粉末成型技术

轿车部件电动工具与汽车部件齿轮保持架(Ford)汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车变速器系统用粉末烧结钢件P/F连杆不锈钢注射成形件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粉末成形powdershapingorforming成形：成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或范德华力Coldcompactionwith100–900MPatoproducea“Greenbody”.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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（N2,Ar）真空2)合批与混合blendingandmixing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)混合均匀的过程目的：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，还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3)成形剂和润滑剂成形剂应用于：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成形剂作用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成形剂材料：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改善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润滑方式：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为细小颗粒或硬质粉末而设计应用于：进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品原理借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒好处：减小团粒间的摩擦力大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积§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受力过程的三个阶段第一阶段：粉末颗粒重排，颗粒间的架桥现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；第二阶段：颗粒弹塑性变形，塑性变形的大小取决于粉末材料的延性。但是，同样的延性材料在一样的压力下，并不一定得到相同的坯体密度，还与粉末的压缩性能有关；第三阶段：颗粒断裂。不论是原本脆性的粉体如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工硬化的脆化粉体，都将随着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。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）P/MTungstenLightbulbFilament:500hrsat2500C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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3压坯强度Greenstrength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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开始压制压制结束总侧PP总摩PP侧压系数摩擦系数在距上冲为X处的有效外压PxPx=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1--用硬脂酸润滑模壁2、3--用二硫化钼润滑模壁4--无润滑剂润滑剂对压制的影响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润滑（摩擦系数）对脱模力的影响2压坯密度分布均匀性及控制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压坯密度分布ZX结论在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力的压力损失很大，可达60~90%。由于压力沿压模轴向分布不均，造成压坯的密度不均匀现象。加入润滑剂能够改善这一现象。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：降低缺口敏感性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非模压成形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喷射成形爆炸成形成型方式挤压成型燒結中期末燒結初期燒結末期之表面燒結後之破斷面