材料合成和制備要求-粉末的冶金成型分析

1、材料合成和制備要求粉末的冶金成型分析 固態(tài) 粉末1、金屬（合金）金屬粉末：機械粉碎，電化腐蝕2、金屬氧化物（鹽類）金屬粉末：還原法3、金屬非金屬化合物 金屬化合物粉末：還原化合法金屬氧化物非金屬化合物 液態(tài) 粉末1、液態(tài)金屬（合金）金屬粉末：霧化法2、金屬鹽溶液金屬粉末：置換法，溶液氫還原法，水溶液電解法3、金屬熔鹽金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔鹽電法 氣態(tài) 粉末1、金屬蒸汽金屬粉末：蒸汽冷凝法2、氣態(tài)金屬羰基物金屬粉末：羰基物熱離解法3、氣態(tài)金屬鹵化物金屬粉末：氣相氫還原法4、氣態(tài)金屬鹵化物金屬化合物粉末：化學(xué)氣相沉積法各種金屬粉末的典型制備方法The methods to fabricate p

2、owders 金屬 常用方法 鋁 空氣霧化，氣體霧化，研磨超硬合金 研磨，超微碾磨鈷 氧化還原，濕法冶金，化學(xué)沉淀復(fù)合材料（如Al-SiC） 機械合金化，等離子霧化鎳 羰基分解，電解，水霧化鐵 氧化還原，水霧化，電解，貴金屬（如銀） 空氣霧化，電解，化學(xué)沉淀 成形是粉末冶金工藝的重要步驟。成形的目的是制得具有一定形狀、尺寸、密度和強度的壓坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模壓成形是最基本方法。 松裝燒結(jié)粉漿澆注模壓成形熱壓成形等靜壓成形軋制成形離心成形擠壓成形爆炸成形成形無壓成形加壓成形粉末壓制成形新技術(shù)1.粉末預(yù)處理 預(yù)處理包括：粉末退火，篩分，混合，制粒，加潤滑劑等。 粉末的預(yù)先退火可使

3、氧化物還原，降低碳和其他雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度；同時，還能消除粉末的加工硬化、穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu) 。 篩分的目的在于把顆粒大小不同的原始粉末進(jìn)行分級。 混合一般是指將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。混合可采用機械法和化學(xué)法。 制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F粒的工序，以此來改善粉末的流動性。 2.壓制成形 壓模壓制是將置于壓模內(nèi)的松散粉末施加一定的壓力后，成為具有一定尺寸、形狀和一定密度、強度的壓坯。 粉末的壓縮過程一般采用壓坯密度成形壓力曲線來表示。壓坯密度變化分為三個階段?；瑒与A段：在壓力作用下粉末顆粒發(fā)生相對位移，填充孔隙，壓坯密度隨壓力增加而急劇增加；二是粉末體出現(xiàn)壓

4、縮阻力，即使再加壓其孔隙度不能再減少，密度不隨壓力增高而明顯變化；三是當(dāng)壓力超過粉末顆粒的臨界壓力時，粉末顆粒開始變形，從而使其密度又隨壓力增高而增加。 模壓示意圖壓坯密度與壓力 壓坯密度分布不均勻： 單向壓制實驗，各層的厚度和形狀均發(fā)生了變化，由下右圖可知在任何垂直面上，上層密度比下層密度大；在水平面上，接近上模沖的斷面的密度分布是兩邊大，中間?。欢h(yuǎn)離上模沖的截面的密度分別是中間大，兩邊小。 因為粉末體在壓模內(nèi)受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側(cè)壓力。側(cè)壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。 單向壓制 為了改善壓坯密度的不均勻性，一般采取以下措施： 1）減小摩擦力：

