粉末冶金新技術新工藝模板

11粉末冶金新技術新工藝11．1概述粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末和非金屬粉末混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復合材料和多種類型制品工藝技術。粉末冶金工藝第一步是制取原料粉末，第二步是將原料粉末經(jīng)過成形、燒結(jié)和燒結(jié)后處理制得成品。經(jīng)典粉末冶金產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線圖11-1所表示。粉末冶金工藝發(fā)展已遠遠超出此范圍而日趨多樣化，已成為處理新材料問題鑰匙，在新材料發(fā)展中起著舉足輕重作用。粉末冶金技術有以下特點：(1)能夠直接制備出含有最終形狀和尺寸零件，是一個無切削、少切削新工藝，從而能夠有效地降低零部件生產(chǎn)資源和能源消耗；(2)能夠輕易地實現(xiàn)多個類型復合，充足發(fā)揮各組元材料各自特征，是一個低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷基復合材料工藝技術；(3)能夠生產(chǎn)一般熔煉法無法生產(chǎn)含有特殊結(jié)構和性能材料和制品，如多孔含油軸承、過濾材料、生物材料、分離膜材料、難熔金屬和合金、高性能陶瓷材料等；(4)能夠最大程度地降低合金成份偏聚，消除粗大、不均勻鑄造組織，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料(如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構材料等)含相關鍵作用；(5)能夠制備非晶、微晶、準晶、納米晶和過飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料含有優(yōu)異電學、磁學、光學和力學性能；(6)能夠充足利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一個可有效進行材料再生和綜合利用新技術。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(xiàn)，比如：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(jié)／熱等靜壓、場活化燒結(jié)、微波燒結(jié)、粉末軋制、流延成形、爆炸成形、粉末熱鍛、超塑性等溫鑄造、反應燒結(jié)、超固相線燒結(jié)、瞬時液相燒結(jié)、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。這些新技術有給予原傳統(tǒng)工藝步驟以新內(nèi)容和意義，有把多個工藝步驟合為一步而成為一個嶄新工藝。所以，使整個粉末冶金領域大大拓寬，并向著縱深方向發(fā)展。粉末冶金新技術、新工藝應用，不僅使傳統(tǒng)粉末冶金材料性能得到根本改善，而且使得一批高性能和含有特殊性能新一代材料相繼產(chǎn)生。比如：高性能摩擦材料、固體自潤滑材料、粉末高溫合金、高性能粉末冶金鐵基復合和組合零件、粉末高速鋼、快速冷凝鋁合金、氧化物彌散強化合金、顆粒增強復合材料，高性能難熔金屬及合金、超細晶粒及涂層硬質(zhì)合金、新型金屬陶瓷、特種陶瓷、超硬材料、高性能永磁材料、電池材料、復合核燃料、中子可燃毒物、粉末微晶材料和納米材料、快速冷凝非晶和準晶材料、隱身材料等。這些新材料全部需要以粉末冶金作為其關鍵或惟一制造手段。本章將簡明介紹粉末冶金基礎工藝原理和方法，關鍵介紹多年米粉末冶金新技術和新工藝發(fā)展和應用情況。11．2霧化制粉技術粉末冶金材料和制品不停增多，其質(zhì)量不停提升，要求提供粉末種類也愈來愈多。比如，從材質(zhì)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，要求使用多種形狀粉末，如生產(chǎn)過濾器時，就要求球形粉末；從粉末粒度來看，從粒度為500～1000m粗粉末到粒度小于0.1m超細粉末。近幾十年來，粉末制造技術得到了很大發(fā)展。作為粉末制備新技術，第一個引人注目標就是快速凝固霧化制粉技術。快速凝固霧化制粉技術是直接擊碎液體金屬或合金并快速冷凝而制得粉末片法?？焖倌天F化制粉技術最大優(yōu)點是能夠有效地降低合金成份偏析，取得成份均勻合金粉末。另外，經(jīng)過控制冷凝速率能夠取得含有非晶、準晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織粉末。它出現(xiàn)不管對粉末合金成份設計還是對粉末合金微觀結(jié)構和宏觀特征全部產(chǎn)生了深刻影響，它給高性能粉末冶金材料制備開辟了一條嶄新道路，有力地推進了粉末冶金發(fā)展。霧化法最初生產(chǎn)是像錫、鉛、鋅、鋁等低熔點金屬粉末，深入發(fā)展能生產(chǎn)熔點在1600～1700℃以下鐵粉及其它粉末，如純銅、黃銅、青銅、合金鋼、不銹鋼等金屬和合金粉末。