第十章 粉末冶金和陶瓷成形技术

粉体的压制过程如下： （1）受到压力后，颗粒之 间发生相对移动，“拱 桥”被破坏，密度随压 力的增加而迅速增加。 （2）当密度达到一定程度 后，密度不随压力的增 大而明显增加。 （3）继续增大成形压力， 使颗粒之间的结合进一 步增强，坯体的密度增 大。
Forming Technology
Powder Metallurgy and Ceramic
2. 避免局部薄壁，以利于装 粉压实和防止出现裂纹。 3. 设计时应避免与压制方向垂 直或斜交的沟槽、孔腔，以 利于压实和减少余块。
4. 沿压制方向的横截面要均 匀变化。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
6.4 粉末冶金及陶瓷成形新技术
概述 2. 粉体的基本性能 3. 粉体成形的原理 4. 烧结的基本原理
1.
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
一、 概述 粉末冶金(Powder metallurgy） 粉末冶金
金属材料的生产和加工，一般需要经过熔炼和铸造两个过程。 1909年出现一种电灯钨丝的铸造方法，将钨粉压制成形并将其在高 温下进行烧结，然后再经过锻造和拉丝而制成钨丝，这种不用熔炼 和铸造，而用压制、烧结金属粉末来制造零件的工艺称为“粉末冶 金法” 应用粉末冶金法可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制 品。许多难熔材料如WC，TiC至今只能用粉末冶金方法来生产。 互不熔合的金属或金属与非金属，如铜-钨，铜-石墨，也可以应用 粉末冶金法制造。此外，应用粉末冶金法，制品可以达到或接近零 件要求的形状、尺寸精度与表面粗糙度，不需要或需要很少的后续 机械加工。因此，可以节省原材料，节省工时，节约能源等。粉末 冶金用得最多、历史最久的是用来制造各种衬套和轴套。 图6-2为几种粉末冶金制品。
Powder Metallurgy and Ceramic
陶瓷成形
Forming Technology
陶瓷材料的成形过程与粉末冶金相似，所不同的 是两者采用不同的原材料。 一般情况下，陶瓷材料的组织结构包括晶相、玻 璃相和气相三个部分，其中的晶相是陶瓷材料的 主要组成相。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
四、后处理 粉末冶金和陶瓷制品在烧结中通常产生收缩、 变形以及一些表面缺陷，烧结后的表面粗糙 度差，一般情况下，不能作为最终产品直接 使用。为了获得所需要的尺寸精度和表面质 量，需要对制品进行机械加工。 浸渍。 精整 精压 复压。
Powder Metallurgy and Ceramic
二、粉体成形 1. 模压成形
模压成形加压方式 由单面加压和双面 单面加压和双面 加压两种方式。 加压 模压成形法工艺简 单，效率高，便于 自动化生产。但是 该方法压力分布不 均匀，使坯体密度 不均匀，易发生开 裂现象，导致次品 的出现。
Forming Technology
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
2. 颗粒形状 颗粒形状(particle shape)表示粉
体颗粒的几何形状，常用的颗粒形状有球形、 片形、针形、柱形等。 3. 流动性 流动性指粉体的流动能力，粉体的流 动性主要取决于颗粒之间的摩擦系数。
Powder Metallurgy and Ceramic
粉末冶金及陶瓷成型技术
Forming Technology
粉末冶金和陶瓷材料以粉体（粉末）为原材料， 经过成形和烧结工艺制备而成。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
6.1 粉末冶金及陶瓷成形的基本原理
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
球磨法 (ball milling) 将物料与磨球放入球磨
筒内，通过滚筒的滚动、转动以及振动等运动， 使磨球与物料之间产生强烈、频繁的摩擦和撞 击，从而获得粉体。 球磨法制备粉体的生产量大、成本较低，在工 程中应用较为普遍。
Powder Metallurgy and Ceramic
一、粉体制备
1. 制粉方法 (methods of powder production)
Forming Technology
粉体是粉末冶金和陶瓷制品的原材料，粉体的质量显著影响后 续的成形和烧结过程以及制品的最终性能。粉体制备方法一般 可分为机械粉碎法和物理化学法两大类。 粉碎法通过将粗粒的原材料粉碎而获得细粉，粉碎过程中基本 不发生化学反应。但是在粉碎过程中会混入杂质，而且采用粉 碎法一般不易获得粒径在1 mm以下的微细颗粒。物理化学法通 过物理或化学作用，改变材料的化学成分或聚集状态而获取粉 体。这种方法的特点是粉体的纯度和粒度可控，均匀性好，颗 粒微细。并且可以实现粉体颗粒在分子级水平上的复合和均化。 图6-8列举了一些粉体制备的常见方法。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
2. 浇注成形
浇注成形是将粉体制成悬浮液，注入石膏模
具中的一种成形方法。 这种方法适于小型薄壁产品，如花瓶，坩埚 等。
Powder Metallurgy and Ceramic
三、烧结
Forming Technology
陶瓷制品
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
二、 粉体的基本性能
粉体（powder）是由大量固体粒子(particles)组 成的集合体，它表示物质的一种存在状态。它 既不同于气体、液体，也不完全同于固体。 粉体的性能包含物理性能和工艺性能两方面。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
