粉末冶金材料學(xué)復(fù)習(xí)內(nèi)容

1、“粉末冶金材料學(xué)”復(fù)習(xí)內(nèi)容一、粉末冶金材料學(xué)概述1. 簡介粉末冶金的特點(diǎn) 粉末冶金技術(shù)：是以金屬粉末或非金屬粉末或其混合物為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。 粉末冶金材料：是用粉末冶金技術(shù)制得的近全致密或多孔材料（包括制品）特點(diǎn): 1)技術(shù)多樣性；粉末制備技術(shù), 成形技術(shù), 燒結(jié)技術(shù) 2)工藝復(fù)雜性；制粉,制備金屬粉末、合金粉末、金屬化合物粉末以及包覆粉末;成形,分加壓成形和無壓成形兩類, 其他加壓成形方法有等靜壓成形、粉末軋制、粉末擠壓等;燒結(jié), 單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)，其燒結(jié)溫度都比所含金屬與合金的熔點(diǎn)要低。 燒結(jié)后處理, 有精整、熔浸、機(jī)加工、熱處

2、理（淬火、回火 和化學(xué)處理）和電鍍等. 3)性能優(yōu)越性；材料具有特殊結(jié)構(gòu)和性能, 能制造性能更優(yōu)的材料（與熔煉法比）粉末高速鋼、粉末超合金可避免成分的偏析，保證合金具有均勻組織和穩(wěn)定性能，同時，這種合金具有細(xì)晶粒組織使熱加工性大為改善 4)零件復(fù)雜性；零件的孔隙度可控, 零件的形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 5)手段先進(jìn)性； 6)規(guī)模擴(kuò)大性； 7)成本低廉性。2. 粉末冶金發(fā)展趨勢與學(xué)科前沿發(fā)展趨勢 輻射領(lǐng)域越來越廣(研制新材料、開發(fā)新應(yīng)用)； 新技術(shù)層出不窮（如噴射成形、注射成形等)； 多學(xué)科交叉（材料、化學(xué)、化工、冶金、物理、機(jī)械等）； 高致密化、高性能化、集成化和低成本化； 非平衡及超細(xì)材料和制品的制備

3、，如非晶、微晶、納米晶、準(zhǔn)晶等； 具有獨(dú)特組分的復(fù)合材料設(shè)計與制備。 學(xué)科前沿 粉末制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。向超細(xì)、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。 建立以“近凈成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬理論，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)。如熱等靜壓、微波燒結(jié)、高能成形等。 粉末冶金材料設(shè)計、表征和評價新技術(shù)。粉末冶金材料的孔隙特性、界面問題及強(qiáng)韌化機(jī)理的研究。3. 粉末冶金的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 1致密度可控，如多孔材料、高密度材料等； 2晶粒細(xì)小、顯微組織均勻、無成分偏析； 3近凈成形，原材料利用率&

4、gt;95%（表1）； 4少無切削，切削加工僅4050%； 5材料組元可控，利于制備復(fù)合材料； 6利于難熔金屬、陶瓷材料與核材料的制備。不足: 1原料粉末價格較貴； 2殘余孔隙影響其性能，材料韌性較差； 3氧和雜質(zhì)含量較高，制備高純活性金屬困難； 4制品大小和形狀受到一定限制二、粉末冶金材料的孔隙特征及影響1. 孔隙對粉末冶金材料力學(xué)性能的影響孔隙的共性影響 孔隙大小與形狀：燒結(jié)后較大孔隙一般呈不規(guī)則形狀，較小孔隙一般呈規(guī)則的球形或近球形形狀，而不規(guī)則孔隙會使應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，從而使力學(xué)性能降低，孔隙大小與形狀對沖擊韌性和延伸率的影響尤其明顯； 孔隙分布：孔隙分布越不均勻，越易發(fā)生聚集成為大孔

