粉末冶金学第三章

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1、第三章 成 形 Compacting,第三章成形,成形：指将松散粉末体加工成具有一定尺寸、形状及一定密度和强度的 坯块。将粉末装入模具后，施加外力即进行压制可得到要求的坯块。压 制过程中，因粉末颗粒形状不同，有滑动、移动，随着力的增加，颗粒 之间还会机械地啮合在一起，有时粉末表面相互磨损，将粉末表面的氧 化物或杂质膜破坏，出现清洁的粉末表面，黏附在一起，使坯块具有所 需的密度和强度。 a.普通模压法：将粉末装在模具内，用压机将其成形； b.特殊方法：等静压成形、连续成形、无压成形等。,第三章成形,1.成形前原料准备 （1）退火 将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通 常

2、是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。 金属粉末退火的目的： a.氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度； b.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构； c.防止超细粉末自燃，将其表面钝化。 加工产品退火的目的： a.降低硬度，改善切削加工性； b.消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； c.细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。,第三章成形,退火温度： 退火气氛： a.还原性气氛（氢、离解氨、转化天然气或煤气） b.惰性气氛 c.真空退火,第三章成形,（2）混合 a.混合：将两种或两种以上不同成分的粉末混合 b. 将相同成分而粒度不同的粉末混合（合批） 混合方法：机

3、械法（干混、湿混）和化学法 机械法：干混用于生产铁基制品；湿混用于生产硬质合金。混料设备有 球磨机、V型混合器、锥形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器等。湿混 介质要求不与物料发生化学反应，沸点低易挥发，无毒性，来源广，成本 低，常用酒精、汽油、丙酮等。 化学法：将金属或化合物粉末与添加的金属盐溶液均匀混合，或各组元 全部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 布的化合物。化学法用于制取钨-铜-镍高密度合金，铁-镍磁性材料，银- 钨触头合金等混合物原料等,第三章成形,（3）筛分 筛分指把不同粒度的粉末通过网筛或振动筛进行分级，使粉末能够按 照粒度分成粒度范围更小的级别。 （

4、4）制粒 制粒指将小颗粒粉末制成较大颗粒或团粒，目的是改善粉末的流动性。,图3-1制粒设备 1入料口；2 链轮；3 轮箍；4 滚筒；5 出料口；6 擦筛机；7 料筒； 8 电机；9 托轮；10 倾斜旋转圆盘；11 转轴；12 传动轴；13 机座,第三章成形,（5）加添加剂 添加剂指成形前在粉末混合料中添加改善成形过程的物质或造成一定孔隙的 造孔剂。如石蜡、合成橡胶、樟脑、塑料及硬脂酸盐等。 （5）润滑 a.模壁和模冲润滑 在刚性模具中压制时，在模壁和模冲上涂润滑剂，目的是使压制的坯 块与模具容易分离，但由于粉末体表面是粗造的，易刺穿涂在模壁上的 润滑膜产生摩擦，增加压制力，损坏模具。 对润滑剂

5、的要求：既要附着到金属表面上，还要不渗入到金属中。 润滑剂：硬脂酸、人造蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂,第三章成形,b.粉末润滑 粉末润滑指润滑剂与金属粉末混合，其优点是润滑剂不仅在模壁上，而 且也在粉末颗粒之间。 粉末润滑的条件： a.将润滑剂磨成细粉 b.润滑剂的量取决与坯块形状 c.润滑时间：2040min 模壁润滑已取得专利，技术上是可行的；粉末润滑被广泛应用。 润滑的优点：减少压制压力，改善坯块密度分布，提高坯块密度； 缺点：润滑剂在烧结过程中分解产生的气体从炉子的预热带逸出， 使烧结时的保护气氛流速加快，使炉子的管理变得复杂。,第三章成形,2.压制过程金属粉末的行为 （1）金属粉末压制现象

