1、等靜壓成型概論材研1004王金城粉末的制取、成形和燒結(jié)是粉末冶金過程中三個(gè)基本環(huán)節(jié)。金屬粉末的成形通常是將需要成形的粉末裝入鋼模內(nèi)，在壓力機(jī)上通過沖頭單向或雙向施壓而使其致密和成形。顯然，壓機(jī)能力和壓模的設(shè)計(jì)就成為限制壓件尺寸及形狀的重要因素。 緒論高純石墨石墨碳化硅坩堝高純氧化鋁陶瓷棒緒論滾動(dòng)體使用熱壓或熱等靜壓Si3N4陶瓷球連鑄用鋼包長水口耐磨氧化鋁瓷球、襯磚鎢銅合金一些等靜壓應(yīng)用等靜壓成形是一種重要的粉末特殊成形法。等靜壓制的基本原理 通常，等靜壓成形按其特性分成冷等靜壓和熱等靜壓。前者常用水或油作壓力介質(zhì)，故有液靜壓、水靜壓或油水靜壓之稱；后者常用氣體（如氬氣）作壓力介質(zhì)，故有氣體熱

2、等靜壓之稱。 等靜壓成型時(shí)介質(zhì)傳遞的壓力在各個(gè)方向上等是相等的。彈性模具在受到液體介質(zhì)壓力時(shí)產(chǎn)生的變形傳遞到模具中的粉料，粉料與模具壁的摩擦力小，坯體受力均勻，密度分布均勻，產(chǎn)品性能有很大提高。等靜壓成型的過程 1.初期成型壓力較小時(shí)，粉體顆粒遷移和重堆積階段。2.中期壓力提高，粉體局部流動(dòng)和碎化階段。3.后期壓力最大時(shí)，粉體體積壓縮，排出氣孔，達(dá)到致密化階段。等靜壓制過程可由以下工序構(gòu)成：借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)（如圖所示），高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉末上；粉末體在同一時(shí)間內(nèi)在各個(gè)方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯。

3、等靜壓制的基本原理等靜壓制原理圖1-排氣閥，2-壓緊螺母，3,-蓋頂，4-密封圈，5-高壓容器，6-橡皮塞，7-模套，8-壓制料，9-壓力介質(zhì)入口 在鋼模壓制過程中，無論是單向壓制還是雙向壓制都會(huì)出現(xiàn)壓塊密度分布不均勻的現(xiàn)象。 等靜壓制的基本原理單、雙向壓制的壓坯密度分布圖（a）單向壓制（b）雙向壓制討論壓力與密度分布及密度的關(guān)系等靜壓壓坯的密度分布沿縱斷面是均勻的。但是沿壓坯同一橫向斷面上，由于粉末顆粒間的內(nèi)摩擦的影響，壓坯的密度從外往內(nèi)逐漸降低。 等靜壓制的基本原理在等靜壓下不同直徑壓坯的密度分布圖 冷等靜壓力機(jī)主要由高壓容器和流體加壓泵組成。輔助設(shè)備有流體儲(chǔ)罐、壓力表、輸送流體的高壓管道

4、和高壓閥門等。冷等靜壓制（CIP） 冷等靜壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)及類型 等靜壓力機(jī)按照工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態(tài)可分成三種基本類型，即拉桿式、螺紋式及框架式。拉桿式結(jié)構(gòu)壓力容器是一整體鋼筒，外箍用熱套法箍套在壓力容器上結(jié)合成雙層結(jié)構(gòu)。容器上端開口以便于裝卸料。容器經(jīng)受的徑向壓力由筒體壁承受。工作室的縱向壓力傳遞給密封塞上被可移動(dòng)蓋板頂住。上橫板和下橫板由四個(gè)螺母連接于兩根拉桿共同承受軸向壓力。拉桿式壓力容器不能承受很高的單位壓力。 冷等靜壓制（CIP） 拉桿式壓力容器結(jié)構(gòu)1-螺母2-上橫板3-介質(zhì)輸入管4-蓋板5、6-密封塞7-拉桿8-壓力容器9-外箍10-下橫板螺紋式結(jié)構(gòu) 壓力容器裝卸料口是靠壓緊

