粉末冶金与陶瓷材料成型工艺流程讲义.pptx
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1、第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺 粉粉末末冶冶金金Powder Powder MetallurgyMetallurgy与与陶陶瓷瓷CeramicCeramic的的主主要要制制备备工工艺艺过过程程包包括括粉粉末末制制备备、成成型型和和烧烧结结。其其生生产产工工艺艺过过程程可可简简单单地地表表示示为为：粉粉末末制制备备坯坯料料制制备备成成型型枯枯燥燥烧烧结后处理热压或热等静压烧结成品结后处理热压或热等静压烧结成品 本本章章将将讨讨论论粉粉末末冶冶金金与与陶陶瓷瓷的的成成型型原原理理、粉粉体体制制备备技技术术、粉粉末末冶冶金金的的成成型型工工艺艺和和陶陶瓷瓷材材料料的的成成型型工工艺艺，最最后后
2、介介绍快速成型工艺。绍快速成型工艺。粉末制备坯料制备烧结热压或热等静压烧结第七章第七章 粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺粉末冶金与陶瓷材料的成型工艺第一节 粉体成型原理一、一、粉料的基本物理性能粉料的基本物理性能1.1.粒粒度度Particle Particle SizeSize和和粒粒度度分分布布Particle Size DistributionParticle Size Distribution 粒粒度度是是指指粉粉料料的的颗颗粒粒大大小小，通通常常以以颗颗粒粒半半径径r r或或直直径径d d表表示示。粒粒度度分分布布是是指指多多分分散散体体系系中中各各种种不同大小颗粒所占的百分比。不同大小
3、颗粒所占的百分比。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理2.2.颗粒的形态与拱桥效应颗粒的形态与拱桥效应 人人们们一一般般用用针针状状、多多面面体体状状、柱柱状状、球球状状等等来描述颗粒的形态。来描述颗粒的形态。粉粉料料自自由由堆堆积积的的空空隙隙率率往往往往比比理理论论计计算算值值大大得得多多，就就是是因因为为实实际际粉粉料料不不是是球球形形，加加上上外外表表粗粗糙糙图图表表，以以及及附附着着和和凝凝聚聚的的作作用用，结结果果颗颗粒粒互互相相交交错错咬咬合合，形形成成拱拱桥桥型型空空间间，增增大大了了空空隙隙率率。这这种现象称为拱桥效应见图种现象称为拱桥效应见图7-17-1。第一节第一节 粉
4、体成型原理粉体成型原理3.3.粉体的外表特性粉体的外表特性 1 1粉粉体体颗颗粒粒的的外外表表能能surface surface energyenergy和和外表状态外表状态 粉粉体体颗颗粒粒外外表表的的“过过剩剩能能量量称称为为粉粉体体颗颗粒粒的的外表能。外表能。表表7-17-1是是当当粒粒径径发发生生变变化化时时，一一般般物物质质颗颗粒粒其其原原子数与外表原子数之间的比例变化。子数与外表原子数之间的比例变化。2 2粉体颗粒的吸附与凝聚粉体颗粒的吸附与凝聚CoagulationCoagulation 一一个个颗颗粒粒依依附附于于其其它它物物体体外外表表上上的的现现象象称称之之为为附附着着。而
5、而凝凝聚聚则则是是指指颗颗粒粒间间在在各各种种引引力力作作用用下下的的团团聚。聚。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理4.4.粉粉料料的的堆堆积积填填充充特特性性Packing Packing PropertyProperty 单单一一颗颗粒粒即即纯纯粗粗颗颗粒粒或或细细颗颗粒粒堆堆积积时时的的空空隙隙率率约约40%40%。假假设设用用二二种种粒粒度度如如平平均均粒粒径径比比为为10:110:1配配合合则则其其堆堆积积密密度度增增大大；而而采采用用三三级级粒粒度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。度的颗粒配合则可得到更大的堆积密度。5.5.粉料的流动性粉料的流动性Flowing Propert
