粉末压制过程中的摩擦与润滑

粉末压制过程中的摩擦与润滑

摘要：粉末成形过程中的摩擦行为是一个十分复杂的问题,受粉末和模具材料性能、粉末形状大小、模具表面状况、粉末与模具间相对运动速度、润滑剂特性、粉末和模具温度等许多因素的影响.摩擦造成了制品密度低、分布不均匀、模具磨损,影响了制品的性能、尺寸精度及其应用范围。特别是复杂形状、厚度尺寸较大的粉末冶金制品,摩擦的存在极易造成制品的失效。摩擦行为的复杂性使得对其进行准确的测定和表达比较困难,加之这方面的研究不多,造成了进一步研究的困难.综述近几年国外对粉末成形过程摩擦现象的研究进展。

关键字：金属粉末；压制；摩擦模型；润滑

一、粉末成形简介

1、粉末成型：通过外力，把粉末或其聚集体制作成具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品。

2、成型目的：获得要求形状和尺寸，质地均匀，尽可能的致密，有一定强度的坯体。通常又与最佳均匀化，致密化等联系在一起模压成形是最基本方法。

3、压制成型原理：机械压力连续地或多次地通过压头传递到在模型中的粉末体上，在高压下粉末体致密化而形成具有一定形状、尺寸和强度的坯体[1]。

4、压制机理：

a.颗粒重排：在低压时，颗粒发生重新排列而填充气孔产生紧密堆积

b.在较高压力下，引起颗粒的破碎，并通过碎粒的填充而致密。

在压力一定时，致密化能力决定于压制粉料颗粒的性质（包括团聚体）（主要是物料颗粒的硬度）。

c.塑性变形：在高压下，通过塑性形变填充空间，这时颗粒间的点接触变成面接触。

二、粉末压制过程

2.1成形前原料准备

2.1.1退火

将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。

金属粉末退火的目的：

a.氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；

b.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构；

c.防止超细粉末自燃，将其表面钝化[2]。

2.1.2混合

a.混合：将两种或两种以上不同成分的粉末混合

b. 将相同成分而粒度不同的粉末混合

混合方法：机械法（干混、湿混）和化学法

机械法：干混用于生产铁基制品；湿混用于生产硬质合金。混料设备有球磨机、V型混合器、锥形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器等。湿混介质要求不与物料发生化学反应，沸点低易挥发，无毒性，来源广，成本低，常用酒精、汽油、丙酮等[3]。

化学法：将金属或化合物粉末与添加的金属盐溶液均匀混合，或各组

元全部某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得

到均匀布的化合物。化学法用于制取钨-铜-镍高密度合金，铁-镍磁性材料，银-钨触头合金等混合物原料等。

2.13筛分

筛分指把不同粒度的粉末通过网筛或振动筛进行分级，使粉末能够按照粒度分成粒度范围更小的级别。

2.1.4制粒

制粒指将小颗粒粉末制成较大颗粒或团粒，目的是改善粉末的流动性。添加剂指成形前在粉末混合料中添加改善成形过程的物质或造成一定孔隙的造孔剂。如石蜡、合成橡胶、樟脑、塑料及硬脂酸盐等

。

[4]

2.1.5润滑

a.模壁和模冲润滑

在刚性模具中压制时，在模壁和模冲上涂润滑剂，目的是使压制的坯块与模具容易分离，但由于粉末体表面是粗造的，易刺穿涂在模壁上的润滑膜产生摩擦，增加压制力，损坏模具。对润滑剂的要求：既要附着到金属表面上，还要不渗入到金属中。润滑剂：硬脂酸、人造蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂

b.粉末润滑

粉末润滑指润滑剂与金属粉末混合，其优点是润滑剂不仅在模壁上，而且也在粉末颗粒之间。粉末润滑的条件：将润滑剂磨成细粉、润滑剂的量取决与坯块形状、润滑时间：20~40min。模壁润滑已取得

专利，技术上是可行的；粉末润滑被广泛应用。润滑的优点：减少压制压力，改善坯块密度分布，提高坯块密度；缺点：润滑剂在烧结过程中分解产生的气体从炉子的预热带逸出，使烧结时的保护气氛流速加快，使炉子的管理变得复杂[5]。

2.2压制过程金属粉末的行为

2.2.1金属粉末压制现象

压制指松散粉末在压模内经受一定的压力后，成为具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块。压制过程中，粉末颗粒间发生相对移动，粉末颗粒将填充孔隙，粉末体体积减小，粉末颗粒迅速达到最紧密堆积。粉末体在压模内受力后力图向各个方向流动，产生了垂直于压模壁的压力——侧压力，侧压力使压模内靠近模壁的外层粉末与模壁之间产生摩擦力摩擦力使接近加压端面部分压力最大，远离加压端面压力逐渐降低，压力分布的不均匀使坯块各个部分密度分布不均匀[6]。

图3-2压膜示意图

1—阴模；2—上模冲；3—下模冲；4—粉末

2.2.2粉末颗粒变形的三个阶段

a.粉末的位移

当施加外力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒彼此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。

b.粉末的变形

粉末体受压后体积明显减小，除第一阶段的位移外，又发生变形。变形有弹性变形和塑性变形。

c.脆性断裂

当施加的压力超过强度极限后，粉末颗粒碎裂成更小的碎片，使粉末接触更加紧密。

2.2.3外摩擦力

摩擦力：粉末体在压制过程中，运动的粉末与模壁之间存在摩擦现象，摩擦产生的力称为摩擦力。单向压制时，其方向与压制方向相反。

式中μ——摩擦系数。 外摩擦力（摩擦压力损失）： 式中P ′——模底受到的力; P ——压制压力; H ——坯块高度；D ——坯块直径[7]。

侧

摩擦P P μ=μξD

H ＇Pe P 4-=

单向压制示意图 密度变化

摩擦压力损失与坯块尺寸的关系：

单向压制只有一个活动模冲，通常是上模冲动，下模冲不动。坯块高度越高，坯块上下密度差越大，原因是摩擦压力损失的存在。为了减小坯块上下密度差，单向压制只压制比较薄的坯块。即

或者

压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，各层的厚度和形状均发生了变化，由图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[8]。

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。

为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：

1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具；

2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；

3）模具设计时尽量降低高径比。

1＜D H 1＜L H