粉末冶金原理(粉末壓制成型技術(shù)).ppt

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1、第二章 粉末壓制成形原理Principles of Powder Compaction（Pressing）,程繼貴 材料科學(xué)與工程學(xué)院,School of Materials Science and Engineering,本章內(nèi)容 2.1 概述 2.2 壓制過程中力的分析 2.3 壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系 2.4 粉末壓坯密度的分布 2.5 粉末壓坯的強(qiáng)度 2.6 影響壓制過程的因素,School of Materials Science and Engineering,,Making Powder-Metallurgy Parts,School of Materials Science a

2、nd Engineering,一、基本概念 成形（Forming）的定義： 將粉末密實(shí)（densify）成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強(qiáng)度的坯體（green compacts）的工藝過程。,第一節(jié) 概述,Consolidation,School of Materials Science and Engineering, 成形的重要性 1）是重要性僅次于燒結(jié)的一個基本的粉末冶金工藝過程。 2）比其他工序更限制和決定粉末冶金整個生產(chǎn)過程。 a）成形方法的合理與否直接決定其能否順利進(jìn)行。 b）影響隨后各工序（包括輔助工序）及最終產(chǎn)品質(zhì)量。 c）影響生產(chǎn)的自動化、生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本。,Schoo

3、l of Materials Science and Engineering, 成形方法的一般分類,冷法,石膏模,常壓冷法注漿 加壓冷法注漿 抽真空冷法注漿,等靜壓成形 isostatic（hydrostatic） pressing,粉末壓制成形（鋼模壓制）compacting，briquetting，pressing 普通成形,,,,,注漿成型法,熱法（熱壓注法）：鋼模,粉末連續(xù)成形,粉末軋制 粉末擠壓（可塑成形） 噴射成形,,熱成形及高能率成形 成形燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行,特殊成形,School of Materials Science and Engineeri

4、ng, 按成形過程中有無壓力： 有壓（壓力）成形、無壓成形 按成形過程中粉末的溫度： 冷壓（常溫）成形、溫壓成形、熱成形 按成形過程的連續(xù)性： 間歇成形、粉末連續(xù)成形 按成形料的干濕程度： 干粉壓制、可塑成形、漿料成形, 成形方法的其他分類,School of Materials Science and Engineering,成形壓模的基本結(jié)構(gòu),模壓成形是最重要、應(yīng)用最廣的成形方法！ 本章有關(guān)成形原理的討論以模壓成形為基礎(chǔ)！,School of Materials Science and Engineering,Loose powder is compacted and den

5、sified into a shape, known as green compact Most compacting is done with mechanical presses and rigid tools Hydraulic and pneumatic presses are also used,模壓成形是將金屬粉末或粉末混合料裝入鋼制壓模（陰模）中，通過模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內(nèi)脫出，完成成形過程。,, 模壓成形的主要功用是： 將粉末成形成所要求的形狀； 賦予壓坯以精確的幾何尺寸； 賦予壓坯所要求的孔隙度和孔隙模型； 賦予壓坯以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度以便于搬運(yùn)。,School of

6、Materials Science and Engineering,模壓成形PM產(chǎn)品實(shí)例電動工具零件,School of Materials Science and Engineering,模壓成形PM產(chǎn)品實(shí)例汽車發(fā)動機(jī)用粉末燒結(jié)鋼零件,School of Materials Science and Engineering,模壓成形PM產(chǎn)品實(shí)例汽車變速箱粉末燒結(jié)鋼零件,School of Materials Science and Engineering,連桿,School of Materials Science and Engineering,二、金屬粉末壓制過程中發(fā)生的現(xiàn)象,圖12-4

7、粉末壓制示意圖 1 陰模 Die 2上模沖 Top（upper） punch 3下模沖 Bottom（lower）punch 4 粉末 Powder,School of Materials Science and Engineering,鋼模壓制粉末的基本過程,School of Materials Science and Engineering,粉末壓制過程中發(fā)生的現(xiàn)象,1. 壓制后粉末體的孔隙度降低，壓坯相對密度明顯高于粉末體的相對密度。 壓制使粉末體堆積高度降低，一般壓縮量超過50% 2. 軸向壓力（正壓力）施加于粉末體，粉末體在某種程度上表現(xiàn)出類似流體的行為，向陰模

8、模壁施加作用力，其反作用力側(cè)壓力產(chǎn)生。 但是粉末體非流體，側(cè)壓力小于正壓力！,School of Materials Science and Engineering,3. 隨粉末體密實(shí)，壓坯密度增加，壓坯強(qiáng)度也增加。 Q: 壓坯強(qiáng)度是如何形成的？（后述） 4. 由于粉末顆粒之間摩擦，壓力傳遞不均勻，壓坯中不同部位密度存在不均勻。 壓坯密度不均勻?qū)号髂酥廉a(chǎn)品性能有十分重要的影響。 5. 卸壓脫模后，壓坯尺寸發(fā)生膨脹產(chǎn)生彈性后效 彈性后效是壓坯發(fā)生變形、開裂的最主要原因之一。,School of Materials Science and Engineering,三、 粉末體在

