《功能材料制備與成形》全書教學課件

功能材料的制備與成型參考教材周馨我：功能材料學，北京理工大學出版社劉軍,佘正國編.粉末冶金與陶瓷成型技術.化學工業(yè)出版社.黃培云主編.粉末冶金原理.冶金工業(yè)出版社.

R.M.German,宋九鵬：粉末注射成型——材料、性能、設計與應用第O章緒論第一節(jié)、功能材料的特征與分類功能材料（functionalmaterials）：具有一種或幾種特定功能如物理、化學和生物或其它相互轉化的材料。結構材料：主要以力學性能為主的材料功能材料：主要以物理、化學等性能為主的材料第一節(jié)功能材料的特征與分類功能材料的特征：功能對應于材料的微觀結構和微觀物理與化學現(xiàn)象；聚集態(tài)和形態(tài)多樣化：晶態(tài)、非晶態(tài)、準晶、液晶；

氣、液、固、離子態(tài)；一維、二維、三維及零維大多數(shù)以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料電子一體化現(xiàn)代科學多學科交叉的知識密集型產(chǎn)物制備技術多為先進的新工藝和新技術——屬高新技術行業(yè)第一節(jié)功能材料的特征與分類（續(xù)）功能材料的分類：分類方法名稱用途電子、航天、航空、兵工、建筑、醫(yī)藥、包裝等化學成分金屬、無機非金屬、有機、復合材料聚集狀態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)和混合態(tài)功能物理（聲、光、電、磁、熱等）；化學（催化、含能、降解）形態(tài)體積、膜、纖維、粉末等維度0維、1維、2維、3維。1965年：開始功能材料的研究與應用，但發(fā)展較慢。After1965：由于下述原因而快速發(fā)展：固體物理、化學、量子理論等發(fā)展；各種制備新技術的出現(xiàn)；現(xiàn)代分析測試技術發(fā)展；功能材料的研究應用與發(fā)展展望21世紀：高新技術發(fā)展更迅猛，功能材料需求日益迫切。

如：智能制造4.0時代，

智能終端，

。。。。第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料金屬材料：電導率：107～108S/m合金材料:電導率：105～107S/m無機非金屬材料電導率：105～108S/m(如石墨)電線電纜納米碳管第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料超導材料：

1911年：OneesH.K（1913年諾貝爾獎）在研究極低溫度下金屬Hg導電性時發(fā)現(xiàn)，當溫度降低到4.2K時，其電阻率突然降到接近于零。超導材料的電導率、臨界磁場強度、電流密度與溫度的關系第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料超導材料的種類：

已知有24種元素具有超導性。除堿金屬、堿土金屬、鐵磁金屬，貴金屬外幾乎全部金屬元素都具有超導性。其中鈮（Nb）有最高臨界溫度，Tc=9.26K1.金屬元素W：0.012KBe：0.026KGa：1.100K第二節(jié)、功能材料簡介超導材料的種類：

包括二元、三元和多元化合金及化合物。

材料Tc,KMo-33Re：10.8Nb-25Zr：11La2CuO4:36TlRBaCuOR:稀土～125

2.合金和化合物超導3.有機高分子超導體第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料超導材料的應用：

超導強電強磁應用：超導電纜、超導磁體（超導磁懸浮列車）

超導發(fā)電機20000kW超導發(fā)電機磁懸浮列車第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料半導體材料：

電子元器件集成電路LED電光源

。。。。。第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料離子導體材料：

一般具有離子結構的材料都具有離子導電性，但大部分的材料導電率較低，所以將電導率>10-4S/m,且其電子電導對總電導率貢獻可忽略的材料稱為離子電導材料，又稱快離子導體。第二節(jié)、功能材料簡介一、導電材料離子導體材料的種類：

金屬離子導體

銀離子：AgI在400℃以上具有與電解液相當?shù)碾x子電導

鈉離子：鈉硫電池

鋰離子：鋰離子電池

氧離子導體

螢石結構和鈣鈦礦型離子導體：Y2O3、MgO、CaO摻雜ZrO2

高分子離子導體第二節(jié)、功能材料簡介二、介電材料介電材料的種類：又稱電介質(zhì)，是電的絕緣材料。主要用于制造電容器。要求材料的電阻率高，介電常數(shù)大。氣體：

非極性氣體：He、H2、N2、O2CH4

等

極性氣體：HCl、NO等

混合氣體：2.液體：

非極性液體：

苯、二甲苯

等

弱極性液體：汽油、煤油。變壓器油等

極性液體：三氯聯(lián)苯、乙醇、水3.固體：

非極性：

極性：第二節(jié)、功能材料簡介二、介電材料介電材料的應用+++++------+電容等等第二節(jié)、功能材料簡介三、壓電材料壓電材料的種類：

晶體：

石英：

酒石酸鉀鈉類晶體

鈮酸鹽晶體

半導體

常用的有II-VI族化合物：CdS、CdSe、ZnO，。。。。III-V族化合物：GaAs,GaSb、。。。。

陶瓷壓電多晶電材料：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛

壓電材料（piezoelectricmaterial）：受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料第二節(jié)、功能材料簡介壓電材料的應用：信號處理：壓電振蕩器

接收發(fā)射：耳機、揚聲器、聲納、超聲

計量測量：壓力傳感器，加速度傳感器

電源：壓電發(fā)電機、壓電變壓器

傳感器：

壓力傳感器、聲傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器超聲波探傷儀壓力傳感器第二節(jié)、功能材料簡介三、熱電材料

熱電材料：一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料。第二節(jié)、功能材料簡介四、小結種類繁多，往往是多種功能的混合，而且發(fā)展迅速。

涉及材料面廣：金屬、陶瓷、高分子

制備技術復雜：粉末、薄膜、塊體

材料元件一體化：第二節(jié)、功能材料簡介功能材料的形態(tài)粉末顆粒（0維）：陶瓷功能材料（粉末顆粒，如催化劑）纖維（1維）：纖維隔熱材料（增強）膜狀（2維）：薄膜、厚膜，如電子芯片塊體（3維）：功能材料的制備技術與傳統(tǒng)材料制備技術類似，同樣也包括：

各類粉末、纖維、膜材料以及塊體材料的制造。第一章粉末材料的成形日用陶瓷陶瓷手表光纖插針陶瓷基片精密陶瓷平臺工業(yè)陶瓷加熱器陶瓷托槽陶瓷輥(2mX￠150mm)1、緒論什么是粉末燒結材料？

粉末經(jīng)過成型和燒結制得的金屬、無機非金屬材料或復合材料。主要有粉末冶金材料和陶瓷材料。

1.1粉末燒結材料

粉末燒結材料的基本工藝路線為：粉體配料制備成型用料成型干燥脫脂燒結圖1-1粉末燒結材料的制備過程

制品陶瓷的生產(chǎn)過程粉末

混料

成型

脫成型劑

燒結

+

粉末冶金材料

用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作原料，經(jīng)過成形和燒結制造的金屬材料。

陶瓷材料

以無機非金屬粉末為原料，經(jīng)過成型和燒結制得的材料。

有機燒結材料

有些有機材料也采用粉末燒結的方式制備，如聚四氟乙烯型材。

復合材料

將多種性質(zhì)的粉末按照一定的比例和方式組合并燒結在一起。1.2粉體的基本性能粉體：

所謂分體，是指大量固體顆粒的集合體，它表示物質(zhì)的一種存在狀態(tài)。分體在外力的作用下，會發(fā)生流動和變形。組成粉體的固體顆粒稱為粉體顆粒粉體顆粒：

