粉末冶金,第四章,成形

第3章成形商洛學(xué)院常亮亮

3成形成形：指將松散粉末體加工成具有一定尺寸、形狀及一定密度和強(qiáng)度的坯塊。將粉末裝入模具后，施加外力即進(jìn)行壓制可得到要求的坯塊。壓制過(guò)程中，因粉末顆粒形狀不同，有滑動(dòng)、移動(dòng)，隨著力的增加，顆粒之間還會(huì)機(jī)械地嚙合在一起，有時(shí)粉末表面相互磨損，將粉末表面的氧化物或雜質(zhì)膜破壞，出現(xiàn)清潔的粉末表面，黏附在一起，使坯塊具有所需的密度和強(qiáng)度。a.普通模壓法：將粉末裝在模具內(nèi)，用壓機(jī)將其成形；b.特殊方法：等靜壓成形、連續(xù)成形、無(wú)壓成形等。3絕大多數(shù)作為應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中部件的制造原料粉末冶金制品加工成塊體材料或部件需經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)操作4轎車部件5電動(dòng)工具與汽車部件6齒輪保持架(Ford)7汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末燒結(jié)鋼零件8汽車變速器系統(tǒng)用粉末燒結(jié)鋼件9P/F連桿10不銹鋼注射成形件3.1成形前原料預(yù)處理退火篩分混合制粒加成形劑、潤(rùn)滑劑3.1.1退火退火：

將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻，有時(shí)是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。

金屬粉末退火的目的：

a.氧化物還原，降低碳和其它雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度；

b.消除粉末的加工硬化，穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu)；

c.防止超細(xì)粉末自燃，將其表面鈍化。

加工產(chǎn)品退火的目的：

a.降低硬度，改善切削加工性；

b.消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；

c.細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。

退火溫度：

退火氣氛：

a.還原性氣氛（氫、離解氨、轉(zhuǎn)化天然氣或煤氣）

b.惰性氣氛

c.真空退火退火對(duì)成分的影響退火對(duì)壓制性能的影響3.1.2篩分篩分指把不同粒度的粉末通過(guò)網(wǎng)篩或振動(dòng)篩進(jìn)行分級(jí)，使粉末能夠按照粒度分成粒度范圍更小的級(jí)別。篩分的目的：把顆粒大小不同的原始粉末進(jìn)行分級(jí)。通常用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)制成的篩子或振動(dòng)篩來(lái)篩分，而對(duì)于鎢鉬等難熔金屬的細(xì)粉或超細(xì)粉末則使用空氣分級(jí)的方法。在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中，篩分(擦篩)也可以用來(lái)制粒。3.1.3混合(1)定義指將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過(guò)程。有時(shí)為了需要也將成分相同而粒度不同的粉末進(jìn)行混合，這種過(guò)程稱為合批。(2)分類混合有機(jī)械法和化學(xué)法兩種。其中，用得最廣泛的是機(jī)械法，即用各種混合機(jī)如球磨機(jī)、V型混合器、錐形混合器、酒桶式混合器和螺旋混合器等將粉末或混合料機(jī)械地?fù)胶途鶆蚨话l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械法化學(xué)法（優(yōu)點(diǎn)）干混：鐵基制品、鎢粉、碳化鎢粉濕混：制備硬質(zhì)合金液體介質(zhì)：酒精、汽油、丙酮、水等能使物料中的各組元分布得更加均勻，從而更有利于燒結(jié)的均勻化?；w組元的每一顆粉末表面都包覆上了一層金屬添加劑，這有利于燒結(jié)過(guò)程中的合金化。所得的最終產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)較理想,綜合性能優(yōu)良。3.1.4制粒定義：制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序。目的：改善粉末的流動(dòng)性應(yīng)用：在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中，為了便于自動(dòng)成形，使粉末能順利充填模腔必須先制粒。設(shè)備：能承擔(dān)制粒任務(wù)的設(shè)備有圓筒制粒機(jī)、圓盤制粒機(jī)和擦篩機(jī)等，有時(shí)，也用振動(dòng)篩來(lái)制粒。工藝：目前，較先進(jìn)的工藝是噴霧干燥制粒。它是將液態(tài)物料霧化成細(xì)小的液滴，與加熱介質(zhì)（N2或空氣）直接接觸后液體快速蒸發(fā)而干燥。噴霧干燥制粒工藝原理：噴霧干燥制粒全過(guò)程是在密封系統(tǒng)中完成，共分為四個(gè)階段：(1)料漿的霧化；(2)液滴群與加熱介質(zhì)相接觸；(3)液滴群干燥；(4)料粒與加熱介質(zhì)分離；工藝優(yōu)點(diǎn)：該工藝所制得的料粒形狀規(guī)則，粒度均勻，流動(dòng)性好，可減少壓制廢品的出現(xiàn)。(1)成形劑：為提高壓坯強(qiáng)度或防止粉末混合料離析，在燒結(jié)前或燒結(jié)時(shí)該物質(zhì)被除掉，有時(shí)也叫粘結(jié)劑，如硬脂酸鋅、合成橡膠、石蠟等。鐵、銅基零件：硬脂酸鋅硬質(zhì)合金：石蠟、合成橡膠、聚乙烯醇、乙二醇等。(2)潤(rùn)滑劑：為了降低成形時(shí)粉末顆粒與模壁和模沖間摩擦、改善壓坯的密度分布、減少壓模磨損和有利于脫模。如石墨粉、硫磺粉。(3)造孔劑燒結(jié)中能造成一定孔隙的物質(zhì)。3.1.5加成形劑、潤(rùn)滑劑(4)選擇成形劑、潤(rùn)滑劑的基本條件有較好的粘結(jié)性和潤(rùn)滑性能，在混合粉末中容易均勻分散，且不發(fā)生化學(xué)變化。軟化點(diǎn)較高，混合時(shí)不易因溫度升高而熔化?；旌戏勰┲胁恢掠谝蛱砑舆@些物質(zhì)而使其松裝密度和流動(dòng)性明顯變差，對(duì)燒結(jié)體特性也不能產(chǎn)生不利影響。加熱時(shí)，從壓坯中容易呈氣態(tài)排出，并且這種氣體不影響發(fā)熱元件、耐火材料的壽命。(5)加入形式

