粉末成形

第六章粉末材料的成形与烧结粉末成形与烧结概述粉末压制成形粉末特殊成形技术粉末体烧结胶凝固化(自学)引言粉末成形与烧结技术是将材料制成粉末(或采用经适当加工的天然矿物)，经加压（或无压）成形后，再通过烧结（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、陶瓷工程的基本工艺。粉末成形与烧结实践可追溯到8000年前的新石器时代，那时原始人类已开始用一些富含铁元素的粘土烧制一些陶器。在3000多年前的商周时期，出现了原始瓷器。约2500～3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器;在同期(春秋末期)我国也出现了同样的技术。公元3～4世纪，印度人用海绵铁锻打的方法制造了“德里铁柱”(高7.2m,重6.5t)和“达尔铁柱”(高12.5m,重7t)。19世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺。1909年，W.D.Coolidge发明电灯钨丝，标志着现代粉末冶金技术的开始。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、金属结构材料及功能材料、复合材料等领域得到了广泛应用。提要本章重点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。难点是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。通过本章学习：①要求掌握粉末成形与烧结的一般概念,粉末压制基本规律,粉末烧结基本原理；②了解粉末特殊成形技术；③知道粉末胶凝固化概念和基本方法。参考文献[1]黄培云主编.《粉末冶金原理》.冶金工业出版社,1997,11[2]吴成义等编著.《粉体成形力学原理》.冶金工业出版社,2003,9[3][英]理查德J.布鲁克主编.清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室译.材料科学与技术丛书（第17A卷、第17B卷）：《陶瓷工艺》.科学出版社,1999,6商西周半坡德里铁柱PTC压敏第一节粉末成形与烧结概述主要成形工艺分类压力成形（1）刚性模压制（2）等静压成形（3）爆炸成形增塑成形（1）粉末轧制（也可不用增塑剂）（2）粉末挤压（3）粉末注射成形（4）车坯、滚压浆料成形（1）注浆成形（2）流延成形（3）电泳成形（4）直接凝固成形（5）凝胶注模成形其他成形喷射成形等主要烧结方法分类无压烧结固相烧结、液相烧结、反应烧结等。(可在空气、保护气氛或真空中进行)加压烧结热压（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。活化烧结物理活化烧结、化学活化烧结。粉末成形和烧结基本过程制粉、粉末预处理、成形、烧结、制品后处理等。第二节粉末压制成形一、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，也称为压制平衡图。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。每一条压制曲线一般可以分为三个区域。①Ⅰ区密度随压力急速增加。颗粒填入空隙，同时破坏“拱桥”；颗粒作相对滑动和转动。②Ⅱ区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，致使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般选在该区。③Ⅲ区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，外压力被刚性面支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只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，三种致密化方式也并非各区独有。（二）压制曲线的函数表示法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(6.2.2)lnρ～lnp作图可得出常数a、b。abp式中，ρ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。b的物理意义为：p=100MPa时，压坯的密度值，是表示粉末压缩性能好坏的参数之一。pablnlnln（三）压制曲线影响因素实测的压制曲线受以下因素影响：①压坯高径比H/D：H/D越大，压坯平均密度越低，使曲线向下偏移。一般取H/D=0.5～1。②粉末粒度：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。③粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低。④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。⑤粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。二、压制理论压制压力与密度间的定量数学关系。（一）基本定义①密度（density）：ρ=质量/体积（g/cm3）(6.2.3)比容v=1/ρ（cm3/g）(6.2.4)②相对密度：(6.2.5)ρm—固体理论密度md③孔隙度（porosity）(6.2.6)Vm—致密固体体积④相对容比（相对体积或相对容积）(6.2.7)⑤孔隙度系数（孔隙相对容比）(6.2.8)压压压孔VVVVVdmmm111dVVmm压11111ddddVVVVVmmm压孔（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(6.2.9)该式称为巴尔申方程。式中，l为压制因素，，σk为材料硬度，hk为压坯达到理论密度时的高度；Pmax为β=1时的压制压力，称为最大极限压力。)