先进成型技术学习资料培训PPT教案讲义.ppt

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1、第二讲 先进成型技术,一、铸造成形实型铸造 二、锻造成形爆炸成形 三、材料成形复合工艺液态模锻 四、粉末冶金 五、表面处理 六、快速原型技术,一、铸造成形 铸造从成型原理看属于聚合成型，即金属材料熔化合成和模范化成形。铸造 业是制造业毛坯的主要供应者。传统铸造在发挥成型随意性和综合经济优势的基 础上，不断吸收电子、信息和传感等高新技术，形成一系列先进铸造技术。 新近铸造技术熔体洁净、组织细密和表面光洁、尺寸精度高为主要特征。 简称为精密洁净铸造成形工艺。基本要素包括：铸造材料、金属材料合成熔化处 理工艺及装备、铸造成型及工艺装备、铸造工艺过程控制、设计与管理等五大方 面。 先进工艺：高紧实率潮

2、型工艺与装备；化学固化砂铸造工艺；气化模铸造 工艺与设备。,传统造型：砂型铸造（手工造型）,特种铸造（精密铸造）,失蜡铸造,压力铸造件：多为有色金属,精密铸造件,精密铸造模拟,铸造新技术：实型铸造 Lost foam metal casing process,实型铸造又称“气化模造型”、“泡沫聚苯乙烯塑料模铸造” “消失模铸造”或无型腔铸造等。这种铸造方法的实质是采用 泡沫聚苯乙烯塑料代替普通模样，造好型后不取出模样就浇 入金属液，在灼热液体金属的热作用下，泡沫塑料模气化、 燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料模所占据的空间位 置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。,实型铸造工艺与普通铸造的根本

3、差异在于没有型腔和分型面。,实型铸造气化模的制造 实型铸造用的气化模为蜂窝状闭孔结构，约10000个/cm3个封闭的 泡孔，其孔径为50um，壁厚约0.10.3 um，净体积仅为致密的聚 苯乙烯塑料的2%左右。 实型用泡沫塑料的特点及其要求： a. 比重小，气化速度快，发气量和残留物少。 b.气化温度低，气化时所需热量少 c.材料的表面强度及表面较好，模样在制造、搬运、保管和造型的 过程中不易损坏和变形。 d. 材料组织尽量细密、均匀，加工性能好，制造出来的模样表面光 洁、平整。 e. 泡沫塑料模样表面易于涂料，烘干后涂料层能牢固地粘附在模样 表面上。 f. 来源丰富、价格便宜,泡沫塑料的种类

4、很多，有聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和聚氨酯泡沫 塑料等。试验表明，泡沫聚苯乙烯塑料是实型铸造较理想的模制材料。 其密度为0.0150.035g/cm3，加热至1000时，其发气量为105 cm3/g，气化后残留物仅占总重量的0.015%左右。而泡沫酚醛塑料在同 样的温度下的发气量为600 cm3/g，残留物为44%。泡沫聚氨酯塑料的发 气量达到730 cm3/g，残留物14%。因此，在实际生产中广泛采用泡沫聚 苯乙烯塑料制造气化模。,中小型气化模,大中型气化模,聚苯乙烯珠粒的制取、 预发泡、熟化、成型 是关键步骤,a. 可发性聚苯乙烯珠粒的制取 在聚苯乙烯珠粒（透明固体、密度约为1.05 cm3

5、/g）中加入低沸点 的碳氢化合物，如石油醚、丙烷、丁烷、戊烷和异丙烷等作为发泡剂， 在加温加压的条件下，发泡剂将渗透到聚苯乙烯分子链之间，使聚 苯乙烯颗粒膨胀，冷却后均匀分散在珠粒内，成为细小又繁多的发泡核 心。渗透有发泡剂的珠粒，当加热至80100时，聚苯乙烯开始软 化，发泡剂气化并产生膨胀力，软化后的聚苯乙烯珠粒膨胀胀成为具有 无数的微小细孔的泡沫塑料，成为可发性聚苯乙烯珠粒。,b. 预发泡 将可发性聚苯乙烯珠粒加热到80100时，达到其玻璃化温度， 珠粒开始软化并具有良好的塑性。由于珠粒中的发泡剂受热气化产生压 力，使珠粒膨胀，形成互不连通的蜂窝状结构。泡孔一形成，蒸汽就向 泡孔内渗透，

6、发泡剂同时也向外逸。由于蒸汽的渗透速度大于发泡剂的 外逸速度，使泡孔内的压力逐渐增大，泡孔的尺寸进一步涨大，直至泡 孔内外壁所受的压力相等。为了保证聚苯乙烯塑料泡孔的完整性，发泡 剂所产生的压力和蒸汽压力不宜过大，通蒸汽的时间也不宜过长。根据 加热介质的不同，预发泡的方法有红外线、高频、热水、蒸汽和真空预 发泡等五种。前三种方法预发泡的倍数小，发泡速度慢，成本高，一般 用于制造密度较大的气化模。常采用的是热水和蒸汽预发泡方法。,c. 熟化 将预发泡的聚苯乙烯珠粒在空气中放置1624小时，让空气渗透 到珠粒的泡孔内，使泡孔内外的压力平衡，珠粒变成干燥并有弹性，变 形后能恢复原来的形状，这个过程叫