5、隙或缺陷，從而引起應(yīng)力集中，并使力學(xué)性能下降； 孔隙度：孔隙度越高，粉末冶金材料力學(xué)性能越低，材料磨損率越高，傳導(dǎo)性越差，強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、硬度、傳導(dǎo)性與孔隙度均存在非線性關(guān)系。在上述三種影響因素中，孔隙度最為重要力學(xué)性能包括斷裂韌性、靜態(tài)強(qiáng)度、塑性、動態(tài)性能、硬度和彈性模量等u 粉末冶金材料的平面應(yīng)變斷裂韌性隨著孔隙度的降低而增加u 粉末材料的靜態(tài)強(qiáng)度包括抗拉、抗彎和抗壓強(qiáng)度.它與孔隙度的關(guān)系大體可用下式表示： b K0f()在粉末材料中，孔隙不會引起相當(dāng)大的應(yīng)力集中此公式可以解釋同成分、同孔隙度材料，由于制造工藝不同所得的不同抗拉強(qiáng)度值 u 塑性包括延伸率和斷面收縮率粉末材料由于孔隙的

6、存在，有利于裂紋的形成和擴(kuò)張，所以表現(xiàn)出低拉伸塑性和脆性延伸率強(qiáng)烈地依賴于試樣密度，它受孔隙度的強(qiáng)烈影響，并對孔隙形狀很敏感u 主要包括沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，它們強(qiáng)烈地依賴于材料的塑性，因而也象塑性一樣強(qiáng)烈地依賴于孔隙度孔隙度為1520的粉末材料的沖擊韌性值很小，纖維材料的沖擊韌性比粉末材料高得多。材料對能量很大、次數(shù)很少的沖擊抗力主要決定于材料的沖擊韌性；對小能量、次數(shù)很多的沖擊抗力主要決定于材料的強(qiáng)度多孔材料沖擊韌性雖然很低，孔隙的存在使材料的彈性內(nèi)耗很大，減震性能好，小能量多次沖擊性能很好。u 燒結(jié)鋼疲勞強(qiáng)度低的主要原因是孔隙起了斷裂源的作用u 硬度對孔隙形狀不敏感的性能，主要取決于材料的

7、孔隙度。如燒結(jié)鐵的HB硬度值對孔隙形狀不敏感，主要依賴于孔隙度 u 彈性模量表征著點(diǎn)陣中原子間的結(jié)合強(qiáng)度，是應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性范圍內(nèi)直線段的斜率 燒結(jié)多孔鐵的彈性模量隨孔隙度的增加而降低2. 孔隙對粉末冶金材料斷裂機(jī)理的影響孔隙對斷裂機(jī)理的共性影響按照孔隙對材料斷裂影響的機(jī)理不同，可將粉末冶金材料分為兩大類：脆性粉末冶金材料和塑性粉末冶金材料。a) 脆性粉末冶金材料包括硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、難熔化合物等，塑性粉末冶金材料包括燒結(jié)金屬、合金、多孔金屬等；脆性粉末冶金材料斷裂機(jī)理：孔隙引起強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，成為材料中的薄弱環(huán)節(jié)，使材料在較低的應(yīng)力下斷裂。在脆性粉末冶金材料中，能引起應(yīng)力集中和強(qiáng)度下降的

8、孔隙因素包括：孔隙度的增大、孔隙不規(guī)則程度的增加、孔隙曲率半徑的減小、孔隙間距的減小和孔隙鄰接度的增加等。b) 塑性粉末冶金材料斷裂機(jī)理：孔隙沒有引起相當(dāng)大的應(yīng)力集中，主要是削弱了試樣承載的有效斷面，存在著應(yīng)力在材料中的不均勻分布，從而使材料斷裂；高孔隙度燒結(jié)鐵斷裂機(jī)理：主要沿原始顆粒晶間斷裂，由于孔隙的非均勻分布，原始顆粒之間的聯(lián)結(jié)很弱，容易發(fā)生解理和分離，所以斷裂在原始顆粒之間孔隙的連接處發(fā)生；低孔隙度燒結(jié)鐵斷裂機(jī)理：主要是穿晶斷裂，細(xì)小孔隙在切應(yīng)力作用下迅速長大，然后增殖、聚合，最后連接形成斷裂。三、材料的強(qiáng)韌化1. 顆粒強(qiáng)化鋼結(jié)硬質(zhì)合金以鋼為粘結(jié)劑，以硬質(zhì)化合物作硬質(zhì)相，其結(jié)構(gòu)與硬質(zhì)合

