粉末冶金原理第三部分 粉末成形技术

2 研究对象
材料设计的概念
工程应用(服役情况)→性能要求→材料 性能(经济性)设计→微观结构设计→材 质类型、加工工艺设计
研究粉末类型、加工工艺参数与材料 微观结构及部件几何性能间的关系
研究粉末冶金加工过程中 的相关工程科学问题 即研究粉末成形与烧结过 程中的工程科学问题
第一部分

4） 制粒 pelletizing or granulating 细小颗粒或硬质粉末 为了成形添加成形剂 改善流动性添加粘结剂 进行自动压制或压制形状较复杂的大 型P/M制品 粉末结块 原理 借助于聚合物的粘结作用将若干细小 颗粒形成团粒
减小团粒间的摩擦力 大幅度降低颗粒运动时的摩 擦面积 制粒方法 擦筛制粒 旋转盘制粒 挤压制粒 喷雾干燥
非模压成形 冷、热等静压，注射成形，粉 末挤压， 粉末轧制，粉浆浇注，无模成 型，喷射成 形，爆炸成形等
第一章 粉末压制 Powder Pressing or Compaction
§1 压制前粉末料准备 1) 还原退火 reducing and annealing 作用: 降低氧碳含量，提高纯度 消除加工硬化，改善粉末压制 性能（前者亦然）
2.2 弹性后效 Springback 反致密化现象 压坯脱出模腔后尺寸胀大 的现象 残留内应力释放的结果 弹性后效与残留应力相关 压制压力 粉末颗粒的弹性模量

粉末粒度组成（同一密度） 颗粒形状 颗粒表面氧化膜 粉末混合物的成份 石墨含量
3 压坯强度 Green strength
2.2 大程度应变的处理 自然应变 ε =∫LLodL/L=ln(L/Lo) 若压坯的受压面积固定不变， 则 ε =-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)] =ln{[(ρ mρ o)ρ ]/[(ρ m-ρ )ρ o]}
2.3巴尔申方程
基本假设 将粉末体视为弹性体 不考虑粉末的加工硬化 忽略模壁摩擦 任意一点的变形与压力 间的变化率 dζ /dε =k ζ =P/A ε -对应于压缩量； A颗粒间有效接触面积
颗粒形状 粒度及其组成 颗粒表面粗糙度 颗粒比重（含致密程度） 颗粒表面粘附作用（颗粒的 磁性、陶瓷颗粒的静电、液 膜存在）
颗粒滑动与转动阻力的影响因素 颗粒形状 粒度组成 表面粗糙度 颗粒间润滑状态

塑性变形阻力的影响因素 颗粒的显微硬度 合金化 酸不溶物 氧化物 颗粒本质 原子间作用力 加工硬化速度（晶体结构） 颗粒形状 粉末粒度 压制速度
课程名称：
粉末冶金原理(二)
授课专业：粉体材料科学与工程
1 本课程的任务和意义
粉末冶金材料加工的两个 基本过程 金属粉末 小部分直接应用 隐形涂料 Fe,Ni粉末 食品医药 超细铁粉
涂料 汽车用Al粉, 变压器用超细铜粉 自发热材料(取暖和野外食品自热) 超 细Fe粉 固体火箭发动机燃料 超细Al, Mg粉 等 金刚石合成粉末触媒 Fe-Ni合金粉末 电子焊料(solder) Cu合金粉末 焊料 细铁粉 ……
②流动性差的粉末 细粉或轻 质粉末 粘结剂作用 适当增大粉末粒度，减小颗粒 间的摩擦力 改善粉末流动性,提高压制性能 橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS 、 PEG、PVA等

选择准则 能赋予待成形坯体以足够的强度 易于排除 成形剂及其分解产物不与粉末发 生反应 分解温度范围较宽 分解产物不污染环境
绝大多数作为应用于工程结构 中部件的制造原料 粉末冶金制品 加工成块体材料或部件 需经过成形和烧结操作
轿车部件
电动工具与汽车部件
齿轮保持架(Ford)
汽车发动机用粉末烧结钢零件
汽车变速器系统用粉末烧结钢件
P/F连杆
不锈钢注射成形件
成形和烧结过程 控制粉末冶金材料及其部件的微观结构 主宰着粉末材料及其部件的应用
表征压坯抵抗破坏的能力，即颗 粒间的粘结强度 影响因素 本征因素 颗粒间的结合强度（机械啮合 mechanical interlocking）和接 触面积

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
硬脂酸锌及成形剂添加与否 高模量组份的含量
线弹-塑性体-Maxwell体（M体）： H体与N体串联 ζ T=ζ 1+ζ 2 ε T=ε 1+ε 2 线弹性体-Kelvin体（K体）：H 体与N体并联 ε T=ε 1=ε 2 ζ =M(ε +η 2dε /dt) η 2应 变驰预时间
标准线性固体（SLS体） M体与H体并联 ζ T=ζ 1+ζ 2 ε T=ε 1+ε 2 ζ +η 1dζ /dt=M(ε +η 2dε /dt)

润滑剂 ↓粉末颗粒与模壁间的摩擦 压坯密度分布不均匀 影响被压制工件的表面质量 降低模具的使用寿命

粉末压制用的润滑剂 硬脂酸 硬脂酸锌 工业润滑蜡 (二硫化钼、石墨粉、硫磺粉 也可起润滑作用)

