第4章 粉末的成形

.,第四章粉末的成形,粉末成形是粉末冶金的第二个阶段。它是将松散的粉末制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块这样一个工艺过程。粉末经过成形工序得到具有既定形状与强度的粉末体，叫做压坯。粉末成形有多种方法，除了普通的模压法，其他都归为特殊成形方法。模压成形是最基本方法。,.,粉末成形方法,.,粉末的预处理普通模压法成形压制理论特殊成形方法,本章主要内容,.,4.1粉末的预处理,预处理包括：退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂等。1、退火还原氧化物消除加工硬化钝化金属，防止自燃消除杂质，提高纯度,.,2、筛分把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。3、制粒将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。,.,4、混合将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。混合时，除基本原料粉末外，其它添加组元有以下三类：合金组元游离组元工艺性组元,.,.,4.2普通模压法成形,模压法成形是最广泛使用的粉末成形技术。它是指在常温下将混合均匀的粉末按一定的量装入封闭的模具中，再用压力机以一定的单位压力压制成坯块的方法。这种成形过程通常由以下工步组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。,.,模压原理,.,模压作用,（1）将粉末成形为所要求的形状。（2）赋予坯体以精确的尺寸。（3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型。（4）赋予坯体以适当的密度与强度，以便搬运。,.,4.2.1称粉与装粉,称粉就是称量成形一个压坯所需的粉料的重量或容量。采用非自动压模和小批量生产时，多用重量法；大量生产和自动化压制成形时，一般采用容量法，且是用压模型腔来进行定量。,.,4.2.2压制方法,单向压制：凹模和下凸模不动，由上凸模单向加压。双向压制：凹模固定不动，上下凸模以大小相等方向相反的压力同时加压。浮动压制：下凸模固定不动，凹模用弹簧、气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。,.,图6-3-6三种基本压制方式a）单向压制b）双向压制c）浮动压制,.,4.2.3压制过程,压制过程可分为四个阶段：粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。,.,1、压坯密度不均匀及危害,a.垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.压坯底部的边缘密度低。导致制品性能不均匀；烧结时收缩不均匀，产生内应力而变形或开裂。,.,.,单向与双向压制时压坯密度沿高度的分布（a）单向压制（b）双向压制,.,2、压坯密度不均匀的原因,造成压坯密度分布不均匀的原因是粉末颗粒与模腔壁在压制过程中产生的摩擦。摩擦力导致压力损失，使压力分布不均匀。,.,.,.,3、影响因素与措施,a.压坯高度与直径比b.摩擦系数c.压制方式减小坯件高度与直径比使用润滑剂采用双向压制或浮模压制工艺增大压制压力或利用预压工艺,.,4、压坯密度与影响因素的关系,a.随压制压力的增高而增大；b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大；c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度；d.降低压制速度，提高压坯密度。,.,图6-3-7坯件密度与模压压力、模压速度及粉末特性间的关系1低硬度粉末、粗粉、低模压速度2高硬度粉末、细粉、高模压速度,.,5、金属粉末的硬度与压制压力的关系,.,由于制粉的工艺不同，粉末的纯度也不相同，粉末中都含有一定量的杂质。粉末中的杂质多以金属氧化物的形式存在。而金属氧化物粉末多是硬而脆的，并主要分布于金属粉末表面，这就使得压制时压制阻力增加，压制性能变坏。,6、粉末纯度的影响,.,7、粉末粒度及粒度组成的影响,粉末粒度构成对压坯密度的影响,.,8、添加剂在粉末成形中添加剂主要是指润滑剂和成形剂。润滑剂是为降低摩擦而填加的物质，通常有硬脂酸、硬脂酸锌、二硫化铜、石墨粉等。成形剂是为改善粉末成形性而添加的物质，通常有合成橡胶、淀粉、石蜡等。,润滑剂加入量对压坯性能的影响,.,4.2.4脱模,压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而胀大，这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效，可用回弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。回弹率的大小与模具尺寸计算有直接的关系。