粉末冶金学--第三章

粉末冶金学,刘和平材料科学与工程学院Email:peace666,目录,一、粉末的制取二、粉末的性能及其测定三、成形四、烧结五、粉末冶金材料和制品六、粉末冶金的安全知识,三、成形,粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块。粉末可以用普通模压法或用特殊方法成形。3.1.成形前原料准备3.1.1退火3.1.2混合3.1.3筛分3.1.4制粒3.1.5加润滑剂,3.2.金属粉末压制过程3.2.1金属粉末压制现象压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图3-2是压模示意图。,3.2.2粉末颗粒变形与位移的几种形式（1）粉末的位移可用图3-3所示的两颗粉末来近似地说明。,（2）粉末的变形变形有三种情况，即弹性变形、塑性变形和脆性断裂。粉末的变形图3-4所示。,3.2.3金属粉末的压坯强度压坯强度是指压坯反抗外力作用，保持其几何形状尺寸不变的能力。压坯强度的测定方法主要用：压坯抗弯强度试验法，测定压坯边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度的方法。电解铜粉和还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系如图3-5和图3-6所示。,3.3.压制压力与压坯密度的关系3.3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律粉末体在压模中受压后发生位移和变形，随着压力的增加，压坯的相对密度出现有规律的变化，通常将这种变化规律假设为如图3-9所示的三个阶段。,3.3.2压制压力与压坯密度的定量关系目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式（包括理论公式和经验公式）有几十种之多。公式虽多，但却无理想的公式。这是由于多数理论都把粉末体作为弹性体来处理；并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化；有的未考虑到粉末之间的摩擦；而且多数理论都忽略了压制时间的影响。这些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。以下是几个有代表性的压制理论：（1）巴尔申压制方程巴尔申认为在压制金属粉末的情况下，压力与变形之间的关系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素，经数学处理后可以得到：但此方程仅在一定的场合中才是正确。,（2）川北公夫压制理论日本的川北公夫研究了多种粉末（大部分是金属氧化物）在压制过程中的行为。采用钢压模，粉末装入压模后在压机上逐步加压，然后测定粉末体的体积变化，作出各种粉末的压力-体积曲线，并得出有关经验公式：（3）黄培云压制理论方程黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式：比较上述各压制方程可以看出：在多数情况下，黄培云的双对数方程不论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好。川北公夫方程则在压制压力不太大时较为优越。,3.4.压制过程中力的分析3.4.1侧压力粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力就叫侧压力。侧压力对压坯过程和压坯质量具有重要意义。3.4.1.1侧压力与压制压力的关系为研究侧压力与压制压力的关系，可取一个简化的立方体压坯在压模中受力的情况来分析（如图3-14所示）。,3.4.1.2侧压系数与压坯密度的关系研究得出，粉末体的侧压系数和压坯密度有如下关系：侧压系数随侧压力的增加而增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐减少时，侧压系数也随之减少。图3-15为压制压力与侧压系数的关系。,3.4.2外摩擦力3.4.2.1外摩擦力粉末颗粒之间的摩擦叫内摩擦力，粉末颗粒与模壁之间的摩擦叫外摩擦力。3.4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系假设压坯是一个理想的正方体，而粉末颗粒也是一些小立方体，如图3-16所示。当压坯之截面积与高度之比为一定值时，压坯尺寸越大，消耗于克服外摩擦的压力损失便相应减少。由于总的压制压力是消耗于粉末颗粒的位移、变形，以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损失。所以对于大的压坯来说，由于压力损失相对减少，因而所需的总的压制压力和单位压制压力也会相应地减少。表3-7是从压坯比表面积的角度来说明上述规律的。,由表可知，随着压坯尺寸的增加，压坯的比表面积相对减小，即压坯与模壁的相对接触面积减小，因而消耗于外摩擦力的压力损失便相应减小，所以对于尺寸大的压坯所加的单位压制压力比小压坯所需的要相应减少。