9、壓制過程中的變形,（一） 粉末體受壓力后的變形特點(diǎn)（與致密材料受力變形比較） 致密材料受力變形遵從質(zhì)量不變和體積不變，粉末體壓制變形僅服從質(zhì)量不變。 粉末體變形較致密材料復(fù)雜。 2.致密材料受力變形時(shí)，僅通過固體質(zhì)點(diǎn)本身變形，粉末體變形包括粉末顆粒的變形，還包括顆粒之間孔隙形態(tài)的改變，即顆粒發(fā)生位移。 ！粉末體的變形是廣義變形：顆粒位移 + 顆粒變形,School of Materials Science and Engineering,3. 致密材料變形時(shí)，各微觀區(qū)域的變形規(guī)律與宏觀變形規(guī)律基本一致，粉末體變形時(shí)，各顆粒的變形基本獨(dú)立，不同顆粒變形程度可能存在較大差異。 4. 粉末體

10、受力變形時(shí)，局部區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)高于粉末體受到的表觀應(yīng)力（表觀壓制壓力）。 局部區(qū)域的高應(yīng)力可能超過粉末顆粒的強(qiáng)度極限。 5. 粉末體受力壓制，顆粒之間的接觸面積隨壓制壓力增大而增大，兩者間存在一定的定量關(guān)系。,School of Materials Science and Engineering,（二） 粉末體在壓制過程中的變形動力（變形內(nèi)因） 1. 粉末體的多孔性 粉末體中的孔隙包括： 拱橋效應(yīng)現(xiàn)象（圖）：粉末在松裝堆集時(shí)，由于表面不規(guī)則，彼此之間有摩擦，顆粒相互搭架而形成拱橋孔 拱橋效應(yīng)產(chǎn)生的孔隙尺寸可能遠(yuǎn)大于粉末顆粒尺寸。 實(shí)例：Fe 理論密度 7.8 g/cm3 ，松裝

11、密度一般為2-3g/cm3； W 理論密度 19.3 g/cm3 ，中顆粒W粉松裝密度3-4g/cm3 ， 細(xì)顆粒W粉松裝密度3g/cm3。 ？估算其孔隙率。,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,粉末體高的孔隙率使其受力后易于發(fā)生重排,School of Materials Science and Engineering,2. 粉末顆粒良好的彈塑性 制粉過程中，粉末一般都經(jīng)過專門處理 還原

12、、退火 消除加工硬化、表面雜質(zhì)等 3. 粉末體較高的比表面積 主要作為燒結(jié)動力，對壓制也有影響。 實(shí)例：幾種商品粉末的比表面積（cm2/g）： 還原Fe粉（79%-325目）：5160 還原Fe粉（1%-325目）： 516 電解Fe粉（-200目）：400 羰基Fe粉（7m）：3460 還原W粉（0.6m）：5000,School of Materials Science and Engineering,（三） 粉末體在壓制過程中的（位移）變形規(guī)律 較低壓力下首先發(fā)生位移，位移形式多樣,,School of Materials Scien

13、ce and Engineering,影響壓制時(shí)粉末位移的因素 顆粒間可用于相互填充的空間（孔隙） 粉末顆粒間摩擦 顆粒表面粗糙度 潤滑條件 顆粒的顯微硬度 顆粒形狀 加壓速度,School of Materials Science and Engineering,2. 粉末顆粒的變形 彈性變形 顆粒所受實(shí)際應(yīng)力超過其彈性極限，發(fā)生彈性變形。 塑性變形 顆粒所受實(shí)際應(yīng)力超過其屈服極限，發(fā)生塑性變形。 脆性斷裂 顆粒所受實(shí)際應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限，發(fā)生脆性斷裂。 粉末的位移和變形，促使了壓坯密度和強(qiáng)度的增高,School of Materials Science

14、and Engineering,3. 實(shí)際粉末位移變形的復(fù)雜性 粉末的位移和變形與粉末本身性能有關(guān)； 不同粉末位移、變形規(guī)律不同 粉末受力后，首先發(fā)生顆粒位移，位移方式多種多樣； 粉末顆粒位移至一定程度，發(fā)生顆粒變形，變形方式多樣； 位移和變形不能截然分開，有重疊； 位移總是伴隨著變形而發(fā)生 粉末變形必然產(chǎn)生加工硬化 模壓成形不能得到完全致密壓坯,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,第二節(jié) 壓制過程中力的分析,單向壓制各種力的示意圖,

15、一、正壓力、凈壓力、壓力損失 ( 壓制壓力的分配） 正壓力: p，P（單位壓制壓力、總壓力） 凈壓力（有效壓力）：p，，P1 壓力損失：p，P2克服內(nèi)外摩擦力， P = P1 + P2 p = p-p，,School of Materials Science and Engineering,Blended powders are pressed into shapes in dies. Pressure distribution:,School of Materials Science and Engineering,園柱型壓模中取小立方體壓坯為分析對象（徑向受力均勻）， 假定

