粉末冶金成形

在壓機的工作臺上放好模具，如右圖所示，連接在壓機上的沖頭，在壓機的壓力作用下，粉末體

被壓成預定的形狀，然后去壓力，沖頭自動抬起。在陰模底下墊一個合適的圈再用壓機的沖頭把

陰模內(nèi)的下成型墊、壓好的毛坯、上成型墊一起頂出來，······。這樣，就完成了一次成型。這是

最基本的成型方法。隨著科學技術(shù)的發(fā)展······。

模壓（鋼模）成形是粉末冶金生產(chǎn)中采用最廣的成形方法。18世紀下半葉和19世紀上半葉，西班牙、俄國和英國為制造鉑制品，都曾采用了相似的粉末冶金工藝。當時俄國索博列夫斯基(П.Г.Соболевсκий)使用的是鋼模和螺旋壓機。英國的沃拉斯頓(W.H.Wollaston)使用壓力更大的拉桿式壓機和純度更高的鉑粉，制得了幾乎沒有殘余孔隙的致密鉑材。后來，模壓成形方法逐漸完善，并用來制造各種形狀的銅基含油軸承等產(chǎn)品。20世紀30年代以來，在粉末冶金零件的工業(yè)化生產(chǎn)過程中,壓機設備、模具設計等方面不斷改進,模壓成形方法得到了更大的發(fā)展，機械化和自動化已達到較高的程度。為了擴大制品的尺寸和形狀范圍，特別是為了提高制品密度和改善密度的均勻性相繼出現(xiàn)和發(fā)展了多種成形方法。早期出現(xiàn)的有粉末軋制、冷等靜壓制、擠壓、熱壓等；50年代以來又出現(xiàn)了熱等靜壓制、熱擠壓、熱鍛等熱成形方法。這些方法推動了全致密、高性能粉末金屬材料的生產(chǎn)。

模壓成形將金屬粉末裝入鋼模型腔，通過模沖對粉末加壓使之成形。

模壓過程 裝在模腔中的粉末由于顆粒間的摩擦和機械嚙合作用會產(chǎn)生所謂“拱橋”現(xiàn)象，形成許多大小不一的孔隙。加壓時，粉末體的體積被壓縮，其過程一般用壓坯相對密度-壓制壓力曲線表示（圖1）。在開始階段粉末顆粒相對移動并重新分布，孔隙被填充，從而使壓坯密度急劇增加，達到最大裝填密度；這時粉末顆粒已被相互壓緊，故當壓制壓力增大時,壓坯密度幾乎不變,曲線呈現(xiàn)平坦。隨后繼續(xù)增加壓制壓力，粉末顆粒將發(fā)生彈、塑性變形或脆性斷裂，使壓坯進一步致密化。由于顆粒間的機械嚙合和接觸面上的金屬原子間的引力，壓制后的粉末體成為具有一定強度的壓坯。有關(guān)粉末壓制理論，從1923年沃克(E.E.Walker)公布他的論點開始，已出現(xiàn)有數(shù)十種理論和經(jīng)驗公式，其中阿吉(L.F.Athy，1930)、巴利申（Μ.Ю.Бальшин，1938）、川北公夫(1963)等人的公式有一定的實用意義；盡管如此，這些理論至今仍處于探索階段?！褐茐毫εc壓坯密度分布 在模壓過程中壓制壓力主要消耗于以下兩部分：①克服粉末顆粒之間的摩擦力（稱為內(nèi)摩擦力）和粉末顆粒的變形抗力；②克服粉末顆粒對模壁的摩擦力(稱為外摩擦力)。由于外摩擦力的存在，模壓成形的壓坯密度分布實際上是不均勻的。例如單向壓制時，離施壓模沖頭較近的部分密度較高，較遠的部分密度較低。在雙向壓制時（實際是兩個單向壓制的組合），壓坯沿壓力平行方向的兩端密度較高，中心部位較低。將潤滑劑加入粉末中或涂于模壁上可改善壓坯密度的不均勻性。

彈性后效壓坯在除去壓力或脫模以后，由于內(nèi)應力松弛，壓坯體積發(fā)生彈性膨脹，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。彈性后效是設計壓模的重要參數(shù)。

