粉末冶金新技術(shù)新工藝(已修改)

　

【正文】 11 粉末冶金新技術(shù)新工藝11．1概述粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金工藝的第一步是制取原料粉末，第二步是將原料粉末通過成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后處理制得成品。典型的粉末冶金產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線如圖111所示。粉末冶金的工藝發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此范疇而日趨多樣化，已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。 粉末冶金技術(shù)有如下特點(diǎn)： (1)可以直接制備出具有最終形狀和尺寸的零件，是一種無切削、少切削的新工藝，從而可以有效地降低零部件生產(chǎn)的資源和能源消耗； (2)可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷基復(fù)合材料的工藝技術(shù)； (3)可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如多孔含油軸承、過濾材料、生物材料、分離膜材料、難熔金屬與合金、高性能陶瓷材料等； (4)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料(如AlLi合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等)具有重要的作用； (5)可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和過飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能； (6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。 近些年來，粉末冶金有了突破性進(jìn)展，一系列新技術(shù)、新工藝大量涌現(xiàn)，例如：快速冷凝霧化制粉技術(shù)、機(jī)械合金化制粉技術(shù)、超微粉或納米粉制備技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、粉末注射成形、溫壓成形、粉末增塑擠壓、熱等靜壓、燒結(jié)／熱等靜壓、場活化燒結(jié)、微波燒結(jié)、粉末軋制、流延成形、爆炸成形、粉末熱鍛、超塑性等溫鍛造、反應(yīng)燒結(jié)、超固相線燒結(jié)、瞬時液相燒結(jié)、自蔓延高溫合成、噴射沉積、計(jì)算機(jī)輔助激光快速成形技術(shù)等。這些新技術(shù)有的賦予原傳統(tǒng)工藝步驟以新的內(nèi)容和意義，有的把幾個工藝步驟合為一步而成為一種嶄新的工藝。因此，使整個粉末冶金領(lǐng)域大大拓寬，并向著縱深方向發(fā)展。粉末冶金新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，不但使傳統(tǒng)的粉末冶金材料性能得到根本的改善，而且使得一批高性能和具有特殊性能的新一代材料相繼產(chǎn)生。例如：高性能摩擦材料、固體自潤滑材料、粉末高溫合金、高性能粉末冶金鐵基復(fù)合和組合零件、粉末高速鋼、快速冷凝鋁合金、氧化物彌散強(qiáng)化合金、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，高性能難熔金屬及合金、超細(xì)晶粒及涂層硬質(zhì)合金、新型金屬陶瓷、特種陶瓷、超硬材料、高性能永磁材料、電池材料、復(fù)合核燃料、中子可燃毒物、粉末微晶材料和納米材料、快速冷凝非晶和準(zhǔn)晶材料、隱身材料等。這些新材料都需要以粉末冶金作為其主要的或惟一的制造手段。 本章將簡要介紹粉末冶金的基本工藝原理和方法，重點(diǎn)介紹近年米粉末冶金新技術(shù)和新工藝的發(fā)展和應(yīng)用狀況。11．2霧化制粉技術(shù) 粉末冶金材料和制品不斷增多，其質(zhì)量不斷提高，要求提供的粉末的種類也愈來愈多。例如，從材質(zhì)范圍來看，不僅使用金屬粉末，也要使用合金粉末、金屬化合物粉末等；從粉末形貌來看，要求使用各種形狀的粉末，如生產(chǎn)過濾器時，就要求球形粉末；從粉末粒度來看，從粒度為500～。近幾十年來，粉末制造技術(shù)得到了很大發(fā)展。作為粉末制備新技術(shù)，第一個引人注目的就是快速凝固霧化制粉技術(shù)。快速凝固霧化制粉技術(shù)是直接擊碎液體金屬或合金并快速冷凝而制得粉末的片法。快速凝固霧化制粉技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地減少合金成分的偏析，獲得成分均勻的合金粉末。此外，通過控制冷凝速率可以獲得具有非晶、準(zhǔn)晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末。