粉末壓制過程中的摩擦與潤滑

1、粉末壓制過程中的摩擦與潤滑摘要：粉末成形過程中的摩擦行為是一個十分復(fù)雜的問題,受粉末和模具材料性能、粉末形狀大小、模具外表狀況、粉末與模具間相對運動速度、潤滑劑特性、粉末和模具溫度等許多因素的影響.摩擦造成了制品密度低、分布不均勻、模具磨損,影響了制品的性能、尺寸精度及其應(yīng)用范圍。特別是復(fù)雜形狀、厚度尺寸較大的粉末冶金制品,摩擦的存在極易造成制品的失效。摩擦行為的復(fù)雜性使得對其進(jìn)展準(zhǔn)確的測定和表達(dá)比擬困難,加之這方面的研究不多,造成了進(jìn)一步研究的困難.綜述近幾年國外對粉末成形過程摩擦現(xiàn)象的研究進(jìn)展。關(guān)鍵字：金屬粉末；壓制；摩擦模型；潤滑一、粉末成形簡介1、粉末成型：通過外力，把粉末或其聚集體制

2、作成具有一定尺寸、形狀和強度的坯體或制品。2、成型目的：獲得要求形狀和尺寸，質(zhì)地均勻，盡可能的致密，有一定強度的坯體。通常又與最正確均勻化，致密化等聯(lián)系在一起模壓成形是最根本方法。3、壓制成型原理：機(jī)械壓力連續(xù)地或?qū)掖蔚赝ㄟ^壓頭傳遞到在模型中的粉末體上，在高壓下粉末體致密化而形成具有一定形狀、尺寸和強度的坯體1。4、壓制機(jī)理：a.顆粒重排：在低壓時，顆粒發(fā)生重新排列而填充氣孔產(chǎn)生嚴(yán)密堆積b.在較高壓力下，引起顆粒的破碎，并通過碎粒的填充而致密。在壓力一定時，致密化能力決定于壓制粉料顆粒的性質(zhì)包括團(tuán)聚體主要是物料顆粒的硬度。c塑性變形：在高壓下，通過塑性形變填充空間，這時顆粒間的點接觸變成面接觸

3、。二、粉末壓制過程成形前原料準(zhǔn)備退火將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）的一種金屬熱處理工藝。金屬粉末退火的目的：a.氧化物復(fù)原，降低碳和其它雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度；b.消除粉末的加工硬化，穩(wěn)定粉末的晶體構(gòu)造；C.防止超細(xì)粉末自燃，將其外表鈍化2。混合a.混合：將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合b.將一樣成分而粒度不同的粉末混合混合方法：機(jī)械法干混、濕混和化學(xué)法機(jī)械法：干混用于生產(chǎn)鐵基制品；濕混用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金?；炝显O(shè)備有球磨機(jī)、V型混合器、錐形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器等。濕混介質(zhì)要求不與物料發(fā)生化學(xué)反響，沸點低易揮發(fā)，無毒性

4、，來源廣，本錢低，常用酒精、汽油、丙酮等3?；瘜W(xué)法：將金屬或化合物粉末與添加的金屬鹽溶液均勻混合，或各組元全部某種鹽的溶液形式混合，然后經(jīng)沉淀、枯燥和復(fù)原等處理而得到均勻布的化合物?；瘜W(xué)法用于制取鎢-銅-鎳高密度合金，鐵-鎳磁性材料，銀-鎢觸頭合金等混合物原料等。分篩分指把不同粒度的粉末通過網(wǎng)篩或振動篩進(jìn)展分級，使粉末能夠按照粒度分成粒度范圍更小的級別。制粒制粒指將小顆粒粉末制成較大顆粒或團(tuán)粒，目的是改善粉末的流動性。添加劑指成形前在粉末混合料中添加改善成形過程的物質(zhì)或造成一定孔隙的造孔劑。如石蠟、合成橡膠、樟腦、塑料及硬脂酸鹽等4。潤滑a.模壁和模沖潤滑在剛性模具中壓制時，在模壁和模沖上涂潤

5、滑劑，目的是使壓制的坯塊與模具容易別離，但由于粉末體外表是粗造的，易刺穿涂在模壁上的潤滑膜產(chǎn)生摩擦，增加壓制力，損壞模具。對潤滑劑的要求：既要附著到金屬外表上，還要不滲入到金屬中。潤滑劑：硬脂酸、人造蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰b.粉末潤滑粉末潤滑指潤滑劑與金屬粉末混合，其優(yōu)點是潤滑劑不僅在模壁上，而且也在粉末顆粒之間。粉末潤滑的條件：將潤滑劑磨成細(xì)粉、潤滑劑的量取決與坯塊形狀、潤滑時間：2040min。模壁潤滑已取得專利，技術(shù)上是可行的；粉末潤滑被廣泛應(yīng)用。潤滑的優(yōu)點：減少壓制壓力，改善坯塊密度分布，提高坯塊密度；缺點：潤滑劑在燒結(jié)過程中分解產(chǎn)生的氣體從爐子的預(yù)熱帶逸出，使燒結(jié)時的保護(hù)氣氛流速加快