7、熟化。用未经熟化的珠粒发泡很难 成型为气化模。,d. 成型 把经预发泡并熟化处理的泡沫聚苯乙烯珠粒用压缩空气吹入金属压 型里，加热使其软化膨胀，充满整个压型，然后降低蒸汽压力，冷却后 可获得所需的气化模。 加热的方法有热水成型法、蒸缸成型法、压机气室成型法和高频加 热成型法等四种。,实型铸造工艺目前应用较为普遍的是无粘结剂的干石英砂造型法。,实型铸造工艺有以下特点： （1）铸造工艺简单 实型铸造没有型腔 和分型面，没有取模、下芯和配箱等工 序，简化了工艺过程和清理工序。,（2）会产生大量的气体 浇注过程中，由于模样受高温金属滚热辐射的作用，在与金属液接触前，先发生软化、融熔，继之燃烧气化，产生

8、了大量的气体，使金属液与模样间始终保持一个间隙如图。因此，浇注时金属液上升速度低于模样的气化速度，或铸型的透气性高时，值就较大，其气体压力亦愈小，这有利于聚苯乙烯的高温分解产物渗入或逸出铸型，有利于提高铸件质量。当上升速度超过模样材料的气化速度时，引起中气体压力的增加，迫使金属液上升速度减慢，且易发生金属液沸腾，使尚未完全气化的聚苯乙烯残留物卷入金属液内或压向铸型表面，引起铸件的缺陷。,1-泡沫塑料模样；2-金属液；3-间隙,（3）造型工艺严格 实型铸造用型砂要求透气性高，填砂时应防止模样变形，紧 实均匀。对形状复杂的内腔或填砂困难处，可将模样作成分块结构或放芯骨、砂 钩等，以便填砂春砂，保证

9、砂型的强度。为利于排气，宜在铸型上多戳出气孔， 同时更应注意铸型的紧固，以免引起抬箱、溢箱。 （4）选用底注式浇注系统 实型铸造的浇注系统宜选用开放的底注式浇口，使液 体金属由铸型底部注入型腔。内浇口的最小截面积应比普通铸造的尺寸大1O% 15，截面厚度不小于5mm。 （5）浇注温度要高 浇注时的原则是高温（比普通铸造的浇注温度高20 80），先慢后快，即待浇注系统充满后再加快浇速，且不得中断，以免产生冷 隔、夹渣等缺陷。 （6）实体模样表面应涂覆涂料 实型铸造铸件的表面质量取决于模样表面的粗糙 度和涂层的透气性、强度和耐高温性能。一般铸件可采用石蜡+泡沫聚苯乙烯塑 料粉末作为涂料。涂料涂覆方

10、法除小型成批模样宜采用浸涂外，一般均为涂刷和 喷涂，涂料层厚为0525mm。,实型铸造的特点和应用,实型铸造与砂型铸造相比较具有下列特点： a. 简化铸件生产工序，缩短生产周期 b. 降低了铸件废品率，提高了铸件质量 c. 实型铸造能避免普通砂型铸造因起模、组芯及合箱等所引起的铸件尺 寸误差和缺陷，使铸件尺寸精度提高。 d. 增大了铸件设计的自由度，由于模样没有分型面，因而很多普通砂 型铸造难以实现的问题在实型铸造时却容易解决。产品设计者可根据总 体需要设计铸件结构。 e.提高了材料利用率,与传统的铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比 的优势，因此被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”

11、 和“铸造工业的绿色革命”。 1956年美国人H.F.SHOYER开始了将聚苯乙烯泡沫塑料 用于铸造的试验，并获得成功，1958年以专利形式公布于 众，称之为“无型腔铸造”。开始只是用来制造金属雕像等艺 术品铸件，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开 始了工业应用。,1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件专利。到了1967年，采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用，生产了成千上万吨铸件，但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展，仍处于探索阶段。在六十、七十年代，消失模铸造法仅限于单件小批生产，典型产品是汽车模具、机器底座、

12、艺术品等。1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成 负压进行浇注，取得了专利，即现在的消失模铸造。 八十年代以前，由于工艺、型砂和涂料等问题以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，使得消失模铸造法发展缓慢。 1981年以后由于发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。,1979年，由我国著名消失模铸造专家、中国科学院长春光学精密机械研究所研

13、究员黄述哲教授领导的课题组，在中国最早开始了消失模铸造的原理性试验。同年，黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。 1982年，在大量实验室试验的基础上，黄述哲教授主持在光机所工厂建成了一条消失模铸造实验生产线。黄述哲教授主持完成的“消失模铸造技术开发及工业化应用”于1997年、1998年分获中科院科技进步二等奖和国家科技进步三等奖，这是我国铸造工业界科技成果中获得的最高奖项。1998年被国家科技部列为“九五国家科技成果重点推广项目”（99010202A）。黄述哲教授主持完成了数十个技术先进、功能完备、配置合理、生产

