1、第四章 粉末的成形粉末成形粉末成形是粉末冶金的第二个阶段。它是将松散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。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，叫做末体，叫做压坯压坯。粉末成形粉末成形有多种方法，有多种方法，除了除了普通的模压法，其他普通的模压法，其他都归为特殊成形方法都归为特殊成形方法。模压成形是最基本方法。模压成形是最基本方法。松松装装烧烧结结粉粉浆浆浇浇注注模模压压成成形形热热压压成成形形等等静静压压成成形形轧轧制
2、制成成形形离离心心成成形形挤挤压压成成形形爆爆炸炸成成形形成形成形无压成形无压成形加压成形加压成形粉末成形方法粉末的预处理粉末的预处理普通模压法成形普通模压法成形压制理论压制理论特殊成形方法特殊成形方法 本章主要内容4.1 粉末的预处理预处理包括：预处理包括：退火、筛分、混合、制粒、退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂加润滑剂等。等。1、退火还原氧化物还原氧化物消除加工硬化消除加工硬化钝化金属，防止自燃钝化金属，防止自燃消除杂质，提高纯度消除杂质，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。按照粒度分成
3、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。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。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，有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为称为合批合批。混合时，除基本原料粉末外，其它添加组元有以下混合时，除基本原料粉末外，其它添加组元有以下三类：三类：合金组元合金组元游离组元游离组元工艺性组元工艺性组元4.2 普通模压法成形 模压法成形模压法成形是最广泛使用的粉末成形技术。是最广泛使用的粉末
4、成形技术。它是指在常温下将混合均匀的粉末按一定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。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：这种成形过程通常由以下工步组成：称粉、称粉、装粉、压制、保压及脱模装粉、压制、保压及脱模。模压原理模压作用（1 1）将粉末成形为所要求的）将粉末成形为所要求的形状形状。（2 2）赋予坯体以精确的）赋予坯体以精确的尺寸尺寸。（3 3）赋予坯体要求的）赋予坯体要求的孔隙度孔隙度和孔隙类型。和孔隙类型。（4 4）赋予坯体以适当的）赋予坯体以适当的密度与强度密
5、度与强度，以便，以便搬运。搬运。4.2.1 称粉与装粉 称粉称粉就是称量成形一个压坯所需的粉料的重就是称量成形一个压坯所需的粉料的重量或容量。量或容量。采用非自动压模和小批量生产时，多用采用非自动压模和小批量生产时，多用重量重量法法；大量生产和自动化压制成形时，一般采；大量生产和自动化压制成形时，一般采用用容量法容量法，且是用压模型腔来进行定量。，且是用压模型腔来进行定量。4.2.2 压制方法 单向压制：单向压制：凹模和下凸模不动，由上凸模凹模和下凸模不动，由上凸模单向加压。单向加压。双向压制：双向压制：凹模固定不动，上下凸模以大凹模固定不动，上下凸模以大小相等方向相反的压力同时加压。小相等方
6、向相反的压力同时加压。浮动压制：浮动压制：下凸模固定不动，凹模用弹簧、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。气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。图图6-3-6 三种基本压制方式三种基本压制方式a）单向压制）单向压制 b）双向压制）双向压制 c）浮动压制）浮动压制 4.2.3 压制过程 压制过程可分为压制过程可分为四个阶段四个阶段：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.a.垂
7、直截面上，上层密度大于下层密度；垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；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；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.c.压坯底部的边缘密度低。压坯底部的边缘密度低。导致制品性能不均匀；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。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与
8、模腔壁在压制过程中产生的摩擦摩擦。摩擦力导致摩擦力导致压力损失，使压力损失，使压力分布不均匀压力分布不均匀。3、影响因素与措施a.a.压坯压坯高度与直径比高度与直径比b.b.摩擦系数摩擦系数c.c.压制方式压制方式减小坯件高度与直径比减小坯件高度与直径比使用润滑剂使用润滑剂采用双向压制或浮模压制工艺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.a.随随压制压力压制压力的增高而增大；的增高而增大；b.b.随随粉末的粒度粉末的粒度或松装密度的增大而增大；或松装密度的增大而增大；c.c.颗粒的颗粒的强度和硬度强度和硬度降低，有利于提高压
