1、1粉末冶金新技术粉末冶金新技术刘刘 颖颖四川大学材料学院四川大学材料学院2主要内容主要内容 粉末制备新技术粉末制备新技术 成型新技术成型新技术 烧结技术烧结技术31.雾化法制备金属粉末雾化法制备金属粉末-低氧含量铁粉低氧含量铁粉一、粉末制备新技术一、粉末制备新技术生产在无氧气氛中进行生产在无氧气氛中进行,并包含一些石蜡并包含一些石蜡,这些这些分解为碳与氢。碳与铁反应分解为碳与氢。碳与铁反应,形成很薄的富碳形成很薄的富碳表面层。碳含量使颗粒的延性降低表面层。碳含量使颗粒的延性降低,但提高了但提高了表面的烧结活性。在粉末压块中表面的烧结活性。在粉末压块中,碳易于扩散碳易于扩散到颗粒中心及相邻的颗粒
2、中到颗粒中心及相邻的颗粒中,因而可用于生产因而可用于生产不需添加石墨的粉末冶金钢。不需添加石墨的粉末冶金钢。瑞典瑞典IPS钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉,其其氧含量低于氧含量低于(0.015%)。4 对于粉末冶金应用来说对于粉末冶金应用来说,这种无氧粉这种无氧粉末允许使用便宜的合金元素末允许使用便宜的合金元素(铬和锰等铬和锰等)代替镍和铜。镍作为战略性资源，不但代替镍和铜。镍作为战略性资源，不但价格昂贵，并且还是一种致癌物价格昂贵，并且还是一种致癌物,应尽应尽量避免使用。这种粉末也很适合于用温量避免使用。这种粉末也很适合于用温压与热等静压工艺来生产高强度部件。压与热等
3、静压工艺来生产高强度部件。一、制粉新技术5一、制粉新技术 为提高烧结钢的力学性能,通常在烧结后还须进行热处理。为降低生产成本,开发了许多烧结后已硬化、不须再进行热处理的材料。美国Hoeganaes公司推出了一种烧结硬化铁基粉末Ancoresteel737SH,其淬透性与压缩性均比现有的烧结硬化材料高。2.2.烧结硬化粉烧结硬化粉6 利用烧结硬化粉可生产不需要再淬火或很少再利用烧结硬化粉可生产不需要再淬火或很少再淬火和回火的粉末冶金零件；除降低成本外淬火和回火的粉末冶金零件；除降低成本外,烧结烧结硬化可提供更好的公差控制硬化可提供更好的公差控制(淬火和回火常引起一淬火和回火常引起一定程度的变形定
4、程度的变形)。这种粉末可用于汽车工业这种粉末可用于汽车工业,特别适用于发动机部特别适用于发动机部件件,传动部件及近终形齿轮等。传动部件及近终形齿轮等。一、制粉新技术7 目前软磁复合材料已得到广泛应用。它们是在在纯铁粉颗粒上包覆一层氧化物或热固化树脂进行绝纯铁粉颗粒上包覆一层氧化物或热固化树脂进行绝缘而制成的缘而制成的。在低频应用中,采用粗颗粒铁粉与热固化树脂混合,获得高磁导率与低铁损的材料。高频应用时,颗粒间需要更有效地进行绝缘,因而粒度要更小,以进一步减少涡流损失。它可制成各向同性的软磁复合部件,但不需要高温烧结。粉末晶粒度增大时,磁导率增大,矫顽力降低。2.软磁金属复合粉制备软磁金属复合粉
5、制备一、制粉新技术8采用燃烧火焰采用燃烧火焰-化学气相法生产纳米粉末。在此法化学气相法生产纳米粉末。在此法中中,稳定的平头火焰是由低压燃料稳定的平头火焰是由低压燃料/氧气混合气的燃氧气混合气的燃烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃烧室烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃烧室,在火在火焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室表面温度分焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室表面温度分布良好布良好,气相逗留时间短以及化学母体浓度均匀气相逗留时间短以及化学母体浓度均匀,并并在很窄的热区进行热分解在很窄的热区进行热分解,因而能生产出粒度分布因而能生产出粒度分布集中的高质量的纳米粉。集中的高质量的纳米粉。3.3.燃烧火
6、焰燃烧火焰-化学气相法化学气相法生产纳米粉末生产纳米粉末一、制粉新技术一、制粉新技术9 目前，该法已用于生目前，该法已用于生产产SiOSiO2 2、TiOTiO2 2、AlAl2 2O O3 3、SnOSnO2 2、V V2 2O O5 5、ZrOZrO2 2等氧化等氧化物纳米粉。该法生产的物纳米粉。该法生产的纳米粉末成本十分低廉，纳米粉末成本十分低廉，按年产按年产100100吨纳米粉估算吨纳米粉估算,每公斤纳米粉的成本不每公斤纳米粉的成本不会高于会高于5050美元。美元。一、制粉新技术10一、制粉新技术 美国采用普通搅拌器、激光与便宜的反应材料,可快速、便宜、干净地生产1100nm的银粉与镍
7、粉。4.4.激光生产纳米粉末激光生产纳米粉末11一、制粉新技术 例如例如,将硝酸银溶液与一种还原剂导入搅拌器中将硝酸银溶液与一种还原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。当激光同时进行搅拌。当激光脉冲射到液体时，形成极小的脉冲射到液体时，形成极小的“热点热点”,使硝酸使硝酸银与还原剂发生反应银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。通过生成极小的银颗粒。通过改变激光强度、搅拌器转速与反应成分改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制可控制银粉粒度银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。在一定程度上也可控制颗粒形状。12 该法生产速度为该法生产速度为0.5-30g/
