第三章 粉末成形技术-1

1、本章内容本章内容3.1 成形前的粉末冶金成形前的粉末冶金3.2 模压成形技术模压成形技术3.3 等静压成形等静压成形3.4 粉末连续成形粉末连续成形3.5 粉浆浇注粉浆浇注3.6 粉末注射成形粉末注射成形 第一节第一节 成形前的粉末冶金（成形料准备）成形前的粉末冶金（成形料准备）一、对成形料的要求（以铁基粉末冶金为例）（一）（一） 成分要求成分要求 1. 主要元素：主要元素：Fe 符合一定标准符合一定标准 2. 合金元素：合金元素：种类很多种类很多 作用：作用：提高力学、物理性能、控制尺寸稳定性提高力学、物理性能、控制尺寸稳定性 加入方式：加入方式：元素混合、预合金状态元素混合、预合金状态 比

2、较（下页图）！比较（下页图）！ 注意：注意：石墨石墨特殊的合金元素、多功能性！特殊的合金元素、多功能性！目的：目的：准备具有一定组成和物理工艺性能的成形混合料。准备具有一定组成和物理工艺性能的成形混合料。 3. 成形剂和润滑剂（前述）成形剂和润滑剂（前述）Fe基常用：基常用： 硬脂酸、硬脂酸锌（锂）、石墨、硫磺、机油等硬脂酸、硬脂酸锌（锂）、石墨、硫磺、机油等 比较：比较：S在粉末烧结钢与铸钢中的不同作用！在粉末烧结钢与铸钢中的不同作用！ 机油的作用：机油的作用： 1）防止比重偏析）防止比重偏析 2）减少粉尘）减少粉尘 3）严重降低粉末流动性：用量严格控制！）严重降低粉末流动性：用量严格控制！

3、（二）成形料粒度和松装比重的调整（二）成形料粒度和松装比重的调整 1. 成形料粒度和粒度组成的调整成形料粒度和粒度组成的调整 （1）原料粒度影响制品性能）原料粒度影响制品性能 （2）根据制品性能要求来）根据制品性能要求来 确定粒度和粒度组成确定粒度和粒度组成 高强度结构件：高强度结构件：细粉，范围宽细粉，范围宽 含油轴承：含油轴承：稍粗、范围窄稍粗、范围窄 一般一般 -80100目目 2. 成形料松装密度的调整成形料松装密度的调整 松装密度是最重要的工艺性能之一！松装密度是最重要的工艺性能之一！ 如何调整：如何调整： （1）粉末筛粉分级后根据要求合批；）粉末筛粉分级后根据要求合批； （2）粉末

4、中加入机油，显著降低松装密度；）粉末中加入机油，显著降低松装密度； （3）粉末退火后球磨，松装密度随球磨时间变化。）粉末退火后球磨，松装密度随球磨时间变化。 二、原料金属粉末的还原、退火 （Reduction or annealing）作用作用: : 降低氧碳含量，提高纯度降低氧碳含量，提高纯度 消除加工硬化，改善粉末压制性能（前者亦然）消除加工硬化，改善粉末压制性能（前者亦然） 消除长期放置所吸附气体等消除长期放置所吸附气体等注意：此项工作绝大多数由粉末生产厂家完成三、分级 分级：分级：将粉末按粒度大小分成若干等级。将粉末按粒度大小分成若干等级。 常用分级方法：常用分级方法：筛分分级：筛分分

5、级： 旋风分级、离心分级、沉降分级等。旋风分级、离心分级、沉降分级等。 粉末的粒度及粒度组成不同，影响压制和烧结工艺，且粉末的粒度及粒度组成不同，影响压制和烧结工艺，且对产品的最终性能也有重要影响！对产品的最终性能也有重要影响！ 采用细颗粒粉末制成的产品，其强度较粗颗粒的高韧性采用细颗粒粉末制成的产品，其强度较粗颗粒的高韧性也好。也好。四、合批与混合四、合批与混合 （blending，mixing） 合批：合批：同质、不同粒度粉末混和均匀过程；同质、不同粒度粉末混和均匀过程； 混合：混合：将不同成分（材质）的粉末混和均匀过程。将不同成分（材质）的粉末混和均匀过程。 （一）合批和混合的目的（一）

