粉末壓制成形原理學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1粉末粉末(fnm)壓制成形原理壓制成形原理第一頁，共132頁。本章內(nèi)容2.1 概述2.2 壓制過程(guchng)中力的分析2.3 壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系2.4 粉末壓坯密度的分布2.5 粉末壓坯的強度2.6 影響壓制過程(guchng)的因素School of Materials Science and Engineering第1頁/共132頁第二頁，共132頁。Making Powder-Metallurgy PartsSchool of Materials Science and Engineering第2頁/共132頁第三頁，共132頁。一、基本概念 成形（Forming）的

2、定義： 將粉末密實（densify）成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度(qingd)的坯體（green compacts）的工藝過程。第一節(jié) 概述(i sh)ConsolidationSchool of Materials Science and Engineering第3頁/共132頁第四頁，共132頁。 成形的重要性 1）是重要性僅次于燒結(jié)的一個基本的粉末冶金工藝過程。 2）比其他工序更限制和決定(judng)粉末冶金整個生產(chǎn)過程。 a）成形方法的合理與否直接決定(judng)其能否順利進行。 b）影響隨后各工序（包括輔助工序）及最終產(chǎn)品質(zhì)量。 c）影響生產(chǎn)的自動化、生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本。Sc

3、hool of Materials Science and Engineering第4頁/共132頁第五頁，共132頁。 成形方法的一般(ybn)分類冷法石膏(shgo)模常壓冷法注漿加壓冷法注漿抽真空(zhnkng)冷法注漿等靜壓成形 isostatic（hydrostatic） pressing粉末壓制成形（鋼模壓制）compacting，briquetting，pressing 普通成形注漿成形法熱法（熱壓注法）：鋼模粉末連續(xù)成形粉末軋制粉末擠壓（可塑成形）噴射成形熱成形及高能率成形 成形燒結(jié)同時進行特殊成形School of Materials Science and Engineer

4、ing第5頁/共132頁第六頁，共132頁。 按成形過程中有無壓力： 有壓（壓力）成形、無壓成形 按成形過程中粉末的溫度： 冷壓（常溫）成形、溫壓成形、熱成形 按成形過程的連續(xù)(linx)性： 間歇成形、粉末連續(xù)(linx)成形 按成形料的干濕程度： 干粉壓制、可塑成形、漿料成形 成形方法(fngf)的其他分類School of Materials Science and Engineering第6頁/共132頁第七頁，共132頁。第7頁/共132頁第八頁，共132頁。模壓成形是最重要、應(yīng)用最廣的成形方法！本章有關(guān)(yugun)成形原理的討論以模壓成形為基礎(chǔ)！School of Materia

5、ls Science and Engineering成形壓模的基本結(jié)構(gòu)上模沖下模沖陰模粉末第8頁/共132頁第九頁，共132頁。Loose powder is compacted and densified into a shape, known as green compactMost compacting is done with mechanical presses and rigid toolsHydraulic and pneumatic presses are also used 模壓成形是將金屬粉末或粉末混合(hnh)料裝入鋼制壓模（陰模）中，通過模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰

6、模內(nèi)脫出，完成成形過程。第9頁/共132頁第十頁，共132頁。模壓成形，pressing第10頁/共132頁第十一頁，共132頁。模壓成形的主要功用是： 將粉末成形成所要求的形狀； 賦予壓坯以精確的幾何尺寸； 賦予壓坯所要求的孔隙度和孔隙模型(mxng)； 賦予壓坯以適當(dāng)?shù)膹姸纫员阌诎徇\。School of Materials Science and Engineering第11頁/共132頁第十二頁，共132頁。第12頁/共132頁第十三頁，共132頁。第13頁/共132頁第十四頁，共132頁。模壓模壓(my)(my)成形成形PMPM產(chǎn)品實例產(chǎn)品實例電動工具零件電動工具零件School of

7、 Materials Science and Engineering第14頁/共132頁第十五頁，共132頁。模壓模壓(my)(my)成形成形PMPM產(chǎn)品實例產(chǎn)品實例汽車發(fā)動機用粉末燒結(jié)鋼零件汽車發(fā)動機用粉末燒結(jié)鋼零件School of Materials Science and Engineering第15頁/共132頁第十六頁，共132頁。模壓成形模壓成形PM產(chǎn)品實例產(chǎn)品實例汽車變速箱粉末汽車變速箱粉末(fnm)燒結(jié)鋼零件燒結(jié)鋼零件School of Materials Science and Engineering第16頁/共132頁第十七頁，共132頁。二、金屬粉末壓制(yzh)過程中

8、發(fā)生的現(xiàn)象圖12-4 粉末壓制示意圖 1 陰模 Die 2上模沖 Top（upper） punch 3下模沖 Bottom（lower）punch 4 粉末 PowderSchool of Materials Science and Engineering第17頁/共132頁第十八頁，共132頁。鋼模壓制粉末的基本(jbn)過程粉末混合料稱量、裝模壓制卸壓脫模粉末壓坯Powder mixWeighting，filling CompactingcompactsSchool of Materials Science and Engineering第18頁/共132頁第十九頁，共132頁。粉末(fn