8、min,0.5-30g/min,比其他比其他纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用反应材料不污染环境，而以前生产银粉所反应材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。板、高速摄影胶片等。一、制粉新技术13一、制粉新技术大功率电脉冲施于氩气保大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上护的金属丝上,并受到大并受到大功率脉冲产生的特殊场约功率脉冲产生的特殊场约束。柱形等离子体被加热束。柱形等离子体被加热到到150001500
9、0以上高温以上高温,因而因而电阻剧增电阻剧增,引起特殊场崩引起特殊场崩溃。金属蒸气的高压引起溃。金属蒸气的高压引起爆炸爆炸,产生冲击波产生冲击波,形成的形成的金属气溶胶快速绝热冷却金属气溶胶快速绝热冷却,制得纳米粉。制得纳米粉。5.电爆炸金属丝电爆炸金属丝制取纳米粉制取纳米粉14一、制粉新技术 此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉.这些粉末可用于推进剂、炸药、烟这些粉末可用于推进剂、炸药、烟火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催化剂、合成有机金属化合物等。化剂、合成有机金属化合
10、物等。15 澳大利亚开发出一种机械化学法澳大利亚开发出一种机械化学法,可廉价生产可廉价生产纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学反应反应,使形成极细的纳米金属或化合物晶粒使形成极细的纳米金属或化合物晶粒,再分再分离与提取微细晶粒。例如机械研磨离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3,由钠、由钠、钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当钙或铝将其还原为铁与氯化物的混合物。用适当洗涤法去除氯化物后洗涤法去除氯化物后,便可得到纳米铁颗粒。便可得到纳米铁颗粒。一、制粉新技术6.6.机械化学法生产廉价的纳米粉末机械化学法生产廉价的纳米粉末16 这一方法可成
11、功生产这一方法可成功生产1020nm的粉末的粉末,化学化学纯度高纯度高,表面氧化物低于表面氧化物低于10%15%。也可生产。也可生产氧化物粉末氧化物粉末,粒度小于粒度小于5nm。潜在高技术应用潜在高技术应用:切削工具、先进陶瓷、高切削工具、先进陶瓷、高密度磁记录介质、磁流体、催化剂等。密度磁记录介质、磁流体、催化剂等。一、制粉新技术17一、制粉新技术美国科学家采用声化学美国科学家采用声化学技术制取纳米金属粉。技术制取纳米金属粉。声化学是研究液体中高声化学是研究液体中高强度超声波产生的小气强度超声波产生的小气泡的形成、长大与内向泡的形成、长大与内向破裂等现象的学科。破裂等现象的学科。7.7.声化
12、学制取纳米金属粉声化学制取纳米金属粉18一、制粉新技术这些超声波气泡的破裂这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在产生很强的局部加热而在冷液中形成冷液中形成“热点热点”,瞬时温度约为瞬时温度约为5000,压力约压力约1GPa,持续时间约持续时间约10亿分之一秒。亿分之一秒。粗略而形象地说粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表上述这些数据相当于太阳的表面温度面温度,大洋底部的压力大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破闪电的时间。当气泡破裂时裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金属原子金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几而后聚集为原子簇。
13、这些原子簇含有几百个原子百个原子,直径约为直径约为2 23 3nm。19一、制粉新技术 这些小的磁性金属原子簇这些小的磁性金属原子簇,像顺磁体材料像顺磁体材料一样一样,磁矩由原子簇的原子自旋构成磁矩由原子簇的原子自旋构成,且所有且所有自旋均在同一方向上自旋均在同一方向上,因而磁矩比普通材料因而磁矩比普通材料高高100多倍。包覆这些颗粒可形成稳定铁胶多倍。包覆这些颗粒可形成稳定铁胶体体,颗粒永远处于悬浮态颗粒永远处于悬浮态,现已作为现已作为“磁流体磁流体”工业化生产工业化生产,用于扬声器用于扬声器,磁性墨水磁性墨水,磁流体磁流体密封密封,润滑剂润滑剂,轴承轴承,医学等。医学等。20二、粉末冶金成
