粉末冶金成形(卷名：矿冶)
compacting process in powder metallurgy
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。
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。有关粉末压制理论，从1923年沃克(E.E.Walker)公布他的论点开始，已出现有数十种理论和经验公式，其中阿吉(L.F.Athy，1930)、巴利申（Μ.Ю.Бальшин，1938）、川北公夫(1963)等人的公式有一定的实用意义；尽管如此，这些理论至今仍处于探索阶段。
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 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。