第三章粉末压制成形原理ppt课件

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1、第三章第三章 粉末压制成形原理粉末压制成形原理Principles of Powder Compaction（Pressing）付健付健材料科学与工程学院材料科学与工程学院E-Mail: TEL：13965091840本章内容本章内容3.1 概述概述3.2 压制过程中力的分析压制过程中力的分析3.3 压制压力与压坯密度的关系压制压力与压坯密度的关系3.4 粉末压坯密度的分布粉末压坯密度的分布3.5 粉末压坯的强度粉末压坯的强度3.6 影响压制过程的因素影响压制过程的因素2Making Powder-Metallurgy Parts3School of Materials Science and

2、 Engineering一、基本概念一、基本概念 成形（成形（Forming）的定义：）的定义： 将粉末将粉末密实密实（densifydensify）成具有一定形状、尺）成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的坯体（寸、孔隙度和强度的坯体（green compacts）的工）的工艺过程。艺过程。第一节 概述ConsolidationSchool of Materials Science and Engineering4 成形的重要性成形的重要性 1 1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。 2 2）比其他工序更）比其他工序更限制限制和和

3、决定决定粉末冶金整个生产过程。粉末冶金整个生产过程。 a a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。 b b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。 c c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。）影响生产的自动化、生产率和生产成本。School of Materials Science and Engineering5 成形方法的一般分类成形方法的一般分类冷法冷法石膏模石膏模常压冷法注浆常压冷法注浆加压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆抽真空冷法注浆等静压成形等静压成形 isostatic（

4、hydrostatic） pressing粉末压制成形（钢模压制）粉末压制成形（钢模压制）compacting，briquetting，pressing 普通成形普通成形注浆成型法热法（热压注法）：钢模粉末连续成形粉末连续成形粉末轧制粉末轧制粉末挤压（可塑成形）粉末挤压（可塑成形）喷射成形喷射成形热成形及高能率成形热成形及高能率成形 成形烧结同时进行成形烧结同时进行特殊成形School of Materials Science and Engineering6 按成形过程中有无压力：按成形过程中有无压力： 有压（压力）成形、无压成形有压（压力）成形、无压成形 按成形过程中粉末的温度：按成形过程

5、中粉末的温度： 冷压（常温）成形、温压成形、热成形冷压（常温）成形、温压成形、热成形 按成形过程的连续性：按成形过程的连续性： 间歇成形、粉末连续成形间歇成形、粉末连续成形 按成形料的干湿程度：按成形料的干湿程度： 干粉压制、可塑成形、浆料成形干粉压制、可塑成形、浆料成形 成形方法的其他分类成形方法的其他分类School of Materials Science and Engineering7成形压模的基本结构成形压模的基本结构模压成形是最重要、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 Engineering8

6、Loose powder is compacted and densified into a shape, known as green compactMost compacting is done with mechanical presses and rigid tools Hydraulic and pneumatic presses are also usedHydraulic 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（

7、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。模内脱出，完成成形过程。9模压成形模压成形，pressing10 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 Engineering111213模压成形模压成形PMPM产品实例产品实例电动工具零件电动工具零件14School of Materials Science and Engineering模压成形模压成形PMPM产品实例产品实例汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车发

8、动机用粉末烧结钢零件15School of Materials Science and Engineering模压成形模压成形PM产品实例产品实例汽车变速箱粉末烧结钢零件汽车变速箱粉末烧结钢零件16School of Materials Science and Engineering17连杆连杆连杆连杆School of Materials Science and Engineering二、金属粉末压制过程中发生的现象School of Materials Science and Engineering18钢模压制粉末的基本过程粉末混合粉末混合料料称量、装模称量、装模压制压制卸压卸压脱模脱模粉

9、末压坯粉末压坯Powder mixWeighting，filling CompactingcompactsSchool of Materials Science and Engineering19粉末压制过程中发生的现象粉末压制过程中发生的现象1. 1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于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。粉末体的相对密度。 压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50%2. 2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程轴向压力（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

10、，向阴模模壁施加作用力，度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，其反作用力其反作用力侧压力侧压力产生。产生。 但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！School of Materials Science and Engineering203. 3. 随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。 压坯强度是如何形成的？压坯强度是如何形成的？4. 4. 由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部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。位密度存在不均匀。压坯密度不均匀对压坯乃至产

11、品性能有十分重要的影响。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. 5. 卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀产生弹性后效产生弹性后效 弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。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 Engineering21三、 粉末体在压制过程中的变形（一）（一） 粉末体受压力后的变形特点（与致密材料受力变形比粉末体受压力后的变形特点（与致密材料受力变形比较）较）1. 致密材料受力变形遵从质量不变和体积不变，粉末体压制致密材料受力变形遵从质量不变和体积不变，粉末体压制

12、变形仅服从质量不变。变形仅服从质量不变。 粉末体变形较致密材料复杂。粉末体变形较致密材料复杂。2.2.致密材料受力变形时，仅通过固体质点本身变形，粉末体致密材料受力变形时，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。变，即颗粒发生位移。 ！粉末体的变形是广义变形：颗粒位移粉末体的变形是广义变形：颗粒位移 + 颗粒变形颗粒变形School of Materials Science and Engineering223. 3. 致密材料变形时，各微观区域的变形规律与宏观变致密材料变形时，各微观

13、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。本独立，不同颗粒变形程度可能存在较大差异。4. 4. 粉末体受力变形时，局部区域的实际应力远高于粉粉末体受力变形时，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）。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。局部区域的高应力可能超过粉末颗粒的强度极限。5. 5. 粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力增大而增大，两者间存在一定的定量关系。增大而增

