第5章---材料的其他成形工艺.pdf
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1、第五章材料的其他成形工艺制造工艺基础本章提纲5.1 粉末冶金成形5.2 非金属材料成形5.3 快速成型技术粉末冶金成形的定义粉末冶金成形的定义采用采用成形成形和和烧结烧结等工序将等工序将金属粉末金属粉末,或,或金金属属与与非金属粉末非金属粉末的混合物,制成金属制品的工的混合物,制成金属制品的工艺方法。艺方法。5.1粉末冶金成形此工艺方法又被称为此工艺方法又被称为金属陶瓷法。金属陶瓷法。近代粉末冶金技术发展的三个重要标志:近代粉末冶金技术发展的三个重要标志:克服了难熔金属熔铸过程中的困难;克服了难熔金属熔铸过程中的困难;多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零
2、件的发展,发挥粉末冶金少、无切削特点;件的发展,发挥粉末冶金少、无切削特点;向新材料、新工艺发展。向新材料、新工艺发展。5.1粉末冶金成形与液态成形相比,粉末冶金主要优点:与液态成形相比,粉末冶金主要优点:可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点;可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点;材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现;冶金方法来实现;一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形十分困难。十分困难。5.1粉末冶金成形粉末压制过程的三个阶段:粉末压制过程的三个阶段:5.1粉末冶金成形 填充孔隙,增
3、加颗粒间的啮合。填充孔隙,增加颗粒间的啮合。随着压力增加,粉末颗粒产生弹性变形,当压制压随着压力增加,粉末颗粒产生弹性变形,当压制压力达到材料屈服应力,粉末颗粒产生塑性变形。力达到材料屈服应力,粉末颗粒产生塑性变形。在压制后阶段,粉末加工硬化,颗粒发生断裂和破在压制后阶段,粉末加工硬化,颗粒发生断裂和破碎,进一步填充孔隙中去。碎,进一步填充孔隙中去。影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素-压坯强度:压坯强度:5.1粉末冶金成形压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力尺寸不变的能力,是反映粉末质量优劣的重要标志,是反映粉末质量优
4、劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种:之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种:(1)(1)粉末颗粒之间的机械啮合力粉末颗粒之间的机械啮合力(2)(2)粉末颗粒表面原子之间的引力粉末颗粒表面原子之间的引力影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素-压制的位移和变形:压制的位移和变形:5.1粉末冶金成形1 1粉末的位移粉末的位移粉末在松装堆集时,由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象,叫做搭桥。当施加压力时,粉末体内的拱桥效应遭到破坏,粉末颗粒当施加压力时,粉末体内的拱桥效应遭到破坏,粉末颗粒便被此填充孔隙,重新排列位置,增加接触。便被此填充孔隙,重新排列位置,增加接触。影
5、响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素-压制的位移和变形:压制的位移和变形:5.1粉末冶金成形2 2粉末的变形粉末的变形粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压制时不但发生了位移,且发生了变形,粉末变形可制时不但发生了位移,且发生了变形,粉末变形可能有三种情况:能有三种情况:(1)(1)弹性变形弹性变形(2)(2)塑性变形塑性变形(3)(3)脆性断裂脆性断裂影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素-压制压力与压坯密度压制压力与压坯密度5.1粉末冶金成形每一条压制曲线一般可以分为三每一条压制曲线一般可以分为三个区域。个区域。区密度随压力急速增加
