粉末冶金元素粉軋制.ppt

,粉末冶金元素粉軋制,ElementPowderRollFormingByPowderMetallurgyProcess,目錄,CONTENTS,一、基本介紹,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,4,粉末冶金元素粉軋制是粉末冶金成型工藝中的重要成形手段之一，對(duì)于制造金屬薄板、帶材，特別是高孔隙度的多孔薄帶材時(shí)，它無(wú)疑是一種最簡(jiǎn)捷的成型方法。粉末冶金元素粉軋制：將金屬粉末通過(guò)一個(gè)特制的漏斗喂入轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥縫中，即可壓軋出具有一定厚度和連續(xù)長(zhǎng)度且有適當(dāng)強(qiáng)度的板帶坯料。這些坯料經(jīng)過(guò)燒結(jié)爐的預(yù)燒結(jié)和燒結(jié)處理，再經(jīng)過(guò)軋制加工、熱處理等工序即可制成有一定孔隙度的或致密的粉末冶金板帶材。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,5,垂直粉末軋制,水平粉末軋制,傾斜粉末軋制,按被加工件的狀態(tài),溫軋,熱軋,冷軋,粉末冶金元素粉軋制分類：其中垂直冷軋粉末方法,應(yīng)用最為廣泛,主要原因是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和粉末自重喂料的良好條件。,按粉末供料方式,按軋輥軸的平面部位,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,6,粉末冶金元素粉軋制原理：粉末軋制的實(shí)質(zhì)是將具有一定軋制性能的元素粉裝入到一個(gè)特制的漏斗中，并保持給定的料柱高度，當(dāng)軋輥滾動(dòng)時(shí)由于粉末與軋輥之間的外摩擦力以及粉末體內(nèi)摩擦力的作用，使粉末連續(xù)不斷地被咬入到變形區(qū)內(nèi)受軋輥的軋壓。致密金屬軋制前后體積相等原理已不適用于金屬粉末軋制，而代之的應(yīng)是粉末軋制前后粉末重量相等原理。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,7,粉末軋制過(guò)程：圖1粉末軋制過(guò)程示意圖如上圖所示，軋制時(shí)粉末的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為三個(gè)區(qū)域：粉末自由區(qū)，喂料區(qū)，壓軋區(qū)。粉末在軋輥壓力作用下，由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有一定密度和強(qiáng)度的板坯。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,8,粉末軋制過(guò)程：圖1粉末軋制過(guò)程示意圖粉末被咬入的條件主要是靠粉末與軋輥表面之間的摩擦作用，靠粉末顆粒間的內(nèi)摩擦將粉末連續(xù)咬入。要使粉末被咬入到軋輥縫內(nèi)，必須滿足：,咬入角粉末體與軋輥之間的摩擦系數(shù)側(cè)壓系數(shù)，即金屬粉末在軋制時(shí)產(chǎn)生的側(cè)壓力與垂直壓力之比,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,9,粉末冶金元素粉軋制板材的生產(chǎn)過(guò)程：粉末喂料軋制成形軋制板坯的燒結(jié)1.粉末喂料喂料工序?qū)ΡＷC獲得高質(zhì)量的板材起著重要作用。因此，一般多采用專門的喂料裝置，它的作用是將粉末連續(xù)而均勻的輸入輥縫內(nèi)。輸粉不足會(huì)導(dǎo)致板坯缺陷。下圖2、3分別為自然喂料，強(qiáng)制喂料圖片。,圖2自然流入喂料,圖3強(qiáng)制喂料,1-漏斗2-粉料3-螺旋送料器,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,10,粉末冶金元素粉軋制板材的生產(chǎn)過(guò)程：粉末喂料軋制成形軋制板坯的燒結(jié)2.軋制成形與一般致密金屬軋制不同，元素粉軋制在軋制過(guò)程中具有下列特點(diǎn)：1）粉末體的體積顯著減??