14、高效的消失模铸造流水生产线工程。 八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。 九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。,消失模铸造技术自九十年代开始在我国进入工业化应用，经过十几 年的发展，具有了一定规模。消失模铸造技术也被国家重点推广而成为 改造传统铸造业应用最广泛的高新技术。 但总的来说，我国消失模铸造的生产应用水平与发达国家仍然有很 大的差距。目前，我国的消失模铸造厂家大大小小有数百家。但大部分 的工厂生产能力都不大，与国外动辄数万吨的生产能力相比差距较大。,实型铸造的汽车零件,实型铸造生产线,消失模应用实例：重型

15、汽车变速箱壳体消失模铸造与树脂砂型铸造对比,二、锻造成形,塑性精确成形是通过塑性变形方法来实现精确成形的一种先进制造 技术，是建立在现代材料科学、力学、数值模拟和计算机、自动化和机 器人技术、模具和润滑技术、金属塑性和成形技术等多学科和技术基础 上的一门先进科学技术。精密成形件不仅具有良好的内部组织与性能， 还由于节约了切削加工，从而使成形件表面的细化晶粒得以保存，金属 纤维的连续性也得以保存，提高了零件的机械性能。如：冷温成形成套 技术、超塑性和等温成形工艺。,锻造的基本过程,锻造改变金属性能,手工锻造（打铁）,锤上锻造,各种锻件,锻造新技术：爆炸成形,高能率成型是在极短的时间内（毫秒级）将

16、化学能、电 能、电磁能或机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成 形的工艺。高能率成形速度极高，可以使难变形的材料进行 成形，加工时间短，加工精度高。高能率成形有许多加工形 式，如爆炸成形、电液成形和电磁成形等。 爆炸成形：explosive forming（explosive swaging）,爆炸成形是利用炸药爆炸的化学能使金属材料高速高压成形的加工 方法。适合于各种形状零件的成形。爆炸在510s内产生几百万Mpa 的压力脉冲的冲击波，坯料在12s，甚至在毫秒或微秒量级时间内成 形。爆炸成形工艺特点是： （a）高速变形，使难于变形的金属材料可以变形或易于变形； （b）高能量变形，适合于大件

17、成形。 在水下爆炸成形时，炸药爆炸产生大量高温高压气体，其中一部分 能量向水中释放，使水压急剧升高，并呈辐射状沿径向向外传递，形成 冲击波，并继续产生作用时间长的低压气体压力波，使坯料成形。,模压成形：用炸药爆炸把放在凹模或开口模上的金属板或金属坯贴向压模而实现紧密接触的成形工艺。坯料边与模具压紧以防止在爆炸成形过程中起皱或变形。抽出封闭式模腔内气体，将模子和成形坯泡在水中。爆炸产生冲击波，向坯料施压，迫使其与模腔紧密接触，使坯料成形。这种工艺适合于小尺寸、高精度工件的成形。,非模压成形：利用远置炸药使板料在开口模腔中自由成形的工艺。 非模压成形是再深腔中进行的，深腔的作用仅在于控制成形件的轮

18、廓。 由于不存在模具干扰而产生的约束力，因此，爆炸自由成形件中的应力 分布均匀。非模压成形最终形状取决于炸药量、安放位置以及坯料变形 抗力。这种工艺用于一般精度的球形椭圆形及双曲线的成形或重型板件 机加工前的预成形，以获得大致的形状。,爆炸成形产品的特点：变形均匀、受压应力；内腔经爆炸挤压硬 化，其内径产生残余压应力；产生孪晶；产生组织转变；爆炸成形的奥 氏体不锈钢组织为马氏体。 爆炸成形的应用：用于板料拉深、胀形、弯曲、冲孔、压花、表面 硬化、粉末压制等。 球形件的爆炸成形通常采用简单的边缘支撑，用圆形坯进行非模压 一次自由爆炸成形。当坯料进行大应变的深拱形件成形时，可进行多次 爆炸成形，在

19、每次爆炸之间要实施退火。爆炸成形使炮筒内膛挤压硬 化，可保持大的残余压应力；油罐车的碟形封头在水下小型爆炸成形； 爆炸成形的又一用途是实现零件原形修复。,三、材料成形复合工艺液态模锻,液态模锻是将金属液直接浇入金属模的型腔内，然后对熔融或半熔 融的金属施以机械静压力，使液态金属充满型腔并在压力下结晶凝固， 发生塑性变形，获得毛坯或零件的加工工艺。液态模锻工作过程主要包 括浇注、加压成形和脱模。,液态模锻的凝固方式与铸造的 凝固方式不同。 铸造凝固时，外壳和底部先凝 固，顶部后凝固，为了减少或避免铸 造缺陷，不得不加大冒口，消耗较多 的金属液。 液态模锻时，浇注熔融金属液先 在模具周边凝固结晶，

