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1、第二章 粉末压制成形原理 Principles of Powder Compaction（Pressing）,程继贵 jgcheng63 材料科学与工程学院,School of Materials Science and Engineering,本章内容 2.1 概述 2.2 压制过程中力的分析 2.3 压制压力与压坯密度的关系 2.4 粉末压坯密度的分布 2.5 粉末压坯的强度 2.6 影响压制过程的因素,School of Materials Science and Engineering,Making Powder-Metallurgy Parts,School of Materials
2、 Science and Engineering,一、基本概念 成形（Forming）的定义： 将粉末密实（densify）成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的坯体（green compacts）的工艺过程。,第一节 概述,Consolidation,School of Materials Science and Engineering, 成形的重要性 1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。 2）比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。 a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。 b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。 c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。
3、,School of Materials Science and Engineering, 成形方法的一般分类,冷法,石膏模,常压冷法注浆 加压冷法注浆 抽真空冷法注浆,等静压成形 isostatic（hydrostatic） pressing,粉末压制成形（钢模压制）compacting，briquetting，pressing 普通成形,注浆成形法,热法（热压注法）：钢模,粉末连续成形,粉末轧制 粉末挤压（可塑成形） 喷射成形,热成形及高能率成形 成形烧结同时进行,特殊成形,School of Materials Science and Engineering, 按成形过程中有无压力： 有
4、压（压力）成形、无压成形 按成形过程中粉末的温度： 冷压（常温）成形、温压成形、热成形 按成形过程的连续性： 间歇成形、粉末连续成形 按成形料的干湿程度： 干粉压制、可塑成形、浆料成形, 成形方法的其他分类,School of Materials Science and Engineering,模压成形是最重要、应用最广的成形方法！ 本章有关成形原理的讨论以模压成形为基础！,School of Materials Science and Engineering,Loose powder is compacted and densified into a shape, known as gree
5、n compact Most compacting is done with mechanical presses and rigid tools Hydraulic and pneumatic presses are also used,模压成形是将金属粉末或粉末混合料装入钢制压模（阴模）中，通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内脱出，完成成形过程。,模压成形的主要功用是： 将粉末成形成所要求的形状； 赋予压坯以精确的几何尺寸； 赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型； 赋予压坯以适当的强度以便于搬运。,School of Materials Science and Engineering,模压
6、成形PM产品实例电动工具零件,School of Materials Science and Engineering,模压成形PM产品实例汽车发动机用粉末烧结钢零件,School of Materials Science and Engineering,模压成形PM产品实例汽车变速箱粉末烧结钢零件,School of Materials Science and Engineering,二、金属粉末压制过程中发生的现象,图12-4 粉末压制示意图 1 阴模 Die 2上模冲 Top（upper） punch 3下模冲 Bottom（lower）punch 4 粉末 Powder,School o
7、f Materials Science and Engineering,钢模 压制 粉末 的 基本 过程,School of Materials Science and Engineering,粉末压制过程中发生的现象,1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于粉末体的相对密度。 压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50% 2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，其反作用力侧压力产生。 但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！,School of Materials Science and Engineering,3. 随粉
8、末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。 Q: 压坯强度是如何形成的？（后述） 4. 由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部位密度存在不均匀。 压坯密度不均匀对压坯乃至产品性能有十分重要的影响。 5. 卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀产生弹性后效 弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。,School of Materials Science and Engineering,三、 粉末体在压制过程中的变形,（一） 粉末体受压力后的变形特点（与致密材料受力变形比较） 1. 致密材料受力变形遵从质量不变和体积不变，粉末体压制变形仅服从质量不变。 粉末体变形较致密材料复杂。 2.致密材
