金属粉末压制时坯块密度的变化规律ppt课件

第三章成形Compacting 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 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 6 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 7 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 20 40min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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 第三章成形 4 金属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 17 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 18 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 19 第三章成形 图3 13在低压制力下和P的关系 20 第三章成形 c 日本川北公夫压制理论经验公式 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 21 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 P2P1 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 单向压制只压制比较薄的坯块 即或 图3 19密度变化 27 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 28 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 29 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 30 第三章成形 图3 22一个和两个下模冲 31 第三章成形 图3 23密度变化 32 第三章成形 图3 24密度变化 33 第三章成形 图3 25镍粉坯块的密度分布 D模 20mmH D 0 87P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 34 第三章成形 8 密度的测量方法a 利用公式计算式中A B constants 不同粉末 不同压力 不同润滑方法 A B值不同 b 用薄铝片做一个上面有方孔或圆孔的网格 将其放入圆柱体模具中 既不能与模壁接触 也不能与模冲表面接触 压制时保持网格与压制方向平行 通过网格的开口面积 用X射线辐射法直接测量坯块密度 c 将坯块垂直切开 然后测量切面上的硬度分布 硬度值通过标准曲线换算成密度 35 第三章成形 9 坯块脱模图中黑色为粉末体 左图为装满状态 右图为挤压后状态 从图看出 要想把坯块推出模具 只有给下模冲施加压力 直到下模冲与模具上表面平齐 或向下移动模具 知道模具上表面与下模冲平齐 图3 26坯块脱模示意图 36 第三章成形 10 复杂坯块压制历史上在自动压机上压制的第一种产品是药丸 药粉计量后倒入模腔 压制和挤出自动进行 在药丸机上压制的第一种粉末冶金制品是自润滑轴承 药丸机被重新设计后既能在高压下操作 又能压制复杂的金属结构件 a 单向压制的简单零件单向压制只有一个活动的模冲 通常是上模冲动 下模冲不动 用于压制H D 1的坯块 单向压制只在一个面上施加压力 对圆柱体则为上表面 密度从上到下逐渐减小 由于零件比较薄 密度变化在允许范围内 37 第三章成形 图3 27单向压制可压制的零件 38 第三章成形 Die 固定到压机台面上的模具 Corerod 与模具内径同轴的固定芯杆 Upperpunch 固定到压机压头上的空心上模冲 Lowerpunch 固定到压机下压头上的空心上模冲 图3 28压制短套筒的模具组成 39 第三章成形 图3 29用下模冲脱模的单向压制操作步骤 40 第三章成形 b 双向压制的简单零件双向压制可压制高度与直径比或高度与壁厚比较大且形状较复杂的零件 从图看出 上下模冲同时运动 且坯块高度增加 图3 30用下模冲脱模的双向压制操作步骤 41 第三章成形 弹簧底座双向压制系统模具底面固定在弹簧上 可上下浮动 上模冲运动进入模腔时 粉末与模具内表面产生摩擦 使模具下表面向下运动 抵抗弹簧的弹力 效果与下模冲向上运动相同 图3 31弹簧底座下模冲脱模步骤 42 第三章成形 下模冲不动双向压制模具底面固定在液压缸上 取代了由下模冲推出坯块的系统 下模冲安装在基础平台上 压制循环过程中不运动 模具安装在模具平台上 上模冲进入模腔后 模冲与模具平台一起向下运动 下模冲不动 压制结束后 上模冲向上运动 模具平台和下连接器向下运动 直到坯块脱出 43 第三章成形 图3 32下模冲不动双向压制脱模步骤 44 第三章成形 c 双向压制下表面具有两个不同平面的零件下图是一带凸缘的零件 下表面有两个面 一个小圆 一个空心圆 这类零件只能由下模冲将其推出模腔 成形采用组合模冲 一个上模冲 两个下模冲 为了保证整个零件密度分布均匀 两个下模冲运动调节一致 图3 33具有两个不同平面的零件 45 第三章成形 下表面具有两个不同平面零件的压制过程 图1装满粉末 图2上模冲放入模腔 上面不同方向的剖面线代表上模冲 中间黑体部分是要压制的粉末部分 下面两边上同方向剖面线表示下模冲 中间黑体下部另一方向剖面线部分是内下模冲 