粉末压制成形原理课件

第二章粉末压制成形原理

PrinciplesofPowderCompaction（Pressing）程继贵jgcheng63@

材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20221第二章粉末压制成形原理

PrinciplesofP本章内容§2.1概述§2.2压制过程中力的分析§2.3压制压力与压坯密度的关系§2.4粉末压坯密度的分布§2.5粉末压坯的强度§2.6影响压制过程的因素SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20222本章内容SchoolofMaterialsSciencMakingPowder-MetallurgyPartsSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20223MakingPowder-MetallurgyParts一、基本概念●成形（Forming）的定义：

将粉末密实（densify）成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的坯体（greencompacts）的工艺过程。第一节概述ConsolidationSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20224一、基本概念第一节概述ConsolidationSchoo●成形的重要性

1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。2）比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。

a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20225●成形的重要性SchoolofMaterialsSc●成形方法的一般分类冷法石膏模常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆等静压成形isostatic（hydrostatic）pressing粉末压制成形（钢模压制）compacting，briquetting，pressing

————普通成形注浆成形法热法（热压注法）：钢模粉末连续成形粉末轧制粉末挤压（可塑成形）喷射成形热成形及高能率成形——成形烧结同时进行特殊成形SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20226●成形方法的一般分类冷法石膏模常压冷法注浆等静压成形☻按成形过程中有无压力：

有压（压力）成形、无压成形☻按成形过程中粉末的温度：

冷压（常温）成形、温压成形、热成形☻按成形过程的连续性：

间歇成形、粉末连续成形☻按成形料的干湿程度：

干粉压制、可塑成形、浆料成形●成形方法的其他分类SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20227☻按成形过程中有无压力：●成形方法的其他分类School10/31/2022810/23/20228模压成形是最重要、应用最广的成形方法！本章有关成形原理的讨论以模压成形为基础！SchoolofMaterialsScienceandEngineering成形压模的基本结构上模冲下模冲阴模粉末10/31/20229模压成形是最重要、应用最广的成形方法！SchoolofMLoosepowderiscompactedanddensifiedintoashape,knownasgreencompactMostcompactingisdonewithmechanicalpressesandrigidtoolsHydraulicandpneumaticpressesarealsoused

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，压坯从阴模内脱出，完成成形过程。10/31/202210Loosepowderiscompactedand模压成形，pressing10/31/202211模压成形，pressing10/23/202211模压成形的主要功用是：将粉末成形成所要求的形状；赋予压坯以精确的几何尺寸；赋予压坯所要求的孔隙度和孔隙模型；赋予压坯以适当的强度以便于搬运。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202212模压成形的主要功用是：SchoolofMaterials10/31/20221310/23/20221310/31/20221410/23/202214模压成形PM产品实例—电动工具零件SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202215模压成形PM产品实例—电动工具零件SchoolofMat模压成形PM产品实例—汽车发动机用粉末烧结钢零件SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202216模压成形PM产品实例—汽车发动机用粉末烧结钢零件School模压成形PM产品实例—汽车变速箱粉末烧结钢零件SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202217模压成形PM产品实例—汽车变速箱粉末烧结钢零件School二、金属粉末压制过程中发生的现象图12-4粉末压制示意图

1—阴模Die2—上模冲Top（upper）punch3—下模冲Bottom（lower）punch4—粉末PowderSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202218二、金属粉末压制过程中发生的现象图12-4粉末压制示意图钢模

压制

粉末

的

基本

过程粉末混合料称量、装模压制卸压脱模粉末压坯PowdermixWeighting，fillingCompactingcompactsSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202219钢模

压制

粉末

的

基本

过程粉末混合料称量、装模压制卸压粉末压制过程中发生的现象1.压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于粉末体的相对密度。

压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50%2.轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，其反作用力—侧压力产生。

但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202220粉末压制过程中发生的现象1.压制后粉末体的孔隙度降低，压坯3.随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。Q:压坯强度是如何形成的？（后述）4.由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部位密度存在不均匀。压坯密度不均匀对压坯乃至产品性能有十分重要的影响。5.卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀—产生弹性后效

弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022213.随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。Schoo三、粉末体在压制过程中的变形（一）粉末体受压力后的变形特点（与致密材料受力变形比较）1.致密材料受力变形遵从质量不变和体积不变，粉末体压制变形仅服从质量不变。

粉末体变形较致密材料复杂。2.致密材料受力变形时，仅通过固体质点本身变形，粉末体变形包括粉末颗粒的变形，还包括颗粒之间孔隙形态的改变，即颗粒发生位移。

！粉末体的变形是广义变形：颗粒位移+颗粒变形SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202222三、粉末体在压制过程中的变形（一）粉末体受压力后的变形特3.致密材料变形时，各微观区域的变形规律与宏观变形规律基本一致，粉末体变形时，各颗粒的变形基本独立，不同颗粒变形程度可能存在较大差异。

