粉末成形与烧结PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 粉末材料的成形与烧结粉末材料的成形与烧结粉末成形与烧结概述粉末成形与烧结概述粉末压制成形粉末压制成形 粉末特殊成形技术粉末特殊成形技术粉末体烧结粉末体烧结 粉末胶凝固化（自学）粉末胶凝固化（自学）引言引言引言引言 粉末成形与烧结技术是将材料粉末成形与烧结技术是将材料制成粉末制成粉末(或采用经适当加工的天然或采用经适当加工的天然矿物矿物)，经加压（或无压），经加压（或无压）成形成形后，再通过后，再通过烧结烧结（常压或加压）得到（常压或加压）得到接近理论密度的材料或孔隙可控的多孔材料的工艺方法，是粉末冶金、接近理论密度的材料或孔隙可控的多孔材料的工艺方法，是粉末冶金、陶瓷工程的基本工

2、艺。陶瓷工程的基本工艺。l 粉末成形与烧结实践可追溯到粉末成形与烧结实践可追溯到8000年前的新石器时代，那时原始人年前的新石器时代，那时原始人类已开始用一些富含铁元素的粘土烧制一些陶器。类已开始用一些富含铁元素的粘土烧制一些陶器。l 在在3000多年前的商周时期，出现了原始瓷器。多年前的商周时期，出现了原始瓷器。l 约约25003000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器;在同期在同期(春秋末期春秋末期)我国也出现了同样的技术。我国也出现了同样的技术。l 公元公元34世纪，印度人用海绵铁锻打的方法制造了世纪，印度人用海绵铁锻打的方法制造了“德里铁柱德里

3、铁柱”(高高7.2m,重重6.5t)和和“达尔铁柱达尔铁柱”(高高12.5m,重重7t)。l 19世纪出现世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺。粉的冷压、烧结、热锻工艺。l 1909年，年，W.D.Coolidge 发明电灯钨丝，标志着现代粉末冶金技发明电灯钨丝，标志着现代粉末冶金技术的开始。术的开始。l 目前，粉末成形与烧结技术已在高温材料、结构陶瓷、日用和目前，粉末成形与烧结技术已在高温材料、结构陶瓷、日用和建筑陶瓷、功能陶瓷、轴承材料、超硬耐磨材料、金属结构材料建筑陶瓷、功能陶瓷、轴承材料、超硬耐磨材料、金属结构材料及功能材料、复合材料等领域得到了广泛应用。及功能材料、复合材料等领域得到

4、了广泛应用。提提提提 要要要要 本章本章重点重点是粉末压制成形的基本理论、粉末特殊成形的是粉末压制成形的基本理论、粉末特殊成形的基本方法和特点，粉末体烧结的基本原理。基本方法和特点，粉末体烧结的基本原理。难点难点是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。通过本章学习：通过本章学习：要求要求掌握掌握粉末成形与烧结的一般概念粉末成形与烧结的一般概念,粉末压制基本规律粉末压制基本规律,粉末烧结基本原理；粉末烧结基本原理；了解了解粉末特殊成形技术；粉末特殊成形技术；知道知道粉末胶凝固化概念和基本方法。粉末胶凝固化概念和基本方法。参考文献参考文献1黄培云

5、黄培云 主编主编.粉末冶金原理粉末冶金原理.冶金工业出版社冶金工业出版社,1997,112吴成义吴成义 等编著等编著.粉体成形力学原理粉体成形力学原理.冶金工业出冶金工业出版社版社,2003,93 英英 理查德理查德 J.布鲁克布鲁克 主编主编.清华大学新型陶瓷与精清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室细工艺国家重点实验室 译译.材料科学与技术丛书（第材料科学与技术丛书（第17A卷、第卷、第17B卷）：卷）：陶瓷工艺陶瓷工艺.科学出版社科学出版社,1999,6商商 西周西周 半坡半坡 德里铁柱德里铁柱德里铁柱德里铁柱 PTC 压敏 vv粉末冶金制品的基本过程粉末冶金制品的基本过程粉末冶金制品