/(1kkhl)1(lnlnmaxlPP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，(6.2.10)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。bpabpVVVc100（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，(6.2.11)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；ρm为固体理论密度，ρ0为未加压时粉末体密度，ρ为压强p时压坯的密度。Mpnmmlglglnlg00（五）几种理论的适用范围①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。②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）。③川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程。④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。三、压制过程中压坯受力计算（一）压坯受力情况粉末在封闭压模内压缩时，其传力情况如图，图中p上为上冲头传给粉末的正压强；F为模壁和压坯间的摩擦力；p下是下冲头对压坯的作用力；p侧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。而侧压强p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。粉末的传力情况压制过程中压坯的受力情况（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。单位面积的侧压力称为侧压强p侧。对于一个单元立方体压坯(侧面积为1)，在z轴方向的正压强p作用下，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、也不考虑压模的变形、以及具体粉末的特性）。p使压坯沿y方向的弹性变形量为(6.2.12)式中，ν为材料的泊松比；E为弹性模量.Eply1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y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，(6.2.14)压坯在压模内受到y轴方向的侧压力约束不能产生y向的实际膨胀，因而应该有：(6.2.15)Eply侧2Eply侧3213yyylll将（6.2.12）～（6.2.14）代入（6.2.15）有：(6.2.16)(6.2.17)由于未考虑压坯塑性变形、模具变形、粉末特性等，上述公式的计算只是一个估计值。且（6.2.17）式计算的侧压力是平均值，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减小，大致呈线性特性，且直线倾斜角随压制压力的增加而增大。式中，ξ称为侧压系数，它与粉末内摩擦角、粉末与模壁摩擦系数、压制压强、粉末硬度等因素有关。EpEpEp侧侧1pp侧ppp1侧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；d为压坯相对密度。maxdmax(三)粉末与模壁的摩擦力计算1．模壁摩擦力的一般计算公式(6.2.19)式中，μ为压坯与模壁间的静摩擦系数；S侧为摩擦面积，等于压坯侧面积。侧正侧侧SpSpF实际粉末的侧压系数ξ不是常数，它和压坯不同高度上的压制压应力p正一样，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dH、周长为L，则薄片侧面积：Sf=L·dH(6.2.20)作用于薄片侧面上的侧压应力：ps=ξ·p(6.2.21)式中，ξ为薄片区域侧压系数；p为该区域正压强。计算摩擦力的微分单元示意图，H0为压坯高度。故，薄片单元侧面与模壁之间的摩擦力为，dF=μpsSf=μξpSf=μξpLdH(6.2.22)整个压坯侧面与模壁间的摩擦力为，(6.2.23)严格上，仅L是常数；μ、ξ、p都是H的函数，且它们都与压制压应力（压坯致密化程度）有关。0000HHdHpLdFF实际计算中，一般计算压制压应力最大时（压制终了时）的最大摩擦力。此时，尽管压坯密度不均匀，但压坯最大密度处所对应的μ、ξ、p可近似看作常数，且是最大值。因此，计算最大摩擦力时，可假设（6.2.23）式中的μ、ξ、p均为常数，则有F=μξpLH0=μξp正S侧=μξp上S侧(6.2.24)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由压坯在加压方向的受力平衡可得，(6.2.25)达到传力极限高度时，p下=0，则(6.2.26)0正上SpFH0)(0正上下SppFH摩擦力的存在，使压制压应力向下传递过程中被逐渐消耗，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。传力极限高度是指一定截面尺寸下，粉末能够传递压力的最大高度。即是冲头通过粉末所能传递压力的最大高度。将（6.2.24）式代入（6.2.26）式，则有(6.2.27)上式说明，只有压坯满足才能压制。1/(μξ)称为传力极限系数或传力极限值。①圆柱形压坯单向压制，有②圆柱形压坯双向压制，有100正侧SS））（正侧/(1/SS41DH21DH（四）正压力的损耗对压坯密度的影响定义压力损失率为：F/P上。则有(6.2.28)将(6.2.1)式代入(6.2.28)式，有(6.2.29)abp式中，P上为上模冲施加的总压力；ρ上、ρ下分别为压坯上端和下端密度；a、b为与粉末特性有关的常数。上下正上正下上上ppSpSppPF1aaabbPF/1/1/11)/()/1上下上下上（将(6.2.24)式F=μξp上S侧代入(6.2.29)式，则有(6.2.30)上式说明对于一定粉末，μ、ξ为定值，若S侧、S正一定(即，几何尺寸一定)，则压坯上下端的密度差也就确定。aSS/111上下正侧