9、坯降低，有利于提高压坯密度；密度；d.d.降低降低压制速度压制速度，提高压坯密度。，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 粉末种类 松装密度/(g/cm3)硬度HBW压坯达到60相对密度所需压制力/MPa压坯达到80相对密度所需压制力/MPa铅（Pb）3.9835245 618 锡（Sn）3.50505151029铜（Cu）3.514922053724铁（Fe）2.7070200949005、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
10、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压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。步。压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而胀大，压坯从模腔中脱出后，
11、会产生弹性恢复而胀大，这种胀大现象，叫做这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效回弹或弹性后效，可用回，可用回弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。回弹率回弹率的大小与模具尺寸计算有直接的关系。的大小与模具尺寸计算有直接的关系。复杂零件的压制1 1尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大尽量采用简单、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。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 2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹。避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹。3 3避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减
12、少余块。避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块。4 4避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交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。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、零件分类一、零件分类二、模具与压制方式分类二、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（一）压制曲线 压坯密度与压力的压坯密度与压力的关系，称为压制曲线。一关系，称为压制曲线。一定成分和性能的粉末只有定成分和性能的粉末只有一条压制曲线，压制曲线一条压制曲线，压制曲线对合理选择压制压应力具对合理选择压制压应力具有指
13、导作用。有指导作用。压制曲线一般可以分为三个区域：压制曲线一般可以分为三个区域：区密度随压力急速增加。区密度随压力急速增加。颗粒颗粒作相对滑动和转动，作相对滑动和转动，填入空隙，破填入空隙，破坏坏“拱桥拱桥”。区区密度随压力增加较慢。密度随压力增加较慢。颗粒变形，加工硬化，密度随压力增加颗粒变形，加工硬化，密度随压力增加减慢。实际压应力一般选在该区。减慢。实际压应力一般选在该区。区区密度几乎不随压力增加而变化。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，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。只有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。t=0ht=0.5ht=1
14、ht=2ht=3h+t=7.5ht=10h*t=21h图3-1 Ti-Al复合粉的相对密度与球磨时间及压强的关系（二）压制曲线的函数表示法（二）压制曲线的函数表示法粉末压制曲线均可用下式表示：粉末压制曲线均可用下式表示：将上式两边取对数，可得将上式两边取对数，可得 lnlnp作图可得出常数作图可得出常数a、b。式中，式中，为压坯密度为压坯密度（g/cm3）；）；p压制压压制压应力；应力；a、b为与粉末为与粉末特性有关的常数，对特性有关的常数，对于一定粉末其为一定于一定粉末其为一定值。值。（三）压制曲线影响因素（三）压制曲线影响因素实测的压制曲线受以下因素影响：实测的压制曲线受以下因素影响：压坯