4.粉末体受力变形时，局部区域的实际应力远高于粉末体受到的表观应力（表观压制压力）。局部区域的高应力可能超过粉末颗粒的强度极限。5.粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力增大而增大，两者间存在一定的定量关系。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022233.致密材料变形时，各微观区域的变形规律与宏观变形规律基本（二）粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因）1.粉末体的多孔性

粉末体中的孔隙包括：

拱桥效应现象（图）：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。

实例：Fe理论密度7.8g/cm3，松装密度一般为2-3g/cm3；W理论密度19.3g/cm3，中颗粒W粉松装密度3-4g/cm3

，

细颗粒W粉松装密度∠3g/cm3。？估算其孔隙率。一次孔隙（颗粒内部孔隙）二次孔隙（颗粒之间孔隙）拱桥效应产生的孔隙SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202224（二）粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因）一次孔隙（颗SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202225SchoolofMaterialsSciencean粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202226粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排SchoolofM2.粉末颗粒良好的弹塑性

制粉过程中，粉末一般都经过专门处理

还原、退火→消除加工硬化、表面杂质等3.粉末体较高的比表面积

主要作为烧结动力，对压制也有影响。实例：几种商品粉末的比表面积（cm2/g）：

还原Fe粉（79%-325目）：5160还原Fe粉（1%-325目）：516电解Fe粉（-200目）：400羰基Fe粉（7µm）：3460还原W粉（0.6µm）：5000

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022272.粉末颗粒良好的弹塑性SchoolofMateri（三）粉末体在压制过程中的（位移）变形规律1.较低压力下首先发生位移，位移形式多样

（a）（b）（c）（d）（e）

压制时粉末位移的形式（a）颗粒接近；（b）颗粒分离；（c）颗粒相对滑动；（d）颗粒相对转动；（e）颗粒因粉碎产生移动SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202228（三）粉末体在压制过程中的（位移）变形规律（a）影响压制时粉末位移的因素颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙）粉末颗粒间摩擦颗粒表面粗糙度润滑条件颗粒的显微硬度颗粒形状加压速度SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202229影响压制时粉末位移的因素SchoolofMaterial2.粉末颗粒的变形

●弹性变形

颗粒所受实际应力超过其弹性极限，发生弹性变形。

●塑性变形

颗粒所受实际应力超过其屈服极限，发生塑性变形。

●脆性断裂

颗粒所受实际应力超过其强度极限，发生脆性断裂。

粉末的位移和变形，促使了压坯密度和强度的增高SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022302.粉末颗粒的变形SchoolofMaterial3.实际粉末位移变形的复杂性

●粉末的位移和变形与粉末本身性能有关；

不同粉末位移、变形规律不同●粉末受力后，首先发生颗粒位移，位移方式多种多样；●粉末颗粒位移至一定程度，发生颗粒变形，变形方式多样；●位移和变形不能截然分开，有重叠；

位移总是伴随着变形而发生●粉末变形必然产生加工硬化

模压成形不能得到完全致密压坯

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022313.实际粉末位移变形的复杂性SchoolofMat

压制过程中粉末运动示意图a）松装粉末；b）拱桥破坏颗粒位移；c）、d）颗粒变形；e）压制成形后

a）

b）

c）d）e）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202232压制过程中粉末运动示意图a）b）第二节压制过程中力的分析单向压制各种力的示意图一、正压力、净压力、压力损失

(压制压力的分配）

●正压力:p，P（单位压制压力、总压力）●净压力（有效压力）：p，，P1●压力损失：∆p，P2—克服内外摩擦力，

P=P1+P2

∆p

=p-p，SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202233第二节压制过程中力的分析单向压制各种力的示意图一、正压力、Blendedpowdersarepressedintoshapesindies.Pressuredistribution:SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202234Blendedpowdersarepressedin园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均匀），假定：

●阴模不发生变形●不考虑粉末体的塑性变形二、模压成形时的侧压力●定义：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力称为侧压力（一）侧压力与压制压力的关系SchoolofMaterialsScienceandEngineering推导10/31/202235园柱型压模中取小立方体压坯为分析对象（径向受力均匀），二、模图1-2压坯受力示意图P侧——侧压强MPaυ——泊松比ζ——侧压系数，p——单位压力MPaSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202236图1-2压坯受力示意图P侧——侧压强MPaυ——泊松比ζ—p侧—单位侧压力（MPa）；p—单位压制压力（MPa）；ξ=γ/（1-γ）—侧压系数；γ—泊桑比（二）侧压系数

●定义：

ξ=γ/（1-γ）=p侧/p：单位侧压力与单位正压力之比

●影响因素

☻泊桑比γ—材料本性（下表）

☻压制压力（压坯密度）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202237p侧—单位侧压力（MPa）；p—单位压制压力（MPa材料WFeSnCuAuPbγ0.170.280.330.350.420.44ξ0.200.390.490.540.720.79表不同材料的泊桑比和侧压系数SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202238材料WFeSnCuAuPbγ0.170.280.330.35注意几个问题：

