粉末冶金新技術新工藝(更新版)

　　

【正文】 簡體內，模具外層襯以穿孔金屬護套板，粉末裝人模袋內靠上層封蓋密封。等靜壓力機按照工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態可分成三種基本類型，即拉桿式、螺紋式及框架式。11．8．1冷等靜壓制 冷等靜壓力機主要由高壓容器和流體加壓泵組成。因此，在進行熱壓模具沒計時，除了要保證溫度外，要特別注意溫度分布的均勻性。原則上，凡是用一般方法能制得的粉末零件，都適于用熱壓方法制造，尤其適于制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。模具和粉末的溫度一定要均勻和穩定，一般控制在177。在材料達到同等密度的前提下，溫壓工藝的生產成本比粉末鍛造低75％，比復壓／復燒低25％，比滲銅低15％。此外，由于PIM技術所用的粉來一般較細，產品燒結后可以達到很高的密度，因此，PIM產品的力學性能一般優于粉末冶金模壓和精密鑄造產品。由德國BASF公司開發的黏結劑及其催化脫脂技術是目前應用于工業化生產中最先進的脫脂技術之一，并可為粉末注射成形廠家直接供應喂料和提供后續生產工藝。 黏結劑是PIM技術的核心，在PIM中黏結劑具有增強粉體流動性和維持坯塊形狀的兩個基本職能，此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點。其發展非常緩慢。它的基本工藝過程如圖1114所示：首先將固體粉末與有機黏結劑均勻混合并制成粒狀喂料，在加熱狀態下用注射成形機將其注入模腔內冷凝成形，然后用化學溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結劑脫除，最后經燒結致密化得到最終產品。 制各超微粉末遇到最大困難是粉末的收集和存放。球磨罐有純不銹鋼制的，也有內襯了氧化鍋、氧化鋯、橡膠或聚氨基甲酸乙脂的不銹鋼罐。由于球磨罐與支撐盤的旋轉方向是相反的。它包括一個用于裝填粉求和磨球的球磨罐，球磨罐被夾緊并以每分鐘數千次的頻率前后晃動，與此同時，球磨罐的兩端還作橫向擺動，因此，球磨罐是沿著一個8字形的軌跡運動，或者是無規則軌跡的運動。然而，對于其他體系，化學反應可以在球磨過程中完成，也可能要經過熱處理后才完成，還可能球磨和熱處理后仍只有部分完成。例如鋁會與異丙醇反應。 為了減少粉末間的冷焊，防止粉末發生團聚，在機械合金化過程中往往需要在粉末中加入1％～4％的過程控制劑，特別是在有一定量的延性組元存在時。它是在高能球磨機中，通過粉末顆粒之間、粉末顆粒與磨球之間長時間發生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化，其過程反復進行，最終達到機械合金化的目的，如圖119所示。離心霧化的一個重要特點就是能制取幾乎所有金屬或合金的粉末，還可以制取難熔化合物(如氧化物，碳化物等)粉末。它在純鐵粉、低合金鋼粉、高合金鋼粉、不銹鋼粉和銅合金粉的制造中具有重大的技術經濟優勢，是鋼鐵粉末生產的主要發展方向。通過提高霧化氣體的溫度，使氣體的出口速度提高，可進一步提高細粉末的出粉率。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。這種能量交換過程的效率極低，據估計不超過1％。(4)漩渦環形噴嘴。這樣噴制的粉末一般較粗，常用來噴制鋁、鋅等粉末。此外，通過控制冷凝速率可以獲得具有非晶、準晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末。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。典型的粉末冶金產品生產工藝路線如圖111所示。 近些年來，粉末冶金有了突破性進展，一系列新技術、新工藝大量涌現，例如：快速冷凝霧化制粉技術、機械合金化制粉技術、超微粉或納米粉制備技術、溶膠凝膠技術、粉末注射成形、溫壓成形、粉末增塑擠壓、熱等靜壓、燒結／熱等靜壓、場活化燒結、微波燒結、粉末軋制、流延成形、爆炸成形、粉末熱鍛、超塑性等溫鍛造、反應燒結、超固相線燒結、瞬時液相燒結、自蔓延高溫合成、噴射沉積、計算機輔助激光快速成形技術等。例如，從材質范圍來看，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，如生產過濾器時，就要求球形粉末；從粉末粒度來看，從粒度為500～。