壓模和壓機 模壓成形的主要設備是壓模和壓機。壓模設計的原則是：充分發(fā)揮粉末冶金少切削和無切削的工藝特點，保證達到壓坯質(zhì)量的三項要求（即幾何形狀、尺寸精度和光潔度、密度的均勻性）；合理地選擇模具材料和壓模結(jié)構(gòu)，提出模具的加工要求。壓機分為機械壓機和液壓機兩類。機械壓機的特點是速度快，生產(chǎn)率高；其缺點是壓力較小,沖程短，沖壓不夠平穩(wěn),保壓困難，不適于壓制較大和較長的制品。與機械壓機相比，液壓機（圖2）的特點是壓力大,行程長，比較平穩(wěn)，能實現(xiàn)無級調(diào)速和保壓，適于壓制尺寸較大較長的制品；其缺點是速度慢，生產(chǎn)率低?！釅菏且环N將模壓與燒結(jié)相結(jié)合的成形方法。因為金屬和合金粉末在高溫下塑性好,容易變形,所以熱壓制品通常比冷壓燒結(jié)制品更致密，強度也較高。熱壓可在大氣、保護氣氛或真實條件下進行。加熱方式主要有三種：傳導、感應和電阻加熱。制品的密度與熱壓溫度、壓力和時間有關(guān)。但是，當熱壓溫度高到材料中出現(xiàn)液相時,壓力就不能太大了。否則液相組分會被擠出,這不僅能引起材料成分的改變，而且會嚴重地損壞模具。熱壓只要配備有加熱系統(tǒng)的壓機和耐高溫的模具即可。常用的模具材料為石墨。由于熱壓所需要的壓力較小，產(chǎn)品致密，尺寸精確，因此常用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金軋輥、頂錘等大型零部件。熱壓還適用于生產(chǎn)燒結(jié)性很差的金屬陶瓷等材料。熱壓的缺點是生產(chǎn)率低，成本較模壓成形高。

等靜壓通過液體或氣體傳遞壓力使粉末體各向均勻受壓而實現(xiàn)致密化的方法，稱為等靜壓制，簡稱等靜壓（見等靜壓加工）。等靜壓可分為冷等靜壓和熱等靜壓兩種。

冷等靜壓 通常是將粉末密封在軟包套內(nèi)，然后放到高壓容器內(nèi)的液體介質(zhì)中，通過對液體施加壓力使粉末體各向均勻受壓，從而獲得所需要的壓坯。液體介質(zhì)可以是油、水或甘油。包套材料為橡膠之類的彈塑性材料。金屬粉末可直接裝套或模壓后裝套。由于粉末在包套內(nèi)各向均勻受壓,所以可獲得密度較均勻的壓坯,因而燒結(jié)時不易變形和開裂。其缺點是壓坯尺寸精度差，還要進行機械加工。冷等靜壓已廣泛用于硬質(zhì)合金、難熔金屬及其他各種粉末材料的成形。

熱等靜壓 這是50年代出現(xiàn)的新技術(shù)。將金屬粉末裝入高溫下易于變形的包套內(nèi)，然后置于可密閉的缸體中（內(nèi)壁配有加熱體的高壓容器），關(guān)嚴缸體后用壓縮機打入氣體并通電加熱。隨著溫度升高，缸內(nèi)氣體壓力增大。粉末在這種各向均勻的壓力和溫度的作用下成為具有一定形狀的制品。加壓介質(zhì)一般用氬氣。常用的包套材料為金屬（低碳鋼、不銹鋼、鈦），還可用玻璃和陶瓷。由于溫度和等靜壓力的同時作用，可使許多種難以成形的材料達到或接近理論密度，并且晶粒細小，結(jié)構(gòu)均勻，各向同性和具有優(yōu)異的性能。熱等靜壓法最適宜于生產(chǎn)硬質(zhì)合金、粉末高溫合金、粉末高速鋼和金屬鈹?shù)炔牧虾椭破罚灰部蓪θ坭T制品進行二次處理，消除氣孔和微裂紋；還可用來制造不同材質(zhì)緊密粘接的多層或復合材料與制品。

粉末鍛造將金屬粉末壓制成預成形坯，燒結(jié)后再加熱進行鍛造（見模鍛），以減少甚至完全消除其中的殘余孔隙的方法,稱為粉末鍛造。其鍛造方式有三種:①熱復壓。預成形坯的形狀接近成品形狀，外徑略小于鍛模模腔內(nèi)徑。因為鍛造時材料不發(fā)生橫向流動，鍛件有0～2%的殘余孔隙度。②無飛邊鍛造。這種鍛造在限模中進行，材料有橫向流動，鍛件不產(chǎn)生飛邊。③閉模鍛造。預成形坯的形狀較簡單，且外徑比鍛模內(nèi)徑小得多，鍛造時產(chǎn)生飛邊，是一種與常規(guī)鍛造相類似的方法。無飛邊鍛造和閉模鍛造常用于生產(chǎn)要求致密度很高的零件。預成形坯的設計和制造是粉末鍛造的關(guān)鍵步驟之一。此外，對于熱鍛預成形坯必須加以保護，以免氧化和脫落的氧化皮陷入鍛件中造成鍛造廢品。粉末鍛件的密度可達理論密度的98%以上。與常規(guī)鍛造相比，粉末鍛造的壓力小，溫度低，材料利用率高，工藝簡單，尺寸精確；鍛件的性能可接近普通鍛件，而且方向性小。粉末鍛件廣泛應用于汽車工業(yè)、運輸機械等方面。

