材料工程基础_第六章 粉末的成形与固结

热压铸成形
成形时，先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热， 使混合料具有一定的流动性，然后将混合料加压注入模具， 冷却后即可得到致密的、较硬实的坯体。
流延法成形又叫刮刀法或带式法成形
是将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过 固定的流延嘴及依靠浆本身的自重，将浆料刮成薄片状，流在 一条平移转动的环形钢带上，经过上下烘干道，钢带又回到初 始位置时就得到所需要的薄膜坯体。
粉末试样自然填充规定的容器时，单位容器内粉末的质 量，g/cm3
(a) 装配图
(b)流速漏斗
图6.3 松装密度测量装置图一
(c) 量杯
（1）漏斗 （2）阻尼板 （3）阻尼隔板 （4）量杯 （5）支架
图6.4 松装密度测定装置二
2.流动性
50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位是
s/50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。 测量方法1
是利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力，作用于粉 体进行成形的工艺。
直接把高压给压模进行压制成形
通过液体把能量传递给粉体进行压制
三、增塑成形
挤压成形又称挤制或挤出成形 是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的。 模具的形状就是成形坯体的形状，要求粉料具有可塑性， 而且要求成形后的粉料能保持原形或变形很小。
凝胶铸模成形
是把陶瓷粉体分散于含有有机单体的溶液中形成泥浆， 然后将泥浆填充到模具中，在一定温度和催化条件下有机 单体发生聚合，使体系发生凝胶，这样模内的浆料在原位 成形，经干燥后得到强度较高的坯体。
有机单体交联剂 粉末分散剂 催化剂引发剂
水
燥
排有机物
凝胶铸模成形
烧结
工艺流程图
图6.6 湿袋模具压制
1-排气塞 2-压紧螺帽 3-压力塞 4金属密封圈 5-橡皮塞 6-软模 7-穿孔 金属套8-粉末料 9-高压容器 10-高压 液体11-棉花
图6.7 干袋模具压制
1-上顶盖 2-螺栓 3-筒体 4-上垫 5-密 封垫 6-密封圈 7-套版 8-干袋9-模芯 10-粉末
高能成形
坯体的干燥
干燥原理与过程：主要是排除游离水和部分吸附水。干燥后过 程就是物理排水的过程。
成形后坯体中水的存在状态：
化学结合水、吸附水、游离水
干燥制度：主要指坯体干燥各阶段的干燥速度
干燥速度影响因素：坯体自身特性，干燥介质温度与湿度， 干燥介质流速与流量、干燥方法等
干燥方法：传统自然干燥法和热空气干燥法及微波、红外干燥 等新技术。
按粉料成形时的状态，成形可分为：
压力成形（如模压成形、等静压成形等） 增塑成形(如挤压成形、注射成形等） 浆料成形（如注浆成形、热压铸成形等）等
一、粉末成形的基本理论
粉末的堆积与排列
表6.1 理想球形颗粒的堆积类型、堆积密度和配位数
排列 简单立方
体心立方 面心立方 六方密堆
堆积密度% 52
68 74 74
粉末在压力下的运动行为
成形工艺主要有：
刚性模具中的粉末的压制（模压） 弹性封套中粉末的等静压 粉末的板条滚压以及粉末的挤压等。
松散粉末的模压或等静压过程分为三个阶段：
第一阶段：首先粉末颗粒发生重排，颗粒间的架桥现象 被部分消除且颗粒间的接触度增加
第二阶段：颗粒发生弹塑性变形，塑性变形的大小取决 于粉末材料的延性。但是，同样的延性材料在一样的压 力下，并不一定得到相同的坯体密度，还与粉末的压缩 性能有关。
图6.8 粉末轧制过程示意图 I-粉末自由区 II-喂料区 III-压轧区
楔形压制过程示意图
注射成形
是把粉料与热塑性树脂等有机物混炼后得到的混合料， 在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后 脱模取出坯体。粉末注射（注模或注塑）成形是从塑料的注 射成形工艺中借鉴来的，它比塑料的注射成形更复杂。
脱模
图 6.5 软模成形 1-钢模冲头 2-铸模筒 3-塑料垫片4-塑料软模
5-粉料 6-下塑料垫片7-钢模下垫
三轴压制
就是三轴压制（模压）和等静压的结合。三轴压制是利用 复合应力状态，除了对粉末施加等静压外（周压），还要增加 一个轴向负荷（轴压），即三轴压制=周压+轴压 三轴压制的产品具有高密度、高强度的特点。
脱蜡与排蜡
烧成前排除坯体中有机物的过程----脱蜡或排蜡
脱蜡和排蜡过程中合理的温度制度是关键，它直接影响 脱蜡与排蜡的速度与坯体的质量，需根据坯料特性，有机物 种类、性质及数量和坯体的大小、形状和厚度来确定。
§6.2 粉末体烧结
一、烧结原理
烧结----也叫烧成，是陶瓷和粉末冶金工艺中最重要的工 序，是指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化， 由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。
检查
最终制品
陶瓷粉料
反絮凝剂
分散良好高固相体 积分散的浆料
烧结助剂 分散剂
注入模型
脱模
烧结 最终制品
直接凝固成形流程
五、压坯的干燥与脱脂
以料浆或加入结合剂进行成形后的坯体，均含有水分或 有机物。含水的坯体具有可塑状态，强度低且易变形，不利 于后续加工，如修坯、搬运及烧成等。含有较多有机物的坯 体，在烧成前需单独氧化和分解除掉，否则易引起制品烧成 缺陷。因此，对成形的坯体，在烧成前必须干燥（脱水）或 脱脂（排蜡），以提高坯体强度，缩短烧成周期，避免烧成 缺陷，提高产品质量。
