第三章压制成形

第三章压制成形 • 定义：将松散粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及强度、密度的坯快。模压成形等静压成形粉末轧制成形加压成形粉末挤压成形高速、高能成形方法注射成形温压成形粉浆浇注无压成形离心浇注

1. 成形前的原料准备 • 退火 • 目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质含量、提高纯度、消除 • 加工硬化、稳定粉末晶体结构。(T退=0.5~0.6T熔) • 气氛：还原性，惰性，真空 • 粉末混合 • 粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程。干混（适于铁基制品）机械法湿混（适于硬质合金）方法（将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物）化学法

（1）机械研磨法 (milling powder) • 任务： • 减少或增大粉末粒度、合金化、混料、改善转变材料性能。 • 主要适用合金与金属： • 锑、锰、铬、高碳铁、铁合金、海绵钛、电解沉积金属、冷却处理后铅、加热处理后锡、氢化处理后钛。

a. 研磨规律 • 球磨滚筒转动时，球和物料可能运动情况：临界转速转速达一定值，球体受离心力作用，紧贴筒壁不下落。磨体滑动慢转速、小载荷；无搅动。磨体滚动慢转速、大载荷；球体上升到斜面滚下，球、料有摩擦。n=0.6临界自由下落较高转速；球随筒壁上升至一定高度下落，产生冲击作用，效果最好。n=0.7~0.75n临界

b. 影响球磨因素 (六方面) 球磨筒转速（与临界转速相关, ）装球量（装填系数一般为0.4~0.5）装料量（料量/滚筒体积 =20%）球的大小（球径按选用）被研物料性质（脆性料易破碎）研磨介质（干磨、湿磨）

例1: 陶瓷氧化物粉料在球磨过程的细化 表1 试验用原石英粉粒度分布湿法球磨后细粉量明显增多表2 干、湿法球磨对石英粉粒度分布的影响(湿磨的粉液比为2:1) 2.2 2.2 4.55

采用球磨—— HC300喷雾干燥系统 制备硬质合金混合料过程图例2: 以碳化钨WC，复式碳化物和钴Co为主要原料，以酒精为研磨介质加入到球磨机中进行球磨, 呈混合料浆将料浆喷入干燥塔内，使其分散为单独的小液滴小液滴在塔内上升的过程中与温度达200 ℃逆流而下N2流相遇，其中的酒精迅速被挥发掉，小液滴变成一定粒度的混合料颗粒 HC300喷雾干燥系统料粒特性：料粒均匀且稳定，流动性好，质软易碎，压制性能好

1-2 1-3 c. 强化球磨俯视图弹簧

1-4 （2）机械合金化（mechanically alloyed powder） • 制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。重复冷焊、断裂的过程

1-5 举例：

1-6 1-6 CoSi化合物易于形成与其形成能较低有关：

(获NiO+ThO2粉) Ni+ThO2混合粉 (3) 氧化物弥散强化材料（ODS）的混制图3-1 Ni+ThO2混合粉制取

3-2 • 塑化和造粒 • 目的：粉末颗粒极细，需要进行塑化和造粒处理，改善流动性和成 • 形性。塑化（是指在陶瓷粉料中加入塑化剂使粉料具有可塑性的过程）造粒（是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程，常用来改善细粉的充填性）

筛分 • 目的：不同粒度大小原始粉分级。 • 成形剂（润滑剂）或造孔剂加入成形剂（改善成形性）加入目的造孔剂（烧结后成一定孔隙） 2. 金属粉末模压成形过程 • 它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压、保压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出的工艺过程。

3-3 加粉加压、保压、卸压脱模

（1）粉末的运动和变形 a．粉末的位移粉末体在受力后，粉末体内的“拱桥”遭到破坏，粉末颗粒重新排列位置，彼此填充孔隙，增加接触，粉末体的孔隙度大大降低。粉末颗粒的位移有五种情况。 b．粉末的变形弹性变形、塑性变形、脆性断裂（2）压坯强度压坯反抗外力作用，保持几何形状尺寸能力。（测试方法：抗弯强度、转鼓试验、压溃强度）颗粒之间机械咬合力（主要联结力）颗粒联结力颗粒表面原子间引力

P总 P阻 P总 F内 P侧 F外 P脱 3. 压制过程力的分析压制脱模

（1）粉末体在模压过程的受力 a．压制压力(P总) ：施加于上模冲使粉末体成形的力。使粉末体致密所需的净压力（P1）主要消耗有两部分力（P总=P1+P2）用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力（P2） b．侧压力(Ｐ侧) ：粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个等量、反向的作用力。 • 由于粉末颗粒之间和粉末体 / 模壁之间的摩擦等因素的影响，从而粉末对压模侧面的压力始终小于压制压力。如压制铁粉时，Ｐ侧与P总成正比例关系（Ｐ侧=0.38~0.41P总）。

