现代粉末冶金技术发展现状

日期: 2019-12-11 浏览次数: 417

近些年来,由于一些新技术的兴起,如机械合金化、粉末注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等,使得粉末冶金材料和技术得到了各国的普遍重视,其应用也越来越广泛。


一、粉末制备技术的发展


粉末冶金材料和制品不断增多,质量不断提高,要求提供的粉末的种类也越来越多。为了满足对粉末的各种要求,出现了各种各样生产粉末的新方法。从过程的实质来看,现有制粉方法大体上可归纳为两大类,即机械法和物理化学法。从工业规模而言,应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法。但随着科技的发展,越来越多的新技术在粉末的制备过程中正起着越来越重要的作用。


1、机械合金化(MechanicalAlloying,MA)


机械合金化是由 Benjamin 等提出的一种制备合金粉末的高能球磨技术。它是在高能球磨条件下,利用金属粉末混合物的反复变形、断裂、焊合、原子间相互扩散或发生固态反应形成合金粉末。机械合金化是在固态下实现合金化,不经过气相、液相,不受物质的蒸气压、熔点等物理特性因素的制约,使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化和远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质的合成成为可能,因此机械合金化的理论和应用方面的研究均显示出十分诱人的前景。MA最初主要用于制备氧化物弥散强化镍基合金。迄今为止,MA 技术已广泛用于研制和开发各种弥散强化材料、高温材料、储氢材料、超导材料、过饱和固溶体、非晶、纳米晶、准晶、难熔金属化合物、稀土硬磁合金等新材料。目前,MA是一种制备纳米晶金属粉末的重要方法。


2、喷雾干燥(Spray Drying)


喷雾干燥是指用雾化器将一定浓度的原料液喷射成雾状液滴,并用热空气(或其它气体)与雾滴直接接触的方式使之迅速干燥,从而获得粉粒状产品的一种粉末制备过程。一般喷雾干燥过程包括四个阶段:(1)料液雾化;(2)雾滴与热干燥介质接触混合;(3)雾滴的蒸发干燥;(4)干燥产品与干燥介质分离。制备的粉末可以根据需要,成粉状、颗粒状、空心球状或团粒状等。原料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等用泵可以输送的液体。


采用喷雾干燥可以制备出质量均一、重复性良好的粉料,并且缩短粉料的制备过程,有利于自动化、连续化生产,是大规模制备优良超微粉的有效方法。


二、粉末冶金成形技术的发展


目前,粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。近年来,一系列粉末冶金新的成形技术层出不穷,并呈现出加速发展态势,粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现,使得粉末高致密化成形技术得到了很大的发展。


1、粉末注射成形(PowderInjectionMolding,PIM)



粉末注射成形是传统粉末冶金技术和先进塑料注射成形相结合而发展形成的一门新型粉末冶金近净成形技术。它的基本工艺过程是:首先将金属或陶瓷粉末与有机粘结剂均匀混合,用注射成形机成形,然后将成形坯中的粘结剂脱离,最后经烧结致密化得到最终产品。该技术使得粉末冶金工艺在真正意义上实现了三维复杂零件的成形能力。而且由于在流动状态下,均匀填充模腔成形,模腔内各点压力一致,密度一致,消除了传统粉末冶金压制成形不可避免的沿压制方向的密度梯度,可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件,并且产品的制造成本可以降低到传统工艺的20%~30%。


PIM作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术,具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势。第一,PIM能制造许多具有复杂形状特征的零件,如各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔和盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等,而这些零件无法用常规粉末冶金方法制造;第二,PIM制造的零件几乎不需要再进行机加工,减少了材料的消耗,材料的利用率几乎可以达到100%;第三,PIM可以实现不同材料零部件的一体化制造,并且材料的适应性广,自动化程度高。据初步调查,单在轻武器行业中,金属注射成形技术有着巨大的潜在市场,有近25%的零部件适合于用粉末冶金注射成形技术生产。因此,国际上曾将其誉为最热门的零部件成形技术。