9、金類似，但硬度、耐磨性能明顯強(qiáng)于鋼，故被稱為鋼結(jié)硬質(zhì)合金。其組織特點(diǎn)是硬而耐磨的硬質(zhì)相均勻分布于鋼基體中，鋼基體賦予合金廣泛的工藝特性，而硬質(zhì)相則使得合金的硬度和耐磨性能大幅提高。應(yīng)用：工模具、耐磨零件與機(jī)器零件、刃具。 強(qiáng)化顆粒對材料性能的影響因素復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度與基體及第二相顆粒的本身性質(zhì)有關(guān)，并與顆粒間距平方根成反比關(guān)系。 l 第二相顆粒與基體之間存在界面，如顆粒存在尖角，則容易在界面尖角處形成應(yīng)力集中，故作為第二相的強(qiáng)化顆粒理想的形態(tài)應(yīng)為圓形或橢圓形，并且表面較光滑。l 當(dāng)?shù)诙囝w粒含量一定時，粒子愈細(xì)則數(shù)量愈多，因而粒子間距也就愈小，材料強(qiáng)度也越高。l 當(dāng)?shù)诙囝w粒大小一定時，其含

10、量越高則粒子間距越小，材料強(qiáng)度也越高，但當(dāng)顆粒含量達(dá)到某一比例時，由于顆粒聚集而產(chǎn)生的應(yīng)力集中反而會使材料強(qiáng)度下降。l 第二相顆粒分布越均勻彌散，材料強(qiáng)度越高。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(PRAC)以鋁或鋁合金為基體，與顆粒增強(qiáng)體人工合成的復(fù)合材料，是最具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘倩鶑?fù)合材料之一，其中以碳化硅、氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展最為迅猛。 2. 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化材料主要利用基體的強(qiáng)度，工作溫度不能太高，使用溫度通常為基體材料熔點(diǎn)的8085;3. 纖維強(qiáng)化纖維強(qiáng)化材料則是利用纖維的強(qiáng)度，它有可能在基體熔點(diǎn)附近的高溫使用 ;將具有高強(qiáng)度的纖維或晶須加到金屬（合金）基體中使金屬得到強(qiáng)化，這樣的材料稱為纖

11、維強(qiáng)化金屬材料 ;纖維強(qiáng)化的機(jī)理Ø 纖維強(qiáng)化材料所用纖維均是具有高鍵合強(qiáng)度的硬質(zhì)材料，硬質(zhì)材料雖有高鍵合強(qiáng)度，但由于裂紋的存在，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度大幅下降，使鍵合強(qiáng)度不能充分利用。 Ø 與彌散強(qiáng)化相比，二者雖都是軟硬兩種材料摻和在一起，但強(qiáng)化機(jī)理是不同的。纖維強(qiáng)化主要依靠纖維本身承受主要負(fù)荷，在工作過程中，外力可能同時作用到基體和纖維上，作用到基體上的力，通過基體的范性流變將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到纖維上；彌散強(qiáng)化則主要利用硬的粒子阻礙位錯的運(yùn)動或增強(qiáng)加工硬化的作用，因而彌散粒子間距對強(qiáng)化極為關(guān)鍵 4. 彌散強(qiáng)化材料的性能 彌散強(qiáng)化材料盡管有低延性的缺點(diǎn)，但其在性能上的優(yōu)越性是主要的。主要 有

12、： 再結(jié)晶溫度高，組織穩(wěn)定。 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高。 隨溫度提高硬度下降得少。 高溫蠕變性能好。 疲勞強(qiáng)度高。 傳導(dǎo)性高5. 金屬陶瓷性能及其影響因素金屬陶瓷利用金屬硬質(zhì)化合物相的高溫強(qiáng)度與金屬的塑性而用作耐熱材料金屬陶瓷包括：氧化物基金屬陶瓷；碳化物基金屬陶瓷；其他難熔金屬化合物（氮化物、硼化物、硅化物）基金屬陶瓷等以碳化鈦基金屬陶瓷為例，討論其性能及其影響因素 粘結(jié)劑含量極大地影響金屬陶瓷的密度、硬度和強(qiáng)度。隨著粘結(jié)劑含量的增加，密度和抗彎強(qiáng)度是增加的，而硬度是降低的。 金屬陶瓷一般具有較好的抗氧化性，材料的抗氧化能力取決于表面氧化物的特征，致密的表面氧化層抗氧化能力較高。 抗熱震性是材料