6、，使?fàn)t子的管理變得復(fù)雜。壓制過程金屬粉末的行為金屬粉末壓制現(xiàn)象壓制指松散粉末在壓模內(nèi)經(jīng)受一定的壓力后，成為具有一定形狀、尺寸、密度和強度的坯塊。壓制過程中，粉末顆粒間發(fā)生相對移動，粉末顆粒將填充孔隙，粉末體體積減小，粉末顆粒迅速到達(dá)最嚴(yán)密堆積。粉末體在壓模內(nèi)受力后力圖向各個方向流動，產(chǎn)生了垂直于壓模壁的壓力一一側(cè)壓力，側(cè)壓力使壓模內(nèi)靠近模壁的外層粉末與模壁之間產(chǎn)生摩擦力摩擦力使接近加壓端面局部壓力最大，遠(yuǎn)離加壓端面壓力逐漸降低，壓力分布的不均勻使坯塊各個局部密度分布不均勻冏。圖3-2瓜膜宗4圖1陰模；2一上模沖；3一下模沖；4一粉末粉末顆粒變形的三個階段a.粉末的位移當(dāng)施加外力時，粉末體內(nèi)的拱

7、橋效應(yīng)遭到破壞，粉末顆粒彼此填充孔隙，重新排列位置，增加接觸。b.粉末的變形粉末體受壓后體積明顯減小，除第一階段的位移外，又發(fā)生變形。變形有彈性變形和塑性變形。c.脆性斷裂當(dāng)施加的壓力超過強度極限后，粉末顆粒碎裂成更小的碎片，使粉末接觸更加嚴(yán)密。外摩擦力摩擦力：粉末體在壓制過程中，運動的粉末與模壁之間存在摩擦現(xiàn)象，摩擦產(chǎn)生的力稱為摩擦力。單向壓制時，其方向與壓制方向相反。式P擦擦系數(shù)。外摩擦力摩擦壓力損失：,4HPPeD式中P模底受到的力;P一一壓制壓力；H一一坯塊高度；D一一坯塊直徑單向壓制示意圖密度變化摩擦壓力損失與坯塊尺寸的關(guān)系:單向壓制只有一個活動模沖，通常是上模沖動，下模沖不動。坯塊

8、高度越高，坯塊上下密度差越大，原因是摩擦壓力損失的存在。為了減小坯塊上下密度差，單向壓制只壓制比擬薄的坯塊。即和形狀均發(fā)生了變化，由圖可知在任何垂直面上，上層密度比下層密度大；在水平面上，接近上模沖的斷面的密度分布是兩邊大，中間小;而遠(yuǎn)離上模沖的截面的密度分別是中間大，兩邊小8。因為粉末體在壓模內(nèi)受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側(cè)壓力。側(cè)壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。為了改善壓坯密度的不均勻性，一般采取以下措施：1減小摩擦力：模具內(nèi)壁上涂潤滑油或采用內(nèi)壁更光潔的模具;2采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性；3模具設(shè)計時盡量降低高徑比。粉末壓制成形中的摩擦與

9、潤滑采用潤滑劑的目的是使壓制成形時壓力分布均勻，并且在壓制后容易脫模。潤滑劑可混合在粉末內(nèi)或涂在模壁上。壓制成形中存在有幾種不同類型的摩擦，它們都受到潤滑劑的影響。應(yīng)認(rèn)真選擇潤滑劑的種類及其添加數(shù)量。粉末里混入潤滑劑，會影響粉末的流動及其松裝密度，同時也影響粉末混合。粉末體中的摩擦受粉末材質(zhì)種類、粉末粒度、粉末形狀以及周圍介質(zhì)（如氣體氣氛）和溫度的影響。潤滑劑在燒結(jié)的最初階段被燒除9。粉末壓制成形中出幾種摩擦a.活動模沖與模壁的摩擦b.粉末顆粒之間的摩擦c.粉末顆粒與模壁間的摩擦d.粉末變形時顆粒內(nèi)部的內(nèi)摩擦e.脫模時壓杯與模壁間的摩擦粉末壓制成形時影響壓力損失酌因素a粉末顆粒材料與模壁材料間

