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现代粉末冶金技术,兰州金川科技园,粉末冶金技术的特点(优、缺点) 粉末冶金技术发展史 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 粉末冶金技术的主要应用 课程结构与内容,现代粉末冶金技术概况,采用PM技术制备材料/产品的优点: 成形体的致密度可控;多孔材料 晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析 近型成形,原材料利用率高95% 材料组元可控,利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料,粉末冶金技术的特点,原料粉末,成形,烧结,PM Production of notch segment (槽型件)for truck transmission,采用PM技术制备材料/产品的缺点: 原料粉末价格较贵(Fe和Fe粉); 成形模具成本高;靠产量规模降低费用; 烧结制品残余孔隙影响性能; 氧和杂质含量较高;制备高纯活性金属困难;,公元前3000年以前,古埃及人使用陨铁;公元前2300年左右出现块炼铁技术:固相碳还原铁矿石(8001000C)。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的Dehli Piller, 重6吨;我国西汉(公元前113年)的刘胜墓出土的错金书刀等。 1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。,粉末冶金技术发展史,块炼铁技术,随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年)、Pt粉及Pt块(1800年); 1910年Coolidge发明电灯W丝,奠定了近代粉末冶金的基础; 1914年WC、MoC粉末出现(德国); 1927年德国Krupp公司生产硬质合金,导致了金属切削技术的革命; 1956年后大量铁基、铝基零件上市; 1969年机械合金化技术出现 20世纪80年代后,PM制品,如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。,技术特征: 技术多样性 粉末制备、成形、烧结技术多选择 工艺复杂性 手段先进性 压机、烧结炉等设备与最新科技结合 性能优异性 零件复杂性 规模扩大性;成本低廉性,现代粉末冶金技术特征与发展趋势,Nickel Silver Gears, Cams and Pawls:P/M parts used in a fire alarm box density : 8.0g/cm3, tensile strength: 234MPa, yield strength:138MPa, hardness :90HRH. a 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing stamping and machining,世界粉末冶金大会获奖零件,Bevel Gear/Indexing Ratchet The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a 63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings,世界粉末冶金大会获奖零件,Needle Driver and Distal Clevis The parts are made to a density range of 7.68-7.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strength is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock,世界粉末冶金大会获奖零件,Synchronizer Ring with Friction Lining The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body,世界粉末冶金大会获奖零件,发展趋势 辐射领域越来越广 材料、应用 工艺过程的变异 粉末直接成形 多学科交叉点 技术手段、应用领域 朝特异性能、规模化、低成本方向发展,粉末冶金技术的主要应用,粉末冶金零件市场,汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场,典型的汽车用粉末冶金零部件 Main Bearing Cap Set VALVE SEAT AND VALVE GUIDE,CONNECTING RODS Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ;Total cost savings of over 20% are reported,PM Connecting rod used in BMW engines,OIL PUMP GEARS SYNCHRONISATION SYSTEM,ROCKER ARMS,2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨,国外市场 世界粉末冶金零件总产量约为60万吨,我国约占4%,世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约为12个。 国内与国外差距 产品水平低 在产品精度方面,少数企业尺寸精度可达IS078级,形位公差可达89级,与国外水平相比低12级,但一般企业约相差23级。产品质量不够稳定,产品内在重量和外观质量均有较大的差距 工艺装备落后 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差,质量不稳定;国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业,企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大,日本住友电工(株) 650人,年产粉末冶金零件24000吨,年销售额近2亿美元,人均年销售额255.4万元人民币; 台湾保来得公司 530人,年销售额6210万美元,人均年销售额97.25万元人民币。,宁波粉末冶金厂 400人,年销售额1.2亿元,人均年销售额30万元; 扬州保来得公司 300人,年销售额1.8亿元,人均年销售额60万元; 国内一般粉末冶金厂 人均年销售2万元。,粉末制备技术 雾化制粉* 还原法 机械合金化* 气相沉积 溶胶凝胶 自蔓燃反应合成 喷雾热解* 纳米材料与纳米结构?,课程结构与内容,粉末成形技术 喷射沉积 注射成形* 挤压成形 粉末锻造 粉末轧制 温压成形* 冷热等静压及特种固结技术 爆炸成形,粉末烧结技术 微波烧结* 反应烧结 液相烧结 超固相线液相烧结 电火花烧结 快速原位成形,原料:元素粉末、合金粉末,成形:热压( 热等静压、挤压.) 冷压(模压、冷等静压.),烧结:真空、气氛、外场,其它制备技术:复压、精整、熔浸.,其它后续处理技术:热处理、机加工.,粉末的基本性质,一、基本概念,(一)名词,粉末(粉末体)powder(mass):粒度小于1000 m的颗粒的集合体(包括固体颗粒与颗粒间的孔隙) 粉末颗粒(particle):组成粉末的固体微粒 一次颗粒(单颗粒)(single particle) 二次颗粒(secondary particle) 颗粒团(particle agglomerates ):由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗粒,易于分散(easy to disperse) 团粒:造粒的产物,粉末性能简介 (Powder Properties),一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,(一)粉末的化学性能 Chemistry Property,化学性质主要指粉末的化学组成(chemical composition) 主要成分(如铁粉中的Fe)含量对粉末性能有决定 影响; 化学组成还包括杂质的种类和含量对粉末性能也有 重要影响。 主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。,School of Materials Science and Engineering,粉末中的杂质类型 与主成分结合,形成固溶体或化合物的金属或非金属(合金元素 alloying elements ): Fe-C, Fe-Ni,W-Mo,Ti3Al,Ai3Ti, LaNi5(电池材料)等。 原料机械夹杂 (mechanical impurities) : 主要为非金属类机械夹杂物no-metallic impurities: Si、Al 氧化物、硅酸盐等。 表面吸附物(chemical adsorption and physical adsorption): 水,氧,空气 制粉过程中带进的杂质 电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等,School of Materials Science and Engineering, 机械夹杂物一般提高颗粒硬度,降低粉末压制性能, 对材料韧性toughness,特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。 夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的形状shape对材料的力学性能影响不同 表面吸附物影响颗粒活性,对粉末成形性和烧结性能影响明显。,School of Materials Science and Engineering,化学成分测定 针对不同成分,有多种方法:传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 杂质O含量测定: 氢损值(可被H还原氧含量测定):用氢还原,计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=(A-B)/(A-C)x 100% A粉末(5克)加烧舟tray的质量;B氢气中煅烧后残留remained物加烧舟的质量;C烧舟的质量 酸不溶物法ISO-4496,(二)粉末的物理性能 Physical Properties,颗粒形状及结构(Particle shape and structure) 颗粒大小(粒度)及粒度组成 比表面积 颗粒密度 颗粒硬度 熔点 热学、 电学、 磁学、光学性质等,1. 粉末颗粒形状(Particle shape),(1) 颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关,某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。 球形粉末-雾化法 Spherical powders 多孔粉末-还原法 Porous powders 树枝状粉末-电解法 Dendrite powders 片状粉末-研磨法 Plate powders 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响,(2)颗粒形状的分类 (定性描述 qualitative description),Particle shape and the suggested q
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