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.Wol laston )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
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
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。
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。
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
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
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,
（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
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
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
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。
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。
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
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