6、的基本过程粉末冶金制品的基本过程 制粉、粉末制粉、粉末预处理、成形、预处理、成形、烧结、制品后烧结、制品后处理等。处理等。第一节第一节 粉末成形与烧结概述粉末成形与烧结概述v主要成形工艺分类主要成形工艺分类u 压力成形压力成形（1）刚性模压制）刚性模压制（2）等静压成形）等静压成形（3）爆炸成形）爆炸成形u 增塑成形增塑成形（1）粉末轧制（也可不用增塑剂）粉末轧制（也可不用增塑剂）（2）粉末挤压）粉末挤压（3）粉末注射成形）粉末注射成形（4）车坯、滚压）车坯、滚压u 浆料成形浆料成形（1）注浆成形）注浆成形（2）流延成形）流延成形（3）电泳成形）电泳成形（4）直接凝固成形）直接凝固成形（5）凝

7、胶注模成形）凝胶注模成形u 其他成形其他成形喷射成形等喷射成形等v主要烧结方法分类主要烧结方法分类l 无压烧结无压烧结固相烧结、液相烧结、反应烧结等。固相烧结、液相烧结、反应烧结等。(可在空气、保护气氛或真空中进行可在空气、保护气氛或真空中进行)l 加压烧结加压烧结热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。可在空气、保护气氛或真空中进行。可在空气、保护气氛或真空中进行。l 活化烧结活化烧结物理活化烧结、化学活化烧结。物理活化烧结、化学活化烧结。粉末退火粉末退火提纯，软化粉末，稳定粉末结构，粉末钝化；提纯，软化粉末，稳定粉末结

8、构，粉末钝化；混粉、合批，使成分均匀；物理法与化学法；混粉、合批，使成分均匀；物理法与化学法；粉末混合粉末混合制粒制粒小颗粒制成大颗粒，改善流动性；小颗粒制成大颗粒，改善流动性；成型剂成型剂润滑剂、粘接剂、造孔剂；润滑剂、粘接剂、造孔剂；加压与脱模加压与脱模压制力、压制速度；保压时间；脱模力；压制力、压制速度；保压时间；脱模力；第二节第二节第二节第二节 粉末压制成形粉末压制成形粉末压制成形粉末压制成形压制前粉末要经过预处理，预处理包括：粉末退火、筛分、混合、压制前粉末要经过预处理，预处理包括：粉末退火、筛分、混合、制粒、加润滑利等制粒、加润滑利等 。退火退火：目的：除杂、消除加工硬化、钝化。目

9、的：除杂、消除加工硬化、钝化。退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的0.50.6Tm0.50.6Tm。制粒制粒：制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的的流动性流动性。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔必须先制粒。填模腔必须先制粒。混合混合：混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时候，为了需要也

10、将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程时候，为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程称为合批。称为合批。一、金属粉末的压坯强度一、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和尺寸不变的能压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力力，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：力大致可分为两种：(1)(1)粉末颗粒之间的机械啮合力粉末颗粒之间的机械啮合力 粉末的外表面呈凹凸不平的不规则形状，通过压制，粉末颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和钩住，从而形成粉末颗粒

11、之间的机械啮合，这是使压坯具有强度的主要原因之一。(2)(2)粉末颗粒表面原子之间的引力粉末颗粒表面原子之间的引力 在金属粉末处于压制后期时，粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形，粉末颗粒表面上的原子就彼此接近，当进入引力范围之内时，粉末颗粒便由于引力作用而联结，粉末的接触区域越大其压坯强度越高。压坯强度的测定压坯强度的测定 （1 1）抗弯强度试验用压坯试样）抗弯强度试验用压坯试样ASTMASTM标准是：宽标准是：宽12127mm7mm，厚，厚6 635mm35mm，长，长313175mm(75mm(中国标准中国标准GB5319GB53198585：12126 630mm)30mm)。在标。

12、在标准测定装置上测出破断负荷，根据下列公式计算：准测定装置上测出破断负荷，根据下列公式计算：（2 2）压溃强度的测试方法。这种压溃强度是粉末冶金轴套类零件的）压溃强度的测试方法。这种压溃强度是粉末冶金轴套类零件的特有的强度性能表示方法。特有的强度性能表示方法。测定时，将功套试样放在两个平板之间，逐渐增加负荷直到试祥出现裂纹测定时，将功套试样放在两个平板之间，逐渐增加负荷直到试祥出现裂纹而负荷值不再上升为止。此时，所指的压力即为压溃负荷，按下列公式计而负荷值不再上升为止。此时，所指的压力即为压溃负荷，按下列公式计算得的尺值即为径向压溃强度：算得的尺值即为径向压溃强度：（3 3）测定边角稳定性的转

