粉末成形与烧结
粉末冶金特种成形技术
第5章粉末冶金特种成形技术5.1概述粉末的制备、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基本环节。
传统的粉末冶金成形通常是将需要成形的粉末装入钢模内，在压力机上通过冲头单向或双向施压而使其致密和成形，压机能力和压模的设计成为限制压件尺寸及形状的重要因素。
由于粉末与模壁的摩擦而使压力降低，使成形密度不均匀，限制了大型坯件的生产。
所以，传统的粉末冶金零件尺寸较小，单重较轻，形状也简单。
随着粉末冶金产品对现代科学技术发展的影响日益增加，对粉末冶金材料性能以及产品尺寸和形状提出了更高的要求，传统的钢模压成形难以适应需要。
为了解决上述问题，很多学者广泛地研究了各种非模压成形方法，相对于传统的模压成形，将后者称之为粉末冶金特种成形技术。
粉末冶金成形技术一直处于不断发展演化过程中，从传统的单向压制到双向压制，再到等静压成形，从冷等静压成形到热等静压成形，还出现了准等静压成形（包括陶粒压制、STAMP工艺、快速全向压制等）、温压成形、流动温压成形、高压温压成形、喷射成形、挤压成形、粉浆浇注成形、粉末轧制成形、粉末锻造成形、金属粉末注射成形、粉末电磁成形等特种成形技术。
有些技术既是粉末成形过程，也是烧结过程，如粉末热等静压成形、放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结等。
目前，现代粉末冶金成形技术正朝着高致密化、高性能化、高生产效率、低成本方向发展。
不同的特种成形方法具有不同的特点，应从坯件的性能、形状和尺寸三方面适应制品的特殊需要。
本章将对它们的原理、特点、工艺及应用等进行论述。
其中粉末喷射成形、注射成形分别在第4章与第8章中讨论，而放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结技术在“粉末冶金特种烧结技术”中讨论。
5.2 等静压成形(IP)等静压成形（Isostatic Pressing）是借助于高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。
材料工程基础_第六章 粉末的成形与固结
成形时，先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热， 使混合料具有一定的流动性，然后将混合料加压注入模具， 冷却后即可得到致密的、较硬实的坯体。
流延法成形又叫刮刀法或带式法成形
是将超细粉中混入适当的粘结剂制成流延浆料，然后通过 固定的流延嘴及依靠浆本身的自重，将浆料刮成薄片状，流在 一条平移转动的环形钢带上，经过上下烘干道，钢带又回到初 始位置时就得到所需要的薄膜坯体。
粉末试样自然填充规定的容器时，单位容器内粉末的质 量，g/cm3
(a) 装配图
(b)流速漏斗
图6.3 松装密度测量装置图一
(c) 量杯
（1）漏斗 （2）阻尼板 （3）阻尼隔板 （4）量杯 （5）支架
图6.4 松装密度测定装置二
2.流动性
50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位是
s/50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。 测量方法1
是利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力，作用于粉 体进行成形的工艺。
直接把高压给压模进行压制成形
通过液体把能量传递给粉体进行压制
三、增塑成形
挤压成形又称挤制或挤出成形 是利用压力把具有塑性的粉料通过模具挤出来成形的。 模具的形状就是成形坯体的形状，要求粉料具有可塑性， 而且要求成形后的粉料能保持原形或变形很小。
凝胶铸模成形
是把陶瓷粉体分散于含有有机单体的溶液中形成泥浆， 然后将泥浆填充到模具中，在一定温度和催化条件下有机 单体发生聚合，使体系发生凝胶，这样模内的浆料在原位 成形，经干燥后得到强度较高的坯体。
有机单体交联剂 粉末分散剂 催化剂引发剂
水
燥
排有机物
凝胶铸模成形
烧结
工艺流程图
图6.6 湿袋模具压制
粉末技术-成形
22
4.2摩擦力 4.2.1摩擦力与压制压力的关系
摩擦力又叫摩擦压力损失。可用下式来表达： 4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系
侧压力＝压制压强X侧压系数X侧面积 摩擦力＝侧压力X摩擦系数 压坯的侧压面积影响摩擦压力损失 ，即影响有效压制压力
曲面压坯的压制方法
33
6.3成形剂的用量及效果 成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及
摩擦表面有关，并与成形剂本身的性质有关。一般说来，细 颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。 成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同。由图可知，成 形剂的加入量与形状因素成正比。
形状因素对成形剂加入量的影响
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（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：
（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
电 解 铜 粉压坯的抗 弯强度与 成形压力的 关系
还 原 铁 粉 压坯的抗 弯强度与成 形压力的关系
18
2
3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律 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所示的三个阶段。
压坯密度与成形压力的关系