14、大，两者间存在一定的定量关系。School of Materials Science and Engineering23（二）（二） 粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因）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的多孔性 粉末体中的孔隙包括：粉末体中的孔隙包括： 拱桥效应现象（图）：拱桥效应现象（图）：粉末在松装堆集时，由于表面不规粉末在松装堆集时，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。拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。 一次孔隙（颗粒内部孔隙）一

15、次孔隙（颗粒内部孔隙）二次孔隙（颗粒之间孔隙）二次孔隙（颗粒之间孔隙）拱桥效应产生的孔隙拱桥效应产生的孔隙School of Materials Science and Engineering24School of Materials Science and Engineering25粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排26School of Materials Science and Engineering2. 2. 粉末颗粒良好的弹塑性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制粉过程中，粉末一般都经过专门处理 还原、退火还原、退火 消

16、除加工硬化、表面杂质等消除加工硬化、表面杂质等3. 3. 粉末体较高的比表面积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。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（实例：几种商品粉末的比表面积（cm2/g）：）： 还原还原Fe粉（粉（79%-325目）：目）：5160 还原还原Fe粉（粉（1%-325目）：目）： 516 电解电解Fe粉（粉（-200目）：目）：400 羰基羰基Fe粉（粉（7m）：）：3460 还原还原W粉（粉（0.6m）：）：5000 School of Materials Science and Engineering27（三）（三） 粉末

17、体在压制过程中的（位移）变形规律粉末体在压制过程中的（位移）变形规律较低压力下首先发生位移，位移形式多样较低压力下首先发生位移，位移形式多样 （a a） （b b） （c c） （d d） （e e） 压制时粉末位移的形式（a）颗粒接近；（b）颗粒分离；（c）颗粒相对滑动； （d）颗粒相对转动；（e）颗粒因粉碎产生移动School of Materials Science and Engineering28影响压制时粉末位移的因素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）颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙）粉末颗粒间摩擦粉末颗粒间摩擦颗粒表面粗糙度颗粒表面粗糙度润滑条件润滑条件颗

18、粒的显微硬度颗粒的显微硬度颗粒形状颗粒形状加压速度加压速度School of Materials Science and Engineering292. 粉末颗粒的变形粉末颗粒的变形 弹性变形弹性变形 颗粒所受实际应力超过其弹性极限，发生弹性变形。颗粒所受实际应力超过其弹性极限，发生弹性变形。 塑性变形塑性变形 颗粒所受实际应力超过其屈服极限，发生塑性变形。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。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粉末的位移和变形，促使了压坯密度和强

19、度的增高School of Materials Science and Engineering303. 实际粉末位移变形的复杂性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；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；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；位移和变形不能截然分开，有重叠； 位移总是伴随着变形而发生位移总是伴随着变形而发生

20、 粉末变形必然产生加工硬化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模压成形不能得到完全致密压坯 School of Materials Science and Engineering31 压制过程中粉末运动示意图a）松装粉末； b）拱桥破坏颗粒位移； c）、d）颗粒变形； e）压制成形后 a） b） c） d） e）School of Materials Science and Engineering32四、致密化现象4.1 4.1 致密化致密化压力作用压力作用下松散下松散状态状态拱桥效应的破坏（位移拱桥效应的破坏（位移颗粒重排）颗粒重排）+ +颗粒塑性变形颗粒塑性变形孔隙体积收缩

21、孔隙体积收缩致密化致密化影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：与与粉末松装密度、流动性存在一定联系粉末松装密度、流动性存在一定联系School of Materials Science and Engineering334.2 4.2 4.2 4.2 弹性后效弹性后效弹性后效弹性后效 SpringbackSpringbackSpringbackSpringback反致密化现象反致密化现象反致密化现象反致密化现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象残留内应力释放的结果残留内应力释放的结果残留内应力释放的结果残留内应力释

22、放的结果影响因素影响因素影响因素影响因素弹性后效与残留应力相关弹性后效与残留应力相关弹性后效与残留应力相关弹性后效与残留应力相关压制压力压制压力压制压力压制压力粉末颗粒的弹性模量粉末颗粒的弹性模量粉末颗粒的弹性模量粉末颗粒的弹性模量34第二节第二节 压制过程中力的分析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克服外摩擦力， P = P1 + P2 p = p-p，School of Materials Science and Engineering35园柱

23、型压模中取小立方体压坯为园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均匀），分析对象（径向受力均匀），假定：假定： 阴模不发生变形阴模不发生变形 不考虑粉末体的塑性变形不考虑粉末体的塑性变形xyzP压坯受力示意图压坯受力示意图二、模压成形时的侧压力二、模压成形时的侧压力 定义：定义：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯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的侧面压力称为侧压力（一）侧压力与压制压力的关系（一）侧压力与压制压力的关系School of Materials Science and Engineering推导36p侧侧 单位侧压力（单位侧压力（MPa

24、）；）；p 单位压制压力（单位压制压力（MPa）；）； = /（1- ）侧压系数；侧压系数；泊桑比泊桑比 （二）侧压系数（二）侧压系数 定义：定义：定义：定义： = /（1- ）= p侧侧 /p ：单位侧压力与单位正压力之比：单位侧压力与单位正压力之比 影响因素影响因素 泊松比泊松比材料本性（下表）材料本性（下表） 压制压力压制压力School of Materials Science and Engineering37材料材料WFeSnCuAuPb0.170.280.330.350.420.440.200.390.490.540.720.7938表 不同材料的泊桑比和侧压系数School o

