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§11.5粉末注射成形技術(shù)

粉末注射成形(powderinjectionmolding,簡(jiǎn)稱PIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門近凈形成形新技術(shù)。它的基本工藝過(guò)程如圖11-14所示。

第11章粉末冶金新技術(shù)新工藝§11.5粉末注射成形技術(shù)粉末注射成形(p1粉末注射成形的基本工藝過(guò)程是:首先將固體粉末與有機(jī)黏結(jié)劑均勻混合并制成粒狀喂料,在加熱狀態(tài)下用注射成形機(jī)將其注入模腔內(nèi)冷凝成形,然后用化學(xué)溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結(jié)劑脫除,最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以直接制造出具有最終形狀的零部件,產(chǎn)品不僅精度高、組織均勻、性能優(yōu)異,而且生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)成形工藝的20%~60%。因此,國(guó)際上普遍認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致零部件成形與加工技術(shù)的一場(chǎng)革命,已成為國(guó)際上“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”。

粉末注射成形的基本工藝過(guò)程是:首先將固體粉末2

粉末注射成形技術(shù)的原型起源于20世紀(jì)20年代,最早是應(yīng)用于制造陶瓷火花塞。第二次世界大戰(zhàn)期間,在美國(guó)的曼哈頓計(jì)劃中,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用粉末注射成形方法制備了用于原子彈核燃料鈾同位素分離的鎳管。1976年,第一項(xiàng)金屬粉末注射成形技術(shù)的專利授權(quán)給River。由于當(dāng)時(shí)粉末原料成本高、脫脂時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品易變形等問(wèn)題沒有解決,其發(fā)展非常緩慢。直道1979年,美國(guó)Parmatech公司有兩件PIM產(chǎn)品在國(guó)際粉末冶金大會(huì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽中獲獎(jiǎng)后,PIM技術(shù)才開始受到粉術(shù)冶金界的關(guān)注。

粉末注射成形技術(shù)的原型起源于20世紀(jì)20年代,320世紀(jì)80年代由于美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的介入,使研究工作向深層次發(fā)展,從完全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入到在一定理論指導(dǎo)下工作,這一時(shí)期PIM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。這一方面歸于在流體力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)研究成果基礎(chǔ)上開發(fā)出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術(shù)的發(fā)展,使細(xì)粉率大大提高,原材料成本下降。另一方面,在黏結(jié)劑設(shè)計(jì)理論和脫脂機(jī)理等研究成果的指導(dǎo)下,新一代黏結(jié)劑及其脫除技術(shù)的開發(fā)成功,不僅使原來(lái)的脫脂時(shí)間從數(shù)十小時(shí)縮到幾個(gè)小時(shí),而且其保形性得到明顯的改善,大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品的尺寸精度從±0.5%提高到了±0.3%。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,一方面,是PIM工藝進(jìn)一步改進(jìn),新材料、新工藝不斷涌現(xiàn),另一方面,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展非常迅速。20世紀(jì)80年代由于美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的4黏結(jié)劑是PIM技術(shù)的核心,在PIM中黏結(jié)劑具有增強(qiáng)粉體流動(dòng)性和維持坯塊形狀的兩個(gè)基本職能,此外它還應(yīng)具有易于脫除、無(wú)污染、無(wú)毒性、成本合理等特點(diǎn)。黏結(jié)劑一般是由低分子量組元與高分子量組元加上一些必要的添加劑和表面活性劑構(gòu)成。

低分子量組元黏度低,流動(dòng)性好,易脫去;高分子量組元黏度高,強(qiáng)度高,保證成形坯具有一定的強(qiáng)度。添加劑和表面活性劑主要用以增強(qiáng)黏結(jié)刺的流動(dòng)性和與粉末的相容性。各組元以適當(dāng)比例搭配以獲得高的粉末裝載量,最終得到高精度和高均勻性的產(chǎn)品。通常采用的黏結(jié)劑體系主要有:熱塑性體系(石蠟基、汕基和聚合物基)、熱固性體系、熱固-熱塑性體系,凝膠體系和水溶性體系等。表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方。

黏結(jié)劑是PIM技術(shù)的核心,在PIM中黏結(jié)劑具5表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方:表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方:6材料加工新技術(shù)與新工藝112課件7傳統(tǒng)的黏結(jié)劑在熱脫脂過(guò)程中,由于幾乎是在成形坯內(nèi)外同時(shí)分解,脫脂速率極慢,往往需要數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)天,加快熱脫脂速度往往會(huì)造成鼓泡和開裂等無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。采用液/固或氣/固界面反應(yīng)脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂),可以使脫脂過(guò)程由外及里推進(jìn),可以有效地提高脫脂速率,已成為黏結(jié)劑開發(fā)的主要發(fā)展方向。由于水的價(jià)格低廉、無(wú)毒,有利于環(huán)保,開發(fā)水溶性黏結(jié)劑體系是溶劑脫脂技術(shù)研究的重點(diǎn)。由德國(guó)BASF公司開發(fā)的黏結(jié)劑及其催化脫脂技術(shù)是目前應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中最先進(jìn)的脫脂技術(shù)之一,并可為粉末注射成形廠家直接供應(yīng)喂料和提供后續(xù)生產(chǎn)工藝。德國(guó)CREMER公司已開發(fā)出了適應(yīng)該技術(shù)的連續(xù)脫脂和燒結(jié)一體化爐,該技術(shù)的脫脂速率可達(dá)到1~4mm/h。傳統(tǒng)的黏結(jié)劑在熱脫脂過(guò)程中,由于幾乎是在成形8粉末注射成形技術(shù)由于采用了大量的黏結(jié)劑作為粉末流動(dòng)填充模腔的載體,所以可以像成形塑料那樣制備出各種任意形狀的粉末冶金零部件,這是傳統(tǒng)粉末冶金模壓工藝不可能達(dá)到的。由于射成形是一種近凈形成形工藝,產(chǎn)品基本上不需要后續(xù)加工,有些需要幾十道機(jī)加工工序才能完成的產(chǎn)品采用PIM可以一次成形,制造成本相對(duì)較低。PIM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)零部件一體化。由于加工技術(shù)或者材料性能的原因,有些部件采用傳統(tǒng)技術(shù)制造時(shí),需要加工成幾個(gè)零件來(lái)組裝,有時(shí)幾個(gè)零件的材料還不一樣。

粉末注射成形技術(shù)由于采用了大量的黏結(jié)劑作為粉9采用PIM技術(shù)則可以直接制成一個(gè)整體復(fù)合部件如圖11-15所示。

采用PIM技術(shù)則可以直接制成一個(gè)整體復(fù)合部件如10由于注射成形的原料是以流態(tài)狀均勻充填模腔,成形坯粉術(shù)密度分布均勻,避免了粉冶金模壓工藝中由于模壁摩擦壓力損失所造成的成形坯密度分布不均勻問(wèn)題,這樣可以大大減少燒結(jié)變形。此外,由于PIM技術(shù)所用的粉來(lái)一般較細(xì),產(chǎn)品燒結(jié)后可以達(dá)到很高的密度,因此,PIM產(chǎn)品的力學(xué)性能一般優(yōu)于粉末冶金模壓和精密鑄造產(chǎn)品。圖11-16是一些典型的粉末往射成形產(chǎn)品的照片。由于注射成形的原料是以流態(tài)狀均勻充填模腔,成11材料加工新技術(shù)與新工藝112課件12§11.6溫壓成形技術(shù)溫壓成形的基本工藝過(guò)程是:將專用金屬或合金粉和聚合物潤(rùn)滑劑混合后,采用特制的粉末加熱系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)和模具加熱系統(tǒng),升溫到75~150℃,壓制成壓坯,再經(jīng)預(yù)燒、燒結(jié)、整形等工序。采用溫壓成形技術(shù)可獲得密度高達(dá)7.2~7.5g/cm3的鐵基粉末冶金零件。溫壓成形的工藝路線如圖11-17所示。