近些年，伴隨大家對霧化制粉技術快速冷凝特征認識，其應用領域不停地拓寬，如高溫合金、Al-Li合金、耐熱鋁合金、非晶軟磁合金、稀土永磁合金、Cu-Pb和Cu-Cr假合金等。借助高壓液流(通常是水或油)或高壓氣流(空氣、惰性氣體)沖擊破碎金屬液流來制備粉末方法，稱為氣霧化或水(油)霧化法，統(tǒng)稱二流霧化法(圖11-2)；用離心力破碎金屬液流稱為離心霧化(圖11-3)；利用超聲波能量來實現(xiàn)液流破碎稱為超聲霧化(圖11-4)。霧化制粉冷凝速率通常為103～106℃／s。11．2．1二流霧化依據(jù)霧化介質(zhì)(氣體、水或油)對金屬液流作用方法不一樣，二流霧化法含有多個形式：(1)垂直噴嘴。霧化介質(zhì)和金屬液流互呈垂直方向，圖11-5(a)所表示。這么噴制粉末通常較粗，常見來噴制鋁、鋅等粉末。(2)V形噴嘴。兩股板狀霧化介質(zhì)射流呈V形，金屬液流在交叉處被擊碎，圖ll-5(b)所表示。這種噴嘴是在垂直噴嘴基礎上改善而成，其特點是不易發(fā)生堵嘴。瑞典霍格納斯企業(yè)最早用此法以水噴制不銹鋼粉。(3)錐形噴嘴。采取圖11-5(c)所表示環(huán)孔噴嘴，霧化介質(zhì)以極高速度從若干個均勻分布在圓周上小孔噴出組成一個未封閉氣錐，交匯于錐頂點，將流經(jīng)該處金屬液流擊碎。這種噴嘴霧化效率較高，但要求金屬液流對中好，而且因為霧化介質(zhì)高速射出時會在錐中形成真空，輕易造成液滴反飛，并在噴嘴上凝固而堵嘴。(4)漩渦環(huán)形噴嘴。采取圖11-5(d)所表示環(huán)縫噴嘴，壓縮氣體從切向進入噴嘴內(nèi)腔。然后高速噴出形成一漩渦狀錐體，金屬液流在錐頂被擊碎。霧化介質(zhì)和金屬液流相互作用現(xiàn)有物理-機械作用，又有物理-化學改變。高速氣體射流或水射流，既是使金屬液流擊碎動力源，又是一個冷卻劑，就是說，首先，在霧化介質(zhì)同金屬液流之間現(xiàn)有能量交換(霧化介質(zhì)動能變?yōu)榻饘僖旱伪砻婺?，又有熱最交換(金屬液滴將一部分熱雖轉(zhuǎn)給霧化介質(zhì))。不管是能量交換，還是熱量交換，全部是一個物理-機械過程；其次，液體金屬黏度和表面張力在霧化過程和冷卻過程中不停發(fā)生改變，這種改變反過來又影響霧化過程。另外，在很多情況下，霧化過程中液體金屬和霧化介質(zhì)發(fā)生化學作用使金屬液體改變成份(如氧化、脫碳等)，所以，霧化過程也就含有物理-化學過程特點。在液體金屬不停被擊碎成細小液滴時，高速射流動能變?yōu)榻饘僖旱卧龃罂偙砻娣e表面能。這種能量交換過程效率極低，據(jù)估量不超出1％。現(xiàn)在，從定量方面研究二流霧化機理還很不夠。霧化過程很復雜。影響粉末性能(化學成份、粒度、顆粒形狀和內(nèi)部結(jié)構等)原因很多，關鍵有噴嘴和聚粉裝置結(jié)構、霧化介質(zhì)種類和壓力、金屬液表面張力、黏度、過熱度和液流直徑。顯然，霧化介質(zhì)流和金屬液流動力交互作用愈顯著，霧化過程愈強烈。金屬液流破碎程度取決于介質(zhì)流動能，尤其是介質(zhì)流對金屬液滴相對速度和金屬液流表面張力和運動黏度。通常來說，金屬液流表面張力、運動黏度值是很小，所以介質(zhì)流對金屬液滴相對速度是最關鍵。粉末形狀關鍵取決于液流表面張力和冷凝時間。金屬液流表面張力大，而且液滴在凝固前有充足球化時間，將有利于取得球形粉術。圖11-6顯示了不一樣霧化方法所得到粉末照片。11.2.1.1氣體霧化氣體霧化法所用霧化壓力通常為2～8MPa，制得粉末粒徑通常為50～100m，多為表面光滑球形。多年來已發(fā)展了一個新緊耦合(CloseCoupled)氣體霧化噴槍，能夠極大提升細粉率，粒徑為30～40m粉末可占75％左右，粉末冷凝速度也對應有了提升。超聲氣體霧化法(USGA)是氣體霧化技術中較為優(yōu)異一個，它是用速度高達2.5馬赫高速高頻(80~100kHz)脈沖氣流作為霧化介質(zhì)。這種超聲氣流是用一系列哈脫曼(Hartman)沖擊波管產(chǎn)生。超聲氣體霧化法含有很高霧化效率，比如，采取超聲氣體霧化法能夠制成粒徑為8m錫合金粉末和平均粒徑為20m鋁合金粉未，而且在這種鋁合金粉末中粒徑小于50m粉末出粉率高達90％以上。超聲氣體霧化生產(chǎn)低熔點合金已達工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，而對于高熔點合金仍處于試驗階段和試驗性生產(chǎn)規(guī)模，其存在關鍵問題是霧化過程不穩(wěn)定，易造成“堵嘴”現(xiàn)象。經(jīng)過提升霧化氣體溫度，使氣體出口速度提升，可深入提升細粉末出粉率。另一個值得注意是德國Gerking發(fā)明層流氣體霧化技術，該技術采取了特殊噴嘴設計，使霧化氣體以層流形式噴出，可將金屬液流深入細化。用該技術生產(chǎn)鋁粉中位徑只有18m，90％粉末粒徑小于30m。用該技術生產(chǎn)316L不銹鋼粉末，其中位徑為30m，90％粉末粒徑小于80m。不過，因為該技術采取了很小直徑金屬液流(約1mm)，批量生產(chǎn)時其導液管輕易被堵塞。全惰性氣體霧化技術多年來發(fā)展很快，多個試驗和生產(chǎn)規(guī)模全惰性氣體霧化制粉設備相繼投入運行，為發(fā)展高性能高溫合金、鋁合金、鈦合金和金屬間化合物材料提供了有力手段。