第7章粉末冶金技术

第七章粉末冶金技术粉末冶金粉末冶金是将金属粉末(或掺入部分非金属粉末)经过成型和烧结制成金属材料或机械零件的一种工艺方法。它既可用金属粉末直接制成(不经切削加工，或经少量切削加工)符合装配要求的零件，又可制造用一般冶炼方法难以生产的金属材料和制品。一、粉末冶金的定义粉末冶金是以粉末(金属粉末或非金属粉末)为原料，经过成形和烧结制造金属或非金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。实际上，粉末冶金技术涉及到很多新的理论和技术，内涵越来越丰富。粉末冶金已经逐渐发展成一门“科学”，而非简单的“工艺”或“技术”。二、粉末冶金工艺及技术的特点1.传统的粉末冶金工艺粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末、金属化合物粉末以及包覆粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图1所示(1)传统的粉末制备技术对粉末的要求不同，所需要的制备方法也不同。物料状态有固态、液态或气态三种。采用固态原料制备粉末从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主要是机械粉碎法从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有还原法制取金属化合物粉末的有还原-化合法在液态下制备粉末的方法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法在气态下制备粉末的方法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积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。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。(2)粉末成形成形前要进行物料准备。物料准备包括粉末的预处理(如粉末加工、粉末退火、粉末的分级、粉末的混合和粉末的干燥等。成形的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成形方法基本上分加压成形和无压成形两类;加压成形中用得最普遍的是模压成形，简称压制。其他加压成形方法有等静压成形、粉末轧制、粉末挤压等。粉浆浇注是一种无压成形技术。(3)烧结技术烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块通过烧结可得到所要求的物理机械性能。烧结分单元系烧结和多元系烧结。不论单元系或多元系的固相烧结，其烧结温度都比所含金属与合金的熔点低；而多元系的液相烧结，其烧结温度比其中难熔成分的熔点低，但高于易熔成分的熔点。一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。除了普通烧结方法外，还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。2.粉末冶金技术的特点粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等;能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等;能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越:高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善;生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，钨、铝等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高生产率总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。粉末冶金由于其技术上和经济上的巨大优越性，在国民经济和国防建设中起着非常重要的作用。美国国家科学基金委员会在向美国总统和国会提交的“科学展望”中对粉末冶金和快速凝固技术曾作过如下论述：“这些技术的出现和发展，将对运输、空间、能源系统提供大量的经济利益，并且将加强美国的工业基础，有可能对美国工业生产局面产生相当大的冲击”。世界上许多发达国家把粉末冶金的发展放在重要地位，将现代粉末冶金称作为“AdvancedMetallurgy”(现代冶金学)。三、粉末冶金技术的发展现状与趋势(一)制备技术的发展概况二十世纪下半叶以来，粉末冶金有了突破性进展，一系列新技术、新工艺大量涌现，例如；超微粉或纳米粉制备技术，快速冷凝技术，溶胶-凝胶技术，机械合金化，粉末热等静压，热结/热等静压，粉末热锻、粉末挤压，粉末轧制，超塑性等温锻造，粉末喷射成形，自蔓延高温合成技术，粉末注射成形，流涎成形，爆炸成形，梯度材料复合技术，CVD，PVD和PCVD技术，电火花烧结，反应烧结，超固相线烧结，瞬时液相烧结，微波烧结等。1.粉末制造技术的发展近几十年来，粉末制造技术得到迅速发展，特别是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、多品种的方向发展。1)快速冷凝雾化制粉技术。作为粉末冶金新技术，第一个引入注目的技术就是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。快速凝固技术的产生及发展(一)快速凝固的内涵常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷，主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，而这又是由于它们凝固时的冷速很小引起的。