一、定义：填充系数：是指压块密度与料粒的松装密度的比值；压缩比：是指粉末料粒填装高度与压块高度之比；在数值上填充系数和压缩比是相等的。

 

二、影响因素：

1、混合料粒度

影响填充系数或压缩比的主要因素是粉末的装填密度，粉末在模腔内的密度要略为大于其松装密度。混合料粉末粒度越细，其松装密度就越小，装填体积就要越大，填充系数或压缩比就越大。实际上的粉末粒度组成对其松装密度的影响不是单值的，常由颗粒填充空隙和架桥两种作用来决定。若以后者为主，则使粉末松装密度降低；若以前者为主，则使粉末松装密度提高。松装密度通常用霍尔流速计测量，如下图所示

2、混合料颗粒形貌

影响粉末松装密度的因素很多，如粉末颗粒形状、尺寸、表面粗糙度及粒度分布等。通常这些因素因粉末的制取方法及其工艺条件的不同而有明显差别。一般地说，粉末松装密度随颗颗粒非球状系数的增大以及表面粗糙度的增加而减小。为获得所需要的粉末松装密度值，除考虑以上的因素外，合理地分级合批也是可行的办法。

 

三、填充系数或压缩比的意义：

压缩比是确定装粉模腔高度的重要参数，生产时压坯的单重控制就需要压缩比参数的参与，压坯单重可由下式给出：

M=ρ松•S模腔•h•n

式中：

M-压坯单重；

ρ松-混合料的松装密度；

S模腔-阴模腔体的截面积；

h-压坯的高度；

n-压缩比。

硬质合金混合料的压缩比通常在2.5-4.0范围内，喷雾料一般为3.5-4.0，机械制粒料为2.5-3.0.

 

下图为无刚性支撑的等静压受力图，如图的情况下，可以分为截面为圆形和矩形的两种模型。

1、圆形模型

等静压压坯各处所受的压力均相等，压制开始时，粉末颗粒外层首先受压，粉末颗粒的运动从表面开始，沿表面法向指向粉末的内部。

粉末颗粒的填充是先从外层开始，逐步朝内部推进。尤其是在致密化的开始阶段，充填最先发生在塑性模（本例为橡皮模）处。压坯心部密度要小于边缘密度，随着压制的继续进行，密度差逐渐减少。

在一般的模压过程，颗粒只有沿压力方向的位移，即在此方向上被压缩；但对于球状（或圆柱状）制品等静压过程中，颗粒除了作径向位移外还在做周向位移，即有径向压缩，又有周向压缩。由于有周向压缩，在同样径向位移量的情况下，致密化过程更为迅速。

由于上述特点，对于球状（或圆柱状）制品，其坯体表层较心部优先致密化。表面致密的、封闭的薄壳层，阻止压力传至心部，形成所谓的“薄壳拱顶”结构。

有鉴于此，凡球状或圆柱状的等静压制品，其表层密度与心部密度会存在较大差异，这种密度差严重时甚至不能被烧结消除。

 

2、矩形模型

通过对球状模型的分析，可知当制品的截面为矩形时，边角角度将被压缩，形成尖角，但不会产生如圆形制品那样的“薄壳拱顶”结构，所以密度差要小于圆形截面制品，但由于内摩擦的存在，密度差依然存在。

 

等静压压制根据有无刚性支撑可分为有刚性支撑的等静压压制和无刚性支撑的等静压压制，刚性支撑常用的模具是刚性模芯。

 

在实际冷等静压制品中，由于会有孔等存在，往往采用有刚性模芯支撑的模具设计，如下图所示。

此时粉末收到的压力主要来自侧面的塑性模（此图以橡胶模为例）P2，两端的橡皮塞虽然也收到液体传压介质的作用P1，但由于粉末与刚性模芯表面有摩擦,故P1只起到阻止粉末侧向运动的作用，而对粉末的轴向位移作用较小。此时粉末在厚度方向上的受力有：橡皮模对粉末的压力Ｐ２、刚性模芯对粉末的压力Ｐ３、粉末的内摩擦力Ｆ，当处于受力平衡时（压缩速度较小时，可看做准平衡状态），平衡方程为：