15、高径比压坯高径比H/D：H/D越大，使曲线向下偏移。一越大，使曲线向下偏移。一般取般取H/D=0.51。粉末粒度：粉末粒度：粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上。偏上。粉末颗粒形状：粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低。形状越复杂，曲线位置越偏低。粉末加工硬化：粉末加工硬化：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，则偏高。软化粉末，则偏高。粉末氧化：粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。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。压制压力与密度间的定量数学关系。（一）基本定义（一）基本定义 密度（密度（d
16、ensity）：）：=质量质量/体积（体积（g/cm3）比容比容 v=1/（cm3/g）相对密度：相对密度：m 固体理论密度固体理论密度4.6 压制理论 孔隙度（孔隙度（porosity）Vm 致密固体体积致密固体体积 相对容比（相对体积或相对容积）相对容比（相对体积或相对容积）孔隙度系数（孔隙相对容比）孔隙度系数（孔隙相对容比）（二）巴尔申压制理论（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，最终可得出压制过程应用虎克定律，最终可得出 该式称为该式称为巴尔申方程巴尔申方程。式中，。式中，
17、l 为压制因素，为压制因素，k为为材料硬度，材料硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为为=1时的压制时的压制压力，称为最大极限压力。压力，称为最大极限压力。巴尔申压制方程的局限性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。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。）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）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。越软、压制压力越高，加工硬化现象越严
18、重。（3）未考虑摩擦力的影响。）未考虑摩擦力的影响。（4）未考虑压制时间影响。）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。）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）公式推导中，未将“变形变形”与与“应变应变”严格区分开。严格区分开。（三）川北公夫压制理论（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：方程：式中，式中，c为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；V0为无为无压时粉末体积，压时粉末体积，V为压制压强为压制压强 p时压坯
19、的体积；时压坯的体积；a、b为常数，为常数，与粉末特性有关。与粉末特性有关。（四）黄培云压制理论（四）黄培云压制理论 考虑了粉末的非线性弹滞性考虑了粉末的非线性弹滞性、以及在压制过程中颗粒经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：受大幅度应变的事实。导出下述压制方程：式中，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；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，为应变硬化指数的倒数，n=1,无硬化；无硬化；m 为固体理论密度，为固体理论密度，0为未加压时粉为未加压时粉末体密度，末体密度，为压强为压强p时压坯的密度。时
20、压坯的密度。t=0ht=0.5ht=1ht=2ht=3h+t=7.5ht=10h*t=21h图3-2 不同球磨时间的Ti-Al复合粉的硬化指数曲线（五）几种理论的适用范围（五）几种理论的适用范围 黄培云的双对数方程对黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用软粉末或硬粉末都适用；并且，；并且，与粉末实际压制过程较符合。与粉末实际压制过程较符合。巴尔申方程用于巴尔申方程用于硬粉末硬粉末比软粉末效果好，尤其在压制开比软粉末效果好，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）。固体的滞弹性）。川北方程在压制川北方程在
21、压制压力不太大压力不太大时，是个较好的经验方程。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。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成形法。这些成形方法按其工作原理和特点分为分为等静压成形、连续成形、无压成形、注等静压成形、连续成形、无压成形、注射成形、高能成形射成形、高能成形等，统称特殊成形。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