14、型新技术二、粉末冶金成型新技术原理原理:将粉末装于一个导电将粉末装于一个导电的容器的容器(护套护套)内内,置于高强置于高强磁场线圈的中心腔中。电容磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流入高脉冲电流,线圈腔中形线圈腔中形成磁场成磁场,护套内产生感应电护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相流。感应电流与施加磁场相互作用互作用,产生由外向内压缩产生由外向内压缩护套的磁力护套的磁力,因而粉末得到因而粉末得到二维压制。整个压制过程不二维压制。整个压制过程不足足1ms。1.动磁压制技术动磁压制技术21动磁压制的优点动磁压制的优点:由于不使用模具由于不使用模具
15、,成型时模壁摩擦减少到成型时模壁摩擦减少到0 0，因而可，因而可达到更高的压制压力达到更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产成有利于提高产品，并且生产成本低；本低；由于在任何温度与气氛中均可施压由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材并适用于所有材料料,因而工作条件更加灵活；因而工作条件更加灵活；由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产因而成型产品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。二、粉末冶金成型新技术22二、粉末冶金成型新技术 许多合金钢粉用动磁压制做过实验许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不
16、粉末中不添加任何润滑剂添加任何润滑剂,生坯密度均在生坯密度均在95%以上。动磁压以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。状复杂的零件。23 动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化命性变化,由粉末材料一次制成近终形定子与转子由粉末材料一次制成近终形定子与转子,从而获得高性能产品从而获得高性能产品,大大降低生产成
17、本。大大降低生产成本。动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高度高,其磁能积可提高其磁能积可提高15%-20%15%-20%。二、粉末冶金成型新技术24 动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料的显微结构不变料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。因而也提高了材料性能。对于象、与陶瓷粉末等难压制材料对于象、与陶瓷粉末等难压制材料,动动磁压制可达到较高的密度磁压制可达到较高的密度,从而降低烧结收缩从而降低烧结收缩率。目前许多动磁压制
18、的应用已接近工业化率。目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。第一台动磁压制系统已在运行中。二、粉末冶金成型新技术25二、粉末冶金成型新技术 瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采用液压冲击机用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处它与传统压制有许多相似之处,但关但关键是压制速度比传统快键是压制速度比传统快50050010001000倍倍,其压头速度高其压头速度高达达230m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的因而适用于大批量生产
19、。液压驱动的重锤重锤(5(512001200kg)可产生强烈冲击波可产生强烈冲击波,0.02s,0.02s内将压内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。2.高速压制高速压制26 高速压制的另一个特点是产生多重冲击高速压制的另一个特点是产生多重冲击波，间隔约波，间隔约0 3s的一个个附加冲击波将密度的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优点是点是,可用比传统压制小的设备制造重达可用比传统压制小的设备制造重
20、达5kg以上的大零件。以上的大零件。高速压制适用于制造阀座、气门导管、高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套及轴承座圈等产品。及轴承座圈等产品。二、粉末成型新技术27与传统压制相比与传统压制相比,高速压制的优点是：高速压制的优点是：压制件密度提高，提高幅度在压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；左右；压制件抗拉强度可提高压制件抗拉强度可提高20%25%；高速压制压坯径向弹性后效很小高速压制压坯径向弹性后效很小,脱模力较低；脱模力较低；高速压制的密度较均匀高速压制的密度较均匀,其偏差小于其偏差小于0.01g/cm3
21、。二、粉末成型新技术28 温压技术是近几年新发展的一项新技术。它温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和和“导致粉导致粉末冶金技术革命末冶金技术革命”的新型成型技术。的新型成型技术。二、粉末成型新技术 3