成形劑通常在混料過(guò)程中以干粉末的形式加入，與主要成分的金屬粉末一起混合，在某些場(chǎng)合（如硬質(zhì)合金生產(chǎn)）也以溶液狀態(tài)加入。3.2金屬粉末壓制過(guò)程3.2.1金屬粉末壓制現(xiàn)象3.2.2金屬粉末壓制時(shí)的位移與變形3.2.3金屬粉末的壓坯強(qiáng)度3.2.1金屬粉末壓制現(xiàn)象壓力經(jīng)上模沖傳向粉末時(shí)，粉末在某種程度上表現(xiàn)有與液體相似的性質(zhì)力圖向各個(gè)方向流動(dòng)，于是引起了垂直于壓模壁的壓力——側(cè)壓力。粉末在壓模內(nèi)所受壓力的分布是不均勻的，這與液體的各向均勻受壓情況有所不同。在壓制過(guò)程中，粉末由于受力而發(fā)生彈性變形和塑性變形，壓坯內(nèi)存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)外力停止作用后，壓坯便出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這種壓坯脫出壓膜后發(fā)生的膨脹現(xiàn)象稱為彈性后效。3.2.2金屬粉末壓制時(shí)的位移與變形

a.粉末的位移當(dāng)施加外力時(shí)，粉末體內(nèi)的拱橋效應(yīng)遭到破壞，粉末顆粒彼此填充孔隙，重新排列位置，增加接觸。

拱橋效應(yīng)：粉料自由堆積的空隙率往往比理論計(jì)算值大得多，原因是實(shí)際粉料不是球形，加上表面粗糙以及附著和凝聚的作用，結(jié)果顆?；ハ嘟诲e(cuò)咬合，形成拱橋型空間，增大了空隙率。這種現(xiàn)象稱為拱橋效應(yīng)。圖3-4粉末位移的形式(a)粉末顆粒的接近；(b)粉末顆粒的分離；(c)粉末顆粒的滑動(dòng)；(d)粉末顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)；(e)粉末顆粒因粉碎而產(chǎn)生的移動(dòng)b.粉末的變形粉末體受壓后體積明顯減小，除第一階段的位移外，又發(fā)生變形。變形有彈性變形和塑性變形。彈性變形：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形。

塑性變形：物質(zhì)-包括流體及固體在一定的條件下,在外力的作用下產(chǎn)生形變,當(dāng)施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。c.脆性斷裂當(dāng)施加的壓力超過(guò)強(qiáng)度極限后，粉末顆粒碎裂成更小的碎片，使粉末接觸更加緊密。圖3-5壓制時(shí)粉末的變形(a)點(diǎn)接觸；(b)面接觸；(c)扁平狀3.2.3金屬粉末的壓坯強(qiáng)度1.粉末顆粒之間的聯(lián)結(jié)力大致可分為兩種粉末顆粒之間的機(jī)械嚙合力(主要)粉末顆粒形狀越復(fù)雜，表面越粗糙，則粉末顆粒之間彼此嚙合得越緊密，壓坯的強(qiáng)度越高。粉末顆粒表面原子之間的引力在金屬晶格結(jié)構(gòu)中，金屬原子之間因引力和斥力相等而處于平衡狀態(tài)，當(dāng)原子間距小于平衡時(shí)的常數(shù)值時(shí)，原子之間產(chǎn)生斥力；反之，便產(chǎn)生引力。能夠產(chǎn)生這種引力的區(qū)間稱為引力范圍。2.壓坯強(qiáng)度的測(cè)定壓坯強(qiáng)度：