§11.6溫壓成形技術(shù)13溫壓可以顯著提高壓坯密度的機(jī)理一般歸于在加熱狀態(tài)下粉末的屈服強(qiáng)度降低(如圖11-18所示)和潤(rùn)滑劑作用增強(qiáng)。溫壓成形技術(shù)由Hoeganaes公司于1994年正式工業(yè)化應(yīng)用,并推出了Ancordense和Densemix兩種牌號(hào)的溫壓成形專用粉末。在材料達(dá)到同等密度的前提下,溫壓工藝的生產(chǎn)成本比粉末鍛造低75%,比復(fù)壓/復(fù)燒低25%,比滲銅低15%。

溫壓可以顯著提高壓坯密度的機(jī)理一般歸于在加熱14在零件達(dá)到同等力學(xué)性能和加工精度的前提下,溫壓工藝的生產(chǎn)成本比現(xiàn)行熱、冷機(jī)械加工工藝低50%~80%,生產(chǎn)效率提高10~30倍。溫壓成形因其成本低、密度高、模具壽命長(zhǎng)、效率高、工藝簡(jiǎn)單、易精密成形和可完全連續(xù)化、自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注,被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代粉末冶金零件致密化技術(shù)的一項(xiàng)重大突破,被譽(yù)為“開創(chuàng)粉末冶金零件應(yīng)用新紀(jì)元的一項(xiàng)新型制造技術(shù)”。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造汽車零件和磁性材料制品,如:渦輪輪轂、形狀復(fù)雜的齒輪和斜齒輪、鎖零件、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿和閥座等。

在零件達(dá)到同等力學(xué)性能和加工精度的前提下,溫15溫壓成形的鐵基材料的力學(xué)性能可以與鍛鋼比美,兩者的屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度都基本相當(dāng),因此可以用溫壓成形制品來(lái)取代部分鍛鋼產(chǎn)。需要指出的是,粉術(shù)冶金產(chǎn)品的伸長(zhǎng)率一般較低,選擇溫壓成形工藝需要考慮其產(chǎn)品的延性和沖擊韌性。溫壓成形技術(shù)使用的壓機(jī)和模具與傳統(tǒng)模壓基本相同,惟一不同的是溫壓成形需要一套粉末和模具加熱系統(tǒng)。模具和粉末的溫度一定要均勻和穩(wěn)定,一般控制在±2.5℃,最高溫度不超過(guò)170℃,超過(guò)此溫度后,添加的潤(rùn)滑劑和黏結(jié)劑就會(huì)分解,從而影響粉末的流動(dòng)性。

溫壓成形的鐵基材料的力學(xué)性能可以與鍛鋼比美,16§11.7熱壓成形技術(shù)

熱壓又稱為加壓燒結(jié),是把粉末裝在模腔內(nèi),在加壓的同時(shí)使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低一些,經(jīng)過(guò)較短時(shí)間燒結(jié)獲得致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個(gè)工序一并完成,可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結(jié)所達(dá)不到的密度,從這個(gè)意義上說(shuō),熱壓是一種強(qiáng)化燒結(jié)。原則上,凡是用一般方法能制得的粉末零件,都適于用熱壓方法制造,尤其適于制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。熱壓方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低成形壓力和縮短燒結(jié)時(shí)間,另外,可以制得密度較高和晶粒較細(xì)的材料。§11.7熱壓成形技術(shù)17熱壓??蛇x用高速鋼及其他耐熱合金,但使用溫度應(yīng)在800℃以下。當(dāng)溫度更高(1500~2000℃)時(shí),應(yīng)采用石墨材料,但承壓能力卻降低到70MPa以下。一般對(duì)于低溫、高壓的操作,可選擇金屬或硬質(zhì)合金模;高溫、低壓操作則選擇石墨模。熱壓加熱的方式分為電阻間接加熱式、電阻直接加熱式和感應(yīng)加熱式三種。●電阻間接加熱式電阻間接加熱是電流通過(guò)碳管發(fā)熱(圖中1),對(duì)模具和粉末坯同時(shí)加熱。

熱壓??蛇x用高速鋼及其他耐熱合金,但使用溫18●電阻直接加熱式(圖b)采用電阻直接加熱時(shí),電流主要通過(guò)壓橫材料發(fā)熱,使得與上下沖模和模腔接觸的部位比其他部位溫度高。●

感應(yīng)加熱式(圖c)采用感應(yīng)加熱時(shí),由于粉末坯塊中的渦流大小與坯塊密度有關(guān),在熱壓后期密度升高,電阻降低,渦流發(fā)熱也減少,溫度不好控制。因此,在進(jìn)行熱壓模具沒計(jì)時(shí),除了要保證溫度外,要特別注意溫度分布的均勻性?!耠娮柚苯蛹訜崾剑▓Db)●感應(yīng)加熱式(圖c)19為了減少空氣中氧的危害,真空熱壓機(jī)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在沒有真空熱壓機(jī)的條件下,可以采用如下措施來(lái)減少壓坯的氧化:(1)加熱前先將粉末壓實(shí):(2)模具配合嚴(yán)密,可防止空氣大量進(jìn)入模腔;(3)將保護(hù)氣氛經(jīng)過(guò)專門的管道引入模腔內(nèi);(4)將整個(gè)模具置入一密封的耐熱管中,并采用外置式間接加熱或感應(yīng)加熱方式;(5)在粉末中加進(jìn)一些高溫下能產(chǎn)生還原性氣氛的物質(zhì),如碳、金屬氫化物、酒精等。

為了減少空氣中氧的危害,真空熱壓機(jī)已經(jīng)得到廣20§11.8等靜壓成形技術(shù)等靜壓制是伴隨現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新的成形方法。通常,等靜壓成形按其特性分成冷等靜壓(CIP)和熱等靜壓(HIP),前者常用水或油作壓力介質(zhì),故有液靜壓、水靜壓或油水靜壓之稱;后者常用氣體(如缸氣)作壓力介質(zhì),故有氣體熱等靜壓之稱。

等靜壓成形是將待壓試樣置于高壓容器中,利用液體(或氣體)介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓,當(dāng)液體介質(zhì)通過(guò)壓力泵注入壓力容器時(shí),根據(jù)流體力學(xué)原理,其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向。此時(shí)高壓容器中的粉料在各個(gè)方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的?!?1.8等靜壓成形技術(shù)21等靜壓制過(guò)程是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)(氣體或液體)壓人耐高壓的鋼質(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)的粉末上,粉末體在同一時(shí)間內(nèi)在各個(gè)方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯(如圖11-20所示)。等靜壓制過(guò)程是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)(22等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn):

