第二章-粉末压制成形原理.ppt

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 粉末压制成形原理,Principles of Powder Compaction,（,Pressing,）,程继贵,jgcheng63,材料科学与工程学院,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,Making Powder-Metallurgy Parts,School of Materials Science and Engineering,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（,green compacts,）的工艺过程。,第一节 概述,Consolidation,School of Materials Science and Engineering,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。,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,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！,School of Materials Science and Engineering,成形压模的基本结构,上模冲,下模冲,阴模,粉末,Loose powder is compacted and densified,into a shape,known as green compact,Most compacting is done with mechanical presses and rigid tools,Hydraulic and pneumatic presses are also used,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。,模压成形,，,pressing,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。,School of Materials Science and Engineering,模压成形,PM,产品实例,电动工具零件,School of Materials Science and Engineering,模压成形,PM,产品实例,汽车发动机用粉末烧结钢零件,School of Materials Science and Engineering,模压成形,PM,产品实例,汽车变速箱粉末烧结钢零件,School of Materials Science and Engineering,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,Die,2,上模冲,Top,（,upper,）,punch,3,下模冲,Bottom,（,lower,）,punch,4,粉末,Powder,School of Materials Science and Engineering,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,Powder mix,Weighting,，,filling,Compacting,compacts,School of Materials Science and Engineering,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！,School of Materials Science and Engineering,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。,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,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。,School of Materials Science and Engineering,（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,7.8 g/cm,3,，,松装密度一般为,2-3g/cm,3,；,W,理论密度,19.3 g/cm,3,，中颗粒,W,粉松装密度,3-4g/cm,3,，,细颗粒,W,粉松装密度,3,g/cm,3,。,？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,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排,School of Materials Science and Engineering,2.,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（,cm,2,/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（,7,m,）：,3460,还原,W,粉（,0.6,m,）：,5000,School of Materials Science and Engineering,（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,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,2.,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,School of Materials Science and Engineering,3.,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,School of Materials Science and Engineering,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,）,School of Materials Science and Engineering,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,，,，,P,1,压力损失：,p,，,P,2,克服内外摩擦力，,P=P,1,+P,2,p,=p-p,，,School of Materials Science and Engineering,Blended powders are pressed into shapes in dies.,Pressure distribution:,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,推导,图,1-2,压坯受力示意图,P,侧,侧压强,MPa,泊松比,侧压系数，,p,单位压力,MPa,School of Materials Science and Engineering,p,侧,单位侧压力（,MPa,）；,p,单位压制压力（,MPa,）；,=,/,（,1-,）,侧压系数；,泊桑比,（二）侧压系数,定义：,=,/,（,1-,）,=,p,侧,/p,：单位侧压力与单位正压力之比,影响因素,泊桑比,材料本性（下表）,压制压力（压坯密度）,School of Materials Science and Engineering,材料,W,Fe,Sn,Cu,Au,Pb,0.17,0.28,0.33,0.35,0.42,0.44,0.20,0.39,0.49,0.54,0.72,0.79,表 不同材料的,泊桑比和侧压系数,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,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,）；,粉末与模壁的摩擦系数。,School of Materials Science and Engineering,F,摩,=,P,侧,S,侧,F,摩,总的外摩擦力,P,侧,侧压力,粉末与模壁的摩擦系数,S,粉末与模壁的接触面积,（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：,p,1,考虑弹性变形后模底受到的压力,School of Materials Science and Engineering,P,1,P,1,School of Materials Science and Engineering,Balancing the vertical forces:,which simplifies to,introduce k(interparticle,friction),or,Integrating and using boundary conditions:,dx,0,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,压力损失,P=P,2,=P-P,1,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,School of Materials Science and Engineering,P,1,侧压系数,压坯尺寸,H/D,对压力损失（摩擦力）,有明显影响,School of Materials Science and Engineering,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。,School of Materials Science and Engineering,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,=,p,侧剩,（单位脱模压力）,P,脱,=,p,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,0.13 P,硬质合金物料在大多数情况下：,P,脱,0.3 P,School of Materials Science and Engineering,粉末性能 塑性 形状 粗细,润滑剂,模具质量,压制压力,P,脱,p,侧余,S,侧,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,）,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,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：,=,L,/L,0,x 100%=,（,L-L,0,）,/L,0,x100%,高度或直径方向弹性后效；,Lo,、,L,卸压前后压坯直径（高度）,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,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,雾化铁粉,还原铁粉,电解铁粉,细粉弹性后效高于粗粉：,细粉,粗粉,压制压力,P,较低时，,P,增加，,增加；,P,较大时，,P,增加，,减小；,一定范围内，,P,对,影响不大（,p202,图,2-25,）,School of Materials Science and Engineering,P,（,MPa,）,无润滑,加凡士林,油酸苯溶液,250,1.15%,1.10%,0.25%,400,1.20%,1.10%,0.30%,润滑条件（,Cu,粉压制）,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,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,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,阶段：,压力续增加，,压坯密度增加不明显,平衡阶段,第,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,School of Materials Science and Engineering,粗颗粒、软颗粒、,低成形速度,细颗粒、硬颗粒、,高成形速度,p,（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？