粉末冶金原理-

1、粉末冶金新技術(shù)摘要本文主要從粉末冶金的基本工藝過(guò)程闡述粉末冶金工業(yè)今年出現(xiàn)的新工藝,粉末冶金的制粉,成型,燒結(jié)等方面論述了粉末冶金的新工藝以及這些工藝的特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用,論述粉末冶金的新工藝的發(fā)展方向關(guān)鍵字:粉末冶金、新技術(shù)、粉末冶金工藝1.引言粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為原料,經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方,因此,一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),它已成為解決新材料問(wèn)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是一門新興的材料制備技術(shù)。近代粉末冶金興起

2、于19世紀(jì)末20世紀(jì)初。至20世紀(jì)30年代, 粉末冶金整套技術(shù)逐步形成, 工業(yè)生產(chǎn)初具規(guī)模, 對(duì)工藝過(guò)程及其機(jī)理的研究也取得了一定成果。20世紀(jì)中期, 粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速, 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大, 成為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。并在此基礎(chǔ)上, 為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展對(duì)材料性能和成形技術(shù)提出的更高要求, 開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)粉末冶金新工藝, 包括: 熱等靜壓、燃燒合成、快速凝固、噴射成形、機(jī)械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、快速全向壓制、粉末鍛造、熱擠壓、爆炸。2.粉末冶金新技術(shù)-制粉2.1霧化法制備金屬粉末-低氧含量鐵粉生產(chǎn)在無(wú)氧氣氛中進(jìn)行, 并包含一些石蠟,這些分解為碳與氫。碳與鐵反應(yīng), 形成很薄

3、的富碳表面層。碳含量使顆粒的延性降低, 但提高了表面的燒結(jié)活性。在粉末壓塊中, 碳易于擴(kuò)散到顆粒中心及相鄰的顆粒中, 因而可用于生產(chǎn)不需添加石墨的粉末冶金鋼。瑞典IPS鋼粉公司每年低氧含量霧化鐵粉, 其氧含量低于 (0.015%。對(duì)于粉末冶金應(yīng)用來(lái)說(shuō),這種無(wú)氧粉末允許使用便宜的合金元素(鉻和錳等代替鎳和銅。鎳作為戰(zhàn)略性資源,不但價(jià)格昂貴,并且還是一種致癌物, 應(yīng)盡量避免使用。這種粉末也很適合于用溫壓與熱等靜壓工藝來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)度部件。2.2燒結(jié)硬化粉為提高燒結(jié)鋼的力學(xué)性能,通常在燒結(jié)后還須進(jìn)行熱處理。為降低生產(chǎn)成本,開(kāi)發(fā)了許多燒結(jié)后已硬化、不須再進(jìn)行熱處理的材料。美國(guó)Hoeganaes公司推出了一

4、種燒結(jié)硬化鐵基粉末Ancoresteel737SH,其淬透性與壓縮性均比現(xiàn)有的燒結(jié)硬化材料高。利用燒結(jié)硬化粉可生產(chǎn)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,燒結(jié)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變形。這種粉末可用于汽車工業(yè),特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件,傳動(dòng)部件及近終形齒輪等。2.3燃燒火焰-化學(xué)氣相法生產(chǎn)納米粉末采用燃燒火焰-化學(xué)氣相法生產(chǎn)納米粉末。在此法中,穩(wěn)定的平頭火焰是由低壓燃料/氧氣混合氣的燃燒產(chǎn)生的。化學(xué)母體與燃料一起導(dǎo)入燃燒室,在火焰的熱區(qū)進(jìn)行快速熱分解。由于燃燒室表面溫度分布良好,氣相逗留時(shí)間短以及化學(xué)母體濃度均勻,并在很窄的熱區(qū)進(jìn)行熱分解,因而能生