6、yFlowing Property 粉粉料料虽虽然然由由固固体体小小颗颗粒粒组组成成，但但由由于于其其分分散散度度较较高高，具具有有一一定定的的流流动动性性。当当堆堆积积到到一一定定高高度度后后，粉粉料料会会向向四四周周流流动动，始始终终保保持持为为圆圆锥锥体体图图7-27-2，其自然安息角偏角，其自然安息角偏角保持不变。保持不变。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理二、二、压制成型原理压制成型原理 压压制制成成型型是是基基于于较较大大的的压压力力，将将粉粉状状坯坯料料在模型中压成块状坯体的。在模型中压成块状坯体的。1.1.压制成型过程中坯体的变化压制成型过程中坯体的变化 1 1密度的变化密
7、度的变化 2 2强度的变化强度的变化 3 3坯体中压力的分布坯体中压力的分布 图图7-37-3为为单单面面加加压压是是坯坯体体内内部部压压力力分分布布情情况。况。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理2.2.影响坯体密度影响坯体密度DensityDensity的因素的因素1 1成型压力成型压力 压压制制过过程程中中，施施加加于于粉粉料料上上的的压压力力主主要要消消耗耗在在以以下下二方面：二方面：1 1克服粉料的阻力克服粉料的阻力P1P1，称为净压力。，称为净压力。2 2克克服服粉粉料料颗颗粒粒对对模模壁壁摩摩擦擦所所消消耗耗的的力力P2P2，称称为为消消耗压力。耗压力。压制过程中的总压力压制过
8、程中的总压力P=P1+P2P=P1+P2，即成型压力。，即成型压力。2 2加压方式加压方式 图图7-47-4为加压方式和压力分布关系图。为加压方式和压力分布关系图。3 3加压速度加压速度4 4添加剂的选用添加剂的选用第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理3.3.对压制用粉料的工艺性能要求对压制用粉料的工艺性能要求 由由于于压压制制成成型型时时粉粉料料颗颗粒粒必必须须能能充充满满模模型型的的各各个个角角落落，因因此此要要求求粉粉料料具具有有良良好好的的流流动动性性。为为了了得得到到较较高高的的素素坯坯密密度度，粉粉料料中中包包含含的的气气体体越越少少越越好好，粉粉料料的的堆堆积积密密度越高越好。
9、度越高越好。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理三、三、可塑泥团的成型原理可塑泥团的成型原理 1.1.可可塑塑泥泥团团的的流流变变特特性性Rheological Rheological BehaviorBehavior 图图7 75 5为粘土泥团的应力应变曲线。为粘土泥团的应力应变曲线。图图7 76 6表表示示了了粘粘土土的的含含水水量量与与其其应应力力应应变曲线的关系。变曲线的关系。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理2.2.影响泥团可塑性的因素影响泥团可塑性的因素1 1固相颗粒大小和形状固相颗粒大小和形状 一一般般地地说说，泥泥团团中中固固相相颗颗粒粒愈愈粗粗，呈呈现现最最大大塑塑性性
10、时时所所需需的的水水分分愈愈少少，最最大大可可塑塑性性愈愈低低；颗颗粒粒愈愈细细则则比比外外表表愈愈大大，每每个个颗颗粒粒外外表表形形成成水水膜膜所所需需的的水水分分愈愈多多，由由细细颗颗粒粒堆堆积积而而成成的的毛毛细细管管半半径径越越小小，产产生生的的毛毛细细管管力力越越大大，可可塑塑性性也也高高。不不同同形形状状颗颗粒粒的的比比外外表表是是不不同同的的，因因而而对对可可塑塑性性的的影影响响也有差异。也有差异。2 2液相的数量和性质液相的数量和性质 水水分分是是泥泥团团出出现现可可塑塑性性的的必必要要条条件件。泥泥团团中中水水分分适适当当时时才才能能呈呈现现最最大大的的可可塑塑性性，如如图图