4.1侧压力 粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会
粉末冶金的烧结技术
粉末冶金的烧结技术粉末冶金是一种通过将金属或非金属粉末在一定条件下，加工成具有一定形状和尺寸的零部件的方法。
烧结技术是粉末冶金中的关键步骤之一，它将粉末颗粒通过加热并施加压力使其质点之间结合得更加牢固，形成一体化的零部件。
本文将对粉末冶金的烧结技术进行深入探讨。
一、烧结技术的基本原理和过程烧结技术是将粉末颗粒通过加热至其熔点以下，但高于材料的再结晶温度，同时施加压力，使粉末颗粒发生结合，形成一体化的零部件。
其基本原理是利用了粉末颗粒与粉末颗粒之间的扩散作用和表面张力降低效应。
烧结过程中，颗粒间的间隙先得到迅速消除，然后颗粒之间产生再结晶，通过扩散使粒间结合更为牢固。
整个烧结过程可以分为初期活化期、再结晶期和液相期三个阶段。
初期活化期是指在烧结过程开始的阶段，颗粒发生活化并形成结合，此时烧结坯体变得更为致密。
再结晶期是指烧结坯体中增强再结晶的发生。
液相期是指在达到受结合的颗粒之间的最小距离后，材料产生液相，并通过液相扩散加快了颗粒间的结合。
在这个过程中，烧结坯体结构的致密度和强度会显著提高。
二、烧结技术的主要参数在进行粉末冶金的烧结过程中，有许多参数需要注意和控制，如温度、压力、时间和气氛等。
这些参数会对烧结过程和烧结产品的质量产生重要影响。
1. 温度：温度是烧结过程的关键参数之一。
合适的温度能够使粉末颗粒迅速熔结，并形成均匀的结构。
过高或过低的温度都会影响烧结效果和质量。
2. 压力：在烧结过程中，施加的压力可以使粉末颗粒更加紧密地结合在一起。
增加压力可以提高烧结物品的致密度和强度。
3. 时间：烧结时间是烧结过程中的一个重要参数。
适当的烧结时间可以使粉末颗粒充分结合并形成致密的结构。
时间过长或过短都会影响产品的质量。
4. 气氛：烧结过程中的气氛对烧结质量和产品性能有很大影响。
不同的气氛可以对不同材料产生不同的效果。
常用的烧结气氛有氢气、氮气、氧气和真空等。
三、烧结技术的应用和优点烧结技术在现代工业中有着广泛的应用，尤其是在金属材料和陶瓷材料的制备过程中。
粉末材料的主要成型方法
粉末材料的主要成型方法
粉末材料的主要成型方法包括：
1. 烧结成型：将粉末材料加压成形后，在高温下进行烧结，使粉末颗粒粘结和合并，形成坚固的固体。
2. 注射成型：将粉末和粘结剂混合后注射到模具中，然后通过加热或固化使粉末颗粒固化成形。
3. 挤出成型：将粉末和粘结剂混合后挤出成型，通过加热或固化使粉末颗粒固化成形。
4. 粉末冶金成型：通过压制、烧结或热压等方式，将粉末材料制成金属产品或零件。
5. 粘结剂成型：将粉末材料与粘结剂混合后进行成型，其中粘结剂的作用是使粉末颗粒粘结在一起。
6. 激光烧结成型：利用激光束将粉末颗粒局部加热，使其熔化和熔接成形。
7. 真空烧结成型：在真空环境中进行烧结成型，可以减少氧化反应和杂质的产生，提高成品质量。
8. 喷雾成型：将粉末材料喷雾成细小颗粒，在加热或加压条件下使其固化成形。
金属冶炼中的粉末冶金技术
粉末冶金技术还可以用于制备金属粉末，如铁粉、铝粉等。这些粉末可以用于 制造各种金属制品，如零件、工具和结构件等。
粉末冶金在金属合金化中的应用
合金化原理
粉末冶金技术通过控制原料粉末的成分和比例，可以制备出 具有特定性能的合金材料。通过调整合金元素的种类和含量 ，可以优化材料的力学性能、物理性能和化学性能。
粉末冶金技术在风力发电、核能、太阳能 等领域有广泛应用，能够制备高性能的零 部件和材料。
02
粉末冶金技术的基本 原理
粉末的制备
原材料选择
根据所需金属的性质和用途，选 择合适的原材料。
物理法
通过机械研磨、气体雾化、电解沉 积等方法将原材料细化成粉末。
化学法
通过化学反应将原材料分解为粉末 ，如氢还原法、化学气相沉积等。
合金制备方法
粉末冶金技术中的熔融混合法、机械合金化法和化学共沉淀 法等可用于制备各种合金材料，如不锈钢、镍基高温合金和 钛合金等。
粉末冶金在金属复合材料制备中的应用
金属基复合材料
粉末冶金技术可以用于制备金属基复 合材料，如铝基复合材料、钛基复合 材料和钢基复合材料等。这些复合材 料由两种或多种材料组成，具有优异 的力学性能和物理性能。
高强度与轻量化
粉末冶金技术能够制备高强度、轻量化的 金属零件，有助于提高产品的性能和降低
能耗。
可制造复杂结构零件
粉末冶金技术能够制造具有复杂内部结构 和精细特征的金属零件，满足各种工程应 用的需求。
环保友好
粉末冶金技术采用低能耗、低污染的生产 方式，减少了传统金属冶炼过程中产生的 废气、废水和废渣。
粉末冶金技术的快速发展，开始应用 于大规模生产和制备高性能材料。
粉末冶金技术的应用领域
粉体成形与烧结
烧结
一.烧结概述 二.烧结过程 三.烧结机理 四.晶粒生长与二次再结晶 五.影响烧结的因素
一.烧结概述
烧结的目的：是把粉状材料转变为致密体。
6/1
12/2
a)烧结前
b)烧结后 铁粉烧结的SEM照片
烧结概念
x r
3 M 2 3P0
2R3 2T 3 2d 2
1
3
r
2
3
• t1 3
式中：
x/r —— 颈部生长速率；x —— 颈部半径； r —— 颗粒半径；γ —— 颗粒表面能； M —— 相对分子量；P0 —— 球形颗粒表面蒸气压； R —— 气体常数；T —— 温度； t —— 时间
3、影响因素 r、P0、t、T
三.化学沉积法
电化学法 化学还原法
化学还原法
典型还原制粉的类型：
电化学法
电化学反应
阳极反应：
Cu 2e Cu2
阴极反应：
Cu 2 2e Cu(粉末)
粉末性能
粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大 影响，因而对粉末的性能必须加以了解。粉末的性能可分 为物理性能、化学性能和工艺性能。
1、颈部应力分析
应力分布： 无应力区：球体内部 压应力区：量球接触的中
心部位的σ2 张应力区：颈部的σρ
