粉末冶金特种成型
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第5章 粉末冶金特种成形技术
5.1概述
• 粉末的制备、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基 本环节。传统的粉末冶金成形通常是将需要成形的粉 末装入钢模内，在压力机上通过冲头单向或双向施压 而使其致密和成形，压机能力和压模的设计成为限制 压件尺寸及形状的重要因素。由于粉末与模壁的摩擦 而使压力降低，使成形密度不均匀，限制了大型坯件 的生产。所以，传统的粉末冶金零件尺寸较小，单重 较轻，形状也简单。随着粉末冶金产品对现代科学技 术发展的影响日益增加，对粉末冶金材料性能以及产 品尺寸和形状提出了更高的要求，传统的钢模压成形 难以适应需要。为了解决上述问题，很多学者广泛地 研究了各种非模压成形方法，相对于传统的模压成形， 将后者称之为粉末冶金特种成形技术。
• (3)装料和密封抽气 料袋内粉末装入的均匀程度直接影响压块的 质量。因此，模袋应放置在电磁振动台上装料，通过振动器的振 动使粉末摇实均匀地分布。通常，第一次装满料后，振动30秒以 后就可边振边装，直至装满为止。
• (4)压制和脱模 密封(抽空)装料模袋要套上多孔金属管，放置在等 静压机的高压容器内，把容器上端的活塞和压紧螺帽装好，旋松 放气孔的螺钉，旋紧回油阀门(卸压阀)，开动压力泵把液体介质 压入容器直至充满并从放气孔冒出为止；随即旋紧放气孔的螺钉， 开动高压泵使压力直升到所需要的成形压力为止。
• (2)粉末料的准备 粉末料的工艺性能如流动性、松装密度、摇实 密度、粒度分布等都直接影响压制过程和压坯的质量。其中以粉 末料的流动性影响最大，因为流动性好的粉末料装填入模袋内能 均匀地填充；在压力的作用下粉末被均匀压缩，压制品的尺寸形 状易控制，密度均匀。树枝状多角形或不规则形的粉末通过压制 容易得到强度较高的压块。粉末料的适当湿度有助于压块获得较 高的密度；但湿度过大(超过4%)时又因压制过程中难以从模袋内 排除空气，容易造成压块括：模具材料的选择及模具的制作；粉 末料的准备以及将粉料装入模袋；密封、压制和脱模。
• (1)模具材料的选择及模具的制作 不同的粉末体在等静压制成形 时需要不同的压力。金属粉末的等静压制成形压力范围为220~440 MPa，陶瓷及碳化物的成形压力范围为70~220MPa。显然，压制金 属粉末需要的模具材料应比压制陶瓷粉末需要的模具材料要求更 高。因此，等静压制模具材料必须满足下列要求：应有一定的强 度和弹性，装粉时能保持原来的几何形状；应具有较高的抗磨耗 性能，且易于加工；不与压力介质发生物理化学作用；材料不易 粘附在压坯上，使用寿命长，价格便宜。
• 粉末冶金成形技术一直处于不断发展演化过程中，从传统的单向 压制到双向压制，再到等静压成形，从冷等静压成形到热等静压 成形，还出现了准等静压成形（包括陶粒压制、STAMP工艺、快 速全向压制等）、温压成形、流动温压成形、高压温压成形、喷 射成形、挤压成形、粉浆浇注成形、粉末轧制成形、粉末锻造成 形、金属粉末注射成形、粉末电磁成形等特种成形技术。有些技 术既是粉末成形过程，也是烧结过程，如粉末热等静压成形、放 电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结等。
5.2.1 冷等静压制(CIP)
• 5.2.1.1 冷等静压制成形技术的发展及工艺过程
• 金属粉末的冷等静压制技术（Cold Isostatic Pressing）由West inghouse Lamp Company公司的Madden于1913年发明[2]，当时是 用来制备钨、钼丝的坯体，至今该技术还用于难熔金属工业。用 于半自动化生产陶瓷部件的干袋式冷等静压制技术由Champion Sp ark Plug公司的Jeffrey于1942年发明[3]。第二次世界大战中，C IP技术扩展到压制炸药、陶瓷、铍及其它防护材料；二战后，制 造出容量更大、承受压力能力更高的容器用来压制金属、陶瓷的 粉末材料。1970年，压力腔直径为610mm、长为2450mm，压力达到 551MPa的压机用于铍粉末的压制。目前，很大一部分金属粉末及 部件的生产都把冷等静压成形为生产工艺的主要步骤，包括钨、 钼、铍、钽、碳化钨/钴合金、P/M高速钢、P/M复合材料等。压制 压力可从200MPa到400MPa变化，特殊的达到760MPa，弹性体包套 内的粉末体从理论密度的55~65%通过CIP可压制到理论密度的75~8 5%。冷等静压制可作为热等静压制的预致密化步骤，烧结后还可 锻造、挤压、轧制、冲压及热等静压等。