粉末内润滑 润滑剂直接加入粉末中 铁基粉末 润滑剂含量提高0.1% 坯件的无孔隙密度下降 0.05g/cm3 模壁润滑 静电喷涂 溶液涂敷
§3 压坯密度与压制压力间的关系
1 压制过程力的分析 P施加在模腔中的粉末体 →粉末向周围膨胀 →侧压力Fn(Pn) 粉末与模壁之间出现相对 运动 →摩擦力Ff( Pf) 下冲头的压力Pb
Ph =ν /(1-ν ) P =ξ P Pf =μ Pn =μ ξ P Pb =P- Pf 压力损失 △P=P- Pb
粉末钝化 使细粉末适度变粗，或形成氧化 薄膜，防止粉末自燃 退火温度 高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6） Tm 退火气氛 还原性气氛（CO,H2），惰性气 氛，真空
2) 合批与混合 blending and mixing 混合 将不同成分的粉末混合均匀的过程 合批 同类粉末或粉末混合物的混合 消除因粉末在运输过程中产生的偏析或 在粉末生产过程中不同批号粉末之间的 性能差异 获得性能均匀的粉末料
压坯密度或压制压力 粉末原料 显微硬度、颗粒形状、粒 度及其组成、润滑剂含量 粉末颗粒与模壁之间的摩 擦系数 模具材料的硬度 零件的侧面积
2 密度与压力间的关系—压制方程
压坯密度ρ 是外压的函数 ρ =k.f(P) 2.1常用力学模型 理想弹性体-虎克体（H体） ζ =Mε 理想流体-牛顿体（N体） ζ =η dε /dt
无偏聚（segregation-free）粉末 binder-treated mixture 消除元素粉末组元（特别是轻重组元） 间的偏析 粉末混合与输运过程

3) 成形剂和润滑剂 成形剂 场合 ①硬质粉末：如硬质合金,陶瓷等 粉末变形抗力很高 难以通过压制所产生的变形而赋予 粉末坯体足够的强度 添加成形剂的方法以提高生坯强度， 利于成形
混合方式 干混法：铁基及其它粉末冶金零 件的生产 湿磨法：硬质合金或含易氧化组 份合金的生产 WC与Co粉之间除产生一般的混 合均匀效果 发生显著的细化效果 一般采用工业酒精作为研磨介质

湿磨的主要优点 有利于环境保护 无粉尘飞扬和减轻噪音 提高破碎效率，有利于粉 末颗粒的细化 保护粉末不氧化
标准非线性固体（SNLS体） (ζ +η 1dζ /dt)n = M(ε +η 2dε /dt) n<1 η 1、η 2分别为应力、应变驰豫时 间 恒应力ζ o作用并充分保压 （dp/dt=0），经数学变换得 ζ on =Mε 或ζ o=(Mε )1/n

2.4黄培云压制理论
采用标准非线性固体模型 ε =ζ on /M lgln[ρ (ρ m-ρ o)/(ρ m-ρ )ρ o] =nlgP-lgM 最初形式 n=硬化指数的倒数 M=压制模量 对原模型进行修正，并采用模型
积分、变换并取对数后得 lgPmax-lgP=L(β -1) L=压制因子 β =压坯的 相对体积 适应性 硬质粉末或中等硬度粉末 在中压范围内压坯密度的 定量描述
在高压与低压情形下出现偏差 的原因 低压 粉末颗粒以位移方式填充孔隙 空间为主 粉末体的实际压缩模量高于计 算值（即理论值），产生偏高 现象 高压 粉末产生加工硬化现象和摩擦 力的贡献大，导致实际值低于 计算值

§2 压制现象 1 颗粒的位移与变形 1.1 粉末颗粒位移 位移方式：滑动与转动 颗粒重排列 Particle rearrangement or repacking(restacking)

影响因素 粉末颗粒间内摩擦 表面粗糙度 润滑条件 颗粒的显微硬度 颗粒形状 颗粒间可用于相互填充的空 间（孔隙度） 加压速度
颗粒间接触面积 即颗粒间的邻接度 contiguity 颗粒的显微硬度 粒度组成 颗粒间的相互填充程度 压制压力 颗粒形状
外在因素：残余应力大小 压坯密度分布的均匀性 粉末的填充均匀性 粉末压坯的弹性后效 模具设计的合理性 过高的压制压力 表征方法 抗弯强度或转鼓试验的压 坯重量损失


2 致密化现象 2.1 致密化 压力作用下 松散状态→拱桥效应的破坏（位移→颗 粒重排）+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩 →致密化 拱桥效应 bridge effect 颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形 成拱桥孔洞的现象 影响因素 与粉末松装密度、流动性存在一定联系

1.2 粉末的变形 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≥金属的屈服强度 点接触处局部→面接触处局部→ 整体 断裂

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
在距上冲为X处的有效外压Px Px=Poexp(-4ξ μ X/D) D为模腔内径 模壁作用在粉末体上的侧压力 和摩擦力也呈现相似的分布

2 脱模压力（ejection force） 静脱模力（striping force） 滑动脱模力(sliding force) 与坯件的弹性模量，残留应变 量即弹性后效 及其与模壁之间的摩擦系数直 接相关

混合均匀程度和效率取决于 粉末颗粒的尺寸及其组成 颗粒形状 待处理粉末组元间比重差异 混合设备的类型 混合工艺

装料量 球料比 转速 研磨体的尺寸及其搭配 对于给定的粉末和混合设备， 最佳混合工艺一般采用实验械法混合 化学法混合 混合较前者更为均匀,可以实现原子 级混合 W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺 W粉+Ni(NO3)2溶液→混合→热解还 原（700-750℃） →W-Ni包覆粉 + CuCl2溶液→混合 →热解还原（400-450℃） →W-Cu-Ni包覆粉末
粉末成形
powder shaping or forming
具体部件具有一定的几何形状和尺寸 利用外力或粘结剂联结松散状态粉 末体中的颗粒，将粉末体转变成具有 足够强度的几何体的过程 粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或 范德华力 分类： 刚性模（rigid die）压制形 普通模压、温压与模压流动成形