粉末注射成形的材料已经从早期的铁基、硬质合金、陶瓷等对杂质含量不敏感、性能要求不是非常苛刻的体系,发展到了镍基高温合金、钛合金和铌材料。材料应用领域也从结构材料向功能材料发展,如热沉材料、磁性材料和形状记忆合金。材料结构也从单一均匀结构向复合结构发展。


2、温压成形(Warm Compaction)


温压成形是从20世纪90年代新发展起来的一项新技术。它是采用特制的粉末加热、粉末输送和模具系统,将加有特殊润滑剂的混合粉末和模具加热至130~150℃温度进行刚性模压,最后采用传统的烧结工艺进行致密化的技术。该技术是普通模压技术的发展与延伸,被国际粉末冶金界誉为开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元的新型成形技术。该技术主要有以下几个方面的特点:能以较低的成本制造出高性能的铁基等粉末冶金零部件;提高零部件生坯密度;产品具有高强度;便于制造形状复杂以及要求精密的零部件;密度均匀等。


目前世界上已推出的受专利保护的温压工艺有瑞典Hoganas AB公司的DensmixTM、美国Hoeganaes公司的AncordenseTM和加拿大Quebec Metal Powder(QMP)的Flomet WPTM等。该技术目前主要用于生产铁基合金零件,同时人们正在研究用这种技术制备铜基合金、钛合金等其它材料零件。


近年来,人们在温压成形的基础上又进行了改进,发展了流动温压(Warm Flow Compaction,WFC)、Ancor MaxTD等工艺。它是以温压工艺为基础并结合金属注射成形(Metal Injection Molding,MIM)工艺的优点而发展起来的。该工艺的显著特点是将粗粉和一定比例的细粉以及热塑性润滑剂进行混合,然后按普通温压工艺进行压制,最后烧结制得成品,其关键技术是提高混合粉末的流动性。该工艺具有可成形传统工艺不能制备的复杂形状零件、性能均一、高密度、低成本等特点。利用该工艺可成形形状非常复杂的零件,如垂直于压制方向上的凹槽、孔以及螺纹孔等,而不需要后续二次机械加工。


在2002年美国奥兰多举行的PM 2002会议上,美国Hoeganaes公司提出了一种名为Ancor MaxTD压制技术。与常规温压相比,该工艺不需要加热模冲和粉末,只需加热阴模。并且,阴模的加热温度只需60~70℃,采用模内筒式加热器,很容易达到这一温度。利用该工艺已成功制造出多种形状复杂的高密度、高强度粉末冶金零件。如美国Hoeganaes公司利用该工艺制造出了用于汽车传动装置上的行星齿轮组中的斜齿轮,其烧结密度达到了7.40g/cm3以上。


3、喷射成形(SprayForming)


喷射成形(Spray Forming)技术,也称为喷射沉积(Spray Deposition)或喷射铸造(Spray Casting)技术,这是20世纪80年代以来工业发达国家在传统快速凝固粉末冶金(RS/PM)工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术。喷射成形技术的基本原理是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小液滴,并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行,在这些液滴尚未完全凝固之前,将其沉积到一定形状的接收体上成形。这样,通过合理地设计接收体的形状和控制其运动方式,便可以从液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征,整体致密的圆棒、管坯、板坯、圆盘等不同形状的沉积坯。


与传统RS/PM工艺相比,喷射成形技术的最大特点就是从合金熔炼到形成特定形状的块体材料可通过一步操作完成,省略了传统RS/PM工艺过程中粉末贮存、运输、压实、烧结等多道工序,减少了材料在多环节制备过程中被氧化的可能性,降低了材料制备成本。与传统铸造工艺相比,由于喷射成形工艺过程中材料凝固速度大幅度提高,一般可达103~106℃/s,因此所制备材料的晶粒更加细小、组织更加均匀,且能够抑制高合金化材料中的宏观及微观偏析,有利于使材料获得更佳的力学性能。可用喷射成形技术制备的产品种类繁多,产品形状主要有:棒坯、管坯、板坯、环、盘等;涉及合金种类有:铝基合金、铜基合金、镍基高温合金、钢、硅基合金等;涉及应用领域有:汽车、电子、航空航天和其它普通工业等。


