4.2粉末压制成形教程
粉末压制和常用复合材料成形过程材料成型技术基础讲课稿
3—高压容器； 4—高压泵
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3）三向压制
这种方法得到的
压坯密度和强度超过
用其他成形方法得到 的压坯。但它适用于 成形形状规则的零件， 如圆柱形、正方形、 长方形、套筒等。
综合了单 向钢模压 制与等静 压制的特 点
1—侧向压力；2—轴向冲头；3—放气孔
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在现今汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。烧 结结构件总产量的60%~70%用于汽车工业，如发动 机、变速箱、转向器、启动马达、刮雨器、减震 器、车门锁中都使用有烧结零件。
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汽车变速箱中粉末压制件
零件名称 材料及处理 零件名称 材料及处理
离合器导向轴 Fe-C-Pb， Fe-
承
Cu-C
B 烧结分类
① 固相烧结 ：烧结过程中各组元均不形成液相。
② 液相烧结：烧结时部分组元形成液相。在液相表面张力的作用 下，粉粒相互靠紧，故烧结速度快，制品强度高。
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4.1.4 压坯烧结
粉末压坯一般因孔隙度大，表面积大，在烧结 中高温长时间加热下，粉粒表面容易发生氧化，造 成废品。因此，烧结必须在真空或保护气氛中进行， 若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。
（2）颗粒形状和大小
颗粒形状是影响粉末技术特征（如松装密度、流动 性等）的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。
颗粒大小常用粒度表示。粉末粒度通常在0.1~50 0μm，150μm以上的定为粗粉，40~150μm定为中等 粉，10~40μm的定为细粉，0.5~10μm为极细粉，0.5 μm以下的为超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示 其范围，各种筛号表示每平方英寸（1 in2=6.45×104 m2）筛网上的网孔数。
粉末压制成形详解
School of Materials Scienቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe and Engineering
3. 随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。 压坯强度是如何形成的
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。
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。
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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
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第一节 概述
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。
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第4章-粉末的成形
13
4.2.3 压制过程
压制过程可分为四个阶段：
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。
讲解：XX
14
1、压坯密度不均匀及危害
V压m 11 Vm d
⑤ 孔隙度系数（孔隙相对容比）
V 孔 V 压 V m 1 1 1 1 d
V m V m
d d d1
讲解：XX
49
（二）巴尔申压制理论
在忽略加工硬化情况下，虎克定律也可用于塑性变形，对粉末 压制过程应用虎克定律，最终可得出
ln Pln P ma lx( 1 )
成形
无压成形
加压成形
松 装 烧 结
粉 浆 浇 注
模 压 成 形
热 压 成 形
等 静 压 成 形
轧 制 成 形
离 心 成 形
挤爆 压炸 成成 形形
讲解：XX
2
本章主要内容
• 粉末的预处理 • 普通模压法成形 • 压制理论 • 特殊成形方法
讲解：XX
3
§4.1 粉末的预处理
• 预处理包括：退火、筛分、混合、制粒、 加润滑剂等。
② 巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好，尤其在压制开 始阶段效果较好，但没普遍意义（未考虑加工硬化、摩擦及 固体的滞弹性）。
③川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程。 ④ 所有方程在导出过程中都没有考虑压坯的形状尺寸、模 壁摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。
讲解：XX
55
§4.7 特殊成形方法
粉末成型方法
粉末成型方法简介粉末成型方法是一种常用的制造工艺，用于将金属、陶瓷等材料的粉末通过压制和烧结等工艺形成所需的零件或产品。
这种方法具有高效、灵活、经济等优点，被广泛应用于各个领域，如汽车制造、电子设备、航空航天等。
本文将详细介绍粉末成型方法的原理、步骤和应用，并对其优缺点进行分析。