指壓坯反抗外力作用保持其幾何形狀和尺寸不變的能力，是反映粉末質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要標(biāo)志之一。測(cè)定方法：壓坯抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)法測(cè)定壓坯邊角穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)法圓柱狀或軸套形壓坯沿其直徑方向測(cè)試破壞強(qiáng)度(壓潰強(qiáng)度)(1)壓坯抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)法用壓坯試樣ASTM標(biāo)準(zhǔn)是：寬12.7mm，厚6.35mm,長(zhǎng)31.75mm(中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：GB5319-85：12×6×30mm)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定裝置上測(cè)出破斷負(fù)荷，根據(jù)下列公式計(jì)算：抗彎強(qiáng)度與成形壓力的關(guān)系(2)測(cè)定邊角穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)將直徑12.7mm厚6.35mm的圓柱狀壓坯裝入14目的金屬網(wǎng)制鼓筒中，以87r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)1000轉(zhuǎn)后，測(cè)定壓坯的質(zhì)量損失率來(lái)表征壓坯強(qiáng)度。質(zhì)量減少率越小，壓坯的強(qiáng)度越好。壓坯強(qiáng)度與成形壓力的關(guān)系(3)測(cè)試破壞強(qiáng)度(壓潰強(qiáng)度)該方法是粉末冶金軸套類零件的特有的強(qiáng)度性能表示方法。3.3壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系3.3.1金屬粉末壓制時(shí)壓坯密度的變化規(guī)律3.3.2壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系3.3.1金屬粉末壓制時(shí)壓坯密度的變化規(guī)律

粉末體受壓后發(fā)生位移和變形，在壓制過(guò)程中隨著壓力的增加，壓坯的相對(duì)密度出現(xiàn)有規(guī)律的變化，通常將這種變化假設(shè)為如右圖所示的三個(gè)階段：1、密度增加很快粉末顆粒發(fā)生位移，填充孔隙，此階段又稱為滑動(dòng)階段。2、密度幾乎不變密度已達(dá)到一定值，粉末體出現(xiàn)了一定的壓縮阻力，雖然加大壓力，但孔隙度不能減少。3、壓坯密度又隨之增加成形壓力超過(guò)粉末的臨界應(yīng)力后，粉末顆粒開始變形3.3.2壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系

壓制理論的公式數(shù)量不少，但沒有一個(gè)公式在實(shí)踐檢驗(yàn)中是完全正確無(wú)誤的。多數(shù)理論都把粉末體作為彈性體處理，并且未考慮到粉末在壓制過(guò)程中的加工硬化，有的作者未考慮到粉末之間的摩擦，而且多數(shù)理論全都忽略了壓制時(shí)間的影響。不言而喻，這些問題都必將影響到壓制理論的正確性和使用范圍。進(jìn)一步探索和研究出符合實(shí)踐并能起指導(dǎo)作用的壓制理論是今后粉末冶金工作者急待解決的重要任務(wù)之一。a.巴爾申(Balshin)壓制方程：式中Pmax——相應(yīng)于壓至最緊密狀態(tài)（β=1）時(shí)的單位壓力；L——壓制因素；β——坯塊的相對(duì)體積。巴爾申實(shí)驗(yàn)證明：隨著壓制壓力的增加，壓制因素增大，臨界應(yīng)力值也發(fā)生變化。該公式應(yīng)用范圍小，只能在有限的壓力范圍內(nèi)使用，不能在高壓下應(yīng)用。b.Heckel壓制方程：式中P——施加的壓力；

D——坯塊密度；K、B——常數(shù)。

Heckel方程可用于不同金屬、不同方法生產(chǎn)的粉末。圖3-13在低壓制力下和P的關(guān)系c.日本川北公夫壓制理論

經(jīng)驗(yàn)公式：

式中C——粉末體積減少率；

a、b——系數(shù)；

V0——無(wú)壓時(shí)的粉末體積；

V——壓力為P時(shí)的粉末體積。圖3-14粉末體積減少率和壓力之間的關(guān)系3.4壓制過(guò)程中力的分析通常所說(shuō)壓制力均指平均壓力，實(shí)際上同一斷面內(nèi)，靠近模壁和中間部位、坯塊上、中、下部位所受力均不相同。力包括正應(yīng)力、側(cè)壓力、摩擦力、彈性內(nèi)應(yīng)力、脫模壓力等。作用在粉末體上的力：P=P1+P2P1——靜壓力，使粉末產(chǎn)生位移、變形、克服粉末的內(nèi)摩擦；

P2——壓力損失，克服粉末顆粒與模壁之間的外摩擦力。側(cè)壓力外摩擦力脫模壓力彈性后效3.4.1側(cè)壓力粉末體在模具內(nèi)受壓時(shí)，坯塊向周圍膨脹，模壁給坯塊一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力，這個(gè)力就是側(cè)壓力。側(cè)壓力的存在，使粉末體在壓制過(guò)程中相對(duì)于模壁運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦力。圖3-16雙向壓制示意圖圖3-15坯塊受力示意圖側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系：當(dāng)坯塊受到正壓力P作用時(shí)，在x軸方向產(chǎn)生膨脹△Lx1，y軸方向的側(cè)壓力也使坯塊沿x軸方向膨脹△Lx2，x軸方向的側(cè)壓力使坯塊沿x軸方向壓縮△Lx3，實(shí)際上，坯塊在模具內(nèi)不能向側(cè)向膨脹，因此：△Lx3=△Lx2+△Lx1，可得：ξ—側(cè)壓系數(shù)；ν——泊松比。

