第三章 粉末材料的成形与固结

• 按粉料成形时的状态，分类：
模压成形
压力成形
等静压成形
……
挤压成形
成形
增塑成形
注射成形
……
注浆成形
料浆成形
热压铸成形
流延成形
……
颗粒密度
• 粉末材料的理论密度，通常不能代表粉末 颗粒的实际密度，因颗粒几乎总是有孔； • 孔与颗粒外表面相通，称开孔或半开口 （一端相通）； • 颗粒内不与外表面相通的潜孔称闭孔；
板后，以粉末锥的高度衡量流动性，粉末锥
的底角称为安息角，也可作为流动性的量度。
锥愈高或安息角愈大，则表示粉末的流动
性愈差，反之则流动性愈好。
规律：
等轴状(对称性好)粉末、粗颗粒粉末 的流动性好； 粒度组成中，极细粉末占的比例愈大， 流动性愈差，但是，粒度组成向偏粗的 方向增大时，流动性变化不明显。
粉末压制理论的一些理论公式和经验公式
序号 1 2 提出时间 1923 1930 著者姓名 汪克尔 L. F. Athy 艾西 M. Balshin 巴尔申 公 β =k1-k2lgP θ =θ 0e-β P 式 注 解 k1， k2—系数 P—压制压力，β —相对密度 θ —压力 P 时的空隙率 θ 0—无压力时的空隙率 β —压缩系数 Pmax—相应于压至最紧密状态(β =1)时的单位压力 L—压制因素 m—系数 β —相对体积 d 压—压坯密度 d 松—粉末松装密度 C—粉末体积减少率 a、b—系数 A、κ —系数
• 真密度：颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除 得的商值。真密度实际就是粉末的固体密度。 • 有效密度：颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积去 除得到的。用比重瓶法测得的密度接近这种密度， 故又称为比重瓶密度。 • 表观密度：颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒 体积除得的密度值。 • 堆积密度：粉体材料在自然堆积状态下单位体积的 质量。自然状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔 隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。
碎化
应变硬化
脆性粉末 点接触应力>断裂强度→断裂 塑性粉末 点接触应力>屈服强度 →塑性变形 →加工硬化 →脆化→断裂
压坯密度与压制压力的关系
在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密 度增加、气孔率降低。 对压力与密度或气孔率的关系进行了大量的研 究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数 学公式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的 定量公式（包括理论公式和经验公式）有几十种 之多。
3
1938
dP LP dβ lg P max lg P L ( β 1) lg P max lg P m lgβ
4 5 6 7 8 9 10 11
1948 1956 1961 1962 1962 1963 1963 1964~ 1980
Smith 史密斯 川北公夫 R. W. Heckel 黑克尔 尼古拉耶夫 米尔逊 库宁 尤尔钦科 平井西夫 黄培云
3、压缩性
代表粉末在压制过程中被压紧的能力。 在标准的模具中在规定的润滑条件下加以测 定，用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密 度表示。通常也可以用压坯密度随压制压力变 化的曲线图表示。 压缩比：松装粉末的高度与成型坯体高度之
比。
4、成形性
成形性是指粉末压制后，压坯保持既 定形状的能力，用粉末得以成形的最小单 位压制压力表示，或者用压坯的强度来衡 量。 压制性：是压缩性和成形性的总称。
规律：
成形性好的粉末，往往压缩性差； 相反，压缩性好的粉末，成形性差。例
如松装密度高的粉末，压缩性虽好，但
成形性差；细粉末的成形性好，而压缩 性却较差。
粉末在压力下的运动行为
成型工艺主要有： 刚性模具中粉末的压制（模压）
弹性封套中粉末的等静压
粉末板条滚压以及粉末挤压等
压制过程的三个阶段：
第一阶段：首先粉末颗粒发生位移（滑动 与转动）与重排，颗粒间的架桥现象被部分消 除且颗粒间的接触程度增加；
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0
Experimental results Linear fit:Y=A+B*X (1) A=0.7780 B=0.00383 R=0.9406 (2) A=1.4793 B=6.7825E-4 R=0.9455 (3) A=-3.7910 B=0.00493 R=0.8920
d 压=d 松+κ P1/3 C=(abP)/(1+bP) ln(1-D)-1=κ P+A P=σ sCDln[D/(1-D)]
12
1973
巴尔申 查哈良 马奴卡
