第4章-粉末的成形幻灯片.ppt

1,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2,粉末成形方法,3,粉末的预处理 普通模压法成形 压制理论 特殊成形方法,本章主要内容,4,4.1 粉末的预处理,预处理包括：退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂等 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,5,,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6,4、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 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,7,8,4.2 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9,模压原理,10,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11,4.2.1 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12,4.2.2 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13,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,14,4.2.3 压制过程,压制过程可分为四个阶段： 粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧； 粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形； 粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态； 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15,1、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；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16,17,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,18,2、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19,,20,21,3、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,22,4、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，有利于提高压坯密度； d.降低压制速度，提高压坯密度23,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,24,5、金属粉末的硬度与压制压力的关系,25,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 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。

6、粉末纯度的影响,26,7、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,27,8、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、石蜡等润滑剂加入量对压坯性能的影响,28,4.2.4 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29,30,复杂零件的压制,31,1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4.3 粉末冶金零件结构的工艺性,32,2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹33,3避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块34,4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35,4.4 压制成形模具,一、零件分类,36,37,38,39,二、模具与压制方式分类,40,41,42,43,4.5 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，称为压制曲线。

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44,压制曲线一般可以分为三个区域： 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” 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 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45,46,（二）压制曲线的函数表示法 粉末压制曲线均可用下式表示： 将上式两边取对数，可得 lnlnp作图可得出常数a、b 式中，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47,（三）压制曲线影响因素 实测的压制曲线受以下因素影响： 压坯高径比H/D ：H/D越大，使曲线向下偏移一般取H/D=0.51 粉末粒度：粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上 粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低 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 粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低48,压制压力与密度间的定量数学关系 （一）基本定义 密度（density）： =质量/体积（g/cm3） 比容 v =1/ （cm3/g） 相对密度： m 固体理论密度,,4.6 压制理论,49, 孔隙度（porosity） Vm 致密固体体积 相对容比（相对体积或相对容积）,, 孔隙度系数（孔隙相对容比）,,,50,（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 该式称为巴尔申方程。

式中，l 为压制因素， ，k为材料硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为=1时的压制压力，称为最大极限压力51,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52,（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： 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53,（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：,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；m 为固体理论密度，0为未加压时粉末体密度，为压强p时压坯的密度。

54,55,（五）几种理论的适用范围 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 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） 川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程 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56,4.7 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57,4.7.1 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 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58,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,59,一、冷等静压,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、难熔金属及其他各种粉末材料的成形60,61,62,63,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,64,65,66,67,68,二、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 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69,70,热等静压工艺过程,粉末原料或预烧坯装套（钢套或玻璃套）抽气密封热等静压缸通气加压加热升温保温保压卸压降温开缸取样机加工成品 热等静压温度比一般烧结温度低，约为金属熔点的一半。

热等静压的密度可达到或接近理论密度71,72,4.7.2 金属粉末轧制,将金属粉末喂入一对转动的轧辊中，由于摩擦力的作用，粉末被轧辊连续压缩成形的方法 主要生产板带状粉末冶金材料一般包括粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等 粉末轧制的特点：能生产特殊结构和性能的材料，成材率高，工序少，设备投资小，生产成本低 坯料经预烧结、烧结，又经轧制加工以及热处理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板带材73,图6-3-9 粉末轧制工艺示意图 1粉末 2轧辊 3轧坯 4烧结 5精轧 6退火 7成品,74,75,一、粉末轧制的基本原理, 松散粉末需依次经过三个区域才能。