9、m)壓制過程中發(fā)生的現(xiàn)象1. 壓制后粉末體的孔隙(kngx)度降低，壓坯相對密度明顯高于粉末體的相對密度。 壓制使粉末體堆積高度降低，一般壓縮量超過50%2. 軸向壓力（正壓力）施加于粉末體，粉末體在某種程度上表現(xiàn)出類似流體的行為，向陰模模壁施加作用力，其反作用力側(cè)壓力產(chǎn)生。 但是粉末體非流體，側(cè)壓力小于正壓力！School of Materials Science and Engineering第19頁/共132頁第二十頁，共132頁。3. 隨粉末體密實，壓坯密度增加，壓坯強度也增加。 Q: 壓坯強度是如何形成的？（后述）4. 由于粉末顆粒之間摩擦，壓力傳遞不均勻，壓坯中不同部位密度存在不均

10、勻。 壓坯密度不均勻?qū)号髂酥廉a(chǎn)品性能有十分重要(zhngyo)的影響。5. 卸壓脫模后，壓坯尺寸發(fā)生膨脹產(chǎn)生彈性后效 彈性后效是壓坯發(fā)生變形、開裂的最主要原因之一。School of Materials Science and Engineering第20頁/共132頁第二十一頁，共132頁。三、 粉末體在壓制過程(guchng)中的變形（一） 粉末體受壓力(yl)后的變形特點（與致密材料受力變形比較）1. 致密材料受力變形遵從質(zhì)量不變和體積不變，粉末體壓制變形僅服從質(zhì)量不變。 粉末體變形較致密材料復(fù)雜。2.致密材料受力變形時，僅通過固體質(zhì)點本身變形，粉末體變形包括粉末顆粒的變形，還包括顆粒

11、之間孔隙形態(tài)的改變，即顆粒發(fā)生位移。 ！粉末體的變形是廣義變形：顆粒位移 + 顆粒變形School of Materials Science and Engineering第21頁/共132頁第二十二頁，共132頁。3. 致密材料變形時，各微觀區(qū)域的變形規(guī)律與宏觀變形規(guī)律基本一致，粉末體變形時，各顆粒的變形基本獨立，不同顆粒變形程度可能存在較大差異。 4. 粉末體受力變形時，局部區(qū)域的實際應(yīng)力遠高于粉末體受到的表觀應(yīng)力（表觀壓制壓力）。局部區(qū)域的高應(yīng)力可能超過粉末顆粒的強度極限。5. 粉末體受力壓制，顆粒之間的接觸(jich)面積隨壓制壓力增大而增大，兩者間存在一定的定量關(guān)系。School o

12、f Materials Science and Engineering第22頁/共132頁第二十三頁，共132頁。（二） 粉末體在壓制過程中的變形動力（變形內(nèi)因）1. 粉末體的多孔性 粉末體中的孔隙包括： 拱橋效應(yīng)現(xiàn)象（圖）：粉末在松裝堆集時，由于表面不規(guī)則，彼此之間有摩擦，顆粒相互搭架而形成拱橋孔拱橋效應(yīng)產(chǎn)生的孔隙尺寸可能遠大于粉末顆粒尺寸。 實例(shl)：Fe 理論密度 7.8 g/cm3 ，松裝密度一般為2-3g/cm3； W 理論密度 19.3 g/cm3 ，中顆粒W粉松裝密度3-4g/cm3 ， 細顆粒W粉松裝密度3g/cm3。 ？估算其孔隙率。一次孔隙（顆粒內(nèi)部孔隙）二次孔隙（顆

13、粒之間孔隙）拱橋效應(yīng)產(chǎn)生的孔隙School of Materials Science and Engineering第23頁/共132頁第二十四頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第24頁/共132頁第二十五頁，共132頁。粉末粉末(fnm)體高的孔隙率使其受力后易于發(fā)生體高的孔隙率使其受力后易于發(fā)生重排重排School of Materials Science and Engineering第25頁/共132頁第二十六頁，共132頁。2. 粉末顆粒良好的彈塑性 制粉過程中，粉末一般都經(jīng)過專門處理 還原(hun yun)、退火

14、消除加工硬化、表面雜質(zhì)等3. 粉末體較高的比表面積 主要作為燒結(jié)動力，對壓制也有影響。實例：幾種商品粉末的比表面積（cm2/g）： 還原(hun yun)Fe粉（79%-325目）：5160 還原(hun yun)Fe粉（1%-325目）： 516 電解Fe粉（-200目）：400 羰基Fe粉（7m）：3460 還原(hun yun)W粉（0.6m）：5000 School of Materials Science and Engineering第26頁/共132頁第二十七頁，共132頁。（三） 粉末體在壓制(yzh)過程中的（位移）變形規(guī)律1. 較低壓力下首先發(fā)生位移，位移形式多樣 壓制時粉

15、末位移的形式（a）顆粒接近；（b）顆粒分離；（c）顆粒相對滑動； （d）顆粒相對轉(zhuǎn)動；（e）顆粒因粉碎產(chǎn)生移動School of Materials Science and Engineering第27頁/共132頁第二十八頁，共132頁。影響壓制時粉末位移的因素顆粒間可用于相互填充的空間（孔隙）粉末顆粒間摩擦顆粒表面粗糙度潤滑條件(tiojin)顆粒的顯微硬度顆粒形狀加壓速度School of Materials Science and Engineering第28頁/共132頁第二十九頁，共132頁。2. 粉末顆粒的變形 彈性變形 顆粒所受實際應(yīng)力(yngl)超過其彈性極限，發(fā)生彈性變形。