5、產(chǎn)出粒度分布集中的高質(zhì)量的納米粉。2.4機(jī)械化學(xué)法生產(chǎn)廉價(jià)的納米粉末澳大利亞開(kāi)發(fā)出一種機(jī)械化學(xué)法,可廉價(jià)生產(chǎn)納米金屬粉與陶瓷粉。它采用球磨機(jī)來(lái)激活化學(xué)反應(yīng),使形成極細(xì)的納米金屬或化合物晶粒,再分離與提取微細(xì)晶粒。例如機(jī)械研磨FeCl3,由鈉、鈣或鋁將其還原為鐵與氯化物的混合物。用適當(dāng)洗滌法去除氯化物后,便可得到納米鐵顆粒。這一方法可成功生產(chǎn)1020nm的粉末,化學(xué)純度高,表面氧化物低于10% 15%。也可生產(chǎn)氧化物粉末,粒度小于5nm。潛在高技術(shù)應(yīng)用:切削工具、先進(jìn)陶瓷、高密度磁記錄介質(zhì)、磁流體、催化劑等。2.5聲化學(xué)制取納米金屬粉美國(guó)科學(xué)家采用聲化學(xué)技術(shù)制取納米金屬粉。聲化學(xué)是研究液體中高強(qiáng)

6、度超聲波產(chǎn)生的小氣泡的形成、長(zhǎng)大與內(nèi)向破裂等現(xiàn)象的學(xué)科。這些超聲波氣泡的破裂,產(chǎn)生很強(qiáng)的局部加熱而在冷液中形成“熱點(diǎn)”,瞬時(shí)溫度約為5000,壓力約1GPa,持續(xù)時(shí)間約10億分之一秒。粗略而形象地說(shuō),上述這些數(shù)據(jù)相當(dāng)于太陽(yáng)的表面溫度,大洋底部的壓力,閃電的時(shí)間。當(dāng)氣泡破裂時(shí),氣泡內(nèi)所含金屬的易揮發(fā)化合物分解成單個(gè)金屬原子,而后聚集為原子簇。這些原子簇含有幾百個(gè)原子,直徑約為23nm。這些小的磁性金屬原子簇,像順磁體材料一樣,磁矩由原子簇的原子自旋構(gòu)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。包覆這些顆?？尚纬煞€(wěn)定鐵膠體,顆粒永遠(yuǎn)處于懸浮態(tài),現(xiàn)已作為“磁流體”工業(yè)化生產(chǎn),用于揚(yáng)

7、聲器,磁性墨水,磁流體密封,潤(rùn)滑劑,軸承,醫(yī)學(xué)等。2.6機(jī)械合金化機(jī)械合金化是一種用高能球磨法制取粉末新材料的技術(shù), 可以合成常規(guī)方法難以合成的偏離平衡態(tài)的不可能的合金( ImpossibleAlloys 。一些形成熱為正的材料系、在液相和固相都不互溶及熔點(diǎn)相差懸殊的合金材料, 可以通過(guò)機(jī)械合金化制取。機(jī)械合金化可以顯著提高固溶度, 例如, 鋯在鋁中500 的固溶度( 平衡態(tài) 只有0. 5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) , 而通過(guò)機(jī)械合金化可達(dá)20. 19%。概括起來(lái), 機(jī)械合金化在科學(xué)技術(shù)上的價(jià)值, 在于通過(guò)下述機(jī)理研制各種新型料:1 細(xì)化彌散相;2 細(xì)化顆?；蚓ЯＪ蛊溥_(dá)到納米級(jí);3 使有序金屬無(wú)序化, 轉(zhuǎn)

8、變成非晶態(tài);4 增大固溶度, 使在液態(tài)和固態(tài)均不互溶及熔點(diǎn)相差懸殊的金屬形成合金;5 在低溫下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械合金化技術(shù)起初是為制取氧化物彌散強(qiáng)化和相沉淀硬化的鎳基高溫合金而開(kāi)發(fā)的, 隨后發(fā)展成為生產(chǎn)各種彌散強(qiáng)化鎳基、鈷基、鐵基、鈦基和鋁基粉末材料的系統(tǒng)方法。3.粉末冶金成型新工藝3.1粉末鍛造20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的粉末鍛造, 是對(duì)鐵基粉末冶金材料和零件制造技術(shù)的重大突破。它將粉末冶金工藝與精密鍛造相結(jié)合, 使機(jī)械零件達(dá)到全致密和獲得高性能成為可能, 適合制造力學(xué)性能高的鐵基結(jié)構(gòu)零件, 因而增加了粉末冶金機(jī)械零件的品種, 擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。粉末鍛造過(guò)程中, 被加熱到鍛造溫度的粉末壓坯產(chǎn)生物質(zhì)

