Процессы порошковой металлургии

Москва  2021

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

«МИСиС»

ИИСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

ПРОЦЕССЫ ПОРОШКОВОЙ  
МЕТАЛЛУРГИИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4423

УДК 621.76 
 
П78

Р е ц е н з е н т 

д-р техн. наук, проф. Е.В. Богатырева

А в т о р ы :  

В.Ю. Лопатин, Ж.В. Еремеева, Е.И. Пацера,  

П.А. Логинов, М.Я. Бычкова, В.Г. Чурин

П78  
Процессы порошковой металлургии : лаб. практи
кум / В.Ю. Лопатин [и др.]. – Москва : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2021. – 110 с.

Лабораторный практикум включает описание семи работ по 

формованию порошков различными способами, из них четыре – по 
прессованию металлических порошков, а также пять лабораторных работ по спеканию различных порошков в печах.

Практикум предназначен для студентов, обучающихся в бака
лавриате и магистратуре по различным профилям направлений 
подготовки 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия».

УДК 621.76 

 Коллектив авторов, 2021
 НИТУ «МИСиС», 2021

Содержание

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Лабораторная работа № 1. Изучение влияния давления 
прессования на уплотнение металлических порошков . . . . . . 6

Лабораторная работа № 2. Определение потерь усилия 
прессования на преодоление внешнего трения  . . . . . . . . . . . 18

Лабораторная работа № 3. Изучение распределения  
плотности по объему прессовки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Лабораторная работа № 4. Определение величины  
упругого последействия и давления выталкивания  
при прессовании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Лабораторная работа № 5. Изучение процесса  
формования металлических порошков в гидростате . . . . . . . 44

Лабораторная работа № 6. Изучение процесса  
формования металлических порошков  
в толстостенных эластичных оболочках  . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Лабораторная работа № 7. Изучение процесса шликерного 
формования керамических материалов в пористых 
адсорбирующих формах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Лабораторная работа № 8. Изучение спекания 
однокомпонентных порошковых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Лабораторная работа № 9. Изучение твердофазного  
спекания порошковых систем с неограниченной 
растворимостью компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Лабораторная работа № 10. Изучение твердофазного 
 спекания порошковых систем с невзаимодействующими 
компонентами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Лабораторная работа № 11. Изучение жидкофазного  
спекания порошковых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Лабораторная работа № 12. Изучение процесса спекания 
керамических материалов, полученных шликерным 
формованием  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Приложение. Таблицы стандартных величин . . . . . . . . . . . 106

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум «Процессы порошковой метал
лургии» предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по различным профилям и программам в рамках направления «Металлургия». Он включает 
в себя двенадцать лабораторных работ, охватывающих методы 
формования металлических, металлоподобных и керамических порошков, процессы прессования и спекания порошковых образцов, а также влияние методов прессования и спекания на плотность образцов.

Каждая лабораторная работа содержит цель, теоретическое 

введение, описание используемых методик и оборудования, 
порядок выполнения работы с указаниями по охране труда, 
требования по обработке результатов экспериментов и оформлению отчета, рекомендуемую литературу и контрольные вопросы и задания.

В теоретических введениях к каждой лабораторной работе 

содержится информация, достаточная для осмысленного выполнения студентами любого варианта, предложенного преподавателем.

Лабораторная работа № 1 

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ 
ПРЕССОВАНИЯ НА УПЛОТНЕНИЕ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ 

(4 часа)

1.1. Цель работы

Приобретение навыков работы на лабораторных гидравличе
ских прессах, осуществления одноосного прессования металлических порошков в стальных пресс-формах и оценки влияния 
давления прессования на относительную плотность прессовок.

Прессование металлического порошка сопровождается 

уменьшением его габаритного объема при практически неизменной массе, поэтому при увеличении давления прессования (Р) плотность (r) и соответственно относительная плотность (J) формовки возрастают, а пористость снижается. Для 
описания данного процесса наиболее часто используют диаграммы прессования (рис. 1.1), представляющие собой зависимости r = f (P) или J = f (P).

ϑ0

P

ϑ

1
2
3

0

Рис. 1.1. Идеализированная кривая уплотнения порошков 

пластичных металлов: 1 – структурная деформация;  

2 – упругая деформация; 3 – пластическая деформация

Идеализированная кривая уплотнения пластичных порош
ков при прессовании в пресс-форме имеет три характерных 
этапа (рис. 1.1). 

Наиболее интенсивное уплотнение порошка наблюда
ется в самом начале процесса при небольших давлениях 
прессования. Этот первый этап получил название «структурная деформация» (участок 1 на кривой, представленной 
на рис. 1.1). Уплотнение порошка на данном этапе в основном происходит путем перемещения частиц как целых объектов с минимальными деформациями в ограниченных 
объемах приповерхностных слоев (сглаживанием шероховатостей, обламыванием выступов и т.п.), при этом внутренние 
объемы частиц не деформируются. Подобное явление может 
иметь место только при наличии пустот под «арками», образовавшимися при засыпке порошка, в которых частицы 
могут разместиться. Очевидно, что размеры пустот должны 
превышать размеры частиц. В ходе структурной деформации 
перемещение частиц неравномерное, поскольку не все они 
находятся в равных условиях, не у всех рядом есть подходящая «арка». Кроме того, в процессе структурной деформации 
порошков с широким гранулометрическим составом более 
мелкие частицы заполняют поры между крупными. По завершении этапа структурной деформации упаковка частиц 
становится достаточно плотной.