,.,.,复杂零件的压制,.,1尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等，以利于制模和压实。,4.3粉末冶金零件结构的工艺性,.,2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹。,.,3避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块。,.,4避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交接处应采用圆角过渡，以利于压实及避免应力集中。,.,4.4压制成形模具,一、零件分类,.,.,.,.,二、模具与压制方式分类,.,.,.,.,4.5压制压力与压坯密度关系,（一）压制曲线压坯密度与压力的关系，称为压制曲线。一定成分和性能的粉末只有一条压制曲线，压制曲线对合理选择压制压应力具有指导作用。,.,压制曲线一般可以分为三个区域：区密度随压力急速增加。颗粒作相对滑动和转动，填入空隙，破坏“拱桥”。区密度随压力增加较慢。颗粒变形，加工硬化，密度随压力增加减慢。实际压应力一般选在该区。区密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加工硬化严重，残存孔隙很难消除，只有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。,.,.,（二）压制曲线的函数表示法粉末压制曲线均可用下式表示：将上式两边取对数，可得lnlnp作图可得出常数a、b。,式中，为压坯密度（g/cm3）；p压制压应力；a、b为与粉末特性有关的常数，对于一定粉末其为一定值。,.,（三）压制曲线影响因素实测的压制曲线受以下因素影响：压坯高径比H/D：H/D越大，使曲线向下偏移。一般取H/D=0.51。粉末粒度：粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上。粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低。粉末加工硬化：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，则偏高。粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。,.,压制压力与密度间的定量数学关系。（一）基本定义密度（density）：=质量/体积（g/cm3）比容v=1/（cm3/g）相对密度：m固体理论密度,4.6压制理论,.,孔隙度（porosity）Vm致密固体体积相对容比（相对体积或相对容积）,孔隙度系数（孔隙相对容比）,.,（二）巴尔申压制理论在忽略加工硬化情况下，虎克定律也可用于塑性变形，对粉末压制过程应用虎克定律，最终可得出该式称为巴尔申方程。式中，l为压制因素，k为材料硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为=1时的压制压力，称为最大极限压力。,.,巴尔申压制方程的局限性:此方程仅在某些情况下正确，没有普遍意义。（1）把粉末作为理想弹性体处理。实际粉末是弹塑性体。（2）假定粉末无加工硬化。实际粉末存在加工硬化，且粉末越软、压制压力越高，加工硬化现象越严重。（3）未考虑摩擦力的影响。（4）未考虑压制时间影响。（5）只考虑粉末的弹性性质，未考虑粉末的流动性质。（6）公式推导中，未将“变形”与“应变”严格区分开。,.,（三）川北公夫压制理论川北在研究了一些药品粉末的压制曲线后，提出了下述方程：式中，c为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；V0为无压时粉末体积，V为压制压强p时压坯的体积；a、b为常数，与粉末特性有关。,.,（四）黄培云压制理论考虑了粉末的非线性弹滞性、以及在压制过程中颗粒经受大幅度应变的事实。导出下述压制方程：,式中，M为压制模量，其倒数为单位压制压强下，粉末体所发生的变形；n为应变硬化指数的倒数，n=1,无硬化；m为固体理论密度，0为未加压时粉末体密度，为压强p时压坯的密度。,.,.,（五）几种理论的适用范围黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用；并且，与粉末实际压制过程较符合。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好，尤其在压制开始阶段效果较好，但没普遍意义（未考虑加工硬化、摩擦及固体的滞弹性）。川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程。所有方程在导出过程中都没有考虑压坯的形状尺寸、模壁摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。,.,4.7特殊成形方法,近些年以来，人们广泛地研究了各种非钢模成形法。这些成形方法按其工作原理和特点分为等静压成形、连续成形、无压成形、注射成形、高能成形等，统称特殊成形。