16、： 陰模不發(fā)生變形 不考慮粉末體的塑性變形,二、模壓成形時(shí)的側(cè)壓力 定義：壓制過程中由垂直壓力所引起的模壁施加于壓坯 的側(cè)面壓力稱為側(cè)壓力 （一）側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系,School of Materials Science and Engineering,推導(dǎo),,p側(cè) 單位側(cè)壓力（MPa）；p 單位壓制壓力（MPa）； = /（1- ）側(cè)壓系數(shù)；泊桑比,（二）側(cè)壓系數(shù) 定義： = /（1- ）= p側(cè) /p ：單位側(cè)壓力與單位正壓力之比 影響因素 泊桑比材料本性（下表） 壓制壓力（壓坯密度）,School of Materials Science and Engine

17、ering,表 不同材料的泊桑比和側(cè)壓系數(shù),School of Materials Science and Engineering,注意幾個問題： 公式計(jì)算的側(cè)壓力是平均值，沿高度不同位置側(cè)壓力不等 粉末體非流體， p側(cè)總小于p 研究側(cè)壓力具有重要意義 估算摩擦力、壓力損失 模具設(shè)計(jì)的需要 解釋壓制過程中的一些現(xiàn)象,School of Materials Science and Engineering,三、外摩擦力、壓力損失 （一）外摩擦力 定義：粉末顆粒與陰模（芯棒）之間的摩擦力。 對比：內(nèi)摩擦力粉末顆粒之間的摩擦力 外摩擦力與壓制壓力的關(guān)系 式中，f 摩 單

18、位外摩擦力（MPa）；粉末與模壁的摩擦系數(shù)。,,,School of Materials Science and Engineering,,,（二）壓力損失 定義：用于克服外摩擦力而消耗的壓制（正）壓力。 與壓制壓力的關(guān)系（推導(dǎo)） 式中，p/ 模底受到的壓力（N）；H為壓坯高度（mm）；D為壓坯直徑（mm） 考慮到消耗在彈性變形上的應(yīng)力，則： p1 考慮彈性變形后模底受到的壓力,School of Materials Science and Engineering,Balancing the vertical forces:,which simplifies to,in

19、troduce k (interparticle friction),or,Integrating and using boundary conditions:,dx0,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering, 壓力損失 P = P2 = P-P1 壓力損失是造成壓坯密度 分布不均勻的根本原因；應(yīng) 盡量減少； 特定情況下可以利用外摩 擦力 影響壓力損失的因素 摩擦系數(shù) ,School of Materials Science and Eng

20、ineering, 側(cè)壓系數(shù) 壓坯尺寸H/D 對壓力損失（摩擦力）有明顯影響 H/D相同，D不同，達(dá)到相同的壓坯密度， 所需單位壓制壓力不同 小直徑壓坯需較高的壓制壓力（圖）,School of Materials Science and Engineering,四、脫模壓力 定義：壓制壓力卸除后，使壓坯由模中脫出所需的壓力 稱為脫模壓力。 脫模壓力與壓制壓力、粉末性能、壓坯密度和尺寸、壓模和潤滑劑等有關(guān)。 p脫 = p側(cè)剩 （單位脫模壓力） P脫 = p側(cè)剩S側(cè)（總脫模壓力） 鐵粉的脫模壓力與壓制壓力P的關(guān)系如下： P脫0.13

21、 P 硬質(zhì)合金物料在大多數(shù)情況下： P脫0.3 P,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,五、彈性內(nèi)應(yīng)力與后效 （Springback） 彈性內(nèi)應(yīng)力：粉末體受壓后內(nèi)部產(chǎn)生的變形抗力（阻力） 彈性后效：當(dāng)壓力去除，把壓坯從壓模中脫出，由于彈性內(nèi)應(yīng)力的松弛作用，粉末壓坯會發(fā)生彈性膨脹，稱為彈性后效。 計(jì)算： = L/L 0 x 100% =（ L-L0）/L0 x100% 高度或直徑方向彈性后效； Lo 、L 卸壓前后壓坯直徑（高度）,Sc

22、hool of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering, 影響彈性后效的因素 粉末性能 粉末成形性差，難成形，需高的壓制壓力，增加彈性后效 霧化鐵粉 還原鐵粉 電解鐵粉 細(xì)粉彈性后效高于粗粉：細(xì)粉 粗粉 壓制壓力 P較低時(shí)，P增加， 增加； P較大時(shí)，P增加，減?。? 一定范圍內(nèi)，P對影響不大（p202圖2-25）,School of Materials Science and Engineering,潤滑條件（Cu粉壓制）,School of Materials S

