第4章-粉末的成形

（三）压制曲线影响因素
实测的压制曲线受以下因素影响： ①压坯高径比H/D ：H/D越大，使曲线向下偏移。一 般取H/D=0.5～1 。 ②粉末粒度：粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之 偏上。 ③粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低。 ④粉末加工硬化：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火 软化粉末，则偏高。 ⑤粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。
V压m 11 Vm d
⑤ 孔隙度系数（孔隙相对容比）
V 孔 V 压 V m 1 1 1 1 d
V m V m
d d d1
（二）巴尔申压制理论
在忽略加工硬化情况下，虎克定律也可用于塑性变形，对粉末 压制过程应用虎克定律，最终可得出
ln Pln P m alx ( 1 )
密度； d.降低压制速度，提高压坯密度。
图6-3-7 坯件密度与模压压力、模压速度及粉末特性间的关系 1—低硬度粉末、粗粉、低模压速度 2—高硬度粉末、细粉、高模压速度
5、金属粉末的硬度与压制压力的关系
粉末种类 松装密 硬度 压坯达到60％ 压坯达到80％
度
HBW 相对密度所需 相对密度所需
/(g/cm3)
• 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， 称为等静压制，简称等静压。
• 等静压可分为冷等静压和热等静压两种。
图6-3-8 等静压制原理图 1—排气阀 2—压紧螺母 3—盖顶 4—密封圈 5—高压容器
6—橡皮塞 7—模套 8—压制料 9—压力介质入口
一、冷等静压
• 加压介质一般用氩气。
• 常用的包套材料为金属，还可用玻璃和陶瓷。
• 由于温度和等静压力的同时作用，可使许多难以成形的 材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀， 各向同性和具有优异的性能。
• 热等静压法适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末 高速钢和金属铍等；也可对熔铸制品进行二次处理，消 除气孔和微裂纹。
图3-2 不同球磨时间的Ti-Al复合粉的硬 化指数曲线
（五）几种理论的适用范围
① 黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用；并且， 与粉末实际压制过程较符合。
② 巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好，尤其在压制开 始阶段效果较好，但没普遍意义（未考虑加工硬化、摩擦及 固体的滞弹性）。
③川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程。 ④ 所有方程在导出过程中都没有考虑压坯的形状尺寸、模 壁摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。
各种粉末材料的成形。
冷等静压工艺过程
• 混合粉（不需加成形剂或润滑剂）→ 装袋→抽气封口→加低压→放气→加 高压→保压→卸压→开盖取样→毛坯 机加工→烧结
二、热等静压
• 将金属粉末装入高温下易于变形的包套内，然后置于密 闭的缸体中，用压缩机打入气体并通电加热。随着温度 升高，缸内气体压力增大。粉末在各向均匀的压力和温 度的作用下成为具有一定形状的制品。
• 通常是将粉末密封在软包套内，然后放到高压容 器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末 体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。
• 液体介质可以是油、水或甘油。 • 包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。 • 金属粉末可直接装套或模压后装套。 • 由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度
较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。 • 其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。 • 冷等静压已广泛用于硬质合金、难熔金属及其他
1、退火
• 还原氧化物 • 消除加工硬化 • 钝化金属，防止自燃 • 消除杂质，提高纯度
2、筛分
把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够 按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。
3、制粒
将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来 改善粉末的流动性。
