现代材料成型新技术.docVIP

《现代材料成型新技术》 讲 义 重庆大学 机械工程学院材料加工工程 2004．5．26 1 课 程 主 要 粉 末 冶 2 金 1．概 述 1.1粉末冶金的工艺：制粉， 成型， 烧结 （发展到两者合一,HIP，或者三者合 一，Osprey,以及烧结后的锻造） 1.2优点： 1） 近终成型（用于高硬度材料，不利于机械加工零件） 2） 合金成分设计，可在宽范围控制成分（提高固溶度） 3） 可以得到复杂零件（锻造得不到） 4） 组织可控（铸造组织粗大） 5） 可制备人工复合材料 1.3 缺点： 1） 粉末和模具成本高 2） 不适合大零件成型 3） 存在孔隙 1.4发展方向 1） 简化制粉工艺，提高产出率 2） 全致密工艺（热等静压） 2制粉 3 2. 1传统制粉：电解，球磨，气体雾化， 水雾化 （粒径大：≥200μm；粒径分散度大；产出率低） 2．2离心雾化和快速凝固制粉 2.2.1旋转电极法（见图1.1、图1.2） 图1.1 旋转电极法原理图 4 图1.2 旋转电极过程中液膜破碎、球形粉 形成原理图 250转/秒 ≥150μm 2.2.2离心雾化法 5 图1.3 不同形式的离心雾化 250转/秒 2.2.3高速转轮快速凝固法(RST)(图1.3C) 改进的离心雾化法： 提高冷却速度 (水冷旋转轮) （≥6 10℃ /秒）； 高速转轮（400-600转/秒） 优点： 1） 微晶或非晶粉末；成分偏析小； 6 2） 合金元素固溶度提高： 表1.1 通过RST提高合金元素在铝中的溶解度 力学性能提高： 表1.2 用RST加入Li后，2024Al合金性能的改善 7 ? 在T4和T6热处理状态下。 3） 可消除有害相（高温合金的ζ相），材 料韧性提高 4） 得到亚稳组织，改变了合金共晶温度， 共晶成分，扩大了合金成分范围，可以重新设计合金成分。 2.2.4超声波雾化 60000-80000Hz 速度：2马赫 ≤50μm 真空雾化 图1.4 真空雾化原理图 8 2.2.5 2.2.6超细粉制备技术 1） 气相沉积法： 激光-蒸发-沉积（1公斤装置） 产出率低； 粒径小； 0.1μm （SiC粉） 0.17μm (Si3N4粉) 2） 液相法： 溶液-微粒沉淀-干燥 3．成型及致密化新技术 致密度≤95%， 模内致密度不均匀 3.1 注射成型 粉末，增塑剂（石蜡），黏结剂 —gt;注射成型—gt;预烧结（排除有机物） —gt;成预坯—gt;烧结 注射力提高了致密度和均匀性。 3. 2粉末锻造 粉末，增塑剂（石蜡），黏结剂--gt; --gt;预制坯—gt;模锻，自由锻（热锻或冷 9 锻）—gt;烧结 3.3粉末喷射成型 （手绘图）Osprey法（喷雾轧制） 3.4热等静压 HIP是利用惰性气体(Ar)作介质，将等静压力施加于高温状态下的用金属包套封装的粉末材料，以使其热致密化和成形的方法。等静压制就是将粉末或压坯施以各向大致相等压力的压制，它可以分为冷等静压制和热等静压制两种类型。用液体(油或水)传递压力在室温下进行的压制属于冷等静压制。将粉末、压坯或烧结体在高温下 (用粉体,低熔点金属传递压力) 施以各向大致相等压力的压制则称为热等静压制(HIP)。 工艺过程： ——包套—抽真空—密封—加热 （1000℃左右）—加压 ——最好的最昂贵的粉末冶金方法，可 得接近理论致密度的材料； ——多向受力； ——集成型，烧结为一体。 10 (见图1.5, 陶瓷模成形原理 ) 图1.5 陶瓷模成形原理 4. 烧结技术的进展 4.1 传统烧结： ——常压 ——固相烧结（粒子间原子固相扩散） 4.2技术进展 ——烧结与成型结合（热等静压），实 现高压烧结； ——瞬时液相烧结：添加某元素在粒 子边界形成少量液相，加速扩 散，短期液相消失，提高烧结速 度和烧结强度。 11 5. 粉末冶金新材料 5.1工具材料 5.1.1硬质合金：（传统的粉末冶金材料） 1）镍基（Ni:10%-52%,Cr:10%-20%, W, C, Ti, Al, Fe）， 钴基（Co:10%-18%, Cr:10%-20%, C, W, Ti, Al, Fe）， 2）用途：高温工模具，(300℃-500℃) 刀具 3） 粉末冶金材料进展 ——TiC,TiN涂层改善了硬质合金 刀具硬度，可以调整(降低)合金元素用量，提高粉末冶金硬质合金的韧性； ——提高致密度 通过HIP致密度达99。99% ——寻求新的硬质点物质（除WC, TiC） 5.1.2粉末冶金高速钢和工具钢 1）高速钢：W(18%), Cr(4%), C(0.7%),