23、cience and Engineering, 彈性后效各向異性（徑向彈性后效 軸向彈性后效） 彈性后效是設(shè)計(jì)模具的重要參數(shù)之一 彈性后效是壓坯產(chǎn)生變形、開裂的主要原因之一,School of Materials Science and Engineering,一、壓坯密度隨壓制壓力的變化規(guī)律（定性描述） （一）理想的壓制曲線,第階段：顆粒位移，填充孔隙 壓力增加，密度快速增加 滑動階段 第階段：壓力續(xù)增加， 壓坯密度增加不明顯 平衡階段 第階段：壓力超過一定值， 壓力升高，壓坯密度繼續(xù)增加 顆粒變形階段,第三節(jié) 壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系,School of Materia

24、ls Science and Engineering,,,,,粗顆粒、軟顆粒、 低成形速度,細(xì)顆粒、硬顆粒、 高成形速度,p,,（二）實(shí)際粉末的壓制曲線,1.基本規(guī)律（圖） 2. 實(shí)際粉末壓制時(shí)，三個階段相互重疊，不可截然分開： 位移階段有變形， 變形階段有位移 3. 粉末性質(zhì)不同，某一階段的 特征可能不明顯或特別突出。 Q:實(shí)際壓制壓力如何選擇？,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,（一）巴爾申方程 1.基本假設(shè) 1）將粉末體視為彈性體 2）不

25、考慮粉末的加工硬化 3）不考慮摩擦力的影響 4）不考慮壓制時(shí)間的影響 5）不考慮粉末流動性的影響,二、壓制方程壓坯密度與壓制壓力關(guān)系的定量描述,School of Materials Science and Engineering,2. 方程推導(dǎo) 任意一點(diǎn)的變形與壓力間的變化率： d/d=k=P/A -對應(yīng)于壓縮量； A-顆粒間有效接觸面積 積分、變換并取對數(shù)后得: lgPmax-lg P = L(-1) lgP與(-1)成線性關(guān)系 L=壓制因子,=壓坯的相對體積（ =V粉/V顆粒，=+1） 3.適應(yīng)性 硬質(zhì)粉末或中等硬度粉末在中壓范圍內(nèi)壓坯密度 的定量描述,School of

26、Materials Science and Engineering,巴爾申方程在高壓與低壓情形下出現(xiàn)偏差的原因 低壓 粉末顆粒以位移方式填充孔隙空間為主 粉末體的實(shí)際壓縮模量高于計(jì)算值（即理論值），產(chǎn)生偏高現(xiàn)象 高壓 粉末產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和摩擦力的貢獻(xiàn)大，導(dǎo)致實(shí)際值低于計(jì)算值,School of Materials Science and Engineering,（二）川北方程 1.基本假設(shè) 1) 粉末層內(nèi)所有各點(diǎn)的單位壓力相等。 2) 粉末層內(nèi)各點(diǎn)的壓力是外力和粉末內(nèi)固有的內(nèi)壓力之和，內(nèi)壓力與粉末的聚集力或吸附力有關(guān)，與粉末屈服值有密切關(guān)系。 3) 粉末層各斷面上的外壓力與該斷面上粉末的實(shí)際

27、斷面積受的壓力總和保持平衡。外壓如增加，粉末體便壓縮. 4) 每個粉末顆粒僅能承受它所固有的屈服極限的能力。 5) 粉末壓縮時(shí)的各個顆粒位移的幾率和它鄰接的孔隙大小成比例。,School of Materials Science and Engineering,2.方程推導(dǎo) C = （Vo V）/Vo = ab P/（1 + bP） 1/C = 1/ab 1/P + 1/a C 粉末體體積減少率 V、Vo 壓力為P、0時(shí)的粉末體積 a、b 常數(shù) 1/C 與1/P成線性關(guān)系 3.適應(yīng)性: 壓力不大時(shí)準(zhǔn)確性較好,School of Materials S

28、cience and Engineering,（三）艾-沙-柯方程 沉積巖和粘土在壓力下孔隙率與壓力關(guān)系： = o e-BP ； ln（ / o）= - BP o = （VoV）/ Vo = （VV）/V Vo、V、V壓力為0、P和 時(shí)的粉末體積 ln（ / 0）與P成線性關(guān)系 適應(yīng)性：一般粉（尤非金屬粉末）,School of Materials Science and Engineering,（四）黃培云壓制理論（方程）,理論基礎(chǔ) 1. 壓坯密度是外壓的函數(shù)：=kf(P) 2. 常用力學(xué)模型 理想彈性體-虎克體（H體）：=M 理想液體-牛頓體（N體）：=d/dt 線彈性-塑性體-Maxw

29、ell體（M體）（彈性和粘滯性物體） 線彈性體-應(yīng)變弛豫體Kelvin固體（K體）,School of Materials Science and Engineering,黃培云公式(壓制方程)的推導(dǎo) （1） 用彈性和粘滯性固體（Maxwell體）來描述粉末體 對于理想彈性體，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系虎克定律：=M d/dt = Md/dt 用M體代替H體（考慮粉末壓制時(shí)的應(yīng)力持弛豫）： d/dt = Md/dt /t 恒應(yīng)變：d/dt= 0 =0 exp（-t/ 1 ） （1） 沾滯系數(shù)：=M2 ；1 應(yīng)力弛豫時(shí)間 用M固體描述粉末體，比H體更