颈表面张应力区空位浓度大于晶体内部； 受压应力的颗粒接触中心空位浓度最低。
由晶界（接触点）向颈部扩散比晶体内部向颈部扩散能力强。
热力学认为，由于 表面张应力的存在， 使空位的生成能减 小。故在张应力区 存在着过剩的空位， 其数量与该微区的 曲率和表面张力成 正比。
粉末冶金原理中文(1)
的高性能硬质合金。 ➢ 3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊
合金。 ➢ 4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。 ➢ 5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。
粉末冶金原理中文(1)
一、粉末制备技术
球磨机中的研磨过程取决于众多因素： 筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机 转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例 （球料比）、研磨介质以及球体直径等。
粉末冶金原理中文(1)
一、粉末制备技术
例如：球磨筒转速n＝0.7-0.75n临界时，球体发生抛 落； n＝0.6n临界时，球体发生滚动； n<0.6n临界时，
粉末冶金原理中文(1)
依据物料粉碎的最终程度，又可以分为粗碎和 细碎两类。以压碎为主要作用的有碾压、锟轧以及 颚式破碎等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨 削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。
实践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。利
用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷
气流粉碎等方法。
粉末冶金原理中文(1)
2、将粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的目的是制 得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。 成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中 应用最多的是模压成型，还有挤压成型、爆炸成型等。
粉末冶金原理中文(1)
绪论
3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。 成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性 能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和 多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低， 则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔 点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通 烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧 结工艺。
粉末冶金材料的烧结
粉末冶金材料的烧结在粉末冶金生产过程中，为了将成型工艺制得的压坯或者松装粉末体制成有一定强度、一定密度的产品，需要在适当的条件下进行热处理，最常用的工艺是烧结。
烧结是把粉末或粉末压坯后，在适当的温度和气氛条件下加热的过程，从而使粉末颗粒相互黏结起来，改善其性能。
烧结的结果是颗粒间发生黏结，烧结体强度增加，而且多数情况下，其密度也提高。
在烧结过程中，发生一系列的物理和化学变化，粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体，从而获得具有所需物理、力学性能的制品或材料。
在粉末冶金生产过程中，烧结是最基本的工序之一。
从根本上说，粉末冶金生产过程一般是由粉末成型和粉末毛坯热处理这两道基本工序组成的。
虽然在某些特殊情况下（如粉末松装烧结）缺少成型工序，但是烧结工序或相当于烧结的高温工序（如热压或热锻）是不可缺少的。
另外，烧结工艺参数对产品性能起着决定性的作用，由烧结工艺产生的废品是无法通过其他的工序来挽救的。
影响烧结的两个重要因素是烧结时间和烧结气氛。
这两个因素都不同程度地影响着烧结工序的经济性，从而对整个产品成本产生影响。
因此，优化烧结工艺，改进烧结设备，减少工序的物质和能量消耗，如降低烧结温度、缩短烧结时间，对产品生产的经济性具有重大意义。
一、烧结过程的基本类型用粉末烧结的方法可以制得各种纯金属、合金、化合物以及复合材料。
烧结体按粉末原料的组成可分为由纯金属、化合物或固溶体组成的单相系，由金属，金属、金属－非金属、金属化合物组成的多相系。
为了反映烧结的主要过程和烧结机构的特点，通常按烧结过程有无明显液相出现和烧结系统的组成对烧结进行分类，如固相烧结和液相烧结，单元系烧结和多元系烧结等。
二、固相烧结粉末固相烧结是指整个烧结过程中，粉末压坯的各个组元都不发生熔化，即无液相出现和形成的烧结过程。
按其组元的多少，可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
1.单元系固相烧结单元系固相烧结，即单一粉末成分的烧结。
例如各种纯金属的烧结、预合金化粉末的烧结、固定成分的化合物粉末的烧结等，均为单元系固相烧结。
烧结粉末冶金原理
Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
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Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
