冷等静压技术简介

冷等静压技术简介
1前言
等静压技术是根据帕斯卡原理开发出来的一种新型粉体成型和固结技术。

帕斯卡原理也称为静压传递原理，其主要内容是，加在密闭液体上的压强，能够大小不变地由液体向各个方向传递，也就是说，在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点。

等静压技术首先是由美国西屋灯泡公司于1913年开发出来的，此后，等静压技术及其应用范围快速发展，目前已广泛应用于铸造、原子能、塑料、石墨、陶瓷、永磁体、生物药物制备、食品保鲜和军工等领域。

2等静压技术的分类及特点
按样品成型和固结时的温度分类，可将等静压技术分为冷等静压、温等静压和热等静压三种。

冷等静压技术是指在室温环境下进行的等静压成型技术，通常用橡胶和塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，压力为100~ 630MPa，主要用于粉末成形。

其目的是为下一步烧结，煅造或热等静压等工序提供预制品。

温等静压技术一般指压制温度不超过500℃的等静压成型技术，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右，主要用于在室温条件下不能成型的粉体物料（如石墨、聚酰胺、橡胶等）的压制，以使其能在较高的温度下制得坚实的坯体。

热等静压技术是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，一般采用氩、氨等惰性气体作为压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃，工作温度范围为1000~2200℃，工作压力范围100~200MPa。

它不仅用于粉体的成型与烧结，而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。

作为一种新型的粉体成型与固结工艺，等静压技术具有以下特点：
(1) 压坯密度高。

采用等静压制备的样品，其密度一般要比单向和双向模压成型的高5～l5%，采用热等静压制备的样品，相对密度可达99.8～99.09％。

(2) 压坯密度均匀一致。

在模压成型中，无论是单向，还是双向压制，由于粉料与钢模之间的摩擦阻力的存在及成型压力在传递过程中的递减，会出现压坯密度分布不均现象，这种密度的差异在压制复杂形状制品时，往往可达到10% 以上。

而在等静压成型中，样品在各方向上受力相等，包套与粉料受力收缩大体一致，粉料与包套相对运动很小，压力只有轻微地下降，样品各部分密度差异＜1%，可认为密度分布是均匀的。

(3) 可制备长径比大，形状复杂的样品。

因为坯体各处受力一致，密度分布均匀，所以可制作长径比大，形状复杂的样品。

(4) 等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。

(5) 等静压成型的制品，性能优异，且比其他成型方法制得的样品烧结温度低。

(6) 等静压成型工艺的缺点是，工艺效率较低，设备昂贵。

本文着重介绍冷等静压技术的应用及发展情况。

3.冷等静压设备的分类及主要构造
3.1冷等静压机的分类
冷等静压成型分湿袋法和干袋法两种，相应等静压机的结构也略有不同。

3.1.1湿袋法等静压
图1为湿袋法等静压示意图。

将装好粉末的模具，直接打入液体压力介质中，和液体相接触，然后加压成型，因此称湿袋法。

这种方法可任意改弹性模具的形状和尺寸，制品灵活性很大，但每次都要进行装袋、卸袋等操作，工序较多，效率难以提高。

装模
压制
图1 湿袋法等静压示意图
3.1.2干袋法等静压
图2为干袋法等静压示意图。

干袋法等静压机是一种“双袋”系统，由一个“制品袋”（内模具）和一个“主袋”（加压主模具）组成。

“主袋”首先固定在缸内，工作时中
不取出，粉末装入另外的“制品袋”后，再放进“主袋”内加压，成型后由活塞带出缸体。

整个过程中制品袋不与与液体相接触，因此称为干袋法成型。

这种方法可连续操作，适用于成批生产，但因加压主模不能经常更换，所以产品规格受限制。

装
模加压
退模
图2 干袋法等静压示意图
3.2冷等静压设备的构造
虽然湿法等静压机和干法等静压机在结构上略有不同，但都主要由弹性模具、超高压容器、液压系统和辅助设备组成，下文以湿法等静压设备为例，对其构造进行简述。