30、接近實(shí)際,School of Materials Science and Engineering,（2） 類似地，也可以用線彈性體-Kelvin固體（K體） 來描述粉末體（同時(shí)具有彈性和應(yīng)變弛豫物體） = M+d/dt = M(+2d/dt) （2） 沾滯系數(shù)：=M2 ；2 應(yīng)變弛豫時(shí)間 （2）式考慮了粉末壓制時(shí)的應(yīng)變弛豫 用K固體描述粉末體，比H體更接近實(shí)際,School of Materials Science and Engineering,（3）用標(biāo)準(zhǔn)線性固體（SLS體）來描述粉末體 （同時(shí)有應(yīng)力和應(yīng)變弛豫固體）： +1d/dt=M(+2d/dt) （3）

31、1應(yīng)力弛豫時(shí)間 2應(yīng)變弛豫時(shí)間 用SLS描述粉末體，比M、K固體更接近實(shí)際，即（3）式比（1）、（2）式更接近實(shí)際 但（3）式仍有不足： 粉末體充分弛豫后應(yīng)力應(yīng)變非線性（非線性彈滯體）,有加工硬化，且變形大,School of Materials Science and Engineering,（4）用標(biāo)準(zhǔn)非線性固體（SNLS體）來描述粉末體 (+1d/dt)n = M(+2d/dt) n2 數(shù)學(xué)變換得： on =M 或 o = (M)1/n （4） （4）式為考慮了粉末體的非線性彈滯性（加工硬化）后的關(guān)系式， 比（3）式更準(zhǔn)確,School of Materials Scienc

32、e and Engineering, 大程度應(yīng)變的處理 自然應(yīng)變： = LLo dL/L=ln(L/Lo) 對粉末體，其壓制時(shí)的體積改變實(shí)際上是孔隙體積改變 定義：= ln (Vo//V/) Vo/、V/ 粉末原始和受壓P后的孔隙體積 （注意，嚴(yán)格應(yīng)是 = ln(V//Vo/) ，此處是為了保證1） = ln (Vo-Vm)/(V-Vm) = ln (m-o) / (m-)o Vo、V、Vm 壓力為0、P、時(shí)粉末的體積 o、、m壓力為0、P、時(shí)粉末的密度,School of Materials Science and Engineering, 運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)非線性固體模型，

33、綜合考慮粉末體非線性彈滯性、加工硬化等得到壓制方程： =on /M 大程度應(yīng)變： lg ln (m-o)/(m-)o= n lgP-lgM （5） n硬化指數(shù)的倒數(shù) M壓制模量 黃培云壓制方程的最初形式，考慮了粉末壓制過程中的應(yīng)力應(yīng)變弛豫、加工硬化以及大程度應(yīng)變,School of Materials Science and Engineering, 考慮量綱，對原模型進(jìn)行修正： =（o /M）1/m mlgln(m-o) /(m-)o = lg P- lg M （6） m = 1/n 粉末壓制過程的非線性指數(shù)，反映硬化趨勢的大小與晶體結(jié)構(gòu)，粉末形狀、合金化等相關(guān) m 一般大于1，m越大

34、，硬化趨勢大硬化指數(shù) lgln(m-o)/(m-)o與lgP成線性關(guān)系 雙對數(shù)方程 適應(yīng)性: 對硬質(zhì)或軟質(zhì)粉末、中、高、低壓力均有效,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,幾個有代表性的壓制方程,,,School of Materials Science and Engineering,相同點(diǎn)：系數(shù)、定量線性關(guān)系 不同點(diǎn)：假定、適應(yīng)性 如何校驗(yàn)方程的正確性：自學(xué),壓制方程的總結(jié)與比較,School of Materials Scien

35、ce and Engineering,作業(yè) 教材第三章：1、5、6、7、11、12,School of Materials Science and Engineering,第四節(jié) 粉末壓坯密度的分布,一、模壓成形時(shí)壓坯密度分布的不均勻性,（一）壓坯密度分布不均勻的現(xiàn)象,僅通過上模沖加壓的單向壓制 Ni粉壓坯：H：17.5；D：20；700MPa,School of Materials Science and Engineering,圖3-28 單向壓制鐵粉壓坯密度和硬度的分布狀況： 72mm；粉末為3kg和1kg（上、下圖）；550680MPa； 左 密度g/cm3，右硬度HB,密度分布不

36、均勻的后果： 不能正常實(shí)現(xiàn)成形，如出 現(xiàn)分層，斷裂，掉邊角等； 燒結(jié)收縮不均勻,導(dǎo)致變形等； 性能不均勻！,School of Materials Science and Engineering,絕對密度差、相對密度差、平均密度 絕對密度差： dj = dmaxdmin 相對密度差： dr =（dmaxdmin）/dmax 100%,（二）壓坯密度分布不均勻性表示,密度差反映了模壓成形的技術(shù)水平 對密度差的數(shù)值要求越小，要求壓制水平就越高 在可能的情況下，應(yīng)采用盡可能寬松的密度差,School of Materials Science and Engineering,（三）壓坯密度分布