,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,（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,School of Materials Science and Engineering,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,:,d/d,=k,=P/A,-,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-lg,P=L(-1),lgP,与,(-1),成线性关系,L=,压制因子,=,压坯的相对体积（,=V,粉,/V,颗粒,，,=,+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,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,（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。,School of Materials Science and Engineering,2.,方程推导,C=,（,Vo V,）,/Vo=ab,P/,（,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,School of Materials Science and Engineering,（三）艾,-,沙,-,柯方程,沉积岩和粘土在压力下孔隙率与压力关系：,=,o,e,-BP,；,ln,（,/,o,）,=-BP,o,=,（,VoV,）,/Vo,=,（,VV,）,/V,Vo,、,V,、,V,压力为,0,、,P,和,时的粉末体积,ln,（,/,0,）与,P,成线性关系,适应性：一般粉（尤非金属粉末）,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,已介绍的三个压制方程：,1.lgP,max,-lg,P =L(-1),L=,压制因子,=,压坯的相对体积（,=V,粉,/V,颗粒，,=,+1,）,lgP,与,(-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,（,/,o,）,=-BP,o,=,（,VoV,）,/Vo,；,=,（,VV,）,/V,，,Vo,、,V,、,V,压力为,0,、,P,和,时的粉末体积,ln,（,/,0,）与,P,成线性关系,（四）黄培云压制理论（方程）,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,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”。,黄培云压制理论（方程）,理论基础,1.,压坯密度,是外压的函数：,=k,f(P,),2.,常用力学模型,理想弹性体,-,虎克体（,H,体）：,=M,理想液体,-,牛顿体（,N,体）：,=d/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）,School of Materials Science and Engineering,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：,=M,d,/dt=Md/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）：,d,/dt=Md/dt/t,恒应变：,d/dt,=0,，有,=,0,exp,（,-t/,1,）,（,1,）,1,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,School of Materials Science and Engineering,（,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：,=M,+,d/dt,=M(+,2,d/dt),（,2,）,沾滞系数：,=M,2,；,2,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,School of Materials Science and Engineering,（,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）,+,1,d/dt=M(+,2,d/dt),（,3,）,1,应力弛豫时间；,2,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,School of Materials Science and Engineering,（,4,）用标准非线性固体（,SNLS,体）来描述粉末体,(+,1,d/dt),n,=M(+,2,d/dt),n,2,数学变换得：,o,n,=M,或,o,=(M),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,School of Materials Science and Engineering,大程度应变的处理,自然应变：,=,L,Lo,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：,=ln,(Vo,/,/V,/,),Vo,/,、,V,/,粉末原始和受压,P,后的孔隙体积,（注意，是,=ln(V,/,/Vo,/,),，此处是为了保证,1,）,=ln,(V,o,-V,m,)/(V-V,m,)=ln,(,m,-,o,)/(,m,-),o,Vo,、,V,、,Vm,压力为,0,、,P,、,时粉末的体积,o,、,、,m,压力为,0,、,P,、,时粉末的密度,School of Materials Science and Engineering,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：,=,o,n,/M,考虑大程度应变：,lg ln(,m,-,o,)/(,m,-),o,=n lgP-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,School of Materials Science and Engineering,考虑量纲，对原模型进行修正：,=,（,o,/M,）,1/m,mlgln(,m,-,o,)/(,m,-),o,=lg P-lg,M,（,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(,m,-,o,)/(,m,-),o,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,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,几个有代表性的压制方程,序号,提出日期,著者,公式,注解,1,1938,巴尔申,lg,P,max,-lg,P=L(,-1),P,max,相应于压至最紧密状态（,=1,）时的单位压力,L,压力因素,相对体积,2,1930-1948,艾,-,沙,-,柯,=,o,e,-BP,；,ln,（,/,o,）,=-BP,0,P=0,时的孔隙体积的外推值,压力为,P,时的孔隙体积,B,常数,3,1956,川北,公夫,C=abP,/,（,1+bP,）,1/C=1/ab,1/P+1/a,C,粉末体积减少率,C=,（,Vo,V,）,/Vo,V,、,Vo,压力为,P,、,0,时的粉末体积,a,、,b,系数,4,1964 1980,黄培云,m,致密金属密度,0,压坯原始密度,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,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,作业,教材第三章：,1,、,5,、,6,、,7,、,11,、,12,School of Materials Science and Engineering,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,；,700MPa,School of Materials Science and Engineering,单,向,压,制,图,3-28,单向压制铁粉压坯密度和硬度的分布状况：,72mm,；粉末为,3kg,和,1kg,（上、下图）；,550680MPa,；,左,密度,g/cm,3,，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！,School of Materials Science and Engineering,绝对密度差、相对密度差、平均密度,绝对密度差：,d,j,=d,max,d,min,相对密度差：,d,r,=,（,d,max,d,min,）,/d,max,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,School of Materials Science and Engineering,（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,School of Materials Science and Engineering,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,(,),的比值选取压制方式,H/D1,，而,H/,3,时，可采用单向压制；,H/Dl,，而,H/,3,时，采用双向压制；,H/D4,10,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）,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,四类零件压制方法有所不同！,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！,School of Materials Science and Engineering,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,School of Materials Science and Engineering,单向压制,双向压制,压制方式示意图,压坯厚度及密度分布,School of Materials Science and Engineering,2,）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,School of Materials Science and Engineering,（,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,School of Materials Science and Engineering,单双向压制的密度分布,School of Materials Science and Engineering,压制密度沿高度的分布,a-,单向压制,b,双向压制,School of Materials Science and Engineering,3,）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,School of Materials Science and Engineering,浮动阴模压制的关键：弹簧支撑力,的确定,阴模受力：,Fs,、,Fx,、,P,f,、,W,，,力平衡式：,只有浮动压力,P,f,等于,W,，上下模冲压力才相等。,浮动压力,P,f,过大，中性轴下移，密度差增大。,实际：,P,f,稍大于,W,，便于阴模自动复位。,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,图,B,几种浮动压制示意图,浮动压制,图,A,浮动压制示意图,School of Materials Science and Engineering,4,）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！,School of Materials Science and Engineering,拉下式压制,School of Materials Science and Engineering,5,）摩擦芯杆压制（错动双向压制）,Ps,School of Materials Science and Engineering,Fy,Fx,Px,摩擦压制,School of Materials Science and Engineerin