粉末冶金.docx

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粉末冶金

第八章其他成形方法

一、教学目的与要求

1.了解粉末成形的基本工艺过程及特点。

2.了解特种陶瓷的基本工艺过程及特点。

3.了解复合材料、塑料的成形工艺。

二、教学课时数

理论教学2学时

三、教学内容

1.粉末成形的基本工艺过程及特点。

2.特种陶瓷的基本工艺过程及特点。

3.复合材料的成形工艺。

4.塑料的成形工艺。

四、教学重点与难点

1.重点粉末成形的特点及应用。

2.难点成形工艺的基本原理。

五、教学方式

多媒体授课

六、参考书籍

1.邓文英主编：

《金属工艺学》（上册，第4版），高等教育出版社，2005年版。

2.沈其文主编：

《材料成形工艺基础》（第三版），华中科技大学出版社，2003年版。

第八章其他成形方法

第一节粉末冶金

一、概述

1.粉末冶金P178表8-1

粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺，它是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。

2.粉末冶金工艺的基本工序

⑴原料粉末的制取和准备（粉末可以是纯金属或合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物）；

⑵将金属粉末制成所需形状的坯块；

⑶将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。

3.粉末冶金技术的特点

⑴克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难，如电灯钨丝和硬质合金的出现；

⑵多孔含油轴承的研制成功，继之是机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、无切削的特点；

⑶促进新材料、新工艺发展。

4.应用

二、粉末的性能与制取方法

1.粉末的性能要求

⑴形状

有不规则状、片状、多面体状、树枝状、球状和纤维状等。

不规则状和树枝状颗粒粉末因比表面大，所以成形性好，有利于烧结，但流动性差；

球状颗粒粉末流动性好、填充空隙小，利于烧结，但成形性差；

片状、颗粒粉末成形性和烧结性均差，不适于制造粉末冶金零件。

⑵粒度

粉末颗粒的大小通常用平均直径来表示。

颗粒平均直径大于44μm的粉末称为粗粉；10～44μm之间的称为细粉，小于10μm的称为超细粉。

粉末颗粒越细小，颗粒间空隙越小，压坯的强度越高，也就越容易烧结。

⑶流动性

流动性是粉末一个重要的工艺性能，是指粉末流经倾斜面的速度。

速度越大，粉末的流动性越好。

⑷压缩性与成形性

压缩性是指粉末在一定压力下被压紧的能力，以压坯密度来表示，在相同单位压力下，密度越高，压缩性越好；成形性是指粉末材料压制成形后，压坯保持既定形状的能力，通常以压坯强度的高低衡量。

2.粉末的制取方法

⑴还原法⑵雾化法

⑶电解沉积法⑷机械粉碎法

三、粉末的混合

通常，相同化学组成而粒度不同的粉末的混合叫合批，两种或两种以上不同化学组成的粉末混合均匀的过程叫混合。

粉末混合的目的是使性能不同的组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结时粉末成分与状态均匀一致。

四、压制成形P181图8-1

五、烧结

如果烧结是在低于压坯组分的最低熔点温度下进行的，则称为固相烧结。

固相烧结主要是通过粉末颗粒之间的扩散作用使压坯收缩并得到强化的。

如果烧结是在高熔点组分与低熔点组分之间的温度下进行，则称为液相烧结。

液相烧结是通过熔接、化合等方式，使熔化组分包在高熔点固体组分颗粒周围使压坯收缩并强化的。

液相烧结可以获得较固相烧结更高强度和密度的烧结体。

钨、钴类硬质合金就是通过这种烧结成形的。

六、精整

⑴校形与精压

⑵浸渍

将充满孔隙的烧结体浸入油中，抽真空或加热，使润滑油充满烧结体空隙，从而改善烧结制品的自润化性能，并利于防锈。

⑶热处理

第二节特种陶瓷成形方法

一、特种陶瓷

陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，特种陶瓷是以人工化合物为原料（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物及氟化物等）制成的陶瓷。