13、鼓试验）测定边角稳定性的转鼓试验将直径127mm厚635mm的圆柱状压坯装入14目的金属网制鼓筒中，以87rmin的转速转动1000转后，测定压坯的质量损失率来表征压坯强度：在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。二、金属粉末压制时的位移与变形二、金属粉末压制时的位移与变形 粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强度，在压制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触度，在压制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触显著增加。也就是说，压制过程中出现了显著增加。也就是说，

14、压制过程中出现了位移位移和和变形变形。1 1粉末的位移粉末的位移 粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象，叫做搭桥。当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。2 2粉末的变形粉末的变形粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压制时不但发生了粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压制时不但发生了位移，且发生了变形，粉末变形可能有三种情况：位移，且发生了变形，粉末变形可能有三种情况：(1)(1)弹性变形弹性变形 外力卸除后粉末形状可以恢复

15、原形。外力卸除后粉末形状可以恢复原形。(2)(2)塑性变形塑性变形 压力超过粉末的弹性极限，变形不能恢复原形。压缩压力超过粉末的弹性极限，变形不能恢复原形。压缩铜粉的实验指出，发生塑性变形所需要的单位压制压力大约是该材铜粉的实验指出，发生塑性变形所需要的单位压制压力大约是该材质弹性极限的质弹性极限的2.82.83 3倍。金属的塑性越大，塑性变形也就越大。倍。金属的塑性越大，塑性变形也就越大。(3)(3)脆性断裂脆性断裂 单位压制压力超过强度极限后，粉末颗粒就发生粉碎单位压制压力超过强度极限后，粉末颗粒就发生粉碎性的破坏。当压制难熔金属如性的破坏。当压制难熔金属如w w、MoMo或其化合物如或其

16、化合物如WCWC、Mo2CMo2C等脆性粉等脆性粉末时，除有少量塑性变形外，主要是脆性断裂。末时，除有少量塑性变形外，主要是脆性断裂。三、压制压力与压坯密度关系三、压制压力与压坯密度关系（一）压制曲线（一）压制曲线 压坯密度与压力的关系，称压坯密度与压力的关系，称为压制曲线，也称为压制平衡为压制曲线，也称为压制平衡图。图。一定成分和性能的粉末只一定成分和性能的粉末只有一条压制曲线有一条压制曲线，压制曲线对，压制曲线对合理选择压制压应力具有指导合理选择压制压应力具有指导作用。作用。每一条压制曲线一般可以分为三个区域。每一条压制曲线一般可以分为三个区域。区密度随压力急速增加。颗粒填入空隙，区密度随

17、压力急速增加。颗粒填入空隙，同时破坏同时破坏“拱桥拱桥”；颗粒作相对滑动和转动。；颗粒作相对滑动和转动。区区密度随压力增加较慢。颗粒通过变形填密度随压力增加较慢。颗粒通过变形填充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般选在该区。选在该区。区区密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加工硬化严重、接触面积很大，外压力被刚性面工硬化严重、接触面积很大，外压力被刚性面支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只有通过颗粒碎

18、裂消除残余孔隙。有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。三个区域并没有严格的界限，同时，三三个区域并没有严格的界限，同时，三种致密化方式也并非各区独有。种致密化方式也并非各区独有。（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：(6.2.1)将上式两边取对数，可得将上式两边取对数，可得 (6.2.2)lnlnp作图可得出常数作图可得出常数a、b。式中，式中，为压坯为压坯密度（密度（g/cm3）；）；p压制压应力；压制压应力；a、b为与粉末特性有关为与粉末特性有关的常数，对于一定的常数，对于一定粉末其为一定值。粉末其为一定值。b b的的的的物理意义

19、物理意义物理意义物理意义为为为为：p=100MPa时，压坯的密度值，是表示粉末压缩性能好坏的参数之时，压坯的密度值，是表示粉末压缩性能好坏的参数之一。一。（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：压坯高径比压坯高径比H/D：H/D越大，压坯平均密度越低，使曲线向下越大，压坯平均密度越低，使曲线向下偏移。一般取偏移。一般取H/D=0.51。粉末粒度粉末粒度：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上；：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上；合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制

20、曲线偏高。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；退火软化粉末，：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，则偏高。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。四、压制理论四、压制理论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（density）：）：=质量质量/体积（体积（g/cm3）(6.2.3)比容比容 v=1/（cm3/g）(6.2.4)相对密度：相对密度：(6.2.5)m 固体理论密度固体