①能夠壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的壓件;②壓制時(shí),粉末體與彈性模具的相對(duì)移動(dòng)很小,所以摩擦損耗電很小,單位壓制力較鋼模壓制法低;③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(duì)難熔金屬粉末及其化合物尤為有效;④壓坯強(qiáng)度較高,便于加工和運(yùn)輸;⑤冷等靜壓的模具材料是橡膠和塑料,成本較低廉;⑥能在較低的溫度下制得接近完全致密的材料。等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn):23等靜壓制法的缺點(diǎn):

①對(duì)壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的光潔度都比鋼模壓制法低;②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,但一般地說(shuō),生產(chǎn)率仍低于自動(dòng)鋼模壓制法;③所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。等靜壓制法的缺點(diǎn):241.冷等靜壓制冷等靜壓力機(jī)主要由高壓容器和流體加壓泵組成。輔助設(shè)備有流體儲(chǔ)罐、壓力表、輸送流體的高壓管道和高壓閥門等。圖11-21所示為冷等靜壓力機(jī)的工作系統(tǒng)。物料裝入彈性模套被放置入高壓容器內(nèi)。壓力泵將過(guò)濾后的流體注入壓力容器內(nèi)使彈性模套受壓,施加壓力達(dá)到了所要求的數(shù)值之后,開啟回流閥使流體返回儲(chǔ)罐內(nèi)備用。1.冷等靜壓制物料裝入彈性模套被放置入高壓25

壓力容器是壓制粉末的工作室,其大小由所需要壓制工件的最大尺寸按一定的壓縮率放大計(jì)算。工作室承受壓力的大小應(yīng)由粉末特性、壓坯性能和壓坯尺寸來(lái)確定。根據(jù)不同的要求,高壓容器可被設(shè)計(jì)成單層筒體、雙層筒體或纏繞式筒體。等靜壓力機(jī)按照工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態(tài)可分成三種基本類型,即拉桿式、螺紋式及框架式。表11-6比較了它們的特、缺點(diǎn)和適用范圍。壓力容器是壓制粉末的工作室,其大小由所需要壓26材料加工新技術(shù)與新工藝112課件27冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具壓制。

濕袋模具壓制的壓制裝置如圖11-22(a)所示。把無(wú)須外力支持也能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉末料,用橡皮塞塞緊密封袋口然后套裝入穿孔金屬套一起放入高壓容器中,使模袋泡浸在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。濕袋模具壓制的優(yōu)點(diǎn):能在同一壓力容器內(nèi)同時(shí)壓制各種形狀的壓件;模具壽命長(zhǎng)、成本低。濕袋模具壓制的主要缺點(diǎn)是,裝袋脫模過(guò)程中消耗時(shí)間較多。冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模28

干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所示。干袋固定在簡(jiǎn)體內(nèi),模具外層襯以穿孔金屬護(hù)套板,粉末裝人模袋內(nèi)靠上層封蓋密封。高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓。壓力除去后即從模袋取出壓塊,模袋仍然留在容器內(nèi)供下次裝料用。干袋式模具壓制的特點(diǎn)是生產(chǎn)率高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,模具壽命較長(zhǎng),據(jù)報(bào)道自動(dòng)干袋模具壓制生產(chǎn)率可達(dá)10~15個(gè)/min。直徑較大的制品(如直徑為150mm)的生產(chǎn)率也可以達(dá)到300件/h。干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所292.熱等靜壓制把粉末壓坯或把裝入特制容器(粉末包套)內(nèi)的粉末體置入熱等靜壓機(jī)高壓容器中,施以高溫和高氣壓,使這些粉末體被均勻壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過(guò)程稱為粉末熱等靜壓制。粉末體(粉末壓坯或包套內(nèi)的粉末)在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時(shí)間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用,可以強(qiáng)化壓制與燒結(jié)過(guò)程,降低制品的燒結(jié)溫度,改善制品的組織結(jié)構(gòu)。消除材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙,提高材料的致密度和強(qiáng)度。

2.熱等靜壓制30熱等靜壓制設(shè)備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容器和高壓介質(zhì)輸送裝置及電氣設(shè)備組成。但熱等靜壓制技術(shù)發(fā)展中一個(gè)值得重視的動(dòng)向是用預(yù)熱爐在熱等靜壓機(jī)外加熱工件,省去壓力容器內(nèi)的加熱爐體,這將會(huì)提高壓機(jī)容器的有效容積,消除了由于容器內(nèi)爐體裝接電極柱造成密封的困難,成倍地提高熱等靜壓機(jī)的工作效率。熱等靜壓機(jī)的壓力容器是用高強(qiáng)度鋼制成的空心圓筒體,直徑一般為150~1500mm,高500~3500mm,工件的體積在0.028~2m3之間。通常壓力范圍7~200MPa,最高使用溫度范圍一般為1000~2300℃。

熱等靜壓制設(shè)備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容31壓力容器主要有兩種密封形式,即螺紋式及框架式。螺紋式密封的熱等靜壓機(jī)的壓力容器容積都比較小,只適于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓制小型制品??蚣苁矫芊獾膲毫θ萜鞯奶攸c(diǎn)是容積大,運(yùn)轉(zhuǎn)速度快,操作方便,安全可靠。除壓力容器外,容器內(nèi)的加熱爐是熱等靜壓機(jī)的重要部件,主要由加熱元件、熱電偶與隔熱屏組成。加熱元件的材料按設(shè)計(jì)的溫度范圍選定。當(dāng)爐子設(shè)計(jì)溫度為1000~1200℃時(shí),可選擇Fe-Cr-Al-Co耐熱合金絲作發(fā)熱元件,它可在1230℃長(zhǎng)期使用。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在1700℃以上時(shí),可選擇鉬絲、石墨、鎢絲等作發(fā)熱元件,但這些材料需要在保護(hù)氣氛或惰性氣氛中工作。

壓力容器主要有兩種密封形式,即螺紋式及框架式32熱等靜壓制時(shí)常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質(zhì)。由于氬氣的熱導(dǎo)率比氦低(氬的熱導(dǎo)率為0.158kW/m·K,氦的熱導(dǎo)率為l.38kW/m·K),用氬氣作壓力介質(zhì)時(shí)能夠使工作區(qū)爐溫很快地達(dá)到所要求溫度并能保持溫度分布均勻。此外,氬氣的成本比氦低。在熱等靜壓制系統(tǒng)中必須精確可靠地控制壓力和溫度參數(shù)。適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化能降低成本和保證安全,兩者對(duì)于有效的組織生產(chǎn)都是十分重要的。典型的熱等靜壓升溫加壓過(guò)程如圖11-23中所示。

熱等靜壓制時(shí)常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質(zhì)33升壓和降壓速度一般不需任何控制,溫度的控制需要特別注意。爐內(nèi)溫度分布均勻度很大程度取決于爐子的設(shè)計(jì)和電熱體的配置。目前,工業(yè)上使用爐體恒溫時(shí)溫度均勻度可控制在±5℃到±14℃之間,連續(xù)冷卻速度可大于30℃/min。

