粉末冶金新技術(shù)

粉末冶金新技術(shù)第1頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四本節(jié)主要內(nèi)容：概述霧化制粉技術(shù)機(jī)械合金化制粉技術(shù)粉末注射成形技術(shù)溫壓和熱壓成形技術(shù)等靜壓成形技術(shù)SPS燒結(jié)五、粉末冶金新技術(shù)第2頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、概述粉末冶金制取金屬粉末成形、燒結(jié)及燒結(jié)后處理快速冷凝霧化制粉機(jī)械化合金制粉超微粉式納米粉制粉溶膠-凝膠技術(shù)粉末注射成形溫壓成形冷等靜壓熱等靜壓成形超塑性等溫鍛造第3頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四粉末冶金方法與液態(tài)成形方法相比其優(yōu)點(diǎn)如下：可避免或者減少偏析、機(jī)加工量大等缺點(diǎn)。用粉末冶金法生產(chǎn)零件制品時(shí)，金屬的總損耗只有1~5%；材料某些獨(dú)特的性能或者顯微組織也只能用粉末冶金方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，多孔材料、氧化物彌散強(qiáng)化合金、硬質(zhì)合金等；一些活性金屬，高熔點(diǎn)金屬制品用其他工藝成形是十分困難的，這些材料在普通工藝過(guò)程中，隨著溫度的升高，材料的顯微組織及結(jié)構(gòu)收到明顯的損害，而粉末冶金法卻可避免；第4頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四粉末冶金的應(yīng)用：從普通機(jī)械制造到精密儀器，從五金工具到大型機(jī)械，從電子工業(yè)到電機(jī)制造，從采礦到化工，從民用工業(yè)到軍用工業(yè)，從一般技術(shù)到尖端技術(shù)，都在使用粉末冶金材料或制品，金屬粉末和粉末冶金制品、材料在工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用如下表所示：金屬粉末和粉末冶金材料、制品的應(yīng)用機(jī)械制造汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床制造電機(jī)制造精密儀器電器和電子工業(yè)計(jì)算機(jī)工業(yè)化學(xué)、石油工業(yè)軍工航空航天和火箭原子能工程硬質(zhì)合金，金屬陶瓷，粉末高速鋼機(jī)械零件，摩擦材料，多孔含油軸承，過(guò)濾器多孔含油軸承，銅-石墨電刷儀表零件，軟磁材料，硬磁材料電觸頭材料，電真空電極材料，磁性材料記憶元件過(guò)濾器，防腐零件，催化劑穿甲彈頭，軍械零件，高比重合金摩擦片，過(guò)濾器，防凍用多孔材料，粉末超合金發(fā)汗材料，難熔金屬及合金，纖維強(qiáng)化材料核燃料元件，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，控制材料第5頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、霧化制粉技術(shù)定義：

霧化法是一種典型的物理制粉方法，通過(guò)高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水強(qiáng)烈沖擊液流，或通過(guò)離心力使之破碎、冷卻凝固來(lái)實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)：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；通過(guò)控制冷凝速率可以獲得具有非晶、準(zhǔn)晶、微晶或過(guò)飽和固溶體等非平衡組織的粉末。第6頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四霧化過(guò)程霧化聚并凝固過(guò)程一(霧化)：大的液珠當(dāng)受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個(gè)小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，則液體的能量變化可近似為液體的表面能增加。

過(guò)程二(聚并)：液體顆粒破碎的同時(shí)，還可能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個(gè)較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個(gè)過(guò)程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過(guò)程。過(guò)程三(凝固)：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。第7頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四霧化制粉分類(lèi)二流霧化法

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(lái)制備粉末的方法，稱(chēng)為氣霧化或水霧化，統(tǒng)稱(chēng)二流霧化法；單流霧化