物理 化学变化
有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔 率的减少; 烧结气氛作用下粉末颗粒表面氧化物的还 原、原子的扩散、粘性流动和塑性流动;
烧结后期还可能出现二次再结晶过程和晶粒 长大等；
生成液相时，还可能发生固相的溶解与析出。
烧结驱动力
烧结的驱动力----一般为体系的表面能和缺陷能。烧结实际上 是体系表面能和缺陷能降低的过程。通常体系能量的降低靠的 是高温热能激活下的物质传递过程。
图6.1 常见晶格的晶胞示意图 a) 体心立方 b)面心立方c)密排六方
图6.2 细颗粒（-325目）对不锈钢粗颗粒（-100+150目）松装密度的影响
一般采用松装密度、振实密度以及粉体的流动速率来衡量粉 末的堆积密度。
粉末的工艺性能：
1.松装密度 2.流动性 3.压缩性 4.成形性
1.松装密度
配位数 6
8 12 12
将大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器时，即使颗粒进行面 心立方或六方密堆集排列，堆积密度也较低，即小于74%。通 过振动可以提高堆积密度，但是，即使采用最仔细的振动方 式，最高的震实密度也仅能达到62.8%，并且平均配位数也低 于12.
一般为提高堆积密度，常在较大的均已的颗粒之间加入较 小的颗粒。当小颗粒粉末量增加时，粉末的表观密度先增加 后降低。
压缩比： 松装粉末的高度与成型坯体高度之比。松散密度是影响压 缩比的主要因素。
4.成形性
成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉 末得以成形的最小单位的压制压力表示，或者用压坯的强度来 衡量。
压制性：是压缩性和成形性的总称。
规律： 成形性好的粉末，往往压缩性差；反之亦然。
如：松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差，细粉末的 成形性好，而压缩性却较差。
规律：
等轴状（对称性好）粉末、粗颗粒粉末的流动性好；
粒度组成中，极细粉末占的比例越大，流动性越差， 但是，粒度组成向偏粗的方向增大时，流动性变化不明 显。
3.压缩性
代表粉末在压制工程中被压紧的能力。在标准的模具中， 在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所 达到的压坯密度表示。通常也可以用压坯密度随压制压力变化 的曲线图表示。
成形剂：为改善粉末成形性能的一种添加物。
包括润滑剂、粘合剂和造孔剂等。
润滑剂：为降低粉末与模壁和模冲间的摩擦、改善密度分布、
减少压模磨损和有利于脱模的一种添加物。
常见润滑剂：硬脂酸或硬脂酸盐、锭子油、丙酮、苯、甘油、 油酸、三氯乙烷等。
粘合剂：用来提高坯料成形的流动性、增加颗粒间的结合力
并提高坯体的机械强度、减小粉尘飞扬。
压制过程中力的分析
P侧=ξP总 P摩=μξP总 ξ： 摩擦系数 μ：侧压系数
1---用硬脂酸润滑模壁 2、3----用二硫化钼润滑模壁 4---无润滑剂
结论： 在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力的压力损
失很大，可达60%-90%。由于压力沿压模轴向分 布 不均，造成压坯的密度不均匀现象。加入润滑剂能 够改善这一现象。
压力渗滤工艺和离心成形
压力渗滤工艺 是在注浆成形的基础上发展起来的，是将浆料通过静压让
模腔内液态介质通过多孔模壁排除，而使粉料固化成坯体。适 用于晶须或纤维补强的复合材料的成形。 离心成形
也称为离心注浆成形，是将料浆注入容器中，利用大的离 心力使固态颗粒沉降在容器内壁而成形，较适合于空心柱状部 件，不足之处是坯体的密度沿径向变化。
第三阶段：颗粒断裂。不论是原本脆性的粉体如陶瓷粉 末、还是压制过程中产生加工硬化的脆化粉体，都将随 着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。
压坯密度与压制压力的关系
在压制的过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加、 气孔率降低。人们对压力与密度或气孔率的关系进行了大 量的研究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学 公式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量 公式（包括理论公式和经验公式）有几十多种， 表中所示为其中一部分。（补充公式）
流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗 （又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40秒内流完50克来 标定和校准的。美国标准还规定用孔径1/5英寸的标准漏斗测 定流动性差的粉末。
测量方法2 采用粉末自然堆积角（又称安息角）试验测定流动性。让
粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在1英寸的圆板上。当粉末 堆满圆板后，粉末锥的高度衡量流动性，粉末锥的底角称为安 息角，也可作为流动性的量度。锥越高或安息角越大，则表明 粉末的流动性越差，反之流动性越好。