●公式计算的侧压力是平均值，沿高度不同位置侧压力不等●粉末体非流体，p侧总小于p

●研究侧压力具有重要意义☻估算摩擦力、压力损失

☻模具设计的需要

☻解释压制过程中的一些现象SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202239注意几个问题：SchoolofMaterialsSci三、外摩擦力、压力损失（一）外摩擦力

●定义：粉末颗粒与阴模（芯棒）之间的摩擦力。

对比：内摩擦力—粉末颗粒之间的摩擦力

●外摩擦力与压制压力的关系式中，f摩—单位外摩擦力（MPa）；μ—粉末与模壁的摩擦系数。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringF摩=μ×P侧×S侧F摩——总的外摩擦力P侧——侧压力μ——粉末与模壁的摩擦系数S——粉末与模壁的接触面积10/31/202240三、外摩擦力、压力损失SchoolofMaterials（二）压力损失

●定义：用于克服外摩擦力而消耗的压制（正）压力。

●与压制压力的关系（推导）式中，p/—模底受到的压力（N）；H为压坯高度（mm）；D为压坯直径（mm）考虑到消耗在弹性变形上的应力，则：p1

—考虑弹性变形后模底受到的压力

SchoolofMaterialsScienceandEngineeringP1P110/31/202241（二）压力损失SchoolofMaterialsSciSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202242SchoolofMaterialsScienceanBalancingtheverticalforces:whichsimplifiestointroducek(interparticlefriction)orIntegratingandusingboundaryconditions:dx＝0SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202243Balancingtheverticalforces:SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202244SchoolofMaterialsSciencean

●压力损失

∆P=P2=P-P1

压力损失是造成压坯密度分布不均匀的根本原因；应尽量减少；

特定情况下可以利用外摩擦力

●影响压力损失的因素

☻摩擦系数µ

SchoolofMaterialsScienceandEngineeringP110/31/202245●压力损失SchoolofMaterialsSc

☻侧压系数ξ☻压坯尺寸—H/D对压力损失（摩擦力）有明显影响SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202246SchoolofMaterialsSciencean注意：对于一定的粉末来说，并不是任何高度，任何截面的零件都可以压制。尺寸越大，则与模壁不发生接触的粉末颗粒数越多，消耗的压力损失便相应减小，因而所需的总压制压力和单位压制压力也会相应地减少。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202247注意：对于一定的粉末来说，并不是任何高度，任何截面的零件都可四、脱模压力●定义：压制压力卸除后，使压坯由模中脱出所需的压力称为脱模压力。●脱模压力与压制压力、粉末性能、压坯密度和尺寸、压模和润滑剂等有关。

p脱=µp侧剩（单位脱模压力）

P脱=µp侧剩S侧（总脱模压力）

铁粉的脱模压力与压制压力P的关系如下：P脱≈0.13P硬质合金物料在大多数情况下：P脱≈0.3PSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202248四、脱模压力SchoolofMaterialsScie

µ粉末性能塑性形状粗细润滑剂模具质量压制压力

P脱＝

µp侧余S侧

µ——粉末对阴模壁的静摩擦系数p侧余——残余侧压强（MPa）S侧——压坯与阴模接触的侧面积（cm2）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202249µ粉末性能塑性形状粗细润滑剂模具质量压制压力P脱＝SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202250SchoolofMaterialsSciencean五、弹性内应力与后效（Springback）●弹性内应力：粉末体受压后内部产生的变形抗力（阻力）●弹性后效：当压力去除，把压坯从压模中脱出，由于弹性内应力的松弛作用，粉末压坯会发生弹性膨胀，称为弹性后效。●计算：

δ=∆L/L0x100%=（L-L0）/L0x100%δ—高度或直径方向弹性后效；Lo、L—卸压前后压坯直径（高度）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202251五、弹性内应力与后效（Springback）SchoolSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202252SchoolofMaterialsSciencean●影响弹性后效的因素☻粉末性能

粉末成形性差，难成形，需高的压制压力，增加弹性后效

δ雾化铁粉>δ还原铁粉>δ电解铁粉

细粉弹性后效高于粗粉：δ细粉>δ粗粉☻压制压力

P较低时，P增加，δ增加；

P较大时，P增加，δ减小；一定范围内，P对δ影响不大（p202图2-25）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202253●影响弹性后效的因素SchoolofMaterialsP（MPa）无润滑加凡士林油酸苯溶液2501.15%1.10%0.25%4001.20%1.10%0.30%☻润滑条件（Cu粉压制）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202254P（MPa）无润滑加凡士林油酸苯溶液2501.15%1.10注意:●弹性后效各向异性（径向弹性后效≠轴向弹性后效）●弹性后效是设计模具的重要参数之一●弹性后效是压坯产生变形、开裂的主要原因之一SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202255注意:SchoolofMaterialsScienc一、压坯密度随压制压力的变化规律（定性描述）（一）理想的压制曲线第Ⅰ阶段：颗粒位移，填充孔隙压力增加，密度快速增加

