粉末冶金(1).ppt

粉末冶金powdermetallurgy,陳泉曄49566012簡孜芸49566049,金屬傳統製法,金屬製品的傳統製法式將金屬或合金加熱熔解，燒鑄成鑄錠或直接鑄成鑄件；鑄錠需經鍛、軋、擠等塑性加工，再經切削研磨等機械加工才能成為有用產品。,在粉末顆粒間，於加壓加熱的情形下產生擴散作用而產生物質交流，而達成結合作用。結合之堅固程度與壓力、密度、時間、顆粒及環境有關。,粉末冶金原理,歷史源流,西元3000年前，埃及人使用鐵粉。西元300年，希臘DelhiPillar重達六噸17-19世紀，主要製造Au.Ag.Pt的粉末19世紀製成各種金屬粉末。高熔點金屬以電解法、氫碳或鈉的還原法、汞齊法製成粉末，再凝結成塊狀。1826年，蘇俄用常溫加壓法製程高純度白金貨幣。,1830年，Ossan研究Cu的粉末冶金法，1841年以壓機和燒結法將金屬粉製成複雜的製品。是一近代粉末冶金法的基本方法1880年Spring研究金屬粒子間的黏著與壓力的關係。只靠壓力製成伍氏合金。1910年Coolidge製出延性鎢線。成為近代粉末冶金工業化的第一步。,歷史源流,現在及未來展望,現今採用粉末冶金製品最多的是運輸機械方面，其次為電機電子方面。未來粉末冶金將朝1.過程簡化2.產品尺寸更精密3.大型化,,粉末冶金法之製造工程,,一、混合1.混成Blending同種粉末混合不同粒度。2.混合Mixing數種異質金屬粉與非金屬粉均勻混成。二、加壓成形將粉末壓縮成所需形狀大小。,粉末冶金法之製造工程,三、燒結被加壓成形之壓粉體，通過保持主成份之熔點2/3的溫度中控制保護氣體之燒結爐中燒結。四、再加壓大部分製品只燒結就可用。但嚴格要求尺寸精度，或要求高密度之製品，需進一步將燒結品進行再加壓。,粉末冶金法之製造工程,五、油浸液狀潤滑劑或其他非金屬物質侵入燒結製品的孔隙以達到潤滑或耐蝕的目的。六、溶浸低熔點金屬或非金屬滲入多孔性燒結零件之孔隙，以增加密度、強度、硬度、耐衝擊性等,粉末冶金法之製造工程,粉末冶金的優點,一、成本低廉1.大量製造2.產品製程不需加工切削二、能製造有孔隙的製品三、產品化學成分均勻四、製造過程無材料浪費五、能製造高熔點材料熔解製法不可,,粉末冶金的優點,六、不能形成合金的材料亦可拼合在一起七、能保持材料的高純度八、產品不含氣泡、沙孔等缺陷九、可製成不能鍛造的硬脆製品,粉末冶金的缺點,一、金屬粉方面1.最終產品的品質未必能控制自如2.粉末不順從靜水力學定律3.金屬粉昂貴,粉末冶金的缺點,二、製造設備、方法粉末冶金主要設備有加壓機、壓模、燒結爐、混合機。1.加壓機常需使用昂貴的強力壓機2.壓模屬消耗品3.燒結爐4.粉末易氧化、混合需長時間5.製品的尺寸及形狀,粉末製造法,金屬粉之各種製造法，原理上也有許多種類。工業上採用最多的是機械製造法、電解法、還原法、霧化製造法。,使用機械的方法把材料變成粉末，共計有四種機構1.衝擊快速、瞬間的衝擊力2.研磨摩擦運動3.剪切劈裂有如軋碎的操作4.壓縮適用脆性不易變形的材料以下介紹常用幾種機械製造法,一、機械製造法,切削金屬加工產生大量廢料不用的切削，經研磨，則可得較細渡化的粉粒。優點資源回收再利用缺點1.無法控制粉末特性2.生產緩慢,一、機械製造法,球磨,,一、機械製造法,球磨不適用易生冷焊現象、具延展性的材料適用脆性材料缺點1.能量在噪音及摩擦熱的消耗大2.粒度越小所需要的時間和能量相對很大3.粉末加工硬化、不規則形狀、堆積性不良,一、機械製造法,,二、電解法,優點高純度、呈樹枝狀或海綿狀、成形性佳、燒結性優異。