22、作用把流体介质（气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，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高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上。粉末上。粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压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，称而获得密度分布均匀和强度较高的压坯，称为为等静压制等静压制，简称，简称等静压等静压。等静压可分为冷等静压和热等静压两种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
23、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。体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质液体介质可以是油、水或甘油。可以是油、水或甘油。包套材料包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。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。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由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度所以可获得密度较均匀的压坯较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。
24、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。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。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）混合粉（不需加成形剂或润滑剂）装袋装袋抽气封口抽气封口加低压加低压放气放气加加高压高压保压保压卸压卸压开盖取样开盖取样毛坯毛坯机加工机加工烧结烧结二、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。随着温度闭的缸体中，用压
25、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。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。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，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。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
26、粉末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。除气孔和微裂纹。热等静压工艺过程粉末原料或预烧坯粉末原料或预烧坯装套（钢套或玻璃套）装套（钢套或玻璃套）抽气密封抽气密封热等静压缸热等静压缸通气加压通气加压加加热升温热升温保温保压保温保压卸压降温卸压降温开缸取样开缸取样机加工机加工成品成品热等静压温度比一般烧结温度低，约为金热等静压温度比一般烧结温度低，约为金属熔点的一半属熔点的一半。热等静压的密度可达到或接近理论密度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
27、将金属粉末喂入一对转动的轧辊中，由于摩擦力的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。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。一般包括主要生产板带状粉末冶金材料。一般包括粉末直接粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等。等。粉末轧制的特点：能生产特殊结构和性能的材料，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。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
28、或致密的粉末冶工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板带材。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 轧辊轧辊轧坯轧坯一、粉末轧制的基本原理 松散粉末需依次经过三个松散粉末需依次经过三个区域才能完成轧制：区域才能完成轧制：（三个特征区）（三个特征区）粉末松装堆积区粉末松装堆积区 （自由充填区）（自由充填区）喂料区喂料区 压轧区压轧区 粉末轧制法与模压法相比，优点是制品的长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。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粉末