11.2.1.2高壓水霧化在金屬粉末霧化中發(fā)展最快是20世紀60年代中期建立起來高壓水霧化技術。水霧化法因為采取了密度較高水做霧化介質(zhì)，所以達成冷凝速度要比通常氣體霧化法高個數(shù)量級，粉末形狀通常為不規(guī)則形。它在純鐵粉、低合金鋼粉、高合金鋼粉、不銹鋼粉和銅合金粉制造中含有重大技術經(jīng)濟優(yōu)勢，是鋼鐵粉末生產(chǎn)關鍵發(fā)展方向。高壓水霧化現(xiàn)在只限于在不會出現(xiàn)過分氧化或在霧化期間形成氧化物能很快被還原那些可霧化合金。在10MPa水壓下鋼鐵粉末粒度為100～200m。伴隨粉末注射成形等新型近凈形成形技術發(fā)展，超高壓（>100MPa)水霧化被認為是制取細微(約100m)粉末有效路徑。比如，日本太洋金屬企業(yè)為此開發(fā)了水壓高達150MPa超高壓水霧化設備，其平均粒度可達3～5m。11．2．2離心霧化離心霧化法是利用機械旋轉(zhuǎn)造成離心力使金屬熔液克服其表面張力，以細小液滴甩出，然后在飛行過程中球化、冷凝成粉一個制粉方法。其中關鍵有旋轉(zhuǎn)盤法(RD)(圖11-3(a))、旋轉(zhuǎn)坩堝法(RC)(圖11-3(b))、旋轉(zhuǎn)電極法(REP(圖11-3(c))、電子束旋轉(zhuǎn)電極法(EBRE)、等離子旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)(圖11-7)等?，F(xiàn)在，上述方法全部有工業(yè)性生產(chǎn)設備。離心霧化一個關鍵特點就是能制取幾乎全部金屬或合金粉末，還能夠制取難熔化合物(如氧化物，碳化物等)粉末。另外，離心霧化通常不受坩堝耐火材料污染，是日前制取高純、無污染難熔金屬和化合物球形粉末最理想方法，尤其是對易氧化(氮化)金屬最為有效，冷凝速度通常為103~106K／s。離心霧化法關鍵缺點是工藝受到設備規(guī)模、生產(chǎn)過程連續(xù)化和自動化限制，生產(chǎn)能力低，粉末價格較高。離心霧化法制得粉末通常為球形，平均粒度多在50～15m之間。粉末粒度大小關鍵受離心力影響，旋轉(zhuǎn)速度越高，離心力越大，所得粉末越細。圖11-8顯示了電極旋轉(zhuǎn)速率對粉末粒度影響規(guī)律。在上述離心霧化技術中，旋轉(zhuǎn)電極法(包含PEP、EBRE、PREP)最關鍵，日前應用比較廣泛，關鍵用于制備鎳基超合金、鈦合金、金屬間化合物、無氧銅、難熔金屬及合金等粉末。11.3機械合金化制粉技術機械合金化是一個從元素粉末制取含有平衡或非平衡相組成合金粉末或復合粉末制粉技術。它是在高能球磨機中，經(jīng)過粉末顆粒之間、粉末顆粒和磨球之間長時間發(fā)生很猛烈研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成新生表面相互冷焊而逐步合金化，其過程反復進行，最終達成機械合金化目標，圖11-9所表示。機械合金化技術特點關鍵有：(1)可形成高度彌散第二相粒子；(2)能夠擴大合金固溶度，得到過飽和固溶體；(3)能夠細化晶粒，甚至達成納米級。還能夠改變粉末形貌；(4)能夠制取含有新晶體結(jié)構、準晶或非晶結(jié)構合金粉末；(5)能夠使有序合金無序化；(6)能夠促進低溫下化學反應和提升粉末燒結(jié)活性。機械合金化是美國國際鎳企業(yè)Benjamin等人于20世紀60年代末期最早開發(fā)，當初關鍵用于制備同時含有沉淀硬化和氧化物彌散硬化效應鎳基和鐵基超合金。表11-1列出了機械合金化技術制備多個氧化物彌散強化鎳基和鐵基超合金室溫和高溫力學性能。機械合金化技術所用原料粉末起源廣泛，關鍵是部分現(xiàn)在已廣泛應用純金屬粉末，有時也使用母合金粉末、預合金粉末和難熔金屬化合物粉末，其粒度通常為l～200m。、對機械合金化技術來說，原料粉末粒度并不是很關鍵，因為粉末粒度隨球磨時間呈指數(shù)下降(圖11-10)，幾分鐘后便會變得很細，但通常說來原始粉末粒度要小于磨球直徑。因為通常商用金屬粉末氧含量為0.05％～0.2％，所以，在研究機械合金化過程中相改變時要充足考慮原始粉末純度。為了降低粉末間冷焊，預防粉末發(fā)生團聚，在機械合金化過程中往往需要在粉末中加入1％～4％過程控制劑，尤其是在有一定量延性組元存在時。過程控制劑是一個表面活性劑，它能夠覆蓋在粉末表面，降低新生表面表面張力，從而可縮短球磨時間。過程控制劑種類很多，但大多數(shù)為有機化合物。如：硬脂酸、己烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇、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、氯化鈉也曾用作過程控制劑。在球磨過程中，這些化合物大部分全部會分解，并和粉末反應后在其基體中形成均勻彌散分布化合物新相。比如，碳氧化合物中包含碳和氫元素，碳水化合物包含碳、氧、氫元素。用這些化合物作為過程控制劑能夠在粉末基體中形成彌散碳化物和氧化物粒子，從而得到彌散強化材料，其中氫元素能夠在隨即加熱或燒結(jié)過程中成為氣體逸出或被晶格吸收。有些金屬，如鋁、鎳、銅會在球磨過程中和醇類介質(zhì)反應，形成復雜金屬-有機化合物。比如鋁會和異丙醇反應。