粉末擠壓粉末擠壓的優(yōu)點在于擠壓件長度尺寸不受限制，產(chǎn)品密度均勻，生產(chǎn)可連續(xù)進行、效率高、靈活性大，設備簡單、操作方便。粉末擠壓又分為金屬粉末直接擠壓和裝包套后熱擠壓兩種（見擠壓加工）。

直接擠壓 將塑性良好的有機物和金屬粉末混合后，置入擠壓模具內(nèi)，在外力作用下使增塑粉末通過一定幾何形狀的擠壓嘴擠出，成為各種管材、棒材及其他異形的半成品。影響擠壓過程的主要因素是增塑劑的含量、預壓壓力、擠壓溫度和擠壓速度。

包套擠壓 熱擠壓能把熱壓和熱塑性加工結(jié)合在一起，從而獲得全致密的優(yōu)質(zhì)材料；但為了防止粉末或壓坯氧化，需要將它們裝入包套內(nèi)進行熱擠壓。包套的材質(zhì)必須滿足下列要求：包套材料在擠壓溫度下的剛性應盡量接近被擠壓粉末，不與粉末發(fā)生反應并可通過酸洗或機械加工的方法除掉。

粉末軋制將金屬粉末喂入一對轉(zhuǎn)動的軋輥輥縫中，由于摩擦力的作用粉末被軋輥連續(xù)壓縮成形的方法。它是生產(chǎn)板帶狀粉末冶金材料的主要工藝。一般包括粉末直接軋制、粉末粘接軋制和粉末熱軋等。粉末軋制的特點是：能生產(chǎn)特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料，成材率高，工序少，設備投資小，生產(chǎn)成本低。

其他方法①松裝燒結(jié)。用于制造各種多孔材料和制品，如過濾器等。②粉漿澆注。可制造各種復雜形狀的制品，如管、坩堝、球形器皿及空心制品等。③高能高速成形和爆炸成形?？芍圃齑笮?、復雜形狀制品，如渦輪葉片等。近年來用于成形激冷凝固粉末引起了普遍的重視。④軟模成形。可成形諸如球體、圓錐體、多臺階體等各種普通壓制方法難以成形的壓坯。⑤楔形壓制。適用于制造環(huán)形長制品和較厚的帶材。⑥放電成形。用于中、小型而且形狀復雜的制品成形。

粉末冶金是大有發(fā)展前途的科學技術(shù)，在國民經(jīng)濟和材料科學中有著重要的作用。為了材料科學人才的培養(yǎng)和科學技術(shù)的發(fā)展，有必要編寫一些粉末冶金的教科書和參考書。本書是根據(jù)《粉末冶金原理》教學大綱編寫的，可作為高等院校專業(yè)課教科書，也可供粉末冶金工程技術(shù)人員和研究人員參考。

本書共分八章，與過去國內(nèi)外粉末冶金教科書相比，除了粉末的制取、粉末性能及其測定、成形、特殊成形、燒結(jié)等基本章節(jié)外，增寫了粉末冶金鍛造和粉末冶金材料的孔隙性能與復合強化兩章外；此外，編寫了一章粉末冶金材料和制品，是按產(chǎn)品系統(tǒng)而寫的，不計入教學時數(shù)，只作為參考資料。

粉末冶金成形壓力機的驅(qū)動裝置主要有機械式和液壓式。分別簡介如下。

成形壓力機機械式粉末成形壓力機

機械式粉末成形壓力機在壓制與脫模時所需的動力是由電動機驅(qū)動的飛輪提供的，飛輪一般安裝在高速旋轉(zhuǎn)的軸上并不間斷地進行運轉(zhuǎn)。壓力機通過裝在飛輪軸上的離合器和制動器進行起動和停車。在成形過程中隨時可以嚙合與脫開。離合器通常借助于彈簧松脫裝置氣動接合，制動器用一片簧組氣動脫開，從而在空氣壓力不足時能提供足夠大的制動力。為調(diào)節(jié)由壓制到脫模過程的生產(chǎn)速度，選用速度可調(diào)的壓力機。

