在压制带台阶的复杂压坯时，除了要考虑各台阶的压缩比相同外，还要考虑到各个台阶区域的压制速度。为了防止粉末在压制过程中的不产生侧向运动，各台阶的压制速度或压制压力满足速率平衡方程或压应力变化率平衡方程，即符合：

Hi/Hi+1=vi/vi+1（1）

式中：Hi---任意高度区的装粉高度；

      Vi---任意高度区的压制速度（=dHi/dt）。

或：

dPi/dt/Si=dPi+1/dt/Si+1（2）

式中：dPi/dt---任意高度区的总压力变化速率；

      si---任意高度区的正压面积。      

 

以下图为例，若用公式表示，A区中单位时间被压缩掉的体积与原粉末体积之比（压缩速率）为：

na=(Vo-V）/Vot=(HaSa-haSa)/HaSat=(Ha-ha)/Hat（3）

同理，B区中，单位时间内被压缩的体积与原体积之比为：

nb=(Hb-hb)/Hbt（4）

式中，Vo、V---分别为粉末压缩前、后的体积；

      t---压制时间；

      Ha、Hb分别为a区、b区粉末在压缩前的高度；

      ha、hb分别为a区、b区粉末在压缩后的高度；

      Sa、Sb分别为a区、b区的截面积（在压制时为常数）；

则（3）式可一般性地改写为：

n=(H-h)/th=v/H（5）

式中，v为压制速度，

      H为粉末压制前的高度。

在任何高度区的压制速度都可表为：

vi=niHi

则：vi/vi+1=niHi/ni+1Hi+1（6）

与（1）相比可知，ni=ni+1

因此，压制速率相等原则也可以叙述为压缩速率相等。

 

在带台阶的不等高粉末合金压制制品中，如何保证压坯各处区域的密度相等，是一个必须解决的问题。通过压缩比定义可知，当压坯密度相等，混合料密度也相等的情况下，压缩比必然相等。反之，要保证各处区域相等，只要保证各处压缩比相等即可（不考虑装粉密度的差异的情况下），即各台阶装粉的高度为：

Hn=Khn（1）

式中Hn---第n个台阶的装粉高度，cm；

     K---压缩比，由压坯密度d与混合料粉末的装粉密度ro(可     近似为松装密度）求得K=d/ro

    hn---第n台阶的压坯高度，cm.

上述条件是假定在粉末在压缩过程中不发生侧向运动（或直线压缩）的情况下求得的，即台阶区粉末没有进出，质量守恒。

我们可以取不等高压坯的任何一个台阶区，它包含的粉末质量为W，在压缩前

W=HSro（2）

压缩后

W=hsd（3）

这里H为粉末高度，cm；ro为粉末松装密度，g/cm3；S为该台阶截面（台阶截面如果是不等截面，需积分计算该公式），cm2；d为压坯密度，g/cm3。

由于假定在压制过程中粉末不发生侧向运动，台阶区域内质量守恒（气体的排出不影响，可以忽略），则有

HSro=hsd（4）

或H/h=d/ro=k（5）

对于不同的台阶区域，由于要密度相等（即d或K相等），所以各区装粉高度的关系为：

H1/h1=H2/h2=...=Hn/hn=K（5）

即有，                     Hn=Khn=dhn/ro（6）

此公式是模具设计装粉高度、模具高度和冲头高度的基本依据。

在粉末冶金中，很多零件是带台阶的，根据台阶的数量可以分为简单台阶件和复杂台阶件。前者的台阶数量一般只有一个，或内台阶或外台阶。这种零件可以通过阴模及芯棒（有通孔存在的情况下）的浮动来压制成形，可以说技术难度会比较小。

简单台阶件的压制成形

图1a 所示为一种带挡边的筒形轴承，用于支承双缸洗衣机的波轮轴。虽然该零件带有一个外台阶，但还是属于比较简单之列，可以使用手动反压模来压制成形。图1b 示出了反压模的成形过程。应当注意的是，在成形时需使下模冲得到一定的向上压入的相对运动，以减小压坯两端的密度差。这类零件也可使用正压模压制成形，此处不另赘述。目前手动反压模或手动正压模在生产车间一般已不常使用，只在工艺试验或特殊情况下偶或用之。许多工厂的冲压机床都已改装有顶出式或拉下式脱模机构，使得这类带挡边的筒形零件的压制成形变得更为简单容易了。图2示出了这类零件的顶出式压模的成形原理。

图1

图2

图3a所示的粉末冶金针圈，是内孔带有一个台阶的零件，同样可以使用顶出式压模成形，见图3b。从图3可知，压制内台阶件的关键措施是采用了浮动芯棒。

 

 

 

 