,.,4.7.1等静压成形,这种方法是借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上。粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯，称为等静压制，简称等静压。等静压可分为冷等静压和热等静压两种。,.,图6-3-8等静压制原理图1排气阀2压紧螺母3盖顶4密封圈5高压容器6橡皮塞7模套8压制料9压力介质入口,.,一、冷等静压,通常是将粉末密封在软包套内，然后放到高压容器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质可以是油、水或甘油。包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。金属粉末可直接装套或模压后装套。由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。冷等静压已广泛用于硬质合金、难熔金属及其他各种粉末材料的成形。,.,.,.,.,冷等静压工艺过程,混合粉（不需加成形剂或润滑剂）装袋抽气封口加低压放气加高压保压卸压开盖取样毛坯机加工烧结,.,.,.,.,.,二、热等静压,将金属粉末装入高温下易于变形的包套内，然后置于密闭的缸体中，用压缩机打入气体并通电加热。随着温度升高，缸内气体压力增大。粉末在各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。加压介质一般用氩气。常用的包套材料为金属，还可用玻璃和陶瓷。由于温度和等静压力的同时作用，可使许多难以成形的材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀，各向同性和具有优异的性能。热等静压法适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等；也可对熔铸制品进行二次处理，消除气孔和微裂纹。,.,.,热等静压工艺过程,粉末原料或预烧坯装套（钢套或玻璃套）抽气密封热等静压缸通气加压加热升温保温保压卸压降温开缸取样机加工成品热等静压温度比一般烧结温度低，约为金属熔点的一半。热等静压的密度可达到或接近理论密度。,.,.,4.7.2金属粉末轧制,将金属粉末喂入一对转动的轧辊中，由于摩擦力的作用，粉末被轧辊连续压缩成形的方法。主要生产板带状粉末冶金材料。一般包括粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等。粉末轧制的特点：能生产特殊结构和性能的材料，成材率高，工序少，设备投资小，生产成本低。坯料经预烧结、烧结，又经轧制加工以及热处理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板带材。,.,图6-3-9粉末轧制工艺示意图1粉末2轧辊3轧坯4烧结5精轧6退火7成品,.,.,一、粉末轧制的基本原理,松散粉末需依次经过三个区域才能完成轧制：（三个特征区）粉末松装堆积区（自由充填区）喂料区压轧区,.,.,粉末轧制法与模压法相比，优点是制品的长度原则上不受限制；轧制制品密度比较均匀。粉末轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的限制（一般不超过10mm），宽度也受到轧辊宽度的限制。粉末轧制法只能制取形状较简单的板带材。,二、粉末轧制的特点,.,三、粉末轧制工艺,粉末准备喂料（水平、垂直方式）轧制（冷轧、热轧）轧坯烧结（直接烧结、成卷烧结）,.,.,.,1.粉末冷轧工艺,.,2.粉末热轧工艺,.,四、粉末轧制的应用,.,.,4.7.3粉末挤压一、概述1、粉末挤压的定义,粉末、粉末压坯或粉末烧结坯在外力作用下，通过挤压筒的挤压嘴挤成坯料或制品的成形方法。,.,粉末直接挤压（冷挤压）：适应于塑性好的金属粉末。粉末增塑挤压：粉末加入一定量的成形剂或粘结剂后挤压，适应于硬质粉末如硬质合金粉末。粉末包套热挤：适应于弥散强化合金等。烧结坯或粉末压坯的热挤压：适应于塑性较好的有色金属材料。,2、挤压的分类,.,3、粉末挤压成形的特点,1）能挤出直径小（1mm）、壁薄（0.01mm）的管材、棒材，以及其他异形截面的制品。2）产品长度原则不限，生产过程具有连续性。3）更换挤压嘴可以方便地改变产品的截面形状。4）工艺流程短、节能、成本较低。5）可获得致密、物理机械性能优良的材料或制品。,粉末挤压适用于截面尺寸较小，形状多样的各种棒材、管材坯体及制品。,.,1.粉末在挤压筒内的受力状态三向受压缩，一方向变形。挤压杆施加压力P，筒壁约束产生侧压力P侧，P侧=P相对运动产生摩擦力PfPf=P侧=P物料被挤出的条件：PPf+Pr(粉末变形阻力),二、粉末挤压成形原理,.,2.粉末在挤压筒内的流动状况三个区域：V1区：挤压初期物料不流动，后期进入V3区，向下流动；V2区：物料回流；V3区：向下（模嘴）流出。,三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响。