粉末冶金学 第三章

金
（3）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大；除特殊情况 学
外其软化点应当高，以防止混合过程中的温升而熔化。
（4）烧结后对产品性能和外观等没有不良影响。
（5）成本低，来源广。
实践中，不同的金属粉末必须选用不同的物质作成形剂。
3.6.3成形剂的用量及效 果
成形剂的加入量与
粉
粉末种类、颗粒大小、压 制压力以及摩擦表面有关，
粉末在压制过程中，如
粉
果在某一特定的压力下保持
一定的时间，往往可得到非
末
常好的效果。这对于形状复
杂或体积较大的制品来说更 为重要（如图3-39所示）。
冶
金
学
对于形状简单、体积 小的制品通常不采取保压。 如需保压，保压时间可根据 具体时间确定。
3.9. 特殊成形
3.9.1等静压成形
粉
3.9.1.1等静压制的基本原理
粉
末
冶
金
学
粉 末 冶 金 学
粉 末 冶 金 学
从图3-30～ 图3-34可知，加入成形剂对压坯质量和烧结性能都有影
响，因此应从多方面综合考虑正确地选择和使用成形剂。
粉
由上分析，也可不把成形剂加入混合料中而直接润滑压模。常
用润滑压模地润滑剂有：硬脂酸、硬脂酸盐类、丙酮、苯、甘油、油 末
酸、三氯乙烷等。图3-35为不同润滑方式对压坯密度的影响。
（3）掉边掉角 （4）压坯密度严重不均和其它废品
3.8. 影响压制过程和压坯质量的因素
3.8.1粉末性能对压制过程的影响
粉
3.8.1.1粉末的物理性能的影响
末
（1）金属粉末的硬度和可塑性对压制过程的影响很大。软金属粉末
比硬金属粉末易于压制，所需的压制压力要小的多（表3-10）。
冶
（2）金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。一般说来，压制 金
的行为。采用钢压模，粉末装入压模后在压机上逐步加压，然后测定粉末体 粉
的体积变化，作出各种粉末的压力-体积曲线，并得出有关经验公式：
末 冶 金 学
（3）黄培云压制理论方程 黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式：
比较上述各压制方程可以看出：在多数情况下，黄培云的双对数方程不 论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好。 川北公夫方程则在压制压力不太大时较为优越。
些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。
冶
以下是几个有代表性的压制理论：
金
（1）巴尔申压制方程 巴尔申认为在压制金属粉末的情况下，压力与变形之间的关系符合虎克
学
定律。如果忽略加工硬化素，经数学处理后可以得到：
但此方程仅在一定的场合中才是正确。
（2）川北公夫压制理论 日本的川北公夫研究了多种粉末（大部分是金属氧化物）在压制过程中
末
3.4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系
冶
假设压坯是一个理想的正方体，而粉末颗粒也是一些小立方体， 金
如图3-16所示。当压坯之截面积与高度之比为一定值时，压坯尺寸越 大，消耗于克服外摩擦的压力损失便相应减少。由于总的压制压力是
学
消耗于粉末颗粒的位移、变形，以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损
失。所以对于大的压坯来说，由于压力损失相对减少，因而所需的总
末
并与成形剂本身的性质有
冶
关。一般说来，细颗粒粉 末所需的成形剂加入量比
金
粗粒度粉末的量要多一些。
学
成形剂的加入随压坯形状 因素的不同而不同（图330）。由图可知，成形剂 的加入量与形状因素成正 比。
加入不同粒度的成形剂对粉末流动性、松装密度和脱模压力的影响如
图3-31和图3-32所示。成形剂的加入量还影响压坯密度和脱模压力 （图3-21）。图3-22是成形剂对烧结体的抗弯强度的影响。
3.4. 压制过程中力的分析
3.4.1侧压力
粉
粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯 一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力就叫侧压力。侧压力对
末
压坯过程和压坯质量具有重要意义。
冶
3.4.1.1侧压力与压制压力的关系
金
为研究侧压力与压制压力的关系，可取一个简化的立方体压坯
在压模中受力的情况来分析（如图3-14所示）。
（1）粉末的位移 可用图3-3所示的两颗粉末来近似地说明。 粉 末 冶 金 学
（2）粉末的变形 变形有三种情况，即弹性变形、塑性变形和脆性断
裂。粉末的变形图3-4所示。
粉
末
冶
金
学
3.2.3金属粉末的压坯强度
压坯强度是指压坯反抗外力作用，保持其几何形状尺寸不变的 粉