37、不均勻的產(chǎn)生原因,School of Materials Science and Engineering,二、改善壓坯密度分布不均勻性的措施,（一）合理選擇壓制方式,1.根據(jù)壓坯高度(H)和直徑(D)或厚度()的比值選取壓制方式 H/D1，而H/3時(shí)，可采用單向壓制； H/Dl，而H/3時(shí)，采用雙向壓制； H/D410時(shí)，采用帶摩擦芯桿壓模壓制、雙向浮動壓 模壓制、引下式壓模壓制等 對于很長的制品，需采用特殊成形（等靜壓、擠壓等）,School of Materials Science and Engineering,四種基本的模壓成形方法 a）單向壓制 b）雙向壓制 c）浮動模壓制 d）引

38、下式壓制,實(shí)質(zhì)上只有單向和雙向壓制！,School of Materials Science and Engineering,2. 幾種典型壓制方式的特點(diǎn)及密度分布,1）單向壓制 （1）壓制過程中陰模不動、下模沖（上模 沖）不動，壓制壓力僅通過上模沖（下模沖）施加到粉末體上。 （2） 特點(diǎn) 典型的密度分布不均勻； 中性軸位置：壓坯下端； H、H/D增大，密度差增大； 模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)率高； 適應(yīng)高度小、壁厚大的壓坯,School of Materials Science and Engineering,2）雙向壓制 （1）壓制過程中陰模不動、上、下模沖都對粉末體施加壓力。 （2）特點(diǎn) 相當(dāng)

39、于兩個單向壓制的疊加； 中性軸不在壓坯端部； 同樣壓制條件下，密度差較單向壓制??； 可用與H/D較大壓坯的壓制,School of Materials Science and Engineering,（3）雙向壓制的基本類型 同時(shí)雙向壓制（圖）： 上下模沖同時(shí)向粉末體施加相等的壓力 非同時(shí)雙向壓制（后壓） 完成一次單向壓制后，再在低密度端進(jìn)行一次單向壓制。,School of Materials Science and Engineering,單雙向壓制的密度分布,School of Materials Science and Engineering,3）浮動陰模壓制 （1）定義：

40、壓制過程中上模沖向粉末加壓，下沖不動、陰模不是固定不動，而是通過彈簧或汽缸、油缸等適當(dāng)支撐。 （2） 特點(diǎn) 壓制效果與雙向壓制類似； 壓坯密度分布與雙向壓制相同； 中性軸的位置與支撐力有關(guān)； 是生產(chǎn)中廣泛采用的一種壓制方式，便于裝粉； 壓機(jī)下部只需較小的壓制和脫模壓力,School of Materials Science and Engineering,浮動陰模壓制的關(guān)鍵：彈簧支撐力 的確定 陰模受力：Fs、Fx、Pf、W， 力平衡式： 只有浮動壓力Pf等于W，上下模沖壓力才相等。 浮動壓力Pf過大，中性軸下移，密度差增大。 實(shí)際：Pf稍大于W，便于陰模自動復(fù)位。,School o

41、f Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,4） 拉下式（強(qiáng)動式、引下式）壓制（d）,壓制效果與雙向壓制相同 也是生產(chǎn)中廣泛采用的一種設(shè)計(jì)！,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,5） 摩擦芯桿壓制（錯動雙向壓制）,,Ps,School of Materials Science and Engineering,摩擦芯桿壓制的特點(diǎn)： （1）陰模和

42、下模沖頭不動芯桿和上模沖一起同步下降。 （2）外徑處，壓力沿高度向下減小，內(nèi)徑處，壓力沿高度向上逐漸減小。 （3）力平衡關(guān)系： Ps+Fx=Fy+Px 當(dāng)Fy=Fx時(shí)，Ps=Px；陰模壁與粉末間的摩擦力和芯桿壁與粉末間的摩擦力相等時(shí)，上下模沖壓力相等，壓坯密度最均勻 問題：Fy=Fx，大小相等、方向相反，能否完全抵消？,School of Materials Science and Engineering,（4）錯動壓制壓坯的分段平均密變差比單向壓制??；低密度層是一個斜面，比雙向壓坯強(qiáng)度高。 （5）不適應(yīng)于厚壁壓坯：其局部密度均勻性比雙向壓制差。 （6）最適于壓制細(xì)長薄壁制品。,School

43、of Materials Science and Engineering,（二）降低摩擦系數(shù)，減少壓力損失,1.采用潤滑劑 目的：降低摩擦系數(shù)以減少外摩擦力 核心問題：潤滑劑的選擇原則和用量 不可忽視潤滑劑的副作用！ 潤滑方式：模壁潤滑和粉末潤滑 2. 改進(jìn)壓模材料及表面狀態(tài) 3. 原料粉末的改性,School of Materials Science and Engineering,（三）復(fù)雜形狀壓坯的壓制,School of Materials Science and Engineering,1.壓制的基本原則 1）保證各部分粉末的壓縮比相等 壓縮比：粉末松裝高度與壓坯高度之比