升壓和降壓速度一般不需任何控制,溫度的控制需34熱等靜壓是消除制品內(nèi)部殘存微量孔隙和提高制品相對(duì)密度的有效方法。目前已有許多金屬粉末或非金屬粉末采用熱等靜壓法壓得接近理論密度值的制品和材料,如表11-7所示。熱等靜壓是消除制品內(nèi)部殘存微量孔隙和提高制品35國(guó)內(nèi)外已采用熱等靜壓技術(shù)制取了核燃料棒、粉末高溫合金渦輪盤、鎢噴嘴、陶瓷及金屬基復(fù)合材料等。至今,它在制取金屬陶瓷、硬質(zhì)合金、難熔金屬制品及其化合物、粉末金屬制品、金屬基復(fù)合材料制品、功能梯度材料、有毒物質(zhì)及放射性廢料的處理等方面都得到了廣泛應(yīng)用。熱等靜壓技術(shù)已成為提高粉末冶金制品性能及壓制大型復(fù)雜形狀零件的先進(jìn)技術(shù)。圖11-24顯示了熱等靜壓技術(shù)壓制的一些產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外已采用熱等靜壓技術(shù)制取了核燃料棒、粉末36材料加工新技術(shù)與新工藝112課件373.燒結(jié)-熱等靜壓法燒結(jié)-熱等靜壓制(sinter-HIP)過(guò)程是把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(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(duì)密度接近100%。這是繼常規(guī)熱等靜壓制技術(shù)之后開發(fā)出的一種先進(jìn)工藝。

脫蠟(或其他成形劑)和燒結(jié)可在真空狀態(tài)下或在工藝確定的氣體(如氯、氮?dú)浠旌蠚狻⒓淄?保護(hù)下進(jìn)行。按照傳統(tǒng)的燒結(jié)概念,液相和固相燒結(jié)都會(huì)促進(jìn)燒結(jié)坯塊內(nèi)部孔隙減少,并產(chǎn)生收縮和致密化。在這一過(guò)程中,燒結(jié)溫度和時(shí)間是要準(zhǔn)確控制的參數(shù),熱等靜壓制是使燒結(jié)坯塊密度進(jìn)一步提高,以接近理論密度值。3.燒結(jié)-熱等靜壓法38壓塊在同一爐體(壓力容器)內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和熱等靜壓制,壓塊在燒結(jié)后期直接施加高壓,這就避免了降溫冷卻升溫加熱的附加操作,也避免了壓坯轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)可能受到的損壞,并保持燒結(jié)與熱等靜壓制時(shí)溫度穩(wěn)定。燒結(jié)-熱等靜壓過(guò)程中的熱等靜壓制階段使產(chǎn)品均勻收縮與致密化,溫度、壓力、時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)相互關(guān)系示于圖11-25。

壓塊在同一爐體(壓力容器)內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和熱等靜39粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原子擴(kuò)散速度所確定。試驗(yàn)結(jié)果表明,液相燒結(jié)材料在較低的壓力下短時(shí)熱處理可以完全致密化,固相燒結(jié)材料要完全致密化則需要更高壓力和更長(zhǎng)時(shí)間。燒結(jié)-熱等靜壓已在硬質(zhì)合金、鈦合金、先進(jìn)陶瓷材料的制備方面獲得了廣泛應(yīng)用。

液相燒結(jié)至少具有兩種組分的粉末或壓坯在形成一種液相的狀態(tài)下燒結(jié)。

粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原404.準(zhǔn)熱等靜壓工藝熱等靜壓技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但存在設(shè)備昂貴和加工周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),雖然采取在高壓容器中加壓介質(zhì)急劇對(duì)流和在爐內(nèi)強(qiáng)制冷卻等方法提高生產(chǎn)效率,但效率仍明顯低于普通冶煉方法。為克服上述缺點(diǎn)所發(fā)展的準(zhǔn)熱等靜壓技術(shù)是利用簡(jiǎn)單設(shè)備以較高的效率生產(chǎn)大體具有各向同性的制品或材料的一種工藝方法。該方法是采用一種高溫下具有流體特性的顆粒(如石墨顆粒、陶瓷顆粒)作為傳遞壓力的介質(zhì)以代替熱等靜壓制所用惰性氣體。4.準(zhǔn)熱等靜壓工藝41工作時(shí),將經(jīng)過(guò)預(yù)燒的粉末預(yù)制件在保護(hù)氣氛中加熱至致密化溫度,將作為加壓介質(zhì)的陶瓷顆粒也加熱至相等溫度并充填于加壓容器中,然后將經(jīng)過(guò)加熱的預(yù)制件插入其中,陶瓷顆粒的流動(dòng)將施加的單向壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榈褥o壓施加于預(yù)制件上,使之在保持原來(lái)形狀的基礎(chǔ)上致密化。準(zhǔn)熱等靜壓制工藝過(guò)程如圖11-26所示。此方法是由美國(guó)金屬合金公司研究成功,現(xiàn)已將專利轉(zhuǎn)讓投入生產(chǎn)。工作時(shí),將經(jīng)過(guò)預(yù)燒的粉末預(yù)制件在保護(hù)氣氛中加42§11.9場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)

場(chǎng)活化燒結(jié)是利用外場(chǎng)的活化作用實(shí)現(xiàn)低溫快速燒結(jié)致密化的一種燒結(jié)技術(shù)?;罨療Y(jié)用物理的或化學(xué)的方法促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程或提高制品性能所采取的有利于燒結(jié)的措施。如鐵粉通過(guò)鹵化氫氣體活化,鎢或鉬在水汽、CO2中燒結(jié);鋯粉中加入氫化物等;物理法如液相燒結(jié)、鐵基合金加入磷和硼粉、超聲波燒結(jié)、磁場(chǎng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和真空燒結(jié)等。

§11.9場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)4320世紀(jì)80年代以來(lái),脈沖放電對(duì)粉體燒結(jié)的有效作用得到的廣泛的關(guān)注,一系列的場(chǎng)活化燒結(jié)設(shè)備相繼開發(fā)出來(lái)并得到應(yīng)用。如:日本開發(fā)了脈沖放電固結(jié)設(shè)備、電火花/等離子燒結(jié)設(shè)備或稱等離子活化燒結(jié)設(shè)備;韓國(guó)開發(fā)了電阻/電火花加壓燒結(jié)設(shè)備;俄羅斯研制了脈沖放電加壓燒結(jié)設(shè)備;美國(guó)開發(fā)了高能高速工藝和設(shè)備;巴西開發(fā)了等離子燒結(jié)設(shè)備。20世紀(jì)80年代以來(lái),脈沖放電對(duì)粉體燒結(jié)的有44到目前為止,對(duì)場(chǎng)活化燒結(jié)的機(jī)理還不是十分清楚,但一般認(rèn)為是外場(chǎng)可以清除粉末表面的氧化膜和雜質(zhì),促進(jìn)燒結(jié)頸的形成。日本第三代電火花/等離子燒結(jié)機(jī)(SPS)的開發(fā)成功極大地推進(jìn)了該技術(shù)作為一種先進(jìn)的粉末冶金技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。圖10-27顯示了電火花/等離子燒結(jié)機(jī)的工作原理和一般的工藝過(guò)程。