11、7-77-7所所示。示。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理3.3.对可塑坯料的工艺性能要求对可塑坯料的工艺性能要求 可可塑塑性性好好，含含水水量量适适当当，枯枯燥燥强强度度高高，收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。收缩率小，颗粒细度适当，空气含量低。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理四、四、泥浆泥浆/粉浆的成型原理粉浆的成型原理1.1.泥浆的流变特性泥浆的流变特性1 1泥浆的流动曲线泥浆的流动曲线 图图7-87-8为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。为一些陶瓷原料泥浆的流动曲线。2 2影响泥浆流变性能的因素影响泥浆流变性能的因素 1 1泥浆的浓度泥浆的浓度 图图7-97-9为不同浓度的可塑泥
12、浆的流动曲线。为不同浓度的可塑泥浆的流动曲线。2 2固相的颗粒大小固相的颗粒大小 一一定定浓浓度度的的泥泥浆浆中中，固固相相颗颗粒粒越越细细、颗颗粒粒间间平平均均距距离离越越小小，吸吸引引力力增增大大，位位移移时时所所需需克克服服的的阻力增大，流动性减少。阻力增大，流动性减少。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理3 3电解质的作用电解质的作用 向向泥泥浆浆中中参参加加电电解解质质是是改改善善其其流流动动性性和和稳定性的有效方法。稳定性的有效方法。4 4泥浆的泥浆的pHpH值值 pHpH值值影影响响其其解解离离程程度度，又又会会引引起起胶胶粒粒-电电位位发发生生变变化化，导导致致改改变变胶胶粒
13、粒外外表表的的吸吸力力与与斥斥力力的的平平衡衡，最最终终使使这这类类氧氧化化物物胶胶溶溶或或絮凝。絮凝。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理2.2.注浆成型对泥浆的工艺性能的要求注浆成型对泥浆的工艺性能的要求 制制备备出出的的泥泥浆浆应应能能够够满满足足以以下下基基本本要要求求：流流动动性性好好，稳稳定定性性好好，适适当当的的触触变变性性，含含水水量量少少，滤滤过过性性好好，坯坯体体强强度度高高，脱脱模模容易，不含气泡。容易，不含气泡。第一节第一节 粉体成型原理粉体成型原理第二节 粉体制备技术一一、粉粉碎碎PorphyrizationPorphyrization与与机机械械合合金金化化Mec
14、hanical AlloyingMechanical Alloying方法方法 粉粉碎碎的的过过程程是是由由机机械械能能转转变变为为粉粉料料外外表表能能的的能能量量转转化化过过程程。机机械械粉粉碎碎法法因因其其设设备备定定型型化化，产产量量大大，容容易易操操作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。作等特点，被广泛地应用于粉末生产中。在在相相同同的的工工艺艺条条件件下下，添添加加少少量量的的助助磨磨剂剂往往往往可可使使粉碎效率成倍地提高图粉碎效率成倍地提高图7-107-10。第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术二、二、合成法合成法SyntheticSynthetic1.1.原料合成的目的和作用原料
15、合成的目的和作用2.2.合成方法合成方法1 1金属粉末的合成方法金属粉末的合成方法 1 1复原法复原法Reduction MethodReduction Method 复复原原法法的的基基本本原原理理就就是是所所使使用用的的复复原原剂剂对对氧氧的的亲亲和和力力比比相相应应金金属属对对氧氧的的亲亲和和力力大大，因因而而能能够够夺夺取取金金属属氧化物中的氧而使金属被复原出来。氧化物中的氧而使金属被复原出来。2 2雾化法雾化法Atomization MethodAtomization Method 雾雾化化法法生生产产金金属属和和合合金金粉粉末末就就是是利利用用高高压压气气体体空空气气、惰惰性性气气
16、体体或或高高压压液液体体通通常常是是水水通通过过喷喷嘴嘴作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。作用于金属液流使其迅速地碎化成粉末。3 3电解法电解法Electrolysis MethodElectrolysis Method 电电解解法法既既可可以以在在水水溶溶液液中中进进行行，也也可可以以在在熔熔盐盐状状态下进行。态下进行。第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术2 2化合物粉末的合成方法化合物粉末的合成方法 1 1固固相相法法Solid Solid Reaction Reaction ProcessProcess制制备粉末备粉末 固固相相法法就就是是以以固固态态物物质质为为初初始始原原料料来来