16、 塑性變形 顆粒所受實際應(yīng)力(yngl)超過其屈服極限，發(fā)生塑性變形。 脆性斷裂 顆粒所受實際應(yīng)力(yngl)超過其強度極限，發(fā)生脆性斷裂。 粉末的位移和變形，促使了壓坯密度和強度的增高School of Materials Science and Engineering第29頁/共132頁第三十頁，共132頁。3. 實際粉末位移變形的復(fù)雜性 粉末的位移和變形與粉末本身性能有關(guān)； 不同粉末位移、變形規(guī)律不同 粉末受力后，首先發(fā)生顆粒位移，位移方式多種多樣； 粉末顆粒位移至一定程度，發(fā)生顆粒變形，變形方式多樣； 位移和變形不能截然分開，有重疊； 位移總是(zn sh)伴隨著變形而發(fā)生 粉末變形必

17、然產(chǎn)生加工硬化 模壓成形不能得到完全致密壓坯 School of Materials Science and Engineering第30頁/共132頁第三十一頁，共132頁。 壓制過程中粉末運動示意圖a）松裝粉末； b）拱橋破壞顆粒位移； c）、d）顆粒變形； e）壓制成形后 a） b） c） d） e）School of Materials Science and Engineering第31頁/共132頁第三十二頁，共132頁。第二節(jié) 壓制過程(guchng)中力的分析單向壓制各種力的示意圖一、正壓力(yl)、凈壓力(yl)、壓力(yl)損失 ( 壓制壓力(yl)的分配） 正壓力(yl)

18、: p，P（單位壓制壓力(yl)、總壓力(yl)） 凈壓力(yl)（有效壓力(yl)）：p，P1 壓力(yl)損失：p，P2克服內(nèi)外摩擦力， P = P1 + P2 p = p-p，School of Materials Science and Engineering第32頁/共132頁第三十三頁，共132頁。nBlended powders are pressed into shapes in dies.nPressure distribution:School of Materials Science and Engineering第33頁/共132頁第三十四頁，共132頁。園柱型壓模中取

19、小立方體壓坯為分析對象（徑向(jn xin)受力均勻），假定： 陰模不發(fā)生變形 不考慮粉末體的塑性變形二、模壓成形(chn xn)時的側(cè)壓力 定義：壓制過程中由垂直壓力所引起的模壁施加于壓坯 的側(cè)面壓力稱為側(cè)壓力（一）側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系School of Materials Science and Engineering推導(dǎo)(tudo)第34頁/共132頁第三十五頁，共132頁。圖1-2 壓坯受力示意圖P側(cè)側(cè)壓強MPa泊松比1側(cè)壓系數(shù)，p單位壓力MPaSchool of Materials Science and Engineering第35頁/共132頁第三十六頁，共132頁。ppp1側(cè)

20、p側(cè) 單位側(cè)壓力（MPa）；p 單位壓制(yzh)壓力（MPa）； = /（1- ）側(cè)壓系數(shù)；泊桑比 （二）側(cè)壓系數(shù) 定義(dngy)： = /（1- ）= p側(cè) /p ：單位側(cè)壓力與單位正壓力之比 影響因素 泊桑比材料本性（下表） 壓制壓力（壓坯密度）School of Materials Science and Engineering第36頁/共132頁第三十七頁，共132頁。材料材料WFeSnCuAuPb0.170.280.330.350.420.440.200.390.490.540.720.79表 不同(b tn)材料的泊桑比和側(cè)壓系數(shù)School of Materials Scie

21、nce and Engineering第37頁/共132頁第三十八頁，共132頁。注意幾個問題： 公式計算的側(cè)壓力是平均值，沿高度不同位置側(cè)壓力不等 粉末體非流體， p側(cè)總小于p 研究側(cè)壓力具有重要意義 估算( sun)摩擦力、壓力損失 模具設(shè)計的需要 解釋壓制過程中的一些現(xiàn)象School of Materials Science and Engineering第38頁/共132頁第三十九頁，共132頁。三、外摩擦力、壓力損失（一）外摩擦力 定義：粉末(fnm)顆粒與陰模（芯棒）之間的摩擦力。 對比：內(nèi)摩擦力粉末(fnm)顆粒之間的摩擦力 外摩擦力與壓制壓力的關(guān)系式中，f 摩 單位外摩擦力（M

22、Pa）；粉末(fnm)與模壁的摩擦系數(shù)。ppf側(cè)摩School of Materials Science and EngineeringF摩=P側(cè)S側(cè)F摩總的外摩擦力P側(cè)側(cè)壓力粉末與模壁的摩擦系數(shù)S粉末與模壁的接觸(jich)面積第39頁/共132頁第四十頁，共132頁。（二）壓力損失 定義：用于克服外摩擦力而消耗的壓制（正）壓力。 與壓制壓力的關(guān)系（推導(dǎo)）式中，p/ 模底受到的壓力（N）；H為壓坯高度（mm）；D為壓坯直徑（mm）考慮到消耗在彈性變形上的應(yīng)力，則： p1 考慮彈性變形后模底受到的壓力)4exp(DHPp)8exp(1DHPpSchool of Materials Scienc

23、e and EngineeringP1P1第40頁/共132頁第四十一頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第41頁/共132頁第四十二頁，共132頁。 04422dxDdppDpDxxxxxxkp04DdxkpdpxxDkdxpdpxx4Dkxxepp/40Balancing the vertical forces: which simplifies to introduce k (interparticle friction)orIntegrating and using boundary conditions:04xxDdp

