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1、粉末冶金新技术摘要本文主要从粉末冶金的基本工艺过程阐述粉末冶金工业今年出现的新工艺，粉末冶金的制粉， 成型，烧结等方面论述了粉末冶金的新工艺以及这些工艺的特点及相关应用，论述粉末冶金的新工艺的发展方向关键字： 粉末冶金、新技术、粉末冶金工艺1. 引言粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。 由于粉末冶金技术的优点， 它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用粉末冶金是一门新兴的材料制备技术。近代
2、粉末冶金兴起于19 世纪末 20世纪初。至 20 世纪 30 年代, 粉末冶金整套技术逐步形成, 工业生产初具规模 , 对工艺过程及其机理的研究也取得了一定成果。20世纪中期 , 粉末冶金生产技术发展迅速 , 产品应用领域不断扩大 , 成为现代工业的重要组成部分。 并在此基础上, 为适应科学技术飞速发展对材料性能和成形技术提出的更高要求, 开发了多项粉末冶金新工艺 , 包括: 热等静压、燃烧合成、快速凝固、喷射成形、机械合金化、粉末注射成形、 温压成形、快速全向压制、 粉末锻造、热挤压、爆炸。2. 粉末冶金新技术 - 制粉2.1 雾化法制备金属粉末 - 低氧含量铁粉生产在无氧气氛中进行 , 并
3、包含一些石蜡 , 这些分解为碳与氢。 碳与铁反应 , 形成很薄的富碳表面层。碳含量使颗粒的延性降低, 但提高了表面的烧结活性。在粉末压块中 , 碳易于扩散到颗粒中心及相邻的颗粒中, 因而可用于生产不需添加石墨的粉末冶金钢。 瑞典 IPS 钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉, 其氧含量低于 (0.015%) 。对于粉末冶金应用来说 , 这种无氧粉末允许使用便宜的合金元素( 铬和锰等 )代替镍和铜。 镍作为战略性资源， 不但价格昂贵， 并且还是一种致癌物 , 应尽量避免使用。这种粉末也很适合于用温压与热等静压工艺来生产高强度部件。2.2 烧结硬化粉为提高烧结钢的力学性能 , 通常在烧结后还须进行热处理。
4、 为降低生产成本 ,开发了许多烧结后已硬化、 不须再进行热处理的材料。 美国 Hoeganaes公司推出了一种烧结硬化铁基粉末Ancoresteel737SH, 其淬透性与压缩性均比现有的烧结硬化材料高。利用烧结硬化粉可生产不需要再淬火或很少再淬火和回火的粉末冶金零件；除降低成本外 , 烧结硬化可提供更好的公差控制( 淬火和回火常引起一定程度的变形 ) 。这种粉末可用于汽车工业, 特别适用于发动机部件 , 传动部件及近终形齿轮等。2.3 燃烧火焰 - 化学气相法生产纳米粉末采用燃烧火焰 - 化学气相法生产纳米粉末。在此法中, 稳定的平头火焰是由低压燃料 / 氧气混合气的燃烧产生的。 化学母体与
5、燃料一起导入燃烧室, 在火焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室表面温度分布良好, 气相逗留时间短以及化学母体浓度均匀 , 并在很窄的热区进行热分解, 因而能生产出粒度分布集中的高质量的纳米粉。2.4 机械化学法生产廉价的纳米粉末澳大利亚开发出一种机械化学法, 可廉价生产纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学反应 , 使形成极细的纳米金属或化合物晶粒, 再分离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3, 由钠、钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当洗涤法去除氯化物后, 便可得到纳米铁颗粒。这一方法可成功生产1020nm的粉末 , 化学纯度高 , 表面氧化物低于 10% 15% 。也可生产氧化物
6、粉末 , 粒度小于 5nm 。潜在高技术应用 : 切削工具、先进陶瓷、高密度磁记录介质、磁流体、催化剂等。2.5 声化学制取纳米金属粉美国科学家采用声化学技术制取纳米金属粉。声化学是研究液体中高强度超声波产生的小气泡的形成、长大与内向破裂等现象的学科。这些超声波气泡的破裂 , 产生很强的局部加热而在冷液中形成“热点”, 瞬时温度约为 5000, 压力约 1GPa,持续时间约 10 亿分之一秒。粗略而形象地说 ,上述这些数据相当于太阳的表面温度, 大洋底部的压力 , 闪电的时间。当气泡破裂时, 气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金属原子, 而后聚集为原子簇。 这些原子簇含有几百个原子, 直径
