粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺.ppt

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1、第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺 粉末冶金（Powder Metallurgy）与陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括粉末制备、成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示为：粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热等静压烧结成品 本章将讨论粉末冶金与陶瓷的成型原理、粉体制备技术、粉末冶金的成型工艺和陶瓷材料的成型工艺，最后介绍快速成型工艺。,第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺,第一节 粉体成型原理 一、 粉料的基本物理性能 1.粒度(Particle Size)和粒度分布(Particle Size Distribution) 粒度是指粉料的颗粒大小，通常以颗粒半径r或直径d表示。

2、粒度分布是指多分散体系中各种不同大小颗粒所占的百分比。,第一节 粉体成型原理,2. 颗粒的形态与拱桥效应 人们一般用针状、多面体状、柱状、球状等来描述颗粒的形态。 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应（见图7-1）。,第一节 粉体成型原理,3. 粉体的表面特性 （1）粉体颗粒的表面能(surface energy)和表面状态 粉体颗粒表面的“过剩能量”称为粉体颗粒的表面能。 表7-1是当粒径发生变化时，一般物质颗粒其原子数与表面原子数之间的比例变化。

3、 （2）粉体颗粒的吸附与凝聚(Coagulation) 一个颗粒依附于其它物体表面上的现象称之为附着。而凝聚则是指颗粒间在各种引力作用下的团聚。,第一节 粉体成型原理,4. 粉料的堆积（填充）特性(Packing Property) 单一颗粒（即纯粗颗粒或细颗粒）堆积时的空隙率约40%。若用二种粒度（如平均粒径比为10:1）配合则其堆积密度增大；而采用三级粒度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。 5. 粉料的流动性(Flowing Property) 粉料虽然由固体小颗粒组成，但由于其分散度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体（图7-2），其自然安息角（

4、偏角）保持不变。,第一节 粉体成型原理,二、 压制成型原理 压制成型是基于较大的压力，将粉状坯料在模型中压成块状坯体的。 1. 压制成型过程中坯体的变化 （1）密度的变化 （2）强度的变化 （3）坯体中压力的分布 图7-3为单面加压是坯体内部压力分布情况。,第一节 粉体成型原理,2. 影响坯体密度(Density)的因素 （1）成型压力 压制过程中，施加于粉料上的压力主要消耗在以下二方面： 1）克服粉料的阻力P1，称为净压力。 2）克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗的力P2，称为消耗压力。 压制过程中的总压力P=P1+P2，即成型压力。 （2）加压方式 图7-4为加压方式和压力分布关系图。 （3）加

5、压速度 （4）添加剂的选用,第一节 粉体成型原理,3. 对压制用粉料的工艺性能要求 由于压制成型时粉料颗粒必须能充满模型的各个角落，因此要求粉料具有良好的流动性。为了得到较高的素坯密度，粉料中包含的气体越少越好，粉料的堆积密度越高越好。,第一节 粉体成型原理,三、 可塑泥团的成型原理 1.可塑泥团的流变特性(Rheological Behavior) 图75为粘土泥团的应力应变曲线。 图76表示了粘土的含水量与其应力应变曲线的关系。,第一节 粉体成型原理,2. 影响泥团可塑性的因素 （1）固相颗粒大小和形状 一般地说，泥团中固相颗粒愈粗，呈现最大塑性时所需的水分愈少，最大可塑性愈低；颗粒愈细则

6、比表面愈大，每个颗粒表面形成水膜所需的水分愈多，由细颗粒堆积而成的毛细管半径越小，产生的毛细管力越大，可塑性也高。不同形状颗粒的比表面是不同的，因而对可塑性的影响也有差异。 （2）液相的数量和性质 水分是泥团出现可塑性的必要条件。泥团中水分适当时才能呈现最大的可塑性，如图7-7所示。,第一节 粉体成型原理,3. 对可塑坯料的工艺性能要求 可塑性好，含水量适当，干燥强度高，收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。,第一节 粉体成型原理,四、 泥浆/粉浆的成型原理 1. 泥浆的流变特性 （1）泥浆的流动曲线 图7-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。 （2）影响泥浆流变性能的因素 1）泥浆的浓度 图7-9

7、为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。 2）固相的颗粒大小 一定浓度的泥浆中，固相颗粒越细、颗粒间平均距离越小，吸引力增大，位移时所需克服的阻力增大，流动性减少。,第一节 粉体成型原理,3）电解质的作用 向泥浆中加入电解质是改善其流动性和稳定性的有效方法。 4）泥浆的pH值 pH值影响其解离程度，又会引起胶粒-电位发生变化，导致改变胶粒表面的吸力与斥力的平衡，最终使这类氧化物胶溶或絮凝。,第一节 粉体成型原理,2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要求 制备出的泥浆应能够满足下列基本要求：流动性好，稳定性好，适当的触变性，含水量少，滤过性好，坯体强度高，脱模容易，不含气泡。,第一节 粉体成型原理,第二节 粉