它主要用于高温环境、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。

二、注浆成形

根据所需陶瓷的组成进行配料计算,选择适当的方法制备陶瓷粉体进行混合、塑化、造粒等，才能应用于成形。

注浆成形适用于制造大型的、形状复杂的、薄壁的陶瓷产品，对料浆性能的要求：

⑴流动性好、粘度小。

利于料浆充型。

⑵稳定性好。

料浆能长时间保持稳定，不易沉淀和分层。

⑶含水量和含气量尽可能小等。

注浆方法有空心注浆和实心注浆，为提高注浆速度和坯体质量，可采用压力注浆、离心注浆和真空注浆等新方法。

二、热压铸成形

热压铸成形也是注浆成形的一种，但不同之处在于，它是利用坯料中混入石蜡，利用石蜡的热流特性，使用金属模具在压力下进行成形、冷凝后而获得坯体的方法。

热压铸成形的工作原理如下：

⑴先将定量石蜡熔化为蜡液与烘干的陶瓷粉混合，凝固后制成蜡板。

⑵再将蜡板置于热压铸机筒内，加热熔化成浆料，通过吸铸口压入模腔，保压、去压、冷却成形，然后脱模取出坯体。

热压铸形成的坯体在烧结之前须经排蜡处理。

该工艺适合形状复杂、精度要求高的中小型产品的生产，设备简单，操作方便，劳动强度小，生产效率高。

在特种陶瓷生产中被经常采用。

但该工艺工序比较复杂、耗能大、工期长，对于薄壁的大而长的制品，由于不易充满模具型腔而不太适宜。

三、可塑法成形

1.挤压成形

将真空炼制的泥料放入挤制机内，通过挤制机一端对泥料施加压力，另一端按机嘴形状（即成型模具）能挤出各种形状的坯体。

待坯体晾干后，切割成所需长度的制品。

挤压法污染小，易于实现自动化，可连续生产，效率高。

但挤嘴结构复杂，加工精度要求高。

2.轧模成形

将准备好的坯料伴以一定量的有机粘结剂置于两辊之间进行辊轧，然后将轧好的坯片经冲切工序制成所需的坯件。

轧辊成形时，坯料只是在厚度和前进方向上受到碾压，宽度方向受力较小，因此坯料和粘结剂会出现定向排列。

干燥烧结时，横向收缩大易出现变形和开裂，坯体性能出现各向异性。

另外对厚度小于0.08mm的超薄片，轧模成形是难以轧制的，质量也不易控制。

除以上三种成形方法之外，还有模压成形、等静压成形等方法，当配方、混合、成形等工序完成后，还必须进行烧结才能使材料获得预期的显微结构，赋予材料各种性能。

第三节复合材料成形工艺

复合材料，是指有两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。

一、聚合物基复合材料成形工艺

1.热压罐成形工艺P184表8-2

热压罐成形工艺是将复合材料毛坯、蜂窝夹心结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中在真空（或非真空）状态下，经过升温-加压-保温（中温或高温）-降温和卸压过程，使其成为所需要的形状和质量状态的成形工艺方法。

热压罐成形工艺是目前广泛应用的先进复合材料结构、蜂窝夹心结构及金属或胶接结构的主要成形方法之一。

制造的构件可用于航空航天领域的主承力、次承力结构。

热压罐的成形工艺主要适用于热固性复合材料、蜂窝夹心结构及胶接结构的成形，国外应用该工艺制造的复合材料构件在飞机上的应用较多。

热压罐成形工艺的整体成形型方法有共固化成形、二次胶接成形、共固化胶接成形。

2.模压成形

模压成形是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模中加热加压固化成形的方法。

根据模压料中基体树脂与增强材料的浸渍方式不同，模压成形工艺可分为两类：

若基体树脂和增强材料几乎同时加入模腔，则称为湿法成形工艺；

若基体树脂在成形前就已与增强材料充分混合浸渍，制备成模压料且在成形时直接加入到模腔内，则属于半干法或干法成形工艺。

模压成形的优点：

生产效率高，尺寸精度高，表面光洁，适用于批量生产结构复杂件。

模压成形的不足之处在于模具制造复杂、投资大，零件尺寸又受压机限制。

随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压成形制品的尺寸向大型化发展，目前已能生产大型汽车部件、飞机机翼组、整体卫浴间组件等。

3.层压和卷管成形

层压成形是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加、放入上下金属模具之间加温加压成形复合材料制品的生产工艺。

主要用于生产复合材料板材，具有机械化自动化程度高，但一次投资较大，适宜批量生产的板材。

层压成形的工艺过程大致包括：

预浸胶布制备、胶布剪裁叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序。

卷管成形工艺是用预浸胶布在卷管机上热卷成形的复合材料制品的成形方法，其原理是借助于卷管机上的热辊，将胶布软化，使胶布上的树脂熔融，将胶布连续卷到芯管上直到要求的厚度，经冷辊冷却定型，取下后在固化炉中固化，脱芯即得复合材料管材。

4.连续成形

复合材料制品的连续成形，是指从投入原材料开始，经过浸胶、成形、固化、脱模、切断等工序，直到获得成品的整个过程都是在连续不断进行。

可分为连续拉挤成形、连续缠绕成形和连续制板成形三种。

连续缠绕成形主要用于生产不同直经的玻璃钢管和罐身。

拉挤成形工艺主要用于生产各种型材，包括空腹型及异形断面型材。

连续制板成形主要用于生产各种规格的平板、波纹板和夹层结构板等。

连续成形的特点是生产过程自动化程度高、效率高，生产过程不间断、质量稳定、成品率高。

二、金属基复合材料的成形工艺

1.纤维增强金属基复合材料的成形

纤维增强金属基复合材料的制法分固态和液态两大类，要制取纤维与金属基的粘接性良好、无纤维损伤及无孔隙的致密制品，可采用固态和液态的复合加工方法得到，为达到最终的成形阶段，须采用各种物理、化学及机械方法预先制作预浸带、预浸丝或预浸纤维成形体等。