滑动阶段第Ⅱ阶段：压力续增加，压坯密度增加不明显

平衡阶段第Ⅲ阶段：压力超过一定值，压力升高，压坯密度继续增加

颗粒变形阶段第三节压制压力与压坯密度的关系SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202256一、压坯密度随压制压力的变化规律（定性描述）第Ⅰ阶段：颗粒位粗颗粒、软颗粒、低成形速度细颗粒、硬颗粒、高成形速度pρ（二）实际粉末的压制曲线1.基本规律（图）2.实际粉末压制时，三个阶段相互重叠，不可截然分开：

位移阶段有变形，变形阶段有位移3.粉末性质不同，某一阶段的特征可能不明显或特别突出。Q:实际压制压力如何选择？

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202257粗颗粒、软颗粒、细颗粒、硬颗粒、pρ（二）实际粉末的压制曲线SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202258SchoolofMaterialsSciencean图压坯的相对密度与压制压力的关系1-银粉2-涡旋铁粉3-铜粉4-还原铁粉5-镍粉6-钼粉

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202259图压坯的相对密度与压制压力的关系SchoolofMat（一）巴尔申方程

1.基本假设

1）将粉末体视为弹性体2）不考虑粉末的加工硬化3）不考虑摩擦力的影响4）不考虑压制时间的影响5）不考虑粉末流动性的影响二、压制方程—压坯密度与压制压力关系的定量描述SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202260（一）巴尔申方程二、压制方程—压坯密度与压制压力关系的定量描2.方程推导任意一点的变形与压力间的关系：

应力无限小的增量正比于应变无限小的增量:

dσ/dε=kσ=P/Aε-对应于压缩量；A-颗粒间有效接触面积积分、变换并取对数后得:

lgPmax-lgP=L(β-1)

lgP与β(β-1)成线性关系L=压制因子,β=压坯的相对体积（β=V粉/V颗粒，β=ε+1）3.适应性硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022612.方程推导SchoolofMaterialsSci巴尔申方程在高压与低压情形下出现偏差的原因低压粉末颗粒以位移方式填充孔隙空间为主粉末体的实际压缩模量高于计算值（即理论值），产生偏高现象高压粉末产生加工硬化现象和摩擦力的贡献大，导致实际值低于计算值SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202262巴尔申方程在高压与低压情形下出现偏差的原因Schoolof（二）川北方程1.基本假设

1)粉末层内所有各点的单位压力相等。2)粉末层内各点的压力是外力和粉末内固有的内压力之和，内压力与粉末的聚集力或吸附力有关，与粉末屈服值有密切关系。3)粉末层各断面上的外压力与该断面上粉末的实际断面积受的压力总和保持平衡。外压如增加，粉末体便压缩.4)每个粉末颗粒仅能承受它所固有的屈服极限的能力。5)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比例。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202263（二）川北方程SchoolofMaterialsSci2.方程推导

C=（Vo–V）/Vo=abP/（1+bP）1/C=1/ab•1/P+1/a

C—粉末体体积减少率V、Vo—压力为P、0时的粉末体积a、b—常数

1/C与1/P成线性关系3.适应性:

压力不大时准确性较好SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022642.方程推导SchoolofMaterialsScie（三）艾-沙-柯方程

沉积岩和粘土在压力下孔隙率与压力关系：θ=θo

e-BP；ln（θ/θo）=-BPθo=（Vo–V∞）/Voθ=（V–V∞）/VVo、V、V∞—压力为0、P和∞时的粉末体积ln（θ/θ0）与P成线性关系适应性：一般粉（尤非金属粉末）SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202265（三）艾-沙-柯方程SchoolofMaterialsSchoolofMaterialsScienceandEngineering已介绍的三个压制方程：1.lgPmax-lgP=L(β-1)

L=压制因子,β=压坯的相对体积（β=V粉/V颗粒，β=ε+1）lgP与β(β-1)成线性关系

2.1/C=1/ab•1/P+1/a

C—粉末体体积减少率，V、Vo—压力为P、0时的粉末体积a、b—常数

1/C与1/P成线性关系3.ln（

θ/θo）=-BP

θo=（Vo–V∞）/Vo；θ=（V–V∞）/V，Vo、V、V∞—压力为0、P和∞时的粉末体积

ln（θ/θ0）与P成线性关系10/31/202266SchoolofMaterialsSciencean（四）黄培云压制理论（方程）SchoolofMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineering

黄培云先生分析了以前的众多压制方程，认为由于其推导过程中作了许多假定，或是从特定的研究对象出发，因此方程的适用性受到一定限制。

●以前压制方程的不足：

1.对摩擦力考虑不够；2.把粉末体作为理想的弹性体处理；3.未考虑压制时间（对压制过程中应力、应变变化）的影响——未考虑弛豫问题；4.未考虑压制时粉末体的加工硬化问题；5.未考虑压制时粉末的大程度变形（应变）问题。●弛豫现象：物质系统由非平衡态自发地趋于平衡状态的过程；过程所经历的时间称为“弛豫时间”。

10/31/202267（四）黄培云压制理论（方程）SchoolofMateri黄培云压制理论（方程）——理论基础1.压坯密度ρ是外压的函数：ρ=k•f(P)2.常用力学模型●理想弹性体-虎克体（H体）：σ=Mε●理想液体-牛顿体（N体）：σ=ηdε/dt●线弹性-塑性体-Maxwell体（M体）（弹性和粘滞性物体（应力弛豫））●线弹性体-（应变弛豫）—Kelvin固体（K体）

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202268黄培云压制理论（方程）——理论基础1.压坯密度ρ是外压的函黄培云公式(压制方程)的推导（1）用弹性和粘滞性固体（Maxwell体）来描述粉末体

对于理想弹性体(H体)，应力-应变关系—虎克定律：σ=Mε

dσ/dt=Mdε/dt

用M体（同时具有弹性和粘滞性的固体）代替H体（考虑应力弛豫）：dσ/dt=Mdε/dt–σ/t恒应变：dε/dt=0，有

σ=σ0exp（-t/τ1）（1）τ1—应力弛豫时间（1）式考虑了粉末压制时的应力弛豫

用M固体描述粉末体，比H体更接近实际SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202269黄培云公式(压制方程)的推导SchoolofMateri（2）类似地，也可以用Kelvin固体（K体，同时具有弹性和应变弛豫性质的固体）来描述粉末体：

σ=Mε+ηdε/dt=M(ε+τ2dε/dt)（2）

η—沾滞系数：η=Mτ2；τ2—应变弛豫时间

（2）式考虑了粉末压制时的应变弛豫

用K固体描述粉末体，比H体更接近实际SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202270（2）类似地，也可以用Kelvin固体（K体，同时具有弹性（3）用标准线性固体（SLS体）来描述粉末体（SLS体——同时有应力和应变弛豫的固体）σ+τ1dσ/dt=M(ε+τ2dε/dt)（3）τ1—应力弛豫时间；τ2—应变弛豫时间用SLS描述粉末体，比M、K固体更接近实际，即（3）式比（1）、（2）式更接近实际但（3）式仍有不足：——粉末体充分弛豫后应力应变非线性（非线性弹滞体）,且变形程度大SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202271（3）用标准线性固体（SLS体）来描述粉末体Schoolo（4）用标准非线性固体（SNLS体）来描述粉末体(σ+τ1dσ/dt)n=M(ε+τ2dε/dt)

n<1（硬化指数的倒数）τ1、τ2—应力、应变弛豫时间恒应力σo作用并充分保压：dp/dt（dσ/dt）=0；充分驰豫：t>>τ2数学变换得：

σon=Mε或σo=(Mε)1/n（4）（4）式为考虑了粉末体的非线性弹滞性（加工硬化）后的关系式，比（3）式更准确SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202272（4）用标准非线性固体（SNLS体）来描述粉末体School●大程度应变的处理自然应变：

ε

=∫LLo

dL/L=ln(L/Lo)对粉末体，其压制时的体积改变实际上是孔隙体积改变

定义：ε=ln(Vo//V/)

Vo/、V/—粉末原始和受压P后的孔隙体积（注意，是ε=ln(V//Vo/)

，此处是为了保证ε>1）

ε=ln[(Vo-Vm)/(V-Vm)]=ln

{[(ρm-ρo)ρ]/[(ρm-ρ)ρo]}

Vo、V、Vm—压力为0、P、∞时粉末的体积

ρo、ρ、ρm—压力为0、P、∞时粉末的密度SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202273●大程度应变的处理SchoolofMaterials●运用标准非线性固体模型，综合考虑粉末体非线性弹滞性、加工硬化等得到压制方程：ε=σon/M考虑大程度应变：

lgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=nlgP-lgM（5）n—硬化指数的倒数M—压制模量黄培云压制方程的最初形式，考虑了粉末压制过程中的应力应变弛豫、加工硬化以及大程度应变SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202274●运用标准非线性固体模型，综合考虑粉末体非线性弹滞性、加工●考虑量纲，对原模型进行修正：

