第一章 粉末成型要点.docx

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第一章粉末成型要点

课程名称：

粉末冶金原理

（二）

授课专业：

粉体材料科学与工程

1本课程的任务和意义

粉末冶金材料加工的两个基本过程

金属粉末

小部分直接应用

隐形涂料Fe,Ni粉末

食品医药超细铁粉

涂料汽车用Al粉,变压器用超细铜粉

自发热材料（取暖和野外食品自热）超细Fe粉

固体火箭发动机燃料超细Al,Mg粉等

金刚石合成粉末触媒Fe-Ni合金粉末

电子焊料（solder）Cu合金粉末

焊料细铁粉

……

绝大多数作为应用于工程结构中部件的制造原料

粉末冶金制品

加工成块体材料或部件

需经过成形和烧结操作

成形和烧结过程

控制粉末冶金材料及其部件的微观结构

主宰着粉末材料及其部件的应用

2研究对象

材料设计的概念

工程应用（服役情况）→性能要求→材料性能（经济性）设计→微观结构设计→材质类型、加工工艺设计

研究粉末类型、加工工艺参数与材料微观结构及部件几何性能间的关系

研究粉末冶金加工过程中的相关工程科学问题

即研究粉末成形与烧结过程中的工程科学问题

第一部分粉末成形

powdershapingorforming

具体部件具有一定的几何形状和尺寸

利用外力或粘结剂联结松散状态粉末体中的颗粒，将粉末体转变成具有足够强度的几何体的过程

粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或范德华力

分类：

刚性模（rigiddie）压制成形

普通模压、温压与模压流动成形

非模压成形

冷、热等静压，注射成形，粉末挤压，

粉末轧制，粉浆浇注，无模成型，喷射成

形，爆炸成形等

第一章粉末压制

PowderPressingorCompaction

§1压制前粉末料准备

1还原退火reducingandannealing

作用

降低氧碳含量，提高纯度

消除加工硬化，改善粉末压制性能（前者亦然）

粉末钝化

使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃

退火温度

高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm

退火气氛

还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空

2合批与混合blending　and　mixing

混合

将不同成分的粉末混合均匀的过程

合批

同类粉末或粉末混合物的混合

消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在

粉末生产过程中不同批号粉末之间的性能差异

获得性能均匀的粉末料

混合方式

干混法：

铁基及其它粉末冶金零件的生产

湿磨法：

硬质合金或含易氧化组份合金的生产

WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀效果

发生显著的细化效果

一般采用工业酒精作为研磨介质

湿磨的主要优点

有利于环境保护

无粉尘飞扬和减轻噪音

提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化

保护粉末不氧化

混合均匀程度和效率取决于

粉末颗粒的尺寸及其组成

颗粒形状

待处理粉末组元间比重差异

混合设备的类型

混合工艺

装料量

球料比

转速

研磨体的尺寸及其搭配

对于给定的粉末和混合设备，最佳混合工艺一般采用实验加以确定

混合方式

机械法混合

化学法混合

混合较前者更为均匀,可以实现原子级混合

W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺

W粉+Ni（NO3）2溶液→混合→热解还原（700-750℃）

→W-Ni包覆粉+CuCl2溶液→混合→热解还原（400-450℃）

→W-Cu-Ni包覆粉末

无偏聚（segregation-free）粉末

binder-treatedmixture

消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析

粉末混合与输运过程

3成形剂和润滑剂

成形剂

场合

1）硬质粉末：

如硬质合金,陶瓷等

粉末变形抗力很高

难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的强度

添加成形剂的方法以提高生坯强度，利于成形

2）流动性差的粉末细粉或轻质粉末

粘结剂作用

适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力

改善粉末流动性,提高压制性能

橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS、PEG、PVA等

选择准则

能赋予待成形坯体以足够的强度

易于排除

成形剂及其分解产物不与粉末发生反应

分解温度范围较宽

分解产物不污染环境

润滑剂

↓粉末颗粒与模壁间的摩擦

压坯密度分布不均匀

影响被压制工件的表面质量

降低模具的使用寿命

粉末压制用的润滑剂

硬脂酸

硬脂酸锌

工业润滑蜡

（二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用）

粉末内润滑

润滑剂直接加入粉末中

铁基粉末润滑剂含量提高0.1%

坯件的无孔隙密度下降0.05g/cm3

模壁润滑

静电喷涂

溶液涂敷

4制粒pelletizingorgranulating

细小颗粒或硬质粉末

为了成形添加成形剂

改善流动性添加粘结剂