对于硬质合金制品，由于混合料较硬，压制成形压力较大，这给复杂零件的成形带来困难，另外由于有增塑加工的可能，故很大较复杂的零件通常先经简单的压制成形再在压坯上改形。最简单的压制零件是无台阶的零件。

 

在粉末冶金零件的成形工艺中，无台阶筒形零件(以下简称为轴套)的压制也许是最基本、最简单的了。当轴套的长壁厚比不大(例如H/T< 3) 时，用单向压制的方法就可满意地成形，如图l所示。

但当轴套的长壁厚比较大(例如H/T>3) 时，为了改善压坯密度的均匀性，则需考虑使用双向压制、双向摩擦压制等方式来进行压制。例如图a 所示的轴套，可以使用阴模和芯棒均自由浮动的压模来成形。图b示出了这种浮动压模的成形原理。成形时下模冲保持不动，上模冲压下行程为x。由于阴模与芯棒向下浮动了距离x/2，所以相对阴模而言，上下模冲分别向压坯压入距离x/2。压坯的最大密度差发生于两端与中部之间，这就大大减少了压坯密度的不均匀程度。

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。

 

定义：等静压传压介质按传压特性来看，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。采用非准静力压制的等静压过程即称为非准静力压制。

 

特点：

1、传力介质的工作范围很大，压力范围可以在0-1500MPa的范围内选择。如采用橡皮模和硬脂酸锌粉的组合方式时，其工作压力可达到800MPa。又如在高压下实现石墨向金刚石的转变，采用固体叶腊石做传压介质，可在0-3000MPa压力下工作。而气体和液体介质在高压容易液化和凝固，不能达到如此高压的工作要求。

2、固体传压介质操作起来比液体和气体简便，容易形成压力密闭空间。

3、高压容器就可以做出压模外壳，提高生产效率，并且可以制作形状复杂且密度均匀的压坯。

4、可以直接利用模压压制塑性软模，进而使软模内部粉末成形，扩大生产途径。

 

分类：目前常用的非准静力压制根据介质又可分为塑料软模非准静力压制、橡胶模非准静力压制和粉末充填非准静力压制三种：

a、塑料软模非准静力压制

此种压制可通过模压机模具给塑料软模加压，进而对塑料软模内的粉体加压，结合了模压和等静压两种压制方式。此时的传压介质是塑料软模。塑料软模的非准静力系数可达到0.98，故压坯相当于在液体等静力下压制，密度分布特征与等静压基本相同。下图为塑料软模非准静力压制示意图。

b、橡胶模非准静力压制

基本原理同塑料软模非准静力压制类似，只不过采用真空橡皮（天然橡胶、合成橡胶如氯丁橡胶、硅氯丁橡胶等）作为传压介质。其非准静力系数为0.75左右，一般用于制造状压坯，不用与压制球形压坯，某些情况下的压力可达800MPa或更高。

c、粉末充填非准静力压制三种

原理同上述两种类似，传力介质为粉末体（如硬脂酸锌等）。

 

定义

压坯尺寸与烧结体相应尺寸之比称为线收缩系数。线收缩系数与压坯的相对密度有关，在一定范围内，压坯相对密度越大，收缩系数越小，如果混合料不制粒，收缩系数要稍大一些。例如，以橡胶为成型剂时，线收缩系数大约在1.20-1.25之间，在成形压力较大的自动压机上可达到1.17-1.20.以石蜡作成型剂时，由于石蜡的加入量很大，能达到2%以上（质量），石蜡在压坯中占的空间也较大，相应的收缩系数也很大，一般为1.18-1.25之间。由于压坯密度分布的不均匀性，实际上采用平均线收缩系数。平均线收缩系数可由体积收缩系数求得：

K=∛(K_体 )

体积收缩系数K体等于压块体积V1与合金制品V之比：

K体=V1/V

下图为某牌号合金收缩系数图片。

收缩系数的确定

通常以不出现分层或裂纹时最大密度压坯的尺寸和烧结后毛坯对应尺寸来确定收缩系数。实际生产中，不同性状的压坯，不同牌号的混合料，其收缩系数也不同，多凭经验确定。一般来说要考虑以下几个方面：

压坯不出现分层、裂纹等情况，当然也不能出现超压的情况；

烧结后不出现“未压好”想象，即毛坯合金性能要达标；

要保证压坯具有一定的强度，保证压坯后续加工（如增塑加工）和动作（搬运、装炉）过程中不容易损坏；

 

影响因素

混合料质量，如混合料的成分，粉末粒度，成形剂的种类与加量，一般来说，粉末越细，成形剂加量越大，收缩系数越大。成形工艺，如成形方式，产品形状、尺寸等，制品形状越复杂，尺寸越大，收缩系数越大

烧结收缩影响，如烧结温度、烧结保温时间、合金含碳量等。

 

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.