粉末冶金新技术.docx

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粉末冶金新技术

粉末冶金新技术

摘要

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。

既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。

随着科学技术的不断发展，粉末的制备，成型，烧结等方面都有了许许多多的新技术。

关键词：

粉末冶金粉末制备新技术成型新技术烧结新技术

一、粉末制备新技术

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.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。

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.软磁金属复合粉制备

目前软磁复合材料已得到广泛应用。

它们是在纯铁粉颗粒上包覆一层氧化物或热固化树脂进行绝缘而制成的。

在低频应用中,采用粗颗粒铁粉与热固化树脂混合,获得高磁导率与低铁损的材料。

高频应用时,颗粒间需要更有效地进行绝缘,因而粒度要更小,以进一步减少涡流损失。

它可制成各向同性的软磁复合部件，但不需要高温烧结。

粉末晶粒度增大时,磁导率增大,矫顽力降低。

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。

目前，该法已用于生产SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物纳米粉。

该法生产的纳米粉末成本十分低廉，按年产100吨纳米粉估算,每公斤纳米粉的成本不会高于50美元。

4.激光生产纳米粉末

美国采用普通搅拌器、激光与便宜的反应材料,可快速、便宜、干净地生产1～100nm的银粉与镍粉。

例如,将硝酸银溶液与一种还原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。

当激光脉冲射到液体时，形成极小的“热点”,使硝酸银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。

通过改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。

该法生产速度为0.5-30g/min,比其他纳米粉末制备方法生产率高。

本方法所用反应材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。

用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。

5.电爆炸金属丝制取纳米粉

大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上,并受到大功率脉冲产生的特殊场约束。

柱形等离子体被加热到15000Ｋ以上高温,因而电阻剧增,引起特殊场崩溃。

金属蒸气的高压引起爆炸,产生冲击波,形成的金属气溶胶快速绝热冷却,制得纳米粉。

此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉.这些粉末可用于推进剂、炸药、烟火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催化剂、合成有机金属化合物等。

6.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10～20nm的粉末,化学纯度高,表面氧化物低于10%～15%。

也可生产氧化物粉末,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。

7.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,直径约为2～3nm。

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。

二、粉末冶金成型新技术

1.动磁压制技术

原理:

将粉末装于一个导电的容器（护套）内,置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,其磁能积可提高15%-20%。

动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。

对于象Ｗ、ＷＣ与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制可达到较高的密度,从而降低烧结收缩率。

目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。

2.高速压制

瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。

这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。

高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快500～1000倍,其压头速度高达2～30m/s,因而适用于大批量生产。

液压驱动的重锤（5～1200kg）可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。

重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。

高速压制的另一个特点是产生多重冲击波，间隔约03s的一个个附加冲击波将密度不断提高。

这种多重冲击提高密度的一个优点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。

高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套及轴承座圈等产品。

与传统压制相比,高速压制的优点是：

压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；

压制件抗拉强度可提高20%～25%；

高速压制压坯径向弹性后效很小,脱模力较低；

高速压制的密度较均匀,其偏差小于0.01g/cm3。

3.温压成型技术

温压技术是近几年新发展的一项新技术。

它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型技术。

温压技术的特点：

能以较低成本制造出高性能粉末冶金零部件；提高零部件生坯密度和高强度，便于制造形状复杂以及要求精密的零部件、产品密度均匀。

温压技术研究和开发的核心：

预合金化粉末的制造技术；

新型聚合物润滑剂的设计；

石墨粉末有效添加技术；

无偏析粉末的制造技术；

温压系统制备技术。

温压技术主要适合生产铁基合金零件。

同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。

由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造机械制造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。

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以流向各个角落而不产生裂纹。

流动温压工艺主要特点如下:

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）简化了工艺,降低了成本。

4.冷成形工艺

美国开发出一种能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。

此工艺称之为“冷成形粉末冶金”。

它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料靴技术,在压力下精确地将粉末注入模中。

加压输送的进料靴使粉末填充更加均匀,而活性溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊效应。

采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。

此工艺采用包覆粉末。

但许多市售的金属或非金属粉末也可使用。

目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件。

在普通烧结技术的基础上，通过改进加热源、施加外力等作用在较短的时间里使粉体致密化的过程，主要有微波烧结技术和电火花烧结技术等。

三、烧结新技术

1.微波烧结技术

微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。

它热效率高，可急速