金属粉末冶金过程金属粉末冶金技术学院什么是

发布日期:2020-08-29 18:30

  第章金属粉末成形过程分析粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。粉末可以用普通模压法或用特殊方法成形。前者是将金属粉末或混合粉末装在压模内通过压机将其成形。显然压模的设计和压机的能力就成为影响压坯尺寸和形状的重要因素。特殊成形是指各种非模压成形。这类成形按其工作原理和特点有等静压成形、连续成形、无压成形等。用特殊成形能够制造重达几吨的大型坯锭长几十米、宽达 ! 和厚度不超过 ! 的薄板以及带材和异形零件。成形是粉末冶金技术中的一个重要问题但有关成形方面的理论研...

  第章金属粉末成形过程分析粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。粉末可以用普通模压法或用特殊方法成形。前者是将金属粉末或混合粉末装在压模内通过压机将其成形。显然压模的设计和压机的能力就成为影响压坯尺寸和形状的重要因素。特殊成形是指各种非模压成形。这类成形按其工作原理和特点有等静压成形、连续成形、无压成形等。用特殊成形能够制造重达几吨的大型坯锭长几十米、宽达 ! 和厚度不超过 ! 的薄板以及带材和异形零件。成形是粉末冶金技术中的一个重要问题但有关成形方面的理论研究还!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 有待于深入进行。第一节成形前原料准备成形前原料准备的目的是要制备具有一定化学成分和一定粒度以及适合的其它物理化学性能的混合料。由于产品最终性能的需要或者物料在成形过程中的要求同时粉末极少数是以单一粉末来应用的多数情况下都是应用金属与金属或非金属粉末的混合物因而在粉末成形前需要进行一定的准备。其中包括粉末退火、混合、筛分、制粒以及加润滑剂等。一、退火粉末的预先退火可使氧化物还原、降低碳和其它杂质的含量提高粉末的纯度。同时还能消除粉末的加工硬化稳定粉末的晶体结构。用还原法、葡京澳门赌场官网机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法所制得的粉末都要经退火处理。此外为防止某些超细金属粉末的自燃需要将其表面钝化也要作退火处理。经过退火后的粉末压制性得到改善压坯的弹性后效相应减少。退火对粉末性能影响列于表 ! # !。表 ! # !不同条件下退火 !$ 还原铁粉化学成分的变化粉末退火条件元素含量% 温度气氛(总)*+,-原始粉末./0/1012103104退火粉末51167#.50.1013103104退火粉末51167#8 !17)9..0#101310#3103退火粉末!!1167#..0:1013103退火粉末!!1167#8 !17)9..02101#10!10#:!第 # 章金属粉末成形过程分析 退火温度根据金属粉末的种类而不同一般退火温度可按下式计算!退 #$% #$!熔。有时为了进一步提高粉末的化学纯度退火温度也可超过此值。退火一般用还原性气氛有时也可用惰性气氛或者真空。要求清除杂质和氧化物即进一步提高粉末化学纯度时要采用还原性气氛氢、离解氨、转化天然气或煤气或者真空退火。当为了消除粉末的加工硬化或者使细粉末粗化防止自燃时可以采用惰性气体作为退火气氛。退火气氛对粉末压制性能有重要影响表 ( ) * ) * 。表 ( ) * ) *退火气氛对粉末压制性能的影响压力 +,-.压坯的孔隙度 + /0*012线*($#*$%##($6(4$7($%5##( *$(($3($*(###(($35$##$6电解铁粉7%#8*9 。二、混合混合是指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。有时为了需要将成分相同而粒度不同的粉末进行混合这称为合批。混合质量的优劣不仅影响成形过程和压坯质量而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。混合基本上有两种方法机械法和化学法其中广泛应用的是机械法。常用的混料机有球磨机、: 型混合器、锥形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器等。机械法混料又可分为干混和湿混。铁基等制品生产中广泛采用干混制备硬质合金混合料则经常使用湿混。湿温时常用的液体介质为酒精、汽油、丙酮等。为了保证湿混过程能顺利进行对湿磨介质的要求是不与!第 ( 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 物料发生化学反应沸点低易挥发无毒性来源广泛成本低等。湿磨介质的加入量必须适当过多过少都不利于研磨和混合的效率。化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物。如用来制取钨 ! 铜 ! 镍高密度合金铁 ! 镍磁性材料银 ! 钨触头合金等混合物原料。物料的混合结果可以根据混合料的性能来评定。如检验其粒度组成、松装密度、流动性、压制性、烧结性以及测定其化学成分等。但通常只是检验混合料的部分性能并作化学成分及其偏差分析。生产过滤材料时在提高制品强度的同时为了保证制品有连通的孔隙可加入充填剂。能起充填剂作用的物质有碳酸钠等它们既可防止形成闭孔隙还会加剧扩散过程从而提高制品的强度。