P2-P3-F=O

即有P2=P3+F

当粉末层较薄（小于20mm）时，内摩擦力F远远小于P2和P3，此时就近似有

P2=P3

而粉末层较厚时，有

P3=P2-F

有上面两个力学模型可知，粉体在靠近刚体部分（即较厚部位）所受到的压力要小于靠近橡胶软模的部位（即较薄部位），这就导致沿厚度方向压坯密度分布的不均。实际的等静压实验也表明，粉层较厚的制品的平均密度要低于厚度较薄的制品。

 

冷等静压是硬质合金粉末的一种成形方式，它是根据帕斯卡原理发展而来。粉末成形过程与压制成形类似，但由于压力传递方式的不同，导致冷等静压压坯的密度分布与成形压力比一般模压更具优势。

 

粉末成形过程

1、初期粉末孔隙率较大，成形压力较小，粉末颗粒以迁移和重堆积为主

2、中期，随着孔隙率的下降，粉末之间的挤压加剧，粉末局部流动和碎化。

3、后期，压力到达最大，达到致密化阶段。

 

冷等静压中的压力与密度分布。

等静压压坯的密度分布沿纵断面是均匀的。但是沿压坯同一横向断面上，由于粉末颗粒间的内摩擦的影响，压坯的密度从外往内逐步降低。下图为等静压下不同直径压坯的密度分布。

冷等静压的压制曲线在一般模压曲线的上方，也就是说冷等静压可以在较小的压力下使压坯获得较高的密度。这是由于等静压时粉末与模壁没有相对运动，不会被这部分的摩擦力所损耗。这相比与模压压制有着较大的优势。在模压压制中，无论是哪种压制，除了压坯密度分布较难控制外，粉末与模壁的摩擦而导致的压力损耗是无法避免的，即使使用润滑条件也是如此。下图为铜粉在等静压和模压下的密度对比。

 

冷等静压可大致分为两个大的工艺过程：模具的制造和成形。在冷等静压技术中,包套和模具的合理设计,是保证压坯质量和提高包套使用寿命的关键,也是节约原材料、降低成本的重要因素。

无论是湿袋法还是干袋法，模具都是由塑性模、刚性模、端口密封装置和支撑装置四个基本构件组成。

一、塑性模

塑性模也称为塑料软模，塑性模在冷等静压成型中,不仅起型模作用,而且起传递压力使粉料达到成型致密的作用。

二、刚性模

刚性模的模芯、型模等是由金属材料制成的.刚性模的尺寸形状在成型过程中保持不变。

三、端口密封装置

依据压坯的形状和尺寸

不同.可设计成不同的形式。如成型圆柱形的压坯的端口装置,

常见的密封方式有:橡胶塞密封;橡胶塞加包套密封;包套盖加弹性环密封;弹性包套盖自密封;包套盖刚性环捆扎密

封;弹性包套盖刚性自紧加捆扎密封等。对于冷等静压工艺，成形模具的端口密封装置具有十分重要的作用。封口密封装置需要具备塑性和刚性这两个矛盾的特性，既要起到密封作用，又要方便装取料，当然也要考虑使用寿命、成本等。

四、支撑装置（支撑桶）

由于包套薄,对包套内的粉末进行除氧时,很难保持装料后包套固定的形状,需要在包套外附设一种专门的支撑装置。这种装置,可分为固定型和随机型。

干袋包套组合模示意图

1-上橡胶端塞

2-塑性模

3-液体传压介质

4-支撑装置

5-粉末

6-刚性模芯

7-下橡胶端塞

 

1利用帕斯卡原理对粉末进行等静压压制时，其成形有两个要点：

a、被压缩液体或气体的任意点静压应力相等（即等静压）

b、液体或气体对内部粉末的压力是通过液/固或气/固界面进行的，如果固体坯中的气孔与液体或气体相连，将无法压缩气孔，因此需要使用致密包套包裹固体，才能对固体进行压制。