近些年，隨著人們對霧化制粉技術快速冷凝特性的認識，其應用領域不斷地拓寬，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。這種噴嘴是在垂直噴嘴的基礎上改進而成的，其特點是不易發生堵嘴。 霧化介質與金屬液流的相互作用既有物理機械作用，又有物理化學變化。影響粉末性能(化學成分、粒度、顆粒形狀和內部結構等)的因素很多，主要有噴嘴和聚粉裝置的結構、霧化介質的種類和壓力、金屬液的表面張力、黏度、過熱度和液流直徑。近年來已發展了一種新的緊耦合(Close Coupled)氣體霧化噴槍，可以極大提高細粉率，粒徑為30～40mm的粉末可占75％左右，粉末的冷凝速度也相應有了提高。用該技術生產316L不銹鋼粉末，其中位徑為30mm，90％粉末的粒徑小于80mm。隨著粉末注射成形等新型近凈形成形技術的發展，超高壓（100MPa)水霧化被認為是制取細微(約100mm)粉末的有效途徑。離心霧化法制得的粉末一般為球形，平均粒度多在50～15mm之間。 機械合金化是美國國際鎳公司Benjamin等人于20 世紀60年代末期最早開發的，當時主要用于制備同時具有沉淀硬化和氧化物彌散硬化效應的鎳基和鐵基超合金。如：硬脂酸、己烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇、庚烷、Nopcowax22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂石墨粉、氧化鋁、氮化鋁、氯化鈉也曾用作過程控制劑。 反應球磨技術(金屬粉末在活性固體／液體／氣體存在的條件下進行球磨時，會導致化學反應發生)已應用于制備金屬氧化物、碳化物和氮化物粉末。需要指出的是，沒有萬能的過程控制劑。如Pulverisette球磨機(德國Fritsch GmbH制造，圖1112)。攪拌球磨機。將粉末和磨球放入一固定的球磨罐中，在高速旋轉的攪拌桿的作用下，磨球對粉末施行剪切和撞擊作用。 納米微粉活性大，易于凝聚和吸濕氧化，成形性差，因此作為粉末冶金原料還有一些技術上的問題有待解決。 粉末注射成形技術的原型起源于20世紀20年代，最早是應用于制造陶瓷火花塞。這一方面歸于在流體力學和氣體動力學研究成果基礎上開發出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術的發展，使細粉率大大提高，原材料成本下降。通常采用的黏結劑體系主要有：熱塑性體系(石蠟基、汕基和聚合物基)、熱固性體系、熱固熱塑性體系，凝膠體系和水溶性體系等。由于射成形是一種近凈形成形工藝，產品基本上不需要后續加工，有 需要幾十道機加工工序才能完成的產品采用PIM可以一次成形，制造成本相對較低。圖1116是一些典型的粉末往射成形產品的照片。該技術已廣泛應用于制造汽車零件和磁性材料制品，如：渦輪輪轂、形狀復雜的齒輪和斜齒輪、鎖零件、發動機連桿和閥座等。為了保證粉末在輸送過程中溫度不變，滑動送粉器中也應有加熱器。當溫度更高(1500～2000℃)時，應采用石墨材料， 但承壓能力卻降低到70MPa以下。11．8等靜壓成形技術 等靜壓制是伴隨現代粉末冶金技術而發展起來的一種新的成形方法。物料裝入彈性模套被放置入高壓容器內。 濕袋模具壓制的壓制裝置如圖1122(a)所示。干袋式模具壓制的特點是生產率高，易于實現自動化，模具壽命較長，據報道自動干袋模具壓制生產率可達10～15個／min。通常壓力范圍7~200MPa，最高使用溫度范圍一般為1000—2300℃。 熱等靜壓制時常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質。升壓和降壓速度一般不需任何控制，溫度的控制需要特別注意。至今，它在制取金屬陶瓷、硬質合金、難熔金屬制品及其化合物、粉末金屬制品、金屬基復合材料制品、功能梯度材料、有毒物質及放射性廢料的處理等方面都得到了廣泛應用。在這一過程中，燒結溫度和時間是要準確控制的參數，熱等靜壓制是使燒結坯塊密度進一步提高，以接近理論密度值。該方法是采用一種高溫下具有流體特性的顆粒(如石墨顆粒、陶瓷顆粒)作為傳遞壓力的介質以代替熱等靜壓制所用惰性氣體。日本第三代電火花／等離子燒結機(SPS)的開發成功極大地推進了該技術作為一種先進的粉末冶金技術的工業化應用。獲得的產品的密度達到99％，晶粒度只有1mm，而傳統燒結工藝得到的產品的晶粒度