13、抵抗由于環(huán)境溫度突然變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致破壞的能力。材料的抗拉強(qiáng)度要大于熱應(yīng)力，材料才不致破壞。一般說來，金屬陶瓷的熱震性是比較差的，需要注意改善抗熱震性的研究四、粉末冶金減摩耐磨材料1. 粉末冶金減摩耐磨材料的特點(diǎn)粉末冶金減磨耐磨材料是指用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系數(shù)和高耐磨性能的金屬材料或金屬與非金屬的復(fù)合材料，通常由具有一定強(qiáng)度的金屬基體和起減摩耐磨作用的潤滑組元所組成?；w應(yīng)保證減摩零件的強(qiáng)度，以便承受使用條件下外力對接觸表面的載荷。均勻分布在基體孔隙中的潤滑油或固體潤滑組元能起到減摩作用，它們在摩擦表面形成穩(wěn)定而連續(xù)的油膜或固體潤滑膜，而使摩擦系數(shù)大大降低。這種由材料內(nèi)部提供

14、潤滑源的方式稱為“自潤滑”，其作用是使減摩耐磨材料在有限外供油的條件下和在干摩擦條件下仍能正常工作。用粉末冶金方法制成的減摩耐磨材料具有以下特點(diǎn)： 可利用燒結(jié)金屬的多孔性，以浸漬和儲存潤滑油； 能充分利用各種粉末狀的固體潤滑劑，也可在制造過程中形成新的固體潤滑相； 可在較寬成分范圍內(nèi)組合各種金屬和非金屬物質(zhì)，制造出不同組織和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，滿足各種摩擦條件的需要； 材料的潤滑性能穩(wěn)定，磨損小，磨合性、抗卡性良好，從而可靠性高，使用壽命長。 由于粉末冶金方法可在較大范圍內(nèi)調(diào)整基體和減摩潤滑組元的成分及含量,這種材料具有良好的自潤滑性能，因而應(yīng)用范圍比一般鑄造金屬或塑料減摩材料廣泛，能在缺油甚至無

15、油潤滑的干摩擦條件下，或在高速、高載荷、高溫、高真空等極限潤滑條件下工作，使用壽命較長和可靠性較高 作為一類新型潤滑材料，粉末冶金減摩耐磨固體自潤滑材料在性能上極 大地突破了傳統(tǒng)材料的使用極限，這就為解決現(xiàn)代高技術(shù)機(jī)械急需解決的超低溫、超高真空、強(qiáng)輻射、高速高負(fù)載、特殊介質(zhì)等典型特殊工況條件下的摩擦磨損問題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，同時也為提高機(jī)械的穩(wěn)定性和可靠性奠定了重要的基礎(chǔ)。2. 多孔含油軸承 多孔含油軸承是一種具有直接儲存潤滑油進(jìn)行自潤滑特點(diǎn)的軸承。這種材料是多孔結(jié)構(gòu)的，孔隙約占體積的10-35%。它的基體被加工成為多孔的組織結(jié)構(gòu)，具有一定滲透性；制成后用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒?一般用潤滑油)加以

16、浸漬，使?jié)櫥瑒┏涮畹交w的孔隙中儲存起來。利用燒結(jié)體多孔性的浸油特性，工作狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)在自行供油的滑動支承稱為多孔含油軸承。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于軸頸轉(zhuǎn)動的抽吸作用及軸承發(fā)熱時油的膨脹作用，這些潤滑劑會從孔隙中滲出，潤滑工作表面；停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，因毛細(xì)管作用，潤滑劑又重縮回到多孔基體中儲存起來。潤滑劑的流失量一般甚少，故在相當(dāng)長時間內(nèi)，即使不加潤滑油仍能很好地工作。如果定期給以供油，則使用效果更佳。但由于其韌性較小，故宜用于平穩(wěn)無沖擊載荷及中低速度情況。 多孔含油軸承的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。在其尺寸公差、多孔率和表面粗糙度得到可靠控制后,具有較低的加工成本和較好的性能,已在汽車電氣設(shè)備、音響設(shè)備