充填剂常常以盐的水溶液方式加入。三、筛分筛分的目的在于把不同颗粒大小的原始粉末进行分级而使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。通常用标准筛网制成的筛子或振动筛来进行粉末的筛分。四、制粒它是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序常用来改善粉末的流动性。在硬质合金生产中为了便于自动成形使粉末能顺利充填模腔就必须先进行制粒。能承担制粒任务的设备有滚筒制粒机、圆盘制粒机和擦筛机等。有时也用振动筛来制粒。图 ! # ! 所示为制粒设备简图。五、加润滑剂在成形前粉末混合料中常常要添加一些能改善成形过程的物质即润滑剂或成形剂或者添加在烧结中造成一定孔隙的造孔剂。这类物质在烧结!!第 # 章金属粉末成形过程分析 图 ! # !制粒设备$滚筒式制粒机 %倾斜圆盘制粒机!入料口#链轮轮箍滚筒(出料口)擦筛机*料筒+电机,托轮!-倾斜旋转圆盘!!转轴!#传动轴!机座时能挥发干净例如可选用石蜡、合成橡胶、樟脑、塑料以及硬脂酸或硬脂酸盐等物质来作添加剂。另外松装密度低的粉末可经过一次成形压团处理将团块粉碎后再使用。但是这种粉末因加工硬化而往往需要重新退火。第二节金属粉末压制过程一、金属粉末压制现象压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力后成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图 ! # # 是压模示意图。当对压模中粉末施加压力后粉末颗粒间将发生相对移动粉末颗粒将填充孔隙使粉末体的体积减小粉末颗粒迅速达到最紧密的堆积。粉末体在压模内受力后力图向各个方向流动于是引起了垂直于压模壁的压力 侧压力。由于侧压力的作用压模内靠近模壁的外层粉末与模壁之间产生摩擦力这种摩擦力的出现会使压坯在高度方向存在明显的压力降。在接近加压端面的部分压力最大。随着远离加压端面压力逐渐降!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 图 ! # #压模示意图!阴模#上模冲$下模冲%粉末低。由于这种压力分布的不均匀性造成了压坯各个部分的密度分布也不均匀。压制过程中粉末颗粒要经受着不同程度的弹性变形和塑性变形并在压坯内聚集了很大的内应力。当去除压力后由于内应力作用压坯会力图膨胀。这种压坯脱出压模后发生的膨胀现象称为弹性后效。压坯在压模内当去除压力后压坯仍会紧紧地固定在压模内。为了从压模中取出压坯还需要施加一定的压力此为脱模压力。二、粉末颗粒变形与位移的几种形式粉末体的变形不仅依靠颗粒本身形状的变化而主要依赖于粉末颗粒的位移和孔隙体积的变化。粉末体在自由堆积的情况下其排列是杂乱无章的。当粉末体受到外力作用时外力只能通过颗粒间的接触部分来传递。根据力的分解可知不同连接处受到外力作用的大小和方向都不一样。所以颗粒的变形和位移也是多种多样的。一粉末的位移当施加压力时粉末体内的拱桥效应遭到破坏粉末颗粒便彼此填充孔隙重新排列位置增加接触。可用图 ! # $ 所示的两颗粉末来近似地说明粉末的位移情况。!第 # 章金属粉末成形过程分析 图 ! # $粉末位移的形式%粉末颗粒的接近 粉末颗粒的分离 粉末颗粒的滑动(粉末颗粒的转动 )粉末颗粒因粉碎而产生的移动二粉末的变形粉末体在受压后体积明显减少这是由于粉末体在压制时不但发生了位移而且还发生了变形。变形有三种情况即弹性变形、塑性变形和脆性断裂。外力卸除后粉末形状可以恢复原状是为弹性变形压力超过弹性极限形状不能恢复者为塑性变形。压缩铜粉的实验指出发生塑性变形所需的压力大约是该材质弹性极限的 #*+ , $ 倍。金属的塑性越大塑性变形也就越大。当压力超过强度极限后粉末颗粒就发生粉碎性的破坏是为脆性断裂。当压制难熔金属如钨、钼或其化合物如碳化钨、碳化钼等脆性粉末时除有少量塑性变形外主要是脆性断裂。粉末的变形如图 ! # - 所示。由图可知压力增大时颗粒发生变形由最初的点接触逐渐变成面接触。接触面积随之增大粉末颗粒由球形变成扁平状。当压力继续增大时粉末就可能碎裂。图 ! # -压制时粉末的变形三、金属粉末的压坯强度在粉末体成形过程中随着成形压力的增加孔隙减少压坯逐渐致密!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 化。由于粉末颗粒之间联结力作用的结果压坯的强度也逐渐增大。实验指出粉末颗粒之间的联结力大致可以分成两种!粉末颗粒之间的机械啮合力。粉末的外表面呈不规则的凹凸不平的形状通过压制粉末颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和勾连从而形成粉末颗粒之间的机械啮合。这也是使压坯具有强度的主要原因之一。粉末颗粒形状越复杂表面越粗糙则粉末颗粒之间彼此啮合得越紧密压坯的强度越高。粉末颗粒表面原子间的引力。在金属粉末的压制后期粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形粉末颗粒表面上的原子彼此接近当进入引力范围之内时粉末颗粒因引力作用而发生联结。这两种力在压坯中所起的作用并不相同并且与粉末的压制过程有关。对于任何金属粉末来说压制时粉末颗粒之间的啮合力是使压坯具有强度的主要联结力。此外金属粉末在成形之前往往必须加成形剂才能使压坯具有足够的强度。