冷等静压成型机理

在常规机械模压成型过程中所发生的一系列规律，如颗粒排列、颗粒间的摩擦，力的传递，成型阶段的划分，成型压力与压坯密度或强度的关系、粉料体结构的变化以及成型后压坯的弹性后效等现象，也同样会发生在冷等静压成型过程中。

（1）升压过程

升压过程可分为三个阶段，对应于粉料压缩，可以划分为三个区域。

在第Ⅰ区域中，密度随压力的增加而急速增加。这是由于在这一区域内粉料的致密化主要是以孔隙充填为主。压制前，粉料填充密度低，颗粒之间往往形成“拱桥”现象，具有较大的孔隙，颗粒之间以点接触为主。在升压的初始阶段粉料颗粒克服颗粒间的接触阻力而产生位移，使粉料颗粒进行重排，如颗粒的移位、分离、滑动、转动等，此时颗粒处于点接触状态。在孔隙充填阶段所需的外力很小，而且压制前粉料中存在有大量的孔隙，所以在第I区域密度随压力的增加而急速增加。

在第Ⅱ区域内，随着压力增加，密度增加较慢。这是由于在第Ⅰ区域后期孔隙充填结束后，颗粒间孔隙变小，若要进一步消除孔隙，必然要通过颗粒的变形或碎裂充填到孔隙中去。随着压力的升高，颗粒的接触处产生变形，颗粒间形成了定的面接触。在颗粒问接触处，除继续发生弹性变形外，由于接触区域的应力超过材料的屈服极限或强度极限，颗楦会发生塑性变形或脆性碎裂。这时，在颗粒间的接触区域将会出现永久接触面，同时出现颗粒间的冷焊接和强有力的机械啮合现象。成型压力继续增加时，通过颗粒进一步的弹塑性变形和颗粒的破碎，颗粒间的永久接触面积将继续增大，冷焊接和机械啮合进一步增强。随着颗粒的变形和碎裂，颗粒间的孔隙不断减少，而且在颗粒变形的同时必然又引起颗粒的加工硬化，而加工硬化后的颗粒又更难进一步变形，因此随着压力增加，密度增加较慢。

在第Ⅲ区域，密度几乎不随压力增加而变化，这是因为，成型压力升高到定程度时，颗粒间的孔隙大大减少，颗粒的塑性变形受到限制，而且颗粒加工硬化严重，颗粒更难进一步变形;在颗粒接触区的面积很大的情况下，外压力被刚性接触面支撑，故颗粒表面或内部残存的微小孔隙很难消除，惟一的方式是颗粒碎裂以便进一步消除残存孔隙，提高密度。最终，颗粒之间仅存为数很少的较小孔隙，颗粒之间基本上都处于面接触，整个粉体呈现以体积弹性压缩为主的变形特征。

升压过程的三个阶段，没有明显的界限，而且致密化方式（孔隙充填、颗粒变形、颗粒碎裂）并非各阶段独有，实际上，这些变化过程往往是同时进行的，不过在成型初期是以颗粒的位移为主，而成型后期则主要是颗粒的变形、碎裂为主。

对于陶瓷粉料来说，在升压的初始阶段，粉料颗粒以位移、重排为主；当压力增大时，颗粒间会出现强有力的机械啮合;当压力继续增大时，颗粒间接触区域的应力超过材料强度极限，颗粒发生脆性碎裂，碎裂产生的小颗粒接着进行位移、重排，使颗粒间的孔隙得到进一步填充，孔隙基本消失，坯体达到致密成型压力升高到一定程度时，坯体体积基本不会发生变化，这时升高压力只会引起坯体内应力增加，对坯体致密化没有作用，反而会在泄压的弹性后效时使坯体现层裂、 掉角等副作用。

（2）保压过程

在冷等静压成型过程中，应力的传递需进行充分。如果升压过快，并且达到最高成型J卡力后立即泄压，则粉料可能得不到充分的片实，往往使压蚽芯部较外层松软得多。这是因为在成型期间，粉料颗粒之间的位移和颗粒本身的变形均需要一定时间。而且应力是从最外层逐渐向内部传递。 保压可增加颗粒的变形，从而可提高粉料压还的密度， 一般可提高2-3%。 保压后，塑性好的软粉料压还的密度增加量要大千硬脆粉料压蚽的密度增加蜇。

在实际生产中，保压时间是根据压还的截面尺寸来确定的，保压时间过长，浪费时间，影响下作效率，而且会影响压机的使用寿命。在保证应力传递充分，粉料充分压实的基础上，保压时间越短越好。一般来说，成型截面尺寸大的压坯保压时间要相对长些，对于小还体，保压时间相对短些。

（3）泄压过程

在冷等静压成型工艺中，泄压速度是个十分重要的工艺参数。如果泄压速度控制不当，就可能导致还体产生开裂。主要原因如下:

a. 压坯中的气体膨胀。如果塑性包套内的粉料在压前没有除气，则在成型期间，被截留在粉料颗粒之间的气体随着粉料颗粒间孔隙体积的减小，压力逐渐升高，一般可达0.5-lMPa。在泄压过程中，若压力介质的压力高于粉坯颗粒间孔隙中的气体压力，这些被截留的气体不会逸出还体的表面，而当压力介质的压力降到低于压坯残留孔隙中的气体压力时，压还中的气体压力就会由表及里趋于与外界压力达到平衡，从而形成气体从压还内部的孔隙向压还表面迁移的趋势。如果塑性包套外面压力介质的压力突然大幅度降低，压缩在粉料压坯孔隙内的气体也就会随之突然膨胀。这种突然膨胀过程，往往会导致强度低的粉料压坯出现开裂现象。

如果在压前将模具内粉料颗粒之间的气体抽空，不但可以缩短成型后的泄压时间，而且也可以避免因其突然膨胀而引起的压坯开裂现象。

b. 压坯的弹性后效。 包套中的粉料成型成坯体后，在泄压过程中，由于内应力的作用，会导致坯件体积的弹性胀大，即称之为弹性后效。当泄压速度合理，最终使压坯体积各向均匀胀大。如果泄压速度过快，压坯的弹性后效在瞬间迅速发发生，容易失去平衡， 导致坯件薄弱的地方出现分层或开裂。为了避免因弹性效而引起的压坯裂纹和分层现象，在泄压中，控制泄压速度， 使弹性后效发生的过程尽量缓慢而均匀，特别是压制脆性粉料或形状复杂、壁厚相差悬殊的制品时，在泄压中发生的弹性后效对泄压快慢十分敏感。

c. 塑性包套的弹性回复。 塑性包套在升压过程中，随着粉料的压缩，处于压缩或拉伸状态，从而贮有一定弹性能，其大小与包套壁厚薄和弹性变形成正比，这种弹性能是导致压坯开裂的主要动力之一。在泄压过程中，随着压力的降低，贮存在包套中的弹性能必然被释放出来，使包套从紧贴着坯体时被压缩的状态，逐渐恢复到原始状态，压坯在弹性后效作用下膨胀，被压缩在压坯中的气体也同时逸出到压还表面。在这三个力的作用下，包套与压坯发生分离，压坯内刚性芯模也发生分离。如果泄压速度控制不当，包套与压坯各部位间的分离不能同时发生，将会造成包套对压坯作用不均匀的作用力，使压坯发生碎裂。

从以上冷等静压技术的成型机理可以看出，升压、保压、泄压等三个过程直接影响坯体冷等静压技术成型的质量和性能。