同理，沿y軸方向也可導(dǎo)出相同公式。側(cè)壓力公式未考慮塑性變形、粉末特性、模壁變形等，因此只是一個(gè)估算值。側(cè)壓系數(shù)與坯塊密度的關(guān)系：式中ζ——達(dá)到理論密度時(shí)的側(cè)壓系數(shù)；ρ——坯塊相對(duì)密度。從圖可看出：坯塊的不同高度上側(cè)壓力不同，上層：下層：圖3-17側(cè)壓力示意圖3.4.2外摩擦力

外摩擦與壓制壓力摩擦力：粉末體在壓制過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)的粉末與模壁之間存在摩擦現(xiàn)象，摩擦產(chǎn)生的力稱為摩擦力。單向壓制時(shí)，其方向與壓制方向相反。

式中μ——摩擦系數(shù)。外摩擦力（摩擦壓力損失）：式中P′——模底受到的力;P——壓制壓力;H——坯塊高度；D——坯塊直徑。如考慮彈性變形，則：圖3-18單向壓制示意圖摩擦壓力損失與坯塊尺寸的關(guān)系：

單向壓制只有一個(gè)活動(dòng)模沖，通常是上模沖動(dòng)，下模沖不動(dòng)。坯塊高度越高，坯塊上下密度差越大，原因是摩擦壓力損失的存在。

為了減小坯塊上下密度差，單向壓制只壓制比較薄的坯塊。即

或圖3-19密度變化摩擦力對(duì)壓制過(guò)程及壓坯質(zhì)量由于外摩擦力的方向與壓制壓力的方向相反，所以它的存在實(shí)際上是無(wú)益地?fù)p耗了一部分壓力。由于外摩擦力的存在，將引起壓制壓力的不均勻分布。由于外摩擦力的存在，將阻礙粉末體在壓制過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，特別是對(duì)于復(fù)雜形狀制品，摩擦力的存在將嚴(yán)重影響粉末體順利填充那些棱角部位，而使壓制過(guò)程不能順利完成。脫模壓力指把坯塊從模具內(nèi)取出所需的壓力。壓制鐵粉：壓制硬質(zhì)合金：脫模壓力與壓制力的關(guān)系：氧化鎂脫模壓力與壓制力的關(guān)系：式中P——壓制壓力；D——坯塊直徑；D——坯塊高度；C——模具質(zhì)量的特征系數(shù)；m——常數(shù)。3.4.3脫模壓力加載（或卸載）后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加（或減?。┑揭欢〝?shù)值的現(xiàn)象。壓制過(guò)程中，當(dāng)卸掉壓制力并把坯塊從模具內(nèi)取出后，由于彈性內(nèi)應(yīng)力的作用，坯塊發(fā)生彈性膨脹，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。式中δ—沿坯塊高度或直徑的彈性后效；

l0——坯塊卸壓前的高度或直徑；

l——坯塊卸壓后的高度或直徑。圖3-20各種粉末的彈性后效3.4.4彈性后效彈性后效原因粉末體彈塑性變形內(nèi)部聚集很大的彈性內(nèi)應(yīng)力，力圖阻止顆粒變形受壓壓制壓力消除彈性內(nèi)應(yīng)力便要松弛，壓坯發(fā)生膨脹。彈性后效影響因素粉末種類及其粉末特性—粉末粒度及粒度組成粉末顆粒形狀、硬度壓制壓力大小及加壓速度壓坯孔隙度壓模材質(zhì)或結(jié)構(gòu)成形劑粉末種類對(duì)彈性后效的影響各種粉末的彈性后效由圖可知：各種鐵粉和銅粉因其顆粒的表面形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或純度不同等對(duì)可塑性的影響不同，因而應(yīng)力的消除或彈性應(yīng)變的回復(fù)就不同，彈性后效也就不同。彈性后效特點(diǎn)

1)壓坯的彈性后效有各向異性的特點(diǎn)

軸向壓力

>

側(cè)壓力彈性后效高度

>

橫向5~6%1~3%

2)受顆粒形狀、結(jié)構(gòu)、粒度等影響

電解鐵粉<

還原鐵粉

<噴霧鐵粉3.5坯塊密度及其分布?jí)褐七^(guò)程的主要目的是得到一定的坯塊密度，并力求密度均勻分布，但實(shí)踐證明，坯塊密度分布不均勻是壓制過(guò)程的主要特征之一。液體在模具內(nèi)經(jīng)受流體靜壓力后，壓力傳遞到模具的任何一個(gè)面，即液體力圖向各個(gè)方向流動(dòng)，而粉末在模具中壓制時(shí)，主要是在施加力的方向上移動(dòng)。壓坯密度分布規(guī)律影響壓坯密度分布的因素復(fù)雜形狀壓坯的壓制3.5.1坯密度的分布情況