压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状尺寸不变的能力。压坯强度的测定方法主要用压坯抗弯强度试验法见前金属粉末成形性的测定 测定压坯边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度压溃强度的方法。电解铜粉和还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系如图 ! # $ 和图 ! # % 所示。图 ! # $电解铜粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系转鼓试验是以测定压坯的质量损失率来表示压坯强度的。 ( )(* !++,式中 质量损失率( 试样的原始质量!第 # 章金属粉末成形过程分析 图 ! # $还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系% 试样的最终质量。在转鼓试验中质量损失率愈少压坯强度愈好。电解铜粉和还原铁粉的转鼓试验结果如图 ! # 和图 ! # 所示。图 ! # 电解铜粉的转鼓试验图 ! # 还原铁粉的转鼓试验!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 第三节压制压力与压坯密度的关系一、金属粉末压制时压坯密度的变化规律粉末体在压模中受压后发生位移和变形随着压力的增加压坯的相对密度出现有规律的变化通常将这种变化假设为如图 ! # $ 所示的三个阶段。图 ! # $压坯密度与成形压力的关系第!阶段在此阶段内由于粉末颗粒发生位移填充孔隙因此当压力稍有增加时压坯的密度增加很快所以此阶段又称为滑动阶段曲线 %部分 。第阶段压坯经第!阶段压缩后密度已达一定值。这时粉体出现了一定的压缩阻力。在此阶段内压力虽然继续增加但是压坯密度增加很少曲线 部分 。这是因为此时粉末颗粒间的位移已大大减少而其大量的变形尚未开始。第#阶段当压力超过一定值后压坯密度又随压力增加而继续增大曲线 部分 随后又逐渐平缓下来。这是因为压力超过粉末颗粒的临界应力时粉末颗粒开始变形而使压坯密度继续增大。但是当压力增加到一定程度粉末颗粒剧烈变形造成的加工硬化使粉末进一步变形发生困难。因!第 # 章金属粉末成形过程分析 而在此之后随压力的增加压坯密度的变化不大逐渐平缓下来。应该指出实际过程的情况往往是很复杂的。在第!阶段粉末体的致密化虽然以粉末颗粒的位移为主但同时也必然会有少量的变形同样在第阶段致密化是以粉末颗粒的变形为主而同时伴随着少量的位移。另外对于铜、铅、锡等塑性材料压制时第#阶段很不明显往往是第!、阶段互相连接对于硬度很大的材料则要使第#阶段表现出来就要相当高的压力图 ! # !$、图 ! # !! 。图 ! # !$压坯相对密度与压制压力关系!银粉#涡旋铁粉%铜粉还原铁粉镍粉(钼粉图 ! # !!压坯相对密度和压制压力关系!电解钍粉#钙热还原钍粉%还原锆粉研磨铍粉氢化物离解铀粉(硼化钛粉)铬粉!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 二、压制压力与压坯密度的定量关系从理论上寻求一个方程来描述粉末体在压制压力作用下压坯密度增高的现象是一个受人关注的问题。因此在这方面曾进行了大量的工作。目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式包括理论公式和经验公式有几十种之多表 ! # $ 所示为其中一部分。表 ! # $关于粉末压制成形的一些理论公式和经验公式序号 提出日期著者名称公式注解!!%#$汪克尔! ! #() !、 #系数)压制压力!相对体积#!%$*艾西## +,!)#压力 ) 时的孔隙度# +无压时的孔隙度!压缩系数$!%$-巴尔申.).! /)()012 () /! !()012 () 0(!)012相应于压至最紧密状态! !时的单位压力/压制因素0系数!相对体积3!%3-史密斯.压 .松4$! ).压压坯密度.松粉末松装密度5!%56 年川 北 公 夫7!8)! 4 8)7粉末体积减少率!、8系数6!%6! 年黑克尔9!! :)4 ;;、系数!第 # 章金属粉末成形过程分析 序号 提出日期著者名称公式注解!#$% 年尼古拉耶夫! ()*+,* - *! (金属粉末的屈服极限)系数.#$% 年米尔逊+/0!- ,+/#0 +/11金属最大压密时的临界压力、,系数##$2库宁尤 尔 饮 料3 3456- 738- 53456压力无限大时的极限密度5、 7系数7#$2平 井 西 夫3$39#%91:#;%91- :#(()- :- 3:390):外力$应变、#、;系数#$ =#.7黄培云+/+,34- 37334- 337 ,+/- +/4+/+,34- 37334- 337 +/- +/34致密金属密度37压坯原始密度3压坯密度压制压强相当于压制模数,相当于硬化指数的倒数4相当于硬化指数%#!2巴尔申查哈良马奴卡 257%() 77初始接触应力相对密度) 7  -%-7) 75表 - % - 2 所列公式虽多但无十分理想的公式。这是由于多数理论都把粉末体作为弹性体来处理并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化有的未考虑到粉末之间的摩擦而且多数理论都忽略了压制时间的影响。