到目前為止,對(duì)場(chǎng)活化燒結(jié)的機(jī)理還不是十分清楚45第三代電火花/等離子燒結(jié)機(jī)使用的是低電壓(約30V)、大脈沖電流(最大電流2000~20000A,脈沖時(shí)間一般為1~300ms)和單向壓制的設(shè)計(jì)。一般情況下是在燒結(jié)的初始階段施加一個(gè)脈沖電流,使粉末顆粒間產(chǎn)生電火花或等離子弧,在電火花和等離子弧的作用下,粉末表面的氧化膜和雜質(zhì)被清除,粉末顆粒直接接觸并發(fā)生燒結(jié)形成燒結(jié)頸,接著同時(shí)施以大電流和一定的壓力,使粉體致密化。大電流直接通過(guò)粉體或模具產(chǎn)生焦耳熱,因此加熱速率很快,一般僅為幾分鐘。

第三代電火花/等離子燒結(jié)機(jī)使用的是低電壓(約46與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比場(chǎng)活化燒結(jié)可以在較低的溫度下或較短的時(shí)間內(nèi)獲得高的燒結(jié)密度,可以減少燒結(jié)過(guò)程對(duì)粉末微觀組觀的影響,這對(duì)于燒結(jié)細(xì)晶材料、納米材料、非晶合金等非平衡材料和易氧化材料是非常重要的。此外,場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)可以直接應(yīng)用于松裝粉末,不需要像其他傳統(tǒng)粉末冶金成形技術(shù)那樣添加任何黏結(jié)劑或潤(rùn)滑劑,因此,可以消除由黏結(jié)劑或潤(rùn)滑劑所帶來(lái)的臟化,對(duì)于生產(chǎn)純度要求高或者很難冷壓預(yù)成形的粉術(shù)材料非常有利。與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比場(chǎng)活化燒結(jié)可以在較低的溫度47場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)在日本已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)軟磁和硬磁材料以及切削工具。例如,采用等離子活化燒結(jié)設(shè)備生產(chǎn)高頻電力使用的Mn-Zn鐵氧體,先通以60s的脈沖電流,然后同時(shí)施加2000A的加熱電流和49MPa的壓力。獲得的產(chǎn)品的密度達(dá)到99%,晶粒度只有1m,而傳統(tǒng)燒結(jié)工藝得到的產(chǎn)品的晶粒度為9m。正是由于晶粒度的減小,高頻磁芯的損耗從1800kW/m3,降低到了720kW/m3。Nd-Fe-Co-B磁體也是用等離子活化燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)的。

場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)在日本已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)軟磁和48場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室研究很多,從金屬、金屬間化合物到陶瓷和復(fù)合材料都有報(bào)道。采用場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)沒有添加助燒劑的AlN陶瓷,在1727℃燒結(jié)5min,其密度可以達(dá)到3.18~3.24g/cm3(相當(dāng)密度為97.5%~99.3%),而傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)在1927℃燒結(jié)30h,其密度只有95%,即使添加助燒劑后,采用傳統(tǒng)技術(shù)在1800~1927℃燒結(jié)3~4h,其密度也只有97%~98%。此外,場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)在化合物的同步合成/固結(jié)、梯度材料制備、金屬與陶瓷的擴(kuò)散焊接等方面的應(yīng)用也顯示出了良好的前景。

場(chǎng)活化燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室研究很多,從金屬、金49§11.5粉末注射成形技術(shù)

粉末注射成形(powderinjectionmolding,簡(jiǎn)稱PIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門近凈形成形新技術(shù)。它的基本工藝過(guò)程如圖11-14所示。

第11章粉末冶金新技術(shù)新工藝§11.5粉末注射成形技術(shù)粉末注射成形(p50粉末注射成形的基本工藝過(guò)程是:首先將固體粉末與有機(jī)黏結(jié)劑均勻混合并制成粒狀喂料,在加熱狀態(tài)下用注射成形機(jī)將其注入模腔內(nèi)冷凝成形,然后用化學(xué)溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結(jié)劑脫除,最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以直接制造出具有最終形狀的零部件,產(chǎn)品不僅精度高、組織均勻、性能優(yōu)異,而且生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)成形工藝的20%~60%。因此,國(guó)際上普遍認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致零部件成形與加工技術(shù)的一場(chǎng)革命,已成為國(guó)際上“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”。

粉末注射成形的基本工藝過(guò)程是:首先將固體粉末51

粉末注射成形技術(shù)的原型起源于20世紀(jì)20年代,最早是應(yīng)用于制造陶瓷火花塞。第二次世界大戰(zhàn)期間,在美國(guó)的曼哈頓計(jì)劃中,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用粉末注射成形方法制備了用于原子彈核燃料鈾同位素分離的鎳管。1976年,第一項(xiàng)金屬粉末注射成形技術(shù)的專利授權(quán)給River。由于當(dāng)時(shí)粉末原料成本高、脫脂時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品易變形等問(wèn)題沒有解決,其發(fā)展非常緩慢。直道1979年,美國(guó)Parmatech公司有兩件PIM產(chǎn)品在國(guó)際粉末冶金大會(huì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽中獲獎(jiǎng)后,PIM技術(shù)才開始受到粉術(shù)冶金界的關(guān)注。

粉末注射成形技術(shù)的原型起源于20世紀(jì)20年代,5220世紀(jì)80年代由于美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的介入,使研究工作向深層次發(fā)展,從完全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入到在一定理論指導(dǎo)下工作,這一時(shí)期PIM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。這一方面歸于在流體力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)研究成果基礎(chǔ)上開發(fā)出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術(shù)的發(fā)展,使細(xì)粉率大大提高,原材料成本下降。另一方面,在黏結(jié)劑設(shè)計(jì)理論和脫脂機(jī)理等研究成果的指導(dǎo)下,新一代黏結(jié)劑及其脫除技術(shù)的開發(fā)成功,不僅使原來(lái)的脫脂時(shí)間從數(shù)十小時(shí)縮到幾個(gè)小時(shí),而且其保形性得到明顯的改善,大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品的尺寸精度從±0.5%提高到了±0.3%。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,一方面,是PIM工藝進(jìn)一步改進(jìn),新材料、新工藝不斷涌現(xiàn),另一方面,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展非常迅速。20世紀(jì)80年代由于美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的53黏結(jié)劑是PIM技術(shù)的核心,在PIM中黏結(jié)劑具有增強(qiáng)粉體流動(dòng)性和維持坯塊形狀的兩個(gè)基本職能,此外它還應(yīng)具有易于脫除、無(wú)污染、無(wú)毒性、成本合理等特點(diǎn)。黏結(jié)劑一般是由低分子量組元與高分子量組元加上一些必要的添加劑和表面活性劑構(gòu)成。

低分子量組元黏度低,流動(dòng)性好,易脫去;高分子量組元黏度高,強(qiáng)度高,保證成形坯具有一定的強(qiáng)度。添加劑和表面活性劑主要用以增強(qiáng)黏結(jié)刺的流動(dòng)性和與粉末的相容性。各組元以適當(dāng)比例搭配以獲得高的粉末裝載量,最終得到高精度和高均勻性的產(chǎn)品。通常采用的黏結(jié)劑體系主要有:熱塑性體系(石蠟基、汕基和聚合物基)、熱固性體系、熱固-熱塑性體系,凝膠體系和水溶性體系等。表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方。