9、流動(dòng),填充陰模模腔, 可成形具有較復(fù)雜形狀的零件。粉末鍛造最初見(jiàn)于1941年, 當(dāng)時(shí)以海綿鐵粉壓坯通過(guò)熱鍛制成高射炮的彈藥供給棘爪, 其密度為7. 8g/ cm3。但此后20年間, 這項(xiàng)技術(shù)無(wú)甚進(jìn)展。直到1968年, 美國(guó)GM汽車公司研制成功粉末鍛造后橋差速器齒輪, 并于1970年與Cincinnati 公司合作建立世界上第一條粉末鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線,粉末鍛造才重新興起。但是, 在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)時(shí), 由于受粉末質(zhì)量、模具壽命、缺乏專用設(shè)備等條件的制約, 以及主機(jī)廠對(duì)粉末鍛造零件能否承受繁重負(fù)荷懷有疑慮, 延緩了粉末鍛造的發(fā)展。至80年代中期, 全球汽車工業(yè)的高速發(fā)展為粉末熱鍛技術(shù)提供了機(jī)遇,

10、 而且上述問(wèn)題也逐一得到解決, 才使粉末鍛造零件生產(chǎn)規(guī)模明顯擴(kuò)大。粉末鍛造主要用于生產(chǎn)汽車零件, 如: 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、變速器凸輪、軸承圈、同步器齒環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)閥座、離合器轂、鏈鋸鏈輪、棘輪、手動(dòng)扳手, 以及各種齒輪, 等等。汽車連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受強(qiáng)烈沖擊和高動(dòng)態(tài)應(yīng)力的典型零件, 粉末鍛造連桿可靠性高, 已在大量使用中得到證明。粉末鍛造技術(shù)由于其產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì), 發(fā)展前景令人樂(lè)觀。3.2動(dòng)磁壓制技術(shù)將粉末裝于一個(gè)導(dǎo)電的容器(護(hù)套內(nèi),臵于高強(qiáng)磁場(chǎng)線圈的中心腔中。電容器放電在數(shù)微秒內(nèi)對(duì)線圈通入高脈沖電流,線圈腔中形成磁場(chǎng),護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與施加磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護(hù)套的磁力

11、,因而粉末得到二維壓制。整個(gè)壓制過(guò)程不足1ms。動(dòng)磁壓制的優(yōu)點(diǎn):由于不使用模具,成型時(shí)模壁摩擦減少到0,因而可達(dá)到更高的壓制壓力有利于提高產(chǎn)品,并且生產(chǎn)成本低;由于在任何溫度與氣氛中均可施壓,并適用于所有材料,因而工作條件更加靈活;由于這一工藝不使用潤(rùn)滑劑與粘結(jié)劑,因而成型產(chǎn)品中不含有雜質(zhì),性能較高,而且還有利于環(huán)保。許多合金鋼粉用動(dòng)磁壓制做過(guò)實(shí)驗(yàn),粉末中不添加任何潤(rùn)滑劑,生坯密度均在95%以上。動(dòng)磁壓制件可以在常規(guī)燒結(jié)條件下進(jìn)行燒結(jié),其力學(xué)性能高于傳統(tǒng)壓制件。動(dòng)磁壓制適用于制造柱形對(duì)稱的近終形件、薄壁管、縱橫比高的零件和內(nèi)部形狀復(fù)雜的零件。動(dòng)磁壓制有可能使電機(jī)設(shè)計(jì)與制造方法產(chǎn)生革命性變化,由

12、粉末材料一次制成近終形定子與轉(zhuǎn)子,從而獲得高性能產(chǎn)品,大大降低生產(chǎn)成本。動(dòng)磁壓制正用于開(kāi)發(fā)高性能粘結(jié)釹鐵硼磁體與燒結(jié)釤鈷磁體。由于動(dòng)磁壓制的粘結(jié)釹鐵硼磁體密度高,其磁能積可提高15%-20%。3.3熱等靜壓熱等靜壓是在冷等靜壓( CIP 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。冷等靜壓又稱液靜壓或水靜壓, 出現(xiàn)較早。1913年, MADDEN獲冷等靜壓技術(shù)的專利。1936年, 美國(guó)應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造鎢鉬條材, 1942年用于制造鎢鉬管材。此后不久, 德國(guó)應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造大型鎢制品。1935年以后陶瓷工業(yè)在廣泛應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)生產(chǎn)火花塞的瓷絕緣子和壓電陶瓷等特殊陶瓷制品。前西德在20世紀(jì)70年代用冷等靜壓制造出