其它部分金屬，如鈦、鋯會和氯化物流體(如四氯化碳)發(fā)生爆炸反應，所以，氯化物流體不能夠用作活性金屬過程控制劑。鈦、鋯等活性金屬在有空氣存在情況下球磨時，會大量吸氧和吸氮，從而發(fā)生相變，包含形成新相。反應球磨技術(金屬粉末在活性固體／液體／氣體存在條件下進行球磨時，會造成化學反應發(fā)生)已應用于制備金屬氧化物、碳化物和氮化物粉末。比如：將金屬鈦在氮氣氛中球磨得到了氮化鈦粉末，其它多個金屬氯化物粉末也已用相同工藝制得。將鎢和碳(石墨)一起進行球磨，能夠取得碳化鎢粉末。將鋁和碳或含碳過程控制劑一起球磨能夠得到碳化鋁粉末(Al4C3)，碳化鋁粒子彌散分布在鋁合金基體中，可顯著改善鋁合金性能。對于鋁-碳體系，在球磨過程中往往只有部分碳化鋁粒子形成，要使碳和鋁完全反應需要進行后續(xù)熱處理。然而，對于其它體系，化學反應能夠在球磨過程中完成，也可能要經(jīng)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。過程控制劑選擇取決于球磨粉末性質(zhì)和對最終粉末純度要求。過程控制劑使用往往會給粉末帶進部分夾雜物，所以，制備高純粉末時要避免使用過程控制劑。需要指出是，沒有萬能過程控制劑。選擇過程控制劑時，要仔細考察金屬粉末和過程控制劑組元間可能化學反應?，F(xiàn)在，已經(jīng)有多個形式球磨機用于制備機械合金化粉末。其不一樣之處關鍵是生產(chǎn)能力、球磨效率、冷卻和加熱裝置等。振動球磨機、如SPEX球磨機(美國SPEXCertPrep，Inc制造，圖11-11)，這種球磨機一次只能制備10克左有粉末，關鍵用于試驗室研究和做合金篩選工作。它包含一個用于裝填粉求和磨球球磨罐，球磨罐被夾緊并以每分鐘數(shù)千次頻率前后晃動，和此同時，球磨罐兩端還作橫向擺動，所以，球磨罐是沿著一個8字形軌跡運動，或是無規(guī)則軌跡運動。球磨灌每擺動一下，磨球就會撞擊粉末樣品和球磨罐頂部，從而達成球磨和混合粉末目標。行星球磨機。如Pulverisette球磨機(德國FritschGmbH制造，圖11-12)。這是一個最為廣泛用于機械合金化球磨機，一次能夠制備幾百克粉末。行星球磨機名字來自于它球磨罐運動軌跡。多個球磨罐對稱安裝在一個旋轉(zhuǎn)圓盤上，每個球磨罐還繞自己軸心轉(zhuǎn)動。由球磨罐圍繞自己軸心轉(zhuǎn)動和支撐盤旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生離心力作用于裝有球磨原料和磨球球磨罐上。因為球磨罐和支撐盤旋轉(zhuǎn)方向是相反。產(chǎn)生離心力有部位力向相同，有則相反。圖11-12所表示，球磨罐外側(cè)粉末和磨球所受離心力方向是相同，所以將沿著內(nèi)壁滾動，產(chǎn)生摩擦效應，當球磨罐這一邊轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)時，粉末和磨球所受離心力方向變?yōu)橄喾?，在支撐盤離心力作用下，粉末和磨球?qū)w向外壁，產(chǎn)生撞擊效應，從而達成機械合金化效果。攪拌球磨機。如Model1-S攪拌球磨機(美國UnionProcess制造，圖11-13)。這種球磨機能夠較大批量地生產(chǎn)機械合金化粉末，從幾千克到100kg。攪拌球磨機球磨料運動速率要比振動球磨機和行星球磨機低，通常約為0.5m／s，所以其能量也較低?，F(xiàn)在多種規(guī)格攪拌球磨機中國外全部有企業(yè)制造。球磨罐有純不銹鋼制，也有內(nèi)襯了氧化鍋、氧化鋯、橡膠或聚氨基甲酸乙脂不銹鋼罐。磨球材質(zhì)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。攪拌球磨機操作較簡單。將粉末和磨球放入一固定球磨罐中，在高速旋轉(zhuǎn)攪拌桿作用下，磨球?qū)Ψ勰┦┬屑羟泻妥矒糇饔?。通常應用攪拌球磨機其攪拌速率約為250r／mm，試驗室使用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微細粉末，有時亦把粒徑小于100nm微細粒子稱為納米微粉。納米微粉含有顯著體積和表面效應，所以，它較通常細粉有顯著不一樣物理、化學和力學特征，作為潛在功效材料和結(jié)構材料，超微粉末研制已受到了世界各工業(yè)國家重視。納米微粉制造方法有：溶膠-凝膠法、噴霧熱轉(zhuǎn)換法、沉淀法、電解法、汞正當、羰基法、冷凍干燥法、超聲粉碎法、蒸發(fā)-凝聚法、爆炸法、等離子法等。制各超微粉末碰到最大困難是粉末搜集和存放。另外，濕法制取超微粉末全部需要熱處理，所以可能使顆粒比表面積下降，活性降低，失去超微粉特征，而且極難避免和表而上羰基結(jié)合，所以現(xiàn)在通常全部傾向于采取干法制粉。納米微粉是一個新型粉末冶金材料和原材料，其關鍵應用于高密度磁統(tǒng)計材料、薄膜集成電路導電材料、微孔過濾器、化學催化劑、汽車用還原觸媒、超微粒子膜傳感器、碳纖維氣相成核材料等。納米微粉活性大，易于凝聚和吸濕氧化，成形性差，所以作為粉末冶金原料還有部分技術上問題有待處理。另外，納米微粉作為粉末制品原料必需含有經(jīng)濟制造方法和穩(wěn)定質(zhì)量。納米微粉燒結(jié)溫度尤其低(粒徑為20nm銀粉燒結(jié)溫度為60~80℃，20nm鎳粉200℃開始熔接)，一旦能實現(xiàn)利用納米微粉工業(yè)化生產(chǎn)粉末冶金制品。