求粉末冶金常用的成型方法？？

摘要：說到“冶金”會讓人們很自然地聯(lián)想到巍巍的高爐和滾滾的鐵水，然而，還有另一類不需將材料熔化的冶金方法，這就是粉末冶金。粉末冶金是冶金和材料科學(xué)的一個分支學(xué)科。它是首先制取金屬粉末， 然后采用成形和燒結(jié)工藝將金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)制成材料和制品的工藝技術(shù)。粉末冶金制品的應(yīng)用范同十分廣泛：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，從民用工業(yè)到軍事工業(yè)，從一般技術(shù)到尖端高技術(shù)，都可以見到粉末冶金工藝的身影。由于粉末冶金技術(shù)的 種種優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。 　　　關(guān)鍵詞：粉末冶金 , 成型方法 , 高性能材料 , 發(fā)展趨勢 　　　Abstract: to metallurgy will let people say very natural associate to the lofty blast furnace and rolling hot, however, there is another type of need not will melt materials of metallurgical method, it is powder metallurgy powder metallurgy is metallurgy and materials science a branch discipline of it is first production metal powder, then the forming and sintering process will metal powder (or metal powder and nonmetal powder mixture) materials and products made from process technology of powder metallurgy products with a wide application of fan: from general machinery manufacturing to precision instruments, from hardware tools to large mechanical and electronic industry from the motor manufacturing, from civil industry to the military industry, from the general technology to top high technology, can see the figure of powder metallurgy process. Due to its advantages of powder metallurgical technology, it has become the key problems to solve new materials, in the development of new material plays a very important role. 　　　 Keywords: powder metallurgy, the shaping method, high performance materials, development trend 　　　正文：現(xiàn)代粉末冶金不僅是一種材料制造技術(shù)，而且其本身包含著材料的加工和處理，并逐漸形成了自身的材料制備工藝?yán)碚摵筒牧闲阅芾碚?。粉末冶金新?術(shù)、新工藝的應(yīng)用不但使傳統(tǒng)的粉末冶金材料性能得到根本的改善，而且使得一批高性能和具有特殊性能的新一代材料相繼產(chǎn)生，這些新材料都需要以粉末冶金工藝 作為其主要的或唯一的制造手段。現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)已發(fā)展成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料的有效途徑。傳統(tǒng)的粉末成形技術(shù)工藝復(fù)雜，致密度低，制 件的性能較差。高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對粉末成形制件的性能及制造周期提出了更高的要求，促進(jìn)了人們對粉末成形技術(shù)的深入研究，先后出現(xiàn)了一些新工藝、新 技術(shù)、新動向，目前粉末成形技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。 　　　一.