8、体制备技术 一、粉碎(Porphyrization)与机械合金化(Mechanical Alloying)方法 粉碎的过程是由机械能转变为粉料表面能的能量转化过程。机械粉碎法因其设备定型化，产量大，容易操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。 在相同的工艺条件下，添加少量的助磨剂往往可使粉碎效率成倍地提高（图7-10）。,第二节 粉体制备技术,二、 合成法(Synthetic) 1. 原料合成的目的和作用 2. 合成方法 （1）金属粉末的合成方法 1）还原法(Reduction Method) 还原法的基本原理就是所使用的还原剂对氧的亲和力比相应金属对氧的亲和力大，因而能够夺取金属氧化物中的氧而

9、使金属被还原出来。 2）雾化法(Atomization Method) 雾化法生产金属和合金粉末就是利用高压气体（空气、惰性气体）或高压液体（通常是水）通过喷嘴作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。 3）电解法(Electrolysis Method) 电解法既可以在水溶液中进行，也可以在熔盐状态下进行。,第二节 粉体制备技术,（2）化合物粉末的合成方法 1）固相法(Solid Reaction Process)制备粉末 固相法就是以固态物质为初始原料来制备粉末的方法。 化合反应法 热分解反应法 氧化物还原法 2）液相法制备粉末 液相法分为溶液法和熔液法两大类。 溶液法 生成沉淀法(Precip

10、itation Method) a. 直接沉淀法 b. 均匀沉淀法 c. 共沉淀法,第二节 粉体制备技术,溶剂蒸发法(Solvent Vaporization Process) 冰冻干燥法 喷雾干燥法 喷雾热分解法 熔液法 等离子体喷射法 典型的等离子喷管如图7-11所示 激光法 图7-12为激光法制超微粉工艺原理图。 3）气相法制备粉末 蒸发凝聚法 气相化学反应法,第二节 粉体制备技术,第三节 粉末冶金（Powder Metallurgy）的成型工艺 一、 压制成型 1. 物料准备 （1）粉末的分级 （2）配料混合 圆锥形混料器如图7-13所示。 （3）混合料湿磨,第三节 粉末冶金的成型工艺

11、术,2. 压制工艺 （1）称料 称料量通常称为压坯的单重（允许一定的误差）。压坯的单重可按以下公式计算： Q = V d K 式中：Q-单件压坯的称料量（单重），kg； V-制品的体积（由制品图算出），m3； d-制品要求密度，kg/m3； K-重量损失系数。 称料方法有两种：（1）重量法；（2）容量法。 （2）装料 将所称量的粉末装入模具中时，要求粉末在模腔内分布均匀、平整，以保证压坯各部分压缩比一致。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,（3）压制 压制通常在液压机或机械压力机上进行。压制的总压力按下式计算： P = p S 式中：P-总压力，kg； p-单位压制压力，kg/m3； S-与压力方

12、向垂直的压坯受压面积，m2。 （4）脱模 压力去掉以后，压坯要从压模内脱出，从整体压模中脱出的方法有两种，即将压坯向上顶出或向下推出。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,二、 粉浆浇注成型 粉浆的制备 2.模具材料 浇注用的模具是用石膏做成的。 3. 浇注方法 可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,三、 楔形压制 楔形压制又称循环压制。其方法是用一只楔形的上模冲，将粉末分段压制而成制品。如图7-14所示。这种方法可以用一组楔形压制循环示意图表示。,第三节 粉末冶金的成型工艺术,第四节 陶瓷材料的成型工艺 一、 普通日用

13、陶瓷的成型工艺 1. 注浆成型 （1）基本注浆方法 基本注浆法可分为空心注浆(Slush Casting)（单面注浆）和实心注浆（solid casting-或叫双面注浆）两种。 图715为空心注浆示意图。 图716为实心注浆示意图。,第四节 陶瓷材料的成型工艺,（2）强化注浆方法 强化注浆方法是在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使得吸浆速度和坯体强度得到明显改善的方法。 根据所加外力的形式，强化注浆可以分为真空注浆、离心注浆和压力注浆等。 1）真空注浆（Suction Casting） 2）离心注浆（Centrifugal Casting） 3）压力注浆（Pressure Ca