17、、家電產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 由于軸承中的儲油空間是用材料換取來的，因而犧牲了部分機(jī)械的強(qiáng)度，含油軸承的強(qiáng)度比實(shí)體軸承低，不適于重載和有沖擊載荷的工況。盡管如此，含油軸承與固體潤滑的軸承相比，磨擦系數(shù)低5倍以上，并且具有工作噪音低和占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。含油軸承另外一個優(yōu)點(diǎn)是成本低廉。由于制造過程無切削，材料利用率高，適于大批量規(guī)模化生產(chǎn)，從而廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。我國已有專門制造含油軸承的工廠，需用時可根據(jù)設(shè)計手冊選用。3. 鋼背雙金屬減摩材料 鋼背雙金屬減摩材料不僅賦予材料良好的減摩性能和較好的抗咬合性，還使材料具有高的強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)材料的耐磨性能，可以較好的滿足現(xiàn)代發(fā)動機(jī)軸瓦的要求。 鋼

18、背雙金屬減摩材料按成分和結(jié)構(gòu)可分為：鋼-青銅、鋼-高鎳青銅、鋼-高鉛青銅、鋼-聚合物等類型。 鋼-青銅：在鋼帶上燒結(jié)青銅多孔層，補(bǔ)充熔浸易熔減摩合金、氟化物或油；鋼-高鎳青銅：在鋼背上燒結(jié)一層銅（60%）和鎳（40%）粉末混合物，并熔浸巴氏合金；鋼-高鉛青銅：在鋼背上燒結(jié)含鉛青銅，根據(jù)使用條件調(diào)整鉛含量；鋼-聚合物：在鋼背上制造一層聚合物自潤滑材料，如聚四氟乙烯等。 為了實(shí)現(xiàn)金屬基合金與鋼背的有效結(jié)合，制備出性能優(yōu)異的鋼背金屬基復(fù)合軸瓦材料，已開發(fā)出多種復(fù)合方法。這些復(fù)合方法主要可分為三大類，即：固-固復(fù)合法、固-液復(fù)合法和固-半固復(fù)合法。主要包括固-固相復(fù)合法中的爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、燒結(jié)

19、復(fù)合法和固-液復(fù)合法中的軋制復(fù)合法及固-半固復(fù)合法中的半固態(tài)凝固法等。五、粉末冶金摩擦材料1. 粉末冶金摩擦材料的特點(diǎn)及分類“以提高摩擦磨損性能為目的，用于摩擦離合器與摩擦制動器的摩擦部分的材料”稱為摩擦材料。 通常所用的摩擦材料，摩擦系數(shù)小，能正常工作的溫度低，抗咬合性能差，壽命短。粉末冶金摩擦材料是一種以金屬或合金為基體，添加了摩擦組元、潤滑組元，經(jīng)混合、成形、燒結(jié)等工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料。這種材料綜合了金屬與非金屬的優(yōu)點(diǎn)，并能按需合理調(diào)配材料組元及其含量。與傳統(tǒng)的摩擦材料相比，粉末冶金摩擦材料具有以下特點(diǎn)： 摩擦系數(shù)大，且可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。 導(dǎo)熱性好。 強(qiáng)度高，可提高使用的許用壓

20、力。 可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整材料的成分，如加入不同類型和不同含量的潤滑劑和摩擦劑，以適應(yīng)各種不同的要求。 使用壽命長。燒結(jié)摩擦材料磨合性好，不易變質(zhì)，耐磨性優(yōu)異，工作可靠。一般比石棉-樹脂材料壽命長5-10倍。摩擦材料一般有如下幾種分類方法： 以使用功能劃分：制動摩擦材料：用于吸收動能，并以熱量的形式傳遞。這種材料的響應(yīng)時間（即制動開始到結(jié)束）為一秒至幾十秒；離合摩擦材料：用于傳遞力矩。這類材料的響應(yīng)時間僅為1秒之內(nèi)。 按工作介質(zhì)分為潤滑油中工作的濕式摩擦材料；在空氣中工作的干式摩擦材料以及使用在空間或真空狀態(tài)環(huán)境下的無介質(zhì)摩擦材料，無介質(zhì)摩擦材料又稱為純靜摩擦材料。 根據(jù)摩擦承載中摩擦材料承

