第三章 压制成形

定义：将松散粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及强

度、密度的坯快。

方法

加压成形

粉浆浇注

模压成形等静压成形

无压成形

粉末轧制成形粉末挤压成形

注射成形温压成形

高速、高能成形

离心浇注

1. 成形前的原料准备

粉末混合

粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程。

退火 目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质含量、提高纯度、消除

加工硬化、稳定粉末晶体结构。 (T 退 =0.5~0.6T 熔 )

气氛：还原性，惰性，真空

方法

干混（适于铁基制品）

湿混（适于硬质合金 ）

化学法

机械法

（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）

（ 1 ）机械研磨法 (milling powder)

任务：

减少或增大粉末粒度、合金化、混料、改善转变材料性能。

主要适用合金与金属：

锑、锰、铬、高碳铁、铁合金、海绵钛、电解沉积金属、冷却处理后铅、加热处理后锡、氢化处理后钛。

球磨滚筒转动时，球和物料可能运动情况：磨体滚动慢转速、大载荷；球体上升到斜面滚下，球、料有摩擦。 n=0.6 临界

自由下落较高转速；球随筒壁上升至一定高度下落，产生冲击作用 ， 效 果 最好。 n=0.7~0.75n 临

界

磨体滑动

慢转速、小载荷；无搅动。

临界转速

转速达一定值，球体受离心力作用，紧贴筒壁不下落。

a. 研磨规律

b. 影响球磨因素 ( 六方面 )

研磨介质（干磨、湿磨）

球的大小（球径按 选用 ）

被研物料性质（脆性料易破碎）

球磨筒转速（与临界转速相关 , ）

装球量（装填系数一般为 0.4~0.5 ）

装料量（料量 / 滚筒体积 = 20% ）

分转临界 /4.42D

n 分转临界 /4.42D

n

Dd )24

1~

18

1(

表 1 试验用原石英粉粒度分布

2. 2

表 2 干、湿法球磨对石英粉粒度分布的影响 ( 湿磨的粉液比为 2:1)

2. 2

4. 55

湿法球磨后细粉量明显增多

例 1: 陶瓷氧化物粉料在球磨过程的细化

采用球磨—— HC300 喷雾干燥系统制备硬质合金混合料过程图

以碳化钨 WC ，复式碳化物和钴 Co 为主要原料，以酒精为研磨介质

加入到球磨机中进行球磨 , 呈混合料浆

将料浆喷入干燥塔内，使其分散为单独的小液滴

小液滴在塔内上升的过程中与温度达 200 ℃逆流而下 N2 流相遇，其中的酒精迅速被挥发掉，小液滴变成一定粒度的混合料颗粒

例 2:

料粒特性：料粒均匀且稳定，流动性好，质软易碎，压制性能好

HC300 喷雾干燥系统

c. 强化球磨

1-2

弹簧

1-3

俯视图

（ 2 ） 机械合金化（ mechanically alloyed powder ）制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。

1-4

重复冷焊、断裂的过程

1-5

举例：

CoSi 化合物易于形成与其形成能较低有关：

1-61-6

( 获 NiO+ThO2

粉 )

Ni+ThO2 混合粉

图 3-1 Ni+ThO2 混合粉制取

(3) 氧化物弥散强化材料（ ODS ）的混制

塑化和造粒

目的：粉末颗粒极细，需要进行塑化和造粒处理，改善流动性和成

形性。

造粒（是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程，常用 来改善细粉的充填性）

塑化（是指在陶瓷粉料中加入塑化剂使粉料具有可塑性的过程）

3-2

筛分 目的：不同粒度大小原始粉分级。

成形剂（润滑剂）或造孔剂加入

加入目的成形剂 （改善成形性）

造孔剂 （烧结后成一定孔隙）

2. 金属粉末模压成形过程

它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压、保压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出的工艺过程 。

3-3

加压、保压、卸压加粉 脱模

（ 1 ）粉末的运动和变形 a．粉末的位移 粉末体在受力后，粉末体内的“拱桥”遭到破坏，粉末颗粒重新排列位置，彼此填充孔隙，增加接触，粉末体的孔隙度大大降低。

粉末颗粒的位移有五种情况。

b．粉末的变形

弹性变形、塑性变形、脆性断裂 （ 2 ）压坯强度

压坯反抗外力作用，保持几何形状尺寸能力 。（测试方法：抗弯强度、转鼓试验、压溃强度）

颗粒联结力颗粒之间机械咬合力（主要联结力）

颗粒表面原子间引力

压制 脱模

F 外

P 侧F 内

P 总

P 阻

P 脱

P 总

3. 压制过程力的分析

（ 1 ）粉末体在模压过程的受力

a．压制压力 (P 总 ) ：施加于上模冲使粉末体成形的力。

主要消耗有两部分力（ P 总 =P1+P2 ）

使粉末体致密所需的净压力（ P1 ）

用来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力（ P2 ）

b．侧压力 (Ｐ侧 ) ： 粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模 壁就会给压坯一个等量、反向的作用力。

