粉末冶金新技術新工藝(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 環繞自己的軸心轉動和支撐盤的旋轉所產生的離心力作用于裝有球磨原料和磨球的球磨罐上。由于球磨罐與支撐盤的旋轉方向是相反的。產生的離心力有的部位力向相同，有的則相反。如圖1112所示，球磨罐外側的粉末和磨球所受的離心力的方向是相同的，因此將沿著內壁滾動，產生摩擦效應，當球磨罐的這一邊轉到內側時，粉末和磨球所受的離心力的方向變為相反，在支撐盤離心力的作用下，粉末和磨球將飛向外壁，產生撞擊效應，從而達到機械合金化的效果。攪拌球磨機。如Model 1S攪拌球磨機(美國Union Process制造，圖1113)。這種球磨機可以較大批量地生產機械合金化粉末，從幾公斤到100kg。攪拌球磨機的球磨料的運動速率要比振動球磨機和行星球磨機低，／s，因此其能量也較低。目前各種規格的攪拌球磨機國內外都有公司制造。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。磨球的材質有玻璃、火石、滑石陶瓷、莫來石、碳化硅、氮化硅、賽隆陶瓷、氧化鋁、硅酸鋯、氧化鋯、不銹鋼、碳鋼、含鉻鋼和碳化鎢等。攪拌球磨機的操作較簡單。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。一般應用的攪拌球磨機其攪拌速率約為250r／mm，實驗室使用的有些攪拌球磨機其攪拌速率要快十倍。11．4超微粉末制備技術 超微粉末通常是指粒徑為10～100nm的微細粉末，有時亦把粒徑小于100nm的微細粒子稱為納米微粉。納米微粉具有明顯的體積和表面效應，因此，它較通常細粉有顯著不同的物理、化學和力學特性，作為潛在的功能材料和結構材料，超微粉末的研制已受到了世界各工業國家的重視。納米微粉的制造方法有：溶膠凝膠法、噴霧熱轉換法、沉淀法、電解法、汞合法、羰基法、冷凍干燥法、超聲粉碎法、蒸發凝聚法、爆炸法、等離子法等。 制各超微粉末遇到最大困難是粉末的收集和存放。另外，濕法制取的超微粉末都需要熱處理，因此可能使顆粒比表面積下降，活性降低，失去超微粉的特性，并且很難避免和表而上的羰基結合，所以現在一般都傾向于采用干法制粉。 納米微粉是一種新型的粉末冶金材料和原材料，其主要應用于高密度磁記錄材料、薄膜集成電路的導電材料、微孔過濾器、化學催化劑、汽車用的還原觸媒、超微粒子膜傳感器、碳纖維的氣相成核材料等。 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。另外，納米微粉作為粉末制品原料必須具有經濟的制造方法和穩定的質量。納米微粉燒結溫度特別低(粒徑為20nm的銀粉燒結溫度為60~80℃，20nm的鎳粉200℃開始熔接)，一旦能實現利用納米微粉工業化生產粉末冶金制品。將對粉末冶金技術帶來突破性的變革。11．5粉 注射成形技術粉末注射成形(powder injection molding，簡稱PIM)是將現代塑料注射成形技術引入粉末冶金領域而形成的一門近凈形成形新技術。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。該技術的最大特點是可以直接制造出具有最終形狀的零部件，產品不僅精度高、組織均勻、性能優異，而且生產成本只有傳統成形工藝的20％~60％。因此，國際上普遍認為該技術的發展將會導致零部件成形與加工技術的一場革命，已成為國際上“當今最熱門的零部件成形技術”。 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。第一項陶瓷粉末注射成形的專利1938年授權給Schwartzwalder。第二次世界大戰期間，在美國的曼哈頓計劃中，美國橡樹嶺國家實驗室采用粉末注射成形方法制備了用于原子彈核燃料鈾同位素分離的鎳管。1976年，第一項金屬粉末注射成形技術的專利授權給River。由于當時粉末原料成本高、脫脂時間長、產品易變形等問題沒有解決。其發展非常緩慢。直道1979年，美國Parmatech公司有兩件PIM產品在國際粉末冶金大會的產品設計大賽中獲獎后，PIM技術才開始受到粉術冶金界的關注。20世紀80年代由于美國政府研究機構和大學的介入，使研究工作向深層次發展，從完全憑經驗進入到在一定理論指導下工作，這一時期PIM技術得到了迅速的發展。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。另一方面，在黏結劑設汁理論和脫脂機理等研究成果的指導下，新一代黏結劑及其脫除技術的開發成功，不僅使原來的脫脂時間從數十小時縮到幾個小時，而且其保形性得到明顯的改善，大規模生產的產品的尺寸精度從177。％提高到了177。％。進入20世紀90年代，一方面，是PIM 工藝進一步改進，新材料、新工藝不斷涌現，另一方面，產業化發展非常迅速。 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。黏結劑一般是由低分子量組元與高分子量組元加上一些必要的添加劑和表面活性劑構成低分子量組元黏度低，流動性好，易脫去；高分子量組元黏度高，強度高，保證成形坯具有一定的強度添加劑和表面活性劑主要用以增強黏結刺的流動性和與粉末的相容性。各組元以適當比例搭配以獲得高的粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性的產品。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。表112列舉了一些已公開的黏結劑配方。 傳統的黏結劑在熱脫脂過程中，由于幾乎是在成形坯內外同時分解，脫脂速率極慢，往往需要數十小時甚至數天，加快熱脫脂速度往往會造成鼓泡和開裂等無法彌補的缺陷。采用液／固或氣／固界面反應脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂)，可以使脫脂過程由外及里推進，可以有效地提高脫脂速率，已成為黏結劑開發的主要發展方向。由于水的價格低廉、無毒，有利于環保，開發水溶性黏結劑體系是溶劑脫脂技術研究的重點。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。德國CREMER公司已開發出了適應該技術的連續脫脂和燒結一體化爐，該技術的脫脂速率可達到1～4mm／h。粉末注射成形技術由于采用了大量的黏結劑作為粉末流動填充模腔的載體，所以可以像成形塑料那樣制備出各種任意形狀的粉末冶金零部件，這是傳統粉末冶金模壓工藝不可能達到的。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。PIM技術還可以實現零部件一體化。由于加工技術或者材料性能的原因，有些部件采用傳統技術制造時，需要加工成幾個零件來組裝，有時幾個零件的材料還不一樣。采用Pm技術則可以直接制成一個整體復合部件(如圖1115所示)。由于注射成形的原料是以流態狀均勻充填模腔，成形坯粉術密度分布均勻，避免了粉 冶金模壓工藝中由于模壁摩擦壓力損失所造成的成形坯密度分布不均勻問題，這樣可以大大減少燒結變形。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。表113比較了PIM與精密鑄造技術制造零件的特點，在許多方面PIM技術有較大的優勢。表114列舉了幾種常用的金屬粉術注射成形材料的力學性能。圖1116是一些典型的粉末往射成形產品的照片。 溫壓成形技術 溫壓成形的基本工藝過程是：將專用金屬或合金粉和聚合物潤滑劑混合后，采用特制的粉末加熱系統、粉末輸送系統和模具加熱系統，升溫到75～150℃，壓制成壓坯，再經預燒、燒結、整形等工序，～／cm3的鐵基粉末冶金零件。溫壓成形的工藝路線如圖1117所示。溫壓可以顯著提高壓坯密度的機理一般歸于在加熱狀態下粉末的屈服強度降低(如圖1118所示)和潤滑劑