6、 压制指松散粉末在压模内经受一定的压力后，成为具有一定形状、尺 寸、密度和强度的坯块。 压制过程中，粉末颗粒间发生相对移动，粉末颗粒将填充孔隙，粉末 体体积减小，粉末颗粒迅速达到最紧密堆积。 粉末体在压模内受力后力图向各个方向流动，产生了垂直于压模壁的 压力侧压力，侧压力使压模内靠近模壁的外层粉末 与模壁之间产生摩擦力摩擦力使接近加压端面部分压力 最大，远离加压端面压力逐渐降低，压力分布的不均匀 使坯块各个部分密度分布不均匀。,图3-2压膜示意图 1阴模；2上模冲； 3下模冲；4粉末,第三章成形,（2）粉末颗粒变形的三个阶段 a.粉末的位移 当施加外力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒彼

7、此填充孔 隙，重新排列位置，增加接触。 拱桥效应：粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，原因是 实际粉料不是球形，加上表面粗糙以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互 相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应。,图3-3,第三章成形,图3-4粉末位移的形式 (a)粉末颗粒的接近；(b)粉末颗粒的分离； (c)粉末颗粒的滑动；(d)粉末颗粒的转动； (e)粉末颗粒因粉碎而产生的移动,第三章成形,b.粉末的变形 粉末体受压后体积明显减小，除第一阶段的位移外，又发生变形。变 形有弹性变形和塑性变形。 弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可 消失并能完全恢复

8、原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹 性变形。 塑性变形：物质-包括流体及固体在一定的条件下,在外力的作用下产生 形变,当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。 c.脆性断裂 当施加的压力超过强度极限后，粉末颗粒碎裂成更小的碎片，使粉末 接触更加紧密。,第三章成形,图3-5压制时粉末的变形 (a)点接触；(b)面接触；(c)扁平状,第三章成形,（3）坯块强度 坯块强度指坯块反抗外力作用，保持其几何形状尺寸不变的能力。压 制过程中，随着压力的增加，孔隙减少，坯块逐渐致密化，强度逐渐增大。 粉末颗粒之间的联结力： a. 粉末颗粒之间的机械啮合力。粉末表面凹凸不平，通过压

9、制，颗粒之 间由于位移和变形互相楔住和勾连，从而形成机械啮合。 b.粉末颗粒表面原子间的引力。粉末颗粒在压制后期，由于位移和变 形，粉末颗粒表面上的原子彼此接近，当进入引力范围值内时，粉末颗粒 因引力作用而发生联结。 这两种力的作用是坯块具有强度的原因，成形剂的加入使坯块具有足够的 强度。,第三章成形,图3-6电解铜粉坯块的抗弯强度 与成形压力的关系,图3-7还原铁粉坯块的抗弯强度 与成形压力的关系,第三章成形,图3-8电解铜粉的转鼓试验,图3-9电解铜粉的转鼓试验,转鼓试验是以测定坯块质量的质量损失率来表示坯块强度。 式中S质量损失率；A试样原始质量；B试样最终质量.,第三章成形,（4）金属

10、粉末压制时坯块密度的变化规律 a.粉末颗粒发生位移，填充孔隙，施加压力，密度增加很快； b.密度达到一定值后，粉末体出现一定压缩阻力，由于位移大大减少， 而变形尚未开始，压力增加，但密度增加很少； c.当压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，使坯块密度 继续增大。,图3-10坯块密度的变化规律,第三章成形,（5）压制压力与坯块相对密度的关系 相对密度指物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比， 无量纲量。坯块相对密度指坯块密度与同种固体金属密度之比。,图3-11坯块相对密度与压制压力的关系 1银粉；2涡旋铁粉；3铜粉； 4还原铁粉；5镍粉；6鉬粉,图3-12坯块相对密度与压制

11、压力的关系 1电解钍粉；2钙热还原钍粉；3还原锆粉； 4研磨铍粉；5氢化物离解铀粉； 6硼化钛粉；7铬粉,第三章成形,a.巴尔申(Balshin)压制方程： 式中Pmax相应于压至最紧密状态（=1）时的单位压力； L压制因素；坯块的相对体积。 巴尔申实验证明：随着压制压力的增加，压制因素增大，临界应力值 也发生变化。该公式应用范围小，只能在有限的压力范围内使用，不能 在高压下应用。 b.Heckel压制方程 式中P施加的压力； D坯块密度；K、B常数。 Heckel方程可用于不同金属、不同方法生产的粉末。,第三章成形,图3-13在低压制力下 和P的关系,第三章成形,c.日本川北公夫压制理论 经