缺點1.粉末不規則狀，堆積性差。2.鹽浴的化學性非常敏感，污染物可阻止陰極生成產物。3.僅有元素粉末適用。4.產品須經後續處理及清洗。,二、電解法,霧化法法提供了大部分的粉末，因為化學性及形狀均可被掌握。以下介紹氣霧法、水霧法。,三、霧化製造法,氣霧法,,需加熱超越熔融,氣霧法,優點保持高合度原料的完整性粉末均勻呈球形，有良好堆積性,氣霧法,,水霧法,水霧法與氣霧法不同點1.因冷卻速度過快，粉末呈不規則狀。2.粉末表面粗糙，含氧化物。為改善此兩項缺點，合成油已逐漸取代水。,水霧法,,粉末特性,粉末本身性質有粒度及粒度分佈、顆粒形狀、化學成分。與製品關聯較大的性質有視密度、敲密度、流動度、壓縮度、成形性、燒結性。,粒度及粒度分佈很難做正確的判斷。各種測定法中各有測定的可能粒度範圍。粒度趨向於細粉時，粉末的外觀密度降低，加壓粉體的強度增加，但其壓縮性很差。細粉多時燒結性好，但燒結時收縮性很大。,粉末特性,粉末形狀及其定型因素,,了解粒形可推測其壓縮性、成形性、燒結性等。對粉末冶金製造工程極為重要。,粉末特性,化學成分粉末因其表面積大所以易於氧化，且其表面容易附著水或瓦斯。現行解決方法氫還原粉末的化學組成是以目標值為前提。氧及不純物之存在將特別對燒結體有所妨礙。,粉末特性,視密度和敲密度視密度亦為填充密度。由自然落下填充一定體積容器的粉末質量可推算。敲密度是給予振動後測得的值。球形→密度高不規則形→密度小,粉末特性,流動性粉末流動的難易度。工業上自動衝床要求流性順暢的粉末。一般細粉的流動性很差，施以熱處理改善之。壓縮性對三種以上的成形壓力，壓粉密度或相對密度的曲線撐為壓縮性曲線。盡可能低的密度到高壓縮性的粉末，就是壓縮性佳的粉末。,粉末特性,成形性粉末成形的難易度。測定成形後壓粉體之強度或邊緣強度。成形性與粒形、成形壓力有關。燒結性燒結時希望以較低溫度、較短時間，得到高強度、高密度的燒結原件。粒度、粒度分佈、粒形及表面積，皆會影響燒結性。,粉末特性,粉末冶金流程圖,粉末的製造粉末的預處理燒結加壓成形,,,,粉末的預處理,金屬粉末在使用前，需要做一些適當的處理。機械處理溫熱處理造粒,,機械處理,傾倒會改變粉末的特性，尤其是形狀方面。如樹枝狀的粉末其樹枝容易折斷。不規則的粉末在搬運的時候易改變其密度。圓球狀的粉末最安定。結論將粉末充分的研磨以減低其形狀的影響。,,在研磨時受氧化程度及冷作加工的影響。氧化程度影響燒結速度冷作加工硬度增加使粉末的可壓性減少,,,溫熱處理,對粉末施以適當的溫熱處理，可使粉末1、合金化以前常用2、退火3、鍍層V合金的磁性材料4、圓球化UO2鍍在SiC的表面,,,造粒,造粒的目的1、去除粉末上附著的空氣2、使粉體之間的摩擦力減少1、使粉末適合高壓處理2、得到精確的尺寸3、理想的機械性質,,,,預處理完後，粉末特性加下1、顆粒間之摩擦力小，流動性大2、適當的粗度分佈3、含有適當的水份4、適當的造粒顆體毛密度,,加壓,為了得燒結製品之良好特性，故將粉末加壓而得到所希望形狀的壓粉體。壓粉體是金屬粉相互間壓著的狀態。為了要使壓粉體的密度均勻，在加壓成形時的密度亦須均勻。,,最簡單的加壓方式使用圓筒形壓模。石墨作為潤滑劑，以減低密度差。,機械強度,粉體的機械強度主要由粉體相互糾纏所造成。糾纏度，機械強度,,,如何增強粉體的強度,1、增加粉末的表面積。2、減少粉末的氧化程度及污染。3、增加壓粉體的密度。4、減少某些添加劑的用量，如石墨的用量。石墨會跑到粉末界面中間，而使粉末糾纏的程度減少。