粉末压制过程中的摩擦与润滑

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1、粉末压制过程中的摩擦与润滑摘要：粉末成形过程中的摩擦行为是一个十分复杂的问题，受粉末和 模具材料性能、粉末形状大小、模具表面状况、粉末与模具间相对运 动速度、润滑剂特性、粉末和模具温度等许多因素的影响.摩擦造成 了制品密度低、分布不均匀、模具磨损，影响了制品的性能、尺寸精 度及其应用范围。特别是复杂形状、厚度尺寸较大的粉末冶金制品， 摩擦的存在极易造成制品的失效。摩擦行为的复杂性使得对其进行准确的测定和表达比较困难，加之这方面的研究不多，造成了进一步研究 的困难.综述近几年国外对粉末成形过程摩擦现象的研究进展。关键字:金属粉末；压制；摩擦模型；润滑一、粉末成形简介 1、粉末成型：通过外力，把粉

2、末或其聚集体制作成具有一定尺寸、 形状和强度的坯体或制品。2、成型目的：获得要求形状和尺寸，质地均匀，尽可能的致密，有 一定强度的坯体。通常又与最佳均匀化，致密化等联系在一起模压成 形是最基本方法。3、压制成型原理：机械压力连续地或多次地通过压头传递到在模型 中的粉末体上，在高压下粉末体致密化而形成具有一定形状、尺寸和 强度的坯体。4、压制机理：a. 颗粒重排：在低压时，颗粒发生重新排列而填充气孔产生紧密堆积b. 在较高压力下，引起颗粒的破碎，并通过碎粒的填充而致密。在压力一定时，致密化能力决定于压制粉料颗粒的性质（包括团聚体） （主要是物料颗粒的硬度）。C.塑性变形：在高压下，通过塑性形变填

3、充空间，这时颗粒间的点接 触变成面接触。二、粉末压制过程2.1成形前原料准备2.1.1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2。22.1.2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混合方法：机械法（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

4、、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。2.13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。2.1.4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。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

5、隙的造孔剂。如石蜡、合成橡胶、樟脑、塑料及硬脂酸盐等4 2.1.5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：将润滑剂磨成细粉、 润滑剂的量取决与坯块形状、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。

6、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5。2.2压制过程金属粉末的行为221金属粉末压制现象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 壁的压力一一侧压力，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

7、降低，压力分布的不均匀使坯块各个部分密度分布不均匀闪。6图3-2压膜示意图1阴模；2上模冲；3下模冲；4粉末2.2.2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，粉末颗粒彼此填 充孔隙，重新排列位置，增加接触。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。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。223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。P = P式中摩擦摩擦系数

8、。侧外摩擦力（摩擦压力损失）：HP 二 Pe -4-d 必式中P，模底受到的力;P压制压力;H坯块高度；D 坯块直径7。密度单向压制示意图摩擦压力损失与坯块尺寸的关系:密度变化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，单向压制只压制比较薄的坯块。即H或者 H 1 H 1压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，各层的厚度 和形状均发生了变化，由图可知在任何垂直面上，上层密度比下层密 度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小; 而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小

9、閃。8因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压 模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的 压力降。为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比。2.3粉末压制成形中的摩擦与润滑采用润滑剂的目的是使压制成形时压力分布均匀，并且在压制后 容易脱模。润滑剂可混合在粉末内或涂在模壁上。压制成形中存在有 几种不同类型的摩擦，它们都受到润滑剂的影响。应认真选择润滑剂 的种类及其添加数量。粉末里混入润滑剂，会影响粉末的流动及其松 装密度，同

10、时也影响粉末混合。粉末体中的摩擦受粉末材质种类、粉 末粒度、粉末形状以及周围介质（如气体气氛）和温度的影响。润滑剂 在烧结的最初阶段被烧除9。2.4粉末压制成形中出几种摩擦a. 活动模冲与模壁的摩擦b. 粉末颗粒之间的摩擦c. 粉末颗粒与模壁间的摩擦d. 粉末变形时颗粒内部的内摩擦e. 脱模时压柸与模壁间的摩擦2.5粉末压制成形时影响压力损失酌因素a. 粉末颗粒材料与模壁材料间的摩擦系数b. 金属粉末颗粒数目，此数值是粉末粒度，粉末形状和粉末总量的函 数c. 模具材料的表面光洁度d. 金届粉末颗粒的表面状态e. 所采用的压制压力2.6金属粉末制成形中摩擦损失的测定2.6.1润滑荆目的：确保粉末