24、dx0School of Materials Science and Engineering第42頁/共132頁第四十三頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第43頁/共132頁第四十四頁，共132頁。 壓力損失 P = P2 = P-P1 壓力損失是造成(zo chn)壓坯密度分布不均勻的根本原因；應(yīng)盡量減少； 特定情況下可以利用外摩 擦力 影響壓力損失的因素 摩擦系數(shù) School of Materials Science and Engineering)8exp(1DHPpP1第44頁/共132頁第四十五頁，共132頁。Sc

25、hool of Materials Science and Engineering第45頁/共132頁第四十六頁，共132頁。注意：對于一定的粉末來說，并不是任何高度，任何截面(jimin)的零件都可以壓制。 尺寸越大，則與模壁不發(fā)生接觸(jich)的粉末顆粒數(shù)越多，消耗的壓力損失便相應(yīng)減小，因而所需的總壓制壓力和單位壓制壓力也會相應(yīng)地減少。School of Materials Science and Engineering第46頁/共132頁第四十七頁，共132頁。四、脫模壓力 定義：壓制壓力卸除后，使壓坯由模中脫出所需的壓力 稱為脫模壓力。 脫模壓力與壓制壓力、粉末性能、壓坯密度和尺寸(

26、ch cun)、壓模和潤滑劑等有關(guān)。 p脫 = p側(cè)剩 （單位脫模壓力） P脫 = p側(cè)剩S側(cè)（總脫模壓力） 鐵粉的脫模壓力與壓制壓力P的關(guān)系如下： P脫0.13 P 硬質(zhì)合金物料在大多數(shù)情況下： P脫0.3 PSchool of Materials Science and Engineering第47頁/共132頁第四十八頁，共132頁。 粉末性能 塑性 形狀 粗細潤滑劑模具質(zhì)量壓制壓力 P脫 p側(cè)余S側(cè) 粉末對陰模壁的靜摩擦系數(shù)p側(cè)余殘余側(cè)壓強(yqing)（MPa）S側(cè)壓坯與陰模接觸的側(cè)面積（cm2）School of Materials Science and Engineering第

27、48頁/共132頁第四十九頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第49頁/共132頁第五十頁，共132頁。五、彈性內(nèi)應(yīng)力與后效 （Springback） 彈性內(nèi)應(yīng)力：粉末體受壓后內(nèi)部產(chǎn)生的變形抗力（阻力） 彈性后效：當(dāng)壓力去除，把壓坯從壓模中脫出，由于彈性內(nèi)應(yīng)力的松弛作用，粉末壓坯會發(fā)生彈性膨脹，稱為彈性后效。 計算： = L/L 0 x 100% =（ L-L0）/L0 x100%高度或直徑方向(fngxing)彈性后效； Lo 、L 卸壓前后壓坯直徑（高度）School of Materials Science and Eng

28、ineering第50頁/共132頁第五十一頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第51頁/共132頁第五十二頁，共132頁。 影響彈性后效(huxio)的因素 粉末性能 粉末成形性差，難成形，需高的壓制壓力，增加彈性后效(huxio) 霧化鐵粉 還原鐵粉 電解鐵粉 細粉彈性后效(huxio)高于粗粉：細粉 粗粉 壓制壓力 P較低時，P增加， 增加； P較大時，P增加，減?。?一定范圍內(nèi)，P對影響不大（p202圖2-25）School of Materials Science and Engineering第52頁/共132頁第五

29、十三頁，共132頁。P（MPa）無潤滑無潤滑加凡士林加凡士林油酸苯溶液油酸苯溶液2501.15%1.10%0.25%4001.20%1.10%0.30% 潤滑(rnhu)條件（Cu粉壓制）School of Materials Science and Engineering第53頁/共132頁第五十四頁，共132頁。注意 : 彈性后效各向異性（徑向彈性后效 軸向彈性后效） 彈性后效是設(shè)計模具的重要參數(shù)之一 彈性后效是壓坯產(chǎn)生變形、開裂的主要(zhyo)原因之一School of Materials Science and Engineering第54頁/共132頁第五十五頁，共132頁。一、壓

30、坯密度隨壓制壓力(yl)的變化規(guī)律（定性描述）（一）理想的壓制曲線第階段：顆粒位移，填充孔隙 壓力增加，密度快速增加 滑動(hudng)階段第階段：壓力續(xù)增加， 壓坯密度增加不明顯 平衡階段第階段：壓力超過一定值， 壓力升高，壓坯密度繼續(xù)增加 顆粒變形階段第三節(jié) 壓制(yzh)壓力與壓坯密度的關(guān)系School of Materials Science and Engineering第55頁/共132頁第五十六頁，共132頁。粗顆粒(kl)、軟顆粒(kl)、低成形速度細顆粒(kl)、硬顆粒(kl)、高成形速度p（二）實際粉末的壓制(yzh)曲線1.基本規(guī)律（圖）2. 實際粉末壓制時，三個階段相互

31、重疊，不可截然分開： 位移階段有變形， 變形階段有位移3. 粉末性質(zhì)不同，某一階段的 特征可能不明顯或特別突出。Q:實際壓制壓力如何選擇？ School of Materials Science and Engineering第56頁/共132頁第五十七頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第57頁/共132頁第五十八頁，共132頁。相對密度%壓制壓力/102MPa圖 壓坯的相對密度與壓制壓力的關(guān)系1-銀粉 2-渦旋鐵粉 3-銅粉 4-還原鐵粉 5-鎳粉 6-鉬粉 School of Materials Science and E