；2）粉末顆粒發(fā)生彈塑性變形，粉末體的成形靠粉末顆粒間的機(jī)械嚙合或添加有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)；3）冷軋未經(jīng)燒結(jié)的板坯強(qiáng)度很低，要提高板坯的強(qiáng)度，必須把粉末加熱軋制成形。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,11,粉末冶金元素粉軋制板材的生產(chǎn)過(guò)程：粉末喂料軋制成形軋制板坯的燒結(jié)2.軋制成形下圖4為粉末冷熱軋制工藝流程圖,1-漏斗2-粉料3-冷軋機(jī)4-冷軋板坯5-電熱體6-熱軋機(jī)7-保護(hù)氣體8-卷繞帶機(jī),圖4粉末冷熱軋制工藝流程圖,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,12,粉末冶金元素粉軋制板材的生產(chǎn)過(guò)程：粉末喂料軋制成形軋制板坯的燒結(jié)3.軋制板坯的燒結(jié)板坯所需要的燒結(jié)時(shí)間比一般制品要短的多，因?yàn)樗穸容^薄，在高溫下受熱很快達(dá)到均勻。一般情況下板坯在保護(hù)氣氛或惰性氣氛中燒結(jié)，也有在真空中燒結(jié)的。粉末板坯的燒結(jié)方法有以下幾種形式：1）成卷燒結(jié)，即將軋制板坯卷起來(lái)，成捆后取出送入燒結(jié)爐燒結(jié)；2）直接燒結(jié)，即由軋機(jī)軋出的粉末板坯直接送入燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，然后熱軋。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,13,元素粉軋制優(yōu)點(diǎn)：1.能夠生產(chǎn)用傳統(tǒng)的熔鑄軋制法難于或無(wú)法生產(chǎn)的帶材，如各種雙金屬或多層金屬板帶材、多孔過(guò)濾材料、電觸頭材料等；2.能夠軋制出成分比較精確的板帶材，成分易于控制，組分均勻，性能優(yōu)良，更重要的是還具有各向同性的特性；3.工藝過(guò)程簡(jiǎn)短，設(shè)備投資少，不需要大型設(shè)備，操作成本低，成材率高；4.粉末軋制板帶的長(zhǎng)度原則上不受限制，制品密度比較均勻，可以節(jié)省能源消耗。5.粉末軋制帶材具有一定的孔隙率，可用作特殊功能的板帶，如多孔過(guò)濾材料及自潤(rùn)滑材料便是一個(gè)很大的應(yīng)用領(lǐng)域。,粉末冶金元素粉軋制基本介紹,14,元素粉軋制缺點(diǎn)：1.粉末軋制法生產(chǎn)的板材厚度受軋輥直徑限制，寬度也受到軋輥寬度的限制；2.粉末軋制法只能制取形狀較簡(jiǎn)單的板、帶材及直徑與厚度比值很大的襯套。,二、軋制過(guò)程的影響因素,16,粉末性能的影響,1.粉末流動(dòng)性對(duì)帶坯性能的影響粉末流動(dòng)性直接影響帶坯的密度及其均勻性，影響軋制時(shí)的咬入角。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于形狀類似的粉末，帶坯的厚度和平均密度隨粉末流動(dòng)性的變差而降低。2.粉末的氧含量對(duì)帶坯性能的影響粉末的表面氧化物的其他夾雜會(huì)嚴(yán)重地?fù)p害金屬粉末的可塑性能。表面氧化或還原不透的金屬粉末，其可塑性和成形性都變得很差，結(jié)果使軋制帶坯性能變壞。這是由于含氧的粉末顆粒間以氧化物相接觸而造成的機(jī)械嚙合聯(lián)合強(qiáng)度下降的結(jié)果。含氧量高的金屬粉末軋制帶坯的常見(jiàn)缺陷是裂紋和重皮。,17,3)粉末松裝密度對(duì)帶坯性能的影響一般情況下，隨著粉末松裝密度的增大，所獲得的帶坯的密度和厚度也隨之增加。但是，當(dāng)粉末的松裝密度超過(guò)一定值后，帶坯的密度和厚度不會(huì)繼續(xù)線性增加。,圖1粉末松裝密度對(duì)帶材厚度和密度的影響,粉末性能的影響,18,大輥咬入?yún)^(qū)的粉末量比小輥咬入?yún)^(qū)的粉末量多，同理大輥壓軋區(qū)粉末量也比小輥壓軋區(qū)粉末量多。因而，大輥軋制的帶坯密度要比小輥軋制的帶坯密度大。需要獲得厚度大的帶坯就必須加大咬入角和軋輥直徑。,軋輥直徑的影響,圖2工作輥徑對(duì)帶材厚度和帶材密度的影響,19,軋制速度的影響,圖5軋制速度對(duì)帶材厚度和密度的影響,軋制時(shí)軋制速度由零開(kāi)始逐步提高到某一臨界值vk時(shí)，帶坯的密度和厚度不會(huì)發(fā)生變化。