黏結(jié)劑是PIM技術(shù)的核心,在PIM中黏結(jié)劑具54表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方:表11-2列舉了一些已公開的黏結(jié)劑配方:55材料加工新技術(shù)與新工藝112課件56傳統(tǒng)的黏結(jié)劑在熱脫脂過(guò)程中,由于幾乎是在成形坯內(nèi)外同時(shí)分解,脫脂速率極慢,往往需要數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)天,加快熱脫脂速度往往會(huì)造成鼓泡和開裂等無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。采用液/固或氣/固界面反應(yīng)脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂),可以使脫脂過(guò)程由外及里推進(jìn),可以有效地提高脫脂速率,已成為黏結(jié)劑開發(fā)的主要發(fā)展方向。由于水的價(jià)格低廉、無(wú)毒,有利于環(huán)保,開發(fā)水溶性黏結(jié)劑體系是溶劑脫脂技術(shù)研究的重點(diǎn)。由德國(guó)BASF公司開發(fā)的黏結(jié)劑及其催化脫脂技術(shù)是目前應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中最先進(jìn)的脫脂技術(shù)之一,并可為粉末注射成形廠家直接供應(yīng)喂料和提供后續(xù)生產(chǎn)工藝。德國(guó)CREMER公司已開發(fā)出了適應(yīng)該技術(shù)的連續(xù)脫脂和燒結(jié)一體化爐,該技術(shù)的脫脂速率可達(dá)到1~4mm/h。傳統(tǒng)的黏結(jié)劑在熱脫脂過(guò)程中,由于幾乎是在成形57粉末注射成形技術(shù)由于采用了大量的黏結(jié)劑作為粉末流動(dòng)填充模腔的載體,所以可以像成形塑料那樣制備出各種任意形狀的粉末冶金零部件,這是傳統(tǒng)粉末冶金模壓工藝不可能達(dá)到的。由于射成形是一種近凈形成形工藝,產(chǎn)品基本上不需要后續(xù)加工,有些需要幾十道機(jī)加工工序才能完成的產(chǎn)品采用PIM可以一次成形,制造成本相對(duì)較低。PIM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)零部件一體化。由于加工技術(shù)或者材料性能的原因,有些部件采用傳統(tǒng)技術(shù)制造時(shí),需要加工成幾個(gè)零件來(lái)組裝,有時(shí)幾個(gè)零件的材料還不一樣。

粉末注射成形技術(shù)由于采用了大量的黏結(jié)劑作為粉58采用PIM技術(shù)則可以直接制成一個(gè)整體復(fù)合部件如圖11-15所示。

采用PIM技術(shù)則可以直接制成一個(gè)整體復(fù)合部件如59由于注射成形的原料是以流態(tài)狀均勻充填模腔,成形坯粉術(shù)密度分布均勻,避免了粉冶金模壓工藝中由于模壁摩擦壓力損失所造成的成形坯密度分布不均勻問(wèn)題,這樣可以大大減少燒結(jié)變形。此外,由于PIM技術(shù)所用的粉來(lái)一般較細(xì),產(chǎn)品燒結(jié)后可以達(dá)到很高的密度,因此,PIM產(chǎn)品的力學(xué)性能一般優(yōu)于粉末冶金模壓和精密鑄造產(chǎn)品。圖11-16是一些典型的粉末往射成形產(chǎn)品的照片。由于注射成形的原料是以流態(tài)狀均勻充填模腔,成60材料加工新技術(shù)與新工藝112課件61§11.6溫壓成形技術(shù)溫壓成形的基本工藝過(guò)程是:將專用金屬或合金粉和聚合物潤(rùn)滑劑混合后,采用特制的粉末加熱系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)和模具加熱系統(tǒng),升溫到75~150℃,壓制成壓坯,再經(jīng)預(yù)燒、燒結(jié)、整形等工序。采用溫壓成形技術(shù)可獲得密度高達(dá)7.2~7.5g/cm3的鐵基粉末冶金零件。溫壓成形的工藝路線如圖11-17所示。

§11.6溫壓成形技術(shù)62溫壓可以顯著提高壓坯密度的機(jī)理一般歸于在加熱狀態(tài)下粉末的屈服強(qiáng)度降低(如圖11-18所示)和潤(rùn)滑劑作用增強(qiáng)。溫壓成形技術(shù)由Hoeganaes公司于1994年正式工業(yè)化應(yīng)用,并推出了Ancordense和Densemix兩種牌號(hào)的溫壓成形專用粉末。在材料達(dá)到同等密度的前提下,溫壓工藝的生產(chǎn)成本比粉末鍛造低75%,比復(fù)壓/復(fù)燒低25%,比滲銅低15%。

溫壓可以顯著提高壓坯密度的機(jī)理一般歸于在加熱63在零件達(dá)到同等力學(xué)性能和加工精度的前提下,溫壓工藝的生產(chǎn)成本比現(xiàn)行熱、冷機(jī)械加工工藝低50%~80%,生產(chǎn)效率提高10~30倍。溫壓成形因其成本低、密度高、模具壽命長(zhǎng)、效率高、工藝簡(jiǎn)單、易精密成形和可完全連續(xù)化、自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注,被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代粉末冶金零件致密化技術(shù)的一項(xiàng)重大突破,被譽(yù)為“開創(chuàng)粉末冶金零件應(yīng)用新紀(jì)元的一項(xiàng)新型制造技術(shù)”。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造汽車零件和磁性材料制品,如:渦輪輪轂、形狀復(fù)雜的齒輪和斜齒輪、鎖零件、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿和閥座等。

在零件達(dá)到同等力學(xué)性能和加工精度的前提下,溫64溫壓成形的鐵基材料的力學(xué)性能可以與鍛鋼比美,兩者的屈服強(qiáng)度和拉伸斷裂強(qiáng)度都基本相當(dāng),因此可以用溫壓成形制品來(lái)取代部分鍛鋼產(chǎn)。需要指出的是,粉術(shù)冶金產(chǎn)品的伸長(zhǎng)率一般較低,選擇溫壓成形工藝需要考慮其產(chǎn)品的延性和沖擊韌性。溫壓成形技術(shù)使用的壓機(jī)和模具與傳統(tǒng)模壓基本相同,惟一不同的是溫壓成形需要一套粉末和模具加熱系統(tǒng)。模具和粉末的溫度一定要均勻和穩(wěn)定,一般控制在±2.5℃,最高溫度不超過(guò)170℃,超過(guò)此溫度后,添加的潤(rùn)滑劑和黏結(jié)劑就會(huì)分解,從而影響粉末的流動(dòng)性。

溫壓成形的鐵基材料的力學(xué)性能可以與鍛鋼比美,65§11.7熱壓成形技術(shù)