將對粉末冶金技術帶來突破性變革。11．5粉注射成形技術粉末注射成形(powderinjectionmolding，簡稱PIM)是將現(xiàn)代塑料注射成形技術引入粉末冶金領域而形成一門近凈形成形新技術。它基礎工藝過程圖11-14所表示：首先將固體粉末和有機黏結(jié)劑均勻混合并制成粒狀喂料，在加熱狀態(tài)下用注射成形機將其注入模腔內(nèi)冷凝成形，然后用化學溶解或熱分解方法將成形坯中黏結(jié)劑脫除，最終經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。該技術最大特點是能夠直接制造出含有最終形狀零部件，產(chǎn)品不僅精度高、組織均勻、性能優(yōu)異，而且生產(chǎn)成本只有傳統(tǒng)成形工藝20％~60％。所以，國際上普遍認為該技術發(fā)展將會造成零部件成形和加工技術一場革命，已成為國際上“當今最熱門零部件成形技術”。粉末注射成形技術原型起源于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專利1938年授權給Schwartzwalder。第二次世界大戰(zhàn)期間，在美國曼哈頓計劃中，美國橡樹嶺國家試驗室采取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鎳管。1976年，第一項金屬粉末注射成形技術專利授權給River。因為當初粉末原料成本高、脫脂時間長、產(chǎn)品易變形等問題沒有處理。其發(fā)展很緩慢。直道1979年，美國Parmatech企業(yè)有兩件PIM產(chǎn)品在國際粉末冶金大會產(chǎn)品設計大賽中獲獎后，PIM技術才開始受到粉術冶金界關注。20世紀80年代因為美國政府研究機構和大學介入，使研究工作向深層次發(fā)展，從完全憑經(jīng)驗進入到在一定理論指導下工作，這一時期PIM技術得到了快速發(fā)展。這首先歸于在流體力學和氣體動力學研究結(jié)果基礎上開發(fā)出超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術發(fā)展，使細粉率大大提升，原材料成本下降。其次，在黏結(jié)劑設汁理論和脫脂機理等研究結(jié)果指導下，新一代黏結(jié)劑及其脫除技術開發(fā)成功，不僅使原來脫脂時間從數(shù)十小時縮到多個小時，而且其保形性得到顯著改善，大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品尺寸精度從±0.5％提升到了±0.3％。進入20世紀90年代，首先，是PIM工藝深入改善，新材料、新工藝不停涌現(xiàn)，其次，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展很快速。黏結(jié)劑是PIM技術關鍵，在PIM中黏結(jié)劑含有增強粉體流動性和維持坯塊形狀兩個基礎職能，另外它還應含有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點。黏結(jié)劑通常是由低分子量組元和高分子量組元加上部分必需添加劑和表面活性劑組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，確保成形坯含有一定強度添加劑和表面活性劑關鍵用以增強黏結(jié)刺流動性和和粉末相容性。各組元以合適百分比搭配以取得高粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性產(chǎn)品。通常采取黏結(jié)劑體系關鍵有：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11-2列舉了部分已公開黏結(jié)劑配方。傳統(tǒng)黏結(jié)劑在熱脫脂過程中，因為幾乎是在成形坯內(nèi)外同時分解，脫脂速率極慢，往往需要數(shù)十小時甚至數(shù)天，加緊熱脫脂速度往往會造成鼓泡和開裂等無法填補缺點。采取液／固或氣／固界面反應脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂)，能夠使脫脂過程由外及里推進，能夠有效地提升脫脂速率，已成為黏結(jié)劑開發(fā)關鍵發(fā)展方向。因為水價格低廉、無毒，有利于環(huán)境保護，開發(fā)水溶性黏結(jié)劑體系是溶劑脫脂技術研究關鍵。由德國BASF企業(yè)開發(fā)黏結(jié)劑及其催化脫脂技術是現(xiàn)在應用于工業(yè)化生產(chǎn)中最優(yōu)異脫脂技術之一，并可為粉末注射成形廠家直接供給喂料和提供后續(xù)生產(chǎn)工藝。德國CREMER企業(yè)已開發(fā)出了適應該技術連續(xù)脫脂和燒結(jié)一體化爐，該技術脫脂速率可達成1～4mm／h。粉末注射成形技術因為采取了大量黏結(jié)劑作為粉末流動填充模腔載體，所以能夠像成形塑料那樣制備出多種任意形狀粉末冶金零部件，這是傳統(tǒng)粉末冶金模壓工藝不可能達成。