29、轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的限制（一般不超过制（一般不超过10 mm10 mm），宽度也受到轧辊），宽度也受到轧辊宽度的限制。宽度的限制。粉末轧制法只能制取形状较简单的板带材。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 粉末准备粉末准备 喂料（水平、垂直方式）喂料（水平、垂直方式）轧制（冷轧、热轧）轧制（冷轧、热轧）轧坯轧坯烧结（直烧结（直接烧结、成卷烧结）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、概述一、概述 1、粉末挤压的定义粉末挤压的定义粉末、粉末压坯或粉末烧结坯在外力作用粉末、粉末压坯或粉末烧结坯在外
30、力作用下，通过挤压筒的挤压嘴挤成坯料或制品下，通过挤压筒的挤压嘴挤成坯料或制品的成形方法。的成形方法。粉末直接挤压（冷挤压）：粉末直接挤压（冷挤压）：适应于塑性好的适应于塑性好的金属金属粉末。粉末。粉末增塑挤压：粉末增塑挤压：粉末加入一定量的成形剂或粘结粉末加入一定量的成形剂或粘结剂后挤压，适应于硬质粉末如剂后挤压，适应于硬质粉末如硬质合金粉末。硬质合金粉末。粉末包套热挤：粉末包套热挤：适应于弥散强化适应于弥散强化合金等。合金等。烧结坯或粉末压坯的热挤压：烧结坯或粉末压坯的热挤压：适应于塑性较好的适应于塑性较好的有色金属材料。有色金属材料。2 2、挤压、挤压的分类的分类3 3、粉末挤压成形的特
31、点粉末挤压成形的特点1 1）能挤出直径小（）能挤出直径小（1mm1mm）、壁薄（）、壁薄（0.01mm0.01mm）的）的管材、管材、棒棒材，以及其他异形截面材，以及其他异形截面的制品。的制品。2 2）产品长度原则不限，生产过程）产品长度原则不限，生产过程具有连续性。具有连续性。3 3）更换挤压嘴可以方便地改变产品的）更换挤压嘴可以方便地改变产品的截面形状。截面形状。4 4）工艺流程短、节能、）工艺流程短、节能、成本较低。成本较低。5 5）可获得致密、物理机械性能优良的材料）可获得致密、物理机械性能优良的材料或制品。或制品。粉末挤压适用于截面尺寸较小，形状多样粉末挤压适用于截面尺寸较小，形状多
32、样的各种的各种棒材、管材坯体棒材、管材坯体及制品。及制品。1.1.粉末在挤压筒内的受力状态粉末在挤压筒内的受力状态三向受压缩，一三向受压缩，一方向变形。方向变形。挤压杆施加压力挤压杆施加压力P，筒壁约束，筒壁约束产生侧压力产生侧压力P侧侧，P侧侧=P相对运动产生摩擦力相对运动产生摩擦力Pf Pf=P侧侧=P物料被挤出的条件：物料被挤出的条件：PPf+Pr(粉末变形阻力粉末变形阻力)二、粉末二、粉末挤压成形原理挤压成形原理图图 挤压时混合料挤压时混合料的受力状态的受力状态1 1轴向压力轴向压力2 2径向（侧）压力径向（侧）压力3 3模壁摩擦力模壁摩擦力4 4拉力拉力12 24432.2.粉末在挤
33、压筒内的流动状况粉末在挤压筒内的流动状况三个区域：三个区域：V1区：区：挤压初期物料不流动，后挤压初期物料不流动，后 期进入期进入V3区，向下流动；区，向下流动；V2区：区：物料回流；物料回流；V3区：区：向下（模嘴向下（模嘴）流出。）流出。三个区域位置不断变化、大小、形状受多重三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响。因素影响。3.3.超前现象和轴向附加应力的形成超前现象和轴向附加应力的形成超前现象：超前现象：由于摩擦力的影响，由于摩擦力的影响，挤压筒中中心部位物料的挤压筒中中心部位物料的流动速度较接近筒壁物料流动速度较接近筒壁物料的流动速度快（挤出快）的流动速度快（挤出快）的现象。的
34、现象。4.4.挤压比挤压比挤压比挤压比R：挤压筒横截面积与挤压嘴横截面积之比挤压筒横截面积与挤压嘴横截面积之比 R=F/F0=D2/d2断面收缩率断面收缩率K：K=（F-F0）/F 100%=（D2-d2）/D2 100%合适的挤压比是获得合格压坯的关键之一，合适的挤压比是获得合格压坯的关键之一，一般一般 R10三、挤压三、挤压模具设计模具设计1、确定挤压比确定挤压比R2、正确设计挤压嘴正确设计挤压嘴重要参数：重要参数：锥角锥角 定型带长定型带长 l 表面粗糙度表面粗糙度四、粉末四、粉末挤压工艺挤压工艺1、增塑挤压、增塑挤压 具有具有一定一定粘结性和粘结性和良好塑性的有机物（增塑剂良好塑性的有
35、机物（增塑剂）与金属粉末与金属粉末一起制成混合料一起制成混合料后挤压。后挤压。增塑剂：增塑剂：石蜡石蜡+粘结剂粘结剂PVA+硬脂酸（硬脂酸（表面活性剂）表面活性剂）添加量：添加量：6-8.5%粗颗粒粉末或厚壁件取下限粗颗粒粉末或厚壁件取下限 细颗粒粉末或薄壁件取上限细颗粒粉末或薄壁件取上限粉末料粉末料+增塑剂增塑剂掺合（掺合（40-50）预压（排气，提高料密度）预压（排气，提高料密度）挤压（挤压（40-50）挤压坯挤压坯 脱增塑剂脱增塑剂 烧结烧结 制品制品硬质合金增塑挤压生产工艺流程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，借助于高温的作用改善金属的塑性流动性能，