P阻无益消耗压力压坯密度分布不均阻碍粉体在压制过程的运动 P脱 c．外摩擦力（P2）：粉末在压模中受压向下运动时，由于侧压力的存在，粉末与模壁之间产生摩擦力，其大小等于摩擦系数与侧压力的乘积。（P2=.P侧）因摩擦压力损失，模底受力：其中H为压坯高度， D为压坯直径。（外摩擦力三方面副作用） d．脱模压力（P脱）：压坯丛压模内卸出，所需的力。压制压力压坯密度粉料性质影响因素压坯尺寸模壁状况润滑条件压制铁粉，Ｐ脱=0.13 P; 压制硬质合金，Ｐ脱=0.3 P; 压制氧化镁，Ｐ脱=[PDH]m

（2）弹性后效 • 卸掉压力，把压坯丛压模中压出后，因弹性应力作用，压坯将发生弹性膨胀。表示方法：粉末种类及其特性压制压力加压速度影响因素压坯孔隙度压模材质及结构成形剂不良作用：是压坯分层、开裂主要原因。

4. 压坯密度 （1）压力与压坯密度之间的关系 I.施加压力后，颗粒位移、填充空隙、并达到最大充填密度，压坯密度迅速增加； II.压力继续增大，粉末体表现出一定的压缩阻力，在此阶段，密度并未提高；(塑性粉如铜、铅、锡，该阶段不明显) III.压力超过粉末材料的临界应力值时，粉末颗粒变形增大或出现断裂（如脆性粉末），由于位移和变形同时作用，压坯密度又随之缓慢增大。

（2）压制压力与压坯密度之间的定量关系 a. 巴尔申方程 lgP=lgPmax - L(-1) 其中Pmax-最紧密状态（=1）单位压力；L-粒度决定的压制因素；-相对体积适用：硬质粉末压制。 b. 川北公夫压制理论其中C-体积减少率，a、b-系数适用：压制压力不大时。 c. 黄培云压制理论方程其中dm-致密金属密度， d0-压坯原始密度， d-压坯密度，P-压制压强，M-相当于压制模数，m-相当于硬化指数适用：硬质、软质粉末压制；等静压法压制，模压法压制。

非线性K体与H体串联形成的“标准非线性固体”——SNLS体：非线性K体与H体串联形成的“标准非线性固体”——SNLS体：

用非线性K体模型，即： 举例：充分弛豫下的粉末恒压压型方程的导出：

（3）压坯密度的分布 模压压坯密度分布不均的主要原因：内、外摩擦力，引起压制压力不均匀分布。

压坯高度/直径比 模壁光洁度、润滑状况影响压坯密度分布因素压制方式利用摩擦力情况粉料性质改善模具结构，减少压坯高度/直径比改善模壁光洁度、润滑状况（减少密度不均有效措施）采用双向压制或多冲头压制，特殊制品采用等静压、挤压粉末进行还原退火粉中加成形剂

5. 成形剂 • （1）使用成形剂目的 • 减少内、外摩擦力。使用高光洁、高硬度模具减少摩擦方法粉中加入成形剂，模壁涂润滑剂（2）成形剂选择原则和种类不会改变混合料成分，在烧结时易去除，对人体无害；具有较好的分散性；选择原则对松装密度和流动性影响不大，软化点较高；对产品性能和外观无不良影响；成本低、来源广。铁基粉常用：硬脂酸、硬脂酸盐、硫磺、二硫化钼、石墨粉、机油等。种类硬质合金粉常用：合成橡胶、石蜡、聚乙烯醇、乙二脂、松香等。其它：淀粉、甘油、凡士林、樟脑、油酸等。

（3）成形剂用量和效果 降低粉本身流动性使压坯密度降低过量的不足之处降低压坯强度损害烧结体外观降低产品力学性能常规用量 • 硬质合金粉：1~2%橡胶或石蜡 • 铁粉：0.5~1.5%硬脂酸 • 20~50m细粉，1g混合料加3~5mg 成形剂；0.1~0.2mm粗粉，1g混合料加 • 1mg 成形剂。 • 制长套轴压坯，混合料加1%成形剂；制短套轴压坯，混合料加0.3~0.5% • 成形剂。

轻微严重特严重图 3-29 11 图 3-30 6. 压制废品分析 a. 分层引起原因：弹性后效

图 3-32 图3-31 1 图 3-33 图3-34 2 b. 裂纹脱模区域的弹性应力已释放，下端还处在在受压状态，会引发裂纹。主要原因：弹性后效支承力

c. 掉边、掉角 d. 压坯密度严重分布不均及其它废品 (装料不均、划伤、毛刺过大、同轴度超差)

影响压制过程压坯质量的因素 粉末力学性质(主要包括硬度、可塑性、摩擦性能) 粉末纯度粉末性能粉末粒度及粒度组成粉末颗粒形状粉末松装密度成形剂（减少粉末颗粒间摩擦、改善成形性）成形剂润滑剂（减少粉末与模壁间摩擦）压制方式（多向压制，压坯密度的均匀性提高）加压速度（缓慢加压，利于压坯中气体逸出）压制方式保压时间（保压时间延长，压坯密度提高、减少裂纹缺陷）振动压制（同样压坯密度，振动压制压力可减少）磁场下压制（改善制品磁性能）

第三章 压制成形