5、螺母壓緊密封塞和密封墊圈來密封緊固的。工作室經(jīng)受的軸向壓力由壓緊螺母和筒體通過螺紋聯(lián)接來承受，工作室經(jīng)受的徑向壓力由筒體承受。 螺紋式結(jié)構(gòu)壓力容器承受流體壓力的大小，很大程度上取決于密封接口。 冷等靜壓制（CIP） 螺紋式壓力容器結(jié)構(gòu)圖1-筒體容器，2-密封塞，3-壓緊螺母，4-密封墊圈，5-圓環(huán)，6-支承環(huán)螺紋式容器在縱向受壓時(shí)不均勻的螺紋負(fù)荷是造成壓力容器破壞的主要因素冷靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具壓制。冷等靜壓制（CIP） 濕袋模具壓制 把無須外力支持也能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉末料，用橡皮塞塞緊密封袋口，然后套裝入穿孔金屬套一起放入高壓容器中，使模袋泡浸在液

6、體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。 濕袋模具壓制1-排氣塞，2-壓緊螺母，3-壓力塞，4-金屬密封圈，5-橡皮塞，6-軟模，7-穿孔金屬套，8-粉末料，9-高壓容器，10-高壓液體，11-棉花優(yōu)點(diǎn)：能在同一壓力容器內(nèi)同時(shí)壓制各種形狀的壓件；模具壽命長、成本低。主要缺點(diǎn)是需實(shí)現(xiàn)裝袋脫模過程自動(dòng)化。把高壓容器放置在大噸位壓力機(jī)的工作臺(tái)面上，壓力機(jī)的上沖頭將壓力施到高壓容器的蓋板，通過密封圈與活塞傳遞給容器內(nèi)的液體 ，借以產(chǎn)生較大的靜壓力壓縮模袋 ，從而把壓力均勻地傳遞給模袋 中的粉末料 使其成形。活塞與容器之間的密封靠壓蓋與活塞之間的彈性密封墊圈（塑料或軟金屬）受壓膨脹而將容器密封。冷等靜

7、壓制（CIP） 液壓鋼模濕袋模具壓制1-壓蓋，2-活塞，3-粉末，4-穿孔金屬套，5-液壓介質(zhì)，6-模袋，7-密封圈，8-高壓容器。裝置結(jié)構(gòu)簡單操作簡便、效率高。缺點(diǎn)是高壓容器的內(nèi)徑受到限制。有一種液壓鋼模等靜壓裝置也能進(jìn)行濕袋模壓。如圖示。一般只用來壓制小件制品和用于實(shí)驗(yàn)研究中壓制小件的樣品干袋式模具壓制 干袋固定在筒體內(nèi)，模具外層襯以穿孔金屬護(hù)套板 ，粉末裝入模袋內(nèi)靠上層封蓋密封。高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓。壓力除去后即從模袋取出壓塊，模袋仍然留在容器內(nèi)供下次裝料用。 冷等靜壓制（CIP） 生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，模具壽命較長。干袋式模具壓制圖1-上頂蓋，2-

8、螺栓，3-筒體，4-上墊，5-密封墊，6-密封圈，7-套板，8-干袋，9-模芯，10-粉末軟模壓制采用一種像流體一樣的軟質(zhì)材料作模具。壓形時(shí)，將粉末裝入彈性模具內(nèi)，然后將它裝入鋼模筒內(nèi)，就按一般鋼模壓制那樣在普通壓力機(jī)上進(jìn)行壓制。受壓完畢，卸去壓力即可從鋼模中的軟模袋內(nèi)取出壓塊。冷等靜壓制（CIP） 軟模成形1-鋼模沖頭，2-鋼模筒，3-塑料墊片，4-塑料軟模，5-粉料，6-下塑料墊片，7-鋼模下墊軟模起了模具和液體介質(zhì)傳壓的作用。壓坯形狀和尺寸的準(zhǔn)確性取決于軟模的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。常采用聚氯乙烯塑料作軟模材料。 軟模制作的工藝程序如下：冷等靜壓制（CIP） 原料粉末混合均勻塑料模從金屬模上剝下來塑