• 目前，现代粉末冶金成形技术正朝着高致密化、高性能化、高生 产效率、低成本方向发展。不同的特种成形方法具有不同的特点， 应从坯件的性能、形状和尺寸三方面适应制品的特殊需要。本章 将对它们的原理、特点、工艺及应用等进行论述。其中粉末喷射 成形、注射成形分别在第4章与第8章中讨论，而放电等离子烧结、 爆炸烧结、选择性激光烧结技术在“粉末冶金特种烧结技术”中 讨论。
• 冷等静压力机主要由高压容器和流体加压泵组成。辅助设备有流 体储罐、压力表、输送流体的高压管道和高压阀门等。物料装入 弹性模套中，然后将其放入高压容器内。压力泵将过滤后的流体 注入压力容器内使弹性模套受压。当施加压力达到了所要求的数 值之后，启开回流阀使流体返回储罐内备用。等静压力机按照工 作室尺寸、压力及轴向受力状态可分成三种基本类型，即拉杆式、 螺纹式及框架式；按粉料装模及其受压形式又可分为湿袋模具压 制和干袋模具压制。
5.2 等静压成形(IP)
• 等静压成形（Isostatic Pressing）是借助于高 压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高 压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接 作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时 间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布 均匀和强度较高的压坯。世界上最早的等静压 机于1939年在瑞典研制成功。等静压成形的显 著优点是能压制形状复杂的压件，且密度分布 均匀、强度高，其压制压力较钢模压制法低。 通常，等静压成形按其特性分成冷等静压和热 等静压，前者常用水或油作压力介质，故有液 静压、水静压或油水静压之称；后者常用气体 (如氩气)作压力介质，故有气体热等静压之称。
5.1概述
• 粉末的制备、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基 本环节。传统的粉末冶金成形通常是将需要成形的粉 末装入钢模内，在压力机上通过冲头单向或双向施压 而使其致密和成形，压机能力和压模的设计成为限制 压件尺寸及形状的重要因素。由于粉末与模壁的摩擦 而使压力降低，使成形密度不均匀，限制了大型坯件 的生产。所以，传统的粉末冶金零件尺寸较小，单重 较轻，形状也简单。随着粉末冶金产品对现代科学技 术发展的影响日益增加，对粉末冶金材料性能以及产 品尺寸和形状提出了更高的要求，传统的钢模压成形 难以适应需要。为了解决上述问题，很多学者广泛地 研究了各种非模压成形方法，相对于传统的模压成形， 将后者称之为粉末冶金特种成形技术。
• (3)装料和密封抽气 料袋内粉末装入的均匀程度直接影响压块的 质量。因此，模袋应放置在电磁振动台上装料，通过振动器的振 动使粉末摇实均匀地分布。通常，第一次装满料后，振动30秒以 后就可边振边装，直至装满为止。
• (4)压制和脱模 密封(抽空)装料模袋要套上多孔金属管，放置在等 静压机的高压容器内，把容器上端的活塞和压紧螺帽装好，旋松 放气孔的螺钉，旋紧回油阀门(卸压阀)，开动压力泵把液体介质 压入容器直至充满并从放气孔冒出为止；随即旋紧放气孔的螺钉， 开动高压泵使压力直升到所需要的成形压力为止。
• (2)粉末料的准备 粉末料的工艺性能如流动性、松装密度、摇实 密度、粒度分布等都直接影响压制过程和压坯的质量。其中以粉 末料的流动性影响最大，因为流动性好的粉末料装填入模袋内能 均匀地填充；在压力的作用下粉末被均匀压缩，压制品的尺寸形 状易控制，密度均匀。树枝状多角形或不规则形的粉末通过压制 容易得到强度较高的压块。粉末料的适当湿度有助于压块获得较 高的密度；但湿度过大(超过4%)时又因压制过程中难以从模袋内 排除空气，容易造成压块括：模具材料的选择及模具的制作；粉 末料的准备以及将粉料装入模袋；密封、压制和脱模。