10、的摩擦系數(shù)b.金屬粉末顆粒數(shù)目，此數(shù)值是粉末粒度，粉末形狀和粉末總量的函數(shù)c.模具材料的外表光潔度d.金屆粉末顆粒的外表狀態(tài)e所采用的壓制壓力金屬粉末制成形中摩擦損失的測定潤滑荊目的：確保粉末顆粒間以及粉末與成形模具之間的潤滑作用含量：為總重量的021%，效果：改善粉末的壓制性，減少脫模壓力，消除坯中的物理缺陷（開裂，密度不均勻等），減少工具磨損，消除模具內(nèi)的擦傷；應(yīng)用：粒狀粉末，摻有帖結(jié)荊的騷末粘結(jié)劑目的：改善粉末顆粒間的粘附，含量：16%可包括添加的潤滑劑（），效果：增加壓坯內(nèi)的粘附力，消除壓坯內(nèi)的物理缺陷，應(yīng)用：多孔壓坯（成形壓力妖），球形粉末，硬而無塑性的粉末或極細(xì)位度扮末（110Fa

11、米），其它應(yīng)用：細(xì)粉末的制粒，模壓或擠壓增塑荊（粘結(jié)劑含量520）混合方法細(xì)粉添加：干混（潤滑劑），液體添加：在室溫或高溫下混合（含量較高的情況下），溶于溶液（水或有機(jī)溶劑）的添加劑，將溶劑蒸發(fā)后，粘結(jié)劑或潤滑荊即混入剩余物對燒結(jié)零件的影響剩余物碳：影響物理、機(jī)械和化學(xué)性能，氧化物：影響操作性能（機(jī)械加工性能以及保持尺寸的性能）在爐子冷卻區(qū)冷凝的剩余物*6-4備用海襦出的性能稿滑炳腫熨St：201PE:AmWLi)112!Zu3Zm1接點(C)1159514521011511$1U1平埼程度微米87：511187，365054奇功用力安（秒九0克）2S.34237.5i2t!*33。“35松矍

12、密度真/厘米”2.招2.582,42/22.742.67Z.622.62生爆艷度克/假米”6,316J416,306.376,456.H46.32E.4E生/胃度（公斤，壺米，）九91.011.011.Si1.0乳91.1犯蟆力（公斤/唯米,）16S1551275：1!H51J7G17518。135模具磨相率,（微景，3。網(wǎng)件）。3S5L6i,11J1i譯表中tSt一硬肥敏加1一混根硬脂胺停*方丸2瓜3.Zn4一嘉化夏的臉肄,Li一尻除硬B8顫停,AmW-威股麝阿克的舞.即合成占肪酸脂）,PE一聚ZMCCbitkyioiefl）.軼整凄號51+1。遭貴%埼斕酹劑ISI即Spoupi,是海纜鐵的

13、一種型號.舞壹注）1本4、叫/厘米（時,。0。通/英寸。壓力下成眼.抗考強度髭驗貳棒根據(jù)MPI金喘粉末學(xué)會）際充Ho/S成：氏地博唆上65克/厘米”法燈尺寸Mx3參考文獻(xiàn)G*M。上。出g畝audO.Sve&soatModecnDercg”1依raPowderMetftllucgXNerPork.1971,Vq1.4.,Jd.三、粉末顆粒的受力分析粉末顆粒的受力分析粉末壓坯是由大量顆粒構(gòu)成的非連續(xù)體，其受力變形過程非常復(fù)雜。目前已有一些定性描述，如Seelig和Wulff在1946年認(rèn)為，壓制成形過程中，粉末顆粒在模具中的受力行為可以分為相互重疊的三個階段10:1粉末顆粒的重堆積或重排列位移或滑

14、動；2）彈性和塑性變形；3）斷裂或破碎。國61金屬粉末出IW時傳遞他我的涸足裝咒1壓機(jī).5一上模沖P8一陰梗卜4下模河M后一融江油缸1H一刻度意指足器（J-2以保電力承I高氏力壓制1卜3系戰(zhàn)K與粉末房坯密度的關(guān)系（飄散K廣；/F3.F一傳遨負(fù)我尸N-施加箕勒）t一花壓制壓力.W用正揩K也有學(xué)者將其分為粉末顆粒的重堆積、塑性變形和粉體的整體變形等三個階段。通常在壓制過程中，與上模沖接觸局部的粉末密度首先增大，然后是半成品與模壁之間的摩擦增大。在壓制初期，粉末顆粒之間由于嚴(yán)密化重排而導(dǎo)致摩擦增大；在壓制后期那么是由于粉末顆粒變形引起塑性流動而導(dǎo)致顆粒間摩擦增大，同時顆粒水平運動引起的模沖外表與粉末