20、紧贴模膛壁， 加快热量散失，加速冷却，凝固速度 比铸造快2-3倍。心部金属液是在压力 作用下冷却凝固的，有助于减少铸造 缺陷，组织细化均匀致密。加压大于 50Mpa时，非铁合金液态模锻制件中 不出现缩孔。,浇注金属液在模腔内自由流动，迅速在模腔壁上凝固成细晶薄壳，在垂直模 壁方向上顺序结晶。浇注动量引起金属液在模腔内翻滚，冲刷细晶薄壳上未结晶 牢的晶体，使之重熔或游离于熔渣中，如图a。 合模时在冲头自重作用下，异形冲头压制引起金属液流动和回流，钢液向上 翻滚，对硬层上的枝晶进行机械冲刷，并使之熔断，剥离或位移，形成大量的固 相物，如图b。施加压力使封闭的硬壳产生塑性变形，压挤壳内的金属液，使之

21、 流入凝固前沿的枝晶间隙中。此时，向上滚动的半固态金属液继续冲刷枝晶，并 挤入枝晶间隙，产生致密效应。,液态模锻需要一定的压力，以消除制件内部的铸造缺陷并获得微量 塑变。压力过小，则达不到对制件性能改善的作用，但压力过大时作用 不明显。 从固相线温度以上，即熔融或半熔融状态下开始加压，加压时间应 能保证完成结晶和成形所需要的时间。快速加压促使结晶、塑变和成形。 加压速度越慢，金属液在模中停留时间越长，所需压力越大。固溶合金 液态模锻所需的压力比共晶合金低。形状复杂的小尺寸制件所需压力大。 普通的模锻是靠镦挤强制金属流动方式填充模膛，成形困难。液态模锻 时，金属液快速直接注入模膛，直接对金属液面

22、加压，压力损失小，所 需压力低，只相当于模锻的1/51/3。,爆炸成形产品的特点：变形均匀、受压应力；内腔经爆炸挤压硬 化，其内径产生残余压应力；产生孪晶；产生组织转变；爆炸成形的奥 氏体不锈钢组织为马氏体。 爆炸成形的应用：用于板料拉深、胀形、弯曲、冲孔、压花、表面 硬化、粉末压制等。 球形件的爆炸成形通常采用简单的边缘支撑，用圆形坯进行非模压 一次自由爆炸成形。当坯料进行大应变的深拱形件成形时，可进行多次 爆炸成形，在每次爆炸之间要实施退火。爆炸成形使炮筒内膛挤压硬 化，可保持大的残余压应力；油罐车的碟形封头在水下小型爆炸成形； 爆炸成形的又一用途是实现零件原形修复。,三、材料成形复合工艺

23、液态模锻,液态模锻是将金属液直接浇入金属模的型腔内，然后对熔融或半熔 融的金属施以机械静压力，使液态金属充满型腔并在压力下结晶凝固， 发生塑性变形，获得毛坯或零件的加工工艺。液态模锻工作过程主要包 括浇注、加压成形和脱模。,液态模锻的凝固方式与铸造的 凝固方式不同。 铸造凝固时，外壳和底部先凝 固，顶部后凝固，为了减少或避免铸 造缺陷，不得不加大冒口，消耗较多 的金属液。 液态模锻时，浇注熔融金属液先 在模具周边凝固结晶，紧贴模膛壁， 加快热量散失，加速冷却，凝固速度 比铸造快2-3倍。心部金属液是在压力 作用下冷却凝固的，有助于减少铸造 缺陷，组织细化均匀致密。加压大于 50Mpa时，非铁合

24、金液态模锻制件中 不出现缩孔。,浇注金属液在模腔内自由流动，迅速在模腔壁上凝固成细晶薄壳，在垂直模 壁方向上顺序结晶。浇注动量引起金属液在模腔内翻滚，冲刷细晶薄壳上未结晶 牢的晶体，使之重熔或游离于熔渣中，如图a。 合模时在冲头自重作用下，异形冲头压制引起金属液流动和回流，钢液向上 翻滚，对硬层上的枝晶进行机械冲刷，并使之熔断，剥离或位移，形成大量的固 相物，如图b。施加压力使封闭的硬壳产生塑性变形，压挤壳内的金属液，使之 流入凝固前沿的枝晶间隙中。此时，向上滚动的半固态金属液继续冲刷枝晶，并 挤入枝晶间隙，产生致密效应。,液态模锻需要一定的压力，以消除制件内部的铸造缺陷并获得微量 塑变。压力

25、过小，则达不到对制件性能改善的作用，但压力过大时作用 不明显。 从固相线温度以上，即熔融或半熔融状态下开始加压，加压时间应 能保证完成结晶和成形所需要的时间。快速加压促使结晶、塑变和成形。 加压速度越慢，金属液在模中停留时间越长，所需压力越大。固溶合金 液态模锻所需的压力比共晶合金低。形状复杂的小尺寸制件所需压力大。 普通的模锻是靠镦挤强制金属流动方式填充模膛，成形困难。液态模锻 时，金属液快速直接注入模膛，直接对金属液面加压，压力损失小，所 需压力低，只相当于模锻的1/51/3。,对于形状简单的零件，通用液压机作为液态模锻设备可 满足生产需要。液态模锻模具选材应考虑其高温强度，组织 性能稳定