能力。压坯强度的测定方法主要用：压坯抗弯强度试验法，测定压坯
硬金属粉末压模的寿命短。
学
3.8.1.2粉末纯度的影响
粉末纯度愈高，压制愈易进行。制造高密度零件时，粉末的化 学成分对其成形性能影响较大。
粉
3.8.1.3粉末颗粒及粒度组成的影响
末
粉末的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为就不一致。 与颗粒形状相同的粗粉末相比，细颗粒粉末的压缩性较差，而成形性
冶
金
学
3.7. 压制废品分析
压制废品的种类很多，主要有分层、裂纹、掉边掉角、压坯密度严重不
均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。
粉
（1）分层 沿压坯的棱边向内部发展的裂纹，并且大约与受压面呈45° 角的整齐界面（图3-36）。
末
冶
金
学
（2）裂纹 裂纹一般是不规则的，并且无整齐的界面。但裂纹同样出现在 应力集中的部位（图3-38）。
学
c 提高压坯密度的均匀性，改善压坯表面质量；
d 可明显提高压模寿命等等。
3.6.2成形剂的选择原则
选择成形剂的原则有以下几个方面：
粉
（1）成形剂的加入不会改变混合料的化学成分；成形剂在随后 的预烧或烧结过程中能全部排除，不残留有害物质；所放出的气体对
末
人体无害。
冶
（2）成形剂应具有很好的分散性能；具有较好的粘性和良好的 润滑性；并且易于和粉末料混合均匀。
学
3.4.1.2侧压系数与压坯密度的关系
研究得出，粉末体的侧压系数
粉
和压坯密度有如下关系：
侧压系数 随侧压力的增加而增
末
加。当侧压力沿着压坯高度逐渐减少
冶
时，侧压系数也随之减少。图3-15为 压制压力与侧压系数的关系。
金
学
3.4.2外摩擦力
3.4.2.1外摩擦力
粉
粉末颗粒之间的摩擦叫内摩擦力，粉末颗粒与模壁之间的摩擦 叫外摩擦力。
粉末冶金学
刘和平 材料科学与工程学院 Email: peace666@
目录
一、粉末的制取
粉
二、粉末的性能及其测定
末
三、成形
冶
四、烧结
金 学
五、粉末冶金材料和制品
六、粉末冶金的安全知识
三、成形
粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一
定密度和强度的坯块。粉末可以用普通模压法或用特殊方法成形。 粉
度上可以用双向压
制来改善。在双向
压制时，与上、下
模冲接触的两端密
度较低（图3-24）。
3.5.3复杂形状压坯
的压制
粉
在压制横截
面不同的复杂形状
末
压坯时，必须保证
冶
整个压坯内的密度
相同。
金
而为了使横
学
截面不同的复杂形
状压坯的密度均匀，
需要设计不同动作
的多模冲压模，并
且使它们的压缩比
相等。如图3-28所
边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度的方法。电解铜粉和还原 末
铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系如图3-5和图3-6所示。
冶
金
学
3.3. 压制压力与压坯密度的关系
3.3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律
粉
粉末体在压模中受压后发生位移和变形，随着压力的增加，压坯 的相对密度出现有规律的变化，通常将这种变化规律假设为如图3-9
末
等静压制是借助高压泵的作用把液
体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体
冶
密封容器内（如图3-41），高压流体的静
金
压力直接作用在弹性模套内粉末上，使粉
末体在同一时间内各个方法均匀受压而获
学
得密度
分布均匀和强度较高的压坯。
（A）压力分布和摩擦力对
3.8.2成形剂对压制过程及压坯质量的影响
成形剂的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加压坯强度等。 粉
3.8.3压制方式对压制过程及压坯质量的影响
末
3.8.3.1加压方式的影响
为了减少压制过程中的压坯密度出现不均匀现象，可以采用双 冶
向压制及多向压制（等静压制），或者改变压模结构等。特别是当压 金
3.1. 成形前原料准备
末
3.1.1退火
冶
3.1.2混合
金
3.1.3筛分
学
3.1.4制粒
3.1.5加润滑剂
3.2. 金属粉末压制过程
3.2.1金属粉末压制现象
粉
压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力后，成为 具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图3-2是压模示意图。
末
冶
金
学
3.2.2粉末颗粒变形与位移的几种形式
冶
用锡箔纸作垫片（或用石墨粉作 隔层），将同等质量的粉末，分
金
别装入压模中，然后进行单向压
学
制，即可得到如图3-21所示的压