结 操
2 决定了P/M制品的性能
作 3 烧结废品很难补救，如铁基部件的
的
脱渗碳和严重的烧结变形
重 要
4 热处理，过程能耗大→降低烧结温度是有意义
性
（降低能耗和提高烧结炉寿命）
5 纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制
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Part 2： 粉末烧结
§2 烧结理论的研究范畴和目的
烧结理论的研究目的： 研究粉末压坯在烧结过程中微观结 构的演化(microstructural evolution)和物质变化规律
• 原子的扩散，颗粒间的距离缩短 • 烧结颈间形成了微孔隙 • 微孔隙长大 • 聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌 • 银粉的烧结提供了相关证据
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Part 2： 粉末烧结
三、闭孔隙的形成和球化
• 孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发 展成孤立孔隙并球化
• 处于晶界上的闭孔则有可能消失 • 有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成
粉末烧结类型：
加压烧结 施加外压力(Applied pressure or pressure-assisted sintering) 热等静压 (hot isostatic pressing HIP)
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Part 2： 粉末烧结
粉末冶金生产的基本工艺流程
转贴]粉末冶金生产的基本工艺流程标签：转贴粉末冶金生产基本工艺流程时间：2008-11-26 21:23:53 点击：2803 回帖：0上一篇：[转贴]金属磨损自修复抗磨剂的性下一篇：金相显微镜的外形尺寸图(图)粉末冶金生产的基本工艺流程包括：粉末制备、粉末混合、压制成形、烧结及后续处理等。
用简图表示于图7-1中。
陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处，其工艺过程包括粉末制备、成形和致密化三个阶段。
2．1 粉末制备2．1．1 粉末制备粉末是制造烧结零件的基本原料。
粉末的制备方法有很多种，归纳起来可分为机械法和物理化学法两大类。
（1）机械法机械法有机械破碎法与液态雾化法。
机械破碎法中最常用的是球磨法。
该法用直径10~20mm钢球或硬质合金对金属进行球磨，适用于制备一些脆性的金属粉末（如铁合金粉）。
对于软金属粉，采用旋涡研磨法。
雾化法也是目前用得比较多的一种机械制粉方法，特别有利于制造合金粉，如低合金钢粉、不锈钢粉等。
将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流，用高压气体（如压缩空气）或液体（如水）喷射，通过机械力与急冷作用使金属熔液雾化。
结果获得颗粒大小不同的金属粉末。
图7-2为粉末气体雾化示意图。
雾化法工艺简单，可连续、大量生产，而被广泛采用。
（2）物理化学法常见的物理方法有气相与液相沉积法。
如锌、铅的金属气体冷凝而获得低熔点金属粉末。
又如金属羰基物Fe(CO)5、Ni(CO)4等液体经180~250℃加热的热离解法，能够获得纯度高的超细铁与镍粉末，称为羰基铁与羰基镍。
化学法主要有电解法与还原法。
电解法是生产工业铜粉的主要方法，即采用硫酸铜水溶液电解析出纯高的铜。
还原法是生产工业铁粉的主要方法，采用固体碳还原铁磷或铁矿石粉的方法。
还原后得到得到海绵铁，经过破碎后的铁粉在氢气气氛下退火，最后筛分便制得所需要的铁粉。
图7-2 粉末气体雾化示意图2．1．2 粉末性能粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大影响，因而对粉末的性能必须加以了解。
粉末冶金原理-烧结解析
按烧结过程有无液相出现
固相烧结：
单元系固相烧结：单相（纯金属、化合物、固溶体）粉末 的烧结：烧结过程无化学反应、无新相形成、无物质聚集 状态的改变。 多元系固相烧结：
烧结的机构和动力学问题
§3-2 烧结过程的热力学基础
一、烧结的基本过程
原始接触 孔隙球化
烧结颈长大
粉末等温烧结过程的三个阶段
等温烧结过程按时间大致可分为三个界限不十分明显的阶段： 1．粘结阶段 烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题
物质迁移方式Leabharlann 烧结动力学—烧结机构，即解决How的问题， 即物质迁移方式和迁移速度
上述理论在典型烧结体系中的应用
研究方法：
烧结几何学 烧结物理学
烧结化学
计算机模拟
烧结模型：两球模型、球-板模型
物质迁移机构：扩散、流动
组元间的反应（溶解、形成化合物） 及与气氛间的反应
但可能高于次要组分的熔点： WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
（二） 烧结的重要性
1）粉末冶金生产中不可缺少的基本工序之一
（磁粉芯和粘结磁性材料例外）
烧 结 的
2）对PM制品的性能有决定的影响（烧结废品很难补救， 如铁基部件的脱渗碳和严重的烧结变形）
重 要 性
3）烧结消耗是构成粉末冶金产品成本的重要组成部分 （设备、高温、长时间、保护气氛）。
借助于建立物理、几何或化学模型， 进行烧结过程的计算机模拟（蒙特-卡 洛模拟）
粉末成形与烧结讲义-第一部分
[2]吴成义 等编著. 《粉体成形力学原理》. 冶金工业出 版社,2003,9