粉末冶金制品成形新技術(shù)的應(yīng)用 　　　金屬冶金粉末成形是一種節(jié)能、節(jié)材、高效、近凈成形、少污染的先進(jìn)制造技術(shù)，在超導(dǎo)材料、納米材料、生物工程材料、超硬材料等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域中得 到廣泛的應(yīng)用，已進(jìn)入當(dāng)代材料科學(xué)的發(fā)展前沿，并朝著高效自動化、高性能、低成本的方向發(fā)展。粉末冶金是一種制取金屬粉末，以及采用成形和燒結(jié)工藝將金屬 粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)制成制品的工藝技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種新工藝相繼出現(xiàn)并得到廣泛的應(yīng)用，如溫壓技術(shù)、流動溫壓技術(shù)、動磁壓制 和高速壓制技術(shù)等。粉末冶金材料的種類有：粉末冶金多孔材料、粉末冶金減摩材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金結(jié)構(gòu)零件、粉末冶金工模具材料、粉末冶金電磁 材料和粉末冶金高溫材料等。粉末的生產(chǎn)過程包括粉末的制取、粉料的混合等步驟。為改善粉末的成形性和可塑性，通常加入汽油、橡膠或石蠟等增塑劑。粉末在 500---600 MPa壓力下，壓成所需形狀。在保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行。燒結(jié)不同于金屬熔化，燒結(jié)時至少有一種元素仍處于固態(tài)。燒結(jié)過程中粉末顆粒間通過擴(kuò)散、 再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學(xué)過程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。一般情況下，燒結(jié)好的制件可直接使用。但對于某些尺寸要求精度高，并且 有高的硬度、耐磨性的制件還要進(jìn)行燒結(jié)后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油及熔滲等。粉末冶金材料廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、紡織機(jī) 械、工業(yè)縫紉機(jī)、電動工具、五金工具、電器、工程機(jī)械等各種粉末冶金(鐵銅基)零件?，F(xiàn)在汽車上應(yīng)用的粉末冶金零件生產(chǎn)仍以冷模壓一燒結(jié)工藝為主。雖然其 產(chǎn)品的精度、復(fù)雜程度、性能穩(wěn)定性和成本等方面均有長足的進(jìn)步，但是較低的零件密度影響了零件的性能，特別是力學(xué)性能的提高。零件的幾何形狀復(fù)雜程度也受 到冷模壓的制約。粉末冶金新技術(shù)的出現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化，對其在汽車上的應(yīng)用起到了重要的推動作用。北美Hoeganaes開發(fā)了一種含硅高密度、高性能的鐵基粉 末冶金材料。制造這種材料的工藝被稱為Ancormax D工藝，能通過單次壓制／燒結(jié)方法制造出密度達(dá)7．40--一7．45 g／cm3的鐵基零件。Ancormax工藝使用了一種專有的壓制潤滑劑，模具加熱至60"-70℃。其壓坯強(qiáng)度比傳統(tǒng)冷壓壓坯高20％--'25％。汽 車內(nèi)燃機(jī)閥系統(tǒng)工作條件十分嚴(yán)酷。氣門頭部溫度一般高達(dá)800"--1 000℃，氣門閥座的工作溫度高達(dá)500一--800℃?，F(xiàn)在大批量生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)都已在使用特制的粉末冶金閥座圈。該閥座圈合金是一類無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、無國家 標(biāo)準(zhǔn)、無國際標(biāo)準(zhǔn)的“定制合金”，屬高密度、高合金、耐腐、耐蝕、耐熱的燒結(jié)合金。惟有采用粉末冶金的方法才把耐熱高強(qiáng)基體與硬質(zhì)顆粒相、固體潤滑相、導(dǎo) 熱合金等復(fù)雜成分綜合于一體。汽車發(fā)動機(jī)中使用的閥座圈合金，90％以上是用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的。 　　　近年來，通過不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)與自主開發(fā)創(chuàng)新相結(jié)合，中國粉末冶金產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，是中國機(jī)械通用零部件行業(yè)中增長最快的行 業(yè)之一，每年全國粉末冶金行業(yè)的產(chǎn)值以35％的速度遞增。