6、合批和混合的目的 1. 不同成分混合均匀；不同成分混合均匀； 2. 消除运输过程中产生的偏析或生产过程中不同消除运输过程中产生的偏析或生产过程中不同 批号粉末之间的性能差异批号粉末之间的性能差异 3. 混入合金元素混入合金元素 4. 调整松装密度和流动性调整松装密度和流动性 5. 混入润滑剂、成形剂等混入润滑剂、成形剂等（二）影响混合的因素（二）影响混合的因素 1.1.粉末特性粉末特性 比重、粒度及组成、相对含量等比重、粒度及组成、相对含量等 2.2.装料量、球料比、研磨体的尺寸及其搭配装料量、球料比、研磨体的尺寸及其搭配 3.3.混合机的结构与转速混合机的结构与转速 临界转速：临界转速：n

7、临临 = 32 D-1/2 （rpm）4. 混合方式混合方式（1）机械法混合：）机械法混合：多种原料粉末在混料机中混合均匀得到混多种原料粉末在混料机中混合均匀得到混 合料。合料。机械混合分为：干混、湿混机械混合分为：干混、湿混干混：干混：在空气或惰性气体中混合，铁基及其它粉末冶金零在空气或惰性气体中混合，铁基及其它粉末冶金零 件的生产（多不采用磨介）件的生产（多不采用磨介） 湿磨混合法：湿磨混合法：在液体介质中混合，在液体介质中混合，多同时加入磨介（球）多同时加入磨介（球） 广泛应用于硬质合金、含易氧化组分材料；广泛应用于硬质合金、含易氧化组分材料； WCWC与与CoCo粉之间除产生一般的混合

8、均匀效果，还发生显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：湿磨的主要优点： 有利于环境保护有利于环境保护 无粉尘飞扬和减轻噪音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提高破碎效率，有利于粉末颗粒的细化 保护粉末不氧化保护粉末不氧化（2）化学法混合：多在溶液中，通过反应同时生成均匀混）化学法混合：多在溶液中，通过反应同时生成均匀混合的产物（或前驱体），或包覆粉末合的产物（或前驱体），或包覆粉末： 混合较机械法更为均匀混合较机械法更为均匀,可以实现原子尺度的混合可以实现原子尺度的混

9、合例例：A. W-Cu-Ni包覆粉末的制造工艺：包覆粉末的制造工艺： W粉粉+Ni(NO3)2 溶液溶液混合混合热解还原（热解还原（700- 750） W-Ni包覆粉包覆粉 + CuCl2溶液溶液混合混合 热解还原（热解还原（400-450）W-Cu-Ni包覆粉末包覆粉末B. Cu-AlB. Cu-Al2 2O O3 3复合包覆粉末的制备：复合包覆粉末的制备：Cu(NOCu(NO3 3) )2 2+Ni(NO+Ni(NO3 3) )2 2 溶液溶液加氨水（加氨水（pHpH）过滤、洗涤、干过滤、洗涤、干燥、煅烧燥、煅烧 CuO+AlCuO+Al2 2O O3 3 H H2 2还原还原Cu-Al2

10、OCu-Al2O3 3复合粉末复合粉末五、五、 造粒（制粒）造粒（制粒） pelletizing or granulating 目的目的获得团粒：获得团粒： 改善细小颗粒或硬质粉末的成形性改善细小颗粒或硬质粉末的成形性 添加粘结剂、添加粘结剂、改善流动性改善流动性 进行自动压制或压制形状较复杂的大型进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品制品 减小颗粒间的摩擦力，大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积减小颗粒间的摩擦力，大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积原理：原理： 借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒制粒方法：制粒方法： 擦筛制粒擦筛制粒 传统硬质