σ s—金属粉末的屈服强度 C—系数 lg(P+κ )≈-lgβ +lgPk Pk—金属最大压制密度时的临界压力；κ 、n—系数 d=dmax-(κ 0/d)e-aP dmax—压力无限大时的极限密度 a、κ 0—系数 dε /dt=[(β /φ )tkfβ -1](df/dt）+[(K/φ )tk-1fβ ′ f—外力，ε —应变 -1 ]f φ 、β 、K—系数 lgln[(dm-do)d]/[(dm-d)d0]=nlgP-lgM dm—致密金属密度 mlgln[(dm-do)d]/[(dm-d)d0]=lgP-lgM d0—压坯原始密度 d—压坯密度, P—压制压力 M—相当于压制模树 n—相当于硬化指数的倒数 m—相当于硬化指数 a 2 P=3 P0ρ (Δ ρ /θ 0) P0—初始接触应力 ρ —相对密度 θ 0—(1-ρ ) a=[ρ 2(ρ -ρ 0)]/θ 0
2500 2000 1500 1000 500 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
P /MPa
热压Mg2Si块体的Kawakita图
压制过程中力的分析
总压力 P 净压力 P净
压力损失 P损失
侧压力 P侧
模壁摩擦力 P摩
内摩擦力 P内摩
弹性力 P弹
P侧 P 总
第三章 粉末材料的成形与固结
3.1 粉末的成形与干燥 3.2 粉末烧结 3.3 胶凝固化
3.1 粉末的成形与干燥
成形的理论基础 • 粉末的工艺性能 • 粉末在压力下的运动行为 • 成形方法
•
• 成型：是说工件、产品经过加工后具有 某种特定的、所需要的形状；把东西按 标准尺寸或规格完成的过程。
• 成形：将松散的粉体加工成具有一定尺 寸、形状以及一定密度和强度的坯块。
(a) 装配图
(b) 流速漏斗 松装密度测定装置一
(c) 量杯
(1) 漏斗 (2) 阻尼箱
(3) 阻尼隔板
(4) 量杯 (5) 支架
松装密度测定装置二
• 松装密度取决于颗粒间的粘附力、相对 滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填 充的程度。
2、流动性 50克粉末从标准的流速漏斗流出所 需的时间，单位为s／50克，其倒数是 单位时间内流出粉末的质量，俗称为 流速。
(3)
(2) (1) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
P /MPa
热压Mg2Si块体的Heckel图
Kawakita（川北公夫）方程
3500 3000
P/C /MPa
P 1 P C ab a
Experimental results Best fit to formula (2)
粉末的工艺性能
包括： 1、松装密度、振实密度
2、流动性
3、压缩性
4、成形性
另外，工艺性能也主要取决于粉末的生产 方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、加润 滑剂、制粒等）。
1、松装密度与振实密度
不同粉末装满一定容积的质量是不同的，因此规定 用松装密度或振实密度来描述粉末的这种容积性质。
松装密度：粉末试样自然填充规定的容器时， 单位容器内粉末的质量，单位为g/cm3。 (国标GB1478-84，GB5060-85) 振实密度：将粉末装于振动容器中，在规定条 件下，经过振动后测得的粉末密度。 （国标GB5162-85)
通常为了提高堆积密度，常在较大的均一颗粒之间加 入较小的颗粒。当小颗粒粉末量增加时，粉体的松装密度 先增加然后降低。
5.4 5.2
¬ cm3 È £ à ¶ ×Ü É ° Ë
5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 0 20 40 60 ¸ ¿ Ï Å Á £ £ ¬ % 80 100
细颗粒（-325目）对不锈钢粗颗粒（-100+150目）松装密度的影响
粉末成形的理论基础 粉体的堆积与排列
理想球形颗粒的堆积类型、堆积密度和配位数
排列 简单立方 体心立方 面心立方 六方密堆 堆积密度% 52 68 74 74 配位数 6 8 12 12
将大小均匀的球形颗粒粉末倒入容器 时，即使颗粒进行面心立方或密排六方排 列，堆积密度也较低, 即小于74%。通过 振动可以提高堆积密度，但是，即使采用 最仔细的振动方式，最高的振实密度也仅 能达到62.8%，并且平均配位数也低于12。
• 脱模压力：使压坯由模中脱出所需的压力。
它与压制压力、粉末性能、压坯密度和尺寸、 压模和润滑剂有关。
• 弹性后效：在压制过程中，当除去压制压力
并把压坯压出压模之后，由于内应力的作用， 压坯会发生弹性膨胀。
• 压坯强度：表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒 间的粘结强度； • 影响因素：颗粒间的结合强度、颗粒表面的粗 糙度、颗粒形状、颗粒表面洁净程度、压制压 力、颗粒的塑性、成形剂
第二阶段：颗粒发生弹塑性变形，塑性变 形的大小取决于粉末材料的延性。但是，同样 的延性材料在一样的压力下，并不一定得到相 同的坯体密度，还与粉末的压缩性能有关； 弹性变形 颗粒间的接触应力≤材料弹性极限 塑性变形 颗粒接触应力≥材料的屈服强度 点接触处局部→面接触处局部→整体 断裂
第三阶段：颗粒断裂。不论是原本脆性的 粉体如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工 硬化的脆化粉体，都将随着施加压力的增加发 生脆性断裂形成较小的碎块。