原理粉末成型方法基于粉末冶金原理，通过对粉末进行压制和烧结等处理，使其形成所需形状和性能的零件或产品。
其原理可以概括为以下几个方面：1.粉末选择：根据所需产品的材料特性和性能要求，选择合适的金属、陶瓷等材料的粉末作为原料。
2.混合：将选定的粉末进行混合，以保证成品的均匀性和一致性。
3.压制：使用压力机将混合后的粉末放入模具中，并施加一定压力进行压制。
通过压制，粉末颗粒之间的接触面增加，形成初步的绿体。
4.烧结：将压制后的绿体进行烧结处理，使其在高温下发生结合和致密化。
烧结过程中，粉末颗粒之间发生扩散和晶粒长大，从而形成具有一定强度和密度的成品。
5.后处理：根据产品要求进行表面处理、加工等后续工艺，以得到最终的零件或产品。
步骤粉末成型方法一般包括以下几个步骤：1.原料准备：选择合适的金属、陶瓷等材料的粉末作为原料，并根据需要进行混合、筛选等处理。
2.压制：将混合后的粉末放入模具中，并使用压力机施加一定压力进行压制。
压制过程中要控制好压力和时间，以确保绿体的均匀性和致密性。
3.烧结：将压制后的绿体放入高温炉中进行烧结处理。
烧结温度和时间根据原料性质和产品要求进行选择，以确保绿体能够完全结合和致密化。
4.后处理：根据产品要求进行表面处理、加工等后续工艺，如研磨、抛光、镀层等，以得到最终的零件或产品。
应用粉末成型方法具有广泛的应用领域，如下所示：1.汽车制造：粉末成型方法可以用于制造汽车发动机的曲轴、连杆等关键零件，以提高其强度和耐磨性。
2.电子设备：粉末成型方法可以用于制造电子设备中的散热器、连接器等零件，以提高其导热性能和连接稳定性。
粉末冶金：压制成形原理与工艺过程
加压方式的影响
➢振动压制 ➢磁场压制
压制成形工艺
工艺过程
原料准备 称料 装料 压制 脱模
压制成形工艺
原料准备 ➢ 退火 ➢ 混合 ➢ 筛分 ➢ 制粒 ➢ 加润滑剂
压制成形工艺
称料
➢ 容积法
Q Vd松
➢ 重量法 Q Vd松 1 K
压制成形工艺
装料 ➢ 手工装料 ➢ 自动装料
✓ 落入法 ✓ 吸入法 ✓ 多余装料法 ✓ 零腔法 ✓ 超满法 ✓ 不满法
4H D
4
dp外 4 dH
p
D
p'
4H
pe D
p' p exp 4 H
D
p" p exp 8 H
D
压制过程力的分析
➢ 脱模压力pt
pt C p
与压制压力、粉末性能、压坯密度、压坯形状 尺寸、润滑剂等有关。
压制过程力的分析
➢ 弹性后效
l l0 100%
l0
层裂
x3
p1x E
x1 x2 x3 0
p1x p1y p1
p1 p 1
压制过程力的分析
➢ 压制压力（总压力）p ➢ 侧压力p1、侧压系数ξ
p1 p 1
f p1
➢ 外摩擦力f、摩擦系数μ
f p
压制过程力的分析
➢ 模底压力p’ ，p”
p外 p1
p外 p
p1
p
DHp D2 p
粉末压制成形
➢压制成形原理 ➢压坯密度分布 ➢压制成形工艺 ➢等静压成形简介
压制成形原理
压制过程与压坯密度： ➢ 消除松装拱桥效应 ➢ 塑性变形 陶瓷与金属压坯密度的比较
压制成形原理
压制过程力的分析
粉末压制
2.3 多孔性材料及摩擦材料
(1) 多孔性材料 多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒 及灭火装置等。
过滤器是最典型的制品，主要用来过滤燃料油、
交换空气、以及化学工业上过滤液体与气体等。常 使用的粉料有青铜、镍、不锈钢等。
( 2)
摩擦材料
烧结材料结构上的多孔性和复合材料特点， 可制成摩擦系数大，耐磨性、耐热性及导热性好 摩擦材料
制造金属（或无机非金属）粉末和利用金属 （或无机非金属）粉末生产大块材料和一定形 状零件的方法。 （The arts Of producing metal powders and Of the utilization Of metal powders for the production of massive materials and shaped objects）。
速条件工作；空隙度低含油少，强度高，适宜于中高载 荷，低速条件工作。
烧结含油轴承工作原理示意图
（2）金属塑料减磨材料 粉末压制多孔制品与聚四氟乙烯、二硫化钼 或二硫化钨等固体润滑剂复合制成，是一种具 有良好综合性能的无油润滑减磨材料。
特点：工作时不需润滑油，工作温度范围较 宽，能在真空、水和其他液体中工作。
(1)金属粉末的制取
1）矿物还原法：金属矿石在一定冶金条件下被 还原后，得到一定形状和大小的金属料，然 后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。
2）电解法：采用金属盐的水溶液电解析出或熔 融的金属盐电解析出金属颗粒或海绵状金属 块，再用机械法进行粉碎。
3）雾化法：将熔化的金属液通过喷射气流、水 蒸气或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化， 而得到的金属粉末。 4）机械粉碎法：钢球或硬质合金球对金属块或 粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属 粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末。
粉末压制成型
粉末压制成形(powder pressing)在压模中利用外加压力的粉末成形方法。
又称粉末模压成形。
压制成形过程由装粉、压制和脱模组成。
粉末压制成形的内容包括粉末压制理论、粉末压坯、粉末压制模具和粉末压制压力机4个方面。
压制成形过程中，颗粒间以及颗粒与模壁间存在的内、外摩擦引起压力损失使压坯各部位受力不均，因此压坯密度分布不均匀。
不均匀的程度与选用的压制方式有关。
基本的压制方式有单向压制、双向压制、浮动压制、拉下式压制和摩擦芯杆压制5种。