11、合金生产传统硬质合金生产 旋转盘制粒旋转盘制粒 挤压制粒挤压制粒 喷雾干燥喷雾干燥 最先进的制粒方法之一。最先进的制粒方法之一。 第二节第二节 模压成形技术（模压成形技术（Compaction Technique） 模压成形是将金属粉末或粉末混合料装入钢制压模（阴模）中，通过模冲对粉末加压，卸压后脱模，得到压坯的过程。（一）（一）模压成形的特点模压成形的特点1. 效率高；2. 成本较低；3. 工序少；4. 应用受限（压坯尺寸、形状、密度等）一、概述一、概述A: highest, B: median, C: lowest（二）（二） 模压成形的发展方向模压成形的发展方向 高强度、高精度、复杂形状

12、结构零件的生产粉末混合料粉末混合料称量、装模称量、装模压制、保压压制、保压卸压卸压脱模脱模粉末压坯粉末压坯Powder mixWeighting，filling CompactingcompactsEjection二、称料和装粉二、称料和装粉1.1.装粉装粉要求：要求：保证各高度（料腔）处装填系数相同！保证各高度（料腔）处装填系数相同！2. 基本方法：基本方法： （1）手工装粉）手工装粉重量法重量法 要求：要求： 保证粉料重量在允许误差范围内；保证粉料重量在允许误差范围内； 装料均匀，尤注意边角处的充填；装料均匀，尤注意边角处的充填； 不能过分振动阴模，防止比重轻的组元上浮产不能过分振动阴模，

13、防止比重轻的组元上浮产 生偏析生偏析 多台阶压坯，要严格控制各料腔的装填高度。多台阶压坯，要严格控制各料腔的装填高度。 （2 2）自动装粉）自动装粉容量法容量法 装于料仓中的粉末，通过送料器自动地送入阴模模腔中。装于料仓中的粉末，通过送料器自动地送入阴模模腔中。 自动装料是自动压制的一个重要的工艺步骤！自动装料是自动压制的一个重要的工艺步骤！常用的装料方式有：常用的装料方式有： 落入（下）法、吸入法、多余装料法、超满装料法、落入（下）法、吸入法、多余装料法、超满装料法、零腔装料法、不满装料法零腔装料法、不满装料法 （图）（图） 落入法装料落入法装料吸入法装料吸入法装料 多余装料法多余装料法 零

14、腔装料法零腔装料法 超满装料法超满装料法 不满装料法不满装料法 双料斗装料法双料斗装料法 常用装粉方法示意图常用装粉方法示意图三、压制三、压制（一）（一） 压制行程压制行程1. 定义：定义：为得到一定密度压坯，模冲压制粉末时必须移动的为得到一定密度压坯，模冲压制粉末时必须移动的 最小距离。压制行程等于粉料在阴模中的松装高度与压坯高最小距离。压制行程等于粉料在阴模中的松装高度与压坯高 度之差。度之差。2.2.控制方法：控制方法： （1）模冲行程控制法：）模冲行程控制法： 采用高度限位块、行程开关等；采用高度限位块、行程开关等； 高度精度高，但密度误差可能大，应严格控制装粉量高度精度高，但密度误差

15、可能大，应严格控制装粉量！ （2）压制压力控制法）压制压力控制法 根据密度根据密度-压力关系，控制压机压力（压力表压力关系，控制压机压力（压力表 读数）读数） 各压坯密度较一致，但高度误差可能较大，各压坯密度较一致，但高度误差可能较大， 应严格控制装粉量，压力表精度要高应严格控制装粉量，压力表精度要高！ 实际生产中：两种方法结合使用！（二）压制方式及其选择（二）压制方式及其选择 （三）压制压力、保压时间、压制速度的选择（三）压制压力、保压时间、压制速度的选择1. 压制压力压制压力 根据密度根据密度- -单位压制压力关系（经验公式或曲单位压制压力关系（经验公式或曲线）线） 确定单位压制压力确定单

