第三章粉末冶金

第三章成形Compacting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。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。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.真空退火熔退）（TT6.0~5.0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。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。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。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.%100ABAS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。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μ——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：侧摩擦PPDH＇PeP4DHPeP81图3-18单向压制示意图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1＜DH1＜LH图3-19密度变化第三章成形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。PP13.0脱PP3.0脱压脱PPmDHPCP][脱第三章成形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δ—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。%100%1000lllll图3-20各种粉末的弹性后效第三章成形（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。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。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。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