粉末冶金的工艺流程-粉末成形

粉末成形

简介

粉末冶金生产中的基本工序之一，目的是将松散的粉末制成具有预定几何形状、尺寸、密度和强度的半成品或成品。模压（钢模）成形是粉末冶金生产中采用最广的成形方法。18世纪下半叶和19世纪上半叶，西班牙、俄国和英国为制造铂制品，都曾采用了相似的粉末冶金工艺。当时俄国索博列夫斯基(П.Г.Соболевсκий)使用的是钢模和螺旋压机。英国的沃拉斯顿(W.H.Wollaston)使用压力更大的拉杆式压机和纯度更高的铂粉，制得了几乎没有残余孔隙的致密铂材。后来，模压成形方法逐渐完善，并用来制造各种形状的铜基含油轴承等产品。20世纪30年代以来，在粉末冶金零件的工业化生产过程中,压机设备、模具设计等方面不断改进,模压成形方法得到了更大的发展，机械化和自动化已达到较高的程度。为了扩大制品的尺寸和形状范围，特别是为了提高制品密度和改善密度的均匀性相继出现和发展了多种成形方法。早期出现的有粉末轧制、冷等静压制、挤压、热压等；50年代以来又出现了热等静压制、热挤压、热锻等热成形方法。这些方法推动了全致密、高性能粉末金属材料的生产。

主要功能

（1）将粉末成形为所要求的形状；

（2）赋予坯体以精确的几何形状与尺寸，这时应考虑烧结时的尺寸变化；

（3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；

（4）赋予坯体以适当的强度，以便搬运。

根据成形时是否从外部施加压力，可分为压制成形和无压成形两大类。

压制成形主要有：封闭钢模冷压成形、流体等静压制成形、粉末塑性成形、三轴向压制成形、高能率成形、挤压成形、轧制成形、振动压制成形等；

无压成形主要有：粉浆浇注、松装烧结等。

模压成形

模压成形将金属粉末装入钢模型腔，通过模冲对粉末加压使之成形。

模压过程装在模腔中的粉末由于颗粒间的摩擦和机械啮合作用会产生所谓“拱桥”现象，形成许多大小不一的孔隙。加压时，粉末体的体积被压缩，其过程一般用压坯相对密度-压制压力曲线表示（图1）。在开始阶段粉末颗粒相对移动并重新分布，孔隙被填充，从而使压坯密度急剧增加，达到最大装填密度；这时粉末颗粒已被相互压紧，故当压制压力增大时,压坯密度几乎不变,曲线呈现平坦。随后继续增加压制压力，粉末颗粒将发生弹、塑性变形或脆性断裂，使压坯进一步致密化。由于颗粒间的机械啮合和接触面上的金属原子间的引力，压制后的粉末体成为具有一定强度的压坯。

压制压力与压坯密度分布在模压过程中压制压力主要消耗于以下两部分：①克服粉末颗粒之间的摩擦力（称为内摩擦力）和粉末颗粒的变形抗力；②克服粉末颗粒对模壁的摩擦力(称为外摩擦力)。由于外摩擦力的存在，模压成形的压坯密度分布实际上是不均匀的。例如单向压制时，离施压模冲头较近的部分密度较

高，较远的部分密度较低。在双向压制时（实际是两个单向压制的组合），压坯沿压力平行方向的两端密度较高，中心部位较低。将润滑剂加入粉末中或涂于模壁上可改善压坯密度的不均匀性。

弹性后效压坯在除去压力或脱模以后，由于内应力松弛，压坯体积发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。弹性后效是设计压模的重要参数。

压模和压机模压成形的主要设备是压模和压机。压模设计的原则是：充分发挥粉末冶金少切削和无切削的工艺特点，保证达到压坯质量的三项要求（即几何形状、尺寸精度和光洁度、密度的均匀性）；合理地选择模具材料和压模结构，提出模具的加工要求。压机分为机械压机和液压机两类。机械压机的特点是速度快，生产率高；其缺点是压力较小,冲程短，冲压不够平稳,保压困难，不适于压制较大和较长的制品。与机械压机相比，液压机（图2）的特点是压力大,行程长，比较平稳，能实现无级调速和保压，适于压制尺寸较大较长的制品；其缺点是速度慢，生产率低。