44、。 裝填系數(shù)：壓坯密度與粉末松裝密度之比。 兩者數(shù)值上相等（等截面時(shí)）！ 2）采用組合模沖代替整體模沖，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝粉，是實(shí)現(xiàn)壓縮 比相等的關(guān)鍵 補(bǔ)償裝粉：各部分的粉料裝填高度按裝填系數(shù)（壓縮比） 來計(jì)算。 3）組合模沖盡量在下模沖上實(shí)現(xiàn) 實(shí)際生產(chǎn)中，不可能完全按理論計(jì)算設(shè)計(jì)組合模沖，仍需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡化。,School of Materials Science and Engineering,整體模沖不能實(shí)現(xiàn)壓坯密度均勻 為提高密度均勻性，須使用組合（分離）模沖！,2.多臺階壓坯的壓制,School of Materials Science and Engineer

45、ing,使用組合模沖時(shí)料腔高度的計(jì)算：,若：d松=2.4g/cm3， d坯=6.6g/cm3 K= d坯/d松=2.75 H松1= Kh坯 =13.75mm H松2 =55mm,School of Materials Science and Engineering,,Q：臺階個數(shù)是否任意！,帶臺階壓坯的壓制：,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,3.帶斜面壓坯的壓制,School of Materials Science and Engin

46、eering,4.帶曲面壓坯的壓制（自學(xué)）,School of Materials Science and Engineering,第五節(jié) 粉末壓坯的強(qiáng)度,壓坯強(qiáng)度：粉末壓坯反抗外力而保持其形狀、 尺寸不變的能力 重要性： 衡量粉末性能的重要指標(biāo)之一； 衡量壓制過程和壓坯質(zhì)量的重要指 標(biāo)之一。,School of Materials Science and Engineering,一、壓坯強(qiáng)度的形成原因 巴爾申觀點(diǎn)：粉末壓坯中顆粒之間的聯(lián)結(jié)力（壓坯強(qiáng)度）主 要來源于顆粒間的機(jī)械嚙合力； 瓊斯觀點(diǎn)：粉末壓坯中顆粒之間的聯(lián)結(jié)力（壓坯強(qiáng)度）主要 來源于相鄰顆粒表面上的原子吸引力

47、 一般觀點(diǎn)：兩者兼而有之，以機(jī)械嚙合力為主,School of Materials Science and Engineering,二、壓坯強(qiáng)度的表示 1.壓坯抗彎強(qiáng)度表示法（ASTM B 783，GB5319-85） ASTM：31.75 x 12.7 x 6.35 mm GB：30 x 12 x 6mm,w-厚度，mm（6mm） t-寬度，mm （12mm） L-支點(diǎn)間距，mm （25.4mm） P-負(fù)荷，N,School of Materials Science and Engineering,2.轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)法（JSPM4-69） 12

48、.7x6.35mm，14目金屬網(wǎng)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，87rpm. 重量減少率：S =（A-B）/A x 100%,三、影響壓坯強(qiáng)度的因素 1.粉末性能：顆粒硬度、表面粗糙度、比表面積、顆粒 形狀、表面氧化物及雜質(zhì)等； 2.壓制壓力 3.成形劑 4.壓制溫度、保壓時(shí)間,School of Materials Science and Engineering,第六節(jié) 影響壓制過程的因素,一、粉末性能的影響（自學(xué)） （一） 粉末物理性能 （二） 粉末化學(xué)組成 （三）粉末粒度及粒度組成 二、潤滑劑、成形劑的影響 （一）作用 （二）選擇 （三）用量 三、壓制條件的影響 （一）壓制方式 （二）工藝條件 四、壓制

49、廢品分析,School of Materials Science and Engineering,,提要,二、潤滑劑、成形劑的影響 （一）潤滑劑和成形劑的作用 潤滑劑：降低粉末顆粒與模壁及模沖之間摩擦，改善密度 分布，減少壓模磨損，便于脫模。 成形劑：改善粉末成形性能，提高壓坯強(qiáng)度。 不足之處： 1）降低粉末流動性， 2）本身密度低，占有一定體積，限制高密度壓坯的獲得， 3）降低顆粒接觸程度，降低壓坯強(qiáng)度 4）燒結(jié)揮發(fā)：制品外觀，燒結(jié)爐壽命 5）可能的反應(yīng),School of Materials Science and Engineering,（二）選擇原