9、料受力变形时，仅通过固体质点本身变形，粉末体变形包括粉末颗粒的变形，还包括颗粒之间孔隙形态的改变，即颗粒发生位移。 ！粉末体的变形是广义变形：颗粒位移 + 颗粒变形,School of Materials Science and Engineering,3. 致密材料变形时，各微观区域的变形规律与宏观变形规律基本一致，粉末体变形时，各颗粒的变形基本独立，不同颗粒变形程度可能存在较大差异。 4. 粉末体受力变形时，局部区域的实际应力远高于粉末体受到的表观应力（表观压制压力）。 局部区域的高应力可能超过粉末颗粒的强度极限。 5. 粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力增大而增大，两者间存在一
10、定的定量关系。,School of Materials Science and Engineering,（二） 粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因） 1. 粉末体的多孔性 粉末体中的孔隙包括： 拱桥效应现象（图）：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔 拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。 实例：Fe 理论密度 7.8 g/cm3 ，松装密度一般为2-3g/cm3； W 理论密度 19.3 g/cm3 ，中颗粒W粉松装密度3-4g/cm3 ， 细颗粒W粉松装密度3g/cm3。 ？估算其孔隙率。,School of Materials Scien
11、ce and Engineering,School of Materials Science and Engineering,粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排,School of Materials Science and Engineering,2. 粉末颗粒良好的弹塑性 制粉过程中，粉末一般都经过专门处理 还原、退火 消除加工硬化、表面杂质等 3. 粉末体较高的比表面积 主要作为烧结动力，对压制也有影响。 实例：几种商品粉末的比表面积（cm2/g）： 还原Fe粉（79%-325目）：5160 还原Fe粉（1%-325目）： 516 电解Fe粉（-200目）：400 羰基Fe粉（7m）
12、：3460 还原W粉（0.6m）：5000,School of Materials Science and Engineering,（三） 粉末体在压制过程中的（位移）变形规律 1. 较低压力下首先发生位移，位移形式多样,School of Materials Science and Engineering,影响压制时粉末位移的因素 颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙） 粉末颗粒间摩擦 颗粒表面粗糙度 润滑条件 颗粒的显微硬度 颗粒形状 加压速度,School of Materials Science and Engineering,2. 粉末颗粒的变形 弹性变形 颗粒所受实际应力超过其弹性极限
13、，发生弹性变形。 塑性变形 颗粒所受实际应力超过其屈服极限，发生塑性变形。 脆性断裂 颗粒所受实际应力超过其强度极限，发生脆性断裂。 粉末的位移和变形，促使了压坯密度和强度的增高,School of Materials Science and Engineering,3. 实际粉末位移变形的复杂性 粉末的位移和变形与粉末本身性能有关； 不同粉末位移、变形规律不同 粉末受力后，首先发生颗粒位移，位移方式多种多样； 粉末颗粒位移至一定程度，发生颗粒变形，变形方式多样； 位移和变形不能截然分开，有重叠； 位移总是伴随着变形而发生 粉末变形必然产生加工硬化 模压成形不能得到完全致密压坯,School
14、of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,第二节 压制过程中力的分析,单向压制各种力的示意图,一、正压力、净压力、压力损失 ( 压制压力的分配） 正压力: p，P（单位压制压力、总压力） 净压力（有效压力）：p，P1 压力损失：p，P2克服内外摩擦力， P = P1 + P2 p = p-p，,School of Materials Science and Engineering,Blended powders are pressed into shapes in dies.
15、 Pressure distribution:,School of Materials Science and Engineering,园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均匀）， 假定： 阴模不发生变形 不考虑粉末体的塑性变形,二、模压成形时的侧压力 定义：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯 的侧面压力称为侧压力 （一）侧压力与压制压力的关系,School of Materials Science and Engineering,推导,图1-2 压坯受力示意图,School of Materials Science and Engineering,p侧 单位侧压力（MPa）
16、；p 单位压制压力（MPa）； = /（1- ）侧压系数；泊桑比,（二）侧压系数 定义： = /（1- ）= p侧 /p ：单位侧压力与单位正压力之比 影响因素 泊桑比材料本性（下表） 压制压力（压坯密度）,School of Materials Science and Engineering,表 不同材料的泊桑比和侧压系数,School of Materials Science and Engineering,注意几个问题： 公式计算的侧压力是平均值，沿高度不同位置侧压力不等 粉末体非流体， p侧总小于p 研究侧压力具有重要意义 估算摩擦力、压力损失 模具设计的需要 解释压制过程中的一些现象,School of Materials Science and Engineering,三、外摩擦力、压力损失 （一）外摩擦力 定义：粉末颗粒与阴