22、.3.温压成型技术温压成型技术 29二、粉末成型新技术 温压技术的特点温压技术的特点 ：能以较低成本制造出高性能粉末冶金零部件；能以较低成本制造出高性能粉末冶金零部件；提高零部件生坯密度和高强度，便于制造形状提高零部件生坯密度和高强度，便于制造形状复杂以及要求精密的零复杂以及要求精密的零 部件部件；产品密度均匀。产品密度均匀。30二、粉末成型新技术温压技术研究和开发的核心：温压技术研究和开发的核心：预合金化粉末的制造技术；预合金化粉末的制造技术；新型聚合物润滑剂的设计；新型聚合物润滑剂的设计；石墨粉末有效添加技术；石墨粉末有效添加技术；无偏析粉末的制造技术；无偏析粉末的制造技术；温压系统制备技
23、术。温压系统制备技术。31 温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高，从而大大提高了铁基等粉末冶金制品的可靠性，因此温压技术在汽车制造 机械制造、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。二、粉末成型新技术32二、粉末成型新技术 流动温压技术以温压技术为基础流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金并结合了金属注射成形的优点属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性性、填充能力和成形性,这一工艺
24、是利用调节粉这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。一种成形工艺。4.流动温压技术流动温压技术33二、粉末成型新技术 流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过两种方法来实现：要通过两种方法来实现：第一种方法是向粉末中加入精细粉末。这种精细第一种方法是向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合从而提高了混合粉末的松装
25、密度。粉末的松装密度。第二种方法是比传统粉末冶金工艺加入更多的粘第二种方法是比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂结剂和润滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后,混合粉末在压混合粉末在压制中就转变成一种填充性很高的液流体。制中就转变成一种填充性很高的液流体。34二、粉末成型新技术 将上述两种方法结合起来将上述两种方法结合起来,混合粉末在混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体流体,它既具有液体的所有优点它既具有液体的所有优点,又具有很又具有很
26、高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。裂纹。35二、粉末成型新技术流动温压工艺主要特点如下:(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由此得到的材料密度也更加均匀。36(3)(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不
27、锈钢低合金钢粉、不锈钢316L316L粉、纯粉、纯TiTi粉和粉和WC-WC-CoCo硬质合金粉末。原则上它可适用于所有硬质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能具有足够好的烧结性能,以便达到所要求的以便达到所要求的密度和性能。密度和性能。(4)(4)简化了工艺简化了工艺,降低了成本。降低了成本。二、粉末成型新技术37 美国开发出一种能在室温下生产全致密零美国开发出一种能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称之为之为“冷成形粉末冶金冷成形粉末冶金”。
28、它采用特殊配制的。它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料靴技术活化溶液与革新的进料靴技术,在压力下精确在压力下精确地将粉末注入模中。加压输送的进料靴使粉末地将粉末注入模中。加压输送的进料靴使粉末填充更加均匀填充更加均匀,而活性溶液则防止形成氧化物而活性溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊效应。从而大大促进了冷焊效应。二、粉末成型新技术4.冷成形工艺冷成形工艺38二、粉末成型新技术 采用这一工艺可制得全致密的接近最终形采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属艺采用包覆粉末。但许多
29、市售的金属或非金属粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件。产结构件及其他用途的零件。39三、三、烧结新技术烧结新技术在普通烧结技术的基础上，通过改进加在普通烧结技术的基础上，通过改进加热源、施加外力等作用在较短的时间里热源、施加外力等作用在较短的时间里使粉体致密化的过程，主要有微波烧结使粉体致密化的过程，主要有微波烧结技术和电火花烧结技术等。技术和电火花烧结技术等。40三、三、烧结新烧结新技术技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁微波烧结是通
