第五章粉末材料成形

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图5-13 避免小而薄的凸台
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a) b) 图5-14 考虑方便脱模的结构
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考虑粉末均匀填充及压坯密度
密度均匀是压坯质量的一个重要指标。在压制薄壁或 截面上厚度差异较大的压坯时，装粉不易均匀，薄壁和尖 角处难于充填粉末，引起压坯密度很不均匀，烧结时易发 生变形或开裂。 压坯的最小壁厚取决于零件尺寸。一般偏心孔零件最 薄处壁厚 t≥1mm （图 5-15a 所示）。设计圆柱体空心件最 小壁厚规定为 1.2mm ；实际设计中，壁厚 t 与高度 H 有关， 一般取H/t＜20（图5-15b）。 零件结构带有尖角时，不利于装粉、密度不易均匀、 且模具制造困难、寿命低，宜将尖角改为圆弧。
5.5陶瓷材料成形的工艺过程
陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制 备、成型、烧结
5.5.1坯料制备
通过机械或物理或化学方法制备粉料，在 制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、 纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀 等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料 可以是粉料、浆料或可塑泥团。

成型 烧结
5.1.2 压制成形原理
压模压制是将置于压模内的松散粉 末施加一定的压力后，成为具有一定 尺寸、形状和一定密度、强度的压坯， 如图5-2是压模示意图。 粉末的压缩过程一般采用压坯密 图5-2 模压示意图 度——成形压力曲线来表示，如图5-3 所示。压坯密度变化分为三个阶段。 滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发 生相对位移，填充孔隙，压坯密度随 压力增加而急剧增加；二是粉末体出 现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不 能再减少，密度不随压力增高而明显 变化；三是当压力超过粉末颗粒的临 图5-3 压坯密度与压力 界压力时，粉末颗粒开始变形，从而 使其密度又随压力增高而增加。
零件的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、 槽等均不能直接压制出 。图5-10a中与压制方向垂直的 退刀槽需改为图5-10b的结构；图 5-11a 所示零件，应在 模具上做出垫块（图5-11b）
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图5-10 简化槽的结构
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图5-11 避免多台阶零件
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考虑脱模困难性
5.1.2粉末预处理
预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。
粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质 的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬 化、稳定粉末的晶体结构 。 筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。
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。混合可采用机械法和化学法。 制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以 此来改善粉末的流动性。
粉末冶金的特点：
1）某些特殊性能材料的唯一制造方法； 2 ）可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无 切削生产工艺； 3）节约材料和加工工时，成本低。 4）制品强度较低； 5）流动性较差，形状受限制； 6）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；
7Байду номын сангаас压模成本较高。
5.1
粉末冶金基本原理
粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处理、成形、 烧结及后处理等。粉末冶金材料或制品的工艺流程如图51所示。
常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表 5-1。烧 结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒 亦大，产生所谓“过烧”的废品；如烧结温度过低或时间 过短，则产品的结合强度等性能达不到要求 ，产生所谓 “欠烧”的废品。
表5-1
粉冶材料 铁基制品
常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛
铜基制品 硬质合金 不锈钢 磁性材料 (Fe-NiC 0) 钨、铝、 钒
粉末制备 坯料制备 成型 干燥 烧结 后处理
成品
热压或热等静压烧结
成型方法分类
热法（热压注法）：钢模
注 浆 常压冷法注浆 成 型 法 冷法 加压冷法注浆
成型 方法 可塑成型法 无模
抽真空冷法注浆
石 膏 模
坯料含水量 30～40%
有模
坯料含水量18～26%
干压成型法：钢模 ，坯料含水量6～8% 等静压成型法：橡皮膜，坯料含水1.5～3%
在压制过程中，由于压制压力较大而阴模会发生弹性膨 胀；当压力去除后，压坯阻碍阴模弹性收缩，压坯受径向 压力。压坯脱出阴模的部分，由于本身弹性后效作用而向 外膨胀。这使得在脱模过程中，压坯受到方向相反的切应 力作用，如图5-12所示。
在压坯脱模过程中，压坯 上的一些薄弱部位有可能在上 述切应力作用下发生毁坏。所 以零件在结构上应尽可能避免 薄壁、深而窄的槽、锐边、小 而 薄 的 凸 台 等 形 状 。 如 图 513a 所示结构宜改成图 5-13b 。 图 5-14a 脱模不便，改成图 5图5-12 压坯脱模过程中的切应力 14b结构为妥。
烧结温 度℃
1050∼ 2000
发生炉煤 气，分解 氨
700∼ 900
分解氨， 发生炉煤 气
1350 ∼ 1550
1250
1200
1700 ∼ 3300
烧结气氛
真空、氢
氢
氢、真空
氢
5.2粉末冶金工艺过程
5.2.1 粉末的制备
金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化 学法。 机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成 分的方法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末； 液态金属的制粒和雾化。 物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学 或物理的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的工 艺过程。还原金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰 基化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理 化学制粉法是以还原和离解等化学反应为基础的。 工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解 法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。
a) 压制前
b) 压制后
a）单向压制
b) 双向压制
图5-4 用石墨粉作隔层的单向压坯
图5-5 压坯密度沿高度分布图
5.1.3 烧结
烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段 时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。
烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状 态的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到 高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起 粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少， 密度增高，强度增加，形成了烧结。
§3
压制成型
一、定义
将含有一定水分（或其它粘结剂）的粒状粉料填充于模 具之中，对其施加压力，使之成为具有一定形状和强度 的陶瓷坯体的成型方法叫做压制成型。又称模压成型 （stamping process）、干压成型(dry pressing)。 粉料含水量8%~15％时为半干压成型； 粉料含水量为3％~7％时为干压成型； 特殊的压制工艺（如等静压法），坯料水分可在3％以 下。
5.1.1 金属粉末性能
粉末的工艺性能：
1 粉末粒度 固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体 三类。 致密体或常说的固体：粒径在lmm以上； 胶体微粒： 0.1mm以下； 粉末体或简称粉末：介于二者之间。
2流动性是50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单 位为s／50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称 为流速。 3 粉末的压制性能 1）压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，通常以 在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。 2）成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力， 通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯 强度来表示。 4松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位 体积内粉末的质量，单位为g／cm3。
将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密 度和强度的制品坯型（亦称生坯）。