25、f Materials Science and Engineering注意几个问题：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公式计算的侧压力是平均值，沿高度不同位置侧压力不等等 粉末体非流体，粉末体非流体， p侧侧总小于总小于p 研究侧压力具有重要意义研究侧压力具有重要意义 估算摩擦力、估算摩擦力、压力力损失失 模具设计的需要模具设计的需要 解释压制过程中的一些现象解释压制过程中的一些现象School of Materials Science and Engineering39三、外摩擦力、压力损失三、外摩擦力、压力损失（一）外摩擦力（一）外摩擦力 定义：定义：粉末颗粒

26、与阴模（芯棒）之间的摩擦力。粉末颗粒与阴模（芯棒）之间的摩擦力。 对比：内摩擦力对比：内摩擦力粉末颗粒之间的摩擦力粉末颗粒之间的摩擦力 外摩擦力外摩擦力与压制压力的关系与压制压力的关系式中，式中，f 摩摩 单位外摩擦力（单位外摩擦力（MPa）；）；粉末与模壁的摩擦系数。粉末与模壁的摩擦系数。School of Materials Science and Engineering40（二）压力损失 定义：用于克服外摩擦力而消耗的压制（正）压力。 与压制压力的关系（推导）式中，式中，p/ 模底受到的压力（模底受到的压力（N）；）；H为压坯高度（为压坯高度（mm）；）；D为压坯直径（为压坯直径（mm）

27、考虑到消耗在弹性变形上的应力，则：考虑到消耗在弹性变形上的应力，则： p1 考虑弹性变形后模底受到的压力考虑弹性变形后模底受到的压力 School of Materials Science and Engineering41 压力损失压力损失 P = P2 = P-P1 压力损失是造成压坯密度压力损失是造成压坯密度分布不均匀的根本原因；应分布不均匀的根本原因；应尽量减少；尽量减少； 特定情况下可以利用外摩特定情况下可以利用外摩 擦力擦力减少压力损失的措施：减少压力损失的措施：（1）添加润滑剂；）添加润滑剂；（2）提高模具光洁度和硬度；）提高模具光洁度和硬度；（3）改进成形方式如采用双面压制等。

28、）改进成形方式如采用双面压制等。 School of Materials Science and Engineering42 影响压力损失的因素 摩擦系数 侧压系数 压坯尺寸H/D 对压力损失（摩擦力）有明显影响H/D相同，D不同，达到相同的压坯密度，所需单位压制压力不同小直径压坯需较高的压制压力（图）School of Materials Science and Engineering43四、脱模压力四、脱模压力 定义：定义：压制压力卸除后，压制压力卸除后，使压坯由模中脱出所需的压力使压坯由模中脱出所需的压力 称为脱模压力称为脱模压力。 脱模压力与压制压力、粉末性能、压坯密度和尺寸、压模脱模

29、压力与压制压力、粉末性能、压坯密度和尺寸、压模和润滑剂等有关。和润滑剂等有关。 p脱脱 = p侧剩侧剩 （单位脱模压力）（单位脱模压力） P脱脱 = p侧剩侧剩S侧侧（总脱模压力）（总脱模压力） 铁粉的脱模压力与压制压力铁粉的脱模压力与压制压力P的关系如下：的关系如下： P脱脱0.13 P 硬质合金物料在大多数情况下：硬质合金物料在大多数情况下： P脱脱0.3 PSchool of Materials Science and Engineering44School of Materials Science and Engineering45五、弹性内应力与后效 （Springback） 弹性内

30、应力：粉末体受压后内部产生的变形抗力（阻力） 弹性后效：当压力去除，把压坯从压模中脱出，由于弹性内应力的松弛作用，粉末压坯会发生弹性膨胀，称为弹性后效。 计算： = L/L 0 x 100% =（ L-L0）/L0 x100%高度或直径方向弹性后效； Lo 、L 卸压前后压坯直径（高度）School of Materials Science and Engineering46School of Materials Science and Engineering47 影响弹性后效的因素粉末性能 粉末成形性差，难成形，需高的压制压力，增加弹性后效 雾化铁粉雾化铁粉 还原铁粉还原铁粉 电解铁粉电解铁

31、粉 细粉弹性后效高于粗粉：细粉 粗粉压制压力 P较低时，P增加， 增加； P较大时，P增加，减小； 一定范围内，P对影响不大（p202图2-25）School of Materials Science and Engineering48P（MPa）无润滑无润滑加凡士林加凡士林油酸苯溶液油酸苯溶液2501.15%1.10%0.25%4001.20%1.10%0.30%49润滑条件（Cu粉压制）School of Materials Science and Engineering 弹性后效各向异性弹性后效各向异性（径向弹性后效（径向弹性后效 轴向弹性后效）轴向弹性后效） 弹性后效是设计模具的重要参

32、数之一弹性后效是设计模具的重要参数之一 弹性后效是压坯产生变形、开裂的主要原因之一弹性后效是压坯产生变形、开裂的主要原因之一School of Materials Science and Engineering50一、压坯密度随压制压力的变化规律（定性描述）（一）理想的压制曲线第阶段：颗粒位移，填充孔隙 压力增加，密度快速增加 滑动阶段第阶段：压力续增加， 压坯密度增加不明显 平衡阶段第阶段：压力超过一定值， 压力升高，压坯密度继续增加 颗粒变形阶段第三节第三节 压制压力与压坯密度的关系压制压力与压坯密度的关系School of Materials Science and Engineerin