13、d300mm1400mm、質(zhì)量為140kg的異形不銹鋼過(guò)濾器, 以及超大型絕緣電瓷。冷等靜壓能夠成形凹形、空心和長(zhǎng)細(xì)比大等復(fù)雜形狀坯件, 坯件密度均勻, 強(qiáng)度較高, 在粉末冶金成形工藝中占有重要地位。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末建立了冷等靜壓實(shí)驗(yàn)裝臵。熱等靜壓技術(shù)則在開(kāi)發(fā)新材料和改進(jìn)現(xiàn)有材料方面大顯神威。已用熱等靜壓制造和處理的材料有: 工具鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金、稀土永磁、彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化鋁合金、鈦合金、鈹、難熔金屬、復(fù)合材料, 等等。此外, 熱等靜壓技術(shù)還用來(lái)消除鑄錠內(nèi)部缺陷和修復(fù)貴重部件。3.4流動(dòng)溫壓技術(shù)流動(dòng)溫壓技術(shù)以溫壓技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合了金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)加入適量的微細(xì)粉末和加

14、大潤(rùn)滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動(dòng)性、填充能力和成形性, 這一工藝是利用調(diào)節(jié)粉末的填充密度與潤(rùn)滑劑含量來(lái)提高粉末材料的成形性。它是介于金屬注射成形與傳統(tǒng)模壓之間的一種成形工藝。流動(dòng)溫壓技術(shù)的關(guān)鍵是提高混合粉末的流動(dòng)性,主要通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn):第一種方法是向粉末中加入精細(xì)粉末。這種精細(xì)粉末能夠填充在大顆粒之間的間隙中,從而提高了混合粉末的松裝密度。第二種方法是比傳統(tǒng)粉末冶金工藝加入更多的粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘結(jié)劑或潤(rùn)滑劑的加入量達(dá)到最優(yōu)化后,混合粉末在壓制中就轉(zhuǎn)變成一種填充性很高的液流體。將上述兩種方法結(jié)合起來(lái),混合粉末在壓制溫度下就可轉(zhuǎn)變成為流動(dòng)性很好的黏流

15、體,它既具有液體的所有優(yōu)點(diǎn),又具有很高的黏度?；旌戏勰┑牧髯冃袨槭沟梅勰┰趬褐七^(guò)程中可以流向各個(gè)角落而不產(chǎn)生裂紋。流動(dòng)溫壓工藝,可成形零件的復(fù)雜幾何形狀。國(guó)外已利用常規(guī)溫壓工藝成功制備出了一些形狀較復(fù)雜的粉末冶金零件,如汽車傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂、連桿和齒輪類零件等。密度高、性能均一。流動(dòng)溫壓工藝由于松裝密度較高,經(jīng)溫壓后的半成品密度可以達(dá)到很高的值。由于流動(dòng)溫壓工藝中粉末的良好流動(dòng)性,由此得到的材料密度也更加均勻。適應(yīng)性較好。流動(dòng)溫壓工藝已經(jīng)用于低合金鋼粉、不銹鋼316L粉、純Ti粉和WC-Co硬質(zhì)合金粉末。原則上它可適用于所有的粉末體系,唯一的條件是該粉末體系須具有足夠好的燒結(jié)性能,以便達(dá)到

16、所要求的密度和性能,簡(jiǎn)化了工藝,降低了成本。3.5噴射成型噴射成形或稱霧化沉積, 是制造金屬材料的一種新技術(shù)。噴射成形技術(shù)的創(chuàng)新在于, 將液態(tài)金屬霧化( 快速凝固 與霧化熔滴沉積( 熔滴動(dòng)態(tài)致密固化結(jié)合, 在一步冶金操作中直接將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為一定形狀的、具有快速凝固組織、整體致密( 相對(duì)密度可高達(dá)99. 5%99. 8% 的高性能材料成形坯或半成形坯。噴射成形不但可明顯改善材料組織, 而且材料受污染少。噴射成形M2高速鋼, 其碳化物晶粒細(xì)小( 2 3m 且分布均勻, 熱處理性能好, 可磨削性比同類鑄錠鋼提高60%。噴射成形12%Cr 不銹鋼鍛造制品, 與鑄鍛材料相比, 其伸長(zhǎng)率由7%提高到19