21、受負(fù)荷大小劃分為輕負(fù)荷摩擦材料、中負(fù)荷摩 擦材料、重負(fù)荷摩擦材料。負(fù)荷大小往往由材料能承載的摩擦熱也就是保持使用性能的溫度來區(qū)分的 按材料的基體材質(zhì)來劃分，分為銅基、鐵基、鐵/銅基銅摩擦材料、金屬陶瓷等摩擦材料。 2. 摩擦環(huán)境對材料摩擦磨損性能的影響在實(shí)際使用中，摩擦環(huán)境對材料的摩擦磨損性能有直接的影響。除前面已論述的介質(zhì)環(huán)境之外，影響粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)有：滑動速度，壓力以及工作溫度。 滑動速度 ：摩擦系數(shù)和滑動速度的關(guān)系是比較復(fù)雜的，當(dāng)滑動速度增大，此時由于材料表面強(qiáng)度降低，摩擦表面硬質(zhì)點(diǎn)嚙合強(qiáng)度降低，摩擦系數(shù)下降。當(dāng)滑動速度加到一定之后，此時，材料會產(chǎn)生粘著磨損，磨損增加，摩擦系

22、數(shù)增大。 壓力：隨著壓力增大，摩擦系數(shù)呈下降趨勢。在許用壓力范圍內(nèi)，壓力增加，磨損率不增加；當(dāng)超許用壓力時，隨壓力增加，磨損急劇增加。壓力允用范圍內(nèi)，速度增加磨損將有所降低，超過允用范圍，材料出現(xiàn)粘著磨損，磨損加劇。  溫度：隨著摩擦壓力和速度的提高，滑動面溫度上升或者連續(xù)摩擦制動之后，表面累積溫度沒有傳遞散出，環(huán)境溫度增加，材料的摩擦系數(shù)會緩慢下降，但對磨損有重大影響，特別是在600800時，表面熔化、氧化，磨損急劇增加，甚至導(dǎo)致制動(離合)系統(tǒng)失效。綜合考慮摩擦系數(shù)對材料摩擦磨損性能的影響，是設(shè)計制造粉末冶金摩擦材料制品的關(guān)鍵。粉末冶金摩擦材料是一種復(fù)合材料，可以通過提高基體轉(zhuǎn)化

23、或熔化溫度，或改變摩擦組元的種類、含量、形狀來提高許用溫度，從而增加材料的適用性六、粉末冶金鈦合金1. 簡介氫化脫氫法制備鈦粉 鈦粉的生產(chǎn)方法有：金屬（鈉、鎂）熱還原法，熔鹽電解法，氫化-脫氫法，等離子旋轉(zhuǎn)電極法等方法。金屬熱還原和熔鹽電解從TiO2制得海綿鈦，將海綿鈦破碎，并經(jīng)真空退火處理后即制得純鈦粉。氫化-脫氫法可制造純鈦和鈦合金粉末。由于成分控制等方面的原因，鈦合金粉末的制備相對鈦粉更難，制備方法更少。具體的鈦合金粉制備方法有離心霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法、Leybold-Heraeus電子束旋轉(zhuǎn)盤、真空霧化和Colt-Crucible法、氣體超聲霧化法，但氣體超聲霧化法是一種新的發(fā)明專

24、利，還有待于工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。能制備鈦合金粉末的方法基本都能用于制備鈦粉。氫化-脫氫（HDH）法是制取粒度細(xì)、質(zhì)量好、價格低的鈦粉末的重要工業(yè)方法之一。該法是利用鈦的活性高，吸氫后生成氫化鈦的特性。氫化鈦性脆，極易研磨成細(xì)粉。氫化鈦經(jīng)真空脫氫后就得到不含氫的純鈦粉。HDH法所用原料的來源廣，工藝過程簡單。【1】將鈦加工后的幾何廢料、殘屑、碎片或鑄錠車屑，經(jīng)清洗去掉其中的砂石、金屬雜物及油脂后，在Oremet氫化爐內(nèi)進(jìn)行氫化?！?】原料裝在多層式料盤內(nèi)，反應(yīng)罐是由19mm厚的304不銹鋼板焊接而成，加熱過程中保持系統(tǒng)的真空度?！?】達(dá)到規(guī)定的氫化溫度后切斷真空閥，將計量準(zhǔn)確的氫氣送進(jìn)反應(yīng)罐與鈦起反