26、性，热疲劳强度，抗氧化能力，导热性和工艺性能 等。由于受模具承载能力限制，液态模锻工艺主要应用于非 铁合金锻件的生产，如铝合金活塞，镍黄铜高压阀体，仪表 外壳及铜合金蜗轮等；也用于球墨铸铁齿轮及钢法兰盘等制 件的生产。,液态模锻是一种少切削金属压力加工方法。液态模锻实质上是铸造 与锻造的组合工艺，兼有铸造工艺简单，成本低和锻造产品性能好，质 量可靠等优点，克服了铸锻两种工艺的缺点。液态模锻即不同于普通模 锻，也不同于压力铸造，其特点是： （a）加压下同时凝固与塑性变形 金属液在封闭模腔中加压完成结晶过程，因此凝固结晶与塑性变形 两个基本过程同时存在。 （b）消除内部缺陷，提高精度 气体从模腔内

27、排出，避免了锻件内产生气泡，微裂纹等现象。生产 的锻件尺寸精确，表面粗糙度小。 （c）高性能低成本 液态模锻为一次成形，模具结构简单，不设浇口、冒口，金属液利 用率高。适合于形状复杂、性能高的制件成形，成本低。,由于金属液在封闭模腔中加压完成结晶，先在周边凝固结晶，同时 在加压下，中心部分凝固。压力使已经凝固结晶的外壳产生一定塑性变 形，使正在凝固的金属液承受等静压，被挤入枝晶间隙，进行强制性补 缩凝固，锻件内部缩孔和缩松等缺陷得以消除，有助于结晶组织细化、 致密、均匀，从而提高锻件的强度。通常，液态模锻锻件的强度高于普 通轧材，但是由于枝晶偏析，杂质与铸造残余组织的存在使其塑性变差。,四、粉

28、末冶金 Powder Metallurgy,1、粉末冶金的特点和应用 粉末冶金是冶金学的一个分支，是制取金属粉末，采用成形和烧结 等工序将金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物制成制品的工艺技 术。 近代粉末冶金技术是以1909年美国人库利吉（W.D Coolidge）发明 用粉末冶金法制造灯泡用钨丝开始的，其发展具有三大标志：一是克服 了难熔金属如钨等熔铸生产的困难，出现了电灯钨丝和硬质合金；二是 多孔含油轴承的制造成功，随后是在机械零件方面的发展，发挥了粉末 冶金少、无切削的特点；三是开拓出制造特殊材料的新领域。,粉末冶金也存在一定的局限性。由于制品内部总有空 隙，因此其强度比相应的锻件或

29、铸件低约2030；成形过 程中粉末的流动性远不如液态金属，因此对制品的形状有一 定的限制；压制成形的压强高，制品一般小于10公斤；压模 成本高，一般适合大批量生产。,2、粉末冶金工艺过程：制粉成形烧结,（1）粉末的制取 粉末可以是纯金属、非金属或化合物。机械行业所用粉末一般由专 门厂家生产按规格要求供应。粉末的一个重要特点是它的表面积与体积 之比很大，粉末的形成是依靠能量传递到材料而制造新表面的过程。例 如1m3的金属可制成约2108个直径1m的球形颗粒，其表面积约 6106 m2，可见所需能量是很大的。 常用的制粉方法有机械法和物理化学法。,对于脆性材料一般采用球磨机破碎制粉； 雾化法是另一

30、种机械制粉法，它采用高速的气流或水流直接击碎液 体金属或合金，其粉末大小一般小于150m。雾化法因工艺简便，可连 续、大量生产而广泛采用。可制Zn、Cu、Fe、Ni等金属粉末，也可制取 青铜、合金钢等合金粉末。,用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末是应用最广泛的方 法，简单且生产成本低。如粉末冶金中用量最大的铁粉，一般采用固体 碳还原氧化铁制成。如图为瑞典霍格纳斯公司用碳还原铁矿石生产铁粉 的流程图。,固态物质按分散程度可分成致密体、粉末体和胶体三类，大小在 1mm以上的称为致密体或固体，0.1m以下的称为胶体，介于二者之间 的称为粉末体或粉末。 致密体是一种晶粒集合体，没有宏观孔隙，依

31、靠原子间的键力结合。 粉末体是由大量颗粒及颗粒间的空隙所构成的集合体，连结面少且不能 形成强的键力，因此，粉末体不像致密体那样具有固定的形状，而是表 现出与液体相似的流动性。但是由于移动时的摩擦，故粉末的流动性是 有限的。至于胶体，彼此之间距离更大，结合力极微弱。,因生产方法不同，粉末颗粒的形状和结构也各异。一般粗略的划分 为规则形状和不规则形状两大类。粉末颗粒的形状直接影响粉末的流动 性、松装密度、透气性、压制性及烧结强度等。粉末颗粒为多晶结构， 晶粒内存在亚结构及空位、位错等缺陷。粉末颗粒具有发达的外表面和 内表面，发达的表面使表面能增高，因而对气体、液体或微粒有很强的 吸附能力。,粉末制