9、化處理混合料倒入有機(jī)溶劑形成料漿搪塑或浸漬至所需要的厚度金屬陰模或陽模電烘箱中預(yù)熱預(yù)熱至140170一般小型模具的預(yù)熱恒溫時(shí)間為35min，大件的預(yù)熱恒溫時(shí)間可擴(kuò)大到2030min冷卻電烤箱內(nèi)在160180溫度下保溫11.5h要考慮壓制松散粉末料的收縮和燒結(jié)后的收縮，選用模芯的尺寸必須比產(chǎn)品大；制品的內(nèi)徑只有燒結(jié)收縮而無壓制收縮，內(nèi)徑放大系數(shù)比外徑放大系數(shù)小。冷等靜壓制（CIP） 粉末料的工藝性能如流動(dòng)性、松裝密度、搖實(shí)密度、粒度分布等都直接影響壓制過程和壓坯的質(zhì)量，其中以粉末料的流動(dòng)性影響最大。多角形或不規(guī)則形的粉末容易壓得強(qiáng)度較高的壓塊。粉末料的適當(dāng)濕度有助于壓塊有較高的密度；但濕度過大（

10、超過4%）又使壓制過程中難以從模袋內(nèi)排除空氣，容易造成壓塊分層和在燒結(jié)時(shí)開裂。粉末料的準(zhǔn)備 濕袋式裝料過程示于右圖。模袋應(yīng)放置在電磁振動(dòng)臺(tái)上裝料，通過振動(dòng)器的振動(dòng)使粉末搖實(shí)均勻的分布。通常，第一次裝滿料后，振動(dòng)30s以后就可邊振邊裝，直至裝滿為止。冷等靜壓制（CIP） 濕袋式裝料機(jī)構(gòu)1-料桶，2-粉料，3-模袋，4-振動(dòng)臺(tái)裝料和密封抽氣 模袋一般用橡膠塞塞緊袋口，再用金屬絲扎緊密封，以防止液體滲入粉料。壓制密度高的壓坯時(shí)，通常要先排除粉料的中空氣，可采用注射器針插入橡皮塞內(nèi)用真空泵抽出。升壓卸壓的速度要掌握適當(dāng)，不宜太快。通常卸壓速度以5MPa/min為宜。冷等靜壓制（CIP） 壓制和脫模密封

11、（抽空）裝料模袋要套上多孔金屬管放置在等靜壓機(jī)的高壓容器內(nèi)介質(zhì)壓入容器卸壓回流關(guān)閉容器旋松放氣孔的螺釘保壓壓力直升到所需要的成形壓力旋緊放氣孔的螺釘脫模降低了制品的燒結(jié)溫度，改善了制品的晶粒結(jié)構(gòu)，消除了材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，提高了材料的致密度和強(qiáng)度。 熱等靜壓制（HIP） 熱等靜壓制原理及應(yīng)用 熱等靜壓制原理圖1-壓力容器，2-氣體壓力介質(zhì)，3-壓坯4-包套，5-加熱爐壓力介質(zhì)高溫和高壓下，這些粉末體被壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程。熱等靜壓法是消除制品內(nèi)部殘存微量孔隙和提高制品相對(duì)密度的有效方法。目前已有許多金屬粉末或非金屬粉末采用熱等靜壓法壓得接近理論密度值的制品和材料，如表所示

12、 熱等靜壓制（HIP） 硬質(zhì)合金是一種新型工具材料，廣泛應(yīng)用于鉆機(jī)的鉆頭、軋機(jī)的軋輥、拉拔模頭、人造金剛石用壓機(jī)頂錘、超高壓泵的泵體和柱塞、擠壓模的模嘴和各種切削工具等。采用熱等靜壓制技術(shù)制造硬質(zhì)合金，就可提高物理機(jī)械性能和使用壽命。熱等靜壓制（HIP） 應(yīng)用1 熱等靜壓法能夠生產(chǎn)高密度的金屬陶瓷氧化物、氮化物、硅化物以及復(fù)合特殊材料。這些材料是制取耐高溫噴管和火箭鼻錐、渦輪盤零件等的主要材料。其優(yōu)點(diǎn)是無需添加任何粘結(jié)劑便能獲得致密的氮化硅，材料（或零件）的各向同性均勻。硬質(zhì)合金與金屬陶瓷金屬粉末制品 自1971年出現(xiàn)用熱等靜壓法制造粉末高速鋼以來，熱等靜壓技術(shù)在金屬粉末制品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大