25、應(yīng)。氫化是放熱反應(yīng)，控制好氫流量以保證物料氫化均勻，氫氣的純度不低于99.995%。 【4】當(dāng)達(dá)到反應(yīng)要求的氫含量后切斷氫氣源，用振動球磨機(jī)將氫化鈦研磨成粉末，整個球磨過程在氬氣氣氛中。磨碎的料篩分為三級：+35目粉重新返回球磨機(jī)；-35+200目粉為合格粉;-200目粉另行處理?！?】將合格粉用磁選的方法去掉球磨中帶進(jìn)的磁性雜質(zhì)。氧和氮是鈦粉中最有害的元素， HDH粉的氧含量比原料高700800ppm。HDH鈦粉末的顆粒形狀為不規(guī)則角狀。-35+200目粉末的松裝密度為1.5g/cm3 ，搖實(shí)密度 1.9g/cm3，流動性較差，適合于冷壓成形。2. 鈦合金中的元素分類七、粉末冶金電工材料1.

26、 電觸頭的破壞形式電觸頭材料是最重要的電工材料之一。電觸頭亦稱觸頭或接點(diǎn)，是各類電器開關(guān)、儀器儀表中的重要元器件，它擔(dān)負(fù)著電路間接通與斷開以及負(fù)載相應(yīng)電路中電流的任務(wù)，直接影響到開關(guān)、電器運(yùn)行的可靠性及使用壽命，所以人們將電觸頭稱為電器的“心臟”。采用粉末冶金方法制造的觸頭材料稱為粉末冶金觸頭材料，俗稱燒結(jié)觸頭材料 電觸頭在使用過程中，其破壞形式有以下幾種： 電弧侵蝕：分?jǐn)嚯娐窌r，觸頭對之間發(fā)生電弧；觸頭閉合時，觸頭的反跳也會引起電弧。在電弧作用下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)、熔化及轉(zhuǎn)移。 氧化：由于電弧的熱量加速了觸頭表面的氧化。大多數(shù)金屬氧化膜是不導(dǎo)電的，它們使接觸電阻升高。在大電流電路中，使觸頭的溫升

27、值增大；在低電流低電壓線路中，氧化膜可能增厚到使表面完全絕緣而不導(dǎo)電。故氧化是引起觸頭失效的一個重要原因。 熔焊：由前述各種原因引起觸頭熔焊后，只有加大分?jǐn)嗔Σ趴山獬酆傅奈ｋU。如果熔焊強(qiáng)度超過了開關(guān)裝置的分?jǐn)嗔?，則觸頭不能分?jǐn)?，?dǎo)致整個電氣系統(tǒng)毀壞。 橋接：當(dāng)觸頭分?jǐn)鄷r，由于接觸壓力逐漸減小，接觸面積亦逐漸減小，故接觸處的電流密度增大到能使材料局部熔化，形成金屬熔橋。當(dāng)繼續(xù)拉開時，“橋”被拉長，兩端電壓繼續(xù)升高，熔橋的溫度也繼續(xù)升高，足以使材料蒸發(fā)，熔橋變得不穩(wěn)定，最后斷裂，于是電路斷開形成電弧，一個觸頭表面產(chǎn)生凹坑，另一個表面形成凸瘤。此外形成的“橋”也可能使觸頭對相互連結(jié)而妨礙其機(jī)械分離

