第二章 粉末压制成形原理

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上模冲 粉末 阴模
下模冲 成形压模的基本结构
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模压成形是将金属粉末或粉末混合料装入
钢制压模（阴模）中，通过模冲对粉末加压，卸
压后，压坯从阴模内脱出，完成成形过程。 Loose powder is compacted and densified into a shape, known as green compact Most compacting is done with mechanical presses and rigid tools Hydraulic and pneumatic presses are also used
● 粉末颗粒位移至一定程度，发生颗粒变形，变形方式多样；
● 位移和变形不能截然分开，有重叠； 位移总是伴随着变形而发生 ● 粉末变形必然产生加工硬化 模压成形不能得到完全致密压坯
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a）

b）
c）
d）
e）
压制过程中粉末运动示意图
推导
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图1-2 压坯受力示意图 P侧——侧压强MPa p——单位压力MPa ζ ——侧压系数，

1
υ ——泊松比
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p侧
拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。
实例：Fe 理论密度 7.8 g/cm3 ，松装密度一般为2-3g/cm3； W 理论密度 19.3 g/cm3 ，中颗粒W粉松装密度3-4g/cm3 ， 细颗粒W粉松装密度∠3g/cm3。
？估算其孔隙率。
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第二章
粉末压制成形原理
Principles of Powder Compaction（Pressing）
程继贵 jgcheng63@sina.com
材料科学与工程学院
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本章内容
§2.1 概述 §2.2 压制过程中力的分析 §2.3 压制压力与压坯密度的关系 §2.4 粉末压坯密度的分布 §2.5 粉末压坯的强度 §2.6 影响压制过程的因素
5. 卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀—产生弹性后效 弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。
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三、 粉末体在压制过程中的变形
（一） 粉末体受压力后的变形特点（与致密材料受力变形 比较） 1. 致密材料受力变形遵从质量不变和体积不变，粉末体压制 变形仅服从质量不变。
● 压力损失：∆p，P2—克服内外摩擦力，
单向压制各种力的示意图
P = P1 + P2
∆p = p-p，
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Blended powders are pressed into shapes in dies. Pressure distribution:
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（二） 粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因） 1. 粉末体的多孔性 粉末体中的孔隙包括：
一次孔隙（颗粒内部孔隙） 二次孔隙（颗粒之间孔隙） 拱桥效应产生的孔隙
拱桥效应现象（图）：粉末在松装堆集时，由于表面不规 则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔
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3. 随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。
Q: 压坯强度是如何形成的？（后述）
4. 由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部 位密度存在不均匀。
压坯密度不均匀对压坯乃至产品性能有十分重要的影响。
常压冷法注浆 加压冷法注浆 抽真空冷法注浆
石膏模
特殊成形
粉末连续成形
粉末轧制 粉末挤压（可塑成形） 喷射成形
热成形及高能率成形—— 成形烧结同时进行
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● 成形方法的其他分类
☻ 按成形过程中有无压力：
有压（压力）成形、无压成形
颗粒所受实际应力超过其屈服极限，发生塑性变形。
● 脆性断裂 颗粒所受实际应力超过其强度极限，发生脆性断裂。 粉末的位移和变形，促使了压坯密度和强度的增高
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3. 实际粉末位移变形的复杂性
● 粉末的位移和变形与粉末本身性能有关； 不同粉末位移、变形规律不同 ● 粉末受力后，首先发生颗粒位移，位移方式多种多样；
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Making Powder-Metallurgy Parts
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第一节 概述
一、基本概念
● 成形（Forming）的定义： 将粉末密实（densify）成具有一定形状、尺
二、金属粉末压制过程中发生的现象
图12-4 粉末压制示意图
1— 阴模 Die 2—上模冲 Top（upper） punch 3—下模冲 Bottom（lower）punch 4— 粉末 Powder
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粉末混合料
钢模 压制 粉末 的 基本 过程
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粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排
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2.
粉末颗粒良好的弹塑性 制粉过程中，粉末一般都经过专门处理 还原、退火→ 消除加工硬化、表面杂质等
影响压制时粉末位移的因素
颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙） 粉末颗粒间摩擦
颗粒表面粗糙度
润滑条件 颗粒的显微硬度
颗粒形状
加压速度
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2. 粉末颗粒的变形
● 弹性变形 颗粒所受实际应力超过其弹性极限，发生弹性变形。 ● 塑性变形
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二、模压成形时的侧压力
● 定义：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯 的侧面压力称为侧压力 （一）侧压力与压制压力的关系 园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均 匀）， 假定： ● 阴模不发生变形 ● 不考虑粉末体的塑性变形
3. 粉末体较高的比表面积 主要作为烧结动力，对压制也有影响。 实例：几种商品粉末的比表面积（cm2/g）：
还原Fe粉（79%-325目）：5160 还原Fe粉（1%-325目）： 516 电解Fe粉（-200目）：400 羰基Fe粉（7µ m）：3460 还原W粉（0.6µ m）：5000
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模压成形PM产品实例—汽车发动机用粉末烧结钢零件
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模压成形PM产品实例—汽车变速箱粉末烧结钢零件
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寸、孔隙度和强度的坯体（green compacts）的工
艺过程。
Consolidation
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● 成形的重要性
1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。
2）比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。
a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。 b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。 c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。
称量、装模Байду номын сангаас
Powder mix Weighting， filling
压制
卸压 脱模 粉末压坯
Compacting
compacts
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粉末压制过程中发生的现象
1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于 粉末体的相对密度。 压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50% 2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程 度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力， 其反作用力—侧压力产生。 但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！
粉末体变形较致密材料复杂。
2.致密材料受力变形时，仅通过固体质点本身变形，粉末体 变形包括粉末颗粒的变形，还包括颗粒之间孔隙形态的改 变，即颗粒发生位移。
！粉末体的变形是广义变形：颗粒位移 + 颗粒变形
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3. 致密材料变形时，各微观区域的变形规律与宏观变 形规律基本一致，粉末体变形时，各颗粒的变形基 本独立，不同颗粒变形程度可能存在较大差异。 4. 粉末体受力变形时，局部区域的实际应力远高于 粉末体受到的表观应力（表观压制压力）。 局部区域的高应力可能超过粉末颗粒的强度极限。 5. 粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力 增大而增大，两者间存在一定的定量关系。
（三） 粉末体在压制过程中的（位移）变形规律
1. 较低压力下首先发生位移，位移形式多样
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
压制时粉末位移的形式 （a）颗粒接近；（b）颗粒分离；（c）颗粒相对滑动； （d）颗粒相对转动；（e）颗粒因粉碎产生移动
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1
p p
p侧 — 单位侧压力（MPa）；p — 单位压制压力（MPa）； ξ = γ /（1-γ ）—侧压系数；γ—泊桑比
（二）侧压系数
● 定义： ξ = γ /（1-γ ）= p侧 /p ：单位侧压力与单位正压力之比
● 影响因素 ☻ 泊桑比γ—材料本性（下表）
☻ 压制压力（压坯密度）
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● 成形方法的一般分类
粉末压制成形（钢模压制）compacting，briquetting，pressing ————普通成形 等静压成形 isostatic（hydrostatic） pressing 热法（热压注法）：钢模 注浆成形法 冷法
☻ 按成形过程中粉末的温度：
冷压（常温）成形、温压成形、热成形
☻ 按成形过程的连续性：
间歇成形、粉末连续成形
☻ 按成形料的干湿程度：
干粉压制、可塑成形、浆料成形
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模压成形是最重要、应用最广的成形方法！ 本章有关成形原理的讨论以模压成形为基础！
a）松装粉末； b）拱桥破坏颗粒位移； c）、d）颗粒变形； e）压制成形后
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第二节 压制过程中力的分析
一、正压力、净压力、压力损失
( 压制压力的分配）
● 正压力: p，P（单位压制压力、总压力）
● 净压力（有效压力）：p，，P1
模压成形
，pressing
模压成形的主要功用是： 将粉末成形成所要求的形状； 赋予压坯以精确的几何尺寸； 赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型； 赋予压坯以适当的强度以便于搬运。
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模压成形PM产品实例—电动工具零件