[3] [英] 理查德 J. 布鲁克 主编. 清华大学新型陶瓷与精 细工艺国家重点实验室 译. 材料科学与技术丛书（第17A 卷、第17B卷）：《陶瓷工艺》. 科学出版社,1999,6
浆料成形 （1）注浆成形 （2）流延成形 （3）电泳成形 （4）直接凝固成形 （5）凝胶注模成形 其他成形 喷射成形等
❖主要烧结方法分类 无压烧结 固相烧结、液相烧结、反应烧结等。 (可在空气、保护气氛或真空中进行) 加压烧结 热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。 可在空气、保护气氛或真空中进行。 活化烧结 物理活化烧结、化学活化烧结。
退火： 目的：除杂、消除加工硬化、钝化。 退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的0.5~0.6Tm。
制粒： 制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动 性。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔必须先 制粒。
混合： 混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时候， 为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程称为合批。
在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。
二、金属粉末压制时的位移与变形
粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强度，在压 制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触显著增加。也就是 说，压制过程中出现了位移和变形。
1．粉末的位移
粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象， 叫做搭桥。 当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充 孔隙，重新排列位置，增加接触。
粉末冶金：粉末烧结
烧结机理
烧结过程中物质的迁移方式
➢ 粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动， 物质向颈部迁移
➢ 蒸发凝聚：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差 通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部
➢ 体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移 ➢ 表面扩散：原子沿颗粒表面迁移 ➢ 晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向
颈部迁移 ➢ 位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿
此通道向颈部扩散，导致物质迁移
烧结过程中物质的迁移方式
扩散
蒸发凝聚
回复再结晶和聚晶长大
➢ 回复 ➢ 再结晶 ➢ 聚晶长大
◊无限固溶系 ◊有限固溶系 ◊完全不溶系
液相烧结 多元系液相烧结
◊稳定液相烧结 ◊瞬时液相烧结 ◊熔浸
烧结理论的研究范畴
研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的 演化和物质变化规律 ➢ 热力学:烧结过程的驱动力（Why） ➢ 动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移 速度（How）
烧结理论的发展
➢ 烧结工艺始于公元前3000年 ➢ 烧结理论始于20世纪中期 ➢ 目前还没有成熟的理论
烧结基本过程
三阶段：
(1) 颗粒之间形成接触 (2) 烧结颈长大
➢ 粘结阶段
(3) 连通孔洞闭合 (4) 孔洞固化
➢ 烧结颈长大阶段
(5) 孔洞收缩和致密化 (6) 孔洞粗化
(7) 晶粒长大
➢ 闭孔隙球化和缩小阶段
水分挥发 化学反应 应力消除 回复和再结晶
粘结面和晶界的形成
粘结面和晶界的形成
烧结后的孔隙
粉末成形PPT课件
二、压制理论
压制压力与密度间的定量数学关系。
（一）基本定义
① 密度（density）：
ρ=质量/体积（g/cm3）
比容
v =1/ρ （cm3/g）
② 相对密度： ρm — 固体理论密度
d m
(6.2.3) (6.2.4)
(6.2.5)
③ 孔隙度（porosity）
1dm mV V压 孔V压 V 压 Vm (6.2.6)
第二节 粉末压制成形
一、压制压力与压坯密度关系 （一）压制曲线
压坯密度与压力的关系，称 为压制曲线，也称为压制平衡 图。一定成分和性能的粉末只 有一条压制曲线，压制曲线对 合理选择压制压应力具有指导 作用。
每一条压制曲线一般可以分为三个区域。 ①Ⅰ区密度随压力急速增加。颗粒填入空隙， 同时破坏“拱桥”；颗粒作相对滑动和转动。 ②Ⅱ区密度随压力增加较慢。颗粒通过变形填 充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致 使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般 选在该区。 ③Ⅲ区密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加 工硬化严重、接触面积很大，外压力被刚性面 支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只 有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。
提要