进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品

粉末结块

原理

借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒

减小团粒间的摩擦力

大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积

制粒方法

擦筛制粒

旋转盘制粒

挤压制粒

喷雾干燥

§2压制现象

1颗粒的位移与变形

1.1粉末颗粒位移

位移方式：

滑动与转动

颗粒重排列Particlerearrangementorrepacking（restacking）

影响因素

粉末颗粒间内摩擦

表面粗糙度

润滑条件

颗粒的显微硬度

颗粒形状

颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度）

加压速度

1.2粉末的变形

弹性变形

颗粒间的接触应力≤材料弹性极限

塑性变形

颗粒接触应力≥金属的屈服强度

点接触处局部→面接触处局部→整体

断裂

脆性粉末

点接触应力>断裂强度→断裂

塑性粉末

点接触应力>屈服强度

→塑性变形

→加工硬化

→脆化→断裂

2致密化现象

2.1致密化

压力作用下

松散状态→拱桥效应的破坏（位移→颗粒重排）+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩→致密化

拱桥效应bridgeeffect

颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象

影响因素

与粉末松装密度、流动性存在一定联系

颗粒形状

粒度及其组成

颗粒表面粗糙度

颗粒比重（含致密程度）

颗粒表面粘附作用（颗粒的磁性、陶瓷颗粒的静电、液膜存在）

颗粒滑动与转动阻力的影响因素

颗粒形状

粒度组成

表面粗糙度

颗粒间润滑状态

塑性变形阻力的影响因素

颗粒的显微硬度

合金化

酸不溶物

氧化物

颗粒本质

原子间作用力

加工硬化速度（晶体结构）

颗粒形状

粉末粒度

压制速度

2.2弹性后效Springback

反致密化现象

压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象

残留内应力释放的结果

弹性后效与残留应力相关

压制压力

粉末颗粒的弹性模量

粉末粒度组成（同一密度）

颗粒形状

颗粒表面氧化膜

粉末混合物的成份

石墨含量

3压坯强度

Green　strength

表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度

影响因素

本征因素

颗粒间的结合强度（机械啮合mechanicalinterlocking）和接触面积

颗粒间的结合强度

颗粒表面的粗糙度

颗粒形状

颗粒表面洁净程度

压制压力

颗粒的塑性

硬脂酸锌及成形剂添加与否

高模量组份的含量

颗粒间接触面积

即颗粒间的邻接度contiguity

颗粒的显微硬度

粒度组成

颗粒间的相互填充程度

压制压力

颗粒形状

外在因素：

残余应力大小

压坯密度分布的均匀性

粉末的填充均匀性

粉末压坯的弹性后效

模具设计的合理性

过高的压制压力

表征方法

抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失

§3压坯密度与压制压力间的关系

1压制过程力的分析

P施加在模腔中的粉末体

→粉末向周围膨胀

→侧压力Fn（Pn）

粉末与模壁之间出现相对运动

→摩擦力Ff（Pf）

下冲头的压力Pb

Ph=ν/（1-ν）P

=ξP

Pf=μPn=μξP

Pb=P-Pf

压力损失△P=P-Pb

在距上冲为X处的有效外压Px

Px=Poexp（-4ξμX/D）

D为模腔内径

模壁作用在粉末体上的侧压力和摩擦力也呈现相似的分布

2脱模压力（ejectionforce）

静脱模力（stripingforce）

滑动脱模力（slidingforce）

与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效

及其与模壁之间的摩擦系数直接相关

压坯密度或压制压力

粉末原料

显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量

粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数

模具材料的硬度

零件的侧面积

2密度与压力间的关系—压制方程

压坯密度ρ是外压的函数

ρ=k.f（P）

2.1常用力学模型

理想弹性体-虎克体（H体）

σ=Mε

理想流体-牛顿体（N体）

σ=ηdε/dt

线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：

H体与N体串联

σT=σ1+σ2

εT=ε1+ε2

线弹性体-Kelvin体（K体）：

H体与N体并联

εT=ε1=ε2

σ=M（ε+τ2dε/dt）τ2应变驰预时间

标准线性固体（SLS体）

M体与H体并联

σT=σ1+σ2

εT=ε1+ε2

σ+τ1dσ/dt=M（ε+τ2dε/dt）

标准非线性固体（SNLS体）

（σ+τ1dσ/dt）n=M（ε+τ2dε/dt）

n<1

τ1、τ2分别为应力、应变驰豫时间

恒应力σo作用并充分保压

（dp/dt=0），经数学变换得

σon=Mε或σo=（Mε）1/n

2.2大程度应变的处理

自然应变

ε=∫LLodL/L=ln（L/Lo）

若压坯的受压面积固定不变，则

ε=-ln[（V-Vm）/（Vo-Vm）]