30、过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了粒子间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电粒子间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更高的效率。避免了外部加热由于内外温度梯度而造高的效率。避免了外部加热由于内外温度梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变形等缺陷。成烧结体裂痕
31、或大幅度变形等缺陷。1.1.微波烧结技术微波烧结技术41三、烧结新烧结新技术技术 已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。双频微波烧结炉双频微波烧结炉生产用大型微波烧结炉42三、烧结新技术烧结新技术2.爆炸压制技术爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺方法方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用它在粉末冶金中发挥了很重要的作用,爆炸压爆炸压制时制时,只是在颗粒的表面产生瞬时的高温只是在颗粒的表面产生瞬时的高温,作用时间作用时间短短,升温和降温速
32、度极快。适当控制爆炸参数升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得使得压制的材料密度可以达到理论密度的压制的材料密度可以达到理论密度的90%以上以上,甚至甚至达到达到99%。43爆炸压制装置示意图44 国内用国内用NdFeB磁粉进行了爆炸压制技术的研究。磁粉进行了爆炸压制技术的研究。用磁粉的性能为：磁感矫顽力用磁粉的性能为：磁感矫顽力Hcb=453.08kA/m，Br=0.783T,(BH)max=89.9kJ/m3。爆炸压制后得到的。爆炸压制后得到的NdFeB磁体性能为：磁体性能为：Hcb=403kA/m，Br=0.805T，(BH)max=90.7kJ/m3。从测量结果可以看出从测量结果可
33、以看出,爆炸压制钕铁硼磁体的磁爆炸压制钕铁硼磁体的磁性能保持了原始磁粉的性能性能保持了原始磁粉的性能,最大磁能积没有太大的最大磁能积没有太大的变化。这是常规粘结变化。这是常规粘结NdFeB磁体无法达到的。磁体无法达到的。45三、烧结新技术3.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）放电等离子烧结是将金属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放电活化、热塑变形和冷却阶段完成制取高性能材料或制件的一种方法。它是粉末冶金的一种新的烧结技术，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。46SPS烧结原理示意图47 SPS原理是利用强脉冲
34、电流加在粉末颗粒上产生的诸多有利于快速烧结的效应：1）由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场 中反方向的高速流动,可使粉末吸附的气体逸散,粉末表 面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿,使粉末得以净 化、活化;482）由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生,在粉末颗粒未接触 部位产生的放电热,以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热,都大大促进了粉末颗粒原子的扩散,其扩散系数比通常热 压条件下的要大得多,而达到粉末烧结的快速化;3）快速脉冲电流的加入,无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位,都会快速移动,使粉末的烧结能够均匀化。49与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：粉末原料广泛：各种金属
35、、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活性化状态为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/101/20。烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达106/s，自动化生产小型制件时的生产率可达400件/h。50 采用石墨模具，成本低，加工方便。大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。51SPS可加工材料52SPS技术制备梯度功能材料 通过