(1)单向压制。
阴模与芯杆不动，上模冲单向加压。
此时，外摩擦使压坯上端密度较下端高，且压坯直径越小，高度越大，则密度差也越大。
故单向压制一般适用于高径比H/D≤1的制品或高度与壁厚之比H/T≤3的套类零件。
(2)双向压制。
阴模固定不动，上、下模冲从两端同时加压，又称同时双向压制。
若先单向加压，然后再在密度较低端进行一次反向单向压制，则称为非同时双向压制，又称后压。
这种方式可以在单向加压的压力机上实现双向压制。
双向压制时，若两向压力相等则低密度层位于压坯中部；反之，低密度层向低压端移动。
双向压制的压坯密度分布较单向压制的均匀，密度差减小，适用于H/D≥2或H/T≤6的零件。
(3)浮动压制。
下模冲固定不动，阴模由弹簧、汽缸或油缸支撑可上下浮动。
压制时对上模冲加压，随着粉末被压缩，阴模壁与粉末间的摩擦逐渐增大。
当摩擦力大于弹簧等的支承力(浮动力)时，阴模与上模冲一同下降，相当于下模冲上升反向压制而起双向压制的作用。
浮动压制中除阴模浮动外，芯杆也可浮动，这时的密度分布同双向压制。
若阴模浮动，芯杆不动，则压坯靠近阴模处近似双向压制，中部密度最低；压坯靠近芯杆处类似上模冲下移的单向压制，最下端密度最低。
浮动压制适用于H/T≤6或H/D≥2的零件。
(4)拉下式压制。
又称引下式压制、强动压制。
压制开始时，上模冲被压下一定距离，然后与阴模一同下降(阴模被强制拉下)。
阴模下降的速度可调整，其拉下的距离相当于浮动的距离。
粉末冶金成型工艺流程
粉末冶金成型工艺流程
粉末冶金成型工艺流程，那可真是个神奇又有趣的领域啊！
你知道吗，粉末冶金就像是一场魔法表演！把各种细小的粉末当作神奇的道具，通过一系列奇妙的步骤，最终变成了坚固又实用的制品。
首先是粉末的制备，这就好比是为魔法表演准备好独特的材料。
这些粉末要足够精细，均匀，就像精心挑选的宝贝一样。
然后呢，就是把这些粉末进行混合，让它们充分融合，就像是把不同的魔法元素融合在一起，产生奇妙的反应。
接下来就是成型啦！这可是关键的一步，就好像是要把魔法固定下来，变成具体的形状。
可以通过压制等方式，让粉末乖乖地按照我们想要的形状排列起来。
然后就是烧结啦！这就像是给魔法注入能量，让粉末们紧紧地结合在一起，变得坚固无比。
在高温的作用下，粉末之间发生奇妙的变化，它们相互连接，融为一体。
经过烧结后，还可能需要一些后续的处理，比如加工啊，热处理啊等等，这就像是给已经很精彩的魔法表演再加上一些华丽的装饰。
想想看，那些我们日常生活中用到的各种零件，小工具，说不定就是通过粉末冶金成型工艺流程诞生的呢！这难道不令人惊叹吗？粉末冶金能让我们用看似普通的粉末创造出各种了不起的东西，这是多么伟大的技艺啊！它就像是一个隐藏在工业世界里的魔法，默默地为我们的生活带来便利和惊喜。
粉末冶金成型工艺流程真的是太神奇了，它让不可能变成可能，让平凡变得非凡！这就是它的魅力所在啊！。
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p侧
1
p p
p侧 — 单位侧压力（MPa）；p — 单位压制压力（MPa）； ξ = γ /（1-γ ）—侧压系数；γ—泊桑比
（二）侧压系数
● 定义： ξ = γ /（1-γ ）= p侧 /p ：单位侧压力与单位正压力之比 ● 影响因素
☻ 泊桑比γ—材料本性（下表）
☻ 压制压力（压坯密度）
（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）
p P exp( 4 H ) D
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：
p1 P exp( 8 H ) D
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● 成形方法的一般分类
粉末压制成形（钢模压制）compacting，briquetting，pressing ————普通成形 等静压成形 isostatic（hydrostatic） pressing 热法（热压注法）：钢模 注浆成形法 冷法
● 净压力（有效压力）：p，，P1
● 压力损失：∆p，P2—克服内外摩擦力，
单向压制各种力的示意图
P = P1 + P2
∆p = p-p，
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压力分布
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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
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第一节 概述
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
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粉末混合料
钢模 压制 粉末 的 基本 过程
Powder mix Weighting，filling
称量、装模
压制
卸压 脱模 粉末压坯
Compacting
compacts
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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！
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/cm3 ，松装密度一般为2-3g/cm3； W 理论密度 19.3 g/cm3 ，中颗粒W粉松装密度3-4g/cm3 ， 细颗粒W粉松装密度∠3g/cm3。
？估算其孔隙率。
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3. 随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。 压坯强度是如何形成的 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
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
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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
弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。
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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。
a）
b）
c）
d）
e）
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
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第二节 压制过程中力的分析
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）
模压成形PM产品实例—汽车发动机用粉末烧结钢零件
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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
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
z
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
x
P
y
推导
压坯受力示意图
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粉末体高的孔隙率使其受力后易于发生重排
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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（cm2/g）：
寸、孔隙度和强度的坯体（green compacts）的工
艺过程。
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● 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。
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（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：
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
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
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（7µ m）：3460 还原W粉（0.6µ m）：5000
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（三） 粉末体在压制过程中的（位移）变形规律
p1 —考虑弹性变形后模底受到的压力
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● 压力损失
∆ P = P2 = P-P1
1. 较低压力下首先发生位移，位移形式多样
（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
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（a）
影响压制时粉末位移的因素
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。
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模压成形PM产品实例—电动工具零件
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上模冲 粉末 阴模
下模冲 成形压模的基本结构
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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。
模压成形的主要功用是：
将粉末成形成所要求的形状；
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
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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
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3. 实际粉末位移变形的复杂性