本章重点是粉末压制成形的基本理论、粉末特殊成形的 基本方法和特点，粉末体烧结的基本原理。
难点是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。 通过本章学习： ①要求掌握粉末成形与烧结的一般概念,粉末压制基本规律, 粉末烧结基本原理； ②了解粉末特殊成形技术； ③知道粉末胶凝固化概念和基本方法。
参考文献
三个区域并没有严格的界限，同时，三 种致密化方式也并非各区独有。
（二）压制曲线的函数表示法 粉末压制曲线均可用下式表示：
bpa
粉末冶金原理
雾化机理分析：有物理—机械作用和物理—化学变化（具体分析见P95）。
影响雾化粉末性能的因素：
（1）雾化介质
1）雾化介质类别：气体：空气和惰性气体等。空气-雾化过程氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属（如铜、铁和碳钢等）。惰性气体—减少金属液的氧化和气体溶解。液体：水
利用机械旋转的离心力将金属液流击碎成细的液滴，然后冷却凝结成粉末。
3.快速冷凝技术（RST）
主要特点：
（1）急冷可大幅度地减小合金成分的偏析；
3）金属液流股直径：当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多。
（3）其他工艺因素
1）喷射参数：金属液流长度、喷射长度、喷射顶角等对不同的体系，适当的喷射顶角一般都通过试验确定。
2）聚粉装置参数的影响：液滴飞行路程较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。
气雾化和水雾化的区别：
2.雾化法
①二流雾化法，分气体雾化和水雾化；
②离心雾化，分旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、旋转坩埚雾化；
③其他雾化法，如真空雾化、油雾化等
比较原理：二流雾化法是利用高速气流或高压水击碎金属液流的，而机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合，所以雾化法只要克服液体金属原子间的键合力就能使之分散成粉末，因而，雾化过程所消耗的外力比机械粉碎法小得多。
第六节：雾化法
1.雾化法
雾化法属于机械制粉法，是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法。又称喷雾法。可用于制取铅、锡、铝、铜、镍、铁、锌等金属粉末，也可制取合金粉末。
液体金属的击碎包括制粒法和雾化法：
粉末冶金原理烧结
(3)粉末颗粒内晶格畸变得消除。
对烧结过程,特别就是早期阶段,作用较大得主要就是表 面能。
烧结后颗粒得界面转变为晶界面,由于晶界能更低,故总 得能量仍就是降低得。随着烧结得进行,烧结颈处得晶 界可以向两边得颗粒内移动,而且颗粒内原来得晶界也 可能通过再结晶或聚晶长大发生移动并减少。因此晶界 能进一步降低就成为烧结颈形成与长大后烧结继续进行 得主要动力
散 ● 细粉末得表面扩散作用大 ● 烧结早期孔隙连通,表面扩散得结果导致小孔隙得缩小与
消失,大孔隙长大 ● 烧结后期表面扩散导致孔隙球化 ● 金属粉末表面氧化物得还原,提高表面扩散活性
表面扩散与体积扩散得扩散激活能差别不大,
但 D v o>D so,故D v>Ds 烧结动力学方程: Kuczynski: x7/a3=(56Dsγδ4/k T)▪t Rocland: x7/a3=(34Dsγδ4/k T )▪t
1)稳定液相烧结系统如:
2)瞬时液相烧结系统如:
合金等。
对烧结过程得分类,目前并不统一。盖彻尔(就是把金属 粉得烧结分为1)单相粉末(纯金属、固溶体或金属化合 物)烧结;2) 金属或金属非金属)固相烧结; 3)多相粉末液 相烧结;4) 熔浸。她把固溶体与金属化合物这类合金粉 末得烧结瞧为单相烧结,认为在烧结时组分之间无再溶 解,故不同于组元间有溶解反应得一般多元系固相烧结。
√Cabrera:x6/a2 = k/▪t
δ为表面层厚度,采用强烈机械活化可提高有效表面活性 得厚度,从而加快烧结速度。
烧结铜粉得自扩散系 数与温度得关系
(五)晶界扩散(GB diffusion)
晶界扩散:原子或空位沿晶界进行迁移 晶界就是空位得“阱”(Sink),对烧结得贡献体现在: ● 晶界与孔隙连接,易使孔隙消失 ● 晶界扩散激活能仅为体积扩散得一半,D gb》Dv ● 细粉烧结时,在低温起主导作用,并引起体积收缩
第6章_第二节_粉末体烧结.
6.2粉末体烧结陽烧结原理勒烧结工艺第二节粉末体烧结粉末成形存在的问题？坯体经干燥或预烧结后仍是粉末颗粒之间的机械咬和，强度低，不能直接应用。
解决办法?高温烧结技术…■使粉末颗粒间增加粘结面, 降低表面能，形成稳定和所需强度的块体材性—•烧结原理概述烧结：指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变 化，由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的 过程。
J 液相烧结 r 单元系烧结 烧结分类：烧结固相烧结烧结J多元系烧结烧结原理在烧结中的物理化学变化包括：a.有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少;b.原子的扩散、粘性流动和塑性流动；c.二次再结晶过程和晶粒长大；d.生成液相时还可能发生固相的溶解与析岀。
■烧结的本质：1949年，库钦斯基用实验证实烧结时的物质迁移机制主要为体积扩散。
1.烧结驱动力■烧结的駆动力：一般为体系的表面能和缺陷能粉料越细则其比表面积越大，即表面能越高；物质的缺陷浓度越高，其缺陷能也越高。
烧结实际上是体系表面能和缺陷能降低的过程，因此原料越细，烧结驱动力往往越大。
烧结原动力：烧结筮部与粉末颗粒其它部位之间存在化学位差，有三种表现形式。
烧结原动力表现形式:a.表面张力造成的一种机械力，它垂直作用于烧结颈曲面上使烧结颈向外扩大，最终形成孔隙网。