21、理论密度 孔隙度（孔隙度（porosity）(6.2.6)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）(6.2.7)孔隙度系数（孔隙相对容比）孔隙度系数（孔隙相对容比）空隙部分体积与致密体部分积之比空隙部分体积与致密体部分积之比 (6.2.8)（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，对粉末压制过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：程应用虎克定律，最终可得出：(6.2.9)该式称为该式称为巴尔申方程巴尔申方程。式中，。式中，l 为压制因素，为压制因

22、素，k为材料为材料硬度，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时的压制压力，称为时的压制压力，称为最大极限压力。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此方程仅在某些情况下正确,没有普遍意义。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，且粉末越软、压制）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。压力越高，加工硬化现象越严重。（3）未考虑摩擦力的影

23、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，提出了下述方程，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，(6.2.10)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为无压时粉末体积，为无压时粉末体积，V为压制压强为压制压强 p时压坯的体积；时

24、压坯的体积；a、b为常数，与粉末特性有关。为常数，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受大幅度应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，变的事实。导出下述压制方程，(6.2.11)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

25、度。时压坯的密度。（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软粉末或硬粉末黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用都适用；并且，与；并且，与粉末实际压制过程较符合。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，尤其在压制开始比软粉末效果好，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）。滞弹性）。川北方程在压制川北方程在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、模壁所有方

26、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。摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。压坯实际密度分布压坯实际密度分布影响压坯密度分布的因素：影响压坯密度分布的因素：原因原因：压制时所用的总压力为净压力与压力损失之差，而这种：压制时所用的总压力为净压力与压力损失之差，而这种压力损压力损失失就是在普通模压过程中造成压坯密度分布不均匀的主要原因。就是在普通模压过程中造成压坯密度分布不均匀的主要原因。压坯实际密度分布规律：压坯实际密度分布规律：1.1.H/DH/D高径比；高径比；2.2.润滑；润滑；3.3.压制工艺；压制工艺；1.1.与模冲相接触的压坯上层，密度和硬度都是从

27、中心向边缘逐步增大与模冲相接触的压坯上层，密度和硬度都是从中心向边缘逐步增大的，顶部的边缘部分密度和硬度最大；的，顶部的边缘部分密度和硬度最大；2.2.压坯中下部，由于外摩擦的作用，轴向压力的降低比压坯中心大得压坯中下部，由于外摩擦的作用，轴向压力的降低比压坯中心大得多，以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低。多，以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低。五、压制过程中压坯受力计算五、压制过程中压坯受力计算（一）压坯受力情况（一）压坯受力情况 粉末在封闭压模内压缩时，粉末在封闭压模内压缩时，其传力情况如右图其传力情况如右图:图中图中p上上为上冲头传给粉末的正压强；为上冲头传给粉末的正压强；F为模

28、壁和压坯间的摩擦力；为模壁和压坯间的摩擦力；p下下是模是模具底部对压坯的作用力所产生的压强；具底部对压坯的作用力所产生的压强；p侧侧为压制过程中粉末给模壁的侧压强。为压制过程中粉末给模壁的侧压强。F的存在消耗了一部分正压力，使其不能无损耗地传到下冲头；这样使实的存在消耗了一部分正压力，使其不能无损耗地传到下冲头；这样使实际的压坯密度，不能用压制理论公式直接计算，并且在压坯内密度呈不均匀际的压坯密度，不能用压制理论公式直接计算，并且在压坯内密度呈不均匀分布。分布。侧压强侧压强p侧侧与模具强度计算有直接关系，也和压坯的脱模压强确定有关。与模具强度计算有直接关系，也和压坯的脱模压强确定有关。粉末的传

29、力情况粉末的传力情况 压制过程中压坯的受力情况压制过程中压坯的受力情况 （二）侧压力计算（二）侧压力计算 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。单位面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。单位面积的侧压力称为侧压强积的侧压力称为侧压强p侧侧。对于一个单元立方体压坯对于一个单元立方体压坯(侧面积为侧面积为1)，在，在z轴方向的正压强轴方向的正压强p作用下，作用下，压坯将产生沿水平方向的膨胀，现考虑压坯将产生沿水平方向的膨胀，现考虑y方向（忽略压坯的塑性变形、也方向（忽略压坯的塑性变形、也不考虑压模的变形、以及具体粉末的特性）。不考虑压模的变形、以及具体粉末的特性）