32、ngineering第58頁/共132頁第五十九頁，共132頁。（一）巴爾申方程 1.基本假設(shè) 1）將粉末體視為彈性體 2）不考慮粉末的加工硬化 3）不考慮摩擦力的影響 4）不考慮壓制(yzh)時間的影響 5）不考慮粉末流動性的影響二、壓制方程(fngchng)壓坯密度與壓制壓力關(guān)系的定量描述School of Materials Science and Engineering第59頁/共132頁第六十頁，共132頁。2. 方程推導(dǎo)任意一點的變形與壓力間的關(guān)系： 應(yīng)力無限小的增量正比于應(yīng)變(yngbin)無限小的增量: d/d=k =P/A -對應(yīng)于壓縮量；A-顆粒間有效接觸面積積分、變換并取

33、對數(shù)后得: lgPmax-lg P = L(-1) lgP與(-1)成線性關(guān)系L=壓制因子,=壓坯的相對體積（ =V粉/V顆粒，=+1）3.適應(yīng)性硬質(zhì)粉末或中等硬度粉末在中壓范圍內(nèi)壓坯密度的定量描述School of Materials Science and Engineering第60頁/共132頁第六十一頁，共132頁。巴爾申方程在高壓與低壓情形下出現(xiàn)偏差的原因低壓粉末顆粒以位移方式填充孔隙空間為主粉末體的實際壓縮模量高于計算(j sun)值（即理論值），產(chǎn)生偏高現(xiàn)象高壓粉末產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和摩擦力的貢獻大，導(dǎo)致實際值低于計算(j sun)值School of Materials Sci

34、ence and Engineering第61頁/共132頁第六十二頁，共132頁。（二）川北方程1.基本假設(shè) 1) 粉末層內(nèi)所有各點的單位壓力相等。 2) 粉末層內(nèi)各點的壓力是外力和粉末內(nèi)固有的內(nèi)壓力之和，內(nèi)壓力與粉末的聚集力或吸附力有關(guān)，與粉末屈服值有密切關(guān)系。 3) 粉末層各斷面上的外壓力與該斷面上粉末的實際斷面積(min j)受的壓力總和保持平衡。外壓如增加，粉末體便壓縮. 4) 每個粉末顆粒僅能承受它所固有的屈服極限的能力。 5) 粉末壓縮時的各個顆粒位移的幾率和它鄰接的孔隙大小成比例。School of Materials Science and Engineering第62頁/共

35、132頁第六十三頁，共132頁。2.方程推導(dǎo) C = （Vo V）/Vo = ab P/（1 + bP） 1/C = 1/ab 1/P + 1/a C 粉末(fnm)體體積減少率 V、Vo 壓力為P、0時的粉末(fnm)體積 a、b 常數(shù) 1/C 與1/P成線性關(guān)系3.適應(yīng)性: 壓力不大時準確性較好School of Materials Science and Engineering第63頁/共132頁第六十四頁，共132頁。（三）艾-沙-柯方程 沉積巖和粘土在壓力下孔隙率與壓力關(guān)系：= o e-BP ； ln（ / o）= - BPo = （VoV）/ Vo = （VV）/V Vo、V、V壓

36、力為0、P和 時的粉末(fnm)體積ln（ / 0）與P成線性關(guān)系適應(yīng)性：一般粉（尤非金屬粉末(fnm)）School of Materials Science and Engineering第64頁/共132頁第六十五頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering已介紹的三個壓制(yzh)方程： 1. lgP max- lg P = L (-1) L=壓制(yzh)因子,=壓坯的相對體積（ =V粉/V顆粒，=+1） lgP與(-1)成線性關(guān)系 2. 1/C = 1/ab 1/P + 1/a C 粉末體體積減少率， V、Vo 壓力為P、0

37、時的粉末體積 a、b 常數(shù) 1/C 與1/P成線性關(guān)系 3. ln（ / o）= - BP o = （VoV）/ Vo ； = （VV）/V ，Vo、V、V壓力為0、P和 時的粉末體積 ln（ / 0）與P成線性關(guān)系第65頁/共132頁第六十六頁，共132頁。（四）黃培云壓制（四）黃培云壓制(yzh)理論（方程）理論（方程）School of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering第66頁/共132頁第六十七頁，共132頁。黃培云壓制理論（方程黃培云壓制理論（方程(fngchng)

38、）理論基理論基礎(chǔ)礎(chǔ)1. 壓坯密度壓坯密度是外壓的函數(shù)：是外壓的函數(shù)：=kf(P)2. 常用力學(xué)模型常用力學(xué)模型(mxng) 理想彈性體理想彈性體-虎克體（虎克體（H體）：體）：=M 理想液體理想液體-牛頓體（牛頓體（N體）：體）：=d/dt 線彈性線彈性-塑性體塑性體-Maxwell體（體（M體）（彈性和粘滯性物體體）（彈性和粘滯性物體（應(yīng)力弛豫）（應(yīng)力弛豫） 線彈性體線彈性體-（應(yīng)變弛豫）（應(yīng)變弛豫）Kelvin固體（固體（K體）體） School of Materials Science and Engineering第67頁/共132頁第六十八頁，共132頁。黃培云公式黃培云公式( (壓