图3表示压制结束 图4上模冲移走 下模冲往上推 直到外下模冲与模具平齐 此时凸缘部分已离开模腔 图5外下模冲不动 内下模冲向上推 零件脱模 图6压制好的零件 图3 34带凸缘零件的压制 46 第三章成形 d 双向压制多面体零件多面体零件通常形状复杂 且有一个上表面 多个下表面 即需要一个上模冲 多个下模冲 压制时 要保证整个坯块密度相同 否则脱模过程中密度不同的衔接处会由于应力的重新分布而产生断裂或分层 设计不同动作的多模冲模具时 要求各模冲的压缩比相同 目的是使复杂形状坯块密度相同 压制过程中要考虑各个模冲的弹性偏差 并平衡弹性偏差 偏差的计算由计算机完成 整个压制过程由微信息处理机控制 可得到好的零件 压缩比 松散粉末体与坯块截面高度之比 图3 35涡轮机轮毂 47 第三章成形 图3 36压制过程中系统部件的10个位置 48 第三章成形 图3 37复杂形状坯块的压制 a b 坯块形状 d 简单模冲压制及坯块密度分布 e 多模冲压制示意图及坯块密度分布 e 复杂形状坯块压制 49 第三章成形 f 具有曲面坯块的压制实际生产中 会遇到表面是曲面的零件 这种零件在自动压机中可以压制 但要保证均匀密度比较难 因为松散粉末体与坯块厚度的比率不同 自动压机可提供水平装满和非水平装满 往模腔装粉末时 上表面可装成曲面 但曲面上密度的一致性难以预测 假设结论 假设粉末颗粒不仅在施加力的方向上运动 同时也有一定量的侧向运动 这样 密度变化取决于曲面的半径 半径越大 密度变化越小 若根据压缩比来衡量 则压缩比越大 密度变化越小 大多数情况下密度变化在可接受的范围内 即密度的变化不影响零件的使用 特殊情况下 不均匀的密度分布可通过烧结 再压 使密度分布均匀 50 第三章成形 图3 38曲面坯块的压制 51 第三章成形 减小密度分布不均匀现象的措施 a 压制前对粉末进行还原退火处理 消除粉末的加工硬化 减少杂质含量 提高粉末的压制性能 b 加入适当的润滑剂或成形剂 如铁基零件加硬脂酸锌 机油等 硬质合金加橡胶汽油溶液或聚乙烯等塑料溶液 c 改进加压方式 根据坯块高度 直径或厚度的比值设计不同类型的模具 d 改进模具构造 或适当变更坯块形状 使不同横截面的连接部位不出现急剧的转折 52 第三章成形 3 成形剂 1 使用成形剂的目的促进粉末颗粒变形 改善压制过程 降低单位压制压力 提高坯块强度 减少粉尘飞扬 改善劳动条件 由于减少了摩擦压力损失 坯块密度及其分布均匀性提高 提高模具寿命 表3 1成形剂对模具寿命的影响 53 第三章成形 2 成形剂的选择原则成形剂不改变粉末的化学成分 烧结过程中全部排出 放出的气体对人体无害 成形剂具有好的分散性能 具有适当的粘性和良好的润滑性 且易于和粉末料混合均匀 成形剂对粉末的松装密度和流动性影响不大 其软化点应高 以防混合过程中温升而熔化 烧结后对产品性能和外观等无不良影响 成本低 来源广 54 第三章成形 3 成形剂种类不同金属粉末选用不同物质作成形剂 铁基粉末制品 硬脂酸 硬脂酸锌 硬脂酸钡 硬脂酸锂 硬脂酸钙 硬脂酸铝 硫磺 二硫化钼 石墨粉和机油等 硬质合金 合成橡胶 石蜡 聚乙烯醇 乙二酯和松香等 其他成形剂 淀粉 甘油 凡士林 樟脑及油醇等 成形剂加入方法 干混 成形剂直接以粉末状与金属一起混合 湿混 成形剂先溶于水 酒精 汽油 丙酮 苯及四氯化碳等液体中 然后加入到粉末中混合 干燥时挥发掉 55 第三章成形 4 成形剂用量及效果成形剂是一种表面活性物质 加入后要使每个颗粒表面形成一层单分子层薄膜 因此 其用量与粉末种类 粒度大小 压制压力 摩擦表面及成形剂本身的性质有关 粒度 细颗粒粉末成形剂加入量多于粗颗粒粉末 表3 2粒度与成形剂用量的关系 表3 3成形剂性质与用量的关系 56 第三章成形 坯块形状因素 指摩擦表面积与横截面积之比 成形剂加入量与形状因素成正比 横截面积一定 坯块高度越高 所需成形剂量越多 图3 39形状因素对成形剂加入量的影响1 0 5 2 1 0 3 2 0 4 2 4 5 8 0 57 第三章成形 成形剂粒度对粉末流动性 松装密度的影响 图3 40成形剂粒度对粉末流动性 松装密度的影响 a 成形剂对流动性的影 b 成形剂对松装密度的影响 58 第三章成形 成形剂加入量对坯块密度和脱模压力的影响 成形剂对烧结体抗弯强度的影响 图3 41成形剂加入量对坯块密度和脱模压力的影响1 压制压力832MPa 2 压制压力412MPa 3 压制压力206MPa a b c与上述压力相对应的脱模压力 图3 42成形剂对烧结体抗弯强度的影响1 无润滑剂 2 硬脂酸铜 1 25 3 硬脂酸钡 0 75 4 硬脂酸锌 1 25 5 硬脂酸 1 6 硬脂酸锂 1 7 硬脂酸钙 1 25 59 第三章成形 5 润滑方式对坯块密度的影响成形压力较低时 润滑粉末比润滑模具得到的坯块密度大 成形压力较高时 润滑粉末比润滑模具得到的坯块密度小 图3 43润滑方式对坯块密度的影响 60 第三章成形 成形剂的不足之处 a 成形剂本身占有一定体积 使坯块密度减小 不利于制备高密度制品 b 压制过程中因成形剂的阻隔 金属粉末之间的相互接触程度降低 从而降低了某些坯块的强度 c 成形剂在烧结前或少接种排出 可能损伤烧结体的外观 排出的气体可能影响炉子寿命 污染空气 d 如成形剂与金属粉末起作用 将降低烧结制品的力学性能 e 成形剂与金属粉末比重不同 加入成形剂降低了粉末本身的流动性 61 第三章成形 6 压制废品的种类 1 分层沿坯块的棱边向内部发展的裂纹 与受压面呈450角的整齐界面 分层原因 弹性后效 压制压力过高 易引起分层 因为压制压力过高 坯块密度过高 其弹性后效明显增大 图3 44压制分层 62 第三章成形 2 裂纹裂纹不同于分层 一般是不规则的 且无整齐界面 裂纹可以是纵向 也可以是横向