5、模具內(nèi)壁上涂潤滑油或采用內(nèi)壁更光潔的模具；2）采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性；3）模具設(shè)計時盡量降低高徑比雙向壓制 粉末的壓制一般在普通機械式壓力機或液壓機上進(jìn)行。常用的壓力機噸位一般為5005000kN。a)填充粉料 b)雙向壓坯 c)上沖模復(fù)位 d)頂出坯塊雙向壓制粉末冶金坯塊工步示意圖傳統(tǒng)壓制技術(shù)的局限：1、模具要求高，占用生產(chǎn)成本比例大；2、所加工部件尺寸受到限制；3、部件密度分布不均勻；4、脫模困難，工序長，生產(chǎn)效率低。1.動磁壓制技術(shù)原理:將粉末裝于一個導(dǎo)電的容器(護套)內(nèi),置于高強磁場線圈的中心腔中。對線圈通入高脈沖電流,線圈腔中形成磁場,護套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與

6、施加磁場相互作用,產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護套的磁力,因而粉末得到二維壓制。整個壓制過程不足1ms。動磁壓制的優(yōu)點: 由于不使用模具,成型時模壁摩擦減少到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。 許多合金鋼粉用動磁壓制做過實驗,粉末中不添加任何潤滑劑,生坯密度均在95%以上。 動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。 動磁壓制適用于制造柱形對稱的近終形件、薄壁管、縱橫比高的零件和內(nèi)部形狀復(fù)雜的零

7、件。動磁壓制技術(shù)適應(yīng)性 動磁壓制的亞毫秒壓制過程有助于保持材料的顯微結(jié)構(gòu)不變,因而也提高了材料性能。對于象、與陶瓷粉末等難壓制材料,動磁壓制可達(dá)到較高的密度,從而降低燒結(jié)收縮率。 動磁壓制正用于開發(fā)高性能粘結(jié)釹鐵硼磁體與燒結(jié)釤鈷磁體。由于動磁壓制的粘結(jié)釹鐵硼磁體密度高,其磁能積可提高15%-20%。 目前許多動磁壓制的應(yīng)用已接近工業(yè)化階段,第一臺動磁壓制系統(tǒng)已在運行中。2.高速壓制 瑞典開發(fā)出粉末冶金用高速壓制法。這可能是粉末冶金工業(yè)的又一次重大技術(shù)突破。高速壓制采用液壓沖擊機,它與傳統(tǒng)壓制有許多相似之處,但關(guān)鍵是壓制速度比傳統(tǒng)快5001000倍,其壓頭速度高達(dá)230m/s,因而適用于大批量生

8、產(chǎn)。液壓驅(qū)動的重錘(51200kg)可產(chǎn)生強烈沖擊波內(nèi)將壓制能量通過壓模傳給粉末進(jìn)行致密化。重錘的質(zhì)量與沖擊時的速度決定壓制能量與致密化程度。高速壓制特點 高速壓制的另一個特點是產(chǎn)生多重沖擊波，間隔約0 3s的一個個附加沖擊波將密度不斷提高。這種多重沖擊提高密度的一個優(yōu)點是,可用比傳統(tǒng)壓制小的設(shè)備制造重達(dá)5kg以上的大零件。 高速壓制適用于制造閥座、氣門導(dǎo)管、主軸承蓋、輪轂、齒輪、法蘭、連桿、軸套及軸承座圈等產(chǎn)品。與傳統(tǒng)壓制相比, 高速壓制的優(yōu)點是： 壓制件密度提高，提高幅度在3左右； 壓制件抗拉強度可提高20%25%； 高速壓制壓坯徑向彈性后效很小, 脫模力較低； 高速壓制的密度較均勻, 其

9、偏差小于3。 3.溫壓成型技術(shù) 溫壓技術(shù)是近幾年新發(fā)展的一項新技術(shù)。它是在混合物中添加高溫新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至423K左右進(jìn)行剛性模壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù)，是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽為 “開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元”和“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命”的新型成型技術(shù)。 溫壓成型技術(shù)特點 其與傳統(tǒng)模壓工藝主要區(qū)別之處在于壓制過程中將粉末和模具加熱到一定的溫度，溫度通常設(shè)定在130150范圍以內(nèi)，可使鐵基粉末冶金零件密度提高，粉末壓坯相對密度可達(dá)到98-99%。 為了充分發(fā)揮在壓制過程中的顆粒重排和塑性變形等溫壓致密化機制，往往需要優(yōu)化原料粉末設(shè)計