組成粉體的固體顆粒稱為粉體顆粒，是指在物質(zhì)的本質(zhì)結構不發(fā)生改變的情況下，分散或細化而得到的基本顆粒。即一次顆粒在實際應用中，粉體顆粒往往是一定程度上團聚了的顆粒，即所謂的二次顆粒。1.2粉體的基本性能1.2.1對粉體的基本要求

較高的純度較小的顆粒度較窄的粒徑分布良好的流動性適當?shù)亩逊e密度粉體的流動性是決定對粉體成型性能的主要因素。1）粒徑顆粒在空間范圍的線性尺度。

粒徑或稱粒度，是顆粒幾何性質(zhì)的一維表示。當顆粒為球體時，粒徑就是直徑。1.2.2粉體的幾何特性三軸平均徑：顆粒的長度l、寬度b、高度h的平均值。顆粒一般為非球體，三維尺寸不同，如何表示其粒徑？

常用非球形顆粒的粒徑表示方法：三軸平均徑、投影徑、球當量直徑、篩分徑等。表1-1三軸平均徑計算式及物理意義

投影徑利用顯微鏡測量顆粒的粒徑時，可觀察到顆粒的投影。顆粒以最大穩(wěn)定度（重心最低）置于一平面，按顆粒投影大小定義的粒徑。

圖1-2投影徑分類

（a）Feret徑（c）最大定向

徑（b）Martin徑（d）投影圓相當

徑Feret徑：與顆粒投影相切的兩條平行線之間的距離。Martin徑：在一定方向上顆粒投影面積分為兩等分的直徑。篩分徑粉體能夠通過標準篩的篩孔的直徑。目數(shù)篩孔尺（mm）54102200.841000.1492000.0743250.044標準篩孔徑大小

球相當徑

用與實際顆粒體積相同的球體的直徑表示實際顆粒的粒徑。應用最普遍。目數(shù)＝孔數(shù)/英寸m=25.4/(a+d)（mm)ad2）粒徑分布

在多顆粒體系中，顆粒的形狀、尺寸一般是不同的。若顆粒系統(tǒng)中各顆粒的粒徑相等，則可用單一粒徑表示其大小，這類粉體稱為單粒度體系。

實際應用的粉體中大都由粒度不等的顆粒組成，這種體系被稱為多粒度體系。粒徑分布：又稱粒度分布，用不同粒徑尺寸的粉末所占比例來表示（用簡單的表格、繪圖和函數(shù)形式表示顆粒群粒徑的分布狀態(tài)）。

微分分布

各個粒徑相對應的顆粒百分含量，又稱頻率分布。積分分布

小于或大于某粒徑的顆粒占全部顆粒的百分含量與該粒徑的關系，又稱累積分布。

百分含量的基準可以是顆粒的個數(shù)、體積、質(zhì)量及長度和面積等。3)

平均粒徑對于多粒度體系，其顆粒大小除了用粒徑分布表示外，往往還需用平均粒徑來表示。

平均粒徑的表達方式有多種：

個數(shù)平均徑、長度平均徑

面積平均徑、體積平均徑

平均粒徑的計算公式4)

顆粒的形狀

顆粒的形狀對顆粒的許多性質(zhì)（比表面積、流動性、磁性、附著力、增強性、研磨特性和化學活性）都有影響。常用形狀系數(shù)（或稱之為形狀指數(shù)）來表征顆粒的形狀。

不同的使用目的，對顆粒的形狀有不同的要求。形狀系數(shù)體積形狀系數(shù)比表面積形狀系數(shù)形狀系數(shù)的意義

異型顆粒的阻力大于球形顆粒。形狀決定粉體的流動性4)

顆粒的形狀

顆粒的形狀對顆粒的許多性質(zhì)（比表面積、流動性、磁性、附著力、增強性、研磨特性和化學活性）都有影響。常用形狀系數(shù)（或稱之為形狀指數(shù)）來表征顆粒的形狀。

不同的使用目的，對顆粒的形狀有不同的要求。描述形狀的數(shù)學語言球形、立方體、片狀、柱狀、鱗狀、粒狀、棒狀、針狀、纖維狀、樹枝狀、粗糙、光滑等表1-5基本幾何形狀的形狀系數(shù)表1-4基本幾何形狀的形狀系數(shù)

形狀系數(shù)：表示顆粒形狀與球形顆粒不一致的成度。代表性的形狀系數(shù)有：體積形狀系數(shù)（фv）、表面積形狀系數(shù)（фs）、比表面積形狀系數(shù)（фsv）。5）比表面積指單位質(zhì)量粉體的總表面積，米2/克(m2/g)。

式中：SW—比表面積；

ΦS—表面積形狀系數(shù)；

DSV—

面積平均徑;

ρρ—顆粒密度。(6)

粉體粒度和形狀的測量方法采用圖像分析儀測量顆粒形狀，測量范圍1~100μm。電子顯微鏡配有圖像分析系統(tǒng)，測量范圍0.001~10μm。常見粉體粒徑測量方法

(6)

粉體粒度和形狀的測量方法采用圖像分析儀測量顆粒形狀，測量范圍1~100μm。電子顯微鏡配有圖像分析系統(tǒng)，測量范圍0.001~10μm。顯微鏡測定粒度要求統(tǒng)計顆粒的總數(shù)：粒度范圍寬的粉末——————10000以上粒度范圍窄的粉末——————1000左右(6)

粉體粒度和形狀的測量方法顯微鏡方法的優(yōu)缺點：優(yōu)點

可直接觀察粒子形狀可直接觀察粒子團聚光學顯微鏡便宜缺點

不夠全面重復較差

測量結果為投影面積直徑速度較慢(6)

粉體粒度和形狀的測量方法激光衍射法粒度測試：原理

當入射光遇到顆粒時產(chǎn)生衍射，小顆粒的衍射角大，而大顆粒的衍射角小，通過測量不同衍射角的光強可計算顆粒的數(shù)量。(6)

粉體粒度和形狀的測量方法沉降法粒度測試：

原理

在具有一定粘度的粉末懸浮液中，大小不等的顆粒自由沉降的速度是不同的，顆粒越大沉降速度越快。如果大小不同顆粒從同高度同時沉降，經(jīng)過一定距離（時間）后，就能將粉末按粒度分辨。(6)

粉體粒度和形狀的測量方法沉降法粒度測試：原理

在具有一定粘度的粉末懸浮液中，大小不等的顆粒自由沉降的速度是不同的，顆粒越大沉降速度越快。如果大小不同顆粒從同意高度同時沉降，經(jīng)過一定距離（時間）后，就能將粉末按粒度分辨。(6)