全球制造業(yè)正加速向中國轉(zhuǎn)移，汽車行業(yè)、機(jī)械制造、金屬行業(yè)、航空航天、儀器儀表、五金工具、工 程機(jī)械、電子家電及高科技產(chǎn)業(yè)等迅猛發(fā)展，為粉末冶金行業(yè)帶來了不可多得的發(fā)展機(jī)遇和巨大的市場空間。另外，粉末冶金產(chǎn)業(yè)被中國列入優(yōu)先發(fā)展和鼓勵外商投 資項目，發(fā)展前景廣闊。 　　　二.金屬粉末溫壓成形技術(shù) 　　　所謂溫壓技術(shù)就是采用特制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將加有特殊潤滑劑的預(yù)合金粉末和模具等加熱至130"--150℃，并將溫度波動控 制在±2．5℃以內(nèi)，然后和傳統(tǒng)粉末冶金工藝一樣進(jìn)行壓制、燒結(jié)而制得粉末冶金零件的技術(shù)。在眾多為提高粉末冶金件密度的生產(chǎn)方法中。溫壓成形技術(shù)被認(rèn)為 是最為經(jīng)濟(jì)的一種新工藝。數(shù)家國際知名的粉末冶金公司各自推出受到專利保護(hù)的溫壓技術(shù)。溫壓技術(shù)是采用混有特定潤滑劑和粘結(jié)劑的金屬粉末在 100---300℃溫度下壓制，通過一次壓制和一次燒結(jié)使零件密度提高到理論密度的92％"-'95％，而成本增加較小。溫壓成形的工藝過程是將混有溫 壓專用潤滑劑和粘結(jié)劑的粉末加熱至130～155℃，然后在加熱到上述溫度的模具里壓制成形。溫壓工藝特點是工藝簡單，生產(chǎn)成本低廉，可直接機(jī)加工生坯， 生坯強(qiáng)度提高100％，拉伸強(qiáng)度提高20％"30％，超過20 MPa，可在燒結(jié)前進(jìn)行機(jī)加工。研究表明，假如一次壓制、燒結(jié)的普通粉末冶金工藝的成本為1．0，則粉末鍛造的相對成本為2．0，復(fù)壓復(fù)燒的相對成本為 1．5，滲銅的相對成本為1．4，而溫壓技術(shù)的相對成本為1．25。其產(chǎn)品包括：螺旋齒輪(電動工具)、泵輪、連桿、凸輪、鏈輪、同步器轂、螺旋齒輪(變 速箱)、軟磁零件。溫壓工藝對粉末性能有一定的要求，如Ancordense溫壓工藝限定為高壓縮比的水霧化鐵粉。專利化的潤滑劑是一種復(fù)合的酰胺基蠟。 低熔點的單酰胺在溫壓溫度下熔化，起液體潤滑作用：二酰胺和聚酰胺有較高的熔點，可起固體潤滑劑的作用。燒結(jié)前采用低溫預(yù)燒，將潤滑劑脫除，否則將導(dǎo)致最 終燒結(jié)密度低于溫壓壓坯密度。 　　　溫壓成形工藝技術(shù)關(guān)鍵：一是溫壓粉末制備，二是溫壓系統(tǒng)。與傳統(tǒng)工藝相比，溫壓成形的壓坯密度約有0．15～0．30 g／cm3的增幅，其密度可達(dá)7．45 g／cm3。在相同的壓制壓力下，溫壓材料的屈服強(qiáng)度比傳統(tǒng)工藝平均高l l％，極限拉伸強(qiáng)度平均高l 3．5％，沖擊韌度可提高33％。另外，溫壓零件的生坯強(qiáng)度高，可達(dá)20～30 MPa，比傳統(tǒng)方法提高50％～100％，不僅降低生坯搬運過程的破損率，而且能對生坯進(jìn)行機(jī)加工，表面粗糙度低。此外，溫壓工藝的壓制壓力低和脫模力 小，同時零件性能均一，產(chǎn)品精度高，材料利用率高。 　　　溫壓成形技術(shù)是20世紀(jì)粉末冶金的一項重要技術(shù)進(jìn)步，已應(yīng)用于生產(chǎn)。德國Sinterstahl GmbH用溫壓技術(shù)生產(chǎn)出復(fù)雜的摩擦傳動用同步齒環(huán)，綜合成本降低38％。法國Federal Mogul燒結(jié)公司采用溫壓技術(shù)生產(chǎn)質(zhì)量350"600 g連桿，價格比PHF連桿低。美國Chicago Powdered metal公司用溫壓工藝生產(chǎn)電力機(jī)車發(fā)動機(jī)用齒鼓零件，質(zhì)量達(dá)1．1 kg，密度7．3 g／cm3；瑞典Hoganas公司溫壓Ni．Cu．Mo鋼粉制造的變速箱零件，密度為7．25～7．35 g／cm3，用于重載車(如公共汽車和大卡車)；華南理工大學(xué)于2001年研制成功高性能斜齒輪和薄壁氣門導(dǎo)筒；美國福特卡車變速箱上的轉(zhuǎn)矩渦輪轂：日本 日立粉末金屬公司生產(chǎn)的小節(jié)錐、半角斜傘齒輪。溫壓技術(shù)是粉末冶金領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，可生產(chǎn)出高密度、高強(qiáng)度零件，具有非常廣泛的應(yīng)用前 景。目前，采用溫壓技術(shù)生產(chǎn)的粉末冶金零件已達(dá)200多種，．