若繼續(xù)提高到vm，則帶材的密度和厚度便會(huì)逐漸下降。隨后，帶坯的密度會(huì)變得不均勻，甚至軋不成帶。,20,增加輥縫，增加了單位時(shí)間進(jìn)入軋機(jī)的粉末數(shù)量，從而增加了帶材的厚度；但是增加輥縫值，相應(yīng)會(huì)減小軋輥對(duì)粉末體的軋制壓力，從而減小生帶材的密度。當(dāng)軋輥輥縫值增大到一定程度時(shí)，軋制壓力就可能減小到以至于使粉末不能被軋制成形的程度。,圖6輥間縫隙對(duì)帶材厚度、密度和抗彎強(qiáng)度的影響,輥縫大小的影響,21,軋制氣氛的影響,軋制氣氛對(duì)帶材厚度和密度也有一定影響。粉末中含有一定量的氣體,這些氣體會(huì)在軋制過(guò)程中沿著與喂料相反方向和垂直方向外溢,從而降低生帶材的密度和厚度,影響生帶材密度的均勻性。尤其在較大軋制速度下,氣體外溢對(duì)生帶材質(zhì)量的影響更大。在黏度較小的氣氛或者在真空下軋制可以減小或者消除氣體對(duì)軋制過(guò)程的不利影響，采用黏度較小的氣體（如氫氣）作為軋制氣氛有利于提高帶坯的密度和厚度。,22,軋輥表面加工程度的影響,軋輥輥面的表面粗糙度影響軋帶的厚度。噴砂處理后的軋輥所軋制的帶坯要比高度磨光的軋輥軋出帶坯厚度增加一倍，這可用粉末體與軋輥表面的摩擦系數(shù)的增加與咬入角的擴(kuò)大來(lái)解釋。,表1-1軋輥表面粗糙度對(duì)帶材厚度的影響,23,改進(jìn)軋制方式,Qf/Vf=t=F,Fig1ConventionalrollingandDifferentialspeedrolling,Fig2RelationamongrollingloadP,compactingspeedratioFandrollspeedratioforarollgapRgof0.05mm,Fig3RelationbetweenrelativedensityandrollingloadwhenvaryingtherollgapRgforarollspeedratio=1.20,思考：粉末冶金元素粉軋制過(guò)程中存在的難點(diǎn)是什么？,1.如何保證喂料的均勻性以及帶材密度分布的均勻性；2.如何獲取更適合軋制的粉末，即較低的氧含量和形狀適度不規(guī)則的粉末；3.如何將軋制過(guò)程理論化，利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)工藝參數(shù)的選擇進(jìn)行優(yōu)化。,Fig1TheEquivalentVonMisesstressofthestripobtainedbynumericalsimulation,Fig2Relativedensitydistributionofthestripobtainedbynumericalsimulation,Fig3Comparisonofrelativedensityalongtherollingdirectionbetweentheexperimentalresultsandthatofthenumericalsimulation,Fig4Comparisonoftherollingforcebetweentheexperimentalresultsandthatofthenumericalsimulation,三、實(shí)例分析,粉末冶金制備TiAl合金材料的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì),27,TiAl基合金密度低,比強(qiáng)度和比剛度高,高溫抗氧化性、抗蠕變性和阻燃性良好,是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮妮p質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。經(jīng)過(guò)20多年的基礎(chǔ)性研究,TiAl基合金的發(fā)展已進(jìn)入實(shí)用化研究階段。TiAl基合金板材的制備和應(yīng)用是TiAl基合金實(shí)用化中較易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)突破口,也是最重要的研究方向之一。制備的TiAl基合金板材通過(guò)超塑性成形,可用于制備航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的零、部件,超高速飛行器的翼、殼體,發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)彈尾翼等,應(yīng)用前景廣闊。