14、sting）,第四节 陶瓷材料的成型工艺,2. 可塑成型 可塑成型是对具有一定可塑变形能力的泥料进行加工成型的方法。 （1）滚压成型（Roller Forming） 成型时，盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥料进行滚压成型（图7-17）。 （2）塑压成型（Plastic Pressing） 它是将可塑泥料放在模型内在常温下压制成坯的方法。 塑压成型的成型步骤如下（图7-18）。 3. 压制成型 粉料含水量为3-7%时为干压成型；粉料含水量为8-15%时为半干压成型。,第四节 陶瓷材料的成型工艺,二、 高技术陶瓷的成型

15、工艺 1. 注浆成型法 （1）注浆成型 （2）热压铸成型（Hot Injection Moulding） 热压铸成型法是利用石蜡的热流性特点，与坯料配合，使用金属模具在压力下进行成型的，冷凝后坯体能保持其形状。它的成型过程如下： 1）蜡浆料的制备 此工序的目的是为了将准备好的坯料加入到以石蜡为主的粘结剂中制成蜡板以备成型用。 2）热压铸 图7-19为热压铸机的结构示意图。 3）高温排蜡 （3）流延成型（Doctor-Blade Casting Process） 又叫带式浇注法、刮刀法。如图7-20所示。,第四节 陶瓷材料的成型工艺,2. 可塑成型法 （1）挤压成型（Extruding） 挤压成

16、型一般是将真空练制的泥料，放入挤制机内，这种挤制机一头可以对泥料施加压力，另一头装有机嘴即成型模具，通过更换机嘴，能挤出各种形状的坯体。如图7-21所示。 （2）轧膜成型（Roll Forming） 这是新发展起来的一种可塑成型方法，适宜生产1mm以下的薄片状制品，如图7-22所示。,第四节 陶瓷材料的成型工艺,3. 模压成型 （1）压制成型 （2）等静压成型（Isostatic Pressing） 等静压成型如图7-23所示。 等静压成型方法有冷等静压和热等静压两种类型。 冷等静压又分为湿式等静压和干式等静压。 1）湿式等静压 如图7-24所示。 2）干式等静压 如图7-25所示。,第四节

17、陶瓷材料的成型工艺,第五节 烧结（Sintering） 一、 烧结工艺 1.烧结温度与保温时间（Soaking Time）的确定 烧结温度(TS)和熔融温度(TM)的关系有一定规律：金属粉末：TS(0.3-0.4)TM，盐类： TS0.57TM ，硅酸盐： TS(0.8-0.9)TM 。 烧结保温时间与烧结温度有关。通常，烧结温度较高时，保温时间较短；相反，烧结温度较低时，保温时间要长。 2.烧结气氛的选择 3.升温和降温（冷却）速度的确定 升温和降温时间由制品尺寸和性能要求而定。,第五节 烧结（Sintering）,二、 烧结方法 表7-2列出各种先进或特殊的烧结方法以及它们的优缺点和适用范

18、围。,第五节 烧结（Sintering）,第六节 陶瓷与粉末快速 成型工艺 一、快速成形原理 快速成形技术（RPT-Rapid Prototyping Technique）的本质是采用积分法制造三维实体，在成形过程中，先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型，然后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层信息传递到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体模型。快速成形的原理框图见图7-26)。,第六节 陶瓷与粉末快速成型工艺,二、快速原型技术的发展现状 三、快速成形技术的加工特点 与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点： (1)可迅速制造出自由曲面和更为

19、复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 (2)不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全自动化生产。 (5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。,第六节 陶瓷与粉末快速成型工艺,四、粉体的分层实体制造技术 分层实体制造(LOM)的工艺原理图见图7-27。 五、选择性激光烧结工艺 SLS工艺原理见图7-28。 六、三维打印法 三维打印法(3DP),也叫喷墨打印法(Ink Jet Methods),由美国麻省理工学院率先研制成功, 其工作原理如图7-29所示。,第六节

20、 陶瓷与粉末快速成型工艺,本章学习指南 本章的主要内容包括：粉体的三种成型原理，粉末冶金的成型工艺，普通陶瓷的成型工艺，高技术陶瓷的成型工艺。读者应通过对粉体成型基本理论的学习和对粉体制备技术的了解，着重掌握粉末冶金成型工艺和陶瓷材料的成型工艺。成型理论是基础，工艺方法是关键，只有在充分理解成型理论的基础上，才能更好地掌握各种成型方法。 与第四、五、六、八章的区别是：本章所述成型工艺所使用的原料为细小的粉体，其颗粒大小一般在100m以下；成型得到的坯件还需要经过进一步的烧结才能得到成品。当然，它也是一种制备块体材料的有效方法，与其它制备方法互为补充。其中的一些方法与第九章某些部分相似，可相互参照。,本章学习指南,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,a),b),c),图7-16 实心注浆法示意图,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,第七章 图表,