粉末冶金學(xué)第三章

1、粉末冶金學(xué)粉末冶金學(xué)劉和平劉和平材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院Email: 粉 末 冶 金 學(xué) 目 錄一、粉末的制取二、粉末的性能及其測定三、成形四、燒結(jié)五、粉末冶金材料和制品六、粉末冶金的安全知識粉 末 冶 金 學(xué)三、成形 粉末冶金成形是將松散的粉末體加工成具有一定尺寸、形狀，以及一定密度和強度的坯塊。粉末可以用普通模壓法或用特殊方法成形。3.1. 成形前原料準備3.1.1退火3.1.2混合3.1.3篩分3.1.4制粒3.1.5加潤滑劑粉 末 冶 金 學(xué)3.2. 金屬粉末壓制過程3.2.1金屬粉末壓制現(xiàn)象 壓模壓制是指松散的粉末在壓模內(nèi)經(jīng)受一定的壓制壓力后，成為具有一定尺寸、形狀和一定

2、密度、強度的壓坯。圖3-2是壓模示意圖。粉 末 冶 金 學(xué)3.2.2粉末顆粒變形與位移的幾種形式 （1）粉末的位移 可用圖3-3所示的兩顆粉末來近似地說明。粉 末 冶 金 學(xué)（2）粉末的變形 變形有三種情況，即彈性變形、塑性變形和脆性斷裂。粉末的變形圖3-4所示。粉 末 冶 金 學(xué)3.2.3金屬粉末的壓坯強度 壓坯強度是指壓坯反抗外力作用，保持其幾何形狀尺寸不變的能力。壓坯強度的測定方法主要用：壓坯抗彎強度試驗法，測定壓坯邊角穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)鼓試驗法以及測試破壞強度的方法。電解銅粉和還原鐵粉壓坯的抗彎強度與成形壓力的關(guān)系如圖3-5和圖3-6所示。粉 末 冶 金 學(xué)3.3. 壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系3

3、.3.1金屬粉末壓制時壓坯密度的變化規(guī)律 粉末體在壓模中受壓后發(fā)生位移和變形，隨著壓力的增加，壓坯的相對密度出現(xiàn)有規(guī)律的變化，通常將這種變化規(guī)律假設(shè)為如圖3-9所示的三個階段。粉 末 冶 金 學(xué)粉 末 冶 金 學(xué)3.3.2壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系 目前已經(jīng)提出的壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系式（包括理論公式和經(jīng)驗公式）有幾十種之多。公式雖多，但卻無理想的公式。這是由于多數(shù)理論都把粉末體作為彈性體來處理；并且未考慮到粉末在壓制過程中的加工硬化；有的未考慮到粉末之間的摩擦；而且多數(shù)理論都忽略了壓制時間的影響。這些都將影響到壓制理論的正確性和使用范圍。 以下是幾個有代表性的壓制理論： （1）巴爾申

4、壓制方程 巴爾申認為在壓制金屬粉末的情況下，壓力與變形之間的關(guān)系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素，經(jīng)數(shù)學(xué)處理后可以得到： 但此方程僅在一定的場合中才是正確。粉 末 冶 金 學(xué) （2）川北公夫壓制理論 日本的川北公夫研究了多種粉末（大部分是金屬氧化物）在壓制過程中的行為。采用鋼壓模，粉末裝入壓模后在壓機上逐步加壓，然后測定粉末體的體積變化，作出各種粉末的壓力-體積曲線，并得出有關(guān)經(jīng)驗公式： （3）黃培云壓制理論方程 黃培云對粉末壓制成形提出一種新的壓制理論公式： 比較上述各壓制方程可以看出：在多數(shù)情況下，黃培云的雙對數(shù)方程不論硬、軟粉末適用效果都比較好。巴爾申方程用于硬粉末比軟粉末效果好。川北

5、公夫方程則在壓制壓力不太大時較為優(yōu)越。粉 末 冶 金 學(xué)3.4. 壓制過程中力的分析3.4.1側(cè)壓力 粉末體在壓模內(nèi)受壓時，壓坯會向周圍膨脹，模壁就會給壓坯一個大小相等、方向相反的反作用力，這個力就叫側(cè)壓力。側(cè)壓力對壓坯過程和壓坯質(zhì)量具有重要意義。3.4.1.1側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系 為研究側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系，可取一個簡化的立方體壓坯在壓模中受力的情況來分析（如圖3-14所示）。粉 末 冶 金 學(xué)3.4.1.2側(cè)壓系數(shù)與壓坯密度的關(guān)系 研究得出，粉末體的側(cè)壓系數(shù) 和壓坯密度有如下關(guān)系： 側(cè)壓系數(shù) 隨側(cè)壓力的增加而增加。當(dāng)側(cè)壓力沿著壓坯高度逐漸減少時，側(cè)壓系數(shù)也隨之減少。圖3-15為壓制壓力