(1)在與模沖相接觸的壓坯上層，密度是從中心向邊緣逐步增大的，頂部的邊緣部分密度最大；(2)在壓坯的縱向?qū)又?，密度沿著壓坯高度從上而下降低?3)在靠近模壁的層中，由于外摩擦的作用，軸向壓力的降低比壓坯中心大得多，以致在壓坯底部的邊緣密度比中心的密度低。因此，壓坯下層的密度分布狀況和上層相反。高度:(1)密度和硬度沿著壓坯高度從上而下降低(上大下小)

(2)接近上模沖的斷面，密度分布是兩邊大中間小水平面：壓坯底部中間大兩邊小。(在靠近模壁的層中，由于外摩擦的作用，軸向壓力的降低比壓坯中心大得多)壓坯的密度分布，在高度方向和橫斷面上，是不均勻的。主要原因—壓力損失

前面已經(jīng)談到，壓制時(shí)所用的總壓力為凈壓力與壓力損失之和，而這種壓力損失就是在普通鋼模壓制過(guò)程中造成壓坯密度分布不均勻的主要原因。主要影響因素—H/D（壓坯高徑比）

實(shí)踐證明，增加壓坯的高度會(huì)使壓坯各部分的密度差增加；而加大直徑則會(huì)使密度的分布更加均勻。即高徑比越大，密度差別越大。為了減少密度差別，降低壓坯的高徑比是適宜的。因?yàn)楦叨葴p少之后壓力沿高度的差異相對(duì)減少了，使密度分布得更加均勻。3.5.2壓坯密度分布不均勻的原因和影響因素3.5.3復(fù)雜形狀壓坯的壓制

歷史上在自動(dòng)壓機(jī)上壓制的第一種產(chǎn)品是藥丸，藥粉計(jì)量后倒入模腔，壓制和擠出自動(dòng)進(jìn)行，在藥丸機(jī)上壓制的第一種粉末冶金制品是自潤(rùn)滑軸承，藥丸機(jī)被重新設(shè)計(jì)后既能在高壓下操作，又能壓制復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)件。

a.單向壓制的簡(jiǎn)單零件

單向壓制只有一個(gè)活動(dòng)的模沖，通常是上模沖動(dòng)，下模沖不動(dòng)，用于壓制H/D＜1的坯塊。單向壓制只在一個(gè)面上施加壓力，對(duì)圓柱體則為上表面，密度從上到下逐漸減小，由于零件比較薄，密度變化在允許范圍內(nèi)。圖3-27單向壓制可壓制的零件Die：固定到壓機(jī)臺(tái)面上的模具；Corerod：與模具內(nèi)徑同軸的固定芯桿；Upperpunch:固定到壓機(jī)壓頭上的空心上模沖；Lowerpunch:固定到壓機(jī)下壓頭上的空心上模沖。圖3-28壓制短套筒的模具組成圖3-29用下模沖脫模的單向壓制操作步驟b.雙向壓制的簡(jiǎn)單零件雙向壓制可壓制高度與直徑比或高度與壁厚比較大且狀較復(fù)雜的零件。從圖看出，上下模沖同時(shí)運(yùn)動(dòng)，且坯塊高度增加。圖3-30用下模沖脫模的雙向壓制操作步驟c.雙向壓制下表面具有兩個(gè)不同平面的零件

下圖是一帶凸緣的零件，下表面有兩個(gè)面，一個(gè)小圓，一個(gè)空心圓，這類零件只能由下模沖將其推出模腔。成形采用組合模沖，一個(gè)上模沖，兩個(gè)下模沖。為了保證整個(gè)零件密度分布均勻，兩個(gè)下模沖運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)一致。圖3-33具有兩個(gè)不同平面的零件下表面具有兩個(gè)不同平面零件的壓制過(guò)程：圖1裝滿粉末；圖2上模沖放入模腔，上面不同方向的剖面線代表上模沖，中間黑體部分是要壓制的粉末部分，下面兩邊上同方向剖面線表示下模沖，中間黑體下部另一方向剖面線部分是內(nèi)下模沖；圖3表示壓制結(jié)束；圖4上模沖移走，下模沖往上推，直到外下模沖與模具平齊，此時(shí)凸緣部分已離開模腔，圖5外下模沖不動(dòng)，內(nèi)下模沖向上推，零件脫模；圖6壓制好的零件。圖3-34帶凸緣零件的壓制d.雙向壓制多面體零件