粉體粒度和形狀的測量方法沉降法粒度測試的優(yōu)缺點：優(yōu)點

結果為重量分布代表性強測試結果一致性較好價格比激光衍射法便宜缺點

小顆粒測試速度慢非球形顆粒誤差較大不能測量混合粉末測量范圍相對激光較窄1.2.3粉體的物理化學特性1

粉體的重力沉降任何密度大于水的顆粒在水中都因重力作用而沉降。自由沉降速度V0為：式中：d—顆粒粒度；

ρp—固體粒子的密度，kg·m-3；

ρ0—介質(zhì)的密度，kg·m-3；

η—介質(zhì)黏度，Pa·s；

g—重力加速度，m·s-2。檢測粉末粒度

粒度在1μm以下的顆粒在水介質(zhì)中主要受介質(zhì)分子熱運動的作用作布朗運動，重力的作用較為次要，顆粒不再表現(xiàn)明顯的重力沉降運動。事實上亞微米級及納米級顆粒因受到分子作用等吸引力的影響而常常發(fā)生團聚沉降。

2

團聚現(xiàn)象與顆粒間的作用力如果用顯微鏡觀察組成粉體的顆粒，其形狀、尺寸不一，但是可以歸為兩種形態(tài)：單顆粒，構成粉體的最小顆粒（或稱基本顆粒或一次顆粒）團聚顆粒，由若干單顆粒搭接而成的較大顆粒（也稱二次顆粒）單顆粒和團聚顆粒

顆粒團聚的原因:

包括范德華引力、靜電力、毛細管力、磁性力、機械咬合力等。范德華引力是分子間作用力，作用距離極短（約1nm），是典型的短程力。顆粒是多個分子的集合，因存在多個分子的綜合相互作用之故。顆粒之間的分子作用力有效間距可達50nm。鐵磁性物質(zhì)以及亞鐵磁性物質(zhì)，當其顆粒尺寸減小到單疇臨界尺寸以下時，顆粒只含有一個磁疇，稱為單疇顆粒。單疇顆粒之間存在著磁性吸引力，很難分散。1.2.3粉體的工藝性能1粉體的填充性能指粉體內(nèi)部顆粒在空間的排列狀況。表征粉體填充狀態(tài)的系數(shù)：容積密度、填充率、空隙率。

容積密度ρB(又稱視密度）,單位填充體積的粉體質(zhì)量。

填充率Ψ,顆粒體積占粉體填充體積的比率。

空隙率ε（又稱孔隙率）,空隙體積占粉體填充體積的比率。式中：—粉體顆粒密度；

—粉體填充體積。

容積密度:填充率:空隙率:粉體的填充特性及其填充體的集合組織是粉末材料成型的基礎。粉體的堆積、壓縮、團聚不僅影響成形體的生坯結構，而且在很大程度上決定了燒結體的的顯微結構。一般說來，粉體顆粒的大小、形狀、表面性質(zhì)等因素對粉體的凝聚性、流動性、填充性起決定性的影響。當粉體顆粒為等直徑的球狀顆粒，則最緊密的堆積方式為面心立方密堆或密排六方密堆，兩種堆積方式的填充率均為74.05%（理想狀態(tài)）。實驗結果表明，對于等直徑球狀填充物，無論怎樣連續(xù)振動，填充率總是小于63.1%，而不振動的自然填充，填充率總是小于60%。對于非等直徑的球狀顆粒，在填充時小顆粒會填充在大顆粒的間隙中，從而提高填充率。粉體顆粒填充的一般規(guī)律（1）顆粒大小：Roller的試驗表明，當顆粒的粒徑不大時，粒徑越小，填充越疏松；若果粒徑增大，超過臨界粒徑（大約20um）時，則粒徑對于填充率影響不大。影響粉體填充率的因素：（2）顆粒的形狀：

球形顆粒容易填充，若球形顆粒逐漸偏離球形，直到板狀、棒狀等，填充越困難，填充的結構越疏松。（3）團聚體的影響：

一般來說，團聚體是由于顆粒吸收水分而團聚，導致顆粒間凝聚力作用加強，這種凝聚力防礙填充過程中顆粒的流動，使粉末得不到填充。而且這種團聚體自身的空隙率較大，因此一般來說，團聚體對填充是不利的。影響粉體填充率的因素：

（4）外力的影響

粉體間存在著作用力，若對粉體加壓，則可減小粉體間作用力的影響，提高填充率。

影響粉體填充率的因素：當外加壓力較小時，粉體顆粒發(fā)生顆粒重排，填充率提高；繼續(xù)加大外加壓力時，顆粒發(fā)生變形、破碎現(xiàn)象，填充率進一步提高。各種粉體的外加壓力大小與粉體的性質(zhì)有關。外加壓力，MPa壓坯密度2松裝密度粉體通過一定的程序填充某一容器，所形成的堆積密度，g/cm3。

容器密度的測量方法

2松裝密度

測量容積密度的方法：將粉體經(jīng)一個漏斗從一定高度落入一個容器為100cm3的容器中，容器充滿以后，用木板將容器口輕輕刮平，然后稱量容器中粉體的質(zhì)量，將重量除以容器的容積得到松裝密度。100cm33

振實密度（搖實密度）

在粉體填充過程對容器進行振動得到的容器密度。

搖實密度一般比松裝密度高30~50％左右。為什么搖實密度比松裝密度高？銅粉顆粒形狀對粉體密度的影響

顆粒形狀松裝密度，g/cm3搖實密度，g/cm3松裝時的孔隙率，％片狀不規(guī)則形狀球形95.574.249.4

影響顆粒松裝密度的因素：

顆粒形狀：鎢粉顆粒形狀對散裝密度的影響

平均粒徑，um1.202.473.886.8520.326.00松裝密度，

g/cm32.152.523.674.409.8610.20

影響顆粒松裝密度的因素：

顆粒尺寸：粉末平均粒徑，um松裝密度，g/cm3

在一定的粒徑范圍內(nèi)，粉體粒徑的減少會使松裝密度降低，這是由于細粉體的顆粒間相互作用力大，容易形成“橋架”現(xiàn)象。粉末顆粒的“橋架”4

粉體的流動性及摩擦性質(zhì)

粉末流動性以50g粉末從標準的流速漏斗流出所需的時間表征。單位為s/50g，俗稱為流速。物理意義：流動性的高低直接影響到成型時粉末在成型模具中的充填情況，是重要的粉體性能指標。4

粉體的流動性及摩擦性質(zhì)影響因素：

等軸狀的顆粒及粗顆粒的粉體流動性較好；

顆粒密度較高的粉體流動性較好；粉體相對密度的提高對其流動性有利。4

粉體的流動性及摩擦性質(zhì)影響因素：

等軸狀的顆粒及粗顆粒的粉體流動性較好；

顆粒密度較高的粉體流動性較好；粉體相對密度的提高對其流動性有利。4

粉體的流動性及摩擦性質(zhì)影響因素：

休止角（安息角）（Reposeangle）在靜平衡狀態(tài)下，粉體在一個平面上堆積成一個圓錐體，其自由表面母線與水平面所能成的最大夾角。休止角常用來評價粉體流動性，休止角越小，粉體的流動性越好。a