• (1)模具材料的选择及模具的制作 不同的粉末体在等静压制成形 时需要不同的压力。金属粉末的等静压制成形压力范围为220~440 MPa，陶瓷及碳化物的成形压力范围为70~220MPa。显然，压制金 属粉末需要的模具材料应比压制陶瓷粉末需要的模具材料要求更 高。因此，等静压制模具材料必须满足下列要求：应有一定的强 度和弹性，装粉时能保持原来的几何形状；应具有较高的抗磨耗 性能，且易于加工；不与压力介质发生物理化学作用；材料不易 粘附在压坯上，使用寿命长，价格便宜。
• 粉末冶金成形技术一直处于不断发展演化过程中，从传统的单向 压制到双向压制，再到等静压成形，从冷等静压成形到热等静压 成形，还出现了准等静压成形（包括陶粒压制、STAMP工艺、快 速全向压制等）、温压成形、流动温压成形、高压温压成形、喷 射成形、挤压成形、粉浆浇注成形、粉末轧制成形、粉末锻造成 形、金属粉末注射成形、粉末电磁成形等特种成形技术。有些技 术既是粉末成形过程，也是烧结过程，如粉末热等静压成形、放 电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结等。
5.2.1 冷等静压制(CIP)
• 5.2.1.1 冷等静压制成形技术的发展及工艺过程
• 金属粉末的冷等静压制技术（Cold Isostatic Pressing）由West inghouse Lamp Company公司的Madden于1913年发明[2]，当时是 用来制备钨、钼丝的坯体，至今该技术还用于难熔金属工业。用 于半自动化生产陶瓷部件的干袋式冷等静压制技术由Champion Sp ark Plug公司的Jeffrey于1942年发明[3]。第二次世界大战中，C IP技术扩展到压制炸药、陶瓷、铍及其它防护材料；二战后，制 造出容量更大、承受压力能力更高的容器用来压制金属、陶瓷的 粉末材料。1970年，压力腔直径为610mm、长为2450mm，压力达到 551MPa的压机用于铍粉末的压制。目前，很大一部分金属粉末及 部件的生产都把冷等静压成形为生产工艺的主要步骤，包括钨、 钼、铍、钽、碳化钨/钴合金、P/M高速钢、P/M复合材料等。压制 压力可从200MPa到400MPa变化，特殊的达到760MPa，弹性体包套 内的粉末体从理论密度的55~65%通过CIP可压制到理论密度的75~8 5%。冷等静压制可作为热等静压制的预致密化步骤，烧结后还可 锻造、挤压、轧制、冲压及热等静压等。
• 目前，现代粉末冶金成形技术正朝着高致密化、高性能化、高生 产效率、低成本方向发展。不同的特种成形方法具有不同的特点， 应从坯件的性能、形状和尺寸三方面适应制品的特殊需要。本章 将对它们的原理、特点、工艺及应用等进行论述。其中粉末喷射 成形、注射成形分别在第4章与第8章中讨论，而放电等离子烧结、 爆炸烧结、选择性激光烧结技术在“粉末冶金特种烧结技术”中 讨论。
• 冷等静压力机主要由高压容器和流体加压泵组成。辅助设备有流 体储罐、压力表、输送流体的高压管道和高压阀门等。物料装入 弹性模套中，然后将其放入高压容器内。压力泵将过滤后的流体 注入压力容器内使弹性模套受压。当施加压力达到了所要求的数 值之后，启开回流阀使流体返回储罐内备用。等静压力机按照工 作室尺寸、压力及轴向受力状态可分成三种基本类型，即拉杆式、 螺纹式及框架式；按粉料装模及其受压形式又可分为湿袋模具压 制和干袋模具压制。
5.2 等静压成形(IP)
• 等静压成形（Isostatic Pressing）是借助于高 压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高 压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接 作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时 间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布 均匀和强度较高的压坯。世界上最早的等静压 机于1939年在瑞典研制成功。等静压成形的显 著优点是能压制形状复杂的压件，且密度分布 均匀、强度高，其压制压力较钢模压制法低。 通常，等静压成形按其特性分成冷等静压和热 等静压，前者常用水或油作压力介质，故有液 静压、水静压或油水静压之称；后者常用气体 (如氩气)作压力介质，故有气体热等静压之称。