Второй этап идеализированного процесса уплотнения на
зывается упругой деформацией. Он характеризуется увеличением площади контактов между частицами порошка при увеличении нагрузки на них и возвратом к исходным значениям 
при снятии нагрузки (что показано на рис. 1.1 соответственно 
пунктирной и сплошной линиями). Таким образом, на данном 
этапе частицы порошка интенсивно сопротивляются сжатию.

На границе второго и третьего этапов прессования напря
жения на контактах становятся равными пределу текучести 
материала или превышают его, после чего начинается пластическая деформация, постепенно затрагивающая весь объем каждой частицы порошка. Этап пластической деформации 
также сопровождается существенным нарастанием плотности 
формовок.

Следует иметь в виду, что реальная кривая уплотнения пла
стичных порошков отличается от идеализированной тем, что 
этапы упругой и пластической деформации сливаются, поэтому можно говорить об этапе упругопластической деформации 
(рис. 1.2).

ϑ0

P

ϑ

1
2

0

Рис. 1.2. Реальная кривая уплотнения порошков 

пластичных металлов: 1 – структурная деформация;  

2 – упругопластическая деформация

Причина этого заключается в том, что порошковая формов
ка состоит из множества отдельных компактных тел, для каждого из которых пластическая деформация должна следовать 
за упругой. Однако, поскольку частицы имеют различные 
размеры, находятся в различном напряженном состоянии, 
переход от упругой к пластической деформации будет в них 
не одновременным, что в масштабе всей прессовки приведет 
к наложению одного этапа на другой.

Уплотнение малопластичных и хрупких порошков обычно 

заканчивается при давлениях, равных или слегка превышающих давление, соответствующее переходу от структурной 
к упругопластической (или даже только упругой) деформации. Это связано с характером упругой деформации, исчезающей при снятии нагрузки, так что при увеличении давления 
прессования прироста плотности не наблюдается и одновре

менно возрастает вероятность разрушения прессовки из-за образования трещины, ориентированной перпендикулярно оси 
приложения нагрузки.

Среди 
многочисленных 
зависимостей, 
описывающих 

уплотнение порошков при прессовании, достаточно часто используется логарифмическое уравнение (1.1), выведенное 
М.Ю. Бальшиным в середине XX в.:

 
max
lg
lg
lg
,
P
m
P
= −
⋅
b +
  
(1.1)

где P – текущее давление прессования; Pmax – максимальное 

давление, при котором достигается беспористое состояние 
порошкового материала; b – относительный объем (b = 1/J); 
m – показатель прессования.

Реже встречаются другие формы записи уравнения Баль
шина (1.2 и 1.3):

 
max
lg
lg
lg
;
P
m
P
=
⋅
J+
 
(1.2)

 
max
.
m
P

P
= b
 
(1.3)

В логарифмических координатах lg P–lg b зависимость, 

описываемая уравнением (1.1), представляет собой прямую 
линию (рис. 1.3).

lgP

lgβ

lgPmax

tgα = m
α

0

Рис. 1.3. Графическая интерпретация логарифмического 

уравнения М.Ю. Бальшина

Однако в реальных условиях прессования различных по
рошковых материалов часто наблюдаются отклонения от прямолинейной зависимости. В случае, когда поверхностные слои 
частиц порошка имеют более высокую твердость по сравнению 
с внутренним объемом, что может быть связано с окислением 
или наклепом поверхностного слоя, кривая прессования, как 
правило, имеет выпуклость вверх. Если в процессе прессования контактное давление не постоянно, а растет с повышением давления, то кривая прессования имеет выпуклость вниз.

Показатель прессования m, численно равный тангенсу угла 

наклона прямой, характеризует затрудненность нарастания 
плотности (относительной плотности) при увеличении давления. 

9.3. Оборудование и методика

Прессование порошков проводят на ручном гидравличе
ском прессе П-50, МГП-20 или ПГПР в стальной пресс-форме 
по односторонней или двухсторонней схеме (рис. 1.4). 

Массу навески порошка (m′) для получения прессовок рас
считывают по формуле 

 
,
м
m
V
′
′
′
=
⋅r ⋅J   
(1.4)

где V′ – объем прессовки, см3; rм – плотность материала порош
ка (табличная, пикнометрическая или аддитивная), г/см3; 
J′ – относительная плотность (принимается равной 0,7).

В случае прессования смесей порошков различной природы 

вместо плотности материала rм используют величину аддитивной плотности (г/см3), рассчитываемую по формуле 

 
адд
100
,
...

A
B
C

A
B
C
r
=
+
+
+
r
r
r

 
(1.5)

где A, B, C – содержание компонентов A, B и C, соответствен
но, % масс.; rA, rB, rC – плотности (пикнометрические 
плотности) компонентов, г/см3. Если содержание компонентов выражается в долях единицы, то в числителе формулы (1.5) 100 меняется на 1.