17、制制备备粉末的方法。粉末的方法。化合反响法化合反响法 热分解反响法热分解反响法 氧化物复原法氧化物复原法 2 2液相法制备粉末液相法制备粉末 液相法分为溶液法和熔液法两大类。液相法分为溶液法和熔液法两大类。溶液法溶液法 生成沉淀法生成沉淀法Precipitation MethodPrecipitation Method a.a.直接沉淀法直接沉淀法 b.b.均匀沉淀法均匀沉淀法 c.c.共沉淀法共沉淀法第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术溶溶 剂剂 蒸蒸 发发 法法 Solvent Solvent Vaporization Vaporization ProcessProcess a.a.冰冻
18、枯燥法冰冻枯燥法b.b.喷雾枯燥法喷雾枯燥法 c.c.喷雾热分解法喷雾热分解法 d.d.熔液法熔液法等离子体喷射法等离子体喷射法 典型的等离子喷管如图典型的等离子喷管如图7-117-11所示所示 激光法激光法 图图7-127-12为激光法制超微粉工艺原理图。为激光法制超微粉工艺原理图。3 3气相法制备粉末气相法制备粉末 蒸发凝聚法蒸发凝聚法 气相化学反响法气相化学反响法第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术第三节 粉末冶金Powder Metallurgy的成型工艺一、一、压制成型压制成型1.1.物料准备物料准备1 1粉末的分级粉末的分级2 2配料混合配料混合 圆锥形混料器如图圆锥形混料器如图
19、7-137-13所示。所示。3 3混合料湿磨混合料湿磨第三节第三节 粉末冶金的成型工艺术粉末冶金的成型工艺术2.2.压制工艺压制工艺1 1称料称料 称称料料量量通通常常称称为为压压坯坯的的单单重重允允许许一一定定的的误误差。压坯的单重可按以下公式计算：差。压坯的单重可按以下公式计算：Q Q=V V d d K K式中：式中：Q Q-单件压坯的称料量单重，单件压坯的称料量单重，kgkg；V V-制品的体积由制品图算出，制品的体积由制品图算出，m m3 3；d d-制品要求密度，制品要求密度，kg/mkg/m3 3；K K-重量损失系数。重量损失系数。称称料料方方法法有有两两种种：1 1重重量量法
20、法；2 2容容量量法。法。2 2装料装料 将将所所称称量量的的粉粉末末装装入入模模具具中中时时，要要求求粉粉末末在在模模腔腔内内分分布布均均匀匀、平平整整，以以保保证证压压坯坯各各局局部部压压缩缩比一致。比一致。第三节第三节 粉末冶金的成型工艺术粉末冶金的成型工艺术3 3压制压制 压压制制通通常常在在液液压压机机或或机机械械压压力力机机上上进进行行。压压制的总压力按下式计算：制的总压力按下式计算：P P=p p S S式中：式中：P P-总压力，总压力，kgkg；p p-单位压制压力，单位压制压力，kg/mkg/m3 3；S S-与压力方向垂直的压坯受压面积，与压力方向垂直的压坯受压面积，m
21、m2 2。4 4脱模脱模 压压力力去去掉掉以以后后，压压坯坯要要从从压压模模内内脱脱出出，从从整整体体压压模模中中脱脱出出的的方方法法有有两两种种，即即将将压压坯坯向向上上顶顶出出或向下推出或向下推出。第三节第三节 粉末冶金的成型工艺术粉末冶金的成型工艺术二、二、粉浆浇注成型粉浆浇注成型1.1.粉浆的制备粉浆的制备2.2.模具材料模具材料 浇注用的模具是用石膏做成的。浇注用的模具是用石膏做成的。3.3.浇注方法浇注方法 可可以以用用手手工工浇浇注注，即即所所谓谓倾倾倒倒浇浇注注法法。也也可可以以用用压压缩缩空空气气浇浇注注，即即用用压压缩缩气气体体将将粉粉浆压入模具内。浆压入模具内。第三节第三
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