4、高速压制成形(HighVelocityCompaction,HVC)


高速压制技术是瑞典Hoganas AB公司在2001年推介的一种新技术。高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同;混合粉末加进送料斗中,粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形之后,零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高500~1000倍,压机锤头速度高达2~30m/s,液压驱动的锤头质量达5~1200kg,粉末在0.02s之内通过高能量冲击进行压制,压制时产生强烈的冲击波。通过附加间隔0.3s的多重冲击能达到更高的密度。与传统压制相比,高速压制的铁基零件密度可提高0.3g/cm3左右,因而抗拉强度和屈服强度能相应地提高20%~25%。高速压制压坯的径向弹性后效很小,故脱模压力较小,并且压坯密度均匀,其偏差小于0.01g/cm3。该技术可以制得质量达5kg以上的大型压坯以及高径比达到3的压坯。同时,HVC技术还具有高生产率和低成本等特点。


该技术适用于制备阀门、简单齿轮、气门导筒、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、轴套与轴承套圈和凸轮凸角机构等产品。目前正在继续研究生产形状更复杂的部件。


三、粉末冶金烧结技术的发展


粉末冶金烧结是指粉末或粉末压坯在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。烧结工艺是决定粉末冶金制品性能的重要环节,一直是人们研究的重点;各种促进烧结的方法不断涌现,如微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等。


1、微波烧结(Microwave Sintering,MWS)


微波烧结是一种利用微波加热来对材料进行烧结的方法,它始于20世纪70年代。烧结中微波不仅仅只是作为一种加热能源,其本身也是一种活化烧结过程。微波烧结技术是利用材料吸收微波能转化为内部分子的动能和热能,使得材料整体均匀加热至一定温度而实现致密化烧结的一种方法,是快速制备高质量的新材料和制备具有新的性能的传统材料的重要技术手段。同常规烧结方法相比,由于微波能直接被吸收转化为热能,因此微波烧结的能量利用率高;同时,微波可对物相进行选择性加热,从而获得新材料和新结构;并且微波烧结还具有快速加热、烧结温度低、细化材料组织、改进材料性能、安全无污染等优点,因而被称为新一代烧结方法。与传统的烧结工艺生产的工件相比,用微波烧结制成的工件具有较高的密度、硬度和强韧性。短时间烧结产生均匀的细晶粒显微结构,内部孔隙很少,因而具有更好的延展性和韧性。微波加热能使工件加热均匀,加热速度可以高达1500℃/min,对某些材料甚至可以以很少的输入能量实现2000℃以上的高温。由于微波对大多数粉末陶瓷材料有很大的穿透性,可以均匀地加热工件,减小高温烧结过程中的温度梯度,从而降低由膨胀不均匀产生的材料变形,使迅速升温成为可能,而且在高温下停留的时间可以大幅度缩短,抑制晶粒的长大,改善材料的物理、力学性能。到目前为止,微波烧结技术已经成为热固结高性能功能陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬质合金等材料的有效方法。


2、放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering,SPS)


放电等离子体烧结(SPS)也称作等离子体活化烧结(Plasma Activated Sintering,PAS)或脉冲电流热压烧结(Pulse Current Pressure Sintering),是20世纪90年代以来国外开始广泛研究的一种快速烧结新工艺。它最早源于1930年美国科学家提出的脉冲电流烧结原理,但直到日本于1988年研制出第一台工业型SPS装置,该技术才真正引起世人的关注。由于它融等离子体活化、热压、电阻加热为一体,具有烧结时间短、温度控制准确、易自动化、烧结样品组织均匀、致密度高等优点,仅在几分钟之内就使烧结产品的相对理论密度接近100%,而且能抑制样品颗粒的长大,提高材料的各种性能。