6、。区密度随压力急速增加。区密度随压力增加较慢。区密度随压力增加较慢。区密度几乎不随压力增加而变化。区密度几乎不随压力增加而变化。三个区域并没有严格的界限,同时,三种致密化方式也并三个区域并没有严格的界限,同时,三种致密化方式也并非各区独有。非各区独有。影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素-压制压力与压坯密度压制压力与压坯密度5.1粉末冶金成形实测的压制曲线受以下因素影响:实测的压制曲线受以下因素影响:压坯高径比压坯高径比H H/D D:H H/D D越大,压坯平均密度越低,使曲线向下越大,压坯平均密度越低,使曲线向下偏移。一般取偏移。一般取H H/D D=0.5=0.51 1。粉末粒度
7、粉末粒度:单分散粉末粒度越小,压制曲线越偏下,反之偏上;:单分散粉末粒度越小,压制曲线越偏下,反之偏上;合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。粉末颗粒形状粉末颗粒形状:形状越复杂,曲线位置越偏低。:形状越复杂,曲线位置越偏低。粉末加工硬化粉末加工硬化:加工硬化粉末压制曲线偏低;退火软化粉末,:加工硬化粉末压制曲线偏低;退火软化粉末,则偏高。则偏高。粉末氧化粉末氧化:金属粉末氧化后,压制曲线偏低。:金属粉末氧化后,压制曲线偏低。粉末烧结过程原理粉末烧结过程原理粉末有自动粘结或成团的倾向,特别是极细的粉粉末有自动粘结或成团的倾向,特别是极细
8、的粉末,即使在室温下,经过相当长的时间也会逐渐聚结末,即使在室温下,经过相当长的时间也会逐渐聚结。在高温下,结块更是十分明显。粉末受热,颗粒之。在高温下,结块更是十分明显。粉末受热,颗粒之间发生粘结,就是我们常说的间发生粘结,就是我们常说的烧结烧结现象现象5.1粉末冶金成形粉末烧结的基本过程粉末烧结的基本过程5.1粉末冶金成形粉末烧结后,烧结体的强度增加,原因在于:颗粒间的联结强度增大,即联结面上原子间的引力增大。孔隙体积和空隙总数的减少以及孔隙的形状变化。(1)(1)粘结阶段粘结阶段(2)(2)烧结颈长大阶段烧结颈长大阶段(3)(3)闭孔隙球化和缩小阶段闭孔隙球化和缩小阶段粉末烧结驱动力粉末
9、烧结驱动力5.1粉末冶金成形从热力学的观点看,粉末烧结是系统自由能减小的从热力学的观点看,粉末烧结是系统自由能减小的过程,即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能过程,即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能量较低的状态。量较低的状态。烧结系统自由能的降低,烧结系统自由能的降低,是烧结过程的驱动力是烧结过程的驱动力。固相烧结组织示意:固相烧结组织示意:(a)(a)为粉末颗粒烧结前有为粉末颗粒烧结前有两个相邻的表面;两个相邻的表面;(b)(b)为烧结之后颗粒表面为烧结之后颗粒表面成为晶界,使得总表面成为晶界,使得总表面积减少,从而降低了系积减少,从而降低了系统的自由能。统的自由能。烧结前烧结前烧结后
10、烧结后烧结机制烧结机制5.1粉末冶金成形烧结过程中,颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结过程中,颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的提的。烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移物质迁移方式及速率方式及速率。1.1.烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质,不需要,不需要原子作明显的位移。原子作明显的位移。2.2.其它的物质迁移形式,如扩散、蒸发与凝聚、流动其它的物质迁移形式,如扩散、蒸发与凝聚、流动等,等,因原子