28、。 磨損：磨損是滑動觸頭的主要破壞形式，一般分為粘著磨損和磨粒磨損。粘著磨損是在觸頭的真實(shí)接觸部位金屬之間彼此熔焊，較軟一方金屬向較硬一方金屬轉(zhuǎn)移；磨粒磨損是在硬度差別大的材料之間相互摩擦或是軟質(zhì)材料間有一方含有硬質(zhì)粒子時發(fā)生的磨損，這種作用是單純的機(jī)械摩擦過程。磨粒磨損比粘著磨損的破壞作用更大，因?yàn)槟チＤp形成的磨屑造成觸頭材料直接損失，而粘著磨損僅僅是發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移。2. 電觸頭材料的分類 電觸頭材料按照不同工作狀態(tài)、電壓等級以及材料的加工方法以及材料組合類型等有不同的分類方法 按工作狀態(tài)分類 開閉觸頭材料：主要用在開關(guān)電器中承擔(dān)接通、斷開、載流和隔離等任務(wù)。這類觸頭材料要求接觸電阻低、操

29、作可靠、使用壽命長； 固定觸頭材料：在線路系統(tǒng)中承擔(dān)母線和導(dǎo)線的固定連接，主要要求材料能長期耐大氣腐蝕，保持良好的接觸； 滑動觸頭材料：用于電機(jī)、機(jī)車、儀表、電信裝置等設(shè)備中滑動連接處，要求摩擦系數(shù)小，使用壽命長。 按電流、電壓等級分類我國規(guī)定凡工作電壓在1KV以上的電器稱為高壓電器，1KV以下的為低壓電器，按電壓等級可分為： 高、中壓觸頭材料：指應(yīng)用于各類高壓負(fù)載斷路器（如空氣斷路器、油斷路器、SF6斷路器及真空斷路器等）的觸頭材料。這類觸頭開閉時產(chǎn)生強(qiáng)電弧，故要求材料耐電弧燒損、耐熔焊和有一定的機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性。常采用難熔金屬W、Mo與良導(dǎo)電金屬組成復(fù)合材料，如高鎢或高碳化鎢含量的W-C

30、u、W-Ag、WC-Ag等。 低壓觸頭材料：指工作電壓220240V、工作電流54000A的觸頭材料。低壓電器分為保護(hù)電器和控制電器兩大類，前者主要要求在額定電流下觸頭溫升不超過規(guī)定值，能自動開、斷故障短路電流而不熔焊；后者則要求有良好的抗電磨損性能，低而穩(wěn)定的接觸電阻，在正常工作條件下不發(fā)生熔焊。 弱電觸頭材料：這類觸頭的工作電壓和工作電流都很低，電壓為幾伏至十幾伏，電流為十幾毫安至幾百毫安，開斷頻繁，每秒動作幾次至幾十次。因此要求觸頭間接觸可靠，接觸電阻盡可能小而穩(wěn)定，并有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗熔焊性及高的電壽命，且金屬遷移小。 其他分類 按加工制造方法可將觸頭分為熔煉加工觸頭材料和粉末冶金

31、觸頭材料。粉末冶金觸頭材料包括前文所述各類假合金及金屬-氧化物觸頭材料以及難熔金屬W、Mo觸頭等。按材料組合類型可分為金屬-金屬、金屬-金屬氧化物、金屬-難熔化合物以及金屬-減摩材料四類 3. 粉末冶金電工材料的發(fā)展趨勢超低溫、高真空等特殊工作條件下的新型電工材料的研發(fā) 隨著航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，必然會需要適用于超低溫、高真空條件下的電接觸材料、測溫材料、溫控材料等，這就需要人們?nèi)シe極開發(fā)新型的適用于特殊條件的電工材料。制備工藝的改進(jìn) 由于超細(xì)、納米粉末制備技術(shù)的不斷發(fā)展，必然會對傳統(tǒng)的粉末冶金工藝產(chǎn)生一定的推動作用。如機(jī)械合金化技術(shù)制備的W-Cu、Mo-Cu復(fù)合粉末，采用常規(guī)燒結(jié)方法便可

32、使其燒結(jié)坯相對密度達(dá)到98%以上，與熔滲工藝相比，減少了制備步驟，從而減少了生產(chǎn)時間，與此同時也克服了熔滲工藝無法制備形狀復(fù)雜零件的缺點(diǎn)。此外，微波燒結(jié)等快速燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用，使得能在極短時間內(nèi)得到性能更好的粉末冶金制品。新工藝的發(fā)展，能有效的