32、备新技术,机械合金化是一种高能球磨法，可制造细微的复合金属粉末。在高 速搅拌球磨条件下，合金各组元的粉末颗粒之间、粉末颗粒和磨球之间 发生强烈碰撞，而不断重复冷焊和断裂实现合金化。也可以在金属粉末 中加入非金属粉末来实现机械合金化。 目前采用机械合金化法生产的粉末主要有：镍基、铁基高温合金及 一些非晶材料如Nd-Fe-B，YCo3等。正在开发金属间化合物弥散强化铝 基合金及高速钢。,用机械合金化制造的粉末材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。因此，可用较粗的原材料粉末（50100um）制成超细弥散体（颗粒间距离小于1um）。 机械合金化与滚动球磨的区别在于使球体运动的驱动力不同，转子搅动

33、球体产生相当大的加速度并传给物料，因而对物料有较强烈的研磨作用。同时，球体的旋转运动在转子中心轴的周围产生旋涡作用，对物料产生强烈的环流，使粉末研磨的很均匀。,快速冷凝技术是雾化技术的发展。从实验室 首次获得非晶态硅合金的片状粉末至今已有30多 年了，此项技术已进入工业化阶段。从液态金属 制取快速冷凝粉末时，当冷却速度为106 108/s时，有熔体喷纺法、熔体沾出法；当冷却 速度为104106/s，有旋转盘雾化法、旋转杯 雾化法、超声气体雾化法等。,（2）粉末制品的成形,粉末冶金成形就是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状和一定 密度、强度的坯块。所有加压成形方法共同的弱点是工件尺寸不能过

34、大，形状不能太复杂。无压成形可避免上述缺点。压力机模压成形最基 本且应用最广泛。,粉末成形前需要进行一定的准备： 退火使氧化物还原、降低碳和其它杂质的含量，提高纯度；消除加工硬化，稳定 晶体结构。此外，为了防止某些超细金属粉末自燃需要经退火钝化其表面。 筛分是把不同颗粒大小的原始粉末进行分级。 混合是指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。充填时，粉末颗 粒间的空隙越小，制成的压坯质量越好，烧结也容易，在一定压制条件下，存在一个 最佳的粒度分布。 制粒是小颗粒的粉末制成大颗粒 或团粒的工序，以此来改善粉末的 流动性。一般细粉流动性差，而将 数十细小颗粒聚集在一起制成小球， 即造粒后，

35、粉末的流动性则明显改善。,压制成形 将松散的粉末在压模内经受一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一 定密度、强度的压坯。 当粉末受到压力后，粉末颗粒间发生相对移动，粉末颗粒将填充孔隙，使粉 末体的体积减小，粉末颗粒迅速达到最密集的堆积。 压坯密度变化的第一阶段是在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔 隙，压坯的密度随压力的增加而急剧增加，即滑动阶段；第二阶段是密度达一 值时，粉末体出现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，此时密度不随压 力增高而明显变化；第三阶段是当压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒 开始变形，而使密度又随压力增高而增加。,压制过程是为获得一定的压坯密度且密度分布均

36、匀。但是，压坯密度分布 不均却是压制过程的重要特点。这是因为粉末体在压模内受力后力图向各个方向 流动，于是引起了垂直于压模壁的侧压力。由于侧压力的作用，压模内靠近模壁 的外层粉末与模壁之间产生摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降，即 在接近加压端面部分压力最大，远离加压端，压力逐渐减小。由于这种压力分布 的不均匀，造成压坯各个部分的密度分布的不均匀性。如图各层的厚度和形状都 发生了变化，即在任何垂直面上，上层密度比下层密度大。在水平面上，接近上 模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分布是中 间大，两边小。用镍粉进行压制实验的压坯密度也具有相似的规律。,粉末的压制

37、一般在普通机械式压力机或液压机上进行，常用的压力 机吨位一般为5005000KN。据有关报导，国外已出现30000KN高速压 机，可压制814Kg的零件，生产率为20件/min。如图为双向压制衬套 的4个工步。,粉末成形新技术,钢压模成形是传统的成形方法， 由于受压机和压模的限制，一般压 坯尺寸较小、单重较轻、形状简单。 近年来的发展是研究各种非钢模成 形，如等静压成形、连续成形、无 压成形和爆破成形等特殊成形方法。 等静压成形是借助高压泵的作 用把流体介质（气体或液体）压入 耐高压的钢体密封容器内，高压流 体的静压力直接作用在弹性模套内 的粉末上，使粉末体在各个方向均 衡受压而获得密度分布均