熱壓又稱為加壓燒結(jié),是把粉末裝在模腔內(nèi),在加壓的同時(shí)使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低一些,經(jīng)過(guò)較短時(shí)間燒結(jié)獲得致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個(gè)工序一并完成,可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結(jié)所達(dá)不到的密度,從這個(gè)意義上說(shuō),熱壓是一種強(qiáng)化燒結(jié)。原則上,凡是用一般方法能制得的粉末零件,都適于用熱壓方法制造,尤其適于制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。熱壓方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低成形壓力和縮短燒結(jié)時(shí)間,另外,可以制得密度較高和晶粒較細(xì)的材料?!?1.7熱壓成形技術(shù)66熱壓模可選用高速鋼及其他耐熱合金,但使用溫度應(yīng)在800℃以下。當(dāng)溫度更高(1500~2000℃)時(shí),應(yīng)采用石墨材料,但承壓能力卻降低到70MPa以下。一般對(duì)于低溫、高壓的操作,可選擇金屬或硬質(zhì)合金模;高溫、低壓操作則選擇石墨模。熱壓加熱的方式分為電阻間接加熱式、電阻直接加熱式和感應(yīng)加熱式三種?!耠娮栝g接加熱式電阻間接加熱是電流通過(guò)碳管發(fā)熱(圖中1),對(duì)模具和粉末坯同時(shí)加熱。

熱壓??蛇x用高速鋼及其他耐熱合金,但使用溫67●電阻直接加熱式(圖b)采用電阻直接加熱時(shí),電流主要通過(guò)壓橫材料發(fā)熱,使得與上下沖模和模腔接觸的部位比其他部位溫度高。●

感應(yīng)加熱式(圖c)采用感應(yīng)加熱時(shí),由于粉末坯塊中的渦流大小與坯塊密度有關(guān),在熱壓后期密度升高,電阻降低,渦流發(fā)熱也減少,溫度不好控制。因此,在進(jìn)行熱壓模具沒計(jì)時(shí),除了要保證溫度外,要特別注意溫度分布的均勻性?!耠娮柚苯蛹訜崾剑▓Db)●感應(yīng)加熱式(圖c)68為了減少空氣中氧的危害,真空熱壓機(jī)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在沒有真空熱壓機(jī)的條件下,可以采用如下措施來(lái)減少壓坯的氧化:(1)加熱前先將粉末壓實(shí):(2)模具配合嚴(yán)密,可防止空氣大量進(jìn)入模腔;(3)將保護(hù)氣氛經(jīng)過(guò)專門的管道引入模腔內(nèi);(4)將整個(gè)模具置入一密封的耐熱管中,并采用外置式間接加熱或感應(yīng)加熱方式;(5)在粉末中加進(jìn)一些高溫下能產(chǎn)生還原性氣氛的物質(zhì),如碳、金屬氫化物、酒精等。

為了減少空氣中氧的危害,真空熱壓機(jī)已經(jīng)得到廣69§11.8等靜壓成形技術(shù)等靜壓制是伴隨現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新的成形方法。通常,等靜壓成形按其特性分成冷等靜壓(CIP)和熱等靜壓(HIP),前者常用水或油作壓力介質(zhì),故有液靜壓、水靜壓或油水靜壓之稱;后者常用氣體(如缸氣)作壓力介質(zhì),故有氣體熱等靜壓之稱。

等靜壓成形是將待壓試樣置于高壓容器中,利用液體(或氣體)介質(zhì)不可壓縮的性質(zhì)和均勻傳遞壓力的性質(zhì)從各個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行均勻加壓,當(dāng)液體介質(zhì)通過(guò)壓力泵注入壓力容器時(shí),根據(jù)流體力學(xué)原理,其壓強(qiáng)大小不變且均勻地傳遞到各個(gè)方向。此時(shí)高壓容器中的粉料在各個(gè)方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的?!?1.8等靜壓成形技術(shù)70等靜壓制過(guò)程是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)(氣體或液體)壓人耐高壓的鋼質(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)的粉末上,粉末體在同一時(shí)間內(nèi)在各個(gè)方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯(如圖11-20所示)。等靜壓制過(guò)程是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)(71等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn):

①能夠壓制具有凹形、空心等復(fù)雜形狀的壓件;②壓制時(shí),粉末體與彈性模具的相對(duì)移動(dòng)很小,所以摩擦損耗電很小,單位壓制力較鋼模壓制法低;③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(duì)難熔金屬粉末及其化合物尤為有效;④壓坯強(qiáng)度較高,便于加工和運(yùn)輸;⑤冷等靜壓的模具材料是橡膠和塑料,成本較低廉;⑥能在較低的溫度下制得接近完全致密的材料。等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優(yōu)點(diǎn):72等靜壓制法的缺點(diǎn):

①對(duì)壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的光潔度都比鋼模壓制法低;②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,但一般地說(shuō),生產(chǎn)率仍低于自動(dòng)鋼模壓制法;③所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。等靜壓制法的缺點(diǎn):731.冷等靜壓制冷等靜壓力機(jī)主要由高壓容器和流體加壓泵組成。輔助設(shè)備有流體儲(chǔ)罐、壓力表、輸送流體的高壓管道和高壓閥門等。圖11-21所示為冷等靜壓力機(jī)的工作系統(tǒng)。物料裝入彈性模套被放置入高壓容器內(nèi)。壓力泵將過(guò)濾后的流體注入壓力容器內(nèi)使彈性模套受壓,施加壓力達(dá)到了所要求的數(shù)值之后,開啟回流閥使流體返回儲(chǔ)罐內(nèi)備用。1.冷等靜壓制物料裝入彈性模套被放置入高壓74

壓力容器是壓制粉末的工作室,其大小由所需要壓制工件的最大尺寸按一定的壓縮率放大計(jì)算。工作室承受壓力的大小應(yīng)由粉末特性、壓坯性能和壓坯尺寸來(lái)確定。根據(jù)不同的要求,高壓容器可被設(shè)計(jì)成單層筒體、雙層筒體或纏繞式筒體。等靜壓力機(jī)按照工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態(tài)可分成三種基本類型,即拉桿式、螺紋式及框架式。表11-6比較了它們的特、缺點(diǎn)和適用范圍。壓力容器是壓制粉末的工作室,其大小由所需要壓75材料加工新技術(shù)與新工藝112課件76冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具壓制。

濕袋模具壓制的壓制裝置如圖11-22(a)所示。把無(wú)須外力支持也能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉末料,用橡皮塞塞緊密封袋口然后套裝入穿孔金屬套一起放入高壓容器中,使模袋泡浸在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。濕袋模具壓制的優(yōu)點(diǎn):能在同一壓力容器內(nèi)同時(shí)壓制各種形狀的壓件;模具壽命長(zhǎng)、成本低。濕袋模具壓制的主要缺點(diǎn)是,裝袋脫模過(guò)程中消耗時(shí)間較多。冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模77

干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所示。干袋固定在簡(jiǎn)體內(nèi),模具外層襯以穿孔金屬護(hù)套板,粉末裝人模袋內(nèi)靠上層封蓋密封。高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓。壓力除去后即從模袋取出壓塊,模袋仍然留在容器內(nèi)供下次裝料用。干袋式模具壓制的特點(diǎn)是生產(chǎn)率高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,模具壽命較長(zhǎng),據(jù)報(bào)道自動(dòng)干袋模具壓制生產(chǎn)率可達(dá)10~15個(gè)/min。直徑較大的制品(如直徑為150mm)的生產(chǎn)率也可以達(dá)到300件/h。干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所782.熱等靜壓制把粉末壓坯或把裝入特制容器(粉末包套)內(nèi)的粉末體置入熱等靜壓機(jī)高壓容器中,施以高溫和高氣壓,使這些粉末體被均勻壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過(guò)程稱為粉末熱等靜壓制。粉末體(粉末壓坯或包套內(nèi)的粉末)在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時(shí)間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用,可以強(qiáng)化壓制與燒結(jié)過(guò)程,降低制品的燒結(jié)溫度,改善制品的組織結(jié)構(gòu)。消除材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙,提高材料的致密度和強(qiáng)度。