如利用離心力破碎金屬液流稱(chēng)為離心霧化、利用超聲波能力來(lái)實(shí)現(xiàn)液流的破碎稱(chēng)為超聲霧化。霧化制粉的冷凝速率一般為103~106℃/s，適用于金屬粉末制備。第8頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四金屬液由上方孔流出時(shí)與沿一定角度高速射擊的氣體或水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混合流動(dòng)，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時(shí)間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。氣流(水、油、氣體)氣流(水、油、氣體)121—液態(tài)金屬2—?dú)饬?水、油或氣體)第9頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氣體霧化氣霧化的四個(gè)區(qū)域負(fù)壓紊流區(qū)—高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓紊流層；顆粒形成區(qū)—在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴；有效霧化區(qū)—?dú)饬鲄R集點(diǎn)對(duì)原始液滴產(chǎn)生強(qiáng)烈破碎作用，進(jìn)一步細(xì)化；冷卻凝固區(qū)—細(xì)化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質(zhì)，凝固為粉末顆粒。(1)二流霧化第10頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氣體動(dòng)能?chē)娮旖Y(jié)構(gòu)液流性質(zhì)噴射方式氣霧化制粉的影響因素a)氣體動(dòng)能增大氣體壓力，能夠增加氣體的噴射速度，有利于金屬液體霧化率的提高。但前提條件是金屬液的流量一定。b)噴嘴結(jié)構(gòu)嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下基本條件：霧化介質(zhì)獲得盡可能高的出口速度；霧化介質(zhì)與金屬液流之間形成合理的噴射角度；金屬液流產(chǎn)生最大的紊流；金屬液流霧化穩(wěn)定，不會(huì)因出口負(fù)壓造成噴嘴堵塞。c)液流性質(zhì)金屬液的表面張力、金屬液的粘度、金屬液的化學(xué)組成、金屬液的過(guò)熱溫度都會(huì)影響霧化制粉。第11頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四d)噴射方式按照霧化介質(zhì)對(duì)流體的作用可分為以下幾種:垂直噴嘴；V形噴嘴；錐形噴嘴；漩渦環(huán)形噴嘴垂直噴射示意圖1—?dú)饬鳎?—金屬液流特點(diǎn)：霧化介質(zhì)與金屬液流互呈垂直方向。噴制的粉末一般比較粗，常用來(lái)噴制鋁、鋅等粉末。V形噴射示意圖特點(diǎn)：兩股板狀霧化截止射流呈V形，金屬液流在交叉處被擊碎。這種噴嘴是在垂直噴嘴的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，不易發(fā)生堵嘴。可噴制不銹鋼粉。第12頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四錐形噴射示意圖特點(diǎn)：霧化介質(zhì)以極高的速度從若干個(gè)均勻分布在圓周上的小孔噴出構(gòu)成一個(gè)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(duì)中好，同時(shí)由于霧化介質(zhì)高速射出時(shí)會(huì)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。漩渦環(huán)形噴射示意圖特點(diǎn)：壓縮氣體從切向進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔，然后高速?lài)姵鲂纬梢讳鰷u狀錐體，金屬液流在錐頂被擊碎。第13頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)離心霧化法離心霧化法是利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成的離心力使金屬熔液克服其表面張力，以細(xì)小的液滴甩出，然后在飛行過(guò)程中球化、冷凝成粉的一種制粉方法。1974年，首先由美國(guó)提出旋轉(zhuǎn)電極(REP)霧化制粉法，后來(lái)又發(fā)展了旋轉(zhuǎn)盤(pán)法(RD)、旋轉(zhuǎn)坩堝法(RC)，電子束旋轉(zhuǎn)電極法(EBRE)，等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)等。旋轉(zhuǎn)電極法原理圖旋轉(zhuǎn)電極過(guò)程中液膜破碎、球形粉形成原理圖旋轉(zhuǎn)坩堝法原理圖第14頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四離心霧化法特點(diǎn)：

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)粉末；離心霧化法不受坩堝耐火材料的污染，是目前制取高純、無(wú)污染難熔金屬和化合物球形粉末最理想的方法，特別是對(duì)易氧化(或氮化)金屬最為有效，冷凝速度一般為103~106K/s。離心霧化法的缺點(diǎn)：

工藝受到設(shè)備規(guī)模、生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化和自動(dòng)化限制，生產(chǎn)能力低，粉末價(jià)格高。第15頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四機(jī)械合金化是一種從元素粉末制取具有平衡或非平衡相組成的合金粉末或復(fù)合粉末技術(shù)。它是在高能球磨機(jī)中，通過(guò)粉末顆粒之間、粉末顆粒與磨球之間長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面相互冷焊而逐步合金化，其過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終達(dá)到機(jī)械合金化的目的。3、機(jī)械合金化制粉技術(shù)第16頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四機(jī)械合金化技術(shù)的特點(diǎn)：可形成高度彌散的第二相粒子；可以擴(kuò)大合金的固溶度，得到過(guò)飽和固溶體；可以細(xì)化晶粒，甚至達(dá)到納米級(jí)，還可以改變粉末的形貌；可以制取具有新的晶體結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶或非晶結(jié)構(gòu)的合金粉末；可以使有序合金無(wú)序化；可以促進(jìn)低溫下的化學(xué)反應(yīng)和提高粉末的燒結(jié)活性。第17頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四原料粉末：