第六章 粉末冶金及陶瓷成型技术 6.1 粉末冶金及陶瓷成型的基本 6.2 粉体的成形方法及设备 6.3 粉末冶金制品的结构工艺性 6.4 粉末冶金及陶瓷成型新技术 6.5 工程实例 铜基含油轴承的制造 工程实例—铜基含油轴承的制造
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
2. 烧结机理 图6-7是固相烧结 模型示意图。
Powder Metallurgy and Ceramic
6.2 粉体的成形方法及设备
Forming Technology
1. 粉体制备 2. 粉体成形 3. 烧结 4. 后处理
Powder Metallurgy and Ceramic
6.3 粉末冶金制品的结构工艺性
Forming Technology
模压法是常用的成形方法，因此，采用压制成 形的零件应考虑其结构工艺性。 1. 尽量采用简单、对称的形状，避免尖角。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
1. 粒度
粒度(particle size)指粉体颗粒的大小，通常以直径表示。对于非球形 的颗粒用等效半径来表示，即把不规则的颗粒换算成与之同体积的球 体，以球体的等效直径作为颗粒的粒度，实际粉体所含颗粒的粒度并 不是完全相等的，而是呈现出一个分布的范围，通常用粒度分布来表 示各种不同大小颗粒所占的百分比。粒度分布越窄，说明颗粒的分散 程度越小，集中度越高。 筛分法是粉体粒度测试的常用方法之一，通过各种标准尺寸的筛网来 确定粉体的粒度。除筛分法之外，还有显微法、沉降法等来测定粉体 的粒度。 图6-3为镍铬合金粉体的电子显微图片，从图中可以看出粉体的粒度 范围为50~100 mm之间。图6-4为测定粉体粒度的标准筛网。
4. 填充特性 填充特性是粉体成形的基础。由
于粉体的形状不规则、表面粗糙，使堆积起来 的粉体颗粒间存在大量空隙。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
三、粉体成形的原理
通过一定的方法，将粉体原料制成具有 一定形状、尺寸、密度和强度坯体的过 程称为成形 （1）压制成形 1 （2）塑性成形 （3）浇注成形
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
按照加热方式烧结炉可分为燃料加热炉和电加热炉。根据作业 的连续性可分为间歇式和连续式烧结炉。目前以电炉较为普遍。 图6-14为网带传送式烧结炉，常用于烧结铁基与铜基粉末冶金 制品。网带由耐热合金制成，传动装置带动环状网带在炉膛内 作连续循环运动，从而达到传送物料的目的。粉末压坯可以直 接放置在网带上，随着网带的移动，依次对压坯进行预热、烧 结、冷却，最后从出口处出炉。网带烧结炉操作简单，机械化 程度高，在连续传送中升温均匀，适合大量生产。
四、烧结的基本原理
1. 烧结 烧结(sintering)过程 过程
烧结是将成形的坯体在低于其主要成分熔 点的温度下加热，粉体相互结合并发生收 缩与致密化，形成具有一定强度和性能的 固体材料的过程。 烧结是粉末冶金和陶瓷生产中的基本工序 之一，对产品的性能起决定性作用。 按照烧结过程有无明显的液相出现进行分 类，可分为固相烧结和液相烧结两类。
Powder Metallurgy and Ceramic
2. 粉体的预处理
Forming Technology
在成形之前需要对粉体进行一定的预处理，如分级、去 杂质、混合、造粒等。 （1）分级 分级是指将粉体按粒度分成若干等级的过 ） 程，通过分级可以在配料时控制粉体的粒度及粒度分 布，以满足成形及烧结工艺的要求，通常采用标准筛 网进行筛分。 （2）去杂质 去杂质的目的是降低粉体中的杂质含量， ） 常用的有退火处理、酸洗处理等。 （3）混合 将两种以上不同成分的粉体均匀混合的过 ） 程称为混合，球磨是常用的混合方法。 （4）造粒 造粒是在细的粉体中加入一定的塑化剂制 ） 成粒度较粗，具有一定假粒度级配、流动性好的粒子。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
1. 压制成形 压制成形(compaction) 是粉末冶金和陶瓷成形 的常用方法之一。将松 散的粉状原料放入模具 中，并施加一定的压力 后便获得块状坯体。
Powder Me来自百度文库allurgy and Ceramic
2. 塑性成形
Forming Technology
塑性成形利用各种外力，对具有可塑性的坯料 进行成形加工，迫使坯料在外力作用下产生塑 性变形，并保持其形状，从而制成坯体。
3. 浇注成形
浇注成形是陶瓷坯体成形中的一个基本成形工 艺，在粉末冶金中有时也用来成形一些形状比 较复杂的零件。
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
Powder Metallurgy and Ceramic Forming Technology
粉末冶金法常用的金属有： 、 、 、 、 、 、 以 粉末冶金法常用的金属有：Fe、Cu、Al、Sn、Ti、Ni、Zn以 及难熔金属。 列出粉末冶金的优点和缺点。 及难熔金属。表5-1列出粉末冶金的优点和缺点。 列出粉末冶金的优点和缺点
1. 快速成型技术 2. 等静压成型
Powder Metallurgy and Ceramic
成形后的金属或陶瓷坯体只是半成品，一般需要经过干燥 处理后，在窑炉或烧结炉中经过适当烧结工艺，才能获得 烧成制品。 影响烧结制品的因素主要包括：烧结温度、保温时间、升 温和降温速度、烧结气氛等。其中，为了防止成形后的坯 体氧化，例如，铁基粉末冶金，碳化硅等，通常在保护性 气氛或真空环境下烧结，常用的保护气体有：氢、分解氨、 发生炉煤气以及惰性气体等。 表6-3列出适于粉末冶金和烧结制品的各种烧结方法、优 缺点以及适用范围。