4、混合
将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。 有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合， 称为合批。
大家好
第四章 粉末的成形
• 粉末成形是粉末冶金的第二个阶段。它是将松散 的粉末制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的 坯块这样一个工艺过程。
• 粉末经过成形工序得到具有既定形状与强度的粉 末体，叫做压坯。
• 粉末成形有多种方法，除了普通的模压法，其他 都归为特殊成形方法。模压成形是最基本方法。
粉末成形方法
图3-1 Ti-Al复合粉的相对密度与球磨时间及 压强的关系
（二）压制曲线的函数表示法
粉末压制曲线均可用下式表示：
bpa
将上式两边取对数，可得
ln ln baln p
lnρ～lnp作图可得出常数a、b 。
式中，ρ为压坯密度 （g/cm3）；p压制压 应力；a、b为与粉末 特性有关的常数，对 于一定粉末其为一定 值。
§4.6 压制理论
压制压力与密度间的定量数学关系。
（一）基本定义
① 密度（density）：
ρ=质量/体积（g/cm3）
比容
v =1/ρ （cm3/g）
② 相对密度：
d m
ρm — 固体理论密度
③ 孔隙度（porosity）
1dm mV V压 孔V压 V 压 Vm
Vm — 致密固体体积 ④ 相对容比（相对体积或相对容积）
压制过程可分为四个阶段： ①粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧； ②粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始
有变形； ③粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接
触状态； ④粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压
力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。
1、压坯密度不均匀及危害
a.垂直截面上，上层密度大于下层密度； b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；
该式称为巴尔申方程。式中，l 为压制因素， l 1/(hkk)，σk为材
料硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为β=1时的压制压 力，称为最大极限压力。
巴尔申压制方程的局限性: 此方程仅在某些情况下正确，没有普遍意义。 （1）把粉末作为理想弹性体处理。实际粉末是弹塑性体。 （2）假定粉末无加工硬化。实际粉末存在加工硬化，且粉末 越软、压制压力越高，加工硬化现象越严重。 （3）未考虑摩擦力的影响。 （4）未考虑压制时间影响。 （5）只考虑粉末的弹性性质，未考虑粉末的流动性质。 （6）公式推导中，未将“变形”与“应变”严格区分开。
远离上模冲断面上，中间大两侧小； c.压坯底部的边缘密度低。
导致制品性能不均匀； 烧结时收缩不均匀，产生内应力而变形或开裂。
单向与双向压制时压坯密度沿高度的分布 （a）单向压制 （b）双向压制
2、压坯密度不均匀的原因
• 造成压坯密度分布不均匀的原因是粉末颗粒 与模腔壁在压制过程中产生的摩擦。
• 摩擦力导致压力损失，使压力分布不均匀。
（三）川北公夫压制理论
川北在研究了一些药品粉末的压制曲线后，提出了下述
方程：
cV0 V abp V0 1bp
式中，c为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；V0为无 压时粉末体积，V为压制压强 p时压坯的体积；a、b为常数， 与粉末特性有关。
（四）黄培云压制理论
考虑了粉末的非线性弹滞性、以及在压制过程中颗粒经 受大幅度应变的事实。导出下述压制方程：
混合时，除基本原料粉末外，其它添加组元有以下 三类：
• 合金组元 • 游离组元 • 工艺性组元
§4.2 普通模压法成形
• 模压法成形是最广泛使用的粉末成形技术。 它是指在常温下将混合均匀的粉末按一定 的量装入封闭的模具中，再用压力机以一 定的单位压力压制成坯块的方法。
• 这种成形过程通常由以下工步组成：称粉、 装粉、压制、保压及脱模。
润滑剂加入量对压坯性能的影响
4.2.4 脱模
• 压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一 步。
• 压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而胀大， 这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效，可用回 弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。
• 回弹率的大小与模具尺寸计算有直接的关系。