这些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。进一步探索和研究出符合实践并能起指导作用的压制理论是今后有待解决的重要内容。下面对几个有代表性的压制理论简介如下!第 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 一巴尔申压制方程巴尔申认为在压制金属粉末的情况下压力与变形之间的关系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素经数学处理后可以得到!# $ !#%( )!( *式中#% 相应于压至最紧密状态!$ *时的单位压力) 压制因素! 压坯的相对体积。巴尔申压制方程经许多学者的验证表明此方程仅在一定的场合中才是正确的。压制因素 ) 取决于粉末粒度和粒度组成。由上式可知压坯相对体积!与压制压力的对数值 *# 成直线关系。但实际的压制曲线不是直线。巴尔申也曾指出当用松装密度为 *+,-./%0的电解铜粉作成直径 1+-2%%、什么是粉末冶金?高度 -%% 的试样进行试验时得出如图 * ( - ( *- 所示结果。表 * ( - ( , 为图* ( - ( *- 所对应的数据。由图 * ( - ( *- 和表 * ( - ( , 可知随着压制压力的增加压制因素是变化的它随压力的增加而增大临界应力值也发生变化。表 * ( - ( ,临界应力与压缩程度之间的关系粉末压缩程度特性单位压制压力.3#压坯相对体积 . 4孔隙度. 4压制因素)临界应力.3#00+0-+2566+5702-+7*6,+1*+ 7-,26+772,7+7585+-*+6717*+0175-+,巴尔申方程与实际情况不大一致。首先是由于该方程将粉末体当作理想弹性体看待将虎克定律运用于压制过程。但实际上虎克定律并不适用粉末体的压制过程。在压制初期较小的压力就可以使粉末体发生很大的塑性变形压制终了时这种塑性变形可达到 864以上。因此一些学者提出应把粉末体看作为弹塑性体。其次该方程未考虑摩擦力的影响。在压制!第 - 章金属粉末成形过程分析 图 ! # !#典型实际压制图中粉末颗粒之间或粉末与模壁之间存在着摩擦从而必然出现压力损失。第三巴尔申假定粉末变形时无加工硬化现象事实上加工硬化在此过程中必然会出现。金属粉末冶金技术学院并且粉末愈软压制压力愈高则加工硬化现象愈严重。第四巴尔申未考虑压制时间的影响。最后他也没有考虑或忽略了粉末的流动性质等。综上所述巴尔申在推导其压制方程的过程中作了一些与实际情况有较大出入的假设因此该压制理论只有在某些情况下才能应用。二川北公夫压制理论日本的川北公夫研究了多种粉末大部分是金属氧化物在压制过程中的行为。采用受压面积为 #$%#的钢压模粉末粒度 # 目左右粉末装入压模后在压机上逐步加压最高压力达 !()。然后测定粉末体的体积变化作出各种粉末的压力 体积曲线并得出有关经验公式*+, ,,+-./! 0 ./式中* 粉末体积减少率-、. 系数, 无压时的粉末体积, 压力为 / 时的粉末体积。!!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 川北在研究压制过程时作了一些假设!粉末层内各点的压力相等。粉末层内各点的压力是外力 ! 和粉末体内固有的内压力 !之和这种内压力可以根据粉末的聚集力或吸附力来考虑并与粉末的屈服值有密切关系。#粉末层各断面上的外压力与各断面上粉末的实际断面积受的压力总和保持平衡状态。外压如增加粉末体便收缩。因此在各断面上粉末颗粒的实际接触断面积增加于是重新又处于平衡状态。$每个粉末颗粒仅能承受它所固有的屈服极限的能力。%粉末压缩时的各个颗粒位移的几率 # 和它邻接的孔隙大小成正比粉末层所承受的负荷和 # 成反比。图 $ % % $ 是川北对十种粉末进行压制得到的粉末体积减少率与压力的关系。图 $ % % $粉末体积减少率和压力之间的关系$氧化镁滑石粉硅酸铝(氧化锌)皂土*氯化钾+硅酸镁,糖-碳酸钙$糊精三黄培云压制理论方程黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式./0/1 23.% 333.% 332 /0! % /04式中的符号意义可见表 $ % % 。用等静压法对各种软、硬粉末如锡、锌、铜、黄铜、铁、镍、钴、钼、铬、钨、碳化钨和碳化钛等在 5 *4!6 范围内进行的压形试验以及用普通模压法对钼、铜、铁、钨等粉末进行压制实验都证实了上述规律的正确!第 章金属粉末成形过程分析 性。表明双对数压制方程不仅适用于等静压制也适用于一般单向压制。比较上述各压制方程可以看出在多数情况下黄培云的双对数方程不论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好。川北公夫方程则在压制压力不太大时较为优越。应该指出在粉末冶金界一直比较流行的是巴尔申压制方程。这一方面是由于其提出的年代较早另一方面也是由于后来所提出的一些方程无论在理论上或实践上都没有明显的优于巴尔申方程。上述各方程虽各有其明显的弱点但却指明了压制理论的研究方向所以至今仍在流行着。第四节压制过程中力的分析压制是一个十分复杂的过程。粉末体在压制中之所以能够成形其关键在于粉末体本身的特征。而影响压制过程的各种因素中压制压力又起着决定性的作用。上述压制压力都是指的平均压力。