因此，要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高了合金的凝固速度。实现快速凝固效果的两类方法：动力学方法设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在乎衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度下凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度。具体措施：急冷凝固技术(RapidlyQuenchingTechnology或RQT)熔体淬火技术(MeltQuenchingTechnology或MQT)。静力学方法针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而针对合金凝固过冷度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术(LargeUndercoolingTechnology)。快速凝固技术急冷凝固大过冷雾化技术技术特点:使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。(1)双流雾化法(TwinFluidAtomization)这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流的方式散热而迅速冷凝。熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴设计等雾化参数控制。A.水雾化法与气体雾化法根据雾化介质(气流、水流)对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式：平行喷射(气流与金属液流平行)垂直喷射(气流或水流与金属液流互成垂直方向)水雾化时，控制好以下条件可以得细粉末：水的压力高，水的流速、流量大，金属液流直径小，过热温度高，金属的表面张力和粘度小，金属液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得球形粉末：金属表面张力要大，过热温度高，水的流速低，喷射顶角大，液流飞行路程长等。水雾化时，金属液过热温度低．水压高，水的流速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且具有致密颗粒结构的粉末。气体雾化所得的粉末多为表面光滑的球形，而水雾化法制得的粉末形状不规则。但水雾化工艺由于采用了密度较高的水做雾化工作介质，所以达到的凝固冷速要比一般气体雾化法高一个数量级。B.超声气体雾化法(USGA)利用速度高达2.5马赫的高速高频(80～100kHz)脉冲气流代替了水流。这种超声气体由一系列Hartman冲击波管产生，气体多用氩气等惰性气体以便防止粉末氧化污染。高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更细，更均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中经过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴冷凝成粉末。C.高速旋转筒雾化法(RSC)经感应加热熔化后的熔体流从石英管中喷射到旋转筒内层的冷却液即淬火液中，冷却液可以选用水、碳氢化合物或低温流体。熔体流在旋转的冷却液冲击下雾化分离成熔摘并冷凝成纤维或粉末，然后在离心力作用下飞出。由于圆筒旋转的速度高达8000～16000r／min，因此随筒旋转的冷却液可将熔体分离成较小的熔滴，井消除熔滴外围可能影响传热的气体层，所以采用这种方法可以获得较高的冷速。(2)离心雾化法(CentrifugalAtomization)利用机械旋转造成的离心力将金属液流破碎成微细的液滴，然后冷却凝结成粉末。最早的是旋转圆盘雾化，后来有旋转水流雾化，旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等。A.旋转回盘雾化从漏嘴(直径6~8mm)流出的金属液流被具有一定压力(4～8公斤/厘米2)的引到转动的圆盘上，被圆盘上特殊的叶片所击碎，并迅速冷却成粉末收集起来。通过改变圆盘的转数(1500～2500rpm)、叶片的形状和数目可以调节粉末的粒度。B.快速凝固雾化法(RSR)这种方法是出以生产快速凝固合金著名的美国Pratt—Whitney公司研究、开发的工艺，也称为离心雾化法(CAF)。熔化的合金熔体从石英坩埚中喷射到一个表面刻有沟槽的圆盘形雾化器上，圆盘以高达3500r/min的速度旋转，使喷到盘上的熔体雾化成细小的熔滴并在离心力作用下向外喷出，同时惰性气流沿与熔滴运动几乎垂直的方向高速流动，使浸没在其中的熔滴迅速凝固成粉末。(3)机械雾化和其它雾化法这类雾化方法是通过机械力的作用或者电场力等其它作用分离和雾化熔体然后冷凝成粉末。A.双辊雾化法(TwinRollAtomization)熔体流在喷入高速相对旋转的辊轮间隙时形成空穴并被分离成直径小至30m的熔滴，雾化的熔滴可经气流、水流或固定于两辊间隙下方的第三个辊轮冷却凝固成不规则的粉末或薄片。普通气体雾化通过高速摄影装置观察到如下阶段：熔融金属液流破碎成液粒熔融液粒急冷成固体颗粒美国学者J.Tallmadgee提出，在普通气体雾化下部喷射区内，金属液粒的速度u(m／s)为距离顶角高度z的函数．在距离顶角0.1~0.4m内，金属液粒速度的衰减可用u=Ae-BZ(A=18.5，Z=0.8)来描述．根据这个公式，假设气体雾化粗颗粒的冷凝速度为102～103K/s，则在0.1～0.4m区域内，金属液粒速度下降至17~18m/s，跨越该区蜮的时间为0.006~0.03s，金属液体的温度降低得比较