16、位压制压力 计算总压制压计算总压制压力力 选择压机吨位选择压机吨位 注意：压机的使用压力与总吨位注意：压机的使用压力与总吨位 2.2.保压时间保压时间 根据压坯材质和结构形状复杂程度而定根据压坯材质和结构形状复杂程度而定 3.3.压制速度（后述）压制速度（后述） 四、脱模（一）（一）脱模的基本方式脱模的基本方式 1. 顶出式脱模：顶出式脱模：阴模固定不动，通过上下模冲的运动阴模固定不动，通过上下模冲的运动将压坯从阴模中脱出。将压坯从阴模中脱出。 又分：又分： 下顶出下顶出手动压制中常用；手动压制中常用； 上顶出上顶出自动压制中常用自动压制中常用 2. 拉下式脱模：上模冲撤回，阴模向下阴模拉动，

17、使拉下式脱模：上模冲撤回，阴模向下阴模拉动，使压坯脱出。压坯脱出。 （二）脱模的基本原则（二）脱模的基本原则 1. 速度快、连续平稳；速度快、连续平稳； 2. 对侧向加压压坯，先撤垂直压力，后撤侧向压力对侧向加压压坯，先撤垂直压力，后撤侧向压力 3. 合理选择脱模方式：合理选择脱模方式： 柱状压坯，可顶出或拉下式柱状压坯，可顶出或拉下式 带发兰压坯多拉下式带发兰压坯多拉下式 强动压制多拉下式强动压制多拉下式 拉下式脱模速度快，更适合大规模生产。拉下式脱模速度快，更适合大规模生产。 柱状压坯，采用顶出式脱模柱状压坯，采用顶出式脱模 柱状压坯，采用拉下式脱模柱状压坯，采用拉下式脱模 强动压制，一般

18、采用拉下式脱模强动压制，一般采用拉下式脱模 带摩擦芯杆压制，一般采用顶出式脱模带摩擦芯杆压制，一般采用顶出式脱模 五、五、模压成形新技术模压成形新技术（一）粉末高速压制成形（一）粉末高速压制成形（High velocity compaction，HVC） 压制压力压制压力600-1000MPa、压制速度、压制速度2-30m/s下对粉末进行高下对粉末进行高能锤击：能锤击： 可将压坯密度提高可将压坯密度提高0.3g/cm3以上；以上； 结合模壁润滑，生坯密度可达结合模壁润滑，生坯密度可达7.6g/cm3以上以上 结合模壁润滑加温压，生坯密度可达结合模壁润滑加温压，生坯密度可达7.7g/cm3。（二

19、）（二） 粉末温压成形（粉末温压成形（Warm compaction，pressing） 1. 概述概述 （1 1） 定义：定义：添加专门粘结剂的粉末与模具被加热到较低添加专门粘结剂的粉末与模具被加热到较低 温度（一般温度（一般150150）后进行的刚模压制。）后进行的刚模压制。 除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同；除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同； 与热压不同，温压加热温度低（热压温度高于主要组与热压不同，温压加热温度低（热压温度高于主要组 分的再结晶温度）。分的再结晶温度）。 （2 2） 温压技术开发的原动力温压技术开发的原动力 汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基

20、汽车特别是轿车工业急需低成本、高性能的铁基PMPM零零部件。部件。A. A. 高致密度压坯烧结可以获得高密度高性能零部件；高致密度压坯烧结可以获得高密度高性能零部件；B. B. 材质调整和后处理也可改善铁基材质调整和后处理也可改善铁基PMPM零部件力学性能，零部件力学性能，但：但： 潜力已几乎发挥到极限。潜力已几乎发挥到极限。 提高铁基提高铁基P/MP/M零部件密度的技术途径零部件密度的技术途径 复压复压- -复烧工艺复烧工艺 密度密度92%92%左右，形状复杂程度有限，成本较高左右，形状复杂程度有限，成本较高 浸铜（熔渗）浸铜（熔渗） 密度大于密度大于95%95%，表面较粗糙，形状、成分设计

21、有限，表面较粗糙，形状、成分设计有限， 成本高成本高 液相烧结液相烧结 密度可达密度可达93%93%，变形较大，零件精度低，尺寸控制困，变形较大，零件精度低，尺寸控制困 难，成分设计有限难，成分设计有限 粉末锻造粉末锻造 全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵全致密，但尺寸精度低，形状受限，成本昂贵（3 3）温压的特点）温压的特点 低成本制造高性能低成本制造高性能P/M零部件零部件 相对成本：相对成本：若若WP=1.0，则，则1P1S0.8；2P2S=1.3； CI（浸铜）（浸铜）=1.5；PF=1.8 工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高工序少，模具寿命长，零件形状复杂程度提高 压坯密