6、與側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系。粉 末 冶 金 學(xué)3.4.2外摩擦力3.4.2.1外摩擦力 粉末顆粒之間的摩擦叫內(nèi)摩擦力，粉末顆粒與模壁之間的摩擦叫外摩擦力。3.4.2.2摩擦壓力損失與壓坯尺寸的關(guān)系 假設(shè)壓坯是一個理想的正方體，而粉末顆粒也是一些小立方體，如圖3-16所示。當(dāng)壓坯之截面積與高度之比為一定值時，壓坯尺寸越大，消耗于克服外摩擦的壓力損失便相應(yīng)減少。由于總的壓制壓力是消耗于粉末顆粒的位移、變形，以及粉末顆粒的內(nèi)摩擦和摩擦壓力損失。所以對于大的壓坯來說，由于壓力損失相對減少，因而所需的總的壓制壓力和單位壓制壓力也會相應(yīng)地減少。表3-7是從壓坯比表面積的角度來說明上述規(guī)律的。粉 末 冶 金 學(xué)粉 末

7、 冶 金 學(xué) 由表可知，隨著壓坯尺寸的增加，壓坯的比表面積相對減小，即壓坯與模壁的相對接觸面積減小，因而消耗于外摩擦力的壓力損失便相應(yīng)減小，所以對于尺寸大的壓坯所加的單位壓制壓力比小壓坯所需的要相應(yīng)減少。粉 末 冶 金 學(xué)3.4.2.3摩擦力對壓制過程及壓坯質(zhì)量的影響 圖 3-17可知，在無潤滑劑情況下進行壓制時，外摩擦壓力損失可達6090，壓力損失是很大的。這就引起了壓坯密度沿高度分布的不均勻?？梢钥闯?，在壓制過程中，外摩擦力對壓制過程會有一系列的影響。 粉 末 冶 金 學(xué)3.4.3脫模壓力 把壓坯從陰模內(nèi)卸出所需要的壓力稱為脫模壓力。脫模壓力同樣受到一系列因素的影響，其中包括壓制壓力、壓坯

8、密度、粉末材料的性質(zhì)、壓坯尺寸、模壁的狀況，以及潤滑條件等等。 脫模壓力與壓制壓力的關(guān)系，取決于摩擦系數(shù)和泊松比。因此可知，脫模壓力與壓制壓力成線性關(guān)系 硬質(zhì)合金物料在大多數(shù)情況下的脫模壓力值約為壓制壓力的30% 在小壓力和中等壓力下壓制時，一般說來，壓制壓力小于或等于300400MPa時，脫模壓力一般不超過0.3P。粉 末 冶 金 學(xué)3.4.4彈性后效 在壓制過程中，當(dāng)卸掉壓制壓力并把壓坯從壓模中壓出后，由于彈性內(nèi)應(yīng)力的作用，壓坯將發(fā)生彈性膨脹，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。彈性后效通常以壓坯脹大的百分數(shù)表示： 不同粉末在軸向上的彈性后效或徑向上的彈性后效與壓制壓力的關(guān)系如圖3-18和圖3-19所示

9、。粉 末 冶 金 學(xué)粉 末 冶 金 學(xué) 影響彈性后效大小的因素很多，如粉末的種類及其粉末特性（如粒度和粒度組成、粉末顆粒形狀、粉末硬度等）、壓制壓力大小、加壓速度、壓坯孔隙度、壓模材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及成形劑等。圖3-20為不同方法制取的鐵粉和銅粉的彈性后效。粉 末 冶 金 學(xué)3.5. 壓制密度及其分布3.5.1壓坯密度分布規(guī)律 實踐證明，在單向壓制時，壓坯沿其高度方向上密度分布是不均勻的。任取一個圓柱形壓模，用錫箔紙作墊片（或用石墨粉作隔層），將同等質(zhì)量的粉末，分別裝入壓模中，然后進行單向壓制，即可得到如圖3-21所示的壓坯形狀。粉 末 冶 金 學(xué)3.5.2影響壓坯密度分布的因素 實驗證明，增加壓坯

