǔ)充，帶材的連續(xù)性和完整性就無法保證。粉料流動性/s帶坯性能厚度/mm密度/g.cm-3宏觀特征1320.5705.239帶坯完好1880.5485.118帶坯中間碎裂3270.4975.020帶坯中間碎裂嚴(yán)重 隨鐵粉流動性降低，帶坯的密度、厚度都減小，完整性也變差。表3-4 鐵粉流動性與帶坯性能的關(guān)系流動性差降低3) 壓實性和成型性 所謂壓實性，指在一定壓力下粉料被壓實的程度；而成型性是指壓力除去以后，所形成的坯體仍保持形狀的能力。 如果粉料能在較低的壓制壓力下成型成完整的、具有一定強(qiáng)度的帶坯，其成型性就好。 圖332 帶坯密度與軋制壓力

15、的關(guān)系 1銅粉；2鐵粉；37不同牌號電工鋼的混合粉 銅粉的壓實性和成型性均比鐵粉和混合粉好，故采用較小的軋制壓力可獲得相同致密度的帶坯。 相對密度鐵粉還原次數(shù)氧含量/%帶坯宏觀特征A11.93裂紋、重皮20.53表面光滑、不重皮B12.39裂紋、重皮21.08偶有重皮C11.20重皮不裂20.81不重皮 金屬粉末表面氧化后，壓實性和成型性會降低，進(jìn)而影響成型坯的性能。 表3-5 鐵粉含氧量與帶坯性能的關(guān)系3.5 軋膜成型 用于軋制成型的粉料，一般不加或只加進(jìn)了很少的成型劑，其型坯主要靠顆粒之間的機(jī)械咬合作用而聯(lián)成一體。這要求粉末本身具有很好的可塑性。金屬粉末具有這樣的可塑性，故金屬粉末被大量用

16、于粉末軋制成型。 對于瘠性（可塑性很差的）粉末，如可塑性差的金屬粉和陶瓷粉，要想制備成連續(xù)的帶材，不能采用粉末軋制成型，但可用軋膜成型。 將粉末與可塑性好的高分子（塑料、橡膠等）混合在一起，形成可塑性的泥料，再將泥料送進(jìn)軋輥間軋制。 最后得到的型坯厚度通常小于1mm，為膜狀帶坯，故稱之為軋膜成型 圖333軋膜成型原理 3.5.1軋膜成型原理 圖334軋膜機(jī)實例 液壓軋膜機(jī)陶瓷軋膜機(jī)軋膜成型有幾個特點(與粉末成型相比)，： 粉料不同，軋膜需要添加有機(jī)物 泥料可塑性完全源自成型劑 泥料是一個連續(xù)的整體 故對軋制時的供料裝置沒有特殊要求，甚至可以不需供料裝置。 一般，軋膜成型的裝置較粉末軋制裝置簡單

17、。 型坯的強(qiáng)度和韌性都很好 軋膜成型的帶坯可以卷曲、沖切。3.5.2 軋膜成型工藝 粘結(jié)劑 作用：其基本作用是把瘠性粉末粘結(jié)在一起，要有足夠的粘結(jié)力，并且有良好的成膜性能，即具有良好的延展性和韌性。 要求：在脫脂或燒結(jié)時，粘結(jié)劑應(yīng)能分解、燒失，殘留灰份要少，并無毒；粘結(jié)劑若為固體顆粒，要溶解在一定的溶劑中，再與粉末混合均勻。1) 成型劑： 成型劑由粘結(jié)劑、增塑劑和溶劑等三部分組成。3.5.2 軋膜成型工藝 常用的粘結(jié)劑有： 聚乙烯醇(PVA)、 甲基纖維素(MC)、 聚醋酸乙烯脂(PVAE)、 聚乙烯醇縮丁醛、 糊精、 合成橡膠。作用 插入粘結(jié)劑高分子的鏈段之間，增大鏈段間的距離，減弱鏈段間的