b.过剩空位浓度梯度，引起烧结颈表面下微小区域内的空位向粉末颗粒内扩散，造成原子在相反方向上的迁移，使颈部得以长大。
C.烧结颈表面与克里表面间存在的蒸汽压之差，导致物质向烧结颈迁移。
—.烧结原理2.烧结时的物质迁移烧结过程的传质机理很复杂，目前大体上有四种说法烧结时物质的迁移机制：表面迁移、体积迁移聚是主要的表面迁移机制；烧结体的基本尺寸不发生变化，密 度保持原来的大小。
体积迁移…包括体积扩散、塑性流动以及非晶物质的粘性流动; 引起表面迁移… 1:1由物质在颗粒表面流动引起， 表面扩散和蒸发■凝烧结体基本尺寸的变化；主要发生在烧结的后期。
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提要
本章重点是粉末压制成形的基本理论、粉末特殊成形的
基本方法和特点，粉末体烧结的基本原理。
难点是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。 通过本章学习： ①要求掌握粉末成形与烧结的一般概念,粉末压制基本规律, 粉末烧结基本原理；
②了解粉末特殊成形技术；
（3）爆炸成形
增塑成形
（1）粉末轧制（也可不用增塑剂）
其他成形
（2）粉末挤压
（3）粉末注射成形 （4）车坯、滚压
喷射成形等
主要烧结方法分类
无压烧结
固相烧结、液相烧结、反应烧结等。 (可在空气、保护气氛或真空中进行)
加压烧结
热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。 可在空气、保护气氛或真空中进行。
③ 孔隙度（porosity）
m V孔 V压 Vm 1 d m V压 V压
Vm — 致密固体体积 ④ 相对容比（相对体积或相对容积）
(6.2.6)
m 1 1 Vm d
V压
(6.2.7)
⑤ 孔隙度系数（孔隙相对容比）——空隙部分体积与致密体部分积之比
测定时，将功套试样放在两个平板之间，逐渐增加负荷直到试祥出现裂纹 而负荷值不再上升为止。此时，所指的压力即为压溃负荷，按下列公式计 算得的尺值即为径向压溃强度：
（3）测定边角稳定性的转鼓试验——将直径12．7mm厚6．35mm 的圆柱状压坯装入14目的金属网制鼓筒中，以87r／min的转速 转动1000转后，测定压坯的质量损失率来表征压坯强度：
③知道粉末胶凝固化概念和基本方法。
参考文献
[1]黄培云 主编.《粉末冶金原理》.冶金工业出版
社,1997,11
[2]吴成义 等编著. 《粉体成形力学原理》. 冶金工业出
版社,2003,9 [3] [英] 理查德 J. 布鲁克 主编. 清华大学新型陶瓷与精 细工艺国家重点实验室 译. 材料科学与技术丛书（第17A 卷、第17B卷）：《陶瓷工艺》. 科学出版社,1999,6
（5）只考虑粉末的弹性性质，未考虑粉末的流动性质。
（6）公式推导中，未将“变形”与“应变”严格区分开。
（三）川北公夫压制理论
川北在研究了一些药品粉末的压制曲线后，提出了下述方程，
V0 V abp c V0 1 bp
V为压制压强 p时压坯的体积；a、b为常数，与粉末特性有关。
(6.2.10)
该式称为巴尔申方程。式中，l 为压制因素，l 1 /(hk k ) ，σk为材料 硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为β=1时的压制压力，称为 最大极限压力。
巴尔申压制方程的局限性: 此方程仅在某些情况下正确,没有普遍意义。
（1）把粉末作为理想弹性体处理。实际粉末是弹塑性体。
（2）假定粉末无加工硬化。实际粉末存在加工硬化，且粉末越软、压制 压力越高，加工硬化现象越严重。 （3）未考虑摩擦力的影响。 （4）未考虑压制时间影响。
在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。
二、金属粉末压制时的位移与变形
粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强 度，在压制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触 显著增加。也就是说，压制过程中出现了位移和变形。 1．粉末的位移 粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞 的现象，叫做搭桥。 当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被 此填充孔隙，重新排列位臵，增加接触。
式中，c为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；V0为无压时粉末体积，
（四）黄培云压制理论
考虑了粉末的非线性弹滞性、以及在压制过程中颗粒经受大幅度应
变的事实。导出下述压制方程，
m 0 lg ln n lg p lg M m 0
(6.2.11)
（二）压制曲线的函数表示法
粉末压制曲线均可用下式表示：
bp
将上式两边取对数，可得
a
(6.2.1)
式中，ρ为压坯 密度（g/cm3）；p 压制压应力；a、b 为与粉末特性有关 的常数，对于一定
ln ln b a ln p
lnρ～lnp作图可得出常数a、b 。
b的物理意义为：
(6.2.2)
三、压制压力与压坯密度关系 （一）压制曲线 压坯密度与压力的关系，称 为压制曲线，也称为压制平衡 图。一定成分和性能的粉末只 有一条压制曲线，压制曲线对 合理选择压制压应力具有指导 作用。
每一条压制曲线一般可以分为三个区域。 ①Ⅰ区密度随压力急速增加。颗粒填入空隙， 同时破坏“拱桥”；颗粒作相对滑动和转动。 ②Ⅱ区密度随压力增加较慢。颗粒通过变形填
压坯强度的测定
（1）抗弯强度试验用压坯试样ASTM标准是：宽12．7mm，厚 6．35mm，长31．75mm(中国标准GB5319—85：12×6×30mm)。 在标准测定装臵上测出破断负荷，根据下列公式计算：
（2）压溃强度的测试方法。这种压溃强度是粉末冶金轴套类零件的 特有的强度性能表示方法。