10、的高度會使壓坯各部分的密度差增大，而加大直徑則會使密度的分布更加均勻。壓坯中密度分布的不均勻性，在很大程度上可以用雙向壓制來改善。在雙向壓制時，與上、下模沖接觸的兩端密度較低（圖3-24）。粉 末 冶 金 學(xué)3.5.3復(fù)雜形狀壓坯的壓制 在壓制橫截面不同的復(fù)雜形狀壓坯時，必須保證整個壓坯內(nèi)的密度相同。 而為了使橫截面不同的復(fù)雜形狀壓坯的密度均勻，需要設(shè)計不同動作的多模沖壓模，并且使它們的壓縮比相等。如圖3-28所示。粉 末 冶 金 學(xué)3.6. 成形劑3.6.1使用成形劑的目的 粉末體在壓制過程中，外摩擦力的存在會引起壓制壓力沿壓坯高度降低。減少摩擦的方法有兩種：一是使用高光潔度、高硬度的模具；

11、二是在粉末混合料中加入成形劑（或稱粘結(jié)劑）。 使用成形劑的目的有： a 促進顆粒變形，改善壓制過程，降低單位壓制力； b 提高壓坯強度，減少粉塵飛揚，改善勞動條件； c 提高壓坯密度的均勻性，改善壓坯表面質(zhì)量； d 可明顯提高壓模壽命等等。粉 末 冶 金 學(xué)3.6.2成形劑的選擇原則 選擇成形劑的原則有以下幾個方面： （1）成形劑的加入不會改變混合料的化學(xué)成分；成形劑在隨后的預(yù)燒或燒結(jié)過程中能全部排除，不殘留有害物質(zhì)；所放出的氣體對人體無害。 （2）成形劑應(yīng)具有很好的分散性能；具有較好的粘性和良好的潤滑性；并且易于和粉末料混合均勻。 （3）對混合后的粉末松裝密度和流動性影響不大；除特殊情況外其

12、軟化點應(yīng)當(dāng)高，以防止混合過程中的溫升而熔化。 （4）燒結(jié)后對產(chǎn)品性能和外觀等沒有不良影響。 （5）成本低，來源廣。 實踐中，不同的金屬粉末必須選用不同的物質(zhì)作成形劑。粉 末 冶 金 學(xué)3.6.3成形劑的用量及效果 成形劑的加入量與粉末種類、顆粒大小、壓制壓力以及摩擦表面有關(guān)，并與成形劑本身的性質(zhì)有關(guān)。一般說來，細顆粒粉末所需的成形劑加入量比粗粒度粉末的量要多一些。成形劑的加入隨壓坯形狀因素的不同而不同（圖3-30）。由圖可知，成形劑的加入量與形狀因素成正比。粉 末 冶 金 學(xué) 加入不同粒度的成形劑對粉末流動性、松裝密度和脫模壓力的影響如圖3-31和圖3-32所示。成形劑的加入量還影響壓坯密度和

13、脫模壓力（圖3-21）。圖3-22是成形劑對燒結(jié)體的抗彎強度的影響。粉 末 冶 金 學(xué)粉 末 冶 金 學(xué)粉 末 冶 金 學(xué) 從圖3-30 圖3-34可知，加入成形劑對壓坯質(zhì)量和燒結(jié)性能都有影響，因此應(yīng)從多方面綜合考慮正確地選擇和使用成形劑。 由上分析，也可不把成形劑加入混合料中而直接潤滑壓模。常用潤滑壓模地潤滑劑有：硬脂酸、硬脂酸鹽類、丙酮、苯、甘油、油酸、三氯乙烷等。圖3-35為不同潤滑方式對壓坯密度的影響。粉 末 冶 金 學(xué)3.7. 壓制廢品分析 壓制廢品的種類很多，主要有分層、裂紋、掉邊掉角、壓坯密度嚴重不均勻、毛刺過大、表面劃傷、同軸度超差等。 （1）分層 沿壓坯的棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋

14、，并且大約與受壓面呈45角的整齊界面（圖3-36）。 （2）裂紋 裂紋一般是不規(guī)則的，并且無整齊的界面。但裂紋同樣出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位（圖3-38）。 （3）掉邊掉角 （4）壓坯密度嚴重不均和其它廢品粉 末 冶 金 學(xué)3.8. 影響壓制過程和壓坯質(zhì)量的因素3.8.1粉末性能對壓制過程的影響3.8.1.1粉末的物理性能的影響 （1）金屬粉末的硬度和可塑性對壓制過程的影響很大。軟金屬粉末比硬金屬粉末易于壓制，所需的壓制壓力要小的多（表3-10）。（2）金屬粉末的摩擦性能對壓模的磨損影響很大。一般說來，壓制硬金屬粉末壓模的壽命短。 粉 末 冶 金 學(xué)3.8.1.2粉末純度的影響 粉末純度愈高，壓制愈