30、p使压坯沿使压坯沿y方向的弹性变形量为方向的弹性变形量为 (6.2.12)式中，式中，为材料的泊松比；为材料的泊松比；E 为弹为弹性模量性模量.单元压坯所受正压强和侧压强单元压坯所受正压强和侧压强 x方向的侧压力也力图使压坯在方向的侧压力也力图使压坯在y轴方向产生弹性膨胀，轴方向产生弹性膨胀，(6.2.13)y轴方向的侧压力使压坯产生弹性压缩，轴方向的侧压力使压坯产生弹性压缩，(6.2.14)压坯在压模内受到压坯在压模内受到y轴方向的侧压力约束不能产生轴方向的侧压力约束不能产生y向的实际膨胀，向的实际膨胀，因而应该有：因而应该有：(6.2.15)将（将（6.2.12）（）（6.2.14）代入

31、代入（6.2.15）有：）有：(6.2.16)(6.2.17)由于未考虑由于未考虑压坯塑性变形压坯塑性变形、模具变形模具变形、粉末特性粉末特性等因素，上述公式的计算只是等因素，上述公式的计算只是一个估计值。且（一个估计值。且（6.2.17）式计算的侧压力是）式计算的侧压力是平均值平均值，单向压制情况下，实际压，单向压制情况下，实际压坯上的侧压力随离模冲的距离增加而坯上的侧压力随离模冲的距离增加而减小减小，大致呈线性特性，且直线倾斜角随压，大致呈线性特性，且直线倾斜角随压制压力的增加而增大。制压力的增加而增大。式中，式中，称为侧称为侧压系数，它与粉压系数，它与粉末内摩擦角、粉末内摩擦角、粉末

32、与模壁摩擦系末与模壁摩擦系数、压制压强、数、压制压强、粉末硬度等因素粉末硬度等因素有关。有关。侧压力是制订压制工艺和设计压模所需的基本参数之一。侧压力是制订压制工艺和设计压模所需的基本参数之一。侧压系数与压坯孔隙度有关，随着压坯相对密度增加，侧压系数增侧压系数与压坯孔隙度有关，随着压坯相对密度增加，侧压系数增大。在一定范围内，侧压系数与压坯密度有如下近似经验关系：大。在一定范围内，侧压系数与压坯密度有如下近似经验关系：(6.2.18)为达到理论密度的侧压系数；为达到理论密度的侧压系数；d 为压坯相对密度。为压坯相对密度。(三三)粉末与模壁的摩擦力计算粉末与模壁的摩擦力计算1模壁摩擦力的一般计算

33、公式模壁摩擦力的一般计算公式 (6.2.19)式中，式中，为压坯与模壁间的静摩擦系数；为压坯与模壁间的静摩擦系数；S侧侧为摩擦面积，等于压坯侧为摩擦面积，等于压坯侧面积。面积。实际粉末的侧压系数实际粉末的侧压系数不是常数，它和压坯不同不是常数，它和压坯不同高度上的压制压应力高度上的压制压应力p正正一样，是随压坯高度不同而一样，是随压坯高度不同而改变的。在压坯上取一微分单元薄片，其高度为改变的。在压坯上取一微分单元薄片，其高度为dH、周长为、周长为L，则薄片侧面积：，则薄片侧面积：Sf=LdH (6.2.20)作用于薄片侧面上的侧压应力：作用于薄片侧面上的侧压应力：ps=p (6.2.21)式中

34、式中，为薄片区域侧压系数；为薄片区域侧压系数；p为该区域正压强。为该区域正压强。计算摩擦力的微分单计算摩擦力的微分单元示意图，元示意图，H0为压坯为压坯高度。高度。故，薄片单元侧面与模壁之间的摩擦力为，故，薄片单元侧面与模壁之间的摩擦力为，dF=ps Sf=pSf=pLdH (6.2.22)整个压坯侧面与模壁间的摩擦力为，整个压坯侧面与模壁间的摩擦力为，(6.2.23)严格上，仅严格上，仅L是常数；是常数；、p 都是都是H的函数，的函数，且它们都与压制压应力（压坯致密化程度）有关。且它们都与压制压应力（压坯致密化程度）有关。实际计算中，一般计算压制压应力最大时（压制实际计算中，一般计算压制压