零件質(zhì)量在5～1 200 g。例如采用了擴(kuò)散合金化的燒結(jié)硬壓粉末，最低抗拉強(qiáng)度為850 MPa。由于使用了溫壓技術(shù)和采用粉末冶金零件，使得綜合成本降低了38％。 　　　三.金屬粉末注射成形技術(shù) 　　　噴射成形通稱霧化沉積，是用快速凝固方法制備大塊致密金屬材料的粉末冶金技術(shù)，是制備三維復(fù)雜形狀的金屬和陶瓷零件的近終成形技術(shù)，是制取各種金屬 和陶瓷高性能零件的高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保友好、低成本、大批量生產(chǎn)的工藝。噴射成形把液態(tài)金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(熔滴動態(tài)致密固化) 結(jié)合起來，在一步冶金操作中完成。它直接從液態(tài)金屬制取具有快速凝固組織特征、整體致密、接近零件實際形狀的高性能材料。通過改變?nèi)鄣紊淞髋c沉積器的相對 位置和沉積器的運動形式，可以得到盤、柱、管、環(huán)、板、帶等不同形狀的近終形坯件。如果采用兩種不同合金霧化射流可以制備復(fù)層的雙性能材料(坯件)。采用 注入增強(qiáng)顆粒霧化共沉積則可以制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。該技術(shù)通常采用小于20¨m的細(xì)粉與高分子聚合物為基的粘結(jié)劑加熱混合均勻，混合料經(jīng)制粒成注 射料。注射料在注射成形機(jī)內(nèi)加熱塑化狀態(tài)下，具有良好的流變性，所以能在壓力下注入形狀十分復(fù)雜的模腔。采用化學(xué)和加熱分解等方法將生坯的粘結(jié)劑脫除，而 后高溫?zé)Y(jié)致密化成零件，一般不需要或只進(jìn)行少量的后續(xù)機(jī)加工。其基本優(yōu)點是：復(fù)雜形狀零件、低成本和高性能，在零件生產(chǎn)量大和高復(fù)雜程度時獨占優(yōu)勢?，F(xiàn) 在工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品按材料所占百分比大致是：鐵和鋼2l％、不銹鋼2l％、工具鋼3％、難熔金屬3％、硬質(zhì)合金10％、氧化鋁和氧化硅22％、共價陶瓷 7％、精美瓷器2％、氧化鋯3％和其他特殊材料9％。金屬粉末注射成形技術(shù)是1980年代初期新發(fā)展起來的特殊粉末冶金技術(shù)，可以大量制造小型精密機(jī)械零 件，能制造用常規(guī)模壓粉末成形無法制造的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，如帶有螺紋、交叉孔、銳角、多臺階、薄壁、翼形等制品，可達(dá)到材質(zhì)各向同性，并有更高的材質(zhì)密度 (93％～100％理論密度)和強(qiáng)韌性。其產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)均勻精細(xì)，性能各向同性，密度又接近理論密度，所以性能一般優(yōu)于其他工藝制得的產(chǎn)品。用金屬粉末 注射成形制造的精密零件，在汽車、化工、航空航天、商業(yè)設(shè)備、計算機(jī)硬件、電子通訊、生物醫(yī)療、軍事領(lǐng)域有許多新的應(yīng)用金屬粉末注射成形技術(shù)一經(jīng)問世，在 美國、日本、西歐得到竟相開發(fā)應(yīng)用，現(xiàn)正在發(fā)展、完善，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)值年增長率達(dá)100％左右。目前，金屬高溫粉末注射成形制品還限于小型精零件，但其 應(yīng)用面很大。據(jù)美國有關(guān)方面調(diào)查，這類小型零件的市場約為l 500億美元。粉末注射成形的單件質(zhì)量已從幾克、幾十克向公斤級發(fā)展，應(yīng)用前景十分寬廣?，F(xiàn)在，主要產(chǎn)品有汽車發(fā)動機(jī)搖臂、燃油噴射系統(tǒng)、摩托車、柴油機(jī) 渦輪增壓器、割草機(jī)、照相機(jī)、商業(yè)機(jī)械等零件，以及牙齒矯正托架、輕武器零件、切削工具、微電子組件、手表殼帶、外科手術(shù)工具、計算機(jī)盤驅(qū)動裝置、泵鎖、 理發(fā)推子、電氣接插件等。 　四.粉末冶金的發(fā)展趨勢 　1、向全致密化發(fā)展：粉末冶金的重點是超細(xì)粉末和納米粉的制備技術(shù)，快速冷凝制備非晶、準(zhǔn)晶和微晶粉末技術(shù)，機(jī)械合金化技術(shù)，自蔓延高溫合成技術(shù)，粉末 粒度、結(jié)構(gòu)、形貌、成分控制技術(shù)?？偟内厔菔窍虺?xì)、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。