实际上作用在压坯断面上的力不都是相等的同一断面内中间部位和靠近模壁的部位压坯的上、中、下部位所受的力都不是一致的。除了正应力之外还有侧压力、摩擦力、弹性内应力、脱模压力等这些力对压坯都将起到不同的作用。压制压力作用在粉末体上之后分为两部分。一部分是用来使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦这部分力称为净压力通常以 !表示另一部分是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力这部分力称为压力损失通常以 !#表示。因此压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和即! $ !% !#一、侧压力粉末体在压模内受压时压坯会向周围膨胀模壁就会给压坯一个大小相等、什么是粉末冶金的定义方向相反的反作用力这个力就叫侧压力。由于侧压力的存在当粉末体在压制过程中相对于模壁运动时便必然产生摩擦力。因此侧压力对!第 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 压制过程和压坯质量具有重要意义。此外正确地计算压模零件的强度必须有侧压力的数据。一侧压力与压制压力的关系为了研究侧压力与压制压力的关系可取一个简化的立方体压坯在压模中受力的情况来分析图 ! # !$ 。图 ! # !$压坯受力示意图当压坯受到正压力 % 作用时它力图使压坯在 轴方向产生膨胀此膨胀值!与材料的泊松比 ( 和正压力 % 成正比与弹性模量 ) 成反比!!*+%)同样沿 , 轴方向的侧压力也力图使压坯沿 轴方向膨胀!#!#*+%侧)但是沿 轴方向的侧压力却使压坯沿 轴方向压缩!-!-*%侧)事实上立方体压坯在压模内不能向侧向膨胀因此在 轴方向膨胀值的总和应该等于其压缩值!!.!#*!-用前述各式代入上式可得到%侧)*! *!第 # 章金属粉末成形过程分析 式中! 侧压力与压制压力的比值称侧压系数 泊松比。同样沿 ! 轴方向也可推导出相应的类似公式。二侧压系数与压坯密度的关系侧压力的大小受粉末体各种性能及压制工艺的影响。在上式的推导中只是假定在弹性变形范围内有横向变形既没有考虑粉末体的塑性变形也没有考虑粉末特性及模壁变形的影响。这样把仅适用于固体的虎克定律应用到粉末压坯中来从而按照公式计算出来的侧压力只能是一个估计的数值。还应特别指出上述侧压力是一种平均值。由于压力损失的影响侧压力在压坏的不同高度上是不一致的即随着高度的降低而逐渐下降。例如在压坯上层附近测得的侧压力平均为压制压力的 #$而在压坯下层附近测得的侧压力值比顶层小 %$ ($。目前还需要继续进行关于侧压力理论的实验研究其重要性如前所述。侧压系数的研究也吸引了众多学者的注意。曾建议把侧压系数当泊松比一样看待其值取决于压坯孔隙度的大小。试验表明泊松比随铁粉压坯孔隙度的增加而减小。研究得出粉末体的侧压系数!和压坯密度有如下关系!)*侧*)!最大+#式中!最大 达到理论密度时的侧压系数# 压坯相对密度。用铁粉作实验表明当压力在,- %.*/ 范围时侧压力与压制压力之间具有线性关系*侧) 0# 0%,*。表 , 1 2 1 ( 为用转化天然气还原氧化物所得的铁粉进行试验的结果。表 , 1 2 1 (侧压系数与压制压力和密度的关系压块密度 34 ・ 561 压力3.*/侧压力3.*/侧压系数!%0(2,%(0#2,0#0,(%0722,0(-00,#!第 , 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 压块密度 ! ・ #$% 压力!()侧压力!()侧压系数!*+,-.*/+*/0+01+,02*+*,,1+-+-1+./-*+-22-+-,1/+31+.3*2+11/.2+1,/1+21+12+,-/22+-,2.+11+/-2+/1*3+.1-+31+322+*,*02+-.3+-1+/112+2,2*+..-+11+/,32+--.1+.10+-1+/12+33-2/+0*,+31+/212+0/3--+*/*+-1+/0*由表可知侧压系数!随侧压力的增加而增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐减小时侧压系数也随之减小。图 , % . % ,* 为压制压力与侧压系数的关系。图 , % . % ,*压制压力与侧压系数的关系,侧压系数.压制压力侧压力!第 . 章金属粉末成形过程分析 由上可知侧压力在压制过程中的变化是很复杂的它对压坯的质量有直接的影响但又不易直接测定因而在设计压模时一般采用侧压系数!! #$% 左右。二、外摩擦力实践中可以发现长期使用的压模其模控尺寸会渐渐地变大。特别是在压坯最终成形的部位压模会磨损得更加厉害。这表明在粉末体的压制过程中运动的粉末体与模壁之间存在着摩擦现象。一外摩擦力与压制压力的关系当粉末体受到压力作用时粉末体将相对于模壁产生一种运动。由于侧压力的作用粉末体与模壁之间将产生摩擦力 摩擦其方向与压制方向相反单向压制时 其大小等于侧压力与粉末体同模壁之间的摩擦系数的乘积摩擦!侧外摩擦力有时又叫做摩擦压力损失可用下式表示 ! ( )) *+, !式中 模底受到的力 压制压力+ 压坯高度, 压坯直径。若干实验指出如果再考虑到消耗在弹性变形上的压力则-! () .+, !式中- 考虑弹性变形后的 。由于压力沿高度有急剧的变化所以式中的指数增加了一倍。