粉體的摩擦性質(zhì)是指顆粒之間以及顆粒與其它固體邊界表面因摩擦而產(chǎn)生的一些力學性質(zhì)。

粉末摩擦性

粉體的摩擦性質(zhì)是指顆粒之間以及顆粒與其它固體邊界表面因摩擦而產(chǎn)生的一些力學性質(zhì)。粉體的摩擦性質(zhì)與粉體的靜止堆積狀態(tài)、流動特性及對倉壁面的摩擦行為和滑落特性有關。對粉體物質(zhì)的加工、輸送、包裝、存儲等方面的工作具有重要意義。

粉末摩擦性

內(nèi)摩擦系數(shù)內(nèi)摩擦系數(shù)（單面直剪法）測量原理

臨界剪切應力τ與正應力σ之間存在關系為：

τ

=μiσ

或：

F/A=μiW/A其中μi為內(nèi)摩擦系數(shù)。臨界剪切應力τ與正應力σ的比值，即μi

。

顯然，內(nèi)摩擦系數(shù)越大，使粉體層滑動所需要的外力越大。故內(nèi)摩擦系數(shù)是粉末層產(chǎn)生相對滑動的難易的量度。

內(nèi)摩擦系數(shù)：由內(nèi)摩擦系數(shù)定義內(nèi)摩擦角Фi：

Фi=arctgμi=arctg(τ/σ)=arctg(F/W)

內(nèi)摩擦角：影響因素：

顆粒表面的粗糙度附著的水分、粒度分布、孔隙率等內(nèi)部因素粉料靜止存放及振動FWФi

對于粘性粉體，考慮靜止時顆粒間的附著力（凝聚力）為：

τ=σtgФi+τ0

此式稱為庫倫（Coulomb）定律。式中τ0表示初抗剪切強度或附著力。

顆粒間附著力（凝聚力）：對于無附著性的粉體而言，休止角與內(nèi)摩擦角在數(shù)值上幾乎相等，但兩者的實質(zhì)不同。對非粘性粉體，τ0=0，其流動性好；否則屬于粘性粉體。

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常碰到粉體與各種固體材料壁面直接接觸以及相對運動的情況，如在料倉中，粉料流動時與倉壁的摩擦。

壁摩擦角：

Фw壁摩擦角的測定壁摩擦系數(shù)為μw：

μw=F/(Ww+Ws+W0)

壁摩擦角定義為：

Фw=arctgμwF—水平力（N），Ww—砝碼重力（N）Ws—粉料重力（N），W0_—容器重力（N）FWwWsW0影響壁摩擦角的因素有：顆粒的大小和形狀壁面的粗糙度、顆粒與壁面的相對硬度、壁表面的潤滑情況、松料靜置存放時間等。

滑動角將載有粉體的平板逐漸傾斜，當粉體開始滑動時，平板與水平面的夾角就是滑動角。由于粉體全部滑落時的滑動角通常比剛開始滑動時的角度大10°以上，因此，實際規(guī)定全部滑落時的角度的90%為滑動角。

壁摩擦角、滑動摩擦角屬于粉體的外摩擦特性。5粉體的壓制性粉體的壓縮性粉體在壓制過程中能夠被壓緊的能力，用單位壓力下粉體所達到的壓壞密度。粉體的成型性粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，可用粉體得以成型的最小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強度來衡量。

定義：指壓縮性和成型性的總稱。

硬度低，塑性好,其壓縮性亦好,如多數(shù)金屬粉體；粉體硬度高，塑性差，其壓縮性亦差。如，陶瓷和硬質(zhì)合金影響粉體壓制性的因素：

硬度與塑性：

顆粒形狀及大小、級配：

球形粉末的壓縮性較差粉末粒度增大，一般易于壓制粉末級配有利于壓縮性1.3

粉體成型技術應用領域金屬

——粉末冶金陶瓷高分子材料

聚四氟乙烯制品醫(yī)藥

藥片、。。食品工業(yè)

糕點、餅干、。。。1.3.2

粉體成型方法分類1）按粉末材料的類別分類

粉末冶金成型方法陶瓷成型方法高分子成型方法食品成型方法醫(yī)藥成型方法學習重點是：

粉末冶金成型方法與陶瓷成型方法（其原理也可用于其它中材料的成型）

2）按坯料的特性分類

粉體一般不直接用于成型，而是加進了一些有助于成型的其它物質(zhì)（稱之為成型劑），并混合均勻后（成為了坯料），再用于成型。成型劑可以為液相或固相。加入成型劑后，坯料的可塑性、流動性、流變性能與前粉末有較大差別：或呈粉態(tài)、液態(tài)、泥態(tài)，成型方法自然也不相同。干壓成型將干坯料壓縮成型。包括壓制成型、軋制成型、楔形成形等。所謂干坯料是指液體含量很少（一般小于6％－7％）、呈現(xiàn)顆粒流動特征（也即前面講的粉態(tài)）的坯料?？伤苄耘髁铣尚团髁现幸合嗪枯^多，呈半固化狀態(tài)（泥態(tài)），但一般不超過20％－30％。可塑性坯料成型是針對泥料的成型方法。包括擠制成型、軋膜成型、熱壓注成型、注射成型等。流法（漿料）成型坯料中液體含量高，顆粒懸浮于液體之中，具有類似液體的流動性（液態(tài)），也稱之為漿料。流法（漿料）成型是針對漿料的成型方法。包括注漿成型、原位凝固成型。3）按成型的連續(xù)性分類連續(xù)成型 理論上能夠制備出截面形狀和尺寸相同的無限長坯體的成型方法。 它不是一個一個坯體的生產(chǎn)，而是生產(chǎn)無限長坯體，如管、棒、帶等。將坯體截短，也可以得到有限長的坯體。包括粉末軋制成型、擠制成型、楔形壓制、軋膜成型、流延成型等。非連續(xù)成型

連續(xù)成型方法以外的其它成形方法。

4）按有無模具分類

有模成型成型要用模具，成型坯的形狀、尺寸由模具決定。包括壓制成型、注漿成型、熱壓注成型、注射成型、原位凝固成型。

無模成型成型時沒用模具，或者坯體的三維尺寸上至少有一個是自由的。連續(xù)成型一般都屬于無模成型。

1.3.3

成型與前后工藝的關系作為粉末冶金和陶瓷制品制造工藝中的重要一環(huán),成型與前后的其它工藝有著密不可分的關系。

粉體→坯料→

成型

→型坯（→加工）→脫脂→燒結 選擇和設計好成型工藝，一定要弄清與上、下游工藝的關系。1）成型坯體的結構與性質(zhì)

成型坯體的結構，總體上是一個含固、氣、液的多相體系，固、氣、液的比例與具體的成型方法有關。

固體密度

固體（金屬或陶瓷）的真實體積/坯體的表觀體積。固體密度又稱固體的體積分數(shù)，或裝載量。

坯體的理論固體密度，克/cm3

坯體中完全不含有氣孔時的密度。

坯體的實際固體密度，克/cm3

坯體中含有氣孔，氣孔形狀各異、大小不等，尺寸呈統(tǒng)計分布。

因此，坯體的實際固體密度要小于其理論固體密度。

致密度，%

固相的實際固體密度/坯體的理論固體密度。

實際上由均一剛性球構成的成型坯體中的固體密度應在53.36%－74.05%，氣孔占據(jù)其余位置。

坯體中的實際固體密度分布范圍要大于53.36%－74.05%?？紫堵剩?