图3 大型冷等静压设备整体示意图
图4小型等静压机示意图
图3为大型冷等静压设备整体示意图，图4为小型等静压机示意图。

以图3为例，等静压机的工作过程是，首先将装有物料的密封弹性模具，置于盛有传压介质的缸体中，然后闭合上端塞，框架沿导轨底座滑行至缸体正上方，将上端塞压住。

接着，加压设备通过缸体底部的高压油路，对缸体内部传压介质施加超高压力，此时模具内的物料受压成型。

经一段时间保压后，减压阀开启，缸体内压力逐渐回复至常压，框架后移，上端塞开启，最后取
出成型样品。

3.2.1弹性模具及传压介质
弹性模具常用的制备材料有：模用橡胶、浸渍乳胶、聚氯乙烯、硅有机树脂、聚氨基甲酸酯等。

模具设计是等静压成型的关键，因为坯体尺寸的精度和致密均匀性与模具关系密切。

将物料装入模具中时，其棱角处不易为物料所充填，可以采用振动装料，或者边振动，边抽真空，效果更好。

作为等静压系统的传压介质，应选择对人体无害、压缩性小、无腐蚀和与模具相容的液体，一般采用蓖麻油、乳化液、煤油以及煤油和变压器油的混合液。

3.2.2超高压容器
高压容器是的冷等静压设备中的主要设备，是粉末压制成型的工作室，必须要有足够的强度和可靠的密封性。

容器缸体的结构主要有螺纹式和框架式两种。

螺纹式缸体结构：缸体是一个上边开口的坩埚状圆筒体，在外面常装加固钢箍，形成双层缸体结构。

工作过程中，内筒处于受压状态，外筒处于受拉状态。

缸筒的上口用带螺纹的塞头连接和密封。

这种结构制造起来较简单，但螺纹易损坏，安全可靠性较差，工作效率较低。

为了操作方便，有的设计成开口螺纹结构，塞头装入后，旋转45°，上端另有液压压紧装置。

框架式缸体结构：主要由圆筒状缸体和框架组成，图5为框架式缸体整体示意图及缸体结构示意图。

首先用机械性能良好的高强度合金钢加工出芯筒，然后用高强度钢丝按预应力要求，缠绕在芯筒外面，形成一定厚度的钢丝层，使芯筒承受很大的压应力。

这样一来，即使在工作条件下，芯筒也不承受拉应力或只承受很小的拉应力。

筒体内的上、下塞是活动的，无螺纹连接，工作过程中，缸体的轴向压力靠框架来承受，这样就避免了螺纹结构的应力集中。

该缸体结构中的框架为缠绕式结构，是由两个半圆形梁和两根立柱拼合后，用高强度钢丝预应力缠绕而成。

框架式缸体结构受力合理，抗疲劳强度高，工作安全可靠，对于缸体直径大、压力高的情况，更具有优越性。

图5框架式缸体结构示意图
3.2.3液压系统
液压系统主要由低压泵、高压泵和增压器以及各式阀组成。

开始由流量较大的低压泵供油，达到一定压力后，再由高压泵供油，如压力再高，则由增压器来提高油的压力。

图6增压器工作原理示意图
图6为增压器工作原理示意图。

活塞由外部电机皮带轮带动在活塞腔内做来回往复运动，当活塞向右运动时，阀门A1闭合，A2开启，液体介质由A处进水口吸入A端液压腔，同时，阀门B1开启，B2闭合，B端液压腔内液体介质被压出，沿油路进入工作缸体。

同理，当活塞向左运动时，液体介质由A端压入工作缸体，同时B端吸入液体介质。

活塞往复运动，当压力表监测到缸体内压力达到预定压力值时，增压器停止运行。

3.2.4辅助设备
了使等静压机高效率地工作，必须配备辅助设备。

自动冷等静压机的辅助设备主要有开、闭缸盖系统，模具装卸、振动系统，压坯、脱模系统，压力检测系统和整机操作系统等。

4.结语
由于等静压成型技术生产出来的产品性能优异，而且还能制备出其他成型技术不能制备的异形产品，其应用越来越广泛。

可以预料，等静压技术在特种材料制备领域，将会得到更广泛的使用，等静压设备也将会在自动化方向取得更大的发展。