热压

热压是一种将模压与烧结相结合的成形方法。因为金属和合金粉末在高温下塑性好,容易变形,所以热压制品通常比冷压烧结制品更致密，强度也较高。热压可在大气、保护气氛或真实条件下进行。加热方式主要有三种：传导、感应和电阻加热。制品的密度与热压温度、压力和时间有关。但是，当热压温度高到材料中出现液相时,压力就不能太大了。否则液相组分会被挤出,这不仅能引起材料成分的改变，而且会严重地损坏模具。热压只要配备有加热系统的压机和耐高温的模具即可。常用的模具材料为石墨。由于热压所需要的压力较小，产品致密，尺寸精确，因此常用于生产硬质合金轧辊、顶锤等大型零部件。热压还适用于生产烧结性很差的金属陶瓷等材料。热压的缺点是生产率低，成本较模压成形高。

等静压

通过液体或气体传递压力使粉末体各向均匀受压而实现致密化的方法，称为等静压制，简称等静压（见等静压加工）。等静压可分为冷等静压和热等静压两种。冷等静压

通常是将粉末密封在软包套内，然后放到高压容器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质可以是油、水或甘油。包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。金属粉末可直接装套或模压后装套。由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。冷等静压已广泛用于硬质合金、难熔金属及其他各种粉末材料的成形。

热等静压

这是50年代出现的新技术。将金属粉末装入高温下易于变形的包套内，然后置于可密闭的缸体中（内壁配有加热体的高压容器），关严缸体后用压缩机打入气体并通电加热。随着温度升高，缸内气体压力增大。粉末在这种各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。加压介质一般用氩气。常用的包套材

料为金属（低碳钢、不锈钢、钛），还可用玻璃和陶瓷。由于温度和等静压力的同时作用，可使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀，各向同性和具有优异的性能。热等静压法最适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品；也可对熔铸制品进行二次处理，消除气孔和微裂纹；还可用来制造不同材质紧密粘接的多层或复合材料与制品。

粉末锻造

将金属粉末压制成预成形坯，烧结后再加热进行锻造（见模锻），以减少甚至完全消除其中的残余孔隙的方法,称为粉末锻造。其锻造方式有三种:①热复压。预成形坯的形状接近成品形状，外径略小于锻模模腔内径。因为锻造时材料不发生横向流动，锻件有0～2％的残余孔隙度。②无飞边锻造。这种锻造在限模中进行，材料有横向流动，锻件不产生飞边。③闭模锻造。预成形坯的形状较简单，且外径比锻模内径小得多，锻造时产生飞边，是一种与常规锻造相类似的方法。无飞边锻造和闭模锻造常用于生产要求致密度很高的零件。预成形坯的设计和制造是粉末锻造的关键步骤之一。此外，对于热锻预成形坯必须加以保护，以免氧化和脱落的氧化皮陷入锻件中造成锻造废品。粉末锻件的密度可达理论密度的98％以上。与常规锻造相比，粉末锻造的压力小，温度低，材料利用率高，工艺简单，尺寸精确；锻件的性能可接近普通锻件，而且方向性小。粉末锻件广泛应用于汽车工业、运输机械等方面。

粉末挤压

粉末挤压的优点在于挤压件长度尺寸不受限制，产品密度均匀，生产可连续进行、效率高、灵活性大，设备简单、操作方便。粉末挤压又分为金属粉末直接挤压和装包套后热挤压两种（见挤压加工）。

直接挤压

将塑性良好的有机物和金属粉末混合后，置入挤压模具内，在外力作用下使增塑粉末通过一定几何形状的挤压嘴挤出，成为各种管材、棒材及其他异形的半成品。影响挤压过程的主要因素是增塑剂的含量、预压压力、挤压温度和挤压速度。

包套挤压

热挤压能把热压和热塑性加工结合在一起，从而获得全致密的优质材料；但为了防止粉末或压坯氧化，需要将它们装入包套内进行热挤压。包套的材质必须满足下列要求：包套材料在挤压温度下的刚性应尽量接近被挤压粉末，不与粉末发生反应并可通过酸洗或机械加工的方法除掉。

粉末轧制

将金属粉末喂入一对转动的轧辊辊缝中，由于摩擦力的作用粉末被轧辊连续压缩成形的方法。它是生产板带状粉末冶金材料的主要工艺。一般包括粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等。粉末轧制的特点是：能生产特殊结构和性能的材料，成材率高，工序少，设备投资小，生产成本低。

其他方法

①松装烧结。用于制造各种多孔材料和制品，如过滤器等。②粉浆浇注。可制造各种复杂形状的制品，如管、坩埚、球形器皿及空心制品等。③高能高速成形和爆炸成形。可制造大型、复杂形状制品，如涡轮叶片等。近年来用于成形激冷凝固粉末引起了普遍的重视。④软模成形。可成形诸如球体、圆锥体、多台阶体等各种普通压制方法难以成形的压坯。⑤楔形压制。适用于制造环形长制品和较厚的带材。⑥放电成形。用于中、小型而且形状复杂的制品成形。