12、验公式： 式中C粉末体积减少率； a、b系数； V0无压时的粉末体积； V压力为P时的粉末体积。,图3-14粉末体积减少率和压力之间的关系,第三章成形,（6）压制过程中力的分析 通常所说压制力均指平均压力，实际上同一断面内，靠近模壁和中间 部位、坯块上、中、下部位所受力均不相同。力包括正应力、侧压力、 摩擦力、弹性内应力、脱模压力等。 作用在粉末体上的力：P=P1+P2 P1静压力，使粉末产生位移、变形、克服粉末的内摩擦； _ P2 压力损失，克服粉末颗粒与模壁之间的外摩擦力。,第三章成形,a.侧压力 粉末体在模具内受压时，坯块向周围膨胀，模壁给坯块一个大小相等 、方向相反的反作用力，这个力就

13、是侧压力。 侧压力的存在，使粉末体在压制过程中相对于模壁运动时产生摩擦力。,图3-16双向压制示意图,图3-15坯块受力示意图,第三章成形,侧压力与压制压力的关系： 当坯块受到正压力P作用时，在x轴方向产生膨胀Lx1， y轴方向的侧压力也使坯块沿x轴方向膨胀Lx2， x轴方向的侧压力使坯块沿x轴方向压缩Lx3， 根据图3-9知，坯块在模具内不能向侧向膨胀，因此： Lx3 =Lx2 +Lx1 ，可得： 侧压系数；泊松比。 同理，沿y轴方向也可导出相同公式。侧压力公式未考虑塑性变形、粉末特性、模壁变形等，因此只是一个估算值。,第三章成形,侧压系数与坯块密度的关系： 式中达到理论密度时的侧压系数；坯

14、块相对密度。 从图可看出：坯块的不同高度上侧压力不同， 上层： 下层：,图3-17侧压力示意图,第三章成形,b.外摩擦力 摩擦力：粉末体在压制过程中，运动的粉末与模壁之间存在摩擦现 象，摩擦产生的力称为摩擦力。单向压制时，其方向与压制方向相反。 式中摩擦系数。 外摩擦力（摩擦压力损失）： 式中P模底受到的力; P压制压力; H坯块高度；D坯块直径。 如考虑弹性变形，则：,图3-18单向压制示意图,第三章成形,摩擦压力损失与坯块尺寸的关系： 单向压制只有一个活动模冲，通常是上模冲动，下模冲不动。坯块高 度越高，坯块上下密度差越大，原因是摩擦压力损失的存在。 为了减小坯块上下密度差，单向压制只压制

15、比较薄的坯块。即 或,图3-19密度变化,第三章成形,c.脱模压力 脱模压力指把坯块从模具内取出所需的压力。 压制铁粉： 压制硬质合金： 脱模压力与压制力的关系： 氧化镁脱模压力与压制力的关系： 式中P压制压力；D坯块直径；D坯块高度； C模具质量的特征系数；m常数。,第三章成形,d.弹性后效 加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的 现象。压制过程中，当卸掉压制力并把坯块从模具内取出后，由于弹性 内应力的作用，坯块发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。 式中沿坯块高度或直径的弹性后效； l0坯块卸压前的高度或直径； l坯块卸压后的高度或直径。,图3-20各种粉末的弹性后效,

16、第三章成形,（7）坯块密度及其分布 压制过程的主要目的是得到一定的坯块密度，并力求密度均匀分布，但实践证明，坯块密度分布不均匀是压制过程的主要特征之一。 液体在模具内经受流体静压力后，压力传递到模具的任何一个面，即液体力图向各个方向流动，而粉末在模具中压制时，主要是在施加力的方向上移动。,图3-21密度变化,第三章成形,图3-22一个和两个下模冲,第三章成形,图3-23密度变化,第三章成形,图3-24密度变化,第三章成形,图3-25镍粉坯块的密度分布,D 模=20mm H/D=0.87 P压=686MPa 从上向下单向压制,从图可看出，密度最大的地方 在顶部外圆周，最小的地方在 底部外圆周，在圆柱体表面附 近，密度从高到低逐渐降低。,第三章成形,(8)密度的测量方法 a.利用公式计算 式中A、Bconstant