因為射成形是一個近凈形成形工藝，產(chǎn)品基礎上不需要后續(xù)加工，有需要幾十道機加工工序才能完成產(chǎn)品采取PIM能夠一次成形，制造成本相對較低。PIM技術還能夠?qū)崿F(xiàn)零部件一體化。因為加工技術或材料性能原因，有些部件采取傳統(tǒng)技術制造時，需要加工成多個零件來組裝，有時多個零件材料還不一樣。采取Pm技術則能夠直接制成一個整體復合部件(圖11-15所表示)。因為注射成形原料是以流態(tài)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因為模壁摩擦壓力損失所造成成形坯密度分布不均勻問題，這么能夠大大降低燒結(jié)變形。另外，因為PIM技術所用粉來通常較細，產(chǎn)品燒結(jié)后能夠達成很高密度，所以，PIM產(chǎn)品力學性能通常優(yōu)于粉末冶金模壓和精密鑄造產(chǎn)品。表11-3比較了PIM和精密鑄造技術制造零件特點，在很多方面PIM技術有較大優(yōu)勢。表11-4列舉了多個常見金屬粉術注射成形材料力學性能。圖11-16是部分經(jīng)典粉末往射成形產(chǎn)品照片。11.6溫壓成形技術溫壓成形基礎工藝過程是：將專用金屬或合金粉和聚合物潤滑劑混合后，采取特制粉末加熱系統(tǒng)、粉末輸送系統(tǒng)和模具加熱系統(tǒng)，升溫到75～150℃，壓制成壓坯，再經(jīng)預燒、燒結(jié)、整形等工序，取得密度高達7.2～7.5g／cm3鐵基粉末冶金零件。溫壓成形工藝路線圖11-17所表示。溫壓能夠顯著提升壓坯密度機理通常歸于在加熱狀態(tài)下粉末屈服強度降低(圖11-18所表示)和潤滑劑作用增強。溫壓成形技術由Hoeganaes企業(yè)于1994年正式工業(yè)化應用，并推出了Ancordense和Densemix兩種牌號溫壓成形專用粉末。在材料達成相同密度前提下，溫壓工藝生產(chǎn)成本比粉末鑄造低75％，比復壓／復燒低25％，比滲銅低15％。在零件達成相同力學性能和加工精度前提下，溫壓工藝生產(chǎn)成本比現(xiàn)行熱、冷機械加工工藝低50％~80％，生產(chǎn)效率提升10~30倍。溫壓成形因其成本低、密度高、模具壽命長、效率高、工藝簡單、易精密成形和可完全連續(xù)化、自動化等一系列優(yōu)點而受到關注，被認為是20世紀90年代粉末冶金零件致密化技術一項重大突破，被譽為“開創(chuàng)粉末冶金零件應用新紀元一項新型制造技術”。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、形狀復雜齒輪和斜齒輪、鎖零件、發(fā)動機連桿和閥座等。表11-5列出了部分溫壓成形粉末冶金材料力學性能。溫壓成形鐵基材料力學性能能夠和鍛鋼比美，二者屈服強度和拉伸斷裂強度全部基礎相當，所以能夠用溫壓成形制品來替換部分鍛鋼產(chǎn)。需要指出是，粉術冶金產(chǎn)品伸長率通常較低，選擇溫壓成形工藝需要考慮其產(chǎn)品延性和沖擊韌性。溫壓成形技術使用壓機和模具和傳統(tǒng)模壓基礎相同，惟一不一樣是溫壓成形需要一套粉末和模具加熱系統(tǒng)。模具和粉末溫度一定要均勻和穩(wěn)定，通?？刂圃凇?.5℃，最高溫度不超出170℃，超出此溫度后，添加潤滑劑和黏結(jié)劑就會分解，從而影響粉末流動性。通常采取模套內(nèi)嵌加熱管加熱模具，要把模具在30min內(nèi)加熱到150℃，需要8～12個500w加熱管。為了確保粉末在輸送過程中溫度不變，滑動送粉器中也應有加熱器。為了降低上沖頭和芯棒卡死可能性，上沖頭最好也要加熱。通常說來，芯棒和下沖頭能夠不用加熱。11.7熱壓成形技術熱壓又稱為加壓燒結(jié)，是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓同時使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低部分，經(jīng)過較短時間燒結(jié)取得致密而均勻制品。熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個工序一并完成，能夠在較低壓力下快速取得冷壓燒結(jié)所達不到密度，從這個意義上說，熱壓是一個強化燒結(jié)。標準上，通常用通常方法能制得粉末零件，全部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。熱壓方法最大優(yōu)點是能夠大大降低成形壓力和縮短燒結(jié)時間，另外，能夠制得密度較高和晶粒較細材料。熱壓?？蛇x擇高速鋼及其它耐熱合金，但使用溫度應在800℃以下。當溫度更高(1500～℃)時，應采取石墨材料，但承壓能力卻降低到70MPa以下。故通常對于低溫、高壓操作，可選擇金屬或硬質(zhì)合金模；高溫、低壓操作則選擇石器模。熱壓加熱方法分為電阻間接加熱式、電阻直接加熱式和感廊加熱式三種(圖11-19(a)，(h)、(c))。采取第一個方法時，電流經(jīng)過碳管發(fā)燒，對模具和粉末坯同時加熱；采取第二種方法時，電流關鍵經(jīng)過壓橫材料發(fā)燒，使得和上下沖模和模腔接觸部位比其它部位溫度高。采取感應加熱時，因為粉末坯塊中渦流大小和坯塊密度相關，在熱壓后期密度升高，電阻降低，渦流發(fā)燒也降低，溫度不好控制。