17、%, 面縮率由17%提高到57%,并增強(qiáng)了材料的耐點(diǎn)蝕性。噴射成形軋輥的一次碳化物晶粒明顯細(xì)化且彌散均勻分布, 其壽命為鑄造軋輥的350倍。采用噴射成形制造的青銅合金,綜合性能好, 強(qiáng)度高, 耐摩擦, 電導(dǎo)率高, 冷熱加工性好, 冷變形后彈性模量低、流變性能高, 適合制造彈簧。我國(guó)采用噴射成形Zn-27A-l 1Cu合金制造滑動(dòng)軸承, 其使用壽命比鑄造ZA27合金高1. 5倍, 比巴氏合金高1. 8倍。3.6冷成形工藝美國(guó)開(kāi)發(fā)出一種能在室溫下生產(chǎn)全致密零件而無(wú)需后續(xù)燒結(jié)的粉末冶金工藝。此工藝稱之為“冷成形粉末冶金”。它采用特殊配制的活化溶液與革新的進(jìn)料靴技術(shù),在壓力下精確地將粉末注入模中。加壓

18、輸送的進(jìn)料靴使粉末填充更加均勻,而活性溶液則防止形成氧化物,從而大大促進(jìn)了冷焊效應(yīng)。采用這一工藝可制得全致密的接近最終形狀的零件,而壓制后無(wú)需燒結(jié)及機(jī)加工。此工藝采用包覆粉末。但許多市售的金屬或非金屬粉末也可使用。目前該工藝的開(kāi)發(fā)工作主要集中于生產(chǎn)熱操作零件,但這一工藝也適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件及其他用途的零件。3.7粉末注射成形粉末注射成形包括金屬注射成形( MIM 和陶瓷注射成形( CIM , 起源于20世紀(jì)20年代后期。二戰(zhàn)期間, 氣相擴(kuò)散濃縮鈾工藝所采用的鎳過(guò)濾管是用有機(jī)黏結(jié)劑成形的。20世紀(jì)40年代, 用粉末注射成形制造了陶瓷火花塞。50年代, 前蘇聯(lián)用石蠟作黏結(jié)劑成形了陶瓷制品。60年代以

19、前, PIM技術(shù)主要用于陶瓷件成形。1978年, 美國(guó)RIVERSRD提出第一個(gè)金屬注射成形專利。1979年, 小WIECH 等組建的Par-matech公司有2項(xiàng)粉末注射成形產(chǎn)品( 噴氣式客機(jī)鎳螺紋密封環(huán)、液體推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鈮合金推進(jìn)室和噴射器 獲得國(guó)際粉末冶金會(huì)議設(shè)計(jì)大獎(jiǎng), 引起工業(yè)界的注意, 并且導(dǎo)致金屬注射成形技術(shù)正式面世。1980年, RAYMONDW 提出第一個(gè)實(shí)用化金屬注射成形專利。超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術(shù), 為金屬注射成形解決了細(xì)粉供應(yīng)問(wèn)題, 而粘結(jié)劑成分和脫脂工藝的改進(jìn)顯著縮短了脫脂周期。這樣, 金屬注射成形技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力大大增強(qiáng),促使其在80年代中期進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期

20、, 并且, 通過(guò)成形高性能材料而進(jìn)入制造技術(shù)的前沿領(lǐng)域。1985年以后, 美國(guó)注射成形生產(chǎn)年增長(zhǎng)率達(dá)30%。金屬注射成形將塑料注射成形與粉末冶金工藝完美結(jié)合, 特別適合制造用常規(guī)粉末冶金方法不能或難以成形的特殊形狀的零件。其工藝特點(diǎn)是, 使加熱軟化的注射料在壓力下流動(dòng), 均勻充填模腔各個(gè)部位, 將其形狀拷貝下來(lái), 從而獲得幾何形狀與模腔完全相同的坯件。其優(yōu)勢(shì)在于能以低成本大批量生產(chǎn)復(fù)雜形狀、高精度和高性能的零件。4.粉末冶金新型燒結(jié)技術(shù)4.1微波燒結(jié)技術(shù)微波燒結(jié)是通過(guò)被燒結(jié)粉體吸收微波,將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)中粒子的能量,使其內(nèi)部產(chǎn)生熱而燒結(jié)的方法。它熱效率高,可急速升溫縮短燒結(jié)時(shí)間,加上