38、匀和强度 较高的压坯。弹性模套一般采用橡胶 材料制造。,将金属粉末通过一个特制的漏 斗喂入转动的轧辊缝中，即可轧出 具有一定厚度的长度连续的、并且 强度适宜的板带坯料，这些坯料再 经过烧结及热处理等工序就可制成 有一定孔隙度的、或致密的粉末冶 金板带材。 与熔铸轧制相比，粉末轧制的 主要优点是能够生产各种双金属或 多层金属带材、难熔金属及其化合 物的板带材等。成材率高，一般可 达8090，而熔铸轧制法为60 与模压法相比，粉末轧制制品长度 原则上不受限制，制品密度比较均 匀。粉末轧制法一般用于生产形状 简单的板带材和直径厚度比较大的 衬套。,高能成形如利用炸药爆炸时产 生的瞬间冲击波的压力，作

39、用于金属 时，金属的变形就象液流一样容易进 行。把这种高能量用于粉末成形一般 有两个途径：一是直接把高压传给压 模进行成形，二是像等静压压制那样 通过液体把能量传递给粉末体进行压 制。爆炸成形是高能成形的方法之一 目前还没有超出实验阶段。但是这对 于制造高密度的制品和难于成形的粉 末来说，是一种有希望的方法。,（3）粉末的烧结 压坯的强度和密度都很低， 不能满足使用要求。为了提高其强 度和致密度，一般在低于其基本组 元熔点以下的温度（约0.7-0.8TK） 加热并保温，使粉末颗粒相互结合 起来，这个过程称为烧结。烧结是 一种使成形的粉末坯块达到强化和 致密化的热处理工艺。 烧结是粉末冶金中最重

40、要的工 序之一。,烧结,烧结前型坯,烧结新技术,为了提高烧结材料的性能，使之 与铸锻材料相媲美，需要提高烧结 的致密度，即采用多种强化烧结方法。 电火花烧结即电火花压力烧结， 是利用粉末间火花放电所产生的高 温，并且同时受外应力作用的一种特 殊烧结方法。通过一对电极板和上下 模冲向模腔内的粉末直接通入高频或 中频交流和直流叠加电流。加热粉末 是靠火花放电产生的热和通过粉末与 模具的电流。粉末在高温下处于塑性 状态，通过模冲加压进行烧结。由于 高频电流通过粉末形成的机械脉冲波 的作用，致密化过程在极短的时间内 （几秒钟）即可完成。,电火花烧结的零件接近致密件（一般为理论密度的98100）， 组织

41、均匀，物理、化学及机械性能好；还可有效的控制孔隙度，如制造 大型自发汗冷却的火箭鼻锥。 电火花烧结的工艺特点： 粉末原料来源广泛，各种金属、非金属、合金粉末，特别是活性大 的各种粒度粉末都可以用作电火花烧结原料。成形压力低，烧结时间 短，自动化生产小型制品，生产率可高达400件/h。采用石墨模具，成本 低，加工方便。大气下烧结，无需保护气氛，甚至高活性的铍制品也可 在大气下烧结。采用脉冲电源，节约能源。 电火花烧结电源装置复杂，投资大。 但由于其工艺具有独特的优越性，应用前景广阔。,致密化是改善粉末冶金材料和制品的关键。传统的压制 成形和烧结对其性能的提高是有限的。 全致密工艺是将压力和温度同

42、步使用，以达到消除孔隙 的目的。常用的有热压、热锻、喷雾沉积、大气压固结等。,粉末锻造,粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻结合的工艺，兼有二者优点。 将烧结后的粉末冶金制品，放在封闭模膛内经锻造而成。采用粉末锻造 不仅可以使制品得到致密的最终形状和尺寸，而且还可以获得均匀的细 晶粒组织结构，显著提高制品的强度和韧性。同时，它既保持了普通粉 末冶金少、无切削工艺的优点，又具有成形精确，材料利用率高，锻造 能量低，模具寿命长和成本低等特点。因此，粉末锻造工艺已经得到所 有工业化国家的重视，用于制造高性能制品，如汽车连杆和齿轮等。,各种粉末冶金制件,汽车用粉末冶金零件,粉末冶金齿轮生产过程,五、表面处理

43、,金属零件表面是直接与外界环境接触，并在各种应力作用下发生物 理、化学现象的区域。各种影响性能的加工方法都是通过零件表面起作 用的。因而，研究金属表面处理技术就有着非常重要的意义。 表面处理层的主要特性 a、防护装饰性 b、机械特性 c、物理特性：光学、热学、电磁、 d、化学特性：耐腐蚀、防玷污、杀菌性等 e、其他特性：耐候、耐燃、复制特性等。,表面处理技术,1、金属表面强化技术 覆盖层强化、化学热处理强化、表面形变强化、表面相 变强化、表面复合处理强化等。 2、金属表面防腐技术 3、金属表面装饰加工技术 金属表面处理前一般都要对表面进行预处理：预处理一 般分为除油、酸洗和机械清洗。若需要喷涂