10、（如形狀、粒度組成的選擇），通過退火或擴散退火處理以改善粉末塑性，以及往粉末中摻入高性能高溫潤滑劑（添加量通常0.6wt%）。 溫壓成型技術(shù) 溫壓成型技術(shù)優(yōu)點 （1）密度高且分布均勻 常規(guī)一次壓制-燒結(jié)最高密度一般為左右，溫壓一次壓制-燒結(jié)密度可達(dá)到7.40-7.50 g/cm3，溫壓二次壓制-燒結(jié)密度可高達(dá)左右。溫壓工藝中高性能潤滑劑保證了粉末與模壁之間具有較低的摩擦系數(shù)，使得壓坯密度分布更加均勻，采用溫壓工藝制備齒輪類零件時齒部與根部間的密度差比常規(guī)壓制工藝低。 （2）生坯強度高常規(guī)工藝的生坯強度約為1020MPa，溫壓壓坯的強度則為2530MPa，提高了倍。生坯強度的提高可以大大降低產(chǎn)品

11、在轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)的掉邊、掉角等缺陷，有利于制備形狀復(fù)雜的零件；同時，還有望對生坯直接進(jìn)行機加工，免去燒結(jié)后的機加工工序，降低了生產(chǎn)成本。這一點在溫壓-燒結(jié)連桿制備中表現(xiàn)得尤為明顯。 （3）脫模壓力小溫壓工藝脫模壓力(Slide pressure)約為1020MPa，而常規(guī)工藝卻高達(dá)5575MPa，其降低幅度超過60%。低的脫模壓力意味著溫壓工藝易于壓制形狀復(fù)雜的鐵基P/M零件和減小模具磨損從而延長其使用壽命。 （4）表面精度高由于溫壓工藝使壓坯密度升高，而且溫壓中處于粘流態(tài)的潤滑劑具有良好的“整平”作用，因此它可以使鐵基粉末冶金零件表面精度提高2個IT等級，使納米晶硬質(zhì)合金粉末壓坯表面精度提高

12、3個IT等級。 溫壓成型技術(shù)發(fā)展趨勢： 預(yù)合金化粉末的制造技術(shù)； 新型聚合物潤滑劑的設(shè)計； 石墨粉末有效添加技術(shù)； 無偏析粉末的制造技術(shù)； 溫壓系統(tǒng)制備技術(shù)。 溫壓成型技術(shù)應(yīng)用： 溫壓技術(shù)主要適合生產(chǎn)鐵基合金零件。同時人們正在嘗試用這種技術(shù)制備銅基合金等多種材料零件。由于溫壓零件的密度得到了較好的提高，從而大大提高了鐵基等粉末冶金制品的可靠性，因此溫壓技術(shù)在汽車制造 機械制造、武器制造等領(lǐng)域存在著廣闊的應(yīng)用前景。4.流動溫壓技術(shù) 流動溫壓技術(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,通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動性、填充能力和成形性。 這一工藝是利用調(diào)節(jié)

13、粉末的填充密度與潤滑劑含量來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。4.流動溫壓技術(shù) 流動溫壓技術(shù)的關(guān)鍵是提高混合粉末的流動性，主要通過兩種方法來實現(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)劑和潤滑劑,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘結(jié)劑或潤滑劑的加入量達(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。流動溫壓工藝主要特點: (1)可成形零件的復(fù)雜幾何形狀。國外已利用常規(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

14、動轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂、連桿和齒輪類零件等。 (2)密度高、性能均一。流動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。由于流動溫壓工藝中粉末的良好流動性,由此得到的材料密度也更加均勻。 (3)適應(yīng)性較好。流動溫壓工藝已經(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)到所要求的密度和性能。 (4)簡化了工藝,降低了成本。5.冷成形工藝 Cold forming technology 美國開發(fā)出一種能在室溫下生產(chǎn)全致密零件而無需后續(xù)燒結(jié)的粉末冶金工藝。此工藝稱之為“冷成形粉末冶