氣相的真實體積/坯體的表觀體積之比。

致密度或孔隙率分布的均勻性；強度外形完整性和表觀質(zhì)量以及幾尺寸

對坯料性能的基本要求：流動性（充滿模腔的能力）可塑性（在外力下變形和保持形狀的能力）流變特性（流動和變形特征）均勻性（保證坯體微結構均勻和形狀、尺寸高精度的條件）穩(wěn)定性（坯料的性能不隨時間而變）

2）對成型前坯料的要求

影響坯料的因素：

粉體的特性包括材料本征物理、化學特性，顆粒形狀、大小帶來的特性、顆粒的群集（粉體）帶來的特性。粉體的制備與處理工藝成型劑體系坯料的配方坯料制備工藝3）對成型后續(xù)工藝的影響型坯的成分和性能決定它可以或應該接受什么樣的加工、熱處理。

對干燥工藝的影響當型坯中含有相當數(shù)量的液相（如水）時，需要經(jīng)過預先干燥處理，才能燒結。干燥過程要產(chǎn)生收縮，形成內(nèi)應力。內(nèi)應力不均，可能導致型坯變形；內(nèi)應力大于型坯的強度，可能導致型坯開裂。

對脫脂工藝的影響

當型坯中含有相當數(shù)量的固體有機物時，需要經(jīng)過預先脫去有機物（即脫脂），才能燒結。

對機加工的影響有些型坯可以進行一定程度的機加工。加工可以進一步提高尺寸精度。對燒結的影響成型坯體的密度高，同樣條件下的燒結密度也高。

1）粉體特性比較

可塑性金屬顆粒與塊狀金屬一樣具有塑性，金屬粉體因而不添加任何成型劑，也具有可塑性。陶瓷不具有塑性，其粉體可塑性也差，若要具有可塑性，一般要摻加成型劑。粉體粒度制備塊體材料時，所用粉體的粒度，陶瓷一般要細于金屬。陶瓷粉體粒度一般為微米級；金屬粉體粒度一般為幾十微米級。1.3.4

粉末冶金材料與陶瓷材料成型特點比較

2）成型工藝特點比較

金屬粉體自身的可塑性很好，故制作坯時，一般不加出于塑化目的的成型劑，只加極少量的潤滑劑。多采用壓制成型。陶瓷粉體坯料中，通常加有較多塑化用途的成型劑。采用多種方式成型。矩形零件圓柱零件帶臺階圓柱零件管狀零件第二章壓制成型技術及其理論(6hrs)一、粉末壓制過程——壓制壓力與壓坯密度的關系

干壓成型示意圖（單向壓）

1，陰模；2，上模沖；3，下模沖；4，粉料第一節(jié)壓制成型原理2431

不同粉料的壓縮性能——壓制曲線壓力密度脆性材料塑性材料IIIIII一、粉末壓制過程

1、第I階段：

密度隨壓力快速增加，顆粒填入空隙。同時松裝粉末的“拱橋”被壓破，顆粒作相對滑動和轉動；2、第II階段：

密度隨壓力增加緩慢。顆粒通過變形或破碎填充進剩余空隙中，變形過程導致加工硬化，致使壓坯密度隨壓力增加越來越慢；3、第III階段：密度幾乎不隨壓力增加而變化。第一節(jié)壓制成型原理

不同粉料的壓縮性能壓力密度脆性材料塑性材料IIIIII三個階段并沒有嚴格的界限，同時，三種致密化方式也并非各階段獨有。一、粉末壓制過程

干壓成型示意圖（單向壓）

1，陰模；2，上模沖；3，下模沖；4，粉料第一節(jié)壓制成型原理2431

不同粉料的壓縮性能壓力密度脆性材料塑性材料IIIIII2431

干壓成型示意圖（單向壓）

1，陰模；2，上模沖；3，下模沖；4，粉料

粉料剛裝入模具時，呈松裝堆積。如顆粒搭接形成拱橋。粉料堆積體中的空隙很大,粉料具有被壓縮的可能性。拱橋現(xiàn)象第1步：松裝堆積2431

干壓成型示意圖（單向壓）

1，陰模；2，上模沖；3，下模沖；4，粉料

粉料受壓力時，克服了顆粒間的作用力，通過以下方式發(fā)生顆粒重新排列（顆粒重排）,使拱橋效應破壞，填充密度提高。顆粒位移的幾種形式第2步：顆粒重排（位移）2431

干壓成型示意圖（單向壓）

1，陰模；2，上模沖；3，下模沖；4，粉料

壓力增大到一定程度時，顆粒產(chǎn)生變形。隨壓力增大，顆粒依次以三種機制變形：彈性變形顆粒承受的應力達到了顆粒的彈性極限時，顆粒發(fā)生彈性變形。外力卸掉后，顆粒的變形可以消失。塑性變形顆粒承受的應力達到了顆粒的屈服極限時，顆粒發(fā)生塑性變形。外力卸掉后，顆粒的變形仍然保存。斷裂顆粒承受的應力達到了顆粒的斷裂強度時，顆粒發(fā)生破裂。但壓制應力一般沒有達到使顆粒破裂的程度。第3步：粉末變形

隨著壓力的增加，粉體成型坯的孔隙率降低；在同樣壓力下，鎂粉壓坯中的孔隙率明顯低于二氧化釷粉壓坯，即鎂坯料更容易壓制。

不同粉料的壓縮性能

1，二氧化釷粉；2，鎂粉壓力/MPa孔隙率/%1210203040506050100150200250300粉末的韌性對壓制性能的影響（一）基本定義

密度

=質(zhì)量/體積（g/cm3)

比容=1/(cm3/g)

相對密度d=/m

粉末的壓制理論簡介m——

固體的理論密度

（一）等高制品中粉末的運動規(guī)律等高制品壓制過程中，粉末運動的最大特征：

沿壓制方向（沖頭表面的法線方向）作直線運動。即等高制品的壓縮特征是單方向的直線壓縮。

壓制過程中粉末的運動規(guī)律（1）粉末體壓縮比

粉末壓縮前的高度（H）與壓縮后的高度（h）的比值。也等于壓坯密度（）與粉末松裝密度（0）的比值。

壓制過程中粉末的運動規(guī)律（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律假設：粉末體由一層層含有空隙的按等距離堆積的粉末層組成；粉末壓縮后層間距仍然彼此相等。d1=d2=d3=d4=d5…=dn-1

d’1=d’2=d’3=d’4=d’5…=d’n-1

壓縮前壓縮后H=d1+d2+d3+d4+d5…+dn-1

h=d’1+d’2+d’3+d’4+d’5…+d’n-1

（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律

考慮如下圖所示粉末顆粒層堆積的情況，設1、2、3、4、5層的總位移量分別為dH1、dH2

、dH3、dH4、dH5,則

：dH5>dH4

>dH3>dH2

>

dH1

d5d4d3d2d1dH5dH4dH3（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律各層位移量dHn與其層數(shù)代碼n和相鄰兩層之間位移量Δd之間的關系如下。dH1=0dH2=(d1-d’1)(2-1)=(d1-d’1)dH3=(d2-d’2)(3-1)=2(d2-d’2)dH4=(d3-d’3)(4-1)=3(d3-d’3)dH5=(d4-d’4)(5-1)=4(d4-d’4)…..dHn=(n-1