=ln{[（ρm-ρo）ρ]/[（ρm-ρ）ρo]}

2.3巴尔申方程

基本假设

将粉末体视为弹性体

不考虑粉末的加工硬化

忽略模壁摩擦

任意一点的变形与压力间的变化率

dσ/dε=kσ=P/A

ε-对应于压缩量；A-颗粒间有效接触面积

积分、变换并取对数后得

lgPmax-lgP=L（β-1）

L=压制因子β=压坯的相对体积

适应性

硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述

在高压与低压情形下出现偏差的原因

低压

粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主

粉末体的实际压缩模量高于计算值（即理论值），产生偏高现象

高压

粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值

2.4黄培云压制理论

采用标准非线性固体模型

ε=σon/M

lgln[ρ（ρm-ρo）/（ρm-ρ）ρo]

=nlgP-lgM最初形式

n=硬化指数的倒数M=压制模量

对原模型进行修正，并采用模型

ε=（σo/M）1/m

mlgln[ρ（ρm-ρo）/（ρm-ρ）ρo]

=lgP-lgM

m=粉末压制过程的非线性指数

硬化趋势的大小

晶体结构，粉末形状、合金化等相关

适应性

硬质或软质粉末均有效

§4压制实践

1摩擦力在粉末压制过程中的作用

外摩擦力

粉末颗粒与模具（阴模内壁diewall、模冲puches、芯棒corerod）之间的因相对运动而出现的摩擦

作用

消耗有效外压

造成压力降和在压制面上的压力再分布，导致粉末压坯密度分布不均匀

影响因素

颗粒与模具之间的摩擦系数

粉末颗粒、模具零件表面表面粗糙度

润滑剂添加量

润滑方式：

整体或模壁润滑润滑方式：

整体或模壁润滑

颗粒的显微硬度

颗粒与模具间的冷焊

内摩擦

粉末颗粒之间的摩擦interparticlefriction

正面作用

带动粉末颗粒位移

传递压制压力

负面作用

降低粉末的流动性和填充性能

摩擦功以热的形式损耗掉→有效致密化压力损失

但发热可产生一定的金属粉末颗粒软化

2压坯密度分布均匀性的控制

压坯密度分布不均匀的后果

不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等

烧结收缩不均匀，导致变形

因素

高径比H/D

↑H/D，ρ↓,dρ/dX↑

当H/D→∞，压坯的下部粉末无法成形

模具的润滑状态

模壁润滑优于整体润滑

压制方式

若被成形件为轴套类部件，可采用三种压制方式

单向压制，双向压制和强制摩擦芯杆压制

平均密度：

ρ3>ρ2>ρ1

密度分布均匀性

（dρ/dX）1>（dρ/dX）2>（dρ/dX）3

强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀

粉末颗粒平均粒度

粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀

模具设计的合理性

使台阶间的粉末压缩比相同

粉末的流动性填充均匀

零件形状复杂程度

粉末塑性

颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法

3复杂形状部件的成形

密度分布的控制

多台阶零件：

恒压缩比

压坯强度：

合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末

→高压坯强度

脱模压力

润滑和低的弹性后效，↓脱模压力

压坯形状的合理设计

4压制缺陷的控制

主要缺陷类型、成因

分层

沿坯件棱边向内部发展的裂纹，与压制面形成大约45度的界面

弹性后效

控制方法

适当降低压制压力

复杂件应提高密度分布均匀性

第二章特殊及新型成形技术

Chapter2SpecialandNewFormingTechniques

§1　概述

普通刚性模压制（rigiddiecompaction）技术的特点

优点

可实现连续自动化生产—生产效率高

制造成本低

部件几何尺寸一致性好

特别是经固相烧结的粉末冶金部件

不足

密度分布不均匀

部件形状复杂程度有限

密度较低

尺寸较小，即单重较轻

后果

1）压坯强度低

坯体中存在残留应力