35、应力最大时（压制终了时）的最大摩擦力。此时，尽管压坯密度不均终了时）的最大摩擦力。此时，尽管压坯密度不均匀，但压坯最大密度处所对应的匀，但压坯最大密度处所对应的、p可可近似看作近似看作常数常数，且是最大值。因此，计算最大摩擦力时，可，且是最大值。因此，计算最大摩擦力时，可假设（假设（6.2.23）式中的）式中的、p均为常数，则有均为常数，则有 F=pLH0=p正正S侧侧=p上上S侧侧 (6.2.24)上式为压制终了时，压坯摩擦力的计算公式。上式为压制终了时，压坯摩擦力的计算公式。2摩擦力对正压力的消耗以及对粉末传力极限高度的影响摩擦力对正压力的消耗以及对粉末传力极限高度的影响由压坯在加压方向的

36、由压坯在加压方向的受力平衡受力平衡可得，可得，(6.2.25)达到传力极限高度时，达到传力极限高度时，p下下=0，则，则 (6.2.26)摩擦力的存在，使压制压应力向下传递过程中摩擦力的存在，使压制压应力向下传递过程中被逐渐消耗被逐渐消耗，导致下部粉末的，导致下部粉末的成形压力越来越低。当压力降为零时，粉末将不能被压缩。成形压力越来越低。当压力降为零时，粉末将不能被压缩。传力极限高度传力极限高度传力极限高度传力极限高度是指一定截面尺寸下，粉末能够传递压力的是指一定截面尺寸下，粉末能够传递压力的最大高度最大高度。即是冲。即是冲头通过粉末所能传递压力的最大高度。头通过粉末所能传递压力的最大高度。将

37、将（6.2.24）式代入（）式代入（6.2.26）式，则有）式，则有 (6.2.27)上式说明，只有压坯满足上式说明，只有压坯满足 才能压制。才能压制。1/()称称为为传力极限系数传力极限系数或传力极限值。或传力极限值。圆柱形压坯单向压制，有圆柱形压坯单向压制，有 圆柱形压坯双向压制，有圆柱形压坯双向压制，有 （四）正压力的损耗对压坯密度的影响（四）正压力的损耗对压坯密度的影响定义压力损失率为：定义压力损失率为：F/P上上。则有。则有 (6.2.28)将将(6.2.1)式式 代入代入(6.2.28)式，有式，有 (6.2.29)式中，式中，P上上为上模冲施加的总压力；为上模冲施加的总压力；上

38、上、下下分别为压坯上端和分别为压坯上端和下端密度；下端密度；a、b为与粉末特性有关的常数。为与粉末特性有关的常数。将将(6.2.24)式式F=p上上S侧侧 代入代入(6.2.29)式，则有式，则有 (6.2.30)上式说明对于一定粉末，上式说明对于一定粉末，、为定值为定值，若若若若S S侧侧侧侧、S S正正正正一定一定一定一定(即，几何尺寸一定即，几何尺寸一定即，几何尺寸一定即，几何尺寸一定)，则压坯上下端的密度差也就确定。，则压坯上下端的密度差也就确定。，则压坯上下端的密度差也就确定。，则压坯上下端的密度差也就确定。（五）弹性后效现象（五）弹性后效现象弹性后效：在去除弹性后效：在去除P压压后

39、压坯所产生的胀大现象。后，压坯所产生的胀大现象。(6.2.31)式中，式中，为沿压坯高度或直径的弹性后效；为沿压坯高度或直径的弹性后效；l0 为压坯卸压前的高度或为压坯卸压前的高度或直径；直径；l为压坯卸压后的高度或直径。为压坯卸压后的高度或直径。弹性膨胀产生原因：弹性膨胀产生原因：压制中，颗粒产生弹塑性变形，聚集了很大的内应力（弹性内应力），压制中，颗粒产生弹塑性变形，聚集了很大的内应力（弹性内应力），其方向与颗粒所受外力方向相反，力图阻止颗粒变形；卸压后，弹性内其方向与颗粒所受外力方向相反，力图阻止颗粒变形；卸压后，弹性内应力要松弛，改变颗粒的外形和颗粒间接触状态，产生膨胀。应力要松弛，