11、移动的距离较长,过程的激活能较大,只有在因原子移动的距离较长,过程的激活能较大,只有在足够高的温度或外力的作用下才能发生。足够高的温度或外力的作用下才能发生。影响烧结的因素影响烧结的因素5.1粉末冶金成形烧结温度烧结温度是影响烧结体原子活性是烧结的重要因素。是影响烧结体原子活性是烧结的重要因素。烧结时间烧结时间延长一般都会不同程度地促使烧结完成,对粘性流动延长一般都会不同程度地促使烧结完成,对粘性流动机理的烧结较为明显,而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。机理的烧结较为明显,而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。物料颗粒度物料颗粒度减少则总表面能增大因而会有效加速烧结,这对于减少则总表面能增大因
12、而会有效加速烧结,这对于扩散和蒸发扩散和蒸发-冷凝机理更为突出。冷凝机理更为突出。除此之外,例如通过控制物料的晶体结构、晶界、粒界、颗粒除此之外,例如通过控制物料的晶体结构、晶界、粒界、颗粒堆积状况和烧结气氛以及引入微量添加物等,以改变烧结条件堆积状况和烧结气氛以及引入微量添加物等,以改变烧结条件和物料活性,同样可以有效地影响烧结速度。和物料活性,同样可以有效地影响烧结速度。粉末冶金成形的工艺方法粉末冶金成形的工艺方法5.1粉末冶金成形粉末冶金工艺过程示意图原料粉末添加剂混合压制成形烧结零件成品粉末冶金成形的应用粉末冶金成形的应用5.1粉末冶金成形工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例机
13、械加工汽车、拖拉机电机制造精密仪器电气和电子工业计算机工业化学、石油工业军工航空航天和火箭原子能工程硬质合金,金属陶瓷,粉末高速钢机械零件,摩擦材料,多孔含油轴承,过滤器多孔含油轴承,铜石墨电刷仪表零件,软磁材料,硬磁材料电触头材料,电真空电极材料,磁性材料记忆元件过滤器,防腐零件,催化剂穿甲弹头,军械零件,高比重合金摩擦片,过滤器,防冻用多孔材料,粉末超合金发汗材料,难熔金属及合金,纤维强化材料核燃料元件,反应堆结构材料,控制材料本章提纲5.1 粉末冶金成形5.2 非金属材料成形5.3 快速成型技术5.2 非金属材料成形-塑料成形塑料概念:以合成树脂或天然树脂为原料,在一定温度和压力条件下,
14、可以用模具使其成型为具有一定形状和尺寸的塑料制件,当外力解除后,在常温下其形状保持不变。多数以合成树脂为基本成分,一般含有添加剂如:填料、稳定剂,增塑剂、色料或润化剂等。塑料的特点:比重小,比强度大;耐腐蚀,耐磨,绝缘,减磨,消声,减震;易成型,易复合等优良的综合性能。5.2 非金属材料成形-塑料成形1)注射成形注塑成型又称注射模塑成型,它是一种注射兼模塑的成型方法。用于大量生产与形状复杂产品等成型加工领域。5.2 非金属材料成形-塑料成形1)注射成形原理:将粒状原料在注射机的料筒内加热熔融塑化,在柱塞或螺杆加压下,压缩熔融物料并向前移动,然后通过料筒前端的喷嘴以很高的速度注入温度较低的闭合模
15、具内,冷却定型后,开模就得制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形1)注射成形注射成形过程分为加料、塑料熔融、注射、制品冷却和制品脱模等5个工序。5.2 非金属材料成形-塑料成形1)注射成形料筒温度成型温度喷嘴温度模具温度注射压力成型周期5.2 非金属材料成形-塑料成形2)压塑成形压塑成形又称压缩成形、模压成形、压制成形等,主要用于热固性塑料的成形。5.2 非金属材料成形-塑料成形2)压塑成形基本成型原理:将粉状、粒状或纤维状的固态塑料,置于成型温度下的模具型腔中,然后闭模加压,使其成型、固化的过程。在这一过程中,置于模腔中的热固性塑料,在高温和压力作用下,先由固态变为熔融状,并在此状态下充满整