复杂零件的压制
§4.3 粉末冶金零件结构的工艺性
而金属氧化物粉末多是硬而脆的，并主要 分布于金属粉末表面，这就使得压制时压 制阻力增加，压制性能变坏。
7、粉末粒度及粒度组成的影响
粉末粒度构成对压坯密度的影响
8、添加剂
在粉末成形中添加剂主要是指润滑剂和成形剂。 润滑剂是为降低摩擦而填加的物质，通常有硬脂酸、硬脂酸锌、 二硫化铜、石墨粉等。 成形剂是为改善粉末成形性而添加的物质，通常有合成橡胶、淀 粉、石蜡等。
4.2.2 压制方法
• 单向压制：凹模和下凸模不动，由上凸模 单向加压。
• 双向压制：凹模固定不动，上下凸模以大 小相等方向相反的压力同时加压。
• 浮动压制：下凸模固定不动，凹模用弹簧、 气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。
图6-3-6 三种基本压制方式 a）单向压制 b）双向压制 c）浮动压制
4.2.3 压制过程
1．尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大 以及窄槽、球面等，以利于制模和压实。
2．避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹。
3．避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块。
4．避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交 接处应采用圆角过渡，以利于压实及避免应力集中。
§4.4 压制成形模具
lgln m m 0 0nlgplgM
式中，M 为压制模量，其倒数为单位压制压强下，粉末体所发生的变形； n 为应变硬化指数的倒数，n=1,无硬化；ρm 为固体理论密度，ρ0为未加压时 粉末体密度，ρ为压强p时压坯的密度。
—t=0h —t=0.5h ▲—t=1h ▼—t=2h ◆—t=3h +―t=7.5h ×—t=10h *—t=21h
一、零件分类
二、模具与压制方式分类
§4.5 压制压力与压坯密度关系
（一）压制曲线
压坯密度与压力的关 系，称Biblioteka Baidu压制曲线。一定 成分和性能的粉末只有一 条压制曲线，压制曲线对 合理选择压制压应力具有 指导作用。
压制曲线一般可以分为三个区域： ①Ⅰ区密度随压力急速增加。 颗粒作相对滑动和转动，填入空隙，破 坏“拱桥” 。
压制力/MPa 压制力/MPa
铅（Pb） 3.98 35 245
618
锡（Sn） 3.50 50 515 铜（Cu） 3.51 49 2205 铁（Fe） 2.70 70 2009
1029 3724 4900
6、粉末纯度的影响
由于制粉的工艺不同，粉末的纯度也不相 同，粉末中都含有一定量的杂质。粉末中 的杂质多以金属氧化物的形式存在。
成形
无压成形
加压成形
松 装 烧 结
粉 浆 浇 注
模 压 成 形
热 压 成 形
等 静 压 成 形
轧 制 成 形
离 心 成 形
挤爆 压炸 成成 形形
本章主要内容
• 粉末的预处理 • 普通模压法成形 • 压制理论 • 特殊成形方法
§4.1 粉末的预处理
• 预处理包括：退火、筛分、混合、制粒、 加润滑剂等。
3、影响因素与措施
a.压坯高度与直径比 b.摩擦系数 c. 压制方式
减小坯件高度与直径比 使用润滑剂 采用双向压制或浮模压制工艺 增大压制压力或利用预压工艺
4、压坯密度与影响因素的关系
a.随压制压力的增高而增大； b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大； c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯
②Ⅱ区密度随压力增加较慢。 颗粒变形，加工硬化，密度随压力增加 减慢。实际压应力一般选在该区。
③Ⅲ区密度几乎不随压力增加而变化。 颗粒加工硬化严重，残存孔隙很难消除， 只有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。
—t=0h —t=0.5h ▲—t=1h ◆—t=2h ▼—t=3h +―t=7.5h ×―t=10h *―t=21h
§4.7 特殊成形方法
• 近些年以来，人们广泛地研究了各种非钢模 成形法。这些成形方法按其工作原理和特点 分为等静压成形、连续成形、无压成形、注 射成形、高能成形等，统称特殊成形。
4.7.1 等静压成形
• 这种方法是借助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。
模压原理
模压作用
（1）将粉末成形为所要求的形状。 （2）赋予坯体以精确的尺寸。 （3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型。 （4）赋予坯体以适当的密度与强度，以便
搬运。
4.2.1 称粉与装粉
• 称粉就是称量成形一个压坯所需的粉料的重 量或容量。
• 采用非自动压模和小批量生产时，多用重量 法；大量生产和自动化压制成形时，一般采 用容量法，且是用压模型腔来进行定量。