36、SPS技术可以制造陶瓷/金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层。53 美国国立标准技术研究所和机械工程实验室与日本国际贸易工业部门合作,共同开发了高效发动机用的大尺寸耐热、高强梯度材料。现已能批量生产 150,厚15,11层的ZrO2 梯度材料。采用的SPS工艺参数是:压力2040MPa,温度12431293,升温速率50K/Min,真空度10Pa。采用SPS烧结得到了两头分别是100%的玻璃与100%的304不锈钢,而中间呈4层的梯度材料。烧结温度1073,保持时间15Min,真空下进行。54SPS技术制备电磁材料 通过SPS技
37、术可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系热电转换元件,以及广泛用于电子领域的各种功能材料,如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。55SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)的非晶合金,在稍高于晶化温度处理后,可得到晶粒数10，具有体心立方结构，高Bs、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目前只能是带材或粉末,制作成品还需要将带材重叠和用树脂固结,这使得成品的密度和Bs均变低。近年,日本采用SPS工艺研究FeMe块材的成形条件及磁性能。56 用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是:先
38、将由非晶薄带经球磨制成的50150非晶粉末装入WC/Co合金模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度110-2Pa以下、升温速度0.091.7K/s、温度673873、压力590MPa),再把所得的烧结体在110-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923、保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、100下的动态磁导率3430,矫顽力12/。57SPS制备块状纳米晶FeMeB系永磁材料 日本开展了用SPS 制备Fe66Co20Nd2Pr7B5异向性永磁的研究。将急冷制作的非晶薄带球磨成37105的粉末,装入WC/Co合金模具内,在SPS烧结机上烧结(压力374636MPa,温度
39、673873),然后将烧结体在真空110-2Pa下、于973进行180s处理。结果表明:烧结温度873、压力636MPa时,烧结体的相对密度达97 6%98 4%。经磁性测定表明,烧结加压方向的最大磁能积比平行方向的要大,并且随着SPS烧结温度和压力的升高,异向性增加。58 日本还研究了用作交换弹簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6块状纳米晶材料的研究。采用SPS工艺,将急冷制取的薄带烧结成块材。试验结果表明:采用压力940MPa、温度948K、保温1Min的SPS工艺可得到很好的磁性:Br=1.02T,Hcj=461kA/,(BH)=122kJ/m3,Hk/Hcj=30%,=7.67g/cm3
40、。在3731加热条件下,材料的不可逆磁损只有4%,与MQP-B粘结磁体大致相同。59SPS制备BaTiO3高介电材料 日本报道了将BaTiO3粉末装入石墨模具内,采用SPS工艺(加压39MPa,通入电流4000,温度1373,时间3Min)制成的烧结体,其密度可达5.82g/cm3,达到理论密度的97%,而采用传统烧结方法只能达到88%;SPS烧结体的晶粒尺寸基本上为0.5,而传统烧结时为11.5。SPS烧结体的介电系数达到6200,而传统烧结仅能达到2400。60SPS技术生产硬质合金 在日本SPS首先投入批量生产的是硬质合金。住友石炭矿业株式会社已在北海道建立了SPS生产超级硬质合金的示范
41、工厂,并形成TC系列产品。下表列出TC10、TC20以及无钴TC00合金的性能。61SPS技术生产精细陶瓷 由于SPS脉冲放电特有的烧结效应,可广泛烧结各种氧化物、氮化物、硅化物、碳化物、硼化物等。SPS烧结的Si3N4+Al2O3精细陶瓷(环形、圆筒形、圆柱、圆饼等)作为耐热耐磨材料已被广泛应用。SPS烧结可抑制晶粒长大、消除微孔和烧结不均匀性,相对密度达到99%100%,HV达到20GPa以上。62高纯、高密度SiC的烧结 采用SPS可使不含结合剂的SiC烧结到99%以上的理论密度,而采用传统烧结法只能达到92%93%。SPS的烧结工艺为:温度2673、升温和保温时间7Min。下表列出在两
42、种烧结方法下SiC陶瓷性能的比较。63SPS技术制备多孔材料 SPS不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化,而且通过选择合适的工艺参数(主要是压力)，还可制取理想的多孔材料。近年日本用金红石、切削铸铁粉、雾化铸铁粉等进行了SPS烧结多孔材料的研究。64 将SiC晶须装入石墨模内,在19732273，1080MPa、560Min工艺条件下作了较系统的烧结研究。当烧结压力为10MPa时，烧结体的孔隙度达到63%，抗弯强度达到42MPa；当烧结压力为80MPa时，烧结体的孔隙度达到34%，抗弯强度达到80MPa。65 SPS技术制备的多孔材料中孔隙的均匀性十分好。将雾化Ni20Cr(平均粒径20)粉末