7、约为 23nm 。这些小的磁性金属原子簇 , 像顺磁体材料一样 , 磁矩由原子簇的原子自旋构成, 且所有自旋均在同一方向上, 因而磁矩比普通材料高100 多倍。包覆这些颗粒可形成稳定铁胶体 , 颗粒永远处于悬浮态 , 现已作为“磁流体”工业化生产, 用于扬声器 , 磁性墨水 , 磁流体密封 , 润滑剂 , 轴承, 医学等。2.6 机械合金化机械合金化是一种用高能球磨法制取粉末新材料的技术, 可以合成常规方法难以合成的偏离平衡态的不可能的合金 ( ImpossibleAlloys) 。一些形成热为正的材料系、在液相和固相都不互溶及熔点相差悬殊的合金材料, 可以通过机械合金化制取。机械合金化可以显
8、著提高固溶度, 例如, 鋯在铝中 500 的固溶度( 平衡态 ) 只有 0. 5%( 质量分数 ) , 而通过机械合金化可达20. 19%。概括起来, 机械合金化在科学技术上的价值, 在于通过下述机理研制各种新型料:1) 细化弥散相 ;2) 细化颗粒或晶粒使其达到纳米级;3) 使有序金属无序化 , 转变成非晶态 ;4) 增大固溶度 , 使在液态和固态均不互溶及熔点相差悬殊的金属形成合金 ;5) 在低温下引发化学反应。 机械合金化技术起初是为制取氧化物弥散强化和相沉淀硬化的镍基高温合金而开发的, 随后发展成为生产各种弥散强化镍基、钴基、铁基、钛基和铝基粉末材料的系统方法。3. 粉末冶金成型新工艺
9、3.1 粉末锻造20世纪 60年代末出现的粉末锻造 , 是对铁基粉末冶金材料和零件制造技术的重大突破。它将粉末冶金工艺与精密锻造相结合, 使机械零件达到全致密和获得高性能成为可能 , 适合制造力学性能高的铁基结构零件, 因而增加了粉末冶金机械零件的品种 , 扩大了应用领域。粉末锻造过程中 , 被加热到锻造温度的粉末压坯产生物质流动 , 填充阴模模腔 , 可成形具有较复杂形状的零件。粉末锻造最初见于 1941 年, 当时以海绵铁粉压坯通过热锻制成高射炮的弹药供给棘爪, 其密度为 7. 8g/ cm3 。但此后 20 年间, 这项技术无甚进展。直到1968年, 美国 GM 汽车公司研制成功粉末锻造
10、后桥差速器齿轮, 并于 1970 年与 Cincinnati公司合作建立世界上第一条粉末锻造自动生产线, 粉末锻造才重新兴起。但是, 在从实验室转向工业生产时, 由于受粉末质量、 模具寿命、缺乏专用设备等条件的制约 , 以及主机厂对粉末锻造零件能否承受繁重负荷怀有疑虑, 延缓了粉末锻造的发展。至 80 年代中期 , 全球汽车工业的高速发展为粉末热锻技术提供了机遇, 而且上述问题也逐一得到解决, 才使粉末锻造零件生产规模明显扩大。粉末锻造主要用于生产汽车零件, 如: 发动机连杆、变速器凸轮、轴承圈、同步器齿环、发动机阀座、离合器毂、链锯链轮、棘轮、手动扳手, 以及各种齿轮, 等等。 汽车连杆是发
11、动机中承受强烈冲击和高动态应力的典型零件, 粉末锻造连杆可靠性高 , 已在大量使用中得到证明。 粉末锻造技术由于其产品性能和经济上的优势 , 发展前景令人乐观。3.2 动磁压制技术将粉末装于一个导电的容器(护套) 内, 臵于高强磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流, 线圈腔中形成磁场 , 护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用, 产生由外向内压缩护套的磁力, 因而粉末得到二维压制。整个压制过程不足1ms 。动磁压制的优点：由于不使用模具, 成型时模壁摩擦减少到0，因而可达到更高的压制压力有利于提高产品，并且生产成本低； 由于在任何温度与气氛中均可施压 , 并适用