16、个模腔,熔融态逐渐变为固态,最后开模取得所需塑料制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形2)压塑成形成形过程:加料、合模、排气、交联固化、制品脱模、清理模具等。5.2 非金属材料成形-塑料成形2)压塑成形成形工艺参数:成型温度、成型压力和成型时间等。模压压力Pm:使模塑料完全充满型腔所施加的必要压力。充模,压实物料;克服由气体逸散,小分子物质挥发及物料热膨胀造成的负压;闭模,获得模具型腔赋予的形状及尺寸。模压温度Tm:模压时规定的模具温度。作用:使物料熔融流动充满型腔;提供固化所需热量。调节和控制Tm的原则:保证充模固化定型并尽可能缩短模塑周期成型时间:加料、合模、排气、加压、固化、脱模、模具清
17、理等工序所需的时间5.2 非金属材料成形-塑料成形3)传递成形传递成形又称压注成形,它是在改进压缩成形的基础上发展起来的一种热固性塑料的成形方法。成形原理:先将塑料加入模具的加料室内,使其受热成为粘流状态,在柱塞压力的作用下,粘流态的塑料经过浇注系统,进入并充满闭合的型腔,塑料在型腔内继续受热受压,经过一定时间的固化后,打开模具取出塑料制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形4)挤出成形挤出成形又叫挤塑、挤压、挤出模塑 借助螺杆和柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过模口而成为具有恒定截面和连续制品,是热塑性塑料的主要成型方法之一5.2 非金属材料成形-塑料成形4)挤出成形挤出成形是一种液态轧
18、制过程。5.2 非金属材料成形-塑料成形4)挤出成形成形过程包括塑化、挤出成形和冷却成形等3个阶段5.2 非金属材料成形-塑料成形4)挤出成形压力:料筒中熔体压力可以达到55MPa,而口模压力一般是小于20MPa温度:根据不同的塑料而异,塑化温度一般是在180 250。挤出速率:是单位时间内挤出机口模挤出的塑料质量(Kg/h)或长度(m/min),与口模阻力、螺杆与料筒的结构、螺杆转速、加热系统和塑料特性有关。5.2 非金属材料成形-橡胶成形橡胶制品的生产主要包括混炼、成形、硫化等加工过程将各种配合混炼剂混入并均匀分散在橡胶中的过程任务是生产出符合品质要求的混炼胶压延机压延得到板材、片材混炼成
19、形挤出机上挤出棒材、管材及各种型材织物上贴胶而得到胶布、管带等成品加热、加压硫化5.2 非金属材料成形-橡胶成形广泛应用于各种橡胶制品的生产广泛应用于各种橡胶制品的生产。橡胶压制所用橡胶压制所用的原料是混炼胶或经成型后的橡胶半成品的原料是混炼胶或经成型后的橡胶半成品。生产工艺生产工艺基本上与热固性塑料的模压成型相同基本上与热固性塑料的模压成型相同,橡胶成形最后橡胶成形最后是通过交联是通过交联(硫化硫化)形成形成网状网状结构的制品结构的制品。在橡胶制品生产中在橡胶制品生产中,硫化硫化是最后的一道加工工序是最后的一道加工工序,而模型硫化在硫化工艺中的使用最为广泛而模型硫化在硫化工艺中的使用最为广泛
20、。1)压制成形5.2 非金属材料成形-橡胶成形1)压制成形适用于生产密封圈、垫片、带嵌件的橡胶制品,如手把、夹布胶带、轮胎,胶鞋等。模具结构简单;通用性强,适用面广。操作方便。5.2 非金属材料成形-橡胶成形1)压制成形生胶生胶塑炼塑炼塑炼胶塑炼胶配合剂配合剂配料配料混炼混炼混炼胶混炼胶成型(半成品)成型(半成品)注压、模压、压出、压延、涂浸胶注压、模压、压出、压延、涂浸胶硫化硫化制品制品纤维材料纤维材料金属材料金属材料溶剂溶剂成型硫化同时进行5.2 非金属材料成形-橡胶成形1)压制成形橡胶制品的硫化橡胶制品的硫化硫化前硫化前线形结构,分子间以范德华力相互作用线形结构,分子间以范德华力相互作用
21、硫化时硫化时分子被引发,发生化学交联反应分子被引发,发生化学交联反应硫化后硫化后网状结构,分子间主要已以化学键结合网状结构,分子间主要已以化学键结合5.2 非金属材料成形-橡胶成形2)注射成形利用注射机的压力,将预热的胶料直接由机筒经喷嘴注入模腔成形、硫化定型的一种生产方法。加料胶料软化预热注压(射)硫化定型取出制品。工艺过程:5.2 非金属材料成形-橡胶成形2)注射成形注射速度 与注射压力、喷嘴直径及胶料性质有关。注射速度 注射温度和硫化速度 由于注射温度增加,缩短了注射时间,提高了生产效率。但注射速度过高,由于摩擦产生热量大,易焦烧,或制品表面产生皱纹或缺胶。注射压力 注射压力对胶料填充模
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