22、度高压坯密度高 相对密度提高相对密度提高0.02-0.06，即孔隙度降低，即孔隙度降低2-6% 便于制造形状复杂的零部件便于制造形状复杂的零部件 低脱模压力：低脱模压力：30%；高压坯强度，；高压坯强度，25-100%； 弹性后效小：弹性后效小：50%；密度分布均匀，；密度分布均匀， 密度差：密度差：0.1-0.2g/cm3粉末原料（扩散粘结铁粉粉末原料（扩散粘结铁粉+ +新型润滑剂新型润滑剂）粉末加热（粉末加热（130130）阴模装粉（阴模装粉（130-150130-150）温压温压温压压坯温压压坯烧结烧结温压零部件温压零部件 阴模加热：阴模加热：多采用电阻加热多采用电阻加热 粉末加热：粉末

23、加热： 热油循环加热：热油循环加热：温控稳定性好，不易过热温控稳定性好，不易过热 微波加热：微波加热：加热速度快，但存在过热和微波加热速度快，但存在过热和微波 外泄（安全）问题外泄（安全）问题 感应加热：感应加热：与微波相似与微波相似 电阻加热：电阻加热：加热速度较快，存在过热问题加热速度较快，存在过热问题（1）塑性变形得以充分进行）塑性变形得以充分进行 加工硬化速度和程度降低加工硬化速度和程度降低（2）减小粉末与模壁间的摩擦、降低粉末颗粒间的内摩）减小粉末与模壁间的摩擦、降低粉末颗粒间的内摩擦，便于颗粒间的相互填充和颗粒重排擦，便于颗粒间的相互填充和颗粒重排 颗粒的塑性变形进一步促进颗粒重排

24、，成为后期的颗粒的塑性变形进一步促进颗粒重排，成为后期的主导致密化机理。主导致密化机理。01002003004005006007000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60Pressure/MPac(p)Plastic deformation, C2(P)Particle rearrangement, C1(P)Powdered MetalTransmission Gear Warm compaction method with 1650-ton press Teeth are molded net shape: No machi

25、ning UTS = 155,000 psi 30% cost savings over the original forged 第三节第三节 等静压成形（等静压成形（Isostatic pressing）原理：原理： 借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容器器高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体上；高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体上； 依照帕斯卡原理依照帕斯卡原理, ,粉末体受到各个方向上大致相等的压力粉末体受到各个方向上大致相等的压力作用；作用； 消除了粉末与模套之间的外摩擦消除了粉末与模套之间的外摩擦达到同一密

26、度所需压力达到同一密度所需压力较模压降低较模压降低冷等静压原理图冷等静压原理图1.压坯密度的分布：压坯密度的分布： 模具（包套）与粉末同步运动，没有外摩擦力模具（包套）与粉末同步运动，没有外摩擦力 轴向密度分布均匀轴向密度分布均匀 内摩擦力的存在，径向密度分布有内摩擦力的存在，径向密度分布有轻微轻微的不均匀性的不均匀性 经典的压制方程来描述仍适用经典的压制方程来描述仍适用 2. 粉末致密化的阻力粉末致密化的阻力 a）颗粒间摩擦（内摩擦）：颗粒间摩擦（内摩擦）： 粉末颗粒的表面形貌、粉末颗粒形状、粉末颗粒尺寸粉末颗粒的表面形貌、粉末颗粒形状、粉末颗粒尺寸 b）颗粒本身的变形能力：）颗粒本身的变形

