3.金属粉末的压制

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密度与孔隙度的关系
超过 ~ 6.2 g/cm3， 粉末颗粒互锁 ，颗粒的进一步重排需要剧烈的 塑性变形。
在密度 ~ 7.5 g/cm3， 所有的孔隙 都小于最小的初始粉末颗粒尺寸 。
为什么不能达到全密度？
• 粉末的形变强化。
• 颗粒间增加的接触面积> 压坯中减少的有 效剪切应力。
• 残留孤立孔的消除需要极高的压制压力。
摩擦力导致的结果
• • • • 所施加压制压力的损失 压力和密度的不均匀 高的脱模力 (模具的磨损)
如何减小摩擦力
• 在混粉中加入润滑剂 • 模壁润滑 • 优化工艺参数
-速度 -温度 -压制距离
轴向力与径向力之间的关系
• 流体静压力 • 模型 – 无摩擦力 • 模型 – 模壁摩擦 • 通过实验得到的数据 • 屈服点的影响（温度）
金属粉末压制
压制过程的基本机理!
压制周期
• 装模 • 阴模封闭 / 粉末迁移 • 粉末压制
– 弹性变形 – 塑性变形 – 粉末颗粒冷焊
• 脱模
简单零件压制周期
装模
压制
脱模
较复杂零件压制周期
影响粉末填充的参数
• • • • 流动性 松装密度 填充速度 填充方式
影响粉末流动性的力
• 粉体内部的摩擦力 -粉体内部摩擦力会影响粉体的流动性和填充性能 -小尺寸的颗粒会有更大的摩擦力
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提高温度后，虽然最大 径向压力增大，但轴向 压力完全解除后，残余 径向压力却降低。
室温屈服点 150oC时的屈服点
轴向力与径向力之间的关系
Long’s 模型结论: • 屈服点越高
> 径向压力越小 > 残余径向压力越高
温压
生坯密度 Gms/cc
7.5 7.4 Green Density (g/cc) 7.3 7.2 7.1 7 6.9
-球形粉末的摩擦力较小
• 颗粒之间的力
- 范德华力 - 静电引力 - 化学键力 - 毛细管力
填充性能参数
• 真密度
-烧结材料真实体积的密度
• 松装密度 -粉末在自然堆积的情况下的密度 • 理论密度（全密度） • 孔隙度 -粉体自然堆积时孔隙占整个体积的比例
理论密度的计算
• δ = 100/(wFe/ρFe + w1/ρ1 + w2/ρ2 + w3/ρ3 + ..........)
装填高度及上模冲行程的计算
UP UP H1 t1 t2 Die LIP LOP H2 Die FD= 3.2g/cm3 GD= 7.2g/cm3 H1=GD/FD*t1 H2=GD/FD*t2 UPentry=H2-t2 范例: t1=10mm t2=25mm H1=22.5mm H2=56 mm UPentry= 31mm
中空球内的塑性流动条件
• • 右图代表一个孤立孔。 根据下面的方程式得知，当孔 的体积缩小时，引起塑性流动 所需的压力将增大。也就是说 ，当r3减小时，P迅速增加。如 将孔减到零则需要无穷大的负 载。 所以在高度致密化的压坯中， 一个小的孤立孔在可行的压制 负载/压力下无法被消除。
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轴向密度分布
SC100.26+2% Cu Distaloy AE Distaloy HP-1 R.T. ,600 Mpa (42Tsi) Warm, 600 Mpa (42Tsi) R.T. ,800 Mpa (57Tsi) Warm, 800 Mpa (57Tsi)
174 3 Psi
145 3 Psi
174 3 Psi
87 3 Psi
58 3 Psi
冲击功
R.T. ,700 Mpa (50Tsi) Warm, 700 Mpa (50Tsi)
50 40 Impact energy (J) 30 20 10 0
> 径向压力越小 > 残余径向压力越高
轴向力与径向力之间的关系
• 加载-卸压循环的理 论模型，忽略模壁摩 擦力。 W.M. Long
• 考虑到模壁摩擦的理 论模型。 G. Bockstiegel
屈服点的影响
• 在粉末压制成形过程中 ，提升作业温度而使金 属的屈服点低于室温屈 服点，能获得更高和更 均匀的压坯密度。
轴向力与径向力之间的关系
理想液体 σ r = 1 σ a
无限刚体 σ r = 0 σ a
σ 0 > σ
粉体
r a
<1
径向与轴向压力的关系
• 加载-卸压循环的理 论模型，忽略模壁摩 擦力。 W.M. Long • 考虑到模壁摩擦的理 论模型。 G. Bockstiegel Long’s 模型结论: • 屈服点越高
SC100.26+2% Cu Distaloy AE Distaloy HP-1
R.T. ,600 Mpa (42Tsi) Warm, 600 Mpa (42Tsi) R.T. ,800 Mpa (57Tsi) Warm, 800 Mpa (57Tsi)
拉伸强度
1200 1100 Tensile Strength (MPa) 1000 900 800 700 600 500 400
其中： δ = 理论密度 wFe = 铁粉的重量百分比 ρFe = 铁粉的比重 w1, w2, w3 etc = 其它添加剂的重量百分比 ρ1, ρ2, ρ3赫格纳斯手册-2，第4章,12页。
添加剂对基于ASC100.29之混粉 理论密度的影响
LOP LIP
CR
装模
• 当充填薄壁时一定要注 意，因为可能出现架桥 现象。 最小横向尺寸约为 1mm。
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与压制相关的粉末性能
• 形貌 • 物理性能 • 机械性能
粉末压制
粉末成形
• 粉末压制
-粉末迁移 -弹性变形 -塑性变形 -颗粒的冷焊
压制密度经验曲线
• 在较高密度，密度的进 一步增加需要非常大的 压制载荷/压力的增加。 在可行的压制压力下， 铁粉不可能达到全密度 (7.86g/cm3) 。 海绵和雾化铁粉因颗粒 结构不同，因而压制行 为各异。
• 因压坯与模壁之间的 摩擦力，轴向压力随 着离模冲端距离的增 加而呈指数降低。
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可能形成中性区，尤 其对于长的薄壁零件
密度分布
三种双向对称压制方式
a) 阴模固定，上、 下模冲移动。
b)
下模冲固定，阴 模浮动。
c)
下模冲固定，阴 模以上模冲速度 之半下移。
摩擦
• • • • 粉末颗粒之间 模冲与模壁之间 粉末颗粒与模冲之间 粉末颗粒与模壁之间