由于粉末颗粒之间和粉末体 / 模壁之间的摩擦等因素的影响，从而粉末对压模侧面的压力始终小于压制压力。如压制铁粉时，Ｐ侧与 P 总成正比例关系（Ｐ侧 =0.38~0.41P 总）。

c．外摩擦力（ P2 ）：粉末在压模中受压向下运动时，由于侧压力的存在，粉末与

模壁之间产生摩擦力，其大小等于摩擦系数与侧压力的乘

积。 （ P2=.P 侧）

因摩擦压力损失，模底受力：

...4' D

H

PeP

其中 H 为压坯高度，

D 为压坯直径。

d．脱模压力（ P 脱）：压坯丛压模内卸出，所需的力。

压制硬质合金，Ｐ脱 =0.3 P;压制铁粉，Ｐ脱 =0.13 P; 压制氧化镁，Ｐ脱 =[PDH]m

影响因素

压制压力压坯密度 压坯尺寸

粉料性质

模壁状况

润滑条件

（外摩擦力三方面副作用）

P

阻

P 脱

无益消耗压力压坯密度分布不均阻碍粉体在压制过程的运动

（ 2 ）弹性后效

卸掉压力，把压坯丛压模中压出后，因弹性应力作用，压坯将发生弹性膨胀。

影响因素

粉末种类及其特性压制压力 压坯孔隙度

加压速度

压模材质及结构

成形剂

表示方法： %100%1000

0

0

L

LL

L

L

不良作用：是压坯分层、开裂主要原因。

4. 压坯密度（ 1）压力与压坯密度之间的关系

I. 施加压力后，颗粒位移、填充空隙、并达到最大充填密度，压坯密度迅速增加；

II. 压力继续增大，粉末体表现出一定的压缩阻力，在此阶段，密度并未提高； ( 塑性粉如铜、铅、锡，该阶段不明显 )

III. 压力超过粉末材料的临界应力值时，粉末颗粒变形增大或出现断裂（如脆性粉末），由于位移和变形同时作用，压坯密度又随之缓慢增大。

（ 2）压制压力与压坯密度之间的定量关系 a. 巴尔申方程

其中 Pmax- 最紧密状态（ =1 ）单位压力； L- 粒度决定的压制因素； - 相对体积

b. 川北公夫压制理论

c. 黄培云压制理论方程

lgP=lgPmax - L(-1)

适用：硬质粉末压制。

其中 C- 体积减少率， a 、 b- 系数适用：压制压力不大时。

bP

abP

V

VVC

10

0

其中 dm-致密金属密度， d0- 压坯原始密度， d- 压坯密度， P- 压制压强， M- 相当于压制模数， m- 相当于硬化指数适用：硬质、软质粉末压制；等静压法压制，模压法压制。

MPddd

dddm

m

m lglg)(

)(lnlg

0

0

非线性 K 体与 H 体串联形成的“标准非线性固体”——SNLS 体：

举例：充分弛豫下的粉末恒压压型方程的导出：

用非线性 K 体模型，即：

（ 3 ）压坯密度的分布

模压压坯密度分布不均的主要原因：

内、外摩擦力，引起压制压力不均匀分布。

影响压坯密度分布因素

压坯高度 /直径比模壁光洁度、润滑状况

采用双向压制或多冲头压制，特殊制品采用等静压、挤压

利用摩擦力情况

（减少密度不均有效措施）

改善模具结构，减少压坯高度 /直径比改善模壁光洁度、润滑状况

压制方式

粉末进行还原退火

粉料性质

粉中加成形剂

5. 成形剂（ 1 ）使用成形剂目的 减少内、外摩擦力。

减少摩擦方法使用高光洁、高硬度模具

粉中加入成形剂，模壁涂润滑剂

（ 2 ）成形剂选择原则和种类

选择原则

不会改变混合料成分，在烧结时易去除，对人体无害；具有较好的分散性； 对产品性能和外观无不良影响；对松装密度和流动性影响不大，软化点较高；

成本低、来源广。

种类 铁基粉常用：硬脂酸、硬脂酸盐、硫磺、二硫化钼、石墨 粉、机油等。

硬质合金粉常用：合成橡胶、石蜡、聚乙烯醇、乙二脂、 松香等。其它：淀粉、甘油、凡士林、樟脑、油酸等。

过量的不足之处

降低 粉本身流动性使压坯密度降低 降低压坯强度

降低产品力学性能

（ 3 ）成形剂用量和效果

损害烧结体外观

常规用量

• 铁粉： 0.5~1.5% 硬脂酸

• 硬质合金粉： 1~2%橡胶或石蜡

• 20~50m 细粉， 1g 混合料加 3~5mg 成形剂； 0.1~0.2mm粗粉， 1g 混合料加 1mg 成形剂。• 制长套轴压坯，混合料加 1% 成形剂；制短套轴压坯，混合料加 0.3~0.5% 成形剂。

6. 压制废品分析

a. 分层

引起原因：弹性后效

图 3-30

11

轻微 严重 特严重

图 3-29

b. 裂纹

图 3-31

图 3-34

图 3-32

主要原因：弹性后效脱模区域的弹性应力已释放，下端还处在在受压状态，会引发裂纹。

支承力

图 3-33

12

c. 掉边、掉角

d. 压坯密度严重分布不均及其它废品 ( 装料不均、划伤、毛刺过大、同轴度超差 )

影响压制过程压坯质量的因素

粉末性能

成形剂

压制方式

粉末力学性质 ( 主要包括硬度、可塑性、摩擦性能 )

粉末纯度

粉末粒度及粒度组成

润滑剂（减少粉末与模壁间摩擦）

粉末颗粒形状

压制方式（多向压制，压坯密度的均匀性提高）加压速度 （缓慢加压，利于压坯中气体逸出）

保压时间（保压时间延长，压坯密度提高、减少裂纹缺陷）

磁场下压制 （改善制品磁性能）

振动压制（同样压坯密度，振动压制压力可减少）

粉末松装密度

成形剂（减少粉末颗粒间摩擦、改善成形性）