33、g51粗颗粒、软颗粒、粗颗粒、软颗粒、低成形速度低成形速度细颗粒、硬颗粒、细颗粒、硬颗粒、高成形速度高成形速度p（二）实际粉末的压制曲线1.基本规律（图）2. 实际粉末压制时，三个阶段相互重叠，不可截然分开： 位移阶段有变形， 变形阶段有位移3. 粉末性质不同，某一阶段的 特征可能不明显或特别突出。Q:实际压制压力如何选择？ School of Materials Science and Engineering52School of Materials Science and Engineering53（一）巴尔申方程（一）巴尔申方程 1.1.基本假设基本假设 1 1）将粉末体视为弹性体）将粉

34、末体视为弹性体 2 2）不考虑粉末的加工硬化）不考虑粉末的加工硬化 3 3）不考虑摩擦力的影响）不考虑摩擦力的影响 4 4）不考虑压制时间的影响）不考虑压制时间的影响 5 5）不考虑粉末流动性的影响）不考虑粉末流动性的影响二、压制方程压坯密度与压制压力关系的定量描述School of Materials Science and Engineering542. 2. 方程推导方程推导任意一点的变形与压力间的变化率： d/d=k=dP/A -对应于压缩量； A-颗粒间有效接触面积积分、变换并取对数后得: lgPmax-lg P = L(-1) lgP与(-1)成线性关系L=压制因子,=压坯的相对体

35、积（ =V粉/V颗粒，=+1）3.3.适应性适应性硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述School of Materials Science and Engineering55巴尔申方程在高压与低压情形下出现偏差的原因低压粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主粉末体的实际压缩模量高于计算值（即理论值），产生偏高现象高压粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值School of Materials Science and Engineering56（二）川北方程（二）川北方程1.1.基本假设基本假设 1) 粉末层内所有各点的单位压力相等。粉末层内所有各点的单位压力相

36、等。 2) 粉末层内各点的压力是外力和粉末内固有的内压力之和，内粉末层内各点的压力是外力和粉末内固有的内压力之和，内压力与粉末的聚集力或吸附力有关，与粉末屈服值有密切关压力与粉末的聚集力或吸附力有关，与粉末屈服值有密切关系。系。 3) 粉末层各断面上的外压力与该断面上粉末的实际断面积受的粉末层各断面上的外压力与该断面上粉末的实际断面积受的压力总和保持平衡。外压如增加，粉末体便压缩压力总和保持平衡。外压如增加，粉末体便压缩. 4) 每个粉末颗粒仅能承受它所固有的屈服极限的能力。每个粉末颗粒仅能承受它所固有的屈服极限的能力。 5) 粉末压缩时的各个颗粒位移的几率和它邻接的孔隙大小成比粉末压缩时的各

37、个颗粒位移的几率和它邻接的孔隙大小成比例。例。School of Materials Science and Engineering572.2.方程推导方程推导 C = （Vo V）/Vo = ab P/（1 + bP） 1/C = 1/(abP) + 1/a C 粉末体体积减少率粉末体体积减少率 V、Vo 压力为压力为P、0时的粉末体积时的粉末体积 a、b 常数常数 1/C 与与1/P成线性关系成线性关系3.3.适应性适应性: : 压力不大时准确性较好压力不大时准确性较好School of Materials Science and Engineering58（三）艾（三）艾- -沙沙- -

38、柯方程柯方程 沉积岩和粘土在压力下孔隙率与压力关系：沉积岩和粘土在压力下孔隙率与压力关系：= o e-BP ； ln（ / o）= - BPo = （VoV）/ Vo = （VV）/V Vo、V、V压力力为0、P和和 时的粉末体的粉末体积ln（ / 0）与）与P成线性关系成线性关系适应性：一般粉（尤非金属粉末）适应性：一般粉（尤非金属粉末）School of Materials Science and Engineering59（四）黄培云压制理论（方程）（四）黄培云压制理论（方程）理论基础理论基础1. 压坯密度压坯密度是外压的函数：是外压的函数：=kf(P)2. 常用力学模型常用力学模型 理

39、想弹性体理想弹性体-虎克体（虎克体（H体）：体）：=M 理想液体理想液体-牛顿体（牛顿体（N体）：体）：=d/dt 线弹性线弹性-塑性体塑性体-Maxwell体（体（M体）体）（弹性和粘滞性物体）（弹性和粘滞性物体） 线弹性体线弹性体-应变弛豫体应变弛豫体Kelvin固体（固体（K体）体） 60School of Materials Science and Engineering黄培云公式黄培云公式(压制方程压制方程)的推导的推导（1） 用用弹性和粘滞性固体（弹性和粘滞性固体（Maxwell体）体）来描述粉末体来描述粉末体 对于理想弹性体，应力对于理想弹性体，应力-应变关系应变关系虎克定律：虎

40、克定律：=M d/dt = Md/dt 用用M体代替体代替H体（考虑粉末压制时的应力持弛豫）：体（考虑粉末压制时的应力持弛豫）： d/dt = Md/dt /t恒应变：恒应变：d/dt= 0 =0 exp（-t/ 1 ） （1） 沾滞系数：沾滞系数：=M2 ；1 应力弛豫时间应力弛豫时间 用M固体描述粉末体，比H体更接近实际61School of Materials Science and Engineering（2） 类似地，也可以用线弹性体类似地，也可以用线弹性体-Kelvin固体（固体（K体）体） 来描述粉末体来描述粉末体（同时具有弹性和应变弛豫物体） = M+d/dt = M(+2d/