建立以“凈近形成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模過程理 論，如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。建立以“全致密化”為主要目標(biāo)的新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬技術(shù)。 　2、向高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展：粉末冶金新的成形技術(shù)層出不窮，如：粉末注射成形、溫壓成形、流動溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技 術(shù)不斷涌現(xiàn)。近目前， 粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展。有代表性的鐵基合金。將向大體積的精密制品，高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件發(fā)展：制造具有均勻顯 微組織結(jié)構(gòu)的、加工困難而完全致密的高性能合金：用增強(qiáng)致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金：制造非均勻材料、非晶態(tài)、微晶或者亞穩(wěn)合金；加工 獨特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件。 　3、粉末冶金制造過程清潔高效和環(huán)保的趨勢：尋求資源的再生利用和減少生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。因此，針對易再生材料的設(shè)計、有 害物質(zhì)的材質(zhì)控制、潤滑劑的煤煙控制、燒結(jié)氣氛再生方法的開發(fā)和燒結(jié)零件的輕量化等，從合金設(shè)計和工藝設(shè)計的角度，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。使粉末冶金各項工藝流程 符合環(huán)保的強(qiáng)制性法規(guī)，從而使粉末冶金產(chǎn)業(yè)更清潔、更環(huán)保。 　4、粉末冶金材料功能復(fù)合化趨勢：針對國際化的高端市場，研究和開發(fā)出高附加值的新型復(fù)合材料或者復(fù)合有附加性能的新型材料．是各國粉末冶金工作者努力追求的目標(biāo)。這就要求在諸如復(fù)合材料設(shè)計、成行固化、復(fù)合材料組織控制、性能評價等方面能夠做出開創(chuàng)性的突破。 　5、粉末冶金設(shè)計的微觀化趨勢：由宏觀的尺寸——形狀——性能設(shè)計層面。結(jié)合到顯微組織——微觀結(jié)構(gòu)——性能的設(shè)計層面．粉末冶金設(shè)計也由粉體特性設(shè)計、模具設(shè)計、產(chǎn)品形狀設(shè)計等宏觀設(shè)計體系向顯微組織和顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計的微觀體系深入和發(fā)展。 　五.結(jié)語 　粉末冶金是一項重要的零件成形技術(shù)。粉末冶金材料不僅在汽車、航天、軍工等產(chǎn)業(yè)中必不可少，而且在電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等家用產(chǎn)品上也大量應(yīng)用。粉末冶 金新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，必將促進(jìn)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也將帶給材料工程和制造技術(shù)光明的前景。目前，我國粉末冶金行業(yè)整體技術(shù)水平低下，工藝裝備 落后，與國外先進(jìn)技術(shù)水平相比存在較大差距。因此，大力發(fā)展粉末冶金新技術(shù)的研究，對提高我國粉末冶金產(chǎn)品的檔次和技術(shù)水平，縮短與國外先進(jìn)水平的差距具 有非常重要的意義。 　六.參考文獻(xiàn) 　　　1.黃培云．粉末冶金原理．北京：冶金工業(yè)出版社，1997． 　　　2.博培云，金展鵬．粉末冶金基礎(chǔ)理論與新技術(shù).北京：科學(xué)出版社。2010． 　　　3.劉軍，余正國．粉末冶金與陶瓷成型技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2005． 　　　4.王盤鑫．粉末冶金學(xué)．北京：冶金工業(yè)出版社，1997． 　　5. 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