多面體零件通常形狀復(fù)雜，且有一個(gè)上表面，多個(gè)下表面，即需要一個(gè)上模沖，多個(gè)下模沖。壓制時(shí)，要保證整個(gè)坯塊密度相同，否則脫模過(guò)程中密度不同的銜接處會(huì)由于應(yīng)力的重新分布而產(chǎn)生斷裂或分層。設(shè)計(jì)不同動(dòng)作的多模沖模具時(shí)，要求各模沖的壓縮比相同，目的是使復(fù)雜形狀坯塊密度相同。壓制過(guò)程中要考慮各個(gè)模沖的彈性偏差，并平衡彈性偏差。偏差的計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成，整個(gè)壓制過(guò)程由微信息處理機(jī)控制，可得到好的零件。壓縮比：松散粉末體與坯塊截面高度之比圖3-35渦輪機(jī)輪轂圖3-37復(fù)雜形狀坯塊的壓制(a)、(b)坯塊形狀；?、(d)簡(jiǎn)單模沖壓制及坯塊密度分布；(e)多模沖壓制示意圖及坯塊密度分布e.復(fù)雜形狀坯塊壓制

f.具有曲面坯塊的壓制實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)遇到表面是曲面的零件，這種零件在自動(dòng)壓機(jī)中可以壓制，但要保證均勻密度比較難，因?yàn)樗缮⒎勰w與坯塊厚度的比率不同。自動(dòng)壓機(jī)可提供水平裝滿和非水平裝滿，往模腔裝粉末時(shí)，上表面可裝成曲面，但曲面上密度的一致性難以預(yù)測(cè)。

假設(shè)結(jié)論：假設(shè)粉末顆粒不僅在施加力的方向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也有一定量的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，這樣，密度變化取決于曲面的半徑，半徑越大，密度變化越小。若根據(jù)壓縮比來(lái)衡量，則壓縮比越大，密度變化越小。大多數(shù)情況下密度變化在可接受的范圍內(nèi)，即密度的變化不影響零件的使用，特殊情況下，不均勻的密度分布可通過(guò)燒結(jié)、再壓，使密度分布均勻。圖3-38曲面坯塊的壓制

減小密度分布不均勻現(xiàn)象的措施：

a.壓制前對(duì)粉末進(jìn)行還原退火處理，消除粉末的加工硬化，減少雜質(zhì)含量，提高粉末的壓制性能；

b.加入適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑或成形劑，如鐵基零件加硬脂酸鋅、機(jī)油等，硬質(zhì)合金加橡膠汽油溶液或聚乙烯等塑料溶液；

c.改進(jìn)加壓方式，根據(jù)坯塊高度、直徑或厚度的比值設(shè)計(jì)不同類型的模具；

d.改進(jìn)模具構(gòu)造，或適當(dāng)變更坯塊形狀，使不同橫截面的連接部位不出現(xiàn)急劇的轉(zhuǎn)折。（1）使用成形劑的目的促進(jìn)粉末顆粒變形，改善壓制過(guò)程，降低單位壓制壓力；提高坯塊強(qiáng)度，減少粉塵飛揚(yáng)，改善勞動(dòng)條件；由于減少了摩擦壓力損失，坯塊密度及其分布均勻性提高；提高模具壽命。表3-1成形劑對(duì)模具壽命的影響3.6成形劑（2）成形劑的選擇原則成形劑不改變粉末的化學(xué)成分，燒結(jié)過(guò)程中全部排出，放出的氣體對(duì)人體無(wú)害；成形劑具有好的分散性能，具有適當(dāng)?shù)恼承院土己玫臐?rùn)滑性，且易于和粉末料混合均勻；成形劑對(duì)粉末的松裝密度和流動(dòng)性影響不大，其軟化點(diǎn)應(yīng)高，以防混合過(guò)程中溫升而熔化；燒結(jié)后對(duì)產(chǎn)品性能和外觀等無(wú)不良影響；成本低，來(lái)源廣。不同金屬粉末選用不同物質(zhì)作成形劑。鐵基粉末制品：硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇、硬脂酸鋰、硬脂酸鈣、硬脂酸鋁、硫磺、二硫化鉬、石墨粉和機(jī)油等。硬質(zhì)合金：合成橡膠、石蠟、聚乙烯醇、乙二酯和松香等。其他成形劑：淀粉、甘油、凡士林、樟腦及油醇等。