41、dt) （2） 沾滞系数：沾滞系数：=M2 ；2 应变弛豫时间应变弛豫时间 （2）式考虑了粉末压制时的应变弛豫）式考虑了粉末压制时的应变弛豫l 用用K固体描述粉末体，比固体描述粉末体，比H体更接近实际体更接近实际62School of Materials Science and Engineering（3）用标准线性固体（）用标准线性固体（SLS体）来描述粉末体体）来描述粉末体 （同时有应力和应变弛豫固体）：（同时有应力和应变弛豫固体）：+1d/dt=M(+2d/dt) （3）1 1应力弛豫时间应力弛豫时间2 2应变弛豫时间应变弛豫时间 用SLS描述粉末体，比M、K固体更接近实际，即（3）式比

42、（1）、（2）式更接近实际但（但（3 3）式仍有不足：）式仍有不足： 粉末体充分弛豫后应力应变非线性（非线性弹滞体）粉末体充分弛豫后应力应变非线性（非线性弹滞体）, ,有加工硬化，且变形大有加工硬化，且变形大School of Materials Science and Engineering63（4）用标准非线性固体（）用标准非线性固体（SNLS体）来描述粉末体体）来描述粉末体(+1d/dt)n = M(+2d/dt) n2数学变换得：数学变换得： on =M 或或 o = (M)1/n （4）（4）式为考虑了粉末体的非线性弹滞性（加工硬化）后的关系式， 比（3）式更准确School of

43、Materials Science and Engineering64 大程度应变的处理大程度应变的处理自然应变：自然应变： = LLo dL/L=ln(L/Lo)对粉末体，其压制时的体积改变实际上是孔隙体积改变对粉末体，其压制时的体积改变实际上是孔隙体积改变 定义：定义：= ln (Vo/V/) Vo/、V/ 粉末原始和受压粉末原始和受压P后的孔隙体积后的孔隙体积 （注意，严格应是（注意，严格应是 = ln(V/Vo/) ，此处是为了保证，此处是为了保证1） = ln (Vo-Vm)/(V-Vm) = ln (m-o) / (m-)o Vo、V、Vm 压力为压力为0、P、时粉末的体积时粉末的

44、体积 o、m压力为压力为0、P、时粉末的密度时粉末的密度School of Materials Science and Engineering65 运用运用标准非线性固体模型，综合考虑粉末体非线性弹滞性、加工硬化等得到压制方程：=on /M大程度应变： lg ln (m-o)/(m-)o= n lgP-lgM （5）n硬化指数的倒数 M压制模量黄培云压制方程的最初形式，考虑了粉末压制过程中的应力应变弛豫、加工硬化以及大程度应变School of Materials Science and Engineering66 考虑量纲，对原模型进行修正：考虑量纲，对原模型进行修正： =（o /M）1/m

45、mlgln(m-o) /(m-)o = lg P- lg M （6） m = 1/n 粉末压制过程的非线性指数，反映硬化趋势的大小粉末压制过程的非线性指数，反映硬化趋势的大小与晶体与晶体结构，粉末形状、合金化等相关结构，粉末形状、合金化等相关 m m 一般大于一般大于1 1，m m越大，硬化趋势大越大，硬化趋势大硬化指数硬化指数 lgln(m-o)/(m-)o与与lgP成线性关系成线性关系 双对数方程双对数方程 适应性适应性: : 对硬质或软质粉末、中、高、低压力均有效对硬质或软质粉末、中、高、低压力均有效School of Materials Science and Engineering6

46、7School of Materials Science and Engineering68几个有代表性的压制方程序号序号提出日期提出日期著者著者公式公式注解注解11938巴巴尔尔申申lg Pmax - lg P = L (-1)Pmax相相应于于压至最至最紧密状密状态（=1）时的的单位位压力力L压力因素力因素相相对体体积21930-1948艾艾-沙沙-柯柯 = o e-BP ； ln（ / o）= - BP0 P=0时的孔隙体的孔隙体积的外推的外推值压力力为P时的孔隙体的孔隙体积B 常数常数31956川北川北公夫公夫 C= abP/（1+bP）1/C = 1/ab 1/P + 1/aC粉末体

47、粉末体积减少率减少率C = （Vo V）/Vo V、Vo 压力力为P、0时的粉末体的粉末体积a、b系数系数41964 1980 黄培黄培云云m致密金属密度致密金属密度0压坯原始密度坯原始密度 压坯密度坯密度P压制制压强强M相当于相当于压制模数制模数n相当于硬化指数的倒数相当于硬化指数的倒数m相当于硬化指数相当于硬化指数School of Materials Science and Engineering69相同点：相同点：系数、定量线性关系系数、定量线性关系不同点：不同点：假定、适应性假定、适应性如何校验方程的正确性：如何校验方程的正确性：自学自学压制方程的总结与比较School of Mat

48、erials Science and Engineering70作业作业 教材第三章：教材第三章：1 1、4 4、5 5、6 6School of Materials Science and Engineering71第四节 粉末压坯密度的分布一、模压成形时压坯密度分布的不均匀性（一）压坯密度分布不均匀的现象（一）压坯密度分布不均匀的现象仅通过上模冲加压的单向压制仅通过上模冲加压的单向压制Ni粉压坯：粉压坯：H：17.5；D：20；700MPaSchool of Materials Science and Engineering72图图3-28 单向压制铁粉压坯密度和硬度的分布状况：单向压制铁