ε=（σo/M）1/mmlgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]=lgP-lgM（6）

m=1/n—粉末压制过程的非线性指数，反映硬化趋势的大小—与晶体结构，粉末形状、合金化等相关

m一般大于1，m越大，硬化趋势大—硬化指数

lgln[ρ(ρm-ρo)/(ρm-ρ)ρo]与lgP成线性关系

双对数方程●适应性:对硬质或软质粉末、中、高、低压力均较为有效SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202275●考虑量纲，对原模型进行修正：SchoolofMateSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202276SchoolofMaterialsSciencean几个有代表性的压制方程序号提出日期著者公式注解11938巴尔申lgPmax-lgP=L(β-1)Pmax—相应于压至最紧密状态（β=1）时的单位压力L—压力因素β—相对体积21930-1948艾-沙-柯

θ=θoe-BP；ln（θ/θo）=-BPθ0—P=0时的孔隙体积的外推值θ—压力为P时的孔隙体积B—常数31956川北公夫C=abP/（1+bP）1/C=1/ab•1/P+1/aC—粉末体积减少率C=（Vo–V）/VoV、Vo—压力为P、0时的粉末体积a、b—系数41964~1980黄培云ρm—致密金属密度ρ0—压坯原始密度ρ—压坯密度P—压制压强M—相当于压制模数n—相当于硬化指数的倒数m—相当于硬化指数SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202277几个有代表性的压制方程序号提出日期著者公式注解11938巴尔相同点：系数、定量线性关系不同点：假定、适应性如何校验方程的正确性：自学压制方程的总结与比较SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202278压制方程的总结与比较SchoolofMaterials作业教材第三章：1、5、6、7、11、12SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202279作业SchoolofMaterialsScience第四节粉末压坯密度的分布一、模压成形时压坯密度分布的不均匀性（一）压坯密度分布不均匀的现象仅通过上模冲加压的单向压制Ni粉压坯：H：17.5；D：20；700MPaSchoolofMaterialsScienceandEngineering单向压制10/31/202280第四节粉末压坯密度的分布一、模压成形时压坯密度分布的不均匀图3-28单向压制铁粉压坯密度和硬度的分布状况：Φ72mm；粉末为3kg和1kg（上、下图）；550~680MPa；左—密度g/cm3，右—硬度HB沿箭头方向密度降低密度变化规律

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,导致变形等；●性能不均匀！SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202281图3-28单向压制铁粉压坯密度和硬度的分布状况：Φ绝对密度差、相对密度差、平均密度绝对密度差：

dj=dmax–dmin相对密度差：

dr=（dmax–dmin）/dmax×100%（二）压坯密度分布不均匀性表示密度差反映了模压成形的技术水平对密度差的数值要求越小，要求压制水平就越高在可能的情况下，应采用尽可能宽松的密度差SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202282绝对密度差、相对密度差、平均密度（二）压坯密度分布不均匀性表（三）压坯密度分布不均匀的产生原因●外摩擦力（压力损失）●内摩擦力●侧压力●压制方式●压坯形状与尺寸●压模结构与设计●润滑直接影响压制压力的传递和局部压力的大小间接影响压制压力的传递和局部压力的大小SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202283（三）压坯密度分布不均匀的产生原因●外摩擦力（压力损失）直二、改善压坯密度分布不均匀性的措施（一）合理选择压制方式1.根据压坯高度(H)和直径(D)或厚度(δ)的比值选取压制方式☆H/D≤1，而H/δ≤3时，可采用单向压制；☆H/D>l，而H/δ>3时，采用双向压制；☆H/D>4～10时，采用带摩擦芯杆压模压制、双向浮动压模压制、引下式压模压制等☆对于很长的制品，需采用特殊成形（等静压、挤压等）

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202284二、改善压坯密度分布不均匀性的措施（一）合理选择压制方式1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering四类零件压制方法有所不同！10/31/202285SchoolofMaterialsSciencean10/31/20228610/23/202286

四种基本的模压成形方法a）单向压制b）双向压制c）浮动模压制d）引下式压制a）b）c）d）实质上只有单向和双向压制！SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202287四种基本的模压成形方法a）b）c）d）实质上只有单向和双向2.几种典型压制方式的特点及密度分布1）单向压制（1）压制过程中阴模不动、下模冲（上模冲）不动，压制压力仅通过上模冲（下模冲）施加到粉末体上。（2）特点☆典型的密度分布不均匀；☆中性轴位置：压坯下端；☆H、H/D增大，密度差增大；☆模具结构简单，生产率高；☆适应高度小、壁厚大的压坯Ps-上冲压力Px-下冲压力F-摩擦力中性轴SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022882.几种典型压制方式的特点及密度分布1）单向压制Ps-上冲单向压制双向压制压制方式示意图压坯厚度及密度分布SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202289单向压制双向压制压制方式示意图压坯厚度及密度分布Schoo2）双向压制（1）压制过程中阴模不动、上、下模冲都对粉末体施加压力。（2）特点

☆相当于两个单向压制的叠加；☆中性轴不在压坯端部；☆同样压制条件下，密度差较单向压制小；☆可用与H/D较大压坯的压制SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022902）双向压制SchoolofMaterialsScie（3）双向压制的基本类型