36、使坯体发生充分致密化，便于制造使坯体发生充分致密化，便于制造高性能高性能PMPM管材，管材，棒材。棒材。应用应用 烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金烧结坯热挤压：塑性好的金属与合金 粉末包套热挤压：含有活性高的粉末包套热挤压：含有活性高的元素粉末，如元素粉末，如TiTi、B B、ZrZr、AlAl、SiSi等的等的高温合金或弥散强化材料高温合金或弥散强化材料 包套制作工艺与包套制作工艺与HIPHIP相同相同2.粉末热挤压粉末热挤压包套热挤压包套热挤压 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。套内进行热挤压。包套的材质必须满足：包套的材质必须
37、满足：包套材料在挤压温度下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。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。热等静压相比。只能获得形状极为简单的形材，如圆、椭圆、只能获得形状极为简单的形材，如圆、椭圆、矩形等。矩形等。4.7.4 粉浆浇注1.1.基本原理基本原理粉末与水（或其它液体）制成一定浓度的悬浮浆料，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注入具有所需形状的石膏模
38、中。多孔。多孔石膏模吸收粉浆石膏模吸收粉浆中的中的水分（或液体），水分（或液体），使浆料使浆料在模内得以致密在模内得以致密并形成并形成与模具型面相应与模具型面相应的成形的成形注件。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2.2.特点特点 历史悠久的陶瓷成形方法，后应用于现代粉末冶历史悠久的陶瓷成形方法，后应用于现代粉末冶 金；金；是制取复杂形状、大件粉末冶金制品的有效方法；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、硅化适于成形压制性较差的脆性粉末，如碳化物、硅化 物、氮化物
39、铬和硅等粉末；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；不需要压力机，设备简单，生产费用低；生产周期长，生产率低。生产周期长，生产率低。3.粉浆浇注工艺过程粉浆浇注工艺过程（1）粉浆的制备粉浆的制备 由金属粉末（纤维）与母液等组成由金属粉末（纤维）与母液等组成的混合物。的混合物。要求：具有一定的流动性、粘度要求：具有一定的流动性、粘度和相对稳定性。和相对稳定性。浆料的主要组成：浆料的主要组成：粉末粉末 +溶剂（水、酒精等）溶剂（水、酒精等）+添加剂添加剂 浆料中的添加剂浆料中的添加剂 1 1）粘结剂）粘结剂 干燥后赋予坯件足够强度；干燥后赋予坯件足够强度；PVAPVA、P
40、EGPEG、藻肮酸钠等，、藻肮酸钠等，3%3%2 2）悬浮剂）悬浮剂 阻止粉末颗粒间的聚集；弱酸、碱，在颗粒表面上吸附阻止粉末颗粒间的聚集；弱酸、碱，在颗粒表面上吸附 H+H+或或OH-OH-离子，静电吸附，同性相斥离子，静电吸附，同性相斥分离分离 机理机理 3 3）除气剂）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：正丁醇集和消除坯间气孔：正丁醇 4 4）调节剂）调节剂 调节料浆粘度，改善流动性；常用调节料浆粘度，改善流动性；常用NaOHNaOH、HClHCl，氨水等，氨水等 制作过程（流程图）制作过程（流程图）
41、石膏粉粒度影响模具的石膏粉粒度影响模具的 吸水能力（图）吸水能力（图）（2）石膏模制作）石膏模制作石膏粉石膏粉+水水（1:1.51:1.5）搅拌搅拌浇入型箱浇入型箱（铸造）（铸造）干燥（干燥（40-5040-50）石膏模石膏模石膏模壁涂离型剂：石膏模壁涂离型剂：硅油或硅油或肥皂水。肥皂水。作用：作用：隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触、控隔绝粉末颗粒与石膏颗粒间的接触、控制吸水速度。制吸水速度。浇注方法：浇注方法：可以用手工浇注，即所谓倾倒浇注可以用手工浇注，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。将粉浆压入模具内。（3）浇注浇注
42、1 1）粉末粒度：）粉末粒度：细粉末利于浇注细粉末利于浇注（2 2）液固比：）液固比：影响粉浆粘度和粉末沉降速度影响粉浆粘度和粉末沉降速度（3 3）粉浆的）粉浆的pHpH值：值：影响粉浆粘度和粉末沉降速度影响粉浆粘度和粉末沉降速度（4 4）分散剂与粘结剂）分散剂与粘结剂 ：影响粉浆的粘度和沉降速度影响粉浆的粘度和沉降速度 和坯体强度和坯体强度（5 5）气体）气体 4.影响粉浆浇注的因素影响粉浆浇注的因素一、注射成形的原理及特点一、注射成形的原理及特点1.1.基本原理：基本原理：利用利用塑料注射成形原理，将金属粉末（陶瓷塑料注射成形原理，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
43、射粉末等）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。闭合的模具中，冷却后开启模具，得到坯体。4.7.5 注射成形2.2.注射成形的特点：注射成形的特点：1 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）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。技术。是是PMPM高新技术之一。高新技术之一。2 2）可以大批量生产接近最终形状、尺寸的复杂形状的金属、）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。陶瓷制品。3 3）生产工序少、无工序废料，少）生产工