純金屬粉、母合金粉末、預(yù)合金粉末和難熔金屬化合物粉末，其粒度一般為1~200μm。過(guò)程控制劑：

過(guò)程控制劑是一種表面活性劑，它可以覆蓋在粉末的表面，降低新生表面的表面張力，縮短球磨時(shí)間；過(guò)程控制劑的加入，還可以減少粉末間的冷焊，防止粉末發(fā)生團(tuán)聚?？刂苿┑牧恳话阍?~4%；控制劑一般為有機(jī)化合物，如硬脂酸、乙烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、異丙酮、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂，石墨粉、氧化鋁、氮化鋁、氧化鈉也曾用作過(guò)程控制劑。注意：

在球磨過(guò)程中，這些化合物的大部分都會(huì)分解，并與粉末發(fā)生反應(yīng)后在其基體中形成均勻彌散分布的化合物新相，所以過(guò)程控制劑的選擇很重要。機(jī)械合金化原料及過(guò)程控制劑第18頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四球磨制粉包括四個(gè)基本要素： 球磨筒 磨球 研磨物料 研磨介質(zhì)球磨制粉第19頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在球磨過(guò)程中，球磨筒將機(jī)械能傳遞到筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生正向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力等，當(dāng)這些復(fù)雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時(shí)，細(xì)化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過(guò)程；如果粉末的塑性較強(qiáng)，則顆粒的細(xì)化過(guò)程較為復(fù)雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為，不論何種性質(zhì)的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是一致的。第20頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.動(dòng)能準(zhǔn)則： 提高磨球的動(dòng)能2.碰撞幾率準(zhǔn)則： 提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則第21頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四滾筒式行星式振動(dòng)式攪動(dòng)式球磨制粉的基本方式第22頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)速較低時(shí)，球料混合體與筒壁做相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)并保持一定的斜度。隨轉(zhuǎn)速的增加，球料混合體斜度增加，抬升高度加大，這時(shí)磨球并不脫離筒壁；轉(zhuǎn)速達(dá)一臨界值V臨1時(shí)，磨球開(kāi)始拋落下來(lái)，形成了球與筒及球與球間的碰撞；轉(zhuǎn)速增加到某一值時(shí)，磨球的離心力大于其重力，這時(shí)磨球、粉料與磨筒處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)研磨作用停止，這個(gè)轉(zhuǎn)速被稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速V臨2。(1)滾筒式球磨第23頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個(gè)限定條件V臨1<V

實(shí)際<V臨2限定條件實(shí)際上與這一動(dòng)能準(zhǔn)則相悖，因此滾筒球磨的球磨效率是很有限的。為了克服這個(gè)不足，人們又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了新的球磨方法。第24頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四球磨罐(筒體)被夾緊并以每分鐘數(shù)千次的頻率前后晃動(dòng)，與此同時(shí)，球磨罐的兩端還作橫向擺動(dòng)，球磨罐每擺動(dòng)以下，磨球就是撞擊粉末樣品和球磨罐頂部，從而達(dá)到球磨和混合粉末的目的。(2)振動(dòng)式球磨第25頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四行星球磨原理示意圖原理：多個(gè)球磨罐對(duì)稱(chēng)安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)上，每個(gè)球磨罐還饒自己的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。由球磨罐環(huán)繞自己的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐盤(pán)的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用于裝有球磨原料和磨球的球磨罐上，在支撐盤(pán)離心力的作用下，粉末和磨球?qū)w向外壁，產(chǎn)生撞擊效應(yīng)，從而達(dá)到機(jī)械合金化的效果。球磨罐(3)行星式球磨第26頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四這種球磨機(jī)可以較大批量的生產(chǎn)機(jī)械合金化粉末，球磨料的運(yùn)動(dòng)速率要比振動(dòng)球磨機(jī)和行星球磨機(jī)低，因此能力也較低。攪拌球磨機(jī)的操作簡(jiǎn)單，將粉末和磨球放入一固定的球磨罐中，在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌桿的作用下，磨球?qū)Ψ勰┦┬屑羟泻妥矒糇饔谩?4)攪動(dòng)式球磨第27頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四定義粉末注射成形技術(shù)(powderinjectionmolding，簡(jiǎn)稱(chēng)PIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域而形成的一門(mén)近凈形形成新技術(shù)。粉末黏結(jié)劑混合混煉和制粒注射成形脫出黏結(jié)劑燒結(jié)粉末注射成形工藝流程圖4、粉末注射成形技術(shù)第28頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四粉末注射成形