11、颗粒间以及粉末与成形模具之间的润滑作用含量：为总重量的0. 21%,效果：改善粉末的压制性，减少脱模压力，消除坯中的物理缺陷（开 裂，密度不均匀等），减少工具磨损，消除模具内的擦伤；应用：粒状粉末，掺有帖结荆的骚末2.6.2粘结剂目的：改善粉末颗粒间的粘附，含量：1 6%（可包括添加的润滑剂），效果：增加压坯内的粘附力，消除压坯内的物理缺陷，应用：多孔压坯（成形压力妖），球形粉末，硬而无塑性的粉末或极细 位度扮末（110Fa米），其它应用：细粉末的制粒，模压或挤压增塑 荆（粘结剂含量520%）2.6.3混合方法细粉添加：干混（润滑剂），液体添加：在室温或高温下混合（含量较高的情况下），溶于溶液

12、（水或 有机溶剂）的添加剂，将溶剂蒸发后，粘结剂或润滑荆即混入残余物 对烧结零件的影响残余物碳：影响物理、机械和化学性能，氧化物：影响操作性能（机械加工性能以及保持尺寸的性能）在炉子冷却区冷凝的残余物e-4备种牌鬻剋的性傩-剂种1严I1! PE：Am vr1Li Zn2F! Zn3ZtU i j 1熔点(VC)U595340no!116115114乎均也度 （櫃朱）875:11187365054沆动阻力（秒/讯克）29#337.01J J3Z.5亿I30.53取丘松装密度St732*412*452#7J2#672#622,62生坯密度 匚克/腔米叮6#34B.446,37&. 45筑制右怎5,

13、4fi生坯强度1.51LO1.1覩盛力腔斤f闸米T15J55 |275 列5175 :1175血135盛具廝拥率宜更聚旳o工如辟）0.3J0.511111.2l.s 2.0!2,5-3.7黑中t StT胆股亦1 一藹积縫阳駿锌*亦盂 亦决尬d雾牝哽脂感锌+口一乳釈硯犯靈锂*AW-Bt胺KJ阿丸雪頼 即合曲脂肪酸血）jPE楽乙烯 * 铁粉塞号S1+1.0理越開的涓肝朝怡！即如啦取盼 是郸辎抉的一荊里号* 禅音注* 在4.2吨/厘垠上猜/英寸T压力T成旅$ 旅弯强戾试验试棒mMpi金屈粉宋学会）栩谁Ng吗帰匚压林密度t 緘5鷲畑米XJKE尺寸机址趴拱考丈献I G* Bockstiegel 3LiJ

14、 O. Svcq.oq Mockrtt Decclofrmeiitv jn Powder Metallurgy, New York, 1971, Vq1#4 化班三、粉末颗粒的受力分析3.1粉末颗粒的受力分析粉末压坯是由大量颗粒构成的非连续体，其受力变形过程非常复杂。目前已有一些定性描述，女口Seelig和Wulff在1946年认为，压制成 形过程中，粉末颗粒在模具中的受力行为可以分为相互重叠的三个阶 段101）粉末颗粒的重堆积或重排列（位移或滑动）；2）弹性和塑性变形；3）断裂或破碎。图6-1 金属粉末压制融传递负裁的闢足装圧1 一压机扌2上棋叭發一阴隔4下耦冲甲5 做巫油缸| 杆一刻度盘指示器图G-2 以祗压力和高卍九压制时，系数K与粉末压坯密度的关系 系SfcKnFrJ, Ft转逸负建L 尸” 一施加億载）t一低压制压力T 豐一區巫個出也有学者将其分为粉末颗粒的重堆积、塑性变形和粉体的整体变 形等三个阶段。通常在压制过程中，与上模冲接触部分的粉末密度首 先增大，然后是半成品与模壁之间的摩擦增大。在压制初期，粉末颗 粒之间由于紧密化重排而导致摩擦增大；在压制后