43、用SPS技术制备多孔材料,SPS的工艺参数是真空下烧结,温度1073,烧结300s。在多孔体半径(25)方向上，孔隙度的均匀性很好,各区域孔隙度相差不到2%。在SEM的断面形貌图上看不出加压方向下粉末颗粒被压扁的现象,而颗粒之间结合的很好,开孔气孔率达到33%左右。66四、金属粉末注射成形技术 金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力，使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。注射成型产品67 这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构（如带有螺纹、垂
44、直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%100%的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。目前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术 并已进入工业化生产阶段。四、金属粉末注射成形技术68 金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的 OA 器件)、电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点：其结构小而复杂，密度和精度高等。制作材料除铁 镍合金外，还有钛及钛合金、铝及
45、铝合金、超硬合金和重合金等。四、金属粉末注射成形技术69四、金属粉末注射成形技术微注射成型 传统粉末注射成形技术,可制得0 11尺寸的部件,已制得最小20mg的零件。但随着微型系统的发展,包括微观光学,最小侵害外科及微观射流技术等,需要形状复杂、尺寸在微米范围内的金属与陶瓷零件。微注射成形适用于大规模制造微型结构件。70四、金属粉末注射成形技术 德国在10年前就开始研究微注射成形技术,不过所用的原料为热塑性塑料,最小件尺寸已达0.2。德国在此研究的基础上,现正研究微金属注射成形与微陶恣注射成形技术。所用粉末为平均粒度1 5的羰基铁粉,45的不锈钢粉和0.6的氧化铝粉。所用粘结剂有自混聚烯烃/蜡
46、化合物与常态聚醛基化合物。研究中的脱粘结剂方法有加热去除有机物法,聚醛基化合物催化脱粘结剂法及超临界二氧化碳脱粘结剂法。71四、金属粉末注射成形技术 所制的产品复压后密度达98%，线性收缩15%22%。最小微陶瓷注射成形结构件尺寸达10，微注射陶瓷齿轮重量仅为0 5mg，最小的微金属注射成形件尺寸为50。微注射成形用于微型泵、微型齿轮、微型涡轮、最小损伤外科用的微型导管等。微注射成型产品72五、快速原型制作技术 快速原型制造技术是近几年发展起来的利用计算机辅助设计制造复杂形状零件的技术。借助计算机三维辅助设计、计算机层析光摄影机、有限元分析或母型数字化数据,对欲制件进行三维描述,将部件分割成许
47、多很薄的水平层,获得相应的工艺参数。在输入各工艺参数后,快速原型制造机便可自动制造出部件来。大多数快速原型制造法都采用粉末做原料。常用的方法有激光烧结法,多相喷射固结法及三维印刷法等。73选择激光烧结法（SLS）工艺原理图五、快速原型制作技术74五、快速原型制作技术 选择激光烧结法是用激光束一层一层地烧结生产塑料原型。现在可选用多种粉末,包括金属粉末与陶瓷粉末。金属粉末选择激光烧结,旨在直接生产功能部件。这使工业界对它产生了极大兴趣,因为它在产品开发过程中,节省时间并降低成本。SLS系统及产品75五、快速原型制作技术 多相喷射固结法是一种新的自由成形技术。可用于制造生物医学零件,如像矫形植入物
48、、牙齿矫正与修复材料、一般修复外科用部件等。多相喷射固结法,根据扫瞄得到的假体的三维描述,就可以制造出通常外科所需零件,而无需开刀去实际测量。将金属粉或陶瓷粉与粘结剂混合,形成均匀混合料。多相喷射固结法就是将这些混合料按技术要求进行喷射,一层一层地形成一个零件。在部件形成之后,其中的粘结相用化学法或者加热去除,而后烧结到最终密度。76多相喷射固结法流程示意图77 三维印刷法是美国麻省理工学院发明的。该法是根据印刷技术,通过计算机辅助设计,将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷,直至达到最终的几何形状。由此便得到一个生坯件。生坯件经烧结并在炉中熔渗,可达到全密度。五、快速原型制作技术78三维印刷法流程示意图79 三维印刷法不同于原型制做的选择激光烧结法。后者一次只能制做一个零件,而前者可同时生产几个形状不同的零件。三维印刷法有两个优点:第一,它能制造任何形状的零件,包括有空腔、内通孔、有锥度或泡沫状表面的零件。第二,生产速度快。采用耗时费钱的传统原型制作法,一个零件原型要数周或数月才能制成,而用三维印刷法,几天便可完成。五、快速原型制作技术80 粉末冶金应用领域不断扩大,新技术层出不穷。我国的粉末冶金工业起步不算晚,但产品数量、质量与技术方面与先进国家相比,尚有不小差距。因而应及时了解与掌握不断出现的新技术,尤其重要的是,要主动开发我们自己的新技术。81谢谢 谢谢