2）烧结收缩不均匀

高低密度区的收缩不一致

对粉体材料技术优越性认识的深化

各工业领域对新材料的需求

发展新的粉末成形技术

成形技术

1WP（WarmPressing/Compaction）－温压技术

高性能（高强度、高精度）的铁基粉末冶金零部件；是传统刚性模压制（模压）技术的发展

2PIM（PowderInjectionMolding）－粉末注射成形技术

形状复杂、薄壁、小尺寸件

3CIP（ColdIsostaticPressing）－冷等静压

高均匀性大型粉末冶金制品

4HIP（HotIsostaicPressing）-热等静压

全致密、高性能、难烧结粉体材料或部件

5SC（SliporSlurryCasting）－粉浆浇注

形状复杂的粉末冶金零部件，特别是陶瓷制品

6PR（PowderRolling）&PE（PowderExtruding）-粉末轧制与挤压

一维尺寸很大而其它两维尺寸较小（棒、管）或一维尺寸相对较小（板材）的制品

7PF（PowderForging）-粉末锻造技术

高强度铁基粉末冶金零部件

8RPF（RapidPrototypeForming）－无模成形技术

借助于计算机模拟控制粉末物料有序沉积，形状极为复杂的大型粉末冶金制品

成形技术的选择原则

几何尺寸、形状复杂程度

性能要求

力学、物理性能及几何精度

制造成本（结合批量、效率）

最低

§2温压技术

粉末与模具被加热到较低温度（一般为150℃）下的刚模压制方法

除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同

温压与粉末热压完全不同，温压的加热温度远低于热压（高于主要组分的再结晶温度）

被压制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光洁

1温压技术的发展背景与现状

温压技术的开发的原动力

汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基P/M零部件，以提高汽车在市场上的竞争力

材质调整和后处理对改善铁基P/M零部件力学性能的潜力已发挥到极限

孔隙的消极贡献

造成应力集中，降低零部件的强度和韧性

孔隙降低材料的热导性能，抑制热处理潜力对

力学性能改善的贡献

提高铁基P/M零部件密度的技术途径

复压-复烧工艺

密度达92%左右，形状复杂程度有限，成本较高

浸铜

密度大于95%，但表面较粗糙，形状、成分设计有限，成本高

液相烧结

密度可达93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困难，成分设计有限

粉末锻造

全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵

AncorbondeTM工艺（80年代后期）

温压技术的前身

扩散粘结铁合金粉末

第１项美国专利（１９９１年）

１９９４年披露，AncordenseTM

全球共有100余条温压生产线

150多种温压件

2温压工艺

粉末原料（扩散粘结铁粉+新型润滑剂）

↓

粉末加热（130℃）

↓

阴模装粉（130-150℃）

↓

温压

↓

温压压坯

↓

烧结

↓

温压零部件

3温压的技术特点

1）低成本制造高性能P/M零部件

若WP=1.0，则

1P1S=0.82P2S=1.3CI（浸铜）=1.5PF=1.8

源于加工工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高

2）压坯密度高

相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低2-6%

3）便于制造形状复杂的零部件

低的脱模压力，↓30%

高的压坯强度，↑25-100%

弹性后效小，↓50%

密度分布均匀，密度差↓0.1-0.2g/cm3

4）零件强度高（同质、同密度）

极限抗拉强度↑10%，烧结态达1200MPa

疲劳强度↑10%

若经适度复压，与粉末锻件相当

5）零件表面质量高

精度提高2个IT级

模具寿命长（模具磨损少）

6）压制压力降低

同压坯密度时，压力降低140Mpa

提高压机容量

温压保持了传统模压的高效、高精度优势

提高了铁基零部件的性能和服役可靠性

拓宽了部件的应用范围

被誉为“导致铁基粉末冶金技术革命的新技术”