13、，例如生產(chǎn)特種鋼、高溫合金（即渦輪盤合金）、不銹鋼、鈦和鈹?shù)暮辖鸬取?隨著熱等靜壓機(jī)尺寸的擴(kuò)大和設(shè)備性能的完善，熱等靜壓制的粉末高速鋼錠的質(zhì)量每件已可達(dá)3000kg。 近年來人們十分重視采用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)渦輪盤，因?yàn)檫@樣能制出高性能的整體渦輪盤件，其性能和經(jīng)濟(jì)效果是一般方法無法相比的。熱等靜壓制（HIP） 應(yīng)用2放射性有毒物料的加工及其廢料的處理 原子能技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展需要用大量的核燃料和有毒物料，例如金屬鈾和鈹?shù)取０踩丶庸ぬ幚磉@些物料并將用后的廢料妥善收儲(chǔ)，以防止污染環(huán)境，消除對(duì)人類和自然界的危害具有重大意義。 早在20世紀(jì)50年代，國外就用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)大型致密（相對(duì)密度達(dá)99.

14、8%）的鈹件。近年來，人們又致力于研究用熱等靜壓技術(shù)處理原子能反應(yīng)堆排出的核廢料。處理的過程是將核廢料煅燒成氧化物并與性能穩(wěn)定的金屬陶瓷料混合，然后用熱等靜壓機(jī)將混合廢料壓制成致密體。這種致密體的化學(xué)性能最穩(wěn)定，是一種不發(fā)生裂變的晶體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和硬度都超過地球上任何一種巖石，深埋在地下能經(jīng)受地下水的浸蝕。 熱等靜壓制（HIP） 應(yīng)用3加熱元件的材料按設(shè)計(jì)的溫度范圍選定。當(dāng)爐子設(shè)計(jì)溫度為10001200時(shí)，可選擇Fe-Cr-Al-Co耐熱合金絲作發(fā)熱元件，它可在1230長期使用。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在1700以上時(shí)，可選擇鉬絲、石墨、鎢絲等作發(fā)熱元件，但這些材料需要在保護(hù)氣氛或惰性氣氛中工作。熱等靜壓制

15、（HIP） 除壓力容器外，容器內(nèi)的加熱爐是熱等靜壓機(jī)的重要部件，主要由加熱元件、熱電偶與隔熱屏組成。 爐內(nèi)加熱體的熱傳遞方式有三種形式：多帶輻射、單級(jí)自然對(duì)流、單級(jí)強(qiáng)迫對(duì)流，如圖所示。熱等靜壓制（HIP） 幾種熱傳遞形式的爐子1-輻射屏2-工件3-支架4-電極5-襯套6-加熱元件7-容器蓋8-風(fēng)扇燒結(jié)-熱等靜壓制過程是把經(jīng)模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機(jī)高壓容器內(nèi)，分別進(jìn)行脫蠟、燒結(jié)和熱等靜壓制，使工件的相對(duì)密度接近100%。熱等靜壓制（HIP） 燒結(jié)-熱等靜壓法 燒結(jié)-熱等靜壓制工藝過程示意圖 脫蠟（或其他成形劑）和燒結(jié)可在真空狀態(tài)下或在工藝確定的氣體（如氫、氮?dú)浠旌蠚猓⒓淄楸Ｗo(hù)下進(jìn)行。壓塊在同一爐體（壓力空器）內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和熱等靜壓制，壓塊在燒結(jié)后期直接施加高壓。它采用一種高溫下具有流體特性的石墨顆粒作為傳遞壓力的介質(zhì)以代替熱等靜壓制所用惰性氣體，這種石墨顆粒受到外力作用時(shí)，它的流體特性將作用力均勻傳遞給粉末壓塊而使之成為相對(duì)密度接近100%的零件。這一過程習(xí)慣稱之為準(zhǔn)等靜壓制。熱等靜壓制（HIP） 準(zhǔn)等靜壓工藝 準(zhǔn)等靜壓制工藝過程 熱石墨粒裝模；用機(jī)械手把熱的預(yù)成形坯插入石墨粒