49、粉压坯密度和硬度的分布状况： 72mm；粉末为粉末为3kg和和1kg（上、下图）；（上、下图）；550680MPa； 左左 密度密度g/cm3，右，右硬度硬度HB沿箭头方向密度降低密度变化规律 密度分布不均匀的后果： 不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等； 烧结收缩不均匀,导致变形等； 性能不均匀！School of Materials Science and Engineering73绝对密度差、相对密度差、平均密度绝对密度差、相对密度差、平均密度绝对密度差：绝对密度差： d dj j = d = dmaxmaxd dminmin相对密度差：相对密度差： dr =dr =（dmaxd

50、maxdmindmin）/dmax /dmax 100%100%（二）压坯密度分布不均匀性表示（二）压坯密度分布不均匀性表示密度差反映了模压成形的技术水平密度差反映了模压成形的技术水平对密度差的数值要求越小，要求压制水平就越高对密度差的数值要求越小，要求压制水平就越高在可能的情况下，应采用尽可能宽松的密度差在可能的情况下，应采用尽可能宽松的密度差School of Materials Science and Engineering74（三）压坯密度分布不均匀的产生原因（三）压坯密度分布不均匀的产生原因 外摩擦力（压力损失）外摩擦力（压力损失）内摩擦力内摩擦力侧压力侧压力压制方式压制方式压坯形状

51、与尺寸压坯形状与尺寸压模结构与设计压模结构与设计润滑润滑直接影响压制直接影响压制压力的传递压力的传递间接影响压制间接影响压制压力的传递压力的传递School of Materials Science and Engineering75二、改善压坯密度分布不均匀性的措施（一）减小压坯的高径比（一）减小压坯的高径比1 1、增加高度，压坯密度差增加（直径不变）；、增加高度，压坯密度差增加（直径不变）；2 2、增加直径，密度分布更均匀（高度不变）；、增加直径，密度分布更均匀（高度不变）；即高径比增加，密度差增加即高径比增加，密度差增加School of Materials Science and En

52、gineering76（二）改善模具内壁光洁度、使用润滑剂（二）改善模具内壁光洁度、使用润滑剂1.1.采用润滑剂采用润滑剂 目的：降低摩擦系数以减少外摩擦力目的：降低摩擦系数以减少外摩擦力 核心问题：润滑剂的选择原则和用量核心问题：润滑剂的选择原则和用量 润滑方式：模壁润滑和粉末润滑润滑方式：模壁润滑和粉末润滑2. 2. 改进压模材料及表面状态改进压模材料及表面状态3. 3. 原料粉末的改性原料粉末的改性1.根据压坯高度(H)和直径(D)或厚度()的比值选取压制方式 H/D1，而H/3时，可采用单向压制； H/Dl，而H/3时，采用双向压制； H/D410时，采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压

53、 模压制、引下式压模压制等 对于很长的制品，需采用特殊成形（等静压、挤压等） （三）合理选择压制方式（三）合理选择压制方式 四种基本的模压成形方法四种基本的模压成形方法a）单向压制）单向压制 b）双向压制）双向压制 c）浮动模压制）浮动模压制 d）引下式压制）引下式压制a）b）c）d）实质上只有单向和双向压制！实质上只有单向和双向压制！School of Materials Science and Engineering782. 几种典型压制方式的特点及密度分布几种典型压制方式的特点及密度分布1）单向压制（1）压制过程中阴模不动、下模冲（上模 冲）不动，压制压力仅通过上模冲（下模冲）施加到粉末

54、体上。（2） 特点 典型的密度分布不均匀； 中性轴位置：压坯下端； H、H/D增大，密度差增大； 模具结构简单，生产率高； 适应高度小、壁厚大的压坯Ps-Ps-上冲压力上冲压力Px-Px-下冲压力下冲压力F-F-摩擦力摩擦力中性轴中性轴School of Materials Science and Engineering792）双向压制（1）压制过程中阴模不动、上、下模冲都对粉末体施加压力。（2）特点 相当于两个单向压制的叠加； 中性轴不在压坯端部； 同样压制条件下，密度差较单向压制小； 可用与H/D较大压坯的压制School of Materials Science and Engineer

55、ing80（3）双向压制的基本类型 同时双向压制（图）： 上下模冲同时向粉末体施加相等的压力 非同时双向压制（后压） 完成一次单向压制后，再在低密度端进行一次单向压制。中性轴中性轴School of Materials Science and Engineering81单双向压制的密度分布单双向压制的密度分布School of Materials Science and Engineering823）浮动阴模压制（1）定义：压制过程中上模冲向粉末加压，下冲不动、阴模不是固定不动，而是通过弹簧或汽缸、油缸等适当支撑。（2） 特点 压制效果与双向压制类似； 压坯密度分布与双向压制相同；中性轴的位置

56、与支撑力有关； 是生产中广泛采用的一种压制方式，便于装粉； 压机下部只需较小的压制和脱模压力School of Materials Science and Engineering83浮动阴模压制的关键：弹簧支撑力 的确定阴模受力：Fs、Fx、Pf、W，力平衡式：只有浮动压力Pf等于W，上下模冲压力才相等。浮动压力Pf过大，中性轴下移，密度差增大。实际：Pf稍大于W，便于阴模自动复位。School of Materials Science and Engineering84School of Materials Science and Engineering854） 拉下式（强动式、引下式）压制

57、（d）a）b）c）d）压制效果与双向压制相同也是生产中广泛采用的一种设计！School of Materials Science and Engineering86School of Materials Science and Engineering875） 摩擦芯杆压制（错动双向压制）PsPsSchool of Materials Science and Engineering88摩擦芯杆压制的特点：（1）阴模和下模冲头不动芯杆和上模冲一起同步下降。（2）外径处，压力沿高度向下减小，内径处，压力沿高度向上逐渐减小。（3）力平衡关系： Ps+Fx=Fy+Px 当Fy=Fx时，Ps=Px；阴模壁