44、的家具，有的还 要进行磷化或钝化或氧化处理。,1、热喷涂技术,以某种热源将喷涂材料（线材或粉材）加热，受热的材料形成熔融 或半熔融状态的微粒，这些微粒以压缩空气为动力以一定的速度冲击并 沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。 热喷涂的特点：工艺灵活，热喷涂施工对象可以大到铁塔或桥梁， 小到10毫米的内孔；可以是整体也可以是局部；可在真空下进行也可以 室外作业。适应性强，涂层和基体材料非常广泛。可用作涂层材料的有 金属及合金、塑料、陶瓷及复合材料等。被喷涂的工件可以是金属也可 以是非金属材料。生产效率高，一般生产效率可达每小时数千克，有的 工艺方法可达每小时50千克以上。 根据不同的热源，

45、可分为燃烧法和电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、 爆炸喷涂及高速火焰喷涂（HVOF）；后者包括电弧喷涂及等离子喷涂。,热喷涂过程三部曲：喷涂材料的溶化、雾化和涂层的形成。,喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂温度即 溶滴冲击基体表面时的温度和溶滴冲击表面的速度。,粉末冶金齿轮生产过程,五、表面处理,金属零件表面是直接与外界环境接触，并在各种应力作用下发生物 理、化学现象的区域。各种影响性能的加工方法都是通过零件表面起作 用的。因而，研究金属表面处理技术就有着非常重要的意义。 表面处理层的主要特性 a、防护装饰性 b、机械特性 c、物理特性：光学、热学、电磁、 d、化学特性：耐腐蚀、防玷污、杀菌性等

46、e、其他特性：耐候、耐燃、复制特性等。,表面处理技术,1、金属表面强化技术 覆盖层强化、化学热处理强化、表面形变强化、表面相 变强化、表面复合处理强化等。 2、金属表面防腐技术 3、金属表面装饰加工技术 金属表面处理前一般都要对表面进行预处理：预处理一 般分为除油、酸洗和机械清洗。若需要喷涂的家具，有的还 要进行磷化或钝化或氧化处理。,1、热喷涂技术,以某种热源将喷涂材料（线材或粉材）加热，受热的材料形成熔融 或半熔融状态的微粒，这些微粒以压缩空气为动力以一定的速度冲击并 沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。 热喷涂的特点：工艺灵活，热喷涂施工对象可以大到铁塔或桥梁， 小到10毫米的内

47、孔；可以是整体也可以是局部；可在真空下进行也可以 室外作业。适应性强，涂层和基体材料非常广泛。可用作涂层材料的有 金属及合金、塑料、陶瓷及复合材料等。被喷涂的工件可以是金属也可 以是非金属材料。生产效率高，一般生产效率可达每小时数千克，有的 工艺方法可达每小时50千克以上。 根据不同的热源，可分为燃烧法和电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、 爆炸喷涂及高速火焰喷涂（HVOF）；后者包括电弧喷涂及等离子喷涂。,热喷涂过程三部曲：喷涂材料的溶化、雾化和涂层的形成。,喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂温度即 溶滴冲击基体表面时的温度和溶滴冲击表面的速度。,等离子热喷涂过程,喷涂材料的范围很广，可以是金属及

48、其合金，自熔合金粉末，塑料、陶瓷材料和复合材料等。,热喷涂锌丝,LSQD8型拉式电弧喷涂机,喷射粒子,喷涂火焰,热喷涂作业,热喷涂作业,热喷涂工件,泵零件等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）,电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）,拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐摩损）,挤出式螺丝HVOF热喷涂 （耐摩损） 拉线引导滚筒粉体式火焰热喷涂（耐摩损）Disk Brake pad等离子热喷涂（隔热）,HVOF喷涂技术 High velocity oxy fuel HVIF喷涂技术 High Velocity Impact Fusion高速冲击熔化。 Plasma spray 等离子喷涂,2、气相沉

49、积技术,气相沉积是将含有形成沉积元素的气相物质输送到工件表面，在工 件上形成沉积层的工艺方法。依据沉积反应的性质，可分为物理气相沉 积和化学气相沉积。 化学气相沉积（chemical vapour deposition, CVD法）是利用气态 物质在一定的温度下与固体表面上进行化学反应，并在其表面上生成固 态沉积膜的过程。涂层可以是氧化物、碳化物、氮化物，也可以是多元 化合物。通过基材、沉积材料和工艺的选择可获得许多特殊性能，在微 电子学工艺、半导体光电技术、光纤通讯、超导技术、复合材料、装饰 及防护涂层等领域得到广泛应用。,化学沉积中的工件,沉积层,Chemical Vapour Deposition system,3、电镀和金属着色,电镀是将被镀金属制品作为阴极，通以直流电，使要镀的金属盐溶 液的阳离子在工件表面上沉积出来形成电镀层。电镀实质上是一种电解 过程。,各种镀件,金属着色,所谓金属着色就是在金属表面形成一层很薄的、有化学耐腐蚀的基 体金属化合物。经过抛光，这一薄层则显示出平滑和富有光泽。 热碱中着色，颜色发蓝，称为发蓝。 用硝酸、氧化铁和硫酸铜进行的发黑处理称为发黑。,发黑的扳手和轮毂,发蓝的剪刀,六、快速