21、微波與粒子間的交互作用,降低了粒子間的活化能,加速材料的致密化。它比傳統(tǒng)電爐以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的外部加熱方式有更高的效率。避免了外部加熱由于內(nèi)外溫度梯度而造成燒結(jié)體裂痕或大幅度變形等缺陷。已燒結(jié)成多種材料:如陶瓷和鐵氧體等材料。另外,在日本又開(kāi)發(fā)出相似的毫米波燒結(jié)技術(shù),并成功地在2023K下保溫1h燒結(jié)成全致密的AlN材料。4.2放電等離子燒結(jié)(SPS放電等離子燒結(jié)是將金屬等粉末裝入由石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi),利用上、下模沖和通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加在燒結(jié)粉末。經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻階段完成制取高性能材料或制件的一種方法。它是粉末冶金的一種新的燒結(jié)技術(shù),是將電能和機(jī)械能同時(shí)

22、賦于燒結(jié)粉末的一種新工藝。SPS原理是利用強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒上產(chǎn)生的諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng):1由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場(chǎng)中反方向的高速流動(dòng), 可使粉末吸附的氣體逸散, 粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿, 使粉末得以凈化、活化;2由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生, 在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱, 以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱,都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散, 其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多,而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化;3快速脈沖電流的加入, 無(wú)論是粉末內(nèi)的放電部位還是焦耳發(fā)熱部位, 都會(huì)快速移動(dòng), 使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比,S

23、PS工藝的特點(diǎn)是:粉末原料廣泛:各種金屬、非金屆、合金粉末,特別是活性大的各種粒度粉末都可以用作SPS 燒結(jié)原科。成形壓力低:SPS燭結(jié)時(shí)經(jīng)充分微放電處理,燒結(jié)粉末表面處于向度活性化狀態(tài).為此,其成形壓力只需要冷壓燒結(jié)的l/101/20。燒結(jié)時(shí)間短:燒結(jié)小型制件時(shí)一般只需要數(shù)秒至數(shù)分鐘,其加熱速度可以高達(dá)106/s,自動(dòng)化生產(chǎn)小型制件時(shí)的生產(chǎn)率可達(dá)400件/h。美國(guó)國(guó)立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室與日本國(guó)際貿(mào)易工業(yè)部門合作, 共同開(kāi)發(fā)了高效發(fā)動(dòng)機(jī)用的大尺寸耐熱、高強(qiáng)梯度材料?，F(xiàn)已能批量生產(chǎn) 150 mm, 厚15mm, 11層的ZrO2 梯度材料。采用的SPS工藝參數(shù)是: 壓力20 40MP

24、a, 溫度12431293K, 升溫速率50K/Min, 真空度10Pa。采用SPS燒結(jié)得到了兩頭分別是100%的玻璃與100%的304不銹鋼, 而中間呈4層的梯度材料。燒結(jié)溫度1073K,保持時(shí)間15Min, 真空下進(jìn)行。通過(guò)SPS技術(shù)可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系熱電轉(zhuǎn)換元件,以及廣泛用于電子領(lǐng)域的各種功能材料, 如超導(dǎo)材料、磁性材料、靶材、介電材料、貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池材料、光學(xué)材料等。4.3燃燒合成燃燒合成最初稱為自蔓燃高溫合成, 興起于20世紀(jì)60年代。其實(shí), 人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的放熱現(xiàn)象和反應(yīng)過(guò)程的自蔓延特點(diǎn)。如1825年發(fā)現(xiàn)非晶鋯在室溫