58、与粉末间的摩擦力和芯杆壁与粉末间的摩擦力相等时，上下模冲压力相等，压坯密度最均匀 问题：Fy=Fx，大小相等、方向相反，能否完全抵消？School of Materials Science and Engineering89（4）错动压制压坯的分段平均密变差比单向压制小；低密度层是一个斜面，比双向压坯强度高。（5）不适应于厚壁压坯：其局部密度均匀性比双向压制差。（6）最适于压制细长薄壁制品。School of Materials Science and Engineering90（三）复杂形状压坯的压制（三）复杂形状压坯的压制School of Materials Science and En

59、gineering911.压制的基本原则 1）保证各部分粉末的压缩比相等 压缩比：粉末松装高度与压坯高度之比。 装填系数：压坯密度与粉末松装密度之比。 两者数值上相等（等截面时）！ 2）采用组合模冲代替整体模冲，实现补偿装粉，是实现压缩 比相等的关键 补偿装粉：各部分的粉料装填高度按装填系数（压缩比） 来计算。 3）组合模冲尽量在下模冲上实现 实际生产中，不可能完全按理论计算设计组合模冲，仍需根据实际情况进行简化。School of Materials Science and Engineering921类零件 单台阶小高径比压坯的压制 School of Materials Science

60、and Engineering93 整体模冲不能实现压坯密度均匀 为提高密度均匀性，须使用组合（分离）模冲！2.多台阶压坯的压制 整体下模冲整体下模冲组合下模冲组合下模冲School of Materials Science and Engineering94使用组合模冲时料腔高度的计算： 若：d松=2.4g/cm3， d坯=6.6g/cm3 K= d坯/d松=2.75 H松1= Kh坯 =13.75mm H松2 =55mmSchool of Materials Science and Engineering95带台阶压坯的压制： School of Materials Science and

61、 Engineering96School of Materials Science and Engineering973.带斜面压坯的压制 School of Materials Science and Engineering计算的装粉面位置计算的装粉面位置x x984.带曲面压坯的压制（自学） School of Materials Science and Engineering99第五节 粉末压坯的强度压坯强度：粉末压坯反抗外力而保持其形状、 尺寸不变的能力重要性： 衡量粉末性能的重要指标之一； 衡量压制过程和压坯质量的重要指 标之一。School of Materials Science

62、 and Engineering100一、压坯强度的形成原因巴尔申观点：巴尔申观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主 要来源于颗粒间的要来源于颗粒间的机械啮合力；机械啮合力；琼斯观点：琼斯观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要 来源于相邻颗粒表面上的来源于相邻颗粒表面上的原子吸引力原子吸引力 一般观点：两者兼而有之，以机械啮合力为主一般观点：两者兼而有之，以机械啮合力为主School of Materials Science and Engineering101二、压坯强度的表示二、压坯强度的表

63、示1.1.压坯抗弯强度表示法压坯抗弯强度表示法（ASTM B 783，GB5319-85） ASTM：31.75 x 12.7 x 6.35 mm GB：30 x 12 x 6mm w-厚度，mm（6mm）t-宽度，mm （12mm）L-支点间距，mm （25.4mm）P-负荷，NSchool of Materials Science and Engineering1022.2.转鼓试验法转鼓试验法（JSPM4-69） 12.7x6.35mm，14目金属网转鼓试验，目金属网转鼓试验，87rpm.重量减少率：重量减少率：S =（A-B）/A x 100%三、影响压坯强度的因素三、影响压坯强度的因

64、素1.1.粉末性能：粉末性能：颗粒硬度、表面粗糙度、比表面积、颗粒颗粒硬度、表面粗糙度、比表面积、颗粒 形状、表面氧化物及杂质等；形状、表面氧化物及杂质等；2.2.压制压力压制压力3.3.成形剂成形剂4.4.压制温度、保压时间压制温度、保压时间School of Materials Science and Engineering103第六节第六节 影响压制过程的因素影响压制过程的因素一、粉末性能的影响（自学）一、粉末性能的影响（自学） （一）（一） 粉末物理性能粉末物理性能 （二）（二） 粉末化学组成粉末化学组成 （三）粉末粒度及粒度组成（三）粉末粒度及粒度组成二、润滑剂、成形剂的影响二、润滑

65、剂、成形剂的影响 （一）作用（一）作用 （二）选择（二）选择 （三）用量（三）用量三、压制条件的影响三、压制条件的影响 （一）压制方式（一）压制方式 （二）工艺条件（二）工艺条件四、压制废品分析四、压制废品分析School of Materials Science and Engineering提提要要104二、润滑剂、成形剂的影响二、润滑剂、成形剂的影响 （一）润滑剂和成形剂的作用（一）润滑剂和成形剂的作用 润滑剂：润滑剂：降低粉末颗粒与模壁及模冲之间摩擦，改善密度降低粉末颗粒与模壁及模冲之间摩擦，改善密度 分布，减少压模磨损，便于脱模。分布，减少压模磨损，便于脱模。 成形剂：成形剂：改善粉

66、末成形性能，提高压坯强度。改善粉末成形性能，提高压坯强度。 不足之处：不足之处： 1 1）降低粉末流动性，）降低粉末流动性， 2 2）本身密度低，占有一定体积，限制高密度压坯的获得，）本身密度低，占有一定体积，限制高密度压坯的获得， 3 3）降低颗粒接触程度，降低压坯强度）降低颗粒接触程度，降低压坯强度 4 4）烧结挥发：制品外观，烧结炉寿命）烧结挥发：制品外观，烧结炉寿命 5 5）可能的反应）可能的反应 School of Materials Science and Engineering105（二）选择原则（二）选择原则 1. 良好的润滑性，良好的润滑性， 2. 软化点较高，混合时不易因温