40、改变颗粒的外形和颗粒间接触状态，产生膨胀。轴向弹性后效大于径向，往往差轴向弹性后效大于径向，往往差23倍；倍；颗粒硬度越大，则后效越大；颗粒硬度越大，则后效越大；颗粒形状越规则，则后效越大；颗粒形状越规则，则后效越大；加入润滑剂可降低后效；加入润滑剂可降低后效；与模具材料有关；与模具材料有关；通过适当的保压可以有效减少弹性后效作用；通过适当的保压可以有效减少弹性后效作用；弹性后效危害：弹性后效危害：压坯及压模的弹性应变是产生压坯裂纹、分层的主要原因之一，压坯及压模的弹性应变是产生压坯裂纹、分层的主要原因之一，由于压坯内部弹性后效不均匀，脱模时在薄弱部位或应力集中部位由于压坯内部弹性后效不均匀，

41、脱模时在薄弱部位或应力集中部位就会出现裂纹。就会出现裂纹。弹性后效的规律：弹性后效的规律：复习：复习：复习：复习：1、侧压力（侧压系数）的概念；、侧压力（侧压系数）的概念；2、传力极限高度；、传力极限高度；3、模具几何因素对压坯密度的影响，原因；、模具几何因素对压坯密度的影响，原因；4、弹性后效；、弹性后效；预习：粉末运动规律（位移、速度）预习：粉末运动规律（位移、速度）预习：粉末运动规律（位移、速度）预习：粉末运动规律（位移、速度）六、压制过程中粉末的运动规律六、压制过程中粉末的运动规律（一）等高制品中粉末的运动规律（一）等高制品中粉末的运动规律等高制品：产品沿压制方向的任何位置的高度都相等

42、等高制品：产品沿压制方向的任何位置的高度都相等。压制过程中，压坯处于三向受力状态。侧压压制过程中，压坯处于三向受力状态。侧压力垂直于粉末运动方向，且相互平衡，故对粉末力垂直于粉末运动方向，且相互平衡，故对粉末不起作用；摩擦力与粉末运动方向相反，对粉末不起作用；摩擦力与粉末运动方向相反，对粉末运动起阻碍作用，造成粉末运动的不平衡；动力运动起阻碍作用，造成粉末运动的不平衡；动力只有沿压制方向的压制压力只有沿压制方向的压制压力p。等高制品压制时粉末运动特征等高制品压制时粉末运动特征等高制品压制过程中，粉末运动最大特征：等高制品压制过程中，粉末运动最大特征：沿压制方向（冲头表面法线方向）作直沿压制方

43、向（冲头表面法线方向）作直线运动。即等高制品的压缩特征是单方向的线运动。即等高制品的压缩特征是单方向的直线压缩。直线压缩。1粉末体压缩比粉末体压缩比定义：定义：粉末的压缩比粉末的压缩比(K)是指粉末压缩前的高度是指粉末压缩前的高度(H)与压缩后的与压缩后的高度高度(h)的比值，也等于压坯密度的比值，也等于压坯密度()与粉末松装密度与粉末松装密度(0)的的比值。比值。(6.2.32)2理想均匀压缩下任意粉末颗粒层堆积方式的假定理想均匀压缩下任意粉末颗粒层堆积方式的假定假设：假设：假设：假设：粉末体由一层层含有孔隙的按等距离堆积的粉末颗粒层所组成；粉粉末体由一层层含有孔隙的按等距离堆积的粉末颗粒层

44、所组成；粉末体压缩后层间距仍彼此相等。则末体压缩后层间距仍彼此相等。则 (6.2.33)(6.2.34)(6.2.35)(6.2.36)式中，式中，为压缩前第为压缩前第n层层和第和第n-1层的层层的层间距；间距；为为压缩后第压缩后第n层和层和第第n-1层的层间层的层间距。距。颗粒层的压缩与位移情况颗粒层的压缩与位移情况(a:粉末体内颗粒层情况粉末体内颗粒层情况;b:压坯内颗粒层情况压坯内颗粒层情况)在理想均匀压缩情况下，没有模壁摩擦力，各层压缩量也相等在理想均匀压缩情况下，没有模壁摩擦力，各层压缩量也相等。则。则相相邻两层间的压缩量邻两层间的压缩量为为 (6.2.37)3理想均匀压缩情况下粉末

45、的位移规律理想均匀压缩情况下粉末的位移规律 考虑如图所示考虑如图所示5个粉末颗粒层堆积的情况，设个粉末颗粒层堆积的情况，设1、2、3、4、5层的总位移量分别为层的总位移量分别为dH1、dH2、dH3、dH4、dH5。则。则 dH5 dH4 dH3 dH2 dH1 (6.2.38)各层位移量各层位移量dHn与其层数代码与其层数代码n 和相邻两层之间位移量和相邻两层之间位移量之间的关系如下：之间的关系如下：第第1层层 dH1=0 第第2层层 第第3层层 第第4层层 第第5层层 第第n层层 所以有，所以有，(6.2.39)实际粉末颗粒层数取决于粉末体高度和粉末的平均粒度。设粉末平实际粉末颗粒层数取决