27、能力：显微硬度显微硬度（二）冷等静压设备（二）冷等静压设备冷等静压机组成：冷等静压机组成：高压容器高压容器 + + 流体加压泵流体加压泵 + + 辅助设备辅助设备1. 1. 高压容器和高压泵系统组成：高压容器和高压泵系统组成： 分类分类 依高压容器结构分：依高压容器结构分： 螺纹式：螺纹式：能承受较高压力，螺纹磨损能承受较高压力，螺纹磨损 拉杆式：拉杆式：较低压力，拉杆承受压力较低压力，拉杆承受压力 框架式：框架式：很高压力，最安全（预应力结构很高压力，最安全（预应力结构) ) 2.2.辅助设备：辅助设备： 流体储罐、压力表、管道、阀门流体储罐、压力表、管道、阀门（三）冷等静压方法三）冷等静压

28、方法软模成形软模成形1钢模冲头钢模冲头 2钢模筒钢模筒 3，6塑料垫片塑料垫片4塑料软模塑料软模 5粉料粉料 7钢模下垫钢模下垫1234567（四）（四） 冷等静压工艺冷等静压工艺1. 柔性模套（柔性模套（flexible die set）的制造）的制造 包套的选择原则包套的选择原则 常用：常用：耐油、耐压橡胶：厚度为耐油、耐压橡胶：厚度为10mm以下的橡胶板以下的橡胶板 软模制作：软模制作： 聚氯乙烯树脂、硬脂酸、三盐基硫酸铅混合物倒入苯聚氯乙烯树脂、硬脂酸、三盐基硫酸铅混合物倒入苯二甲酸二辛酯的溶液搅拌成浆料，提拿制模二甲酸二辛酯的溶液搅拌成浆料，提拿制模2. 工艺流程工艺流程粉末混合物粉

29、末混合物装入软模装入软模摇实摇实密封密封冷静压冷静压脱模（包脱模（包套剥离）套剥离）坯件坯件3. CIP压坯的质量控制压坯的质量控制 粉末流动性良好粉末流动性良好 装粉：振动或敲打摇实均匀装粉：振动或敲打摇实均匀 密封：防止液压介质渗入模内密封：防止液压介质渗入模内 加压速度：过快导致出现软心加压速度：过快导致出现软心 卸压：过快卸压：过快分层分层 原理：原理：粉末体同时经受高温和高压的粉末体同时经受高温和高压的联合作用，联合作用， 强化了强化了压制和烧结过程；压制和烧结过程； 降低了降低了制品的烧结温度；制品的烧结温度； 改善了改善了制品的晶粒结构；制品的晶粒结构； 消除了消除了材料内部颗粒

30、间的缺陷和孔隙；材料内部颗粒间的缺陷和孔隙； 提高了提高了材料的致密度和强度。材料的致密度和强度。 HIP的特点的特点 等静加压，压制、烧结同时进行，能消除粉末坯体等静加压，压制、烧结同时进行，能消除粉末坯体 中的所有孔隙，相对密度可达中的所有孔隙，相对密度可达0.9999 压力作用，使压力作用，使HIP的烧结温度低于通常的烧结温度的烧结温度低于通常的烧结温度 HIP所需压制压力比所需压制压力比CIP低低 晶粒细小、组织均匀，无成分偏析晶粒细小、组织均匀，无成分偏析 材料综合性能好，材料综合性能好，是是PM高新技术之一高新技术之一 设备投资大，成本高设备投资大，成本高表4-3 热等静压制某些材

31、料的密度值对比对比: HIP与与HP工艺有无区别？制备材料性能如何？工艺有无区别？制备材料性能如何？技术背景技术背景 在在CIPCIP基础上发展基础上发展 高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡高性能飞机发动机用粉末高温合金（即粉末超合金）涡轮盘的开发轮盘的开发 粉末高速钢制品开发粉末高速钢制品开发 硬质合金轧辊制品开发硬质合金轧辊制品开发发展趋势发展趋势 设备趋于大型化、高温化、高效率设备趋于大型化、高温化、高效率 工艺上充分发挥工艺上充分发挥HIPHIP制备复杂形状、高性能产品特点制备复杂形状、高性能产品特点 不断开发新的应用领域不断开发新的应用领域HIP压机的分类：压机的分类：螺纹式和框架式螺纹式和框架式（1）螺纹式）螺纹式 螺纹承受轴向压力。螺纹承受轴向压力。缺点：工作压力难以均匀地由各个螺纹