39、制方程壓制方程) )的推導(dǎo)的推導(dǎo)（1 1） 用彈性和粘滯性固體（用彈性和粘滯性固體（MaxwellMaxwell體）來描述粉末體體）來描述粉末體 對于理想彈性體對于理想彈性體(H(H體體) )，應(yīng)力，應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系虎克定律：虎克定律：=M=M d/dt = Md/dt d/dt = Md/dt 用用MM體（同時具有體（同時具有(jyu)(jyu)彈性和粘滯性的固體）代替彈性和粘滯性的固體）代替H H體（考慮體（考慮應(yīng)力弛豫）：應(yīng)力弛豫）： d/dt = Md/dt d/dt = Md/dt /t/t恒應(yīng)變：恒應(yīng)變：d/dt= 0d/dt= 0， 有有 =0 exp =0 exp（-

40、t/ 1 -t/ 1 ） （1 1） 1 1 應(yīng)力弛豫時間應(yīng)力弛豫時間 （1 1）式考慮了粉末壓制時的應(yīng)力弛豫）式考慮了粉末壓制時的應(yīng)力弛豫 用用MM固體描述粉末體，比固體描述粉末體，比H H體更接近實際體更接近實際School of Materials Science and Engineering第68頁/共132頁第六十九頁，共132頁。（2） 類似地，也可以用類似地，也可以用Kelvin固體固體(gt)（K體，同時具有彈體，同時具有彈性和應(yīng)變弛豫性質(zhì)的固體性和應(yīng)變弛豫性質(zhì)的固體(gt)）來描述粉末體：）來描述粉末體： = M+d/dt = M(+2d/dt) （2） 沾滯系數(shù)：沾滯系數(shù)

41、：=M2 ；2 應(yīng)變弛豫時間應(yīng)變弛豫時間 （2）式考慮了粉末壓制時的應(yīng)變弛豫）式考慮了粉末壓制時的應(yīng)變弛豫 用用K固體固體(gt)描述粉末體，比描述粉末體，比H體更接近實際體更接近實際School of Materials Science and Engineering第69頁/共132頁第七十頁，共132頁。（3）用標準(biozhn)線性固體（SLS體）來描述粉末體 （SLS體同時有應(yīng)力和應(yīng)變弛豫的固體）+1d/dt=M(+2d/dt) （3）1應(yīng)力弛豫時間；2應(yīng)變弛豫時間 用SLS描述粉末體，比M、K固體更接近實際，即（3）式比（1）、（2）式更接近實際但（3）式仍有不足： 粉末體充分弛

42、豫后應(yīng)力應(yīng)變非線性（非線性彈滯體）,且變形程度大School of Materials Science and Engineering第70頁/共132頁第七十一頁，共132頁。（4）用標準非線性固體（SNLS體）來描述粉末體(+1d/dt)n = M(+2d/dt) n2數(shù)學(xué)變換得： on =M 或 o = (M)1/n （4）（4）式為考慮了粉末體的非線性彈滯性（加工硬化）后的關(guān)系式，比（3）式更準確School of Materials Science and Engineering第71頁/共132頁第七十二頁，共132頁。 大程度應(yīng)變的處理自然應(yīng)變： = LLo dL/L=ln(L/

43、Lo)對粉末體，其壓制時的體積改變實際上是孔隙體積改變 定義：= ln (Vo/V/) Vo/、V/ 粉末原始(yunsh)和受壓P后的孔隙體積 （注意，是 = ln(V/Vo/) ，此處是為了保證1） = ln (Vo-Vm )/(V-Vm) = ln (m-o) / (m-)o Vo、V、Vm 壓力為0、P、時粉末的體積 o、m壓力為0、P、時粉末的密度School of Materials Science and Engineering第72頁/共132頁第七十三頁，共132頁。 運用標準非線性固體模型，綜合考慮粉末體非線性彈滯性、加工硬化等得到壓制方程：=on /M考慮大程度應(yīng)變： l

44、g ln (m-o)/(m-)o= n lgP-lgM （5）n硬化指數(shù)(zhsh)的倒數(shù) M壓制模量黃培云壓制方程的最初形式，考慮了粉末壓制過程中的應(yīng)力應(yīng)變弛豫、加工硬化以及大程度應(yīng)變School of Materials Science and Engineering第73頁/共132頁第七十四頁，共132頁。 考慮量綱，對原模型進行修正： =（o /M）1/mmlgln(m-o) /(m-)o = lg P- lg M （6） m = 1/n 粉末壓制過程的非線性指數(shù)，反映硬化趨勢(qsh)的大小與晶體結(jié)構(gòu)，粉末形狀、合金化等相關(guān) m 一般大于1，m越大，硬化趨勢(qsh)大硬化指數(shù) l

45、gln(m-o)/(m-)o與lgP成線性關(guān)系 雙對數(shù)方程 適應(yīng)性: 對硬質(zhì)或軟質(zhì)粉末、中、高、低壓力均較為有效School of Materials Science and Engineering第74頁/共132頁第七十五頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第75頁/共132頁第七十六頁，共132頁。MPnomomlglg)(lnlgMPmomomlglg)(lnlg幾個有代表性的壓制(yzh)方程序號序號提出日期提出日期著者著者公式公式注解注解11938巴爾巴爾申申lg Pmax - lg P = L (-1)Pmax相應(yīng)