46、于粉末体高度和粉末的平均粒度。设粉末平均粒度为均粒度为 ，粉末体高度为，粉末体高度为H，则粉末体内颗粒，则粉末体内颗粒层数的极限值层数的极限值为，为，(6.2.40)又又 n1,n1 n则则 (6.2.41)将将(6.2.41)代入代入(6.2.39)式，得式，得 (6.2.42)再将再将(6.2.40)、(6.2.32)式代入式代入(6.2.42)式，有式，有 (6.2.43)在分析实际问题时，需将任意粉末层代号在分析实际问题时，需将任意粉末层代号n用直角坐标系的变量用直角坐标系的变量(y)表表示，即示，即 (6.2.44)(6.2.44)式代入式代入(6.2.43)式，有式，有 (6.2.

47、45)式中，式中，为第为第n层粉末颗粒位移量，或为层粉末颗粒位移量，或为y点坐标的位移；点坐标的位移；y为压模为压模内粉末松装时的任意高度坐标；内粉末松装时的任意高度坐标；K为压缩比。为压缩比。由由(6.2.32)可得可得,(6.2.46)该式表示任意高度处的粉末位移量与压坯密度的关系。该式表示任意高度处的粉末位移量与压坯密度的关系。将将(6.2.45)式两边同时除以式两边同时除以压制时间压制时间t，则得到任一颗粒层的平均位，则得到任一颗粒层的平均位移速度。移速度。(6.2.47)由上式可看出，压制过程中各颗粒层的平均位移速度是由上式可看出，压制过程中各颗粒层的平均位移速度是y的函数。的函数。

48、最上层颗粒速度最大，其余各层速度依次下降。最上层颗粒速度最大，其余各层速度依次下降。同样，对于两个不同高度的压坯，若压制时间相同，则较高者最上层同样，对于两个不同高度的压坯，若压制时间相同，则较高者最上层颗粒的位移量和平均位移速度都比较矮者大。颗粒的位移量和平均位移速度都比较矮者大。4压制时实际粉末的位移情况压制时实际粉末的位移情况 实际压制过程中，一方面，模壁摩擦力会阻止边缘颗粒向下运动；另实际压制过程中，一方面，模壁摩擦力会阻止边缘颗粒向下运动；另一方面，同一层颗粒不同直径的区域位移量都不相等，所以，一方面，同一层颗粒不同直径的区域位移量都不相等，所以，粉末各颗粉末各颗粒层间的压缩量不等，

49、同一层也不能得到均匀压缩。粒层间的压缩量不等，同一层也不能得到均匀压缩。各层粉末实际位移情况示意各层粉末实际位移情况示意（二）不等高制品中粉末的运动规律（二）不等高制品中粉末的运动规律1台阶制品中粉末的运动规律台阶制品中粉末的运动规律等高制品中粉末运动规律也适用于不等高制品等高制品中粉末运动规律也适用于不等高制品;高度不等，各区粉末位移量不同；高度不等，各区粉末位移量不同；实际中往往采用同时压制（压制时间相等），实际中往往采用同时压制（压制时间相等），相邻两区粉末位移速度不等，使分界面两侧压力相邻两区粉末位移速度不等，使分界面两侧压力不平衡；不平衡；分界面两侧压力不平衡，导致出现粉末侧向运分界

50、面两侧压力不平衡，导致出现粉末侧向运动；动；粉末侧向运动使密度难于控制，且使分界面上粉末侧向运动使密度难于控制，且使分界面上出现很大的内应力。出现很大的内应力。不等高制品中粉末的侧向运动不等高制品中粉末的侧向运动目标：目标：目标：目标：找到不等高制品粉末不发生侧向运动的条件，即找到不等高制品粉末不发生侧向运动的条件，即保证各区密度相等的条件。保证各区密度相等的条件。本质上：本质上：本质上：本质上：找出各区压制速度或压制压应力之间的关系。找出各区压制速度或压制压应力之间的关系。2不等高制品不发生侧向运动的基本条件不等高制品不发生侧向运动的基本条件（1）压应力变化率平衡方程）压应力变化率平衡方程