第六章 粉末材料的成形与烧结
粉末成形与烧结概述 粉末压制成形 粉末特殊成形技术 粉末体烧结 粉末胶凝固化（自学）
引言
粉末成形与烧结技术是将材料制成粉末(或采用经适当加工的天然 矿物)，经加压（或无压）成形后，再通过烧结（常压或加压）得到 接近理论密度的材料或孔隙可控的多孔材料的工艺方法，是粉末冶 金、陶瓷工程的基本工艺。
F的存在消耗了一部分正压力，使其不能无损耗地传到下冲头；这样使实 际的压坯密度，不能用压制理论公式直接计算，并且在压坯内密度呈不均匀 分布。 侧压强p侧与模具强度计算有直接关系，也和压坯的脱模压强确定有关。
2．粉末的变形
粉末体在受压后体积大大减少．这是因为粉术在压制时不但发生了 位移，且发生了变形，粉末变形可能有三种情况： (1)弹性变形 外力卸除后粉末形状可以恢复原形。 (2)塑性变形 压力超过粉末的弹性极限，变形不能恢复原形。压缩 铜粉的实验指出，发生塑性变形所需要的单位压制压力大约是该材 质弹性极限的2.8—3倍。金属的塑性越大，塑性变形也就越大。 (3)脆性断裂 单位压制压力超过强度极限后，粉末颗粒就发生粉碎 性的破坏。当压制难熔金属如w、Mo或其化合物如WC、Mo2C等脆性粉 末时，除有少量塑性变形外，主要是脆性断裂。源自半坡西周商
德里铁柱
压敏
PTC
第一节 粉末成形与烧结概述
粉末冶金制品的基本过程
制粉、粉末 预处理、成形、 烧结、制品后 处理等。
主要成形工艺分类
浆料成形
压力成形
（1）注浆成形 （2）流延成形 （3）电泳成形 （4）直接凝固成形 （5）凝胶注模成形
（1）刚性模压制 （2）等静压成形
充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致
使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般 选在该区。 ③Ⅲ区密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加 工硬化严重、接触面积很大，外压力被刚性面 支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只 有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。 三个区域并没有严格的界限，同时，三 种致密化方式也并非各区独有。
活化烧结
物理活化烧结、化学活化烧结。
第二节 粉末压制成形
粉末退火 提纯，软化粉末，稳定粉末结构，粉末钝化；
粉末混合
混粉、合批，使成分均匀；物理法与化学法；
成型剂
润滑剂、粘接剂、造孔剂；
制粒
小颗粒制成大颗粒，改善流动性；
加压与脱模
压制力、压制速度；保压时间；脱模力；
压制前粉末要经过预处理，预处理包括：粉末退火、筛分、混合、 制粒、加润滑利等 。 退火： 目的：除杂、消除加工硬化、钝化。 退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的 0.5~0.6Tm。 制粒： 制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末 的流动性。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充 填模腔必须先制粒。 混合： 混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。 有时候，为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种 过程称为合批。
一、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和尺寸不变的能 力，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结 力大致可分为两种： (1)粉末颗粒之间的机械啮合力 粉末的外表面呈凹凸不平的不规则形状，通过压制，粉末颗粒之 间由于位移和变形可以互相楔住和钩住，从而形成粉末颗粒之间 的机械啮合，这是使压坯具有强度的主要原因之一 。 (2)粉末颗粒表面原子之间的引力 在金属粉末处于压制后期时，粉末颗粒受强大外力作用而发 生位移和变形，粉末颗粒表面上的原子就彼此接近，当进入引力 范围之内时，粉末颗粒便由于引力作用而联结，粉末的接触区域 越大其压坯强度越高。
粉末其为一定值。
p =100MPa时，压坯的密度值，是表示粉末压缩性能好坏的参数
之一。
（三）压制曲线影响因素 实测的压制曲线受以下因素影响： ①压坯高径比H/D ：H/D越大，压坯平均密度越低，使曲线向下 偏移。一般取H/D=0.5～1 。 ②粉末粒度：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上； 合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。 ③粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位臵越偏低。 ④粉末加工硬化：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，
式中，M 为压制模量，其倒数为单位压制压强下，粉末体所发生的变形；
n 为应变硬化指数的倒数，n=1,无硬化；ρm 为固体理论密度，ρ0为未加压时 粉末体密度，ρ为压强p时压坯的密度。
（五）几种理论的适用范围
① 黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用；并且，与
粉末实际压制过程较符合。 ② 巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好，尤其在压制开始 阶段效果较好，但没普遍意义（未考虑加工硬化、摩擦及固体的 滞弹性）。