46、于壓至最緊密狀態(tài)（相應(yīng)于壓至最緊密狀態(tài)（=1）時的單位壓力時的單位壓力L壓力因素壓力因素相對體積相對體積21930-1948艾艾-沙沙-柯柯 = o e-BP ； ln（ / o）= - BP0 P=0時的孔隙體積的外推值時的孔隙體積的外推值壓力為壓力為P時的孔隙體積時的孔隙體積B 常數(shù)常數(shù)31956川北川北公夫公夫 C= abP/（1+bP）1/C = 1/ab 1/P + 1/aC粉末體積減少率粉末體積減少率C = （Vo V）/Vo V、Vo 壓力為壓力為P、0時的粉末體積時的粉末體積a、b系數(shù)系數(shù)41964 1980 黃培黃培云云m致密金屬密度致密金屬密度0壓坯原始密度壓坯原始密度 壓

47、坯密度壓坯密度P壓制壓強壓制壓強M相當(dāng)于壓制模數(shù)相當(dāng)于壓制模數(shù)n相當(dāng)于硬化指數(shù)的倒數(shù)相當(dāng)于硬化指數(shù)的倒數(shù)m相當(dāng)于硬化指數(shù)相當(dāng)于硬化指數(shù)School of Materials Science and Engineering第76頁/共132頁第七十七頁，共132頁。相同點：系數(shù)(xsh)、定量線性關(guān)系不同點：假定、適應(yīng)性如何校驗方程的正確性：自學(xué)壓制方程的總結(jié)(zngji)與比較School of Materials Science and Engineering第77頁/共132頁第七十八頁，共132頁。作業(yè)(zuy) 教材第三章：1、5、6、7、11、12School of Material

48、s Science and Engineering第78頁/共132頁第七十九頁，共132頁。第四節(jié) 粉末壓坯密度(md)的分布一、模壓(my)成形時壓坯密度分布的不均勻性（一）壓坯密度分布(fnb)不均勻的現(xiàn)象僅通過上模沖加壓的單向壓制Ni粉壓坯：H：17.5；D：20；700MPaSchool of Materials Science and Engineering單向壓制第79頁/共132頁第八十頁，共132頁。圖3-28 單向壓制鐵粉壓坯密度和硬度的分布狀況： 72mm；粉末為3kg和1kg（上、下圖）；550680MPa； 左 密度g/cm3，右硬度HB沿箭頭方向密度降低密度變化規(guī)律

49、 密度(md)分布不均勻的后果： 不能正常實現(xiàn)成形，如出現(xiàn)分層，斷裂，掉邊角等； 燒結(jié)收縮不均勻,導(dǎo)致變形等； 性能不均勻！School of Materials Science and Engineering第80頁/共132頁第八十一頁，共132頁。絕對密度差、相對(xingdu)密度差、平均密度絕對密度差： dj = dmaxdmin相對(xingdu)密度差： d r =（dmaxdmin）/dmax 100%（二）壓坯密度分布不均勻(jnyn)性表示密度差反映了模壓成形的技術(shù)水平對密度差的數(shù)值(shz)要求越小，要求壓制水平就越高在可能的情況下，應(yīng)采用盡可能寬松的密度差School

50、of Materials Science and Engineering第81頁/共132頁第八十二頁，共132頁。（三）壓坯密度(md)分布不均勻的產(chǎn)生原因 外摩擦力（壓力損失） 內(nèi)摩擦力 側(cè)壓力 壓制方式 壓坯形狀與尺寸 壓模結(jié)構(gòu)與設(shè)計 潤滑直接影響壓制壓力的傳遞和局部壓力的大小間接影響壓制壓力的傳遞和局部壓力的大小School of Materials Science and Engineering第82頁/共132頁第八十三頁，共132頁。二、改善壓坯密度分布不均勻(jnyn)性的措施（一）合理選擇(xunz)壓制方式1.根據(jù)壓坯高度(H)和直徑(D)或厚度()的比值選取壓制方式 H/

51、D1，而H/3時，可采用單向壓制； H/Dl，而H/3時，采用雙向壓制； H/D410時，采用帶摩擦芯桿壓模壓制、雙向浮動壓 模壓制、引下式壓模壓制等 對于很長的制品，需采用特殊(tsh)成形（等靜壓、擠壓等） School of Materials Science and Engineering第83頁/共132頁第八十四頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering四類(s li)零件壓制方法有所不同！第84頁/共132頁第八十五頁，共132頁。第85頁/共132頁第八十六頁，共132頁。 四種基本的模壓成形(chn xn)方法a）單

52、向壓制 b）雙向壓制 c）浮動模壓制 d）引下式壓制a）b）c）d）實質(zhì)(shzh)上只有單向和雙向壓制！School of Materials Science and Engineering第86頁/共132頁第八十七頁，共132頁。2. 幾種典型壓制方式(fngsh)的特點及密度分布1）單向壓制（1）壓制過程中陰模不動、下模沖（上模 沖）不動，壓制壓力僅通過上模沖（下模沖）施加到粉末體上。（2） 特點 典型(dinxng)的密度分布不均勻； 中性軸位置：壓坯下端； H、H/D增大，密度差增大； 模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)率高； 適應(yīng)高度小、壁厚大的壓坯Ps-上沖壓力Px-下沖壓力F-摩擦力中性軸S