所以，在進行熱壓模具沒計時，除了要確保溫度外，要尤其注意溫度分布均勻性。為了降低空氣中氧危害，真空熱壓機已經(jīng)得到廣泛應用。在沒有真空熱壓機條件下，能夠采取以下方法來降低壓坯氧化：(1)加熱前先將粉末壓實：(2)模具配合嚴密，可預防空氣大量進入模腔；(3)將保護氣氛經(jīng)過專門管道引入模腔內(nèi)；(4)將整個模具置入一密封耐熱管中，并采取外置式間接加熱或感應加熱方法；(5)在粉末中加進部分高溫下能產(chǎn)生還原性氣氛物質(zhì)，如碳、金屬氫化物、酒精等。11．8等靜壓成形技術等靜壓制是伴隨現(xiàn)代粉末冶金技術而發(fā)展起來一個新成形方法。通常，等靜壓成形按其特征分成冷等靜壓(CIP)和熱等靜壓(HIP)，前者常見水或油作壓力介質(zhì)，故有液靜壓、水靜壓或油水靜壓之稱；后者常見氣體(如缸氣)作壓力介質(zhì)，故有氣體熱等靜壓之稱等靜壓制法比通常鋼模壓制法有下列優(yōu)點：(1)能夠壓制含有凹形、空心等復雜形狀壓件；（2)壓制時，粉末體和彈性模具相對移動很小，所以摩擦損耗電很小，單位壓制力較鋼模壓制法低；(3)能夠壓制多種金屬粉末和非金屬粉末，壓制坯件密度分布均勻，對難熔金屬粉末及其化合物尤為有效；(4)壓坯強度鞍高，便于加工和運輸；(5)冷等靜壓模具材料是橡膠和塑料，成本較低廉；(6)能在較低溫度下制得靠近完全致密材料。應該指出，等靜壓制法也有缺點：(l）對壓坯尺寸精度控制和壓坯表面光潔度全部比鋼模壓制法低；(2)盡管采取干袋式或批量濕袋式等靜壓制，生產(chǎn)效率有所提升，但通常地說，生產(chǎn)率仍低于自動鋼模壓制法；(3)所用橡膠或塑料模具使用壽命比金屬模具要短得多。等靜壓制過程是借助于高壓泵作用把流體介質(zhì)(氣體或液體)壓人耐高壓鋼質(zhì)密封容器內(nèi)。高壓流體靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)粉末上，粉末體在同一時間內(nèi)在各個方向上均衡地受壓而取得密度分布均勻和強度較高壓坯(圖11-20所表示)。11．8．1冷等靜壓制冷等靜壓力機關鍵由高壓容器和流體加壓泵組成。輔助設備有流體儲罐、壓力表、輸送流體高壓管道和高壓閥門等。圖11-2l所表示為冷等靜壓力機工作系統(tǒng)。物料裝入彈性模套被放置入高壓容器內(nèi)。壓力泵將過濾后流體注入壓力容器內(nèi)使彈性模套受壓，施加壓力達成了所要求數(shù)值以后，開啟回流閥使流體返回儲罐內(nèi)備用。壓力容器是壓制粉末工作室，其大小由所需要壓制工件最大尺寸按一定壓縮率放大計算。工作室承受壓力大小應由粉末特征、壓坯性能和壓坯尺寸來確定。依據(jù)不一樣要求，高壓容器可被設計成單層筒體、雙層筒體或纏繞式筒體。等靜壓力機根據(jù)工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態(tài)可分成三種基礎類型，即拉桿式、螺紋式及框架式。表11-6比較了它們特、缺點和適用范圍。冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具壓制。濕袋模具壓制壓制裝置圖11-22(a)所表示。把無須外力支持也能保持一定形狀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)受高壓泵注入高壓液體壓制。濕袋模具壓制優(yōu)點：能在同一壓力容器內(nèi)同時壓制多種形狀壓件；模具壽命長、成本低。濕袋模具壓制關鍵缺點是，裝袋脫模過程中消耗時間較多。干袋模具壓制壓制方法圖11-22(b)所表示。干袋固定在簡體內(nèi)，模具外層襯以穿孔金屬護套板，粉末裝人模袋內(nèi)靠上層封蓋密封。高壓泵將液體介質(zhì)輸入容器內(nèi)產(chǎn)生壓力使軟模內(nèi)粉末均勻受壓。壓力除去后即從模袋取出壓塊，模袋仍然留在容器內(nèi)供下次裝料用。干袋式模具壓制特點是生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化，模具壽命較長，據(jù)報道自動干袋模具壓制生產(chǎn)率可達10～15個／min。直徑較大制品(如直徑為150mm)生產(chǎn)率也能夠達成300件／h。11．8．2熱等靜壓制把粉末壓坯或把裝入特制容器(粉末包套)內(nèi)粉末體置入熱等靜壓機高壓容器中，施以高溫和高氣壓，使這些粉末體被均勻壓制和燒結(jié)成致密零件或材料過程稱為粉末熱等靜壓制。粉末體(粉末壓坯或包套內(nèi)粉末)在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時間經(jīng)受高溫和高壓聯(lián)合作用，能夠強化壓制和燒結(jié)過程，降低制品燒結(jié)溫度，改善制品組織結(jié)構。消除材料內(nèi)部顆粒間缺點和孔隙，提升材料致密度和強度。熱等靜壓制設備通常是由裝備有加熱爐體壓力容器和高壓介質(zhì)輸送裝置及電氣設備組成。但熱等靜壓制技術發(fā)展中一個值得重視動向是用預熱爐在熱等靜壓機外加熱工件，省去壓力容器內(nèi)加熱爐體，這將會提升壓機容器有效容積，消除了因為容器內(nèi)爐體裝接電極柱造成密封困難，成倍地提升熱等靜壓機工作效率。