坯形状。
3.5.2影响压坯密
度分布的因素 实验证明，
粉
增加压坯的高度会
末
使压坯各部分的密
度差增大，而加大
冶
直径则会使密度的 分布更加均匀。压
金
坯中密度分布的不
学
均匀性，在很大程
样受到一系列因素的影响，其中包括压制压力、压坯密度、粉末材料
的性质、压坯尺寸、模壁的状况，以及润滑条件等等。
末
脱模压力与压制压力的关系，取决于摩擦系数和泊松比。因此 冶
可知，脱模压力与压制压力成线性关系 硬质合金物料在大多数情况下的脱模压力值约为压制压力的
金
30%
学
在小压力和中等压力下压制时，一般说来，压制压力小于或等 于300～400MPa时，脱模压力一般不超过0.3P。
坯的高径比较大时，采用单向压制不能保证制品的密度要求。某些难 熔金属化合物（如碳化硼）的压制，有时为了保证密度要求，还可采
学
用换向压制的方法。
3.8.3.2加压速度的影响
通常的压制过程均是以静压（缓慢加压）状态进行的。粉末体
受到高速冲击负荷作用时，压坯的致密化过程与静压时的情况是不同 的。
3.8.3.3加压保持时间的影响
3.4.2.3摩擦力对压制过程及
压坯质量的影响
粉
图 3-17可知，在无润滑
剂情况下进行压制时，外摩
末
擦压力损失可达60％～90％，
冶
压力损失是很大的。这就引
起了压坯密度沿高度分布的
金
不均匀。可以看出，在压制
学
过程中，外摩擦力对压制过
程会有一系列的影响。
3.4.3脱模压力
把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模压力同 粉
末
所示的三个阶段。
冶
金
学
粉 末 冶 金 学
3.3.2压制压力与压坯密度的定量关系
目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式（包括理论公式和经 验公式）有几十种之多。公式虽多，但却无理想的公式。这是由于多数理论
粉
都把粉末体作为弹性体来处理；并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化； 末
有的未考虑到粉末之间的摩擦；而且多数理论都忽略了压制时间的影响。这
3.4.4弹性后效
在压制过程中，当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后，由 粉
于弹性内应力的作用，压坯将发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。
弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示：
末
冶
金
学
不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压制压力 的关系如图3-18和图3-19所示。
粉 末 冶 金 学
影响弹性后效大小的因素很多，如粉末的种类及其粉末特性（如粒度
冶
好。
金
3.8.1.4粉末颗粒形状的影响 粉末颗粒形状对压制过程和压坯质量的影响具体反映在其填充
学
性能、压制性等。粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。
3.8.1.5粉末松装密度的影响
粉末松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素松装密
度小时，模具的高度和模冲的长度必须增大。松装密度大时，模具的
高度及模冲的长度可以缩短。实践中应采用的松装密度大小，需根据 实际情况而定。
和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等）、压制压力大小、加压速 度、压坯孔隙度、压模材质和结构以及成形剂等。图3-20为不同方法
粉
制取的铁粉和铜粉的弹性后效。
末
冶
金
学
3.5. 压制密度及其分布
3.5.1压坯密度分布规律
粉
实践证明，在单向压制时， 压坯沿其高度方向上密度分布是
末
不均匀的。任取一个圆柱形压模，
的压制压力和单位压制压力也会相应地减少。表3-7是从压坯比表面 积的角度来说明上述规律的。
粉 末 冶 金 学
粉
末
冶
金
学
由表可知，随着压坯尺寸的增加，压坯的比表面积相对减小，即压坯 与模壁的相对接触面积减小，因而消耗于外摩擦力的压力损失便相应 减小，所以对于尺寸大的压坯所加的单位压制压力比小压坯所需的要 相应减少。
示。
3.6. 成形剂
3.6.1使用成形剂的目的
粉
粉末体在压制过程中，外摩擦力的存在会引起压制压力沿压坯 高度降低。减少摩擦的方法有两种：一是使用高光洁度、高硬度的模
末
具；二是在粉末混合料中加入成形剂（或称粘结剂）。
冶
使用成形剂的目的有：
金
a 促进颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制力； b 提高压坯强度，减少粉尘飞扬，改善劳动条件；