53、chool of Materials Science and Engineering第87頁/共132頁第八十八頁，共132頁。單向(dn xin)壓制上上上下下下上上下下上中立層中立層雙向壓制(yzh)壓制(yzh)方式示意圖壓坯厚度及密度分布 School of Materials Science and Engineering第88頁/共132頁第八十九頁，共132頁。2）雙向壓制（1）壓制過程中陰模不動、上、下模沖都對粉末體施加壓力。（2）特點 相當(dāng)于兩個單向壓制的疊加； 中性(zhngxng)軸不在壓坯端部； 同樣壓制條件下，密度差較單向壓制??； 可用與H/D較大壓坯的壓制Schoo

54、l of Materials Science and Engineering第89頁/共132頁第九十頁，共132頁。（3）雙向壓制(yzh)的基本類型 同時雙向壓制(yzh)（圖）： 上下模沖同時向粉末體施加相等的壓力 非同時雙向壓制(yzh)（后壓） 完成一次單向壓制(yzh)后，再在低密度端進行一次單向壓制(yzh)。中性軸School of Materials Science and Engineering第90頁/共132頁第九十一頁，共132頁。單雙向壓制的密度分布School of Materials Science and Engineering第91頁/共132頁第九十二頁，

55、共132頁。壓制密度沿高度的分布(fnb)a-單向壓制 b雙向壓制層數(shù)密度/(g/cm3)靠上模沖端面靠下模沖端面School of Materials Science and Engineering第92頁/共132頁第九十三頁，共132頁。3）浮動陰模壓制（1）定義：壓制過程中上模沖向粉末加壓，下沖不動、陰模不是固定不動，而是通過彈簧或汽缸、油缸等適當(dāng)支撐。（2） 特點 壓制效果與雙向壓制類似； 壓坯密度分布(fnb)與雙向壓制相同；中性軸的位置與支撐力有關(guān)； 是生產(chǎn)中廣泛采用的一種壓制方式，便于裝粉； 壓機下部只需較小的壓制和脫模壓力School of Materials Science

56、 and Engineering第93頁/共132頁第九十四頁，共132頁。浮動陰模壓制的關(guān)鍵：彈簧支撐力 的確定陰模受力：Fs、Fx、Pf、W，力平衡式：只有浮動壓力Pf等于W，上下模沖壓力才相等。浮動壓力Pf過大，中性軸下移，密度差增大。實際：Pf稍大于W，便于陰模自動復(fù)位。School of Materials Science and Engineering第94頁/共132頁第九十五頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第95頁/共132頁第九十六頁，共132頁。圖B 幾種(j zhn)浮動壓制示意圖浮動(fdng)壓制上

57、下上下上下上下上下芯 芯陰陰上上上下下下上上下下上圖A 浮動(fdng)壓制示意圖School of Materials Science and Engineering第96頁/共132頁第九十七頁，共132頁。4） 拉下式（強動式、引下式）壓制(yzh)壓制效果與雙向壓制相同; 也是生產(chǎn)中廣泛采用的一種(y zhn)設(shè)計！School of Materials Science and Engineering上下陰芯上下陰芯上下芯陰拉下式壓制(yzh)第97頁/共132頁第九十八頁，共132頁。School of Materials Science and Engineering第98頁/共1

58、32頁第九十九頁，共132頁。5） 摩擦(mc)芯桿壓制（錯動雙向壓制）PsSchool of Materials Science and EngineeringFyFxPx第99頁/共132頁第一百頁，共132頁。上下陰芯上下陰芯上下芯陰摩擦(mc)壓制School of Materials Science and Engineering第100頁/共132頁第一百零一頁，共132頁。摩擦芯桿壓制的特點：（1）陰模和下模沖頭不動芯桿和上模沖一起同步下降。（2）外徑處，壓力沿高度向下減小，內(nèi)徑處，壓力沿高度向上逐漸減小。（3）力平衡關(guān)系： Ps + Fx= Px + Fy（對粉末體） 當(dāng)Fy=

59、Fx時，Ps=Px；陰模壁與粉末間的摩擦力和芯桿壁與粉末間的摩擦力相等時，上下模沖壓力相等，壓坯密度最均勻。 問題：Fy = Fx，大小(dxio)相等、方向相反，能否完全抵消？School of Materials Science and Engineering第101頁/共132頁第一百零二頁，共132頁。（4）錯動壓制壓坯的分段平均密變差比單向(dn xin)壓制?。坏兔芏葘邮且粋€斜面，比雙向壓坯強度高。（5）不適應(yīng)于厚壁壓坯：其局部密度均勻性比雙向壓制差。（6）最適于壓制細長薄壁制品。School of Materials Science and Engineering第102頁/共1

60、32頁第一百零三頁，共132頁。（二）降低摩擦系數(shù)，減少(jinsho)壓力損失1.采用潤滑劑 目的：降低摩擦系數(shù)以減少外摩擦力 核心問題：潤滑劑的選擇原則和用量 不可忽視潤滑劑的副作用！ 潤滑方式(fngsh)：模壁潤滑和粉末潤滑2. 改進壓模材料及表面狀態(tài)3. 原料粉末的改性School of Materials Science and Engineering第103頁/共132頁第一百零四頁，共132頁。（三）復(fù)雜形狀(xngzhun)壓坯的壓制School of Materials Science and Engineering第104頁/共132頁第一百零五頁，共132頁。1.壓制的