在主電動機功率不高于約19kW的壓力機上，調(diào)速傳動裝置一般為變距帶輪或牽引一驅(qū)動型裝置。功率大于19kW時，最好選用直流電動機或渦流控制裝置。電動機和傳動裝置都必須完全密封，以防止被金屬粉塵污染。

機械式粉末成形壓力機有頂部驅(qū)動和底部驅(qū)動兩種形式。在頂部驅(qū)動的壓力機中，電動機、飛輪及變速系統(tǒng)皆位于壓力機頂部（或上部）機構(gòu)中，壓制力為1960kN（200tf）左右的壓力機安裝在地面上，不需要或只需要一個小地坑。壓制力大于1960kN的頂部驅(qū)動式壓力機通常需要有地坑，以使操作者有一個合適的工作高度。

在底部驅(qū)動的壓力機中，電動機、飛輪及傳動機構(gòu)皆裝在壓力機底座中。這些壓力機通常都是拉下式的，即通過拉桿或連接桿將壓力機的上壓頭拉下。壓制力大于445kN（50tf）的底部驅(qū)動的壓力機，一般都需要有地坑。

常見的機械式粉末成形壓力機有凸輪驅(qū)動式成形壓力機、偏心驅(qū)動式成形壓力機、肘桿式成形壓力機以及轉(zhuǎn)盤式成形壓力機等。

成形壓力機液壓式粉末成形壓力機

一般生產(chǎn)用液壓式粉末成形壓力機額定壓制力為490一12250kN（50一1250tf），專用液壓式壓力機額定壓制力可達49000kN（5000tf）。液壓式壓力機可以成形沿壓制方向很長的壓坯，機械式壓力機最大裝粉高度一般為180mm，而液壓式壓力機的最大裝粉高度一般為380mm。

壓制長的壓坯時，液壓式壓力機的壓制速度很低，有利于模腔中粉末里夾帶的空氣從模具的間隙處逸出。

液壓式壓力機的結(jié)構(gòu)特點

由于液壓式壓力機的主要工作的液壓缸位于壓力機正中頂部，因而大多數(shù)液壓式壓力機驅(qū)動裝置都在頂部。壓制壓坯的力就來自這個主液壓缸。液壓式壓力機壓制成形時的下行速度有三種：

1）快速下行。這時產(chǎn)生的壓制力極小，用于使模沖快速進入陰模型腔。

2）中速下行。當需要從下部施加壓力時，開始壓制時使用的壓制力約為全部額定壓制力的50qc。

3）慢速下行。用于最終壓制成形的最大壓制力。

粉末成形壓力機中常用的液壓泵系統(tǒng)有兩種類型：高·低壓系統(tǒng)和油路充油系統(tǒng)。高。低壓系統(tǒng)有一雙動式主缸。回授油路用于快速趨近，即快速下行。一開始，用大容量的低壓泵驅(qū)動液壓缸的活塞，除低壓泵容量外，油液還從低壓缸的底部流向缸的頂部。中速下行時，回授油路不起作用，但低壓泵仍在驅(qū)動活塞。以最大壓制力壓制時低壓泵不起作用，由高壓泵驅(qū)動活塞。

油路充油系統(tǒng)有一單向式主液壓缸，壓頭的動作受控于小的雙動式液壓缸?？刂茐?

頭的液壓缸皆比主缸小，因此對于使壓頭快速移動僅需要低的油液流速。但在趨近和回行期間，油液流入和流出的速度很高。主缸裝有一個大的雙通閥，從而使油液可在低壓（通常是重力供油）下流動。壓制時，雙通閥被關(guān)閉，來自高壓泵的油壓作用在主缸活塞上。

零件壓坯一般是由裝在壓力機底座正中的液壓缸脫出的。依據(jù)所用模具的類型，液壓缸或者向上將零件壓坯頂出或者將陰模向下拉下脫出零件壓坯。

將零件壓坯壓制到給定厚度時，在液壓式壓力機上是用一剛性機械擋塊來控制壓頭的下行動作。當將零件壓坯壓制到要求的密度時，可通過調(diào)節(jié)液壓缸的壓力來控制壓頭的下行動作。當將零件壓坯壓制到要求的單位壓力時，壓力機壓頭停止下行，回行至其回程位置。