)Δd

（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律實際粉末顆粒層數(shù)取決于粉末體的高度H和粉末的平均粒度。設粉末的平均粒度為φ，粉末體高度為H，則粉末體內(nèi)顆粒層數(shù)的極限值為：。又因為n>>1,所以n-1≈n，則粉體壓縮比：（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律如果將粉體高度H用粉體高度y表示，即：粉體內(nèi)高度為y處的粉末變形量，或為y處的位移。K為壓縮比。（2）理想均勻壓縮條件下粉末顆粒的位移規(guī)律又有：所以有：該式表示粉體高度為y處的粉末變形量與壓坯密度的關系。將上式兩邊除以時間⊿t，得到該處的粉末變形速度v：因此，粉體不同位置處的壓縮速度是不同的，距壓頭越近的粉末壓縮速度越快。1）壓制壓力粉料在模具中被壓縮時，粉體在模具中流動和變形，存在兩種阻力：粉體的內(nèi)摩擦力由顆粒相對位移和變形所引起。粉體與模具之間的外摩擦力由顆粒相對模具壁面位移所引起。

2.2壓制過程的力學分析第2節(jié)壓制過程的力學分析粉料被壓縮時壓力在模具中的傳遞（單向壓）P上P下P側P側FF坯體在模具中的受力情況2）側壓力P側

粉體受到壓力時，力圖向各方向流動，對壓模側壁產(chǎn)生壓力，即側壓力。立方體壓坯在壓模中受到的正應力由于模具限制，有：（1）（2）（3）（4）壓制力側壓力

由于對稱性，側壓力

p1:

p1=p1x=p1y

將式（1）、式（2）、式（3）代入式（4）中得：式中ν為粉末的泊松比。ξ

為側壓系數(shù)，即側壓力與壓制壓力的比值。

公式（6）的前提是假定橫向膨脹在彈性范圍內(nèi)。但在實際壓制中，橫向膨脹并非在彈性范圍內(nèi)，還有顆粒的位移和塑性變形等，故公式（6）給出的側壓系數(shù)只能作參考。（5）（6）

側壓系數(shù)隨壓制壓力而變化；有人提出了經(jīng)驗公式：壓坯密度，g/cm3壓力，側壓力，t/cm2

——最大側壓系數(shù)；

——壓坯相對密度有人提出了更符合試驗的經(jīng)驗公式：Pi—摩擦角

不同材料的側壓系數(shù)

材料不同,側壓系數(shù)不同；壓坯密度越高，側壓系數(shù)越大；

粉末越硬，側壓系數(shù)越小。影響測壓系數(shù)的因素：3）外摩擦力定義：粉體與模壁間的摩擦力。外摩擦力的大?。篺=μp1

式中：f—外摩擦力

p1—側壓力

μ—粉體與模壁間的摩擦系數(shù)外摩擦力的大小取決于粉體與模壁間的摩擦系數(shù)。

粉體與模材料間的黏結傾向模壁加工的粗糙度

影響摩擦系數(shù)的因素有：

由于外摩擦力的存在，作用在壓坯上的壓制壓力沿軸向向下傳遞時，不斷損失。在外加壓力P

作用下，如果要成型一個直徑為D、高為H的圓柱形壓坯時，壓坯底部受到壓力為：（7）該公式是一個經(jīng)驗公式，也可以通過理論推導。

4）模具底部的壓力：

如果考慮壓力在彈性變形上的消耗，壓坯底部受到壓力為：（8）DH由式（7）和式（8）可知：壓坯中的壓力分布是不均勻的，上面最大，下面最??；越遠離可以移動的模沖，壓力越??；壓坯的截面積越大，壓力的級差越小。壓坯底部壓力與壓坯的尺寸有關，即壓坯的高度越大或直徑越小，底部壓力損失越大。一般將壓坯的高度與直徑統(tǒng)一起來考慮，壓坯的高度與直徑之比H/D越大，底部壓力損失越大。壓坯高度一定時，截面積較大的壓坯受外摩擦力作用的影響越小，外摩擦力引起的壓力損失小。

由于外摩擦力的存在，作用在壓坯上的壓制壓力沿軸向向下傳遞時，不斷損失。在外加壓力P

作用下，如果要成型一個直徑為D、高為H的圓柱形壓坯時，壓坯底部受到壓力為：

5）粉末壓制過程中軸向壓力的變化：DxX=0由將上式簡化：引入內(nèi)摩擦系數(shù)k(interparticlefriction)：所以：常用干壓模具干壓模具設計要點：1、壓坯的松裝密度

確定模腔的高度:H2、粉末的側壓系數(shù)

確定成型所需的壓力：P

3、粉末的粒度及分布

確定模具的間隙：

模具間隙<顆粒尺寸6）脫模及脫模壓力

壓制完畢，將壓坯從模具中脫出。若要壓坯從模具中脫出時，需要通過上模沖對坯體施加一定的壓力，該壓力就是脫模壓力。單向壓制脫模方式：從陰模中脫出時，坯體要產(chǎn)生一定量的彈性膨脹(L>l)，這意味著即便撤銷了壓制力，模具對模具中的坯體還存在壓應力。脫模過程示意圖影響脫模壓力的因素：

A、壓制壓力一般認為，隨壓制壓應力的提高，脫模壓應力也提高。在壓制壓應力不太大的情況下有如下關系：（9）式中C－常數(shù)；

P—壓制壓應力，MPa；

P脫—脫模壓應力，MPa。B粉體性能粉體的流動性和可塑性越好，脫模壓力越小。C

壓坯密度密度越高，脫模壓力越大。如果卸掉壓制壓力后，壓坯不發(fā)生任何變形，則脫模壓力完全取決于壓坯與模具之間的外摩擦力。塑性變形較強的金屬粉末，接近這種情況，其脫模壓力與外摩擦力接近。D壓坯形狀尺寸（H/D

）越大，脫模壓力越大。E模具表面粗糙度表面粗糙度越大，摩擦系數(shù)越大，脫模壓力越大。6）彈性后效（Spring-back）

彈性后效表示方式

彈性后效用壓坯彈性膨脹的百分數(shù)δ表示：式中l(wèi)0

—

壓坯出模前的高度或直徑；

l

—

壓坯出模后的高度或直徑。當坯體從模具中脫出時，要產(chǎn)生一定量地膨脹。該現(xiàn)象稱為彈性后效。

壓坯中由于彈性后效所產(chǎn)生的裂紋走向6）彈性后效彈性后效明顯的坯體，其脫模壓力也大；彈性后效明顯的坯體，越容易開裂或分層。裂紋產(chǎn)生機理：

矩形壓坯垂直截面應力狀況分析

在外加應力P作用下,壓坯承受側向壓應力P側，并在坯體內(nèi)部產(chǎn)生相應于這兩個壓應力的彈性變形；與彈性變形伴隨的應力為AC和CB，其方向與外加壓應力相反;當坯體從模具中脫出后,P和P側消失，壓坯在內(nèi)應力AC和CB作用下作彈性膨脹，產(chǎn)生彈性后效裂紋。