☆同时双向压制（图）：上下模冲同时向粉末体施加相等的压力

☆非同时双向压制（后压）

完成一次单向压制后，再在低密度端进行一次单向压制。中性轴SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202291中性轴SchoolofMaterialsScience单双向压制的密度分布SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202292单双向压制的密度分布SchoolofMaterials压制密度沿高度的分布a-单向压制b双向压制SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202293压制密度沿高度的分布SchoolofMaterials3）浮动阴模压制（1）定义：压制过程中上模冲向粉末加压，下冲不动、阴模不是固定不动，而是通过弹簧或汽缸、油缸等适当支撑。（2）特点☆压制效果与双向压制类似；☆压坯密度分布与双向压制相同；☆中性轴的位置与支撑力有关；☆是生产中广泛采用的一种压制方式，便于装粉；☆压机下部只需较小的压制和脱模压力SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022943）浮动阴模压制SchoolofMaterialsSc浮动阴模压制的关键：弹簧支撑力的确定阴模受力：Fs、Fx、Pf、W，力平衡式：只有浮动压力Pf等于W，上下模冲压力才相等。浮动压力Pf过大，中性轴下移，密度差增大。实际：Pf稍大于W，便于阴模自动复位。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202295浮动阴模压制的关键：弹簧支撑力SchoolofMaterSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202296SchoolofMaterialsSciencean图B几种浮动压制示意图浮动压制图A浮动压制示意图SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202297图B几种浮动压制示意图浮动压制图A浮动压制示意图Scho4）拉下式（强动式、引下式）压制压制效果与双向压制相同;也是生产中广泛采用的一种设计！SchoolofMaterialsScienceandEngineering拉下式压制10/31/2022984）拉下式（强动式、引下式）压制压制效果与双向压制相同;SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/202299SchoolofMaterialsSciencean5）摩擦芯杆压制（错动双向压制）PsSchoolofMaterialsScienceandEngineeringFyFxPx10/31/20221005）摩擦芯杆压制（错动双向压制）PsSchoolofM摩擦压制SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022101摩擦压制SchoolofMaterialsScienc摩擦芯杆压制的特点：（1）阴模和下模冲头不动．芯杆和上模冲一起同步下降。（2）外径处，压力沿高度向下减小，内径处，压力沿高度向上逐渐减小。（3）力平衡关系：Ps+Fx=Px+Fy（对粉末体）当Fy=Fx时，Ps=Px；阴模壁与粉末间的摩擦力和芯杆壁与粉末间的摩擦力相等时，上下模冲压力相等，压坯密度最均匀。

问题：Fy=Fx，大小相等、方向相反，能否完全抵消？SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022102摩擦芯杆压制的特点：SchoolofMaterials（4）错动压制压坯的分段平均密变差比单向压制小；低密度层是一个斜面，比双向压坯强度高。（5）不适应于厚壁压坯：其局部密度均匀性比双向压制差。（6）最适于压制细长薄壁制品。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022103（4）错动压制压坯的分段平均密变差比单向压制小；低密度层是一（二）降低摩擦系数，减少压力损失1.采用润滑剂

☆目的：降低摩擦系数以减少外摩擦力

核心问题：润滑剂的选择原则和用量

不可忽视润滑剂的副作用！

☆润滑方式：模壁润滑和粉末润滑2.改进压模材料及表面状态3.原料粉末的改性SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022104（二）降低摩擦系数，减少压力损失1.采用润滑剂School（三）复杂形状压坯的压制SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022105（三）复杂形状压坯的压制SchoolofMaterial1.压制的基本原则1）保证粉末均匀充填模腔,各高度充填系数相同或相近（H粉/H坯）2）保证各部分粉末的压缩比相等；压缩比（ρ粉/ρ坯）——粉末松装高度与压坯高度之比；3）采用组合模冲代替整体模冲，实现补偿装粉，是实现压缩比相等的关键——

补偿装粉：各部分的粉料装填高度按装填系数（压缩比）来计算；4）保证各台阶压制速度相同；压制速率相同5）组合模冲尽量在下模冲上实现；

实际生产中，不可能完全按理论计算设计组合模冲，仍需根据实际情况进行简化。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20221061.压制的基本原则SchoolofMaterialsS

整体模冲不能实现压坯密度均匀

—为提高密度均匀性，须使用组合（分离）模冲！2.多台阶压坯的压制整体下模冲组合下模冲SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022107整体模冲不能实现压坯密度均匀2.多台阶压使用组合模冲时料腔高度的计算：若：d松=2.4g/cm3，d坯=6.6g/cm3K=d坯/d松=2.75∴H松1=Kh坯