熱等靜壓機壓力容器是用高強度鋼制成空心圓筒體，直徑通常為150~1500mm，高500～3500mm，工件體積在O.028~2m3之間。通常壓力范圍7~200MPa，最高使用溫度范圍通常為1000—2300℃。壓力容器關鍵有兩種密封形式，即螺紋式及框架式。螺紋式密封熱等靜壓機壓力容器容積全部比較小，只適于在試驗室內(nèi)壓制小型制品?？蚣苁矫芊鈮毫θ萜魈攸c是容積大，運轉(zhuǎn)速度快，操作方便，安全可靠。除壓力容器外，容器內(nèi)加熱爐是熱等靜壓機關鍵部件，關鍵由加熱元件、熱電偶和隔熱屏組成。加熱元件材料按設計溫度范圍選定。當爐子設計溫度為1000～1200℃時，可選擇Fe-Cr-Al-Co耐熱合金絲作發(fā)燒元件，它可在1230℃長久使用。當設計溫度在1700℃以上時，可選擇鉬絲、石墨、鎢絲等作發(fā)燒元件，但這些材料需要在保護氣氛或惰性氣氛中工作。熱等靜壓制時常選擇惰性氣體如氦及氬作壓力介質(zhì)。因為氬氣熱導率比氦低(氬熱導率為0.158kW／m·K，氦熱導率為l.38kW／m·K)，用氬氣作壓力介質(zhì)時能夠使工作區(qū)爐溫很快地達成所要求溫度并能保持溫度分布均勻。另外，氬氣成本比氦低。在熱等靜壓制系統(tǒng)中必需正確可靠地控制壓力和溫度參數(shù)。合適自動化能降低成本和確保安全，二者對于有效組織生產(chǎn)全部是十分關鍵。經(jīng)典熱等靜壓升溫加壓過程圖11-23中所表示。升壓和降壓速度通常不需任何控制，溫度控制需要尤其注意。爐內(nèi)溫度分布均勻度很大程度取決于爐子設汁和電熱體配置。現(xiàn)在，工業(yè)上使用爐體恒溫時溫度均勻度可控制在±5℃到±14℃之間，連續(xù)冷卻速度可大于30℃／min。熱等靜壓是消除制品內(nèi)部殘余微量孔隙和提升制品相對密度有效方法?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多金屬粉末或非金屬粉末采取熱等靜壓法壓得靠近理論密度值制品和材料，如表11-7所表示。中國外已采取熱等靜壓技術制取了核燃料棒、粉末高溫合金渦輪盤、鎢噴嘴、陶瓷及金屬基復合材料等。至今，它在制取金屬陶瓷、硬質(zhì)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、功效梯度材料、有毒物質(zhì)及放射性廢料處理等方面全部得到了廣泛應用。熱等靜壓技術已成為提升粉末冶金制品性能及壓制大型復雜形狀零件優(yōu)異技術。表11-8中比較了多個粉末冶金高溫合金力學性能。圖11-24顯示了熱等靜壓技術壓制部分產(chǎn)品。11．8．3燒結(jié)熟等靜壓法燒結(jié)-熱等靜壓制(sinter-HIP)過程是把經(jīng)模壓或冷等靜壓制坯塊放入熱等靜壓機高壓容器內(nèi)，依次進行脫蠟、燒結(jié)和熱等靜壓制，使工件相對密度靠近100％。這是繼常規(guī)熱等靜壓制技術以后開發(fā)出一個優(yōu)異工藝。脫蠟(或其它成形劑)和燒結(jié)可在真空狀態(tài)下或在工藝確定氣體(如氯、氮氫混合氣、甲烷)保護下進行。根據(jù)傳統(tǒng)燒結(jié)概念，液相和固相燒結(jié)全部會促進燒結(jié)坯塊內(nèi)部孔隙降低，并產(chǎn)生收縮和致密化。在這一過程中，燒結(jié)溫度和時間是要正確控制參數(shù)，熱等靜壓制是使燒結(jié)坯塊密度深入提升，以靠近理論密度值。壓塊在同一爐體(壓力容器)內(nèi)進行燒結(jié)和熱等靜壓制，壓塊在燒結(jié)后期直接施加高壓，這就避免了降溫冷卻升溫加熱附加操作，也避免了壓坯轉(zhuǎn)運時可能受到損壞，并保持燒結(jié)和熱等靜壓制時溫度穩(wěn)定。燒結(jié)-熱等靜壓過程巾熱等靜壓制階段使產(chǎn)品均勻收縮和致密化，溫度、壓力、時間三個工藝參數(shù)相互關系示于圖11-25。粉末體致密化是由材料塑性、高溫下蠕變和原子擴散速度所確定。試驗結(jié)果表明，液相燒結(jié)材料在較低壓力下短時熱處理能夠完全致密化，固相燒結(jié)材料要完全致密化則需要更高壓力和更長時間。燒結(jié)-熱等靜壓已在硬質(zhì)合金、鈦合金、優(yōu)異陶瓷材料制備方面取得了廣泛應用。11．8．4準熱等靜壓工藝熱等靜壓技術即使有很多優(yōu)點，但存在設備昂貴和加工周期長等缺點，即使采取在高壓容器中加壓介質(zhì)急劇對流和在爐內(nèi)強制冷卻等方法提升生產(chǎn)效率，但效率仍顯著低于一般冶煉方法。為克服上述缺點所發(fā)展準熱等靜壓技術(ceraconprocess)是利用簡單設備以較高效率生產(chǎn)大致含有各向同性制品或材料一個工藝方法。該方法是采取一個高溫下含有流體特征顆粒(如石墨顆粒、陶瓷顆粒)作為傳輸壓力介質(zhì)以替換熱等靜壓制所用惰性氣體。工作時，將經(jīng)過預燒粉末預制件在保護氣氛中加熱至致密化溫度，將作為加壓介質(zhì)陶瓷顆粒也加熱至相等溫度并充填于加壓容器中，然后將經(jīng)過加熱預制件插入其中，陶瓷顆粒流動將施加單向壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榈褥o壓施加于預制件上，使之在保持原來形狀基礎上致