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. практикум / 
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 маги-
стратуры, обучающихся по различным профилям и програм-
мам в рамках направления «Металлургия». Он включает 
в себя двенадцать лабораторных работ, охватывающих методы 
формования металлических, металлоподобных и керамиче-
ских порошков, процессы прессования и спекания порошко-
вых образцов, а также влияние методов прессования и спека-
ния 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 оформ-
лению отчета, рекомендуемую литературу и контрольные во-
просы и задания.

В теоретических введениях к каждой лабораторной работе 

содержится информация, достаточная для осмысленного вы-
полнения студентами любого варианта, предложенного препо-
давателем.

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 металли-
ческих порошков в стальных пресс-формах и оценки влияния 
давления прессования на относительную плотность прессовок.

Прессование металлического порошка сопровождается 

уменьшением его габаритного объема при практически неиз-
менной массе, поэтому при увеличении давления прессова-
ния (Р) плотность (r) и соответственно относительная плот-
ность (J) формовки возрастают, а пористость снижается. Для 
описания данного процесса наиболее часто используют диа-
граммы прессования (рис. 1.1), представляющие собой зави-
симости 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 «струк-
турная деформация» (участок 1 на кривой, представленной 
на рис. 1.1). Уплотнение порошка на данном этапе в основ-
ном происходит путем перемещения частиц как целых объ-
ектов с минимальными деформациями в ограниченных 
объемах приповерхностных слоев (сглаживанием шерохова-
тостей, обламыванием выступов и т.п.), при этом внутренние 
объемы частиц не деформируются. Подобное явление может 
иметь место только при наличии пустот под «арками», об-
разовавшимися 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 подходя-
щая «арка». Кроме того, в процессе структурной деформации 
порошков с широким гранулометрическим составом более 
мелкие частицы заполняют поры между крупными. По за-
вершении этапа структурной деформации упаковка частиц 
становится достаточно плотной.

Второй этап идеализированного процесса уплотнения на-

зывается упругой деформацией. Он характеризуется увеличе-
нием площади контактов между частицами порошка при уве-
личении 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 пла-
стическая деформация, постепенно затрагивающая весь объ-
ем 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, поэто-
му 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 каж-
дого 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 превыша-
ющих давление, соответствующее переходу от структурной 
к упругопластической (или даже только упругой) деформа-
ции. Это связано с характером упругой деформации, исчезаю-
щей при снятии нагрузки, так что при увеличении давления 
прессования прироста плотности не наблюдается и одновре-

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

Среди 
многочисленных 
зависимостей, 
описывающих 

уплотнение порошков при прессовании, достаточно часто ис-
пользуется 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 пря-
молинейной 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 прессова-
ния контактное давление не постоянно, а растет с повышени-
ем давления, то кривая прессования имеет выпуклость вниз.

Показатель прессования m, численно равный тангенсу угла 

наклона прямой, характеризует затрудненность нарастания 
плотности (относительной плотности) при увеличении давле-
ния. 

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 аддитив-
ной 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 компо-
нентов выражается в долях единицы, то в числителе фор-
мулы (1.5) 100 меняется на 1.

1 

2 

3 

4 

5 

 
 
 
a 
 
 
б 

Рис. 1.4. Простейшие пресс-формы для прессования 

порошков: а – для одностороннего прессования;  

б – для двустороннего прессования; 1 – верхний пуансон;  

2 – матрица; 3 – порошок; 4 – нижний пуансон;  

5 – упругий элемент

Объем прессовки рассчитывается по формуле 

 

2
,
4
d
h
V
′
π⋅
⋅
′ =
 
(1.6)

где d – внутренний диаметр матрицы, см; h′ – высота формов-

ки, см (принимается равной 0,3d).

Следует иметь в виду, что при изменении давления прессо-

вания меняется высота формовки и, следовательно, ее плот-
ность и относительная плотность. Таким образом, величины 
J′ = 0,7 и h′ = (0,3)d следует рассматривать как условные зна-
чения, позволяющие рассчитать единую для выполняемых 
экспериментов массу навески порошка m′, оптимальную с точ-
ки зрения заполнения засыпной полости матрицы и размеров 
получаемых прессовок.

Рассчитанную по формуле (1.4) навеску порошка взвешива-

ют на лабораторных весах с точностью до 0,1 г.

Давление, развиваемое в пресс-форме, оценивают по мано-

метру, подключенному к напорному трубопроводу пресса. Не-
обходимое манометрическое давление рассчитывают по фор-
муле 

 

2

ман
пр
,
d
P
P
D


=





 
(1.7)

где Pпр – заданное давление в пресс-форме; d – внутренний 

диаметр матрицы; D – диаметр поршня рабочего гидроци-
линдра пресса (сообщается студенту преподавателем или 
учебным мастером). 

При использовании формулы (1.7) следует иметь в виду, 

что диаметры могут выражаться в любых удобных единицах 
измерения (мм, см или м), но при этом они должны быть оди-
наковыми. Учитывая, что шкалы манометров используемых 
лабораторных прессов проградуированы в кг/см2, заданное 
давление целесообразно также выражать в кг/см2, чтобы избе-
жать дополнительного пересчета при выполнении работы.

После прессования полученные прессовки взвешивают 

на аналитических весах с точностью до 0,001 г и измеряют их 
диаметр и высоту микрометром с точностью до 0,01 мм.

Результаты прессования оценивают по величине плотности 

(г/см3) и относительной плотности (%) полученных цилиндри-
ческих прессовок, которые рассчитывают по формулам (1.8 и 
1.9) соответственно:

 

ф
ф
ф
;
m

V
r
=
 
(1.8)

 
ф

м
100
r
J =
⋅
r
, 
(1.9)

где mф – реальная масса формовки после прессования, г; Vф – 

реальный объем формовки после прессования, см3; rм – 
плотность материала порошка, г/см3.