4温压加热系统

阴模的加热：

电阻加热

粉末加热方式

热油循环

温控稳定性好，不易过热

微波

加热速度快，但存在过热和微波外泄（安全）问题

感应：

与微波相似

电阻加热

加热速度较快，也存在过热问题

5温压过程的实质

塑性变形得以充分进行

加工硬化速度和程度降低

有效地减小粉末与模壁间的摩擦和降低粉末颗粒间的内摩擦

便于颗粒间的相互填充

颗粒重排为主导机理

颗粒的塑性变形为前者提高协调性变形

成为后期的主导致密化机理

塑性变形与颗粒重排对温压致密化的相对贡献

颗粒重排贡献C1/（C1+C2）

压力（MPa）C1/（C1+C2）

1000.8783

2000.7841

6000.6972

6760.6918

0.6%NewLub.+100℃/120℃

润滑剂的作用

降低粉末颗粒的内外摩擦，↑有效外压→密度↑

↑温度，摩擦系数μ↓，利于塑性变形和粉末颗粒间的相互填充，弹性后效↓，脱模压力↓

§3注射成形

1技术背景

IM是塑料制品的一种通用成形技术

原理是利用熔融塑料的流动行为

借助于外压经注射嘴注入特定的形腔

由于单纯的塑料的强度和耐磨性低，应用范围受到很大限制

在熔融塑料中加入诸如金属或陶瓷粒子作填充剂

能否最大限度地提高塑料中填充剂的体积分数，而又可以保持塑料的良好流动性能呢？

PIM用以制造形状复杂程度很高的P/M小型零部件

开发PIM的先驱

美国AMAX　Met.Injet.Moulding和德国BASF公司

八十年代初，PIM就实现了产业化

2PIM工艺概述

Metallicorceramicpowders+Binder

↓

Premixing

↓

Compounding（mixingandpelletizing）

↓

Feedstock

↓

Injectionmoulding

↓

Debinding（solventandorthermaldebinding/Presintering）

↓

Sintering

↓

PIMparts

3PIM（MIM）工艺的过程控制因素

粉末原料

1particlesize

一般小于30μm，常用2-8μm

提高粉末烧结驱动力

脱脂后坯体的强度

便于混练和注射

2particleshape

球形颗粒有利于脱脂后获得最大的颗粒填充密度和混练均匀的喂料

颗粒外形比（particleaspectratio）λ最好在1-1.5之间

脱脂后能获得最佳的坯件形状保持性（shaperetention）

相互间钩连

3particlesizedistribution

相当宽或窄的粒度分布易于获得稳定

流变性能的喂料，便于混练和注射成形

Wider

↑packingdensity,↓bindercontent

→提高注射坯件在烧结过程中的尺寸稳定性

利于烧结致密化

粘结剂

必须满足

较低的粘度

<0.1Pa.s，但过低易引起两相分离现象

与粉末颗粒润湿性好

加入表面活性剂，阻止在混练和注射过程中发生两相分离

粉末聚集现象

冷却后粘结剂具有足够的强度和韧性

脱脂过程中易于排除，且不易形成脱脂缺陷

为满足混练、注射和脱脂的要求

一般采用多组元体系的粘结剂

混练

借助于温度和剪切应力的联合作用，使PIM喂料均匀且高度一致性

混练温度

过高

导致粘结剂分解

因粘度太低而发生两相分离现象

过低

粉末聚集，喂料不均匀性

剪切力

由旋转速度决定

太高

混练设备磨损和引入机械夹杂

太低

粉末聚集

喂料的不一致性导致注射坯件单重变化和造成烧结坯收缩不一致

注射成形

注射压力和温度是关键工艺参数

注射缺陷及成因

void:

shrinkage,entrappedgas

sinkmarks:

shrinkage,segregation

weldlines:

jetting,flowaroundcores

surfacepatterns:

coldflow,segregation

deformation:

residualstress,ejectionofweakgreenparts

inconsistentshotweight:

inconsistentfeedstock,machinecontrol

缺陷大多数在脱脂或烧结后才发现，属于不可挽回的废品

脱脂

脱脂类型

热脱脂（thermaldebinding）和溶剂脱脂（solventdebinding）

热脱脂：

在一定温度和气氛条件，多元组份中的低熔点组份形成液相

借毛细作用溢出注射坯体或蒸发。

若T≥分解温度，形成相应单分子化合物排出

热脱脂过程

高熔点组份部分残留在粉末颗粒接触处，赋予脱脂坯体足够强度

溶剂脱脂

利用粘结剂组份在溶剂中的选择性溶解，

粘结剂扩散逸出注射坯体

过程进行速度慢

常用脱脂方法

先采用溶剂脱脂在注射坯体中形成开孔隙网络

为后续热脱脂的分解产物的排出提供物质传输通道

↓分解产物可能形成的内压

造成脱脂缺陷的机会

↑脱脂速度

脱脂方法

Wiech法：

适于蜡基粘结剂体系，1980发明

（Ⅰ）法：

气态溶剂脱脂+液态溶剂脱脂

真空，T≥粘结剂的流动温度→注入气态溶剂→粘结剂的溶剂溶液并渗出坯体（脱除大部分）→液态溶剂脱脂。

变形严重，3days

（Ⅱ）法：

惰性气体环境，热脱脂

粘结剂的蒸汽压稍高于气