,,,兩個常用的加壓方法,熱均壓成型HIPheatisostaticpressing常用於複合材料、核燃料集合體的擴散接合冷間均壓成形法CIPcoldisostaticpressing常用於非金屬材料粉末、陶瓷材料等,,,熱均壓成型HIPheatisostaticpressing,溫度可達150020000C工業生產用的大型HIP的使用溫度有1200、1400、20000C工作物承受的是各方向均等的成形壓力，故其密度、物理和機械性質均具良好的等方性。,熱均壓成型示意圖,,HIP的優點,1、易於維護的管路系統。2、工作物之裝卸方式採底部進出方式。3、裝有微處理機控制系統。4、保護用的環牆厚壁。,冷間均壓成形法CIPcoldisostaticpressing,粉體承受來自高壓液體的成形力量，為一種高效率的成形法，廣用於陶瓷粉末。,CIP示意圖,少量而形狀、尺寸多變化或是大件的成品。,CIP的優點,1、壓粉體可獲得組織均勻而密度值高的成品。不會產生扭曲變形的不良現象2、幾合形狀不受任何限制。3、粉粒體和模間無摩擦現象，故形成鐵、銅等軟質粉時無須加潤滑劑。,,燒結,藉著加熱使壓粉體收縮、緻密化之過程稱為燒結。而燒結的物體稱為燒結體。燒結的原因在燒結後可使體積收縮、應力鬆弛、扭度的消退和表面積的縮減。降低非平衡狀態下產生之晶格缺陷高自由能,,燒結的機構,黏性流動是經由拉力與壓力所生的剪應力，而使物質粒子朝其方向移動。是一種物質與分子的流動。表面擴散原子沿著粒子之表面朝頸部移動。發生在燒結初期、較低溫度內部擴散原子通過粒子之內部朝頸部移動。蒸發凝著物體凸面的壓力大於凹面。凸面的分子流向凹面。,燒結機構示意圖,,,,燒結爐的簡介,金屬網帶爐駝背式爐篩網輸送帶式爐滾輪式膛式爐其他共通處有脫腊部、氣密性、冷卻裝置。,,將壓粉體加中的潤滑劑在燒結前先去除。脫腊使燒結爐內的氣體不因外在氣體氫、水氣侵入而受影響。氣密性快速冷卻至不受大氣氧化之溫度。冷卻裝置,,,,金屬網帶爐,用於一般性、較輕元件的燒結方式。粉體利用過爐內的金屬網帶來輸送。燒結溫度在1150度C以下、製品在70kgf以下,金屬網帶爐示意圖,,駝背式爐篩網輸送帶式爐,將加熱部提高，使質輕而純度高的瓦斯能積於加熱部。其使用溫度也是1150度C。,駝背式爐篩網輸送帶式爐示意圖,,滾輪式膛式爐,將粉體機件之的墊盤擺放在滾輪上輸送。而做出預熱、脫腊、加熱、冷卻之構造。經濟性地運轉。,滾輪式膛式爐示意圖,,實際的應用,高熔點金屬、燒結超硬材料、精密陶瓷、燒結超合金、燒結耐熱材料、燒結集電材料、磁性材料,燒結耐熱材料,在高溫時，具有良好的機械性質、耐氧化性及耐腐蝕性。粉末冶金法在耐熱材料上的應用有1、縮短製造工程2、減低製品不良率3、增加複雜形狀物的產量4、省略細加工工程,,燒結鈦合金,常用於飛機用零件及耐蝕機器。飛機用鈦合金零使用一普方法製造時品質不佳，但使用粉末冶金法則佳，且可得到接近最終形狀。,精密陶瓷,AluminaAl2O3硬度、強度高。最廣泛的氧化物系精密陶瓷材料，可用於電子工業、火星塞、切削工具、軸承、各種噴嘴。性質安定;生產技術成熟。MagnesiaMgO熱膨脹系數大，電絕緣性優良，高溫耐鹼性佳。現今活用於高熱傳導係數及耐鹼性方面。,,BerylliaBeO熱傳導係數在氧化物中最大，電緣性亦好，用於電子業製成散熱片。但粉末毒性。Sialon陶屬材料的新材料，其組成元素為矽鋁、氧、氮。多用熱壓燒結法，所得之燒結體的強度、耐氧化、耐蝕、耐熱衝擊等性質佳。,