工藝流程粉末黏結(jié)劑預(yù)混合混煉和制粒注射成形溶劑脫脂熱脫脂/預(yù)燒結(jié)燒結(jié)第29頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)粉末注射成形技術(shù)的特點(diǎn)①可以直接制備出具有最終形狀和尺寸的復(fù)雜零部件。

例如：非對(duì)稱(chēng)零件，帶溝槽、橫孔、盲孔的零件，壁厚變化比較大的零件，表面帶花紋和文字的零件等。第30頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

②產(chǎn)品性能優(yōu)越

由于PIM產(chǎn)品微觀(guān)組織均勻，沒(méi)有鑄造工藝中出現(xiàn)的粗大結(jié)晶組織和成分偏析，產(chǎn)品密度高，其力學(xué)性能要明顯優(yōu)于精密鑄造材料和傳統(tǒng)粉末冶金材料。第31頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

③可以實(shí)現(xiàn)零部件一體化

由于加工技術(shù)或材料性能的原因，有些部件采用傳統(tǒng)技術(shù)制造時(shí)，需要加工成幾個(gè)零件來(lái)組裝，有時(shí)幾個(gè)零件的材料還不一樣。采用PIM技術(shù)則可以直接制成一個(gè)整體的復(fù)合部件。第32頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四集束箭彈小箭鎢基合金箭頭鐵基合金尾翼霰彈槍第33頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

高分子材料金屬材料陶瓷材料復(fù)合材料④材料適應(yīng)性廣

可以說(shuō)合適粉末的任何材料都可以用PIM技術(shù)制造零部件。第34頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

⑤生產(chǎn)成本低主要表現(xiàn)在：可以減少甚至消除機(jī)加工；材料利用率高；生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)規(guī)模靈活、投資少；生產(chǎn)線(xiàn)高度自動(dòng)化。第35頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四復(fù)雜形狀高性能低成本PIM特點(diǎn)：以較低的成本生產(chǎn)出高性能的復(fù)雜形狀零部件第36頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5、溫壓和熱壓成形技術(shù)溫壓成形的基本工藝過(guò)程：將金屬或合金粉和聚合物潤(rùn)滑劑混合后，采用特制的粉末加熱系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)和模具加熱系統(tǒng)，升溫到75~150℃，壓制成坯，再經(jīng)預(yù)燒、燒結(jié)、整形等工序，獲得粉末冶金零件。具體如下面所述的工藝路線(xiàn)。粉末黏結(jié)劑混合加熱粉末加熱模具溫壓成形燒結(jié)后處理產(chǎn)品溫壓成形工藝路線(xiàn)第37頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱壓成形的基本工藝過(guò)程：熱壓又稱(chēng)為加壓燒結(jié)，是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時(shí)使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低一些，經(jīng)過(guò)較短時(shí)間燒結(jié)獲得致密而均勻的制品。熱壓是將壓制和燒結(jié)兩個(gè)工序一并完成的，熱壓是一種強(qiáng)化燒結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：大大降低成形壓力和縮短燒結(jié)時(shí)間，制得的材料密度較高，晶粒較細(xì)。第38頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6、等靜壓成形技術(shù)等靜壓成形熱等靜壓(HIP)冷等靜壓(CIP)以水或油作壓力介質(zhì)液靜壓水靜壓油水靜壓以氣體(如氬氣)作壓力介質(zhì)氣體熱等靜壓第39頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)冷等靜壓成形冷等靜壓按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具。橡膠模粉料高壓容器壓力傳動(dòng)介質(zhì)a)濕袋模具原理：把無(wú)須外力支持也能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉末料，用橡皮塞塞緊密封袋口，然后套裝入穿孔金屬套內(nèi)并一起放入高壓容器中，使模袋泡浸在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體壓制。優(yōu)點(diǎn)：能在同一壓力容器內(nèi)同時(shí)壓制各種形狀的壓件；模具壽命長(zhǎng)、成本低。缺點(diǎn)：裝袋脫模過(guò)程中消耗時(shí)間較多。第40頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高壓容器粉料加壓橡皮壓力傳動(dòng)介質(zhì)成型橡膠模b)干袋模具原理：干袋固定