25、下燃燒并生成氧化鋯, 1865年發(fā)現(xiàn)鋁熱反應(yīng), 等等。但是, 直到20世紀(jì)60年代, 才將燃燒合成發(fā)展成為一項(xiàng)制備材料的新技術(shù)。1967年, 前蘇聯(lián)科學(xué)院化學(xué)物理研究所BROVINSKAYA等發(fā)現(xiàn)鈦硼混合物自蔓燃燒合成現(xiàn)象。60年代末,發(fā)現(xiàn)許多金屬和非金屬難熔化合物的燃燒合成現(xiàn)象, 并將這種依靠自身反應(yīng)發(fā)熱來(lái)合成材料的技術(shù)稱為自蔓燃高溫合成。1972年, 自蔓燃高溫合成開(kāi)始用于粉末的工業(yè)生產(chǎn), 前蘇聯(lián)化學(xué)物理研究所建造了年產(chǎn)難熔金屬粉末1020t 的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。1975年開(kāi)始研究把自蔓燃高溫合成與燒結(jié)、熱壓、熱擠、軋制、爆炸、堆焊和離心鑄造結(jié)合, 直接制造陶瓷、金屬陶瓷和復(fù)合管材等致密材料。燃燒

26、合成的反應(yīng)溫度高, 使雜質(zhì)充分揮發(fā), 產(chǎn)品純度高; 反應(yīng)時(shí)間短, 容易獲得微米級(jí)、亞微米級(jí)甚至納米級(jí)粉末; 致密化溫度低, 勿需高溫爐,節(jié)能。燃燒合成以其工藝的特點(diǎn)而成為制備高性能、特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)。例如, 反應(yīng)燒結(jié)、反應(yīng)熱壓和反應(yīng)熱等靜壓用于金屬間化合物的制備, 可克服粉末制備困難、成形性和燒結(jié)性差的缺點(diǎn); 可制取具有梯度孔隙度和孔徑的過(guò)濾材料; 用燃燒合成法制取有機(jī)物, 具有節(jié)能、節(jié)省設(shè)備、工序少、污染小等優(yōu)點(diǎn)。燃燒合成產(chǎn)品已有: 磨料、高溫潤(rùn)滑劑、二硅化鉬加熱體、硬質(zhì)合金、形狀記憶合金、難熔金屬碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、氫化物、金屬間化合物、高溫結(jié)構(gòu)合金、復(fù)合材料、梯

27、度材料、耐火材料、鐵氧體、過(guò)濾材料、納米材料、有機(jī)物及環(huán)保材料, 等等。利用燃燒合成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)包括鋼、高熔點(diǎn)金屬、石墨、陶瓷的2個(gè)部件的自焊和互焊, 以及金剛石與基座之間的焊接。我國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始這項(xiàng)技術(shù)的研究。現(xiàn)在研究單位已達(dá)20多家。90年代中期, 開(kāi)發(fā)了陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管和不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管, 并將陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管產(chǎn)業(yè)化, 產(chǎn)品用于輸送煤灰渣、礦粉和焦炭等。90年代末, 研制出自蔓燃高溫快速加壓密實(shí)材料制備系統(tǒng)( SHS/ QP , 實(shí)現(xiàn)材料合成與致密化一步完成?？偨Y(jié)粉末冶金應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大, 新技術(shù)層出不窮。我國(guó)的粉末冶金工業(yè)起步不算晚, 但產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量與技術(shù)方面與先進(jìn)

28、國(guó)家相比, 尚有不小差距。因而應(yīng)及時(shí)了解與掌握不斷出現(xiàn)的新技術(shù), 尤其重要的是, 要主動(dòng)開(kāi)發(fā)我們自己的新技術(shù)。參考文獻(xiàn):1.梁華. 粉末鍛造的現(xiàn)狀 J. 粉末冶金技術(shù), 1992,10(2: 142 1452.李念辛, 李森蓉. 我國(guó)鐵基粉末冶金鍛造技術(shù)的發(fā)展J . 粉末冶金技術(shù),1996, 14(1: 58 62.3.張樹(shù)格. 燃燒合成技術(shù)的起源及其在我國(guó)的發(fā)展 J. 粉末冶金技術(shù), 1997,15( 4 : 295 298.4.向青春, 周彼德, 李榮德. 快速凝固法制取金屬粉末技術(shù)的發(fā)展概況 J.粉末冶金技術(shù), 2000, 18( 4:283 291.5.余揮, 王恩珂, 丁福昌. 快速凝固T15高速鋼粉末中碳化物相的研究 J .粉末冶金技術(shù), 1991, 9( 3:139 145.6.PICKERING S. Bicycle industry ta