它的出現(xiàn)無論對粉末合金成分的設(shè)計(jì)還是對粉末合金的微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀特性都產(chǎn)生了深刻影響，它給高性能粉末冶金材料制備開辟了一條嶄新道路，有力地推動了粉末冶金的發(fā)展。 霧化法最初生產(chǎn)的是像錫、鉛、鋅、鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末，進(jìn)一步發(fā)展能生產(chǎn)熔點(diǎn)在1600～1700℃以下的鐵粉及其他粉末，如純銅、黃銅、青銅、合金鋼、不銹鋼等金屬和合金粉末。近些年，隨著人們對霧化制粉技術(shù)快速冷凝特性的認(rèn)識，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓寬，如高溫合金、AlLi合金、耐熱鋁合金、非晶軟磁合金、稀土永磁合金、CuPb和CuCr假合金等。 借助高壓液流(通常是水或油)或高壓氣流(空氣、惰性氣體)的沖擊破碎金屬液流來制備粉末的方法，稱為氣霧化或水(油)霧化法，統(tǒng)稱二流霧化法(圖112)；用離心力破碎金屬液流稱為離心霧化(圖113)；利用超聲波能量來實(shí)現(xiàn)液流的破碎稱為超聲霧化(圖114)。霧化制粉的冷凝速率一般為103～106℃／s。 11．2．1二流霧化 根據(jù)霧化介質(zhì)(氣體、水或油)對金屬液流作用的方式不同，二流霧化法具有多種形式： (1)垂直噴嘴。霧化介質(zhì)與金屬液流互呈垂直方向，如圖115(a)所示。這樣噴制的粉末一般較粗，常用來噴制鋁、鋅等粉末。 (2)V形噴嘴。兩股板狀霧化介質(zhì)射流呈V形，金屬液流在交叉處被擊碎，如圖ll5(b)所示。這種噴嘴是在垂直噴嘴的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，其特點(diǎn)是不易發(fā)生堵嘴。瑞典霍格納斯公司最早用此法以水噴制不銹鋼粉。 (3)錐形噴嘴。采用如圖115(c)所示的環(huán)孔噴嘴，霧化介質(zhì)以極高的速度從若干個均勻分布在圓周上的小孔噴出構(gòu)成一個未封閉的氣錐，交匯于錐頂點(diǎn)，將流經(jīng)該處的金屬液流擊碎。這種噴嘴霧化效率較高，但要求金屬液流對中好，而且由于霧化介質(zhì)高速射出時會在錐中形成真空，容易造成液滴反飛，并在噴嘴上凝固而堵嘴。(4)漩渦環(huán)形噴嘴。采用如圖115(d)所示的環(huán)縫噴嘴，壓縮氣體從切向進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔。然后高速噴出形成一漩渦狀錐體，金屬液流在錐頂被擊碎。 霧化介質(zhì)與金屬液流的相互作用既有物理機(jī)械作用，又有物理化學(xué)變化。高速氣體射流或水射流，既是使金屬液流擊碎的動力源，又是一種冷卻劑，就是說，一方面，在霧化介質(zhì)同金屬液流之間既有能量交換(霧化介質(zhì)的動能變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺?，又有熱最交換(金屬液滴將一部分熱雖轉(zhuǎn)給霧化介質(zhì))。不論是能量交換，還是熱量交換，都是一種物理機(jī)械過程；另一方面，液體金屬的黏度和表面張力在霧化過程和冷卻過程中不斷發(fā)生變化，這種變化反過來又影響霧化過程。此外，在很多情況下，霧化過程中液體金屬與霧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用使金屬液體改變成分(如氧化、脫碳等)，因此，霧化過程也就具有物理化學(xué)過程的特點(diǎn)。 在液體金屬不斷被擊碎成細(xì)小液滴時，高速射流的動能變?yōu)榻饘僖旱卧龃罂偙砻娣e的表面能。這種能量交換過程的效率極低，據(jù)估計(jì)不超過1％。目前，從定量方面研究二流霧化的機(jī)理還很不夠。霧化過程非常復(fù)雜。影響粉末性能(化學(xué)成分、粒度、顆粒形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等)的因素很多，主要有噴嘴和聚粉裝置的結(jié)構(gòu)、霧化介質(zhì)的種類和壓力、金屬液的表面張力、黏度、過熱度和液流直徑。顯然，霧化介質(zhì)流和金屬液流的動力交互作用愈顯著，霧化過程愈強(qiáng)烈。金屬液流的破碎程度取決于介質(zhì)流的動能，特別是介質(zhì)流對金屬液滴的相對速度以及金屬液流的表面張力和運(yùn)動黏度。一般來說，金屬液流的表面張力、運(yùn)動黏度值是很小的，所以介質(zhì)流對金屬液滴的相對速度是最主要的。粉末的形狀主要取決于液流的表面張力和冷凝的時間。金屬液流的表面張力大，并且液滴在凝固前有充足的球化時間，將有利于獲得球形粉術(shù)。圖116顯示了不同霧化方法所得到的粉末的照片。 氣體霧化法所用的霧化壓力一般為2～8MPa，制得的粉末粒徑一般為50～100mm，多為表面光滑的球形。近年來已發(fā)展了一種新的緊耦合(Close Coupled)氣體霧化噴槍，可以極大提高細(xì)粉率，粒徑為30～40mm的粉末可占75％左右，粉末的冷凝速度也相應(yīng)有了提高。超聲氣體霧化法(USGA)是氣體霧化技術(shù)中較為先進(jìn)的一種，(80~100kHz)脈沖氣流作為霧化介質(zhì)的。這種超聲氣流是用一系列哈脫曼(Hartman)沖擊波管產(chǎn)生。超聲氣體霧化法具有很高的霧化效率，例如，采用超聲氣體霧化