15、顆粒之間的摩擦亦增大。摩擦力是除壓制壓力外影響粉末受力的最大因素。在室溫壓制過程中，由于只有很少甚至沒有粉末流動，摩擦力將抵消掉一局部模沖力。粉末壓制過程中涉及的摩擦力可以歸納為五類：1）運動模沖與模壁之間；2）粉末顆粒之間；3）粉末顆粒與模具之間；4）粉末顆粒變形過程中的內(nèi)摩擦力；5）脫模時模壁與壓坯之間。寢678不同金屬的硬度與鼻冰敢的美系i材雄氏陵度庠拉系數(shù)鋤160.(9甥270.12銀丸14僚210。.卻壓坯與模壁之間的摩擦力，除了影響模具的振動特征外，還造成壓制壓力在壓制方向上出現(xiàn)明顯的壓力降。使得不同區(qū)域粉末顆粒的受力行為不一樣，并導(dǎo)致壓坯密度分布的不均勻，此外還影響脫模過程，導(dǎo)致

16、脫模壓力。粉末顆粒之間的摩擦力，會對粉末的受力行為，特別是第一階段的受力行為產(chǎn)生不利影響，從而影響粉體的致密化過程。以上摩擦力導(dǎo)致壓制壓力的損失，損失量的大小決定于壓制壓力及粉末顆粒總體接觸面積粉末顆粒越小，總體接觸面積越大。這局部損失的壓制力在壓制小零件時可以忽略，但在壓制厚粗零件時應(yīng)同時在零件上、下兩方向加壓以補償摩擦損失。壓制速度不僅影響顆粒的摩擦狀態(tài)和加工硬化程度，而且影響到空氣從粉末顆粒間孔隙中的逸出狀況。當(dāng)壓制速度很快時，由于粉末體受沖擊變形速度很快，當(dāng)其變形速度大于粉末體因受力作用所發(fā)生的加工硬化速度時，粉末體變形便不受加工硬化作用的影響，致使壓坯密度和強度有較大增加總的來說，快

17、速壓制對提高壓坯強度有明顯的作用。粉末壓制過程中，金屬粉末受力行為的各個階段對粉體致密化過程的奉獻(xiàn)程度是不同的。其中，粉末顆粒重排或滑動階段的奉獻(xiàn)最大。粉末顆粒的塑性變形存在于致密化的全過程，特別是在進(jìn)一步提高致密度方面有很重要的作用，但是伴隨塑性變形而產(chǎn)生的加工硬化那么會對致密化過程產(chǎn)生阻礙作用。因此，但凡有利于粉末顆粒重排和塑性變形，并可降低其加工硬化率的因素，都有利于進(jìn)一步提高粉體的致密化程度10。此外，研究還說明，粉末整體的屈服應(yīng)力與相對密度有關(guān)系，相對密度越大，變形所需要的應(yīng)力也越大。外部作用力分析在粉末壓制成形過程中，影響壓制過程的工藝因素很多。除粉末本身的壓縮性和成形性等工藝性能

18、外，外部作用力是很重要的因素。外部作用力包括壓制壓力正壓力、側(cè)壓力、剩余側(cè)壓力以及脫模壓力，它們不僅與壓坯密度等性能有關(guān)，而且直接造成壓機(jī)及模架系統(tǒng)的振動11。粉末體在鋼制模具中于壓力下成形時，施加于粉末體上的壓力主要消耗于兩個方面：靜壓力：當(dāng)壓坯內(nèi)各處的壓力和密度均勻分布，并且不考慮粉末與模壁之間的摩擦阻力和模具變形阻力時，僅僅為了克制粉末體對壓制的阻力，也就是粉末體本身變形和致密所需要的力；外摩擦力：用來克制粉末與模壁之間的摩擦所消耗的力。四、結(jié)論在粉末冶金過程中，粉末壓制成形是僅次于粉末燒結(jié)的一個重要問題。目前，關(guān)于粉末壓制成形過程，國內(nèi)外已經(jīng)開展了一系列研究工作。但限于理論研究的局限，尚不能在壓坯密度等參數(shù)與壓制過程的外部作用力之間建立起明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式；同時由于壓制系統(tǒng)及壓制運動方式的復(fù)雜性，在作用力與系統(tǒng)的振動形式之間建立明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式也很困難，因而不能對壓坯密度與模架系統(tǒng)振動方式之間的關(guān)聯(lián)性作出明確的數(shù)學(xué)表述。在這種情況下，通過建立數(shù)學(xué)模型來表述