等静压传压介质

等静压传压介质有三类：液体、固体和气体。

按传压特性来看，液体和气体可以无损耗地传递压力，这种特性成为准静力特性，具备这种特性的传压介质称之为准静力介质。反之，不具备这种特性的传压介质称之为非准静力介质。固体介质就是非准静力介质。

 

1）气体传压介质

一般采用Ar、He、N2等气体。

    气体容易被压缩，在高压下甚至出现液化。所以常温下，气体传压介质应用于不大于100MPa场合，或用于热等静压中。下图为常温下Ar密度与压力的关系。

2）液体传压介质

常用的液体传压介质有甘油、水、矿物油、黄油等。液体也具有可压缩特性，当液体所受到的压力低于50MPa时，不会凝固。在高压下，液体甚至出现凝固现象。当水的压力超过400MPa时或者矿物油的压力大约超600MPa时，会出现凝固。因此在液体等静压时压力通常低于300MPa。如果要采用更高的压力，熔融盐、玻璃熔体、各种金属熔液也可作为传压介质，特别是在热等静压中，最大压力可达1000MPa。

3）固体传压介质

当等静压的压力超过400MPa时，一般使用弹性或塑性较好的固体，如橡胶、塑料软膜、滑石粉、氮化硼粉、Cr2O3粉、硬脂酸锌粉等作为传压介质；如果所需压力继续增大，到1500MPa时，可用铁粉、镍粉、滑石粉等作传压介质。

 

采用润滑剂的目的是使压制成形时压力分布均匀，并且在压制后容易脱模。润滑剂可混合在粉末内或涂在模壁上。压制成形中存在有几种不同类型的摩擦，它们都受到润滑剂的影响。应认真选择润滑剂的种类及其添加数量。粉末里混入润滑剂，会影响粉末的流动及其松装密度，同时也影响粉末混合。粉末体中的摩擦受粉末材质种类、粉末粒度、粉末形状以及周围介质(如气体气氛)和温度的影响。润滑剂在烧结的最初阶段被烧除.主要有固体润滑剂和液体润滑剂两种。

 

选择原则：

1、具有较好的润滑性并有一定粘性的物质；

2、与粉体不发生化学反应及其他有害作用；

3、不影响烧结体的性能和外观；

4、在预烧或烧结过程中容易排除，且不造成环境污染。

 

一、混合在粉末内的润滑剂：

硬脂酸和金属的硬质酸盐，如硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸铝、液体石蜡、二硫化钼、石墨等。通常通过双锥混料器以细粉末的形式加入混合料中。加入量为粉体重量的0.5%-1.0%，视压坯的形状和粉体的粒度而定：若粉末细、压坯形状复杂，润滑剂加入量就较大。

多数的润滑剂会使压坯密度降低，因为其本身密度低于混合料密度。同时润滑剂包裹颗粒，妨碍固体颗粒的接触，也会造成压坯密度的降低。

二、涂抹在模具上的润滑剂

涂抹在模具上的润滑剂可以减少压制时的外摩擦力，这样的润滑剂有：丙酮、笨、甘油、油酸、三氯乙烷等。

 

等静压成型是将待压试样置于高压容器中，利用介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。特点：等静压成型时介质传递的压力在各个方向上等是相等的。弹性模具在受到介质压力时产生的变形传递到模具中的粉料，粉料与模具壁的摩擦力小，坯体受力均匀，密度分布均一，产品性能有很大提高。按成形温度的高低，等静压技术通常分为冷等静压（cold isostatic pressing,CIP）、温等静压（warm isostatic pressing,WIP）和热等静压（hot isostatic pressing,HIP）.