,.,3.超前现象和轴向附加应力的形成,超前现象：由于摩擦力的影响，挤压筒中中心部位物料的流动速度较接近筒壁物料的流动速度快（挤出快）的现象。,.,.,4.挤压比,挤压比R：挤压筒横截面积与挤压嘴横截面积之比R=F/F0=D2/d2断面收缩率K：K=（F-F0）/F100%=（D2-d2）/D2100%,合适的挤压比是获得合格压坯的关键之一，一般R10,.,三、挤压模具设计,1、确定挤压比R,2、正确设计挤压嘴重要参数：锥角定型带长l表面粗糙度,.,四、粉末挤压工艺,1、增塑挤压具有一定粘结性和良好塑性的有机物（增塑剂）与金属粉末一起制成混合料后挤压。,增塑剂：石蜡+粘结剂PVA+硬脂酸（表面活性剂）添加量：6-8.5%粗颗粒粉末或厚壁件取下限细颗粒粉末或薄壁件取上限,.,粉末料+增塑剂掺合（40-50）预压（排气，提高料密度）挤压（40-50）挤压坯脱增塑剂烧结制品,硬质合金增塑挤压生产工艺流程,.,借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，使坯体发生充分致密化，便于制造高性能PM管材，棒材。应用烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金粉末包套热挤压：含有活性高的元素粉末，如Ti、B、Zr、Al、Si等的高温合金或弥散强化材料包套制作工艺与HIP相同,2.粉末热挤压,.,包套热挤压,为了防止粉末或压坯氧化，需要将它们装入包套内进行热挤压。包套的材质必须满足：包套材料在挤压温度下的刚性应尽量接近被挤压粉末，不与粉末发生反应，并可通过酸洗或机械加工的方法去除掉。可以获得孔隙率接近零的制品，其效果可以同热等静压相比。只能获得形状极为简单的形材，如圆、椭圆、矩形等。,.,.,.,.,.,.,4.7.4粉浆浇注,1.基本原理粉末与水（或其它液体）制成一定浓度的悬浮浆料，注入具有所需形状的石膏模中。多孔石膏模吸收粉浆中的水分（或液体），使浆料在模内得以致密并形成与模具型面相应的成形注件。,.,a)b)c)d)图6-3-10粉浆浇注工艺原理图a)组合石膏模b)粉浆浇注入模c)吸收粉浆水分d)成型注件,.,2.特点历史悠久的陶瓷成形方法，后应用于现代粉末冶金；是制取复杂形状、大件粉末冶金制品的有效方法；适于成形压制性较差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、氮化物、铬和硅等粉末；不需要压力机，设备简单，生产费用低；生产周期长，生产率低。,.,3.粉浆浇注工艺过程,.,.,（1）粉浆的制备,由金属粉末（纤维）与母液等组成的混合物。要求：具有一定的流动性、粘度和相对稳定性。浆料的主要组成：粉末+溶剂（水、酒精等）+添加剂,.,浆料中的添加剂1）粘结剂干燥后赋予坯件足够强度；PVA、PEG、藻肮酸钠等，3%2）悬浮剂阻止粉末颗粒间的聚集；弱酸、碱，在颗粒表面上吸附H+或OH-离子，静电吸附，同性相斥分离机理3）除气剂表面活性剂，使颗粒表面吸附的气体脱附，防止颗粒聚集和消除坯间气孔：正丁醇4）调节剂调节料浆粘度，改善流动性；常用NaOH、HCl，氨水等,.,制作过程（流程图）石膏粉粒度影响模具的吸水能力（图）,（2）石膏模制作,石膏粉+水（1:1.5）搅拌浇入型箱（铸造）干燥（40-50）石膏模,.,石膏模壁涂离型剂：硅油或肥皂水。作用：隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触、控制吸水速度。浇注方法：可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注法。也可以用压缩空气浇注，即用压缩气体将粉浆压入模具内。,（3）浇注,.,（1）粉末粒度：细粉末利于浇注（2）液固比：影响粉浆粘度和粉末沉降速度（3）粉浆的pH值：影响粉浆粘度和粉末沉降速度（4）分散剂与粘结剂：影响粉浆的粘度和沉降速度和坯体强度（5）气体,4.影响粉浆浇注的因素,.,一、注射成形的原理及特点基本原理：利用塑料注射成形原理，将金属粉末（陶瓷粉末等）与有机粘结剂一起制成混合料，在注射成形机上，在一定温度和压力下通过注射口注入闭合的模具中，冷却后开启模具，得到坯体。,4.7.5注射成形,.,2.注射成形的特点：1）是将粉末冶金与塑料注射成形结合的新的粉末成形工艺技术。是PM高新技术之一。2）可以大批量生产接近最终形状、尺寸的复杂形状的金属、陶瓷制品。3）生产工序少、无工序废料，少无切削加工。4）是制造复杂形状粉末冶金零件的研究热点之一，在难熔金属与硬质合金、不锈钢、轻金属粉末冶金、复合材料、陶瓷等领域有广阔的应用前景。比较：粉末注射成形和挤压成形,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,.,二、注射成形工艺过程,.,.,1.混练借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀。混练温度温度过高：导致粘结剂分解，或粘度太低而发生两相分离现象。温度过低：粉末聚集，喂料不均匀性。混练过程剪切