⑴熔融浸透法

⑵预成形体加压铸造法

2.颗粒增强金属基复合材料的成形

⑴液态搅拌铸造成形法P186图8-2

⑵半固态复合铸造法

⑶喷射复合铸造法P187图8-3

⑷石墨/铝复合材料的离心铸造

三、陶瓷基复合材料的成形工艺

1.传统的浆料浸渍工艺

2.短纤维增强陶瓷的纤维定向排列成形P188图8-4

3.熔体浸渗法P188图8-5

第四节塑料成形

塑料成形工艺分类：

P190表8-3

固态成形——热成形、冷成形、吹塑；

液态成形——射塑、铸塑；

粉末成形——挤压、压塑、旋转模塑。

一、固态成形工艺

固态成形工艺中使用的材料是塑料薄膜、塑料板或预制坯件。

1.热成形

热成形是指通过加热、加压（或抽真空）作用使热塑性塑料薄膜或板料成形的方法。

这种成形工艺对模具材料的强度要求并不高，通常可用铸铝粉做填充物的环氧树脂制造，也可以由木材、金属、石膏和塑料制成。

热成形方法不能加工带孔零件，只适用于制造护罩、外壳、仪表盘及包装品等。

2.吹塑

将塑料管加热后放入冷的组合模具中，向管内充气加压，使管膨胀成为模具内腔形状。

使用压缩空气的压力通常为0.35～0.7KPa。

模具用铝合金制成。

主要用于饮料桶、瓶、食品容器、药品容器、玩具等用品的制造。

3.冷成形

适用于冷成形的塑料多为聚丙烯、聚碳酸脂、ABS树脂、聚氯乙烯等。

通常采用的冷成形工艺与金属的冷变形工艺类似，有轧制、拉延、挤压、模压等。

在机械制造工业中，塑料的冷成形工艺使用较少。

二、液态成形工艺

1.铸塑

与金属铸造成形相似，塑料可以通过浇铸成形。

铸塑成形使用的材料多为尼龙、丙烯酸系树脂类热塑性塑料与环氧树脂、聚氨酯等热固性塑料。

铸塑是将熔融树脂注入刚性或柔性模具型腔，并加入适量的固化剂，在常压、常温或适当加热条件下固化成形。

浇铸成形的投资少，设备简单，成形构件的重量基本上不受限制。

但这种工艺的生产效率低、产品形状和质量受一定限制。

2.射塑

液态射塑成形一般先将塑料加热熔融，然后将熔融的塑料经由注射机喷嘴注射入模具型腔中，冷却后，打开模具即可得到所需的制品。

注射压力一般为50-200Mpa。

射塑成形工艺主要适用于热塑性塑料，近几年来，热固性塑料的使用也越来越多。

应用这种塑料成形工艺有玩具、罐头盒、包装箱、泵、齿轮、仪表壳等得成形。

三、粉末成形工艺

以颗粒或粉末状塑料为原料的成形工艺称为粉末成形工艺。

1.挤压

挤压是热塑性塑料的基本成形方法之一。

它是把颗粒状或粉末状的原材料从料斗送入挤压筒中，靠螺旋送料器或挤压活塞挤压原料，通过凹模洞口或间隙成形。

挤压过程需用的热量既可利用材料内部的摩擦热量，也可以由挤压筒壁中的加热器提供，加热温度为135~3700C。

挤压成形后，通过空冷、水冷、或喷水冷却固化成形。

挤压成形工艺流程连续、生产率高，可用于生产各种塑料棒材、管材及其它型材、塑料包皮导线及电缆线等生产。

2.塑压

塑压又称为成形模压，其过程与金属模锻相似。

将定量的粉末或预成形坯件直接放入加热的模具型腔中，将另半模在一定压力下压下保持一定时间，使之成形。

典型的压塑制品有：

手柄、按钮、连接件、护罩、仪表壳等。

3.旋转模塑

这种成形工艺多用于制造桶、罐、艇壳、垃圾箱及各种容器制品。

四、成形的塑料制品的加工处理

成形的塑料制品大多可直接使用，但有些制品还需进一步的加工处理才能使用。

1.机械加工

塑料的机械加工和金属的切削加工大致相同，可根据不同的表面要求选择车、铣、刨、磨、钻、镗、攻丝等加工方法。

2.连接加工

塑料的连接加工方法又分为焊接、溶剂粘接、胶接等。

3.表面处理

有些塑料制品需要具备导电性能，则可进行电镀处理（化学浸蚀或是表面渗入），以在塑料表面形成一层导电物质。

有些塑料制品为了具有防护和装饰作用，可通过刷涂、浸涂、喷涂等方法，使塑料制品表面涂覆一层覆盖层。

思考题

1.什么是粉末成形工艺，粉末成形的工艺特点是什么？

2.粉末性能要求主要有哪些？

3.什么是固相烧结、液相烧结？

4.特种陶瓷的成形方法有那些？

5.复合材料主要有哪些成形方法。

6.塑料成形工艺分为几大类？

7.常用的塑料固态成型和液态成形工艺方法有哪些？