12、于所有材料 , 因而工作条件更加灵活； 由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂 , 因而成型产品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。许多合金钢粉用动磁压制做过实验, 粉末中不添加任何润滑剂, 生坯密度均在 95% 以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结, 其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化, 由粉末材料一次制成近终形定子与转子 , 从而获得高性能产品 , 大大降低生产成本。 动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高, 其
13、磁能积可提高 15%-20% 。3.3 热等静压热等静压是在冷等静压 ( CIP) 基础上发展起来的。冷等静压又称液静压或水静压 , 出现较早。 1913年, MADDEN获冷等静压技术的专利。 1936 年, 美国应用冷等静压技术制造钨钼条材, 1942 年用于制造钨钼管材。此后不久, 德国应用冷等静压技术制造大型钨制品。1935年以后陶瓷工业在广泛应用冷等静压技术生产火花塞的瓷绝缘子和压电陶瓷等特殊陶瓷制品。前西德在 20 世纪 70 年代用冷等静压制造出d300mm1400mm、质量为 140kg的异形不锈钢过滤器 , 以及超大型绝缘电瓷。 冷等静压能够成形凹形、 空心和长细比大等复杂形
14、状坯件, 坯件密度均匀 , 强度较高 , 在粉末冶金成形工艺中占有重要地位。我国在 20世纪 50年代末建立了冷等静压实验装臵。热等静压技术则在开发新材料和改进现有材料方面大显神威。已用热等静压制造和处理的材料有 : 工具钢、高温合金、硬质合金、稀土永磁、弥散强化和纤维强化铝合金、钛合金、铍、难熔金属、复合材料, 等等。此外 , 热等静压技术还用来消除铸锭内部缺陷和修复贵重部件。3.4 流动温压技术流动温压技术以温压技术为基础, 并结合了金属注射成形的优点, 通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性 , 这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量
15、来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过两种方法来实现：第一种方法是向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中, 从而提高了混合粉末的松装密度。第二种方法是比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂 , 但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后 , 混合粉末在压制中就转变成一种填充性很高的液流体。将上述两种方法结合起来 , 混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体 , 它既具有液体的所有优点, 又具有很高的黏度。 混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可
16、以流向各个角落而不产生裂纹。流动温压工艺， 可成形零件的复杂几何形状。 国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件, 如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高, 经温压后的半成品密度可以达到很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性, 由此得到的材料密度也更加均匀。 适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢 316L 粉、纯 Ti 粉和 WC-Co 硬质合金粉末。 原则上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能, 以便达到所要求的密度和性能，简化了工艺 , 降低了成本。3.5 喷射成型喷射成形或称雾化沉积 , 是制造金属材料的一种新技术。 喷射成形技术的创新在于 , 将液态金属雾化 ( 快速凝固 ) 与雾化熔滴沉积 ( 熔滴动态致密固化 ) 结合, 在一步冶金操作中直接将液态金属转化为一定形状的、具有快速凝固组织、整体致密 ( 相对密度可高达 99. 5%99. 8%) 的高性能材料成形坯或半成形坯。喷射成形不但可明显改善材料组织, 而且材料受污染少。