1、冷等静压

在常温下的等静压称之为冷等静压，流程如下

冷等静压又分为干袋等静压和湿袋等静压这两种。

干袋等静压是将成形模具（包套）永久地固定在高压缸内，将粉料直接填入高压缸内的包套内进行压制。特点是适用于简单形状制件的大批量生产，便于自动化。

湿袋等静压所用的包套不是高压缸的一个固定部分，包套完全浸入液体介质中。特点是适应性强，可以同时一缸多袋，适合于小批量生产，能生产大型的复杂的制件。

 

2、温等静压

当粉末在室温下不能成形时，可采用温等静压。通常在粉末中添加有很高塑化能力的粘结剂，通过温等静压成形获得更高强度的压坯，特点是工作温度介于冷等静压和热等静压。

 

3、热等静压

热等静压是一种在高温（1000℃以上）高压（100MPa以上）同时作用下使物料经受等静压的技术。特点是将粉末成形与烧结结合在一起，还可以用于扩散粘结、缺陷消除等领域。工作介质一般采用惰性气体（氩气或氮气），也可采用液态金属、固体颗粒作为压力传递介质。包套材料通常为金属或玻璃。

 

在压制过程中，由于种种原因，常会产生粉末冶金压制件( 压坯) 缺陷 ，常见的压坯缺陷有压坯密度不均匀分层裂纹掉边掉角毛刺过大表面划伤同轴度超差等 。这些缺陷又可以分为：1、密度不达标；2、尺寸不达标；3、形位尺寸公差；4、外观缺陷。这其中外观缺陷最为常见。下面就几个常见的外观缺陷展开讨论。

1、分层

定义：压块的棱出现，与受压面呈一定角度（大约45°），向内部延伸，形成整齐的分界面叫分层。

原因：压块中弹性内应力和剪切应力。如混合料钴含量低，碳化物硬度高，粉末或料粒愈细，成型剂太少或分布不均匀，混合料过湿或过干，压制压力过大，单重过大，压块形状复杂，模具光洁度太差，台面不平，均有可能造成分层。

改善措施：装料均匀；不超压；提高压块强度，减少压块内应力和弹性后效。

检验方法：压坯可通过观察断面；合金可同过超声波探伤。

 

2、裂纹 

定义：压块中出现不规则局部断裂的现象叫裂纹。

原因：与分层类似，也是弹性后效的结果。区别在于应力集中部位在受压面，则分层，不在受压面，则裂纹。

措施：与分层类似，另外延长保压时间或多次加压，减少压力，单重，改善模具设计和适当增加模具厚度，加快脱模速度，增加成型剂，提高物料松装密度；可以减少裂纹。

3、未压好

定义：压坯中颗粒间孔洞尺寸太大，烧结时不能完全消失，合金内仍残留较多孔洞的现象。

原因：料粒太硬，料粒过粗，物料松装太大；松装料粒在模腔中分布不均匀，单重偏低，压制压力太小等均可能造成未压好（显颗粒）。

 

1、硬质合金压坯抗弯强度表示法（ASTM B783,GB5160-85，GB5319-85）

ASTM(美国材料与试验协会）:31.75*12.76.35mm

GB：30*12*6mm

在控制条件下,对一个矩形横断面的粉末压坯施加一均匀增加的横向力,直至压坯破坏,经过计算得到压坯强度值,公式如下：

S=3PL/2t2W

W-压坯宽带，mm

t-压坯厚度，mm

L-支点间距，mm

P-负载，N

 

2、转鼓试验法（JSPM4-69）

利用金属网转鼓试验，测量重量减少率.

 

影响压坯强度的因素

1、粉末性能：硬度、粗糙度、比表面积、颗粒形状、杂质等

2、压制压力，一般来说，压制压力越大，压坯强度越高

3、成型剂：以硬质合金混合料成形剂为例，橡胶的压坯强度要高于石蜡。

4、压制温度、保压时间

 

提高压坯强度的途径：

1、提高颗粒不规则性-提高机械啮合

2、增大粉末比表面积-提高颗粒不规则度和适当选用晶粒较细的粉末

3、减少表面氧化物和杂质

4、提高压坯密度

5、提高成型剂用量和质量

6、提高压制温度，延长保压时间。