成形劑加入方法：干混：成形劑直接以粉末狀與金屬一起混合；

濕混：成形劑先溶于水、酒精、汽油、丙酮、苯及四氯化碳等液體中，然后加入到粉末中混合，干燥時(shí)揮發(fā)掉。(3)成形劑種類(4)成形劑用量及效果

成形劑是一種表面活性物質(zhì)，加入后要使每個(gè)顆粒表面形成一層單分子層薄膜，因此，其用量與粉末種類、粒度大小、壓制壓力、摩擦表面及成形劑本身的性質(zhì)有關(guān)。粒度：細(xì)顆粒粉末成形劑加入量多于粗顆粒粉末。表3-2粒度與成形劑用量的關(guān)系表3-3成形劑性質(zhì)與用量的關(guān)系坯塊形狀因素：指摩擦表面積與橫截面積之比，成形劑加入量與形狀因素成正比。橫截面積一定，坯塊高度越高，所需成形劑量越多。圖3-39形狀因素對(duì)成形劑加入量的影響1—0.5；2—1.0；3—2.0；4—2.4；5—8.0成形劑粒度對(duì)粉末流動(dòng)性、松裝密度的影響圖3-40成形劑粒度對(duì)粉末流動(dòng)性、松裝密度的影響(a)成形劑對(duì)流動(dòng)性的影；(b)成形劑對(duì)松裝密度的影響成形劑加入量對(duì)坯塊密度和脫模壓力的影響；成形劑對(duì)燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度的影響圖3-41成形劑加入量對(duì)坯塊密度和模壓力的影響1—壓制壓力832MPa；2—壓制壓力412MPa；3—壓制壓力206MPa；a、b、c與上述壓力相對(duì)應(yīng)的脫模壓力圖3-42成形劑對(duì)燒結(jié)體抗彎強(qiáng)度的影響1—無(wú)潤(rùn)滑劑；2—硬脂酸銅（1.25%）;3—硬脂酸鋇(0.75%);4—硬脂酸鋅(1.25%);5—硬脂酸（1%）；6—硬脂酸鋰（1%）；7—硬脂酸鈣（1.25%）

（5）潤(rùn)滑方式對(duì)坯塊密度的影響成形壓力較低時(shí)，潤(rùn)滑粉末比潤(rùn)滑模具得到的坯塊密度大；成形壓力較高時(shí)，潤(rùn)滑粉末比潤(rùn)滑模具得到的坯塊密度小。圖3-43潤(rùn)滑方式對(duì)坯塊密度的影響成形劑的不足之處：a.成形劑本身占有一定體積，使坯塊密度減小，不利制備高密度制品；b.壓制過(guò)程中因成形劑的阻隔，金屬粉末之間的相互接觸程度降低，從而降低了某些坯塊的強(qiáng)度；c.成形劑在燒結(jié)前或少接種排出，可能損傷燒結(jié)體的外觀，排出的氣體可能影響爐子壽命，污染空氣；d.如成形劑與金屬粉末起作用，將降低燒結(jié)制品的力學(xué)性能；e.成形劑與金屬粉末比重不同，加入成形劑降低了粉末本身的流動(dòng)性。3.7壓制廢品的種類（1)分層沿坯塊的棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋，與受壓面呈450角的整齊界面。分層原因：彈性后效。壓制壓力過(guò)高，易引起分層。因?yàn)閴褐茐毫^(guò)高，坯塊密度過(guò)高，其彈性后效明顯增大。圖3-44壓制分層

(2)裂紋裂紋不同于分層，一般是不規(guī)則的，且無(wú)整齊界面。裂紋可以是縱向，也可以是橫向，或任意方向。

裂紋原因：彈性后效。當(dāng)坯塊脫模時(shí)中間停頓、坯塊脫出部分產(chǎn)生彈性膨脹，而未脫出部分仍受到壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力，致使痞塊產(chǎn)生裂紋。圖3-45壓制裂紋

(3)掉邊掉角原因是坯塊強(qiáng)度、密度未達(dá)到要求，或脫模過(guò)程和搬運(yùn)過(guò)程操作不當(dāng)。

(4)坯塊密度分布不均勻原因是裝料不均，操作不慎。其他缺陷如劃傷多為模具軟或光潔度差的緣故。毛刺過(guò)大和同軸度超差大多為模具尺寸精度低、配合間隙過(guò)大引起。3.8影響壓制過(guò)程和坯塊質(zhì)量的因素(1)粉末性能a.

粉末物理性能軟金屬粉末壓制時(shí)密度易達(dá)到，硬金屬粉末需用成形劑；壓制硬金屬粉末時(shí)對(duì)模具的磨損大于軟金屬粉末。b.粉末粒度及粒度組成粉末越細(xì)，流動(dòng)性越差，填充模腔邊角處越困難，越易形成拱橋效應(yīng)。細(xì)粉末松裝密度低，在模具中充填容積大，使壓制過(guò)程模沖的運(yùn)動(dòng)距離與粉末之間的內(nèi)摩擦力均增加，壓力損失增大，密度分布不均勻。粒度組成合理的粉末在壓制過(guò)程中小顆粒填充大顆粒之間的孔隙，因此坯塊密度、強(qiáng)度提高，彈性后效減小，密度分布合理。c.粉末純度粉末純度越高，壓制越易進(jìn)行。粉末中雜質(zhì)大多是硬而脆的氧化物，其存在使粉末壓制阻力增加，壓制性能變壞，坯塊的彈性后效增大。

d.粉末顆粒形狀球形粉末流動(dòng)性好，易于充填模腔坯塊密度分布均勻；不規(guī)則粉末充填模腔困難，易產(chǎn)生拱橋效應(yīng)，但坯塊強(qiáng)度高，成形性好。e.粉末松裝密度松裝密度小，模具高度和模沖長(zhǎng)度增加，坯塊密度分布不易均勻，但坯塊強(qiáng)度高。松裝密度大，利于壓制長(zhǎng)而高的坯塊。