研究表明当其它条件一定时粉末体与模壁间的摩擦系数有如下关系在小于 /.01 的低压区值随 压增加而增大在高压区对塑性金属粉末压力在 /. 2 -/301 时值便不随压制压力而变化对于较硬的!第 - 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 金属粉末当压力达 !# $ %() 以上时!值也不随压制压力而变化。实验证明在一个很宽的压力范围内值和!值的关系为*!+ 常数这种关系对塑性金属粉末的误差为 , -.对于较硬的金属粉末其误差为, /.。二摩擦压力损失与压坯尺寸的关系当压坯断面尺寸一定时若采用恒压单向压制则压坯的高度越大压坯上下之密度差越大。而且当 012 值由 ! 增加到 / 时为了达到同样的压坯密度所需的单位压制压力几乎要增加一倍。这是由于存在摩擦压力损失的缘故。对不同尺寸的压坯虽然材质完全相同而所用的压制压力或单位压制压力也不应该是同一数值。否则压坯会出现分层裂纹等缺陷。表 ! 3 % 3 #为压坯尺寸与单位压制压力的关系。表 ! 3 % 3 #压坯尺寸与单位压制压力的关系试样编号压坯尺寸144计算压力单位压力1()总压力156实用压力156实用单位压力1()烧结块尺寸144收缩率1 .外径内径!# 外7 *# 内%8!#%!9%88 $ 88: $ 88# 外/# *# 内%%%/9%!9%# 外8! *# 内8!#/9%!7# $ !#-/ $ -# 外#% *# 内/-%/9-%:9-注$压坏高度均为外径的一半左右成形剂为硬脂酸酒精溶液。!、% 号产品烧结后各项物理机械性能基本一致。%计算压力指用#!: 的试样在研究时采用的单位压力和总压力。由表 ! 3 % 3 # 可知为了获得密度大致相同的压坯% 号试样所闲的单位压力比 ! 号试样几乎小了三分之一。由此可得出随着压坯尺寸的增加所需的单位压制压力电相应地减小。假设压坯是一个理想的正方体而粉末颗粒也是一些小立方体如图 !!第 % 章金属粉末成形过程分析 ! ! #$ 所示。图 # ! ! #$%表示压坯的边长为 个单位若每一个粉末颗粒的边长恰好是一个单位长度那么图 # ! ! #$%中的全部 个粉末颗粒都与模壁接触受到外摩擦力的影响。在图 # ! ! #$中压坯边长增加一个单位。这时便有一个粉末颗粒不与模壁接触即有#(的粉末颗粒不受外摩擦力的影响。图 # ! ! #$)中当压坯边长增加到 * 个单位时便有#*的粉末颗粒不受外摩擦力的影响。图中+和,的情况便分别有(-和#$.-的颗粒不与模壁接触。由此可见当压坯之截面积与高度之比为一定值时尺寸越大则与模壁不发生接触的粉末颗粒数越多即不受外摩擦力影响的粉末颗粒百分数便越大。所以压坯尺寸越大消耗于克服外摩擦的压力损失便相应减小。由于总的压制压力是消耗于粉末颗粒的位移、变形以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损失。所以对于大的压坯来说由于压力损失相对减少因而所需的总的压制压力和单位压制压力也会相应地减少。图 # ! ! #$粉末压坯与模壁接触的断面示意图表 # ! ! / 是从压坯比表面积的角度来说明上述规律。表 # ! ! /压坯尺寸与压坯比表面积的关系压坯边长 0)1总表面积0)1体积0)1.比表面积0)1・ )1! .#$#$*..-*/*($$*#2-!第 # 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 压坯边长 !#总表面积!#$体积!#%比表面积!#$・ # %()($(*$由表可知随着压坯尺寸的增加压坯的比表面积相对减小即压坯与模壁的相对接触面积减少因而消耗于外摩擦的压力损失便相应减少。所以对于尺寸大的压坯所需的单位压制压力比小压坯的要相应减少。三摩擦力对压制过程及压坯质量的影响图 ( $ (+ 为压制不锈钢粉时下模冲的压力 ,-与总压制压力 , 的关系。由图 ( $ (+ 可知在无润滑剂情况下进行压制时外摩擦的压力损失为 ../。当使用硬脂酸四氯化碳溶液润滑模壁时由于摩擦力的减少外摩擦的压力损失会降低至 0$/。在用 %)) 1 2))3,4 的压力压制铁粉和铜粉时也得出了 ,- 5 6, 的类似关系。因此可以得出结论外摩擦的压力损失是很大的。在没有润滑剂的情况下损失可达 2)/ 1 7)/这就引起了压坯密度沿高度分布的不均匀。图 ( $ (+下模冲的压力 ,-与总压制压力 , 的关系(用硬脂酸润滑模壁$、%用二硫化钼润滑模壁0无润滑剂由此可以看出在压制过程中外摩擦力对压制过程会有一系列的影响。!由于外摩擦力的方向与压制压力的方向相反所以它的存在实际上是无益地损耗了一部分压力。为此为了要达到一定的压坯密度相应地必须!第 $ 章金属粉末成形过程分析 增加一定的压制压力。!由于外摩擦力的存在将引起压制压力的不均匀分布。特别是当 !# 值较大阴模壁表面质量不高如硬度较低或较粗糙 以及不采用润滑方式等沿压坯高度的压力降将会十分显著。由于摩擦力的存在将阻碍粉末体在压制过程中的运动特别是对于复杂形状制品摩擦力的存在将严重影响粉末体顺利填充那些棱角部位而使压制过程不能顺利完成。为了减少因摩擦而发生的压力损失可以采用添加润滑剂、提高模具光洁度和硬度、改进成形方式例如双向压制等措施。摩擦力对于压制虽然有不利的方面但也可以利用它来改善压坯密度的均匀性。例如带摩擦芯杆或浮动压模的压制。