67、度升高高而熔化，软化点较高，混合时不易因温度升高高而熔化， 3. 易于排除，残留危害小，易于排除，残留危害小， 4. 不与粉末反应，不与粉末反应， 5. 对粉末松比、流动性影响不大，对粉末松比、流动性影响不大， 6. 来源与成本来源与成本 常用材料：常用材料： 铁、铜基零件：铁、铜基零件：硬脂酸及其衍生物、石墨等硬脂酸及其衍生物、石墨等 硬质合金、陶瓷：硬质合金、陶瓷：石蜡、合成橡胶、聚乙烯醇、乙二醇等。石蜡、合成橡胶、聚乙烯醇、乙二醇等。 School of Materials Science and Engineering106（三）用量及加入方式（三）用量及加入方式 满足工艺要求前提下，

68、尽可能少用满足工艺要求前提下，尽可能少用 硬脂酸锌最佳用量：硬脂酸锌最佳用量：0.5-1.5 wt% 橡胶石蜡最佳用量：橡胶石蜡最佳用量：1-2 wt % 加入方式：加入方式： 干混合方式加入：干混合方式加入：与主要成分的金属粉末一起混合，与主要成分的金属粉末一起混合， 溶液状态加入：溶液状态加入：先将石蜡或合成橡胶溶于汽油或酒精中，再先将石蜡或合成橡胶溶于汽油或酒精中，再 将它掺入料浆或干的混合料中。压制前，需将其中的汽油或酒将它掺入料浆或干的混合料中。压制前，需将其中的汽油或酒 精挥发。精挥发。School of Materials Science and Engineering107三、

69、压制条件的影响三、压制条件的影响 （一）压制方式（略（一）压制方式（略) ) （二）压制工艺条件（二）压制工艺条件 1. 装粉方式：装粉方式：重量法、容量法（落入、吸入、芯杆移动）重量法、容量法（落入、吸入、芯杆移动） 2. 加压速度：加压速度： 低压范围内（低压范围内（10m/s）：）：速度加快不利！速度加快不利！ 快速冲击压制（几十快速冲击压制（几十上百上百m/s）新技术！新技术！ 3. 保压时间保压时间 4. 振动压制振动压制 5. 磁场压制磁场压制School of Materials Science and Engineering108四、压制缺陷（废品）分析四、压制缺陷（废品）分析

70、（一）分层沿压坯的棱边向内部发展的裂纹称为分层（与压制方向垂直）。产生原因：粉末颗粒之间的破坏力大于粉末颗粒之间的结力。 破坏力包括：弹性内应力、剪切应力等。 弹性内应力：颗粒间的斥力作用引起抵抗弹性变形的力。 弹性内应力和压应力方向相反。 剪切应力： 大小相等、方向相反、不在一条直线上。使物体 两部分产生相对位移(或称剪切变形)。 分层主要是压制压力过高引起的！ 纠正措施：装料均匀；不过压(不超过应有压制压力)；增加压坯强度。 检验方法：磕断压坯观察断面；超声波探伤等。 School of Materials Science and Engineering109 （二）裂纹 在压坯的截面变化

71、处产生裂纹的现象，称为裂纹。 产生裂纹的原因：与分层有相同之处： 1）压坯脱模时中间停顿，压坯脱出部分内应力松驰，产 生弹性膨胀，而末脱出部分仍受到压缩，产生压 应力，致使压坯产生剪切裂纹。 2）带法兰的轴套，裂纹易产生在法兰和主体的结合 部分，方向约为45度。产生原因是法兰部分密度 高，主体部分密度低。压力去除后，由于法兰弹 性膨胀大于主体，致使结合部分产生裂纹。 纠正措施：装料应控制装料比；增加压坯强度。 （三）压坯单重超差School of Materials Science and Engineering110（四）表面划伤 压坯表面划痕称为划伤。 产生原因： 1）粘模：脱模时在阴模出

72、口处受到阻碍，局部产生高温， 使粉末焊在模壁上的现象。 粘模使压坯表面产生严重划伤。 2）阴模软或光洁度差，也易产生划伤。 纠正措施: 1) 采用硬质合金模具， 2) 提高阴模的硬度，精度和光洁度； 3) 在阴模出口处作出一定长度的锥度； 4) 除去铁粉中的微粉； 5）改善模具配合间隙。School of Materials Science and Engineering111 （五）同轴度超差 套类压坯对同轴度的要求较高，是较难控制的一个参数。 提高压坯同轴度的主要措施： 1) 装料均匀：粉末流动性好，装料形式合理。 2) 模具设计合理：提高摸具的精度 配合间隙小、上下模冲的同轴度小、阴模型

73、腔和脱模锥度须严格同 心、各模具零件的平行度和垂直度设计合理。 3) 模具安装的定位基准：以阴模内孔做定位基准。与阴模 配合的其它 零件，被固定的部位，其径向应有调整间隙，能自动调正。 4）压机精度：压机上滑块和工作台面的平行度，以及上滑块行程对工 作台面的垂直度部应有合理的要求。School of Materials Science and Engineering112思考题思考题 教材第三章：教材第三章： 1111、1212、1313、1414School of Materials Science and Engineering113The End of Chapter 3School of Materials Science and Engineering114