(2)成形劑

金屬粉末壓制時(shí)，模壁與粉末之間、粉末與粉末之間產(chǎn)生摩擦，使壓力和密度分布不均勻，加入成形劑可改變這種狀況。

(3)壓制方式

a.加壓方式

單向壓制、雙向壓制、多向壓制或組合模沖。

b.加壓速度

粉末體受到高速?zèng)_擊負(fù)荷時(shí)，坯塊致密化過(guò)程不同于靜壓。加壓過(guò)快，影響粉末顆粒間的摩擦狀態(tài)和加工硬化程度及空氣從粉末顆粒孔隙中逸出。因此，壓制過(guò)程以靜壓（緩慢加壓）狀態(tài)進(jìn)行。

c.加壓保持時(shí)間金屬粉末壓制過(guò)程中，施加的壓力達(dá)一定值后保持一定時(shí)間，坯塊密度提高。

d.振動(dòng)壓制

采用機(jī)械、電磁、氣動(dòng)或超聲振動(dòng)，有利于坯塊的致密化。但振動(dòng)壓制噪音大，對(duì)人體有害，對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和材質(zhì)要求較高。

e.磁場(chǎng)

主要針對(duì)磁性材料。在普通壓制的基礎(chǔ)上加一個(gè)外磁場(chǎng)，利用粉末的磁各向異性，使自由旋轉(zhuǎn)顆粒的易磁化方向旋轉(zhuǎn)到與外加磁場(chǎng)一致，在材料中產(chǎn)生一種與單晶體磁狀態(tài)幾乎相同的組織。圖3-46磁場(chǎng)壓制模具結(jié)構(gòu)圖(a)平行加壓方式；(b)垂直加壓方式

（1）等靜壓成形

基本原理：借助高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼體密封容器內(nèi)，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模具內(nèi)的粉末上，使粉末體在同一時(shí)間內(nèi)各個(gè)方向均衡受壓，獲得密度分布均勻、強(qiáng)度較高的坯塊。

成形模具：彈性模具圖3-47等靜壓原理圖1—排氣閥；2—壓緊螺母；3—頂蓋；4—密封圈；5—高壓容器；6—橡皮塞；7—模套；8—壓制坯料；9—壓力介質(zhì)入口

3.9特殊成形

彈性模具本身受壓縮的變形與粉末顆粒受壓基本一致。因此，彈性模具與所接觸的粉末之間不會(huì)產(chǎn)生明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，外摩擦力很小。等靜壓制過(guò)程中流體介質(zhì)傳遞壓力是各向相等的，靜摩擦力在坯塊的縱斷面上任一點(diǎn)均相同，坯塊密度分布沿縱斷面是均勻的。在坯塊同一橫斷面上，由于粉末顆粒間的內(nèi)摩擦作用，坯塊密度從外向內(nèi)逐漸降低，但變化不大。圖3-48不同直徑坯塊的密度分布冷等靜壓制流程圖3-49冷等靜壓制流程圖

冷等靜壓制步驟：

a.模具材料的選擇及制作。不同粉末選擇不同壓力、不同的模具材料；

b.粉末料的準(zhǔn)備。粉末流動(dòng)性、松裝密度、振實(shí)密度、粒度分布；

c.裝料、密封、抽氣。模具袋內(nèi)粉末要求裝滿，為防止壓制過(guò)程中氣體難以從模具中逸出，先抽出氣體，然后用橡膠塞塞緊袋口，再用金屬絲扎緊密封。

d.壓制和脫模。經(jīng)密封、抽氣后的模具袋套上多孔金屬管，放置在高壓容器內(nèi)，加壓壓制，保壓后緩慢卸壓，脫模取出坯塊。

濕袋模具：模具浸泡在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體進(jìn)行壓制。

干袋模具：利用氣體作為介質(zhì)壓制，坯塊取出后，模具仍留在容器內(nèi)待用。圖3-50濕袋模具壓制1—排氣囊；2—壓緊螺帽；3—壓力塞；4—金屬密封圈；5—橡皮塞；6—軟模；7—穿孔金屬套；8—粉末料；9—高壓容器10—高壓液體；11—棉花圖3-51干袋模具壓制1—上頂蓋；2—螺栓；3—筒體；4—上墊；5—密封墊；6—密封圈；7—套板；8—干袋；9—模芯；10—粉末軟模壓制

剛性模具中裝入塑料模具，塑料模腔為異形，粉末裝入塑料模腔，可壓制異形坯塊。軟模材料：聚氯乙烯塑料圖3-52軟模成形示意圖1—鋼模沖頭；2—鋼模筒；3—塑料墊片；4—塑料軟模；5—粉末料；6—下塑料墊片；7—鋼模下墊（