AC和CB這兩個力形成合力AB，是剪切力，若其大小超過了壓坯的抗剪強度，壓坯便沿AB線裂開。由于受壓面應力較大，所以分層通常從受壓面的棱開始。分層裂紋沿壓坯的棱邊向內(nèi)部發(fā)展，并且大約與受壓面呈45°角的整齊界面。軸向受力大于側壓力，因而沿高度方向的彈性內(nèi)應力比側向的彈性內(nèi)應力大，使高度方向的彈性后效也大。脫模時，壓坯產(chǎn)生的裂紋也可能沿垂直于高度方向產(chǎn)生。

脆性粉體與塑性粉體彈性后效效應比較：

脆性粉體：在壓制時的變形機制主要是彈性變形，塑性粉體：在壓制時的變形機制主要是塑性變形，內(nèi)應力及彈性后效大內(nèi)應力及彈性后效小

彈性后效的危害

彈性后效引起壓坯的尺寸可能超差，

彈性后效過大甚至壓坯出現(xiàn)開裂（或分層）現(xiàn)象顯然，壓制壓力越大，彈性后效越大。鐵粉和銅粉彈性后效與壓制力之間的關系

影響彈性后效的因素壓制壓力

粉體的塑性變形能力

塑性變形能力差的粉體，彈性后效大。陶瓷粉體的塑性變形能力差，為了壓坯不分層，壓制壓力不宜太大。成型壓力一般在50—120MPa。鋼鐵粉體的成型壓力一般在300—750MPa,屈服強度較低的鋁、銅、錫等粉體的成型壓力一般小于300MPa。粉體粒度粒度越小，顆粒形狀越復雜，壓坯彈性后效值越大。

影響彈性后效的因素（續(xù)）

圖2－12壓坯彈性后效與孔隙率關系1－電解鐵粉；2－渦旋鐵粉；3－轉化天然氣還原鐵粉；4－固體碳還原鐵粉孔隙率越高，彈性后效越小壓坯的孔隙率

影響彈性后效的因素（續(xù)）

表面活性劑當粉體中加入表面活性的潤滑劑（如油酸）時，粉體顆粒表面由于吸附作用而處于活化狀態(tài)，顆粒變形容易進行，并由彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃?，可以大大降低彈性后效。而非表面活性的潤滑劑（凡士林油和樟腦油）幾乎對彈性后效無影響。

影響彈性后效的因素（續(xù)）2.3

粉體壓制理論常見的壓制壓力與壓坯密度關系的實驗曲線如下圖。壓制壓力與壓坯密度的常見關系第3節(jié)

粉體壓制理論彈性塑性

這項工作曾吸引了大量的研究工作。很多人想用一個公式說明所有的問題。目前已有幾十種這樣的公式，包括理論公式和經(jīng)驗公式。實際上它們都有各自的適用范圍。其中有代表性的有，1）巴爾申壓制方程由前蘇聯(lián)粉末冶金學家M.I.O.巴爾申于1938年提出。

壓制一個圓柱形壓坯。壓模的截面積為A，裝粉高度為h0施加壓制壓力p時，壓坯的高度為h；若增加壓力dp，壓坯高度降低dh。

若被壓制的是致密金屬，在彈性變形階段，由胡克定律，壓應力增加無限小增量，壓縮變形呈正比地增加無限小量：粉體壓制過程中的高度變化（11）式中:p—

壓力；A—

截面積；

σ—

壓應力；h—

試樣高度

K—比例系數(shù)。

若壓坯與模具壓頭的有效接觸面積為，則有：（12）壓坯與模具壓頭的有效接觸面積與名義截面積

設坯體壓縮后的最終高度為hK，壓坯在某壓力下的密度與最終密度之比為ρ、壓坯在某壓力下的體積與最終體積之比為β。顯然隨著粉體的逐步壓緊，h接近hK

，β與ρ的值接近于1，并且有:(13)

若壓坯的截面積為S壓坯，隨著壓縮的進行，由于坯體越來越致密，壓坯與模具壓頭的有效接觸面積增加，且或/S壓坯的增值與ρ有關。由于

/S壓坯增加比β降低要快得多，所以有：(14)其中σk為粉體材料的屈服強度。將這個關系代入式（14）中得：兩邊取對數(shù)，得：（巴爾申方程）（15）式中，m為一個大于1的常數(shù)，稱為壓縮因子。巴爾申在此假定粉末顆粒實際承受的應力不變（相當于假定塑性變形時沒有加工硬化出現(xiàn)）：

式（15）就是巴爾申壓制方程。它表明壓坯在某壓力下的體積與最終體積之比β與壓力的關系。評論：忽略了粉體流動產(chǎn)生的顆粒重排和顆粒本身的塑性變形，將壓制過程中的粉體當作理想彈性體；沒有考慮粉體的內(nèi)摩擦和與模壁間的外摩擦造成的壓力損失。該理論沒有普遍意義,只使用于某些特定的場合。2）川北公夫壓制理論日本的川北公夫通過實驗，得到很多粉末的壓力—體積曲線，在此基礎上于1956年提出一個經(jīng)驗公式：式中：

p—壓制壓應力，MPa；

V—在壓力p下的粉末體積，cm3；

V0—粉末未加壓力時的體積,cm3；

c—粉末體積減少率（或粉末體積壓縮率,即為壓縮掉的體積與原體積之比，）

a—常數(shù)，a越小，粉體壓縮性能越好；

b—常數(shù)，等于p=100MPa時的密度值。（16）

川北公夫的基本假設：1）粉末層內(nèi)所有各點的壓力相等；2）粉末層內(nèi)所有各點的壓力是外力和粉體內(nèi)固有壓力之和；3）每個粉體顆粒僅能承受低于它所固有的屈服極限的應力；評論：因為是經(jīng)驗公式，a、b等常數(shù)由實驗確定，可應用于某一具體的粉體的成型；a、b等常數(shù)各也不同。3)浮西－柯若皮斯基壓制理論

1930年浮西研究沉積巖和黏土時，發(fā)現(xiàn)材料的孔隙率與壓力有以下關系：（17）式中，θ和θ0分別為壓力為p時的孔隙率和未加壓力時的孔隙率(18)(19)

這里，V0、V、V∞分別為未加壓力時、加壓力為p

時、完全致密時的壓坯體積；β

為一常數(shù)。

將式（17）按p的多項式展開，并帶入式（18）和式（19）得：(20)

故粉體體積減少率可以表達為:(21)

比較式（20）與式（16），式（20）是式（16）中a→1時的情形，即：(22)也就是說，b與β成比例。

假定粉體壓縮過程中成立狀態(tài)方程式：式中p—外壓；

V－外壓為p時粉體的體積；

P0—自然狀態(tài)下粉體的有效內(nèi)力，如聚集力等；

K—常數(shù)。公式(23)可改寫成：(23)(24)(25)由(V0-V∞)/V0=a,得：(26)將式（25）代入式（24），得：p和1/[V-V0(1-a)]成直線關系。4)黃培云壓制理論（1964～1980）式中:dm—致密金屬密度,g/cm3