18、引力，使粘結(jié)劑在受擠壓變形后不出現(xiàn)彈性收縮和斷裂，從而提高坯料的可塑性；可降低粘結(jié)劑溶液的粘度. 增塑劑也是有機(jī)化合物，應(yīng)能很好的溶解于溶劑中，并應(yīng)無毒，且不易揮發(fā)。常用增塑劑 甘油、己酸三甘醇、鄰苯二甲酸二丁脂等。增塑劑 溶劑 作用：用于溶解粘結(jié)劑和增塑劑，應(yīng)對它們有足夠的溶解度。 常用的溶劑有： 水、乙醇、甲苯、丙酮、氣油（主要用于溶解橡膠） 從對環(huán)境和操作人員健康的影響以及脫脂等三方面考慮軋膜成型所采用的成型劑以水、甘油、甲基纖維素、聚醋酸乙烯脂最為常用。圖335 坯料的制備流程 2) 坯料的制備 粉末預(yù)燒 目的：1）減少粉末的比表面積，這樣可以少用成型劑； 2）使粉末穩(wěn)定化，讓粉末在升

19、溫過程中可能發(fā)生的分解反應(yīng)或相變提前進(jìn)行，以免危害今后的燒結(jié)； 3）除掉粉末吸附的氣體。 粉末預(yù)燒 成型劑配制 1）先將粘結(jié)劑溶解在溶劑中，為保證充分溶解，可適當(dāng)加熱，并充分?jǐn)嚢瑁?2）再將增塑劑溶入，繼續(xù)攪拌使增塑劑充分溶解，溶液中沒有結(jié)塊； 3）將此溶液過濾，以除掉溶液中的顆粒物； 4）最后將溶液放入烘箱中，讓部分溶劑蒸發(fā)，使溶液得粘度調(diào)整至理想值。 坯料的配方 即成型劑的組成、成型劑與粉末的比例。 在滿足可塑性要求情況下，成型劑越少越好。 坯料的配方一般要由成膜實驗來確定。粉末種類成型劑配比/g每100g粉加成型劑量/g聚乙烯醇甘油乙醇蒸餾水95瓷2007560660283075瓷150

20、85757207502830電容器瓷9002404803400高頻3035低頻2527壓電陶瓷90024048040001820表3-6 軋膜成型坯料配方實例 初混 將成型劑溶液與固體粉末混合成較為均勻的坯料。 將粉末加入到成型劑溶液中，并不斷攪拌（人工或機(jī)械），直至混合均勻，形成初始坯料。 初始坯料呈泥狀,其可塑性仍不能滿足要求，還需進(jìn)一步混練。 混練 混練，也稱初軋，將初始坯料放在軋膜機(jī)上反復(fù)軋制。 前幾道軋制時，軋輥的輥縫較大；以后軋制時，輥縫逐漸減小；軋制過程伴以吹風(fēng)，使溶劑逐漸揮發(fā)；軋制過程不僅使成型劑和顆粒分布更加均勻，而且使氣泡不斷排出坯料。 最后得到粘度適當(dāng)、成分均勻、致密的軋

21、輥成型坯料。 3)軋膜 軋膜，又稱精軋，即將制備好的成型坯料在軋膜機(jī)上按照一定的工藝制度進(jìn)行多道次軋制。 每次都將它軋成膜帶，軋下一次前，都要將輥縫縮小一點，以使膜帶厚度逐漸減小，并使軋制方向改變90o，直至達(dá)到要求的厚度。 不斷改變軋制方向的原因是：在軋膜成型時，坯料主要是在坯體厚度、長度方向受力和變形，在坯體寬度方向受力和變形都較小，結(jié)果是粉末顆粒密度在坯體寬度方向小于沿厚度、長度方向。在隨后干燥、燒結(jié)過程中，坯體的收縮率必然是沿坯體寬度方向的數(shù)值大于沿厚度、長度方向的數(shù)值。當(dāng)這種現(xiàn)象嚴(yán)重時，坯體中出現(xiàn)縱向裂紋。 若不斷改變軋制方向，可以減小粉末顆粒的密度分布在不同方向上的差異，但不能解決根本問題，因為最后一次軋制必然要留下其影響。 軋膜成型適合于生產(chǎn)厚度范圍在0.081mm的薄帶。 3.6 楔型壓制 粉末軋制的最大缺點是不能軋制較厚 (大于10mm)的板材,否則要采用直徑很大的軋輥。 為了能制造較厚板材，出現(xiàn)了楔型壓制。 這種方法是將陰模做成長度很長的條狀，沖頭很短并采用一半為平面一半為斜面的結(jié)構(gòu)，從左端開始壓制，