15、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)。4.冷成形工藝應(yīng)用 采用這一工藝可制得全致密的接近最終形狀的零件，而壓制后無需燒結(jié)及機加工。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。6.注射成形技術(shù) Injection molding technology 金屬粉末注射成形技術(shù)是隨著高分子材料的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新型固結(jié)金屬粉、金屬陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是

16、使用大量熱塑性粘結(jié)劑與粉料一起注入成形模中，施于低而均勻的等靜壓力，使之固結(jié)成形，然后脫粘結(jié)劑燒結(jié)。5.注射成形技術(shù) 這種技術(shù)能夠制造用常規(guī)模壓粉末的技術(shù)無法制造的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)（如帶有螺紋、垂直或高叉孔銳角、多臺階、壁、翼等）制品，具有更高的材質(zhì)密度（93%100%的理論密度）和強韌性，并具有材質(zhì)各向同性等特性。目前該項技術(shù)成為粉末冶金領(lǐng)域最具活力的新技術(shù) 并已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段。注射成形技術(shù)的應(yīng)用 金屬粉末注射成型技術(shù)制作的產(chǎn)品有齒輪汽車部件、通信器械元件(如手機的情報通信器械和計算機的 OA 器件)、電動工具、門鎖、樂器、醫(yī)療器件和縫紉機元件、工業(yè)設(shè)備元件和磁性元件、槍支瞄準(zhǔn)器支架、手槍退

17、子鉤和撞針、窗戶鎖扇形塊、紡織機的三角塊、眼鏡框架的柔性鉸鏈、眼鏡腳、手表表殼等。產(chǎn)品都有一個明顯的特點：其結(jié)構(gòu)小而復(fù)雜，密度和精度高等。制作材料除鐵 鎳合金外，還有鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、超硬合金和重合金等 。微注射成型 傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù), 可制得0 11尺寸的部件, 已制得最小20mg的零件。但隨著微型系統(tǒng)的發(fā)展, 包括微觀光學(xué), 最小侵害外科及微觀射流技術(shù)等, 需要形狀復(fù)雜、尺寸在微米范圍內(nèi)的金屬與陶瓷零件。微注射成形適用于大規(guī)模制造微型結(jié)構(gòu)件。 德國在10年前就開始研究微注射成形技術(shù), 不過所用的原料為熱塑性塑料,最小件尺寸已達(dá)。德國在此研究的基礎(chǔ)上, 現(xiàn)正研究微金屬注射成形與微陶

18、恣注射成形技術(shù)。所用粉末為平均粒度1 5的羰基鐵粉, 45的不銹鋼粉和的氧化鋁粉。所用粘結(jié)劑有自混聚烯烴/蠟化合物與常態(tài)聚醛基化合物。研究中的脫粘結(jié)劑方法有加熱去除有機物法, 聚醛基化合物催化脫粘結(jié)劑法及超臨界二氧化碳脫粘結(jié)劑法。注射成形技術(shù) 所制的產(chǎn)品復(fù)壓后密度達(dá)98%，線性收縮15%22%。最小微陶瓷注射成形結(jié)構(gòu)件尺寸達(dá)10，微注射陶瓷齒輪重量僅為0 5mg，最小的微金屬注射成形件尺寸為50。微注射成形用于微型泵、微型齒輪、微型渦輪、最小損傷外科用的微型導(dǎo)管等。6.快速原型制作技術(shù) 選擇激光燒結(jié)法是用激光束一層一層地?zé)Y(jié)生產(chǎn)塑料原型。現(xiàn)在可選用多種粉末, 包括金屬粉末與陶瓷粉末。金屬粉末選擇激光燒結(jié), 旨在直接生產(chǎn)功能部件。這使工業(yè)界對它產(chǎn)生了極大興趣, 因為它在產(chǎn)品開發(fā)過程中, 節(jié)