金属粉末冶金过程三、脱模压力为了把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模压力同样受到一系列因素的影响其中包括压制压力、压坯密度、粉末材料的性质、压坯尺寸、模壁的状况以及润滑条件等等。脱模压力与压制压力的关系取决于摩擦系数和泊松比。如压制铁粉时$脱!%($当压制硬质合金一类制品时$脱!%($。由此可以说明脱模压力与压制压力成线性关系$脱$压)#)$但是对氧化镁进行压制过程的研究得出脱模压力与压制压力的关系为$脱* +〔$%#!〕,式中$ 压制压力# 压坯直径! 压坯高度+ 压模质量的特征系数, 常数。由上式可知脱模压力与压制压力并不是一种简单的线性关系。它与压制压力虽然有关但是粉末的特性、压坯的尺寸、模壁的特征均对其发生影响。成形剂的加入对脱模压力也有影响。实验证明润滑性能良好的成形!第 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 剂往往可使脱模压力成倍地甚至几十倍地降低。在小压力和中等压力下压制时一般说来压制压力小于或等于 ! #$% 时脱模压力一般不超过 (!。四、弹性后效在压制过程中当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后由于弹性内应力的作用压坯将发生弹性膨胀这种现象称为弹性后效。弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示!)!!* +, )! - !!* +,式中 ! 沿压坯高度或直径的弹性后效! 压坯卸压前的高度或直径! 压坯卸压后的高度或直径。弹性膨胀现象的原因是粉末体在压制过程中受到压力作用后粉末颗粒发生弹塑性变形从而在压坯内部聚集很大的内应力 弹性内应力其方向与颗粒所受的外力方向相反力图阻止粉末颗粒变形。当压制压力消除后弹性内应力便要松弛改变颗粒的外形和颗粒间的接触状态这就使粉末压坯发生膨胀。如前所述压坯的各个方向其受力大小不同弹性内应力也就不同。所以压坯的弹性后效就有各向异性的特点。由于轴向压力比侧压力大因而沿压坯高度的弹性后效比横向的要大一些。压坯在压制方向的尺寸变化可达 ., # /,而垂直于压制的方向上的变化为 +, # !,。不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压制压力的关系如图 + -0 - +1 和图 + - 0 - +2 所示。图 + - 0 - +1各种粉末的轴向弹性后效与压制压力的关系+雾化铅粉0研磨铬粉!涡旋铁粉$电解铁粉+($,氧化铁 .电解铜粉/电解铁粉0.(1,氧化铁!!第 0 章金属粉末成形过程分析 图 ! # !$径向弹性后效与压制压力的关系!钨粉#碳化钨粉%铁粉铜粉铅粉影响弹性后效大小的因素很多如粉末的种类及其粉末特性粒度和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等 、压制压力大小、加压速度、压坯孔隙度、压模材质和结构以及成形剂等。图 ! # #( 为不同方法制取的铁粉和铜粉的弹性后效。图 ! # #(各种粉末的弹性后效由同 ! # #( 可知各种铁粉因其颗粒的表面形状、内部结构和纯度不同等对可塑性的影响不同同而应力的消除或弹性应变的回复就不同弹性后效也就不同。电解铁粉、还原铁粉和雾化铁粉由于压制性能依次降低所需压制压力依次加大因而弹性后效依次加大。雾化铜粉的弹性后效随着成形压力的升高而增大。在电解铜粉的弹性后效曲线上则出现拐点是由于电解铜粉是树枝状结构加压时容易崩坏粉末间产生松弛现象。因此在弹性后效曲线转折点的前段左侧出现压坯膨胀。如果压力增加随着粉末颗粒的崩坏和松弛弹性后效达到极小点在曲线转折点的后面阶段由于!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 弹性应变的回复而出现膨胀。此转折点可以看成是粉末集合体与压坯的转变点。弹性后效还受粉末粒度的影响如果还原铁粉粒度小则弹性后效大。电解铜粉在成形压力 ! # $% 时则与此相反。轴套状和片状庆坯的弹性后效也是不同的。另外压模的材质和结构对弹性后效也有影响如表 ! ( ) ( * 所示。表 ! ( ) ( *压模对弹性后效的影响压坯形状模具尺寸+,,模具构造热压配合温度 过流量粉末种类成形压力+%弹性后效+ -圆柱!)./0 1 )./0简单型淬火钢铜$$/*230/0/!/$.铁2.0/0!!.3/0/$/..正方形板./* 1 ./*1 !)/2简单淬火钢铜$*)/)230/0/!./$.铁$$/*32/3!.*/0/!/)./.长方形板.2/! 1 02/31 !)/2阴模外套软钢! 内!.)/0阴模淬火钢$24 /.!,,铜$*)/)230/0!!$3/*/$/!/)铁$*)/)20/0!!$3/*/0/!)/)长方形板02/3 1 0!/$1 !)/2阴模外套软钢! 内!.)/0阴模淬火钢.04 /*5,,铁$*)/)20/0!!$3/*!02//)/!/$!第 ) 章金属粉末成形过程分析 压坯和压模的弹性应变是产生压坯裂纹的主要原因之一。由于压坯内部弹性后效不均匀所以脱模时会在薄弱部分或应力集中部分出现裂纹。第五节压坯密度及其分布压制过程的主要目的之一是要求得到一定的压坯密度并力求密度均匀分布。但是实践表明压坯密度分布不均匀却是压制过程的主要特征之一。因此改进压制过程使压坯密度均匀分布是很重要的。