=13.75mmH松2=55mmSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022108使用组合模冲时料腔高度的计算：SchoolofMater图带台阶压坯计算若d松=2.4g/cm3;d压=6.6g/cm3，请计算料腔高度。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022109图带台阶压坯计算若d松=2.4g/cm3;d压=6Q：台阶个数是否任意！带台阶压坯的压制：

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022110Q：台阶个数是否任意！带台阶压坯的压制：SchoolofSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022111SchoolofMaterialsSciencean计算的装粉面位置x3.带斜面压坯的压制

10/31/2022112计算的装粉面位置x3.带斜面压坯的压制10/23/2022SchoolofMaterialsScienceandEngineering图斜面压坯组合模冲设计b=（ac）1/210/31/2022113SchoolofMaterialsSciencean图斜面压坯组合模冲设计计算一带斜面的压坯如图1-26，压缩比=2.3。求X，Lx，H松。用二个下模冲压制时，求X1,X2,Lx1,Lx2,b，H松1和H松2。？1.6多台阶压坯的压制10/31/2022114图斜面压坯组合模冲设计计算一带斜面的压坯如图1-24.曲面压坯的组合模冲

图1-27曲面压坯组合模冲内球面压坯曲面压坯10/31/20221154.曲面压坯的组合模冲图1-27曲面压坯组合模冲内球面压坯第五节粉末压坯的强度压坯强度：粉末压坯反抗外力而保持其形状、尺寸不变的能力重要性：

衡量粉末性能的重要指标之一；衡量压制过程和压坯质量的重要指标之一。SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022116第五节粉末压坯的强度压坯强度：粉末压坯反抗外力而保持其形状一、压坯强度的形成原因巴尔申观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要来源于颗粒间的机械啮合力

机械啮合：在外力作用下，粉末颗粒通过位移或变形而形成的相互楔接或咬合。

琼斯观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要来源于相邻颗粒表面上的原子吸引力

一般观点：两者兼而有之，以机械啮合力为主

巴尔申——成分、粒度、硬度相同，形状不同的粉末琼斯——形状、粒度相同的电解粉退火前后SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022117一、压坯强度的形成原因SchoolofMaterials二、压坯强度的表示1.压坯抗弯强度表示法（ASTMB783，GB5319-85）

ASTM：31.75x12.7x6.35mmGB：30x12x6mm

w-宽度，mm（6mm）t-厚度，mm（12mm）L-支点间距，mm（25.4mm）P-负荷，NSchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022118二、压坯强度的表示w-宽度，mm（6mm）Schoolof2.转鼓试验法（JSPM4-69）

Φ12.7x6.35mm，14目金属网转鼓试验，87rpm.重量减少率：S=（A-B）/Ax100%三、影响压坯强度的因素1.粉末性能：颗粒硬度、表面粗糙度、比表面积、颗粒形状、表面氧化物及杂质等；2.压制压力3.成形剂4.压制温度、保压时间SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/20221192.转鼓试验法（JSPM4-69）三、影响压坯强度的因素ScSchoolofMaterialsScienceandEngineering可以从以下方面提高压坯强度：1.提高颗粒粗糙度——机械啮合；2.增大粉末比表面积——提高颗粒不规则程度；3.减少颗粒表面氧化物和其他杂质；4.提高压坯密度；5.减少阻碍机械啮合的填加剂的用量；6.一定条件下，提高压制温度，延长保压时间。10/31/2022120SchoolofMaterialsSciencean第六节影响压制过程的因素一、粉末性能的影响（一）粉末物理性能（二）粉末化学组成（三）粉末粒度及粒度组成二、润滑剂、成形剂的影响（一）作用（二）选择（三）用量三、压制条件的影响（一）压制方式（二）工艺条件四、压制废品分析SchoolofMaterialsScienceandEngineering提要10/31/2022121第六节影响压制过程的因素一、粉末性能的影响Schoolo二、润滑剂、成形剂的影响

（一）润滑剂和成形剂的作用

润滑剂：降低粉末颗粒与模壁及模冲之间摩擦，改善密度分布，减少压模磨损，便于脱模。成形剂：改善粉末成形性能，提高压坯强度。不足之处：

1）降低粉末流动性，2）本身密度低，占有一定体积，限制高密度压坯的获得，3）降低颗粒接触程度，降低压坯强度4）烧结挥发：制品外观，烧结炉寿命5）可能的反应

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022122二、润滑剂、成形剂的影响SchoolofMaterial（二）选择原则

1.良好的润滑性，2.软化点较高，混合时不易因温度升高高而熔化，3.易于排除，残留危害小，4.不与粉末反应，5.对粉末松比、流动性影响不大，6.来源与成本

常用材料：

铁、铜基零件：硬脂酸及其衍生物、石墨等

硬质合金、陶瓷：石蜡、合成橡胶、聚乙烯醇、乙二醇等。

SchoolofMaterialsScienceandEngineering10/31/2022123SchoolofMaterialsSciencean（三）用量及加入方式

满足工艺要求前提下