,熔鑄法制備板材不僅需要在熔鑄后進(jìn)行HIP處理和均勻化熱處理以消除鑄造缺陷和成分偏析,更主要的是由于TiAl基合金的本質(zhì)脆性和難加工變形性,使得對(duì)軋制條件要求十分苛刻,需要采用包套軋制和等溫軋制等特殊軋制工藝,提高了工藝成本。,元素粉法制備板材采用塑性變形性能良好的Ti、Al元素粉作原料,固結(jié)成形后再通過(guò)加壓反應(yīng)獲得合金板材,這樣不僅有效地避開(kāi)了脆性TiAl基合金的變形加工過(guò)程,且作為一種近凈成形技術(shù),無(wú)需或較少需要后續(xù)機(jī)加工,易于添加合金元素和控制合金成分,可用于制備大尺寸、超薄的TiAl基合金板材,是一種低成本的TiAl基合金板材制備工藝。,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金板材工藝流程,28,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金板材Ti、Al元素粉末冷軋行為分析,29,由此得到最佳的軋制條件為：1、流動(dòng)性能適中的Ti、Al元素混合粉末(Ti粉粒度為0.0380.061mm,Al粉粒度小于0.074mm)；2、低的軋機(jī)轉(zhuǎn)速(1r/min)；3、控制一定大小并較穩(wěn)定的軋制壓力(400kN以上）。,第3、5、6、7次軋制過(guò)程：幾乎無(wú)粉末隨軋板向下流動(dòng),軋板連續(xù)均勻,無(wú)裂紋孔洞,成完整帶材狀,軋板有一定強(qiáng)度,有金屬光澤。,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金板材板坯的宏觀形貌及密度分析,30,通過(guò)Ti、Al元素粉末冷軋變形,可以制備大尺寸的板材(500mm230mm1.31.6mm)，板材均勻完整,有一定的強(qiáng)度,無(wú)任何宏觀缺陷,具有顯著的金屬光澤。,2號(hào)粉末所得到的板坯密度最大,其粒度組成為0.061mm的Ti粉和0.074mm的Al粉,在咬入寬度相同的情況下,松裝密度大的粉末在軋制時(shí)咬入的粉量按正比增大,這樣使得板坯的密度同時(shí)增大。,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金板材板坯燒結(jié)過(guò)程分析及相分析,31,合金中Ti3Al相的含量隨燒結(jié)溫度的升高有較大幅度的增加。1300與1200相比,Ti3Al相約增加了30.6%。,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金板材燒結(jié)坯密度分析及孔隙形成機(jī)理,32,相對(duì)密度為80%以上的軋制板坯分別經(jīng)過(guò)1200和1300真空無(wú)壓(低壓)燒結(jié)后,其相對(duì)密度大幅度降低,僅為51%-62%。即在進(jìn)行燒結(jié)之后,板材中將增加約30%的孔隙度。,造成燒結(jié)坯孔隙的主要原因是原板坯中的孔隙及偏擴(kuò)散。減小孔隙度的措施通常是在燒結(jié)過(guò)程中施加壓力。采用熱壓或熱等靜壓的燒結(jié)方式可大幅度提高Ti-Al合金的致密度。,元素粉末冷軋成形及反應(yīng)合成制備TiAl合金過(guò)濾材料,33,1、以Ti、Al元素粉末為原料,通過(guò)冷軋成形和兩階段反應(yīng)合成法,制備出孔隙度為38.3%48.2%的Ti-46.5%Al(摩爾分?jǐn)?shù))金屬間化合物過(guò)濾材料。2、具有最大孔隙度為48.2%的TiAl合金過(guò)濾材料的制備工藝為:冷軋壓力35.310443.1104N(軋輥直徑200mm),燒結(jié)過(guò)程升溫速率0.33K/s,分別在873和1473K溫度下保溫50和60min。3、研究表明:真空燒結(jié)后,TiAl合金由TiAl和Ti3Al兩相組成,Ti3Al相含量隨燒結(jié)溫度升高而增加;所制備的TiAl合金過(guò)濾材料的最可幾孔徑可達(dá)2.56m,對(duì)應(yīng)的最大孔徑為11.8m,透氣度為3.21910-5mPa-1s-1。4、原軋坯中的孔隙及Al元素偏擴(kuò)散造孔是形成過(guò)濾材料孔隙的主要原因。,預(yù)合金粉法制備TiAl合金板材,34,1、