；

d0—壓坯原始密度，g/cm3；

d—壓坯密度,g/cm3；

p—壓制壓強,MPa；

M—壓制模數(shù)；,

n

—

硬化指數(shù)的倒數(shù)，n=1時，無加工硬化現(xiàn)象。評論：該方程主要適合金屬。（27）2.4壓制成型工藝2.4.1基本壓制方法1)單向加壓模具下端的承載板或模沖固定不動，通過上模沖從上部對粉體施壓。圖2－17單向加壓成型過程第4節(jié)壓制成型工藝圖2－18單向加壓成型過程中粉末受力狀態(tài)第4節(jié)壓制成型工藝根據(jù)應力分析有，在考慮彈性變形后有：hphph

由于壓制過程存在摩擦力，壓坯沿高度方向和橫截面上，密度分布是不均勻的,壓坯中各處的密度不同。圖2－18鎳粉單向壓圓柱形坯中的密度等高線

壓坯密度的不均勻往往導致燒結后材料密度及尺寸變化的不均勻。故在粉體壓制成型過程中，應盡量降低壓坯密度的不均勻性。第4節(jié)壓制成型工藝2）雙向加壓即上下兩個模沖從上下兩端面同時對模具中的粉體施壓。圖2－19雙向加壓成型過程第4節(jié)壓制成型工藝單、雙向加壓成型坯密度分布比較上下大，中間小，大小極差遠小于單向壓坯體。第4節(jié)壓制成型工藝

雙向壓坯體密度分布特點：

兩個模沖除了同時對壓外，也可以采用先后加壓的策略，即分兩次加壓，一端先加壓，另一端后加壓。這種加壓方法有利于壓力的傳遞和氣體的排出，作用時間也長。經(jīng)這種加壓方法得到壓坯，密度的均勻性有進一步的改善。加壓方式與坯體密度關系單向壓時：不均勻、有底部低壓區(qū)第4節(jié)壓制成型工藝加壓方式與坯體密度關系雙向壓：雙面同時加壓

可消除底部低壓區(qū)第4節(jié)壓制成型工藝加壓方式與坯體密度關系雙向先后壓：

兩次有時間間隙，利于氣體排除第4節(jié)壓制成型工藝加壓方式與坯體密度關系第4節(jié)壓制成型工藝

壓力增加（a）等壓力線（MPa）

壓力增加（b）等密度線（％）陶瓷粉體模壓成型坯中等密度線與等壓力線分布第4節(jié)壓制成型工藝

2.3、壓坯在壓制過程的排氣

早期排氣：在壓制的早期，壓坯的密度很低，壓坯中存留很多通道供氣體排除。后期排氣：隨著壓力的增加，壓坯的密度不斷提高，粉體顆粒間自然形成的排氣通道逐漸被堵塞，坯體中殘余的氣體無法排出體外。這部分殘余的氣體被不斷增大的壓力不斷壓縮，氣孔內(nèi)氣壓隨之不斷強增大，因此，必須將此部分氣體排除。第4節(jié)壓制成型工藝為什么壓制過程較快，容易導致粉末壓坯發(fā)生開裂？壓坯中的氣孔第4節(jié)壓制成型工藝注意:

在壓坯中要形成孤立氣孔，要有一定的條件。首先是成型密度比較大，如固體物質(zhì)和各種成型劑加和起來的體積分數(shù)大于85%；其次是壓坯厚度比較大等，壓坯中間的氣體不容易排除。金屬粉體容易壓縮,容易出現(xiàn)這種問題。對策：壓制時壓力不宜加得太快，讓氣體在坯體密度不太高的時候有跑出的機會；在加載到最大壓力時保壓一段時間，該方法在工程上常用。第4節(jié)壓制成型工藝壓力時間前期排氣后期排氣各種粉末制品的壓制壓力壓坯種類壓制壓力/MPa壓坯種類壓制壓力/MPa黃銅零件462－770鐵基軸承231－385青銅軸承231－308鐵基低密度零件385－539碳制品154－185鐵基中密度零件539－616銅－石墨電刷385－462鐵基高密度零件539－924硬質(zhì)合金154－462鐵粉芯54－770氧化鋁制品123－154鎢基制品77－154凍石46－77鐵氧體制品123－185第4節(jié)壓制成型工藝2.4

復雜零件的壓制成型1）帶臺階零件的壓制

第4節(jié)壓制成型工藝問題：

應該采用什么形狀的模具？

2.4

復雜零件的壓制成型1）帶臺階零件的壓制當壓制高度不一致的復雜形狀的零件時，如果用一個模沖進行壓制，經(jīng)常會出現(xiàn)密度不均勻的現(xiàn)象。

如上圖所示，上模沖向下均勻移動，粉層厚的區(qū)域相對壓縮比（壓縮比定義為壓制前后尺寸之比）小，粉層薄的區(qū)域相對壓縮比大，造成坯體的密度不均，在不同密度的交界處產(chǎn)生有害應力，該應力可能會導致壓坯分層或開裂。第4節(jié)壓制成型工藝

即便此時沒有分層或開裂，在隨后的燒結過程中，密度高的區(qū)域收縮小，密度低的區(qū)域收縮大，收縮率不同也可能導致燒結體的變形或開裂。要保證復雜零件壓坯密度的均勻性，關鍵是要保證各處的壓縮比一樣。要實現(xiàn)各處的壓縮比一樣，可以采取多模沖壓制。

(b)用多模沖進行壓制帶臺階零件的壓制2）不等高制品壓制的基本原則壓縮比相等原則在臺階狀的不等高制品中，無論臺階的數(shù)量有多少，若要各保證區(qū)域的密度相等，各臺階在壓制過程中壓縮比必須相相等。即各臺階裝粉的高度為:

Hn=Khn(2-28)式中：Hn—第n臺階的裝粉高度,cm;

K—壓縮比,由壓坯密度與粉末的松裝密度0求得:

K=/0

hn—第n臺階的壓坯高度,cm.

這個條件可以在假定粉末壓縮過程中不發(fā)生側向運動(或是在直線壓縮)的情況下求得:

考慮不等高制品中的任何一臺階區(qū),它包含粉末的質(zhì)量為W,

在壓縮前可表達為:

W=HS0

在壓縮后可表達為:

W=hS

由于在壓制過程中粉末不發(fā)生側向運動，該臺階區(qū)所包含物質(zhì)的質(zhì)量守恒（有氣體排除，但氣體對質(zhì)量的影響很小，可以忽略）,則有如下關系:

HS

0=hS

或

H/h=

/

0=K

H—粉末高度,cm;

0—粉末松裝密度,g/cm3;S—壓坯截面積,cm2;—壓坯密度,g/cm3。

對不同的臺階,因為要求密度相等(即或K相等),所以各區(qū)裝粉高度的關系為:

H1/h1=H2/h2=…=Hn/hn=K(28)

由式(28)得裝粉通式為

Hn=Khn=

hn/

0(29)

式(29)是模具設計時計算裝粉器高度、模具高度和沖頭高度的基本公式。解:由式(29):

K