50、則 1. 良好的潤滑性， 2. 軟化點(diǎn)較高，混合時(shí)不易因溫度升高高而熔化， 3. 易于排除，殘留危害小， 4. 不與粉末反應(yīng)， 5. 對粉末松比、流動性影響不大， 6. 來源與成本 常用材料： 鐵、銅基零件：硬脂酸及其衍生物、石墨等 硬質(zhì)合金、陶瓷：石蠟、合成橡膠、聚乙烯醇、乙二醇等。,School of Materials Science and Engineering,（三）用量及加入方式 滿足工藝要求前提下，盡可能少用 硬脂酸鋅最佳用量：0.5-1.5 wt% 橡膠石蠟最佳用量：1-2 wt % 加入方式： 干混合方式加入：與主要成分的金屬

51、粉末一起混合， 溶液狀態(tài)加入：先將石蠟或合成橡膠溶于汽油或酒精中，再 將它摻入料漿或干的混合料中。壓制前，需將其中的汽油或酒 精揮發(fā)。,School of Materials Science and Engineering,三、壓制條件的影響 （一）壓制方式（略) （二）壓制工藝條件 1. 裝粉方式：重量法、容量法（落入、吸入、芯桿移動） 2. 加壓速度： 低壓范圍內(nèi)（<10m/s）：速度加快不利！ 快速沖擊壓制（幾十上百m/s）新技術(shù)！ 3. 保壓時(shí)間 4. 振動壓制 5. 磁場壓制,School of Materials Science and Engineering,四

52、、壓制缺陷（廢品）分析,（一）分層 沿壓坯的棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋稱為分層（與壓制方向垂直）。 產(chǎn)生原因：粉末顆粒之間的破壞力大于粉末顆粒之間的結(jié)力。 破壞力包括：彈性內(nèi)應(yīng)力、剪切應(yīng)力等。 彈性內(nèi)應(yīng)力：顆粒間的斥力作用引起抵抗彈性變形的力。 彈性內(nèi)應(yīng)力和壓應(yīng)力方向相反。 剪切應(yīng)力： 大小相等、方向相反、不在一條直線上。使物體 兩部分產(chǎn)生相對位移(或稱剪切變形)。 分層主要是壓制壓力過高引起的！ 糾正措施：裝料均勻；不過壓(不超過應(yīng)有壓制壓力)；增加壓坯強(qiáng)度。 檢驗(yàn)方法：磕斷壓坯觀察斷面；超聲波探傷等。,School of Materials Scien

53、ce and Engineering,School of Materials Science and Engineering,（二）裂紋 在壓坯的截面變化處產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，稱為裂紋。 產(chǎn)生裂紋的原因：與分層有相同之處： 1）壓坯脫模時(shí)中間停頓，壓坯脫出部分內(nèi)應(yīng)力松馳，產(chǎn) 生彈性膨脹，而末脫出部分仍受到壓縮，產(chǎn)生壓 應(yīng)力，致使壓坯產(chǎn)生剪切裂紋。 2）帶法蘭的軸套，裂紋易產(chǎn)生在法蘭和主體的結(jié)合 部分，方向約為45度。產(chǎn)生原因是法蘭部分密度 高，主體部分密度低。壓力去除后，由于法蘭彈 性膨脹大于主體，致使結(jié)合部分產(chǎn)生裂紋。 糾正措施：裝料應(yīng)控制裝料比；

54、增加壓坯強(qiáng)度。 （三）壓坯單重超差,School of Materials Science and Engineering,（四）表面劃傷 壓坯表面劃痕稱為劃傷。 產(chǎn)生原因： 1）粘模：脫模時(shí)在陰模出口處受到阻礙，局部產(chǎn)生高溫， 使粉末焊在模壁上的現(xiàn)象。 粘模使壓坯表面產(chǎn)生嚴(yán)重劃傷。 2）陰模軟或光潔度差，也易產(chǎn)生劃傷。 糾正措施: 1) 采用硬質(zhì)合金模具， 2) 提高陰模的硬度，精度和光潔度； 3) 在陰模出口處作出一定長度的錐度； 4) 除去鐵粉中的微粉； 5）改善模具配合間隙。,School of Materials Science and

55、 Engineering,（五）同軸度超差 套類壓坯對同軸度的要求較高，是較難控制的一個參數(shù)。 提高壓坯同軸度的主要措施： 1) 裝料均勻：粉末流動性好，裝料形式合理。 2) 模具設(shè)計(jì)合理：提高摸具的精度 配合間隙小、上下模沖的同軸度小、陰模型腔和脫模錐度須嚴(yán)格同 心、各模具零件的平行度和垂直度設(shè)計(jì)合理。 3) 模具安裝的定位基準(zhǔn)：以陰模內(nèi)孔做定位基準(zhǔn)。與陰模 配合的其它 零件，被固定的部位，其徑向應(yīng)有調(diào)整間隙，能自動調(diào)正。 4）壓機(jī)精度：壓機(jī)上滑塊和工作臺面的平行度，以及上滑塊行程對工 作臺面的垂直度部應(yīng)有合理的要求。,School of Materials Science and Engineering,思考題 教材第二章： 11、12、13、14,School of Materials Science and Engineering,The End of Chapter 2,School of Materials Science and Engineering,Thanks a lot for your attention,