44、序少、无工序废料，少无切削无切削加工。加工。4 4）是制造复杂形状粉末冶金零件的研究热点之一，是制造复杂形状粉末冶金零件的研究热点之一，在难熔在难熔 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。瓷等领域有广阔的应用前景。比较比较：粉末注射成形和挤压成形：粉末注射成形和挤压成形School of Materials Science and Engineering二、注射成形工艺过程二、注射成形工艺过程1.1.混练混练 借助于借助于温度和剪切应力的联合作用，使温度和剪切应力的联合作用，使PIMPIM喂料均匀。喂料
45、均匀。混练温度混练温度 温度温度过高：过高：导致粘结剂分解，或粘度太低而发生导致粘结剂分解，或粘度太低而发生两相分两相分 离现象。离现象。温度温度过低：过低：粉末聚集，喂料粉末聚集，喂料不均匀性。不均匀性。混练过程剪切力：由混练过程剪切力：由旋转速度决定旋转速度决定 剪切力太高：剪切力太高：混练设备磨损和混练设备磨损和引入机械夹杂。引入机械夹杂。剪切力太低：剪切力太低：粉末聚集、混料粉末聚集、混料不均。不均。2.2.注射成形注射成形 关键工艺参数为：注射压力、温度关键工艺参数为：注射压力、温度热脱脂：热脱脂：在一定温度和气氛条件在一定温度和气氛条件，多元，多元组份中的低组份中的低熔点组份形成液
46、相借毛细作用溢出注射坯体熔点组份形成液相借毛细作用溢出注射坯体或蒸或蒸发。发。若若TT分解温度，也可形成相应单分子化合物分解温度，也可形成相应单分子化合物排出高熔点组份，部分残留在粉末颗粒接触处，排出高熔点组份，部分残留在粉末颗粒接触处，赋予脱脂坯体赋予脱脂坯体足够强度。足够强度。溶剂脱脂：溶剂脱脂：利用粘结剂组份在溶剂中利用粘结剂组份在溶剂中的选择性的选择性溶溶解，粘结剂扩散逸出注射坯体。过程进行速度慢。解，粘结剂扩散逸出注射坯体。过程进行速度慢。3.3.脱脂脱脂注射坯件的微观结构注射坯件的微观结构脱脂过程脱脂过程 脱脂后的脱脂后的PIMPIM坯体为多孔结构，导热系数坯体为多孔结构，导热系数
47、很小。很小。过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成过快的升温速度造成坯件表面层优先烧结，形成硬壳，阻止内部硬壳，阻止内部粉末收缩。粉末收缩。热应力可能导致坯体变形热应力可能导致坯体变形和空洞。和空洞。注射成形坯体的烧结技术要求高！注射成形坯体的烧结技术要求高！4.4.烧结烧结注射成形坯体的烧结技术要求高！注射成形坯体的烧结技术要求高！三、注射成形产品性能三、注射成形产品性能Remington兵器公司兵器公司MIM材料性能材料性能典型性能典型性能Fe-20%NiFe-C-Ni316L密度（密度（g/cm3）相相对密度（密度（%）开孔率（开孔率（%）抗拉抗拉强强度（度（686x104Pa）屈服
48、屈服强强度（度（686x104Pa）延伸率（延伸率（%）洛氏硬度洛氏硬度7.5950.548253048RB7.8970.11201020RC7.5930.368253548RB 喷射成形喷射成形是将喷射沉积与成是将喷射沉积与成形技术结合一起进行加工金形技术结合一起进行加工金属或合金成半成品或成品的属或合金成半成品或成品的新工艺。新工艺。将雾化液态微粒先沉积为预将雾化液态微粒先沉积为预成形实体，然后进行各种形成形实体，然后进行各种形式冷热加工成板、带、棒、式冷热加工成板、带、棒、管材。管材。喷射沉积原理示意喷射沉积原理示意1雾化液微粒流雾化液微粒流2沉积物沉积物 3衬底衬底 4金属液流金属液流
49、12p432144.7.6 喷射成形喷射成形工艺特点：喷射成形工艺特点：制各种板、带、管等半成品制各种板、带、管等半成品及成品。及成品。控制雾化速度可控制制品的组织控制雾化速度可控制制品的组织和性能，和性能，如：晶态如：晶态、非晶、非晶等组织。等组织。材料各向同性。材料各向同性。可制多可制多层复合材料。层复合材料。在在 传传 统统 快快 速速 凝凝 固固/粉粉 末末 冶冶 金金(RS/PM)(RS/PM)工工艺艺基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种全全新新的的先先进进材材料料制制备备与与成形技术。成形技术。原原料料喷喷射射熔熔化化产产品品接接收收体体喷射成形工艺流程图喷射成形工艺流程图产品
50、形状产品形状棒棒坯坯、管管坯坯、板板坯坯、环环、盘盘等等涉及合金涉及合金铝铝基基合合金金、铜铜基基合合金金、镍镍基基高温合金、钢、硅基合金等高温合金、钢、硅基合金等应用领域应用领域汽汽车车、电电子子、航航空空航航天天和和其其它它普通工业等普通工业等TiAl圆柱锻造成圆盘圆柱锻造成圆盘喷射成形工艺方法喷射成形工艺方法 喷射轧制喷射轧制 喷射锻造喷射锻造 离心离心喷射沉积喷射沉积 喷射涂层喷射涂层Spray CastingSpray casting(Osprey process)in which molten metal is sprayed over a rotating mandrel to