一、压坯密度分布规律实践证明在单向压制时压坯沿其高度方向上密度分布是不均匀的。任取一个圆柱形压模用锡箔纸作垫片或用石墨粉作隔层 将同等质量的粉末分层装入压模中然后进行单向压制即可得到如图 ! # #! 所示压坯形状。图 ! # #!用石墨粉作隔层的单向压制压坯$压制前 %压制后由图 ! # #!%可知各层的厚度和形状均发生了变化也就是压坯中的密度出现了不均匀性。在任何垂直面上上层密度都比下层密度要大些。在水平面上接近上模冲的断面的密度分布是两边大中间小。而远离上模冲截面的密度分布则是中间大两边小。但是在靠近模壁的层中由!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 于外摩擦的作用轴向压力的降低比压坯中心大得多以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低。因此压坯下层的密度和硬度之分布状况和上层相反。曾对铁粉等压坯中的密度和硬度的分布进行过研究。粉末压制后的压坯分割成体积为 !#$的小立方体然后测量其密度和硬度。其密度和硬度的变化如图 ! % % 所示。图 ! % % 与图 ! % % ! 有相类似的规律。图 ! % % $ 是用镍粉进行压制所测定的压坯密度分布与图 ! % % !、图 ! % % 也相类似。测定时采用直径为 ## 的压模取 () * + ,-.压制压力为 /-/012。然后测定压坯不同部位的密度并作图。图 ! % % 还原铁粉压坯中密度和硬度的分布状况压模直径.##压制压力34 5 /.012粉末质量上图 $67下图 !67图左半为密度7)#$ 图右半为硬度(8二、影响压坯密度分布的因素由上所述压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和。压力损失是模压中造成压坯密度分布不均匀的主要原因。实验证明增加压坯的高度会使压坯各部分的密度差增大而加大直径则会使密度的分布更加均匀。()* 之比越大压坯密度差就越大。为了减少密度差别应降低压坯的高径比 ()*。采用模壁光洁度高的压模并在!第 章金属粉末成形过程分析 图 ! # #$镍粉压坯的密度%($分布模壁上涂润滑油能够降低摩擦系数改善压坯的密度分布。另外压坯中密度分布的不均匀性在很大程度上可以用双向压制来改善。在双向压制时与上、下模冲接触的两端密度较高而中间部分的密度较低图 ! # #) 。图 ! # #* 是电解铜粉压坯密度的分布情况。图 ! # #)单向压制与双向压制的压坯密度沿高度方向的分布+单向压制 ,双向压制由图 ! # #* 可知单向压制时压坯各截面平均密度沿高度直线下降直线 ! 在双向压制时尽管压坯的中间部分有一密度较低的区域!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 但密度的分布状况已有了明显的改善折线 ! 。图 # $ # $%电解铜粉压坯的密度沿高度的变化单向压制无润滑剂$单向压制添加 石墨粉!双向压制无润滑剂实践中为了使压坯密度分布得更加均匀除了采用润滑剂和双向压制外还可采取利用摩擦力的压制方法。虽然外摩擦是密度分布不均匀的主要原因但在许多情况下却可以利用粉末与压模零件之间的摩擦来减小密度分布的不均匀性。例如套筒类零件如汽车钢板销衬套、含油轴套、汽门导管等就应在带有浮动阴模或摩擦芯杆的压模中进行压制。因为阴模或芯杆与压坯表面的相对位移可以引起模壁或芯杆相接触的粉末层的移动从而使得压坏密度沿高度分布得均匀一些如图 # $ # $( 和图 # $ # $) 所示。图 # $ # $(带摩擦芯杆的压模底座$垫板!下压环阴模%压坯(芯杆)上压环*限制器!第 $ 章金属粉末成形过程分析 图 ! # #$套管压坯密度沿高度的变化!只润滑芯杆#只润滑阴模%不润滑同时润滑芯杆和阴模用带摩擦芯杆的压模进行压制时如只润滑可动芯杆则出现密度沿高度方向急剧降低的现象图 ! # #$ 曲线 ! 。这时粉末由于与阴模壁的摩擦会引起压坯密度沿高度的降低而经过润滑后的芯杆因摩擦力极小就不会引起粉末层的移动。只润滑模壁时情况相反图 ! # #$ 曲线 # 没有润滑的芯杆运动时会带动粉末颗粒向下移动。这使得压坯密度随着距上模冲端面的距离增加而增大。不采用润滑剂图 ! # #$ 曲线 %时密度分布得比较均匀而对芯杆和阴模都进行润滑时密度沿高度的变化最小(#)*+,%图 ! # #$曲线  这是由于内外层粉末颗粒自由移动所致。三、复杂形状压坯的压制在压制横截面不同的复杂形状压坯时必须保证整个压坯内的密度相同。否则在脱模过程中密度不同的衔接处就会由于应力的重新分布而产生断裂或分层。压坯密度的不均匀也将使烧结后的制品因收缩不同造成的变形也不同从而出现开裂或歪扭。为了使横截面不同的复杂形状压坯的密度均匀需要设计不同动作的多模冲压模并且使它们的压缩比相等如图 ! # #- 所示。对于具有曲面形状的压坯压模结构也必须作相应的调整以便使压坯密度尽可能均匀图 ! # #. 。由图可知当压坯截面上各部分的压缩比!第 ! 篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论 图 ! # #$异形压坯的压制% 、 压坯形状  、 (简单模冲压制示意图及压坯密度分布)多模冲压制示意...

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