,3.4.2.3摩擦力对压制过程及压坯质量的影响图3-17可知，在无润滑剂情况下进行压制时，外摩擦压力损失可达6090，压力损失是很大的。这就引起了压坯密度沿高度分布的不均匀。可以看出，在压制过程中，外摩擦力对压制过程会有一系列的影响。,3.4.3脱模压力把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模压力同样受到一系列因素的影响，其中包括压制压力、压坯密度、粉末材料的性质、压坯尺寸、模壁的状况，以及润滑条件等等。脱模压力与压制压力的关系，取决于摩擦系数和泊松比。因此可知，脱模压力与压制压力成线性关系硬质合金物料在大多数情况下的脱模压力值约为压制压力的30%在小压力和中等压力下压制时，一般说来，压制压力小于或等于300400MPa时，脱模压力一般不超过0.3P。,3.4.4弹性后效在压制过程中，当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后，由于弹性内应力的作用，压坯将发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示：不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压制压力的关系如图3-18和图3-19所示。,影响弹性后效大小的因素很多，如粉末的种类及其粉末特性（如粒度和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等）、压制压力大小、加压速度、压坯孔隙度、压模材质和结构以及成形剂等。图3-20为不同方法制取的铁粉和铜粉的弹性后效。,3.5.压制密度及其分布3.5.1压坯密度分布规律实践证明，在单向压制时，压坯沿其高度方向上密度分布是不均匀的。任取一个圆柱形压模，用锡箔纸作垫片（或用石墨粉作隔层），将同等质量的粉末，分别装入压模中，然后进行单向压制，即可得到如图3-21所示的压坯形状。,3.5.2影响压坯密度分布的因素实验证明，增加压坯的高度会使压坯各部分的密度差增大，而加大直径则会使密度的分布更加均匀。压坯中密度分布的不均匀性，在很大程度上可以用双向压制来改善。在双向压制时，与上、下模冲接触的两端密度较低（图3-24）。,3.5.3复杂形状压坯的压制在压制横截面不同的复杂形状压坯时，必须保证整个压坯内的密度相同。而为了使横截面不同的复杂形状压坯的密度均匀，需要设计不同动作的多模冲压模，并且使它们的压缩比相等。如图3-28所示。,3.6.成形剂3.6.1使用成形剂的目的粉末体在压制过程中，外摩擦力的存在会引起压制压力沿压坯高度降低。减少摩擦的方法有两种：一是使用高光洁度、高硬度的模具；二是在粉末混合料中加入成形剂（或称粘结剂）。使用成形剂的目的有：a促进颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制力；b提高压坯强度，减少粉尘飞扬，改善劳动条件；c提高压坯密度的均匀性，改善压坯表面质量；d可明显提高压模寿命等等。,3.6.2成形剂的选择原则选择成形剂的原则有以下几个方面：（1）成形剂的加入不会改变混合料的化学成分；成形剂在随后的预烧或烧结过程中能全部排除，不残留有害物质；所放出的气体对人体无害。（2）成形剂应具有很好的分散性能；具有较好的粘性和良好的润滑性；并且易于和粉末料混合均匀。（3）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大；除特殊情况外其软化点应当高，以防止混合过程中的温升而熔化。（4）烧结后对产品性能和外观等没有不良影响。（5）成本低，来源广。实践中，不同的金属粉末必须选用不同的物质作成形剂。,3.6.3成形剂的用量及效果成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及摩擦表面有关，并与成形剂本身的性质有关。一般说来，细颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同（图3-30）。由图可知，成形剂的加入量与形状因素成正比。,加入不同粒度的成形剂对粉末流动性、松装密度和脱模压力的影响如图3-31和图3-32所示。成形剂的加入量还影响压坯密度和脱模压力（图3-21）。图3-22是成形剂对烧结体的抗弯强度的影响。,从图3-30图3-34可知，加入成形剂对压坯质量和烧结性能都有影响，因此应从多方面综合考虑正确地选择和使用成形剂。由上分析，也可不把成形剂加入混合料中而直接润滑压模。常用润滑压模地润滑剂有：硬脂酸、硬脂酸盐类、丙酮、苯、甘油、油酸、三氯乙烷等。图3-35为不同润滑方式对压坯密度的影响。,3.7.压制废品分析压制废品的种类很多，主要有分层、裂纹、掉边掉角、压坯密度严重不均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。（1）分层沿压坯的棱边向内部发展的裂纹，并且大约与受压面呈45角的整齐界面（图3-36）。（2）裂纹裂纹一般是不规则的，并且无整齐的界面。但裂纹同样出现在应力集中的部位（图3-38）。