15、易進行。制造高密度零件時，粉末的化學(xué)成分對其成形性能影響較大。3.8.1.3粉末顆粒及粒度組成的影響 粉末的粒度及粒度組成不同時，在壓制過程中的行為就不一致。與顆粒形狀相同的粗粉末相比，細顆粒粉末的壓縮性較差，而成形性好。3.8.1.4粉末顆粒形狀的影響 粉末顆粒形狀對壓制過程和壓坯質(zhì)量的影響具體反映在其填充性能、壓制性等。粉末顆粒形狀對壓坯性能也有影響。3.8.1.5粉末松裝密度的影響 粉末松裝密度是設(shè)計模具尺寸時所必須考慮的重要因素松裝密度小時，模具的高度和模沖的長度必須增大。松裝密度大時，模具的高度及模沖的長度可以縮短。實踐中應(yīng)采用的松裝密度大小，需根據(jù)實際情況而定。粉 末 冶 金 學(xué)3

16、.8.2成形劑對壓制過程及壓坯質(zhì)量的影響 成形劑的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加壓坯強度等。3.8.3壓制方式對壓制過程及壓坯質(zhì)量的影響3.8.3.1加壓方式的影響 為了減少壓制過程中的壓坯密度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，可以采用雙向壓制及多向壓制（等靜壓制），或者改變壓模結(jié)構(gòu)等。特別是當(dāng)壓坯的高徑比較大時，采用單向壓制不能保證制品的密度要求。某些難熔金屬化合物（如碳化硼）的壓制，有時為了保證密度要求，還可采用換向壓制的方法。3.8.3.2加壓速度的影響 通常的壓制過程均是以靜壓（緩慢加壓）狀態(tài)進行的。粉末體受到高速沖擊負荷作用時，壓坯的致密化過程與靜壓時的情況是不同的。粉 末 冶 金 學(xué)3.8.3

17、.3加壓保持時間的影響 粉末在壓制過程中，如果在某一特定的壓力下保持一定的時間，往往可得到非常好的效果。這對于形狀復(fù)雜或體積較大的制品來說更為重要（如圖3-39所示）。 對于形狀簡單、體積小的制品通常不采取保壓。如需保壓，保壓時間可根據(jù)具體時間確定。粉 末 冶 金 學(xué)3.9. 特殊成形3.9.1等靜壓成形3.9.1.1等靜壓制的基本原理 等靜壓制是借助高壓泵的作用把液體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼體密封容器內(nèi)（如圖3-41），高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)粉末上，使粉末體在同一時間內(nèi)各個方法均勻受壓而獲得密度 分布均勻和強度較高的壓坯。 （A）壓力分布和摩擦力對 壓坯密度分布的影響

18、（B）壓制壓力與壓坯密度 的關(guān)系粉 末 冶 金 學(xué)3.9.1.2冷等靜壓制 冷等靜壓制主要工藝過程包括模具材料的選擇及模具的制作，粉末料的準備，以及將粉末料裝入模袋、密封、壓制和脫模。圖3-43為冷等靜壓工藝的流程圖。粉 末 冶 金 學(xué) （1）模具材料的選擇及制作 冷等靜壓制模具大多采用彈性物，例如天然橡膠和合成橡膠。這些彈性材料的性質(zhì)如表3-13所示。近年來又采用了塑料。熱塑性軟性樹脂是目前制作模具的主要材料。粉 末 冶 金 學(xué)（2）粉末料的準備（3）裝料、密封及抽氣 冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具壓制（圖3-44）和干袋模具壓制（圖3-45）兩種。（4）壓制和脫模粉 末 冶 金 學(xué)3.9.1.3軟模壓制 軟模成形是利用塑性的彈性好的特點，它能與液體介質(zhì)一樣均勻傳遞壓力，而且不收縮。用塑料作模具，圖3-46為軟模成形示意圖。軟模壓制可以不用復(fù)雜設(shè)備而制得密度均勻的異形制品。軟模材料通常選取聚氯乙稀塑料。粉 末 冶 金 學(xué)3.9.2三軸壓制 三軸壓制可以近似地認為就是雙軸壓制（模壓）和等靜壓制的結(jié)果。三軸壓制周壓軸壓。三軸壓制的效果，無論從壓坯密度還是從壓坯抗彎強度上看都是較好的。只要在很低的周壓條件下增大