将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上,在粉末颗粒间即可产生等离子放电,由于等离子体是一种高活性离子化的电导气体,因此,等离子体能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体,并加快物质高速度地扩散和迁移,

导致粉末的净化、活化、均化等效应。SPS的工艺优势在于:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度材料,可以烧结梯度材料以及复杂形状制品。


近年来,国内外用SPS制备新材料的研究主要集中在传统烧结工艺难以制备的材料和一些新型材料或制件,包括纳米材料、功能梯度材料、精细陶瓷材料、生物材料、氧化物超导材料、形状记忆合金、多孔材料、金属间化合物以及Al粉、纯WC粉、纯AlN粉等。此外,SPS技术还可以用于制备金属基复合材料(MMC)、纤维增强复合材料(FRC)、MnZn铁氧体、Fe基软磁合金等磁性材料、金属Cu、Fe、Ni材料、MoSi2C复合制件等。


3、自蔓延高温合成(Self—Propagation High—Temperature Synthesis,SHS)技术


自蔓延高温合成(SHS),也称燃烧合成(Combustion Synthesis,CS),它是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行,最终合成所需材料或制品的新技术。自1967年苏联科学家发现并提出自蔓延高温合成的概念以来,自蔓延高温合成在世界范围内得到了广泛的研究和开发,并在工业生产中得到应用。SHS技术具有高效、节能、投资少、产品质量高、生产成本低、设备及工艺通用性强等优点,已成为多种材料及制品制备的工业生产技术。自蔓延高温合成自问世以来,已开发出6大类相关技术和工艺,即SHS制备粉体技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术、SHS熔铸技术、SHS焊接技术及SHS涂层技术。采用SHS技术可以制备常规方法难以得到的结构陶瓷、梯度材料、超硬磨料、电子材料、涂层材料、金属间化合物、复合材料以及高温超导等高技术结构材料和功能材料,也可以制备特种耐火材料、铁合金等工业用材。目前,SHS粉末技术已成功地应用于商业生产,SHS离心法制备钢管涂层也已成为一种逐渐成熟的工业技术。


4、烧结硬化(Sinter Hardening)


烧结硬化工艺是20世纪90年代开发出来的一种粉末冶金新工艺,其原理为粉末冶金制品在烧结冷却阶段,通过快速冷却,使其显微组织全部或部分转变为马氏体,提高产品的硬度和强度。由于烧结硬化省去了烧结后的热处理,既降低了生产成本,又避免了传统工艺中经烧结冷却出炉后,再经淬火导致的高热应力和零件变形等缺点,使得零件的尺寸公差和性能稳定性得以提高。


近年来,已研发生产了多种用于烧结硬化的低合金钢粉,使得在烧结炉的冷却带发生马氏体相变成为可能。用于烧结硬化较广的钢粉是预合金化的低合金钢粉,含有改善烧结钢淬硬性的镍、钼、锰、铬等合金元素。为了提高合金的淬透性,合金元素必须固溶在基体中。预混合、部分合金化和混合元素粉末材料依靠烧结时的扩散过程来影响材料的合金化。因此,通常预合金粉末比混合元素粉末、部分合金化粉具有更好的淬透性。目前,烧结硬化材料在许多不同的工业和产品加工行业中都有潜在的应用。


四、结束语


粉末冶金是提高材料性能和发展新材料的重要手段,已经成为当代材料科学发展的前沿领域。粉末冶金新材料、新技术、新工艺的不断出现,必将促进高技术产业和国防工业的快速发展,也必将带给材料工程和制造技术光明的前景。近年来,我国粉末冶金行业得到了快速发展,技术水平和工艺装备均比以前有了很大的提高,但与国外先进技术水平相比仍存在较大差距。因此,大力开展粉末冶金新材料、新技术新工艺的研究,对提高我国粉末冶金产品的档次和技术水平,缩短与国外先进水平的差距具有非常重要的意义。


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