2.熱等靜壓制79熱等靜壓制設(shè)備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容器和高壓介質(zhì)輸送裝置及電氣設(shè)備組成。但熱等靜壓制技術(shù)發(fā)展中一個(gè)值得重視的動(dòng)向是用預(yù)熱爐在熱等靜壓機(jī)外加熱工件,省去壓力容器內(nèi)的加熱爐體,這將會(huì)提高壓機(jī)容器的有效容積,消除了由于容器內(nèi)爐體裝接電極柱造成密封的困難,成倍地提高熱等靜壓機(jī)的工作效率。熱等靜壓機(jī)的壓力容器是用高強(qiáng)度鋼制成的空心圓筒體,直徑一般為150~1500mm,高500~3500mm,工件的體積在0.028~2m3之間。通常壓力范圍7~200MPa,最高使用溫度范圍一般為1000~2300℃。

熱等靜壓制設(shè)備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容80壓力容器主要有兩種密封形式,即螺紋式及框架式。螺紋式密封的熱等靜壓機(jī)的壓力容器容積都比較小,只適于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓制小型制品??蚣苁矫芊獾膲毫θ萜鞯奶攸c(diǎn)是容積大,運(yùn)轉(zhuǎn)速度快,操作方便,安全可靠。除壓力容器外,容器內(nèi)的加熱爐是熱等靜壓機(jī)的重要部件,主要由加熱元件、熱電偶與隔熱屏組成。加熱元件的材料按設(shè)計(jì)的溫度范圍選定。當(dāng)爐子設(shè)計(jì)溫度為1000~1200℃時(shí),可選擇Fe-Cr-Al-Co耐熱合金絲作發(fā)熱元件,它可在1230℃長(zhǎng)期使用。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在1700℃以上時(shí),可選擇鉬絲、石墨、鎢絲等作發(fā)熱元件,但這些材料需要在保護(hù)氣氛或惰性氣氛中工作。

壓力容器主要有兩種密封形式,即螺紋式及框架式81熱等靜壓制時(shí)常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質(zhì)。由于氬氣的熱導(dǎo)率比氦低(氬的熱導(dǎo)率為0.158kW/m·K,氦的熱導(dǎo)率為l.38kW/m·K),用氬氣作壓力介質(zhì)時(shí)能夠使工作區(qū)爐溫很快地達(dá)到所要求溫度并能保持溫度分布均勻。此外,氬氣的成本比氦低。在熱等靜壓制系統(tǒng)中必須精確可靠地控制壓力和溫度參數(shù)。適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化能降低成本和保證安全,兩者對(duì)于有效的組織生產(chǎn)都是十分重要的。典型的熱等靜壓升溫加壓過(guò)程如圖11-23中所示。

熱等靜壓制時(shí)常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質(zhì)82升壓和降壓速度一般不需任何控制,溫度的控制需要特別注意。爐內(nèi)溫度分布均勻度很大程度取決于爐子的設(shè)計(jì)和電熱體的配置。目前,工業(yè)上使用爐體恒溫時(shí)溫度均勻度可控制在±5℃到±14℃之間,連續(xù)冷卻速度可大于30℃/min。

升壓和降壓速度一般不需任何控制,溫度的控制需83熱等靜壓是消除制品內(nèi)部殘存微量孔隙和提高制品相對(duì)密度的有效方法。目前已有許多金屬粉末或非金屬粉末采用熱等靜壓法壓得接近理論密度值的制品和材料,如表11-7所示。熱等靜壓是消除制品內(nèi)部殘存微量孔隙和提高制品84國(guó)內(nèi)外已采用熱等靜壓技術(shù)制取了核燃料棒、粉末高溫合金渦輪盤、鎢噴嘴、陶瓷及金屬基復(fù)合材料等。至今,它在制取金屬陶瓷、硬質(zhì)合金、難熔金屬制品及其化合物、粉末金屬制品、金屬基復(fù)合材料制品、功能梯度材料、有毒物質(zhì)及放射性廢料的處理等方面都得到了廣泛應(yīng)用。熱等靜壓技術(shù)已成為提高粉末冶金制品性能及壓制大型復(fù)雜形狀零件的先進(jìn)技術(shù)。圖11-24顯示了熱等靜壓技術(shù)壓制的一些產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外已采用熱等靜壓技術(shù)制取了核燃料棒、粉末85材料加工新技術(shù)與新工藝112課件863.燒結(jié)-熱等靜壓法燒結(jié)-熱等靜壓制(sinter-HIP)過(guò)程是把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(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(duì)密度接近100%。這是繼常規(guī)熱等靜壓制技術(shù)之后開發(fā)出的一種先進(jìn)工藝。

脫蠟(或其他成形劑)和燒結(jié)可在真空狀態(tài)下或在工藝確定的氣體(如氯、氮?dú)浠旌蠚?、甲?保護(hù)下進(jìn)行。按照傳統(tǒng)的燒結(jié)概念,液相和固相燒結(jié)都會(huì)促進(jìn)燒結(jié)坯塊內(nèi)部孔隙減少,并產(chǎn)生收縮和致密化。在這一過(guò)程中,燒結(jié)溫度和時(shí)間是要準(zhǔn)確控制的參數(shù),熱等靜壓制是使燒結(jié)坯塊密度進(jìn)一步提高,以接近理論密度值。3.燒結(jié)-熱等靜壓法87壓塊在同一爐體(壓力容器)內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和熱等靜壓制,壓塊在燒結(jié)后期直接施加高壓,這就避免了降溫冷卻升溫加熱的附加操作,也避免了壓坯轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)可能受到的損壞,并保持燒結(jié)與熱等靜壓制時(shí)溫度穩(wěn)定。燒結(jié)-熱等靜壓過(guò)程中的熱等靜壓制階段使產(chǎn)品均勻收縮與致密化,溫度、壓力、時(shí)間三個(gè)工藝參數(shù)相互關(guān)系示于圖11-25。

壓塊在同一爐體(壓力容器)內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和熱等靜88粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原子擴(kuò)散速度所確定。試驗(yàn)結(jié)果表明,液相燒結(jié)材料在較低的壓力下短時(shí)熱處理可以完全致密化,固相燒結(jié)材料要完全致密化則需要更高壓力和更長(zhǎng)時(shí)間。燒結(jié)-熱等靜壓已在硬質(zhì)合金、鈦合金、先進(jìn)陶瓷材料的制備方面獲得了廣泛應(yīng)用。

液相燒結(jié)至少具有兩種組分的粉末或壓坯在形成一種液相的狀態(tài)下燒結(jié)。

粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原894.準(zhǔn)熱等靜壓工藝熱等靜壓技術(shù)雖然

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