（3）掉边掉角（4）压坯密度严重不均和其它废品,3.8.影响压制过程和压坯质量的因素3.8.1粉末性能对压制过程的影响3.8.1.1粉末的物理性能的影响（1）金属粉末的硬度和可塑性对压制过程的影响很大。软金属粉末比硬金属粉末易于压制，所需的压制压力要小的多（表3-10）。（2）金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。一般说来，压制硬金属粉末压模的寿命短。,3.8.1.2粉末纯度的影响粉末纯度愈高，压制愈易进行。制造高密度零件时，粉末的化学成分对其成形性能影响较大。3.8.1.3粉末颗粒及粒度组成的影响粉末的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为就不一致。与颗粒形状相同的粗粉末相比，细颗粒粉末的压缩性较差，而成形性好。3.8.1.4粉末颗粒形状的影响粉末颗粒形状对压制过程和压坯质量的影响具体反映在其填充性能、压制性等。粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。3.8.1.5粉末松装密度的影响粉末松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素松装密度小时，模具的高度和模冲的长度必须增大。松装密度大时，模具的高度及模冲的长度可以缩短。实践中应采用的松装密度大小，需根据实际情况而定。,3.8.2成形剂对压制过程及压坯质量的影响成形剂的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加压坯强度等。3.8.3压制方式对压制过程及压坯质量的影响3.8.3.1加压方式的影响为了减少压制过程中的压坯密度出现不均匀现象，可以采用双向压制及多向压制（等静压制），或者改变压模结构等。特别是当压坯的高径比较大时，采用单向压制不能保证制品的密度要求。某些难熔金属化合物（如碳化硼）的压制，有时为了保证密度要求，还可采用换向压制的方法。3.8.3.2加压速度的影响通常的压制过程均是以静压（缓慢加压）状态进行的。粉末体受到高速冲击负荷作用时，压坯的致密化过程与静压时的情况是不同的。,3.8.3.3加压保持时间的影响粉末在压制过程中，如果在某一特定的压力下保持一定的时间，往往可得到非常好的效果。这对于形状复杂或体积较大的制品来说更为重要（如图3-39所示）。对于形状简单、体积小的制品通常不采取保压。如需保压，保压时间可根据具体时间确定。,3.9.特殊成形3.9.1等静压成形3.9.1.1等静压制的基本原理等静压制是借助高压泵的作用把液体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内（如图3-41），高压流体的静压力直接作用在弹性模套内粉末上，使粉末体在同一时间内各个方法均匀受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。（A）压力分布和摩擦力对压坯密度分布的影响（B）压制压力与压坯密度的关系,3.9.1.2冷等静压制冷等静压制主要工艺过程包括模具材料的选择及模具的制作，粉末料的准备，以及将粉末料装入模袋、密封、压制和脱模。图3-43为冷等静压工艺的流程图。,（1）模具材料的选择及制作冷等静压制模具大多采用弹性物，例如天然橡胶和合成橡胶。这些弹性材料的性质如表3-13所示。近年来又采用了塑料。热塑性软性树脂是目前制作模具的主要材料。,（2）粉末料的准备（3）装料、密封及抽气冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具压制（图3-44）和干袋模具压制（图3-45）两种。（4）压制和脱模,3.9.1.3软模压制软模成形是利用塑性的弹性好的特点，它能与液体介质一样均匀传递压力，而且不收缩。用塑料作模具，图3-46为软模成形示意图。软模压制可以不用复杂设备而制得密度均匀的异形制品。软模材料通常选取聚氯乙稀塑料。,3.9.2三轴压制三轴压制可以近似地认为就是双轴压制（模压）和等静压制的结果。三轴压制周压轴压。三轴压制的效果，无论从压坯密度还是从压坯抗弯强度上看都是较好的。只要在很低的周压条件下增大轴压，就可生产比其它两种成形方法均好的压坯。三轴压制的产品具有高密度、高强度的特性。三轴压制装置如图3-47所示。,3.9.3粉浆浇注粉浆浇注是金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成形的过程。对于压制性差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、氮化物、铬和硅等粉末，粉浆浇注是特别有效的成形方法。用粉浆浇注方法制得的制品密度应是均匀的。用粉浆浇注法可以生产坩埚、圆柱体和矩形坯块、涡轮叶片等制品,3.9.4金属粉末轧制粉末压制法与模压法相比，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。但粉末压制法只能制取形状较简单的板带板以及直径与厚度比