成型模具及工作原理在压机的工作台上放好模具，如右图所示，连接在压机上的冲头，在压机的压力作用下，粉末体被压成预定的形状，然后去压力，冲头自动抬起。在阴模底下垫一个合适的圈再用压机的冲头把阴模内的下成型垫、压好的毛坯、上成型垫一起顶出来。这样，就完成了一次成型。这是最基本的成型方法。

下面着重介绍封闭钢模冷压成形方法

封闭钢模冷压成形是指在常温下,粉料在封闭的钢模中，按规定的单位压力,将粉料制成压坯的方法。这种成形过程通常由下列工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。

1．称粉与装粉称量形成一个压坯所需粉料的质量或容积。采用非自动压模和小批量生产时，多用质量法；大量生产和自动化压制成形时，一般采用容积法。

装粉方式有三种。落入法是送粉器移送到阴模和芯棒形成的型腔上，粉末自由落入型腔中；吸入法是下模冲位于顶出压坯的位置，送粉器被移送到型腔上，下模冲下降（或阴模和芯棒升起）复位时，粉料被吸入型腔中；多余充填法是芯棒下降到下模冲的位置，粉末落入阴模型腔内，然后芯棒升起，将多余的粉末顶出，并被送粉器刮回，此法适用于薄壁深腔的压模。

2．压制按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定强度、密度、形状和尺寸要求的压坯工序。

在封闭钢模中冷压成形时，最基本的压制方式有三种。其它压制方式，或是基本方式的组合，或是用不同结构来实现。

a)单项压制b)双向压制c)浮动压制

（1）压坯密度的均匀性不同的压制方式，压坯密度的不均匀程度有差别。但无论哪一种方式，不仅密度沿高度分布不均匀，而且沿压坯断面的分布也是不均匀的。造成压坯密度不均匀的原因是在压制过程中，粉末颗粒之间、粉末颗粒与模冲、模腔壁之间存在磨擦，使压力损耗而造成的。采取各种措施，可减轻密度分布的不均匀性，但无法完全消除磨擦。

压坯密度的均匀性是其质量的重要标志，烧结制品的强度、硬度及各部分性能的同一性，皆取决于密度分布的均匀程度。此外，压坯密度分布不均匀，在烧结时将导致收缩不均匀，从而使制品中产生很大的应力，出现翘曲变形、甚至裂纹等。因此压制成形时，应力求使压坯密度分布均匀。

为了减小粉末颗粒与模壁之间的磨擦，延长压模的寿命，一方面可减小模壁的粗糙度；另一方面可在粉料中添加润滑剂。减小粉末与模壁之间的磨擦，可在相同的压力下，提高压坯密度和降低脱模力。常使用的润滑剂有石蜡、硬脂酸盐、油酸盐、樟脑、滑石、矿物油、植物油、肥皂、石墨及合成树脂等。

（2）压制过程粉末装在模腔中，形成许多大小不一的拱洞。加压时，粉末颗粒产生移动，拱洞被破坏，孔隙减小，随之粉粒从弹性变形转为塑性变形，颗粒间从点接触转为面接触。由于颗粒间的机械啮合和接触面增加，原子间的引力使粉末体形成具有一定强度的压坯。

压制过程大体上可分为四个阶段：

①粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；

②粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；

③粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；

④粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结

晶细化。

实际上这四个阶段并无严格的分界，而且依据粉末的性能、压制方式及其它条件等有差异。

3．脱模压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。压制时由于侧压力的存在，使阴模向外胀变形，而压坯是在已胀大了的阴模型腔中成形的。当卸压后，侧压力消失，阴模弹性恢复，向内收缩，压迫已成形的压坯，压坯产生抗压应力，迫使阴模收缩不到原位（指未压制时），而在某一位置达到阴模收缩力与压坯抗压应力之间的平衡，这个卸压后引起的力，叫做剩余侧压强。这个力的存在使压坯与模壁间产生很大的磨擦阻力，脱模力必须大于这个磨擦阻力，才能使压坯脱出型腔。

压坯从模腔中脱出后，剩余侧压强消失，阴模收缩到原位，压坯弹性恢复而胀大，这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效。此值与模具尺寸计算有直接的关系。这种回弹可用回弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。普通还原铁粉的压坯，其沿压制方向的回弹率约0.6%左右，垂直于压制方向约0.2%左右。