生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高 温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变， 如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相 变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。
§ 1 可塑成型
利用外力对坯料进行成型。基本原理是基于坯料的可塑性。 一、滚压成型 1.工艺原理和特点：成型时盛放着泥料的石膏模型和滚压头分 别绕自己的轴线以一定的速 度同方向旋转。滚压头在旋 转的同时逐渐靠近石膏模型， 对泥料进行滚压成型。 优点：坯体致密、组织结构 均匀、表面质量高。 阳模滚压（外滚压）：滚压 头决定坯体形状和大小，模 型决定内表面的花纹。 阴模滚压（内滚压）：滚压 头形成坯体的内表面。
压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实 验，得到如图5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发 生了变化，由图5-5可知在任何垂直面上，上层密度比下层 密度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两 边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大， 两边小。 因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引 起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯 在高度方向存在明显的压力降。
第五章 粉末材料成形
粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末 的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属 制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与 陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金 方法为“金属陶瓷法”。
粉末冶金材料或制品种类较多，主要有:
难熔金属及其合金（如钨、钨—钼合金）； 组元彼此不相溶、熔点十分悬殊的特殊性能材料 （如钨—铜合金型电触头材料）； 难熔的化合物和金属组成的各种复合材料（如硬质 合金、金属陶瓷）等。
§ 2 注浆成型
一 概述： 工艺过程：将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于 多孔性模型的毛细管力吸水性，泥浆在贴近模壁的一侧被 模子吸水而形成一均匀的泥层，并随时间的延长而加厚， 当达到所需厚度时，将多余的泥浆倾出，最后该泥层继续 脱水收缩而与模型脱离，从模型取出后即为毛坯.
工艺特点： （1）适于成型各种产品，形状复杂、不规则、 薄、体积较大而且尺寸要求不严的器物，如花瓶、汤碗、 椭圆形盘、茶壶等。 （2）坯体结构均匀，但含水量大且不均匀，干燥与烧成 收缩大。
5.2.6 粉末冶金制品制造举例
含油轴承材料是一种具有多孔性的粉末冶金材料，常 用以制造轴承零件。这种材料压制成轴承后，放在润滑油 中浸润，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛细现象作用下， 可吸附大量润滑油(一般含油率为12%～30％)，故称为含 油轴承。 铜基含油轴承常用的是青铜粉末与石墨粉末制成的冶 金材料，它具有较好的热导性、耐蚀性．抗咬合性，但承 压能力较铁基含油轴承小。 含油轴承材料一般用于制作中速、轻载荷的轴承，尤 其适宜制作不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、 食品机械、家用电器(如电风扇、电唱机)等的轴承，在 汽车、拖拉机．机床．电机中也得到广泛应用。
a)
b)
图5-15 考虑壁厚均匀的改进
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考虑压模强度及寿命
主要应考虑压模结构上一些薄弱部位易在压制高压下 损坏。例如，机械加工中极易加工的倒角，在粉末冶金压 制时，成了模具的薄弱部位（尖角）而极易在压制时损坏 （图5-16a所示），宜改成图5-16b所示结构。
a) 图5-16 倒角结构的改进
5.2.5 后处理
后处理的方法按其目的不同，有以下几种： 1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、 浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。 2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷 化处理、电镀等。
3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加 工等。
4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制 作的孔隙中去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击 韧度。
5.3 粉末冶金制品结构工艺性
考虑粉末冶金零件结构工艺性时，总的原则是零件应 尽量平整简单，即不带倒角、尖角、凸起、凹槽以及难于 直接压制或脱模出的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂 直的孔、槽等。一般需要从压制困难性、脱模困难性、粉 末均匀填充困难性和压模强度、寿命等诸方面考虑。
考虑压制困难性及简化模具
b)
5.4 陶瓷成形基本原理
从工艺上讲，根据坯料的性能和含水量的不同，陶瓷 的成型方法可分为三类：注浆成型、可塑成型和压制
成型。 粉末冶金（Powder Metallurgy）与陶瓷 (Ceramic)的主要制备工艺过程包括粉末制备、 成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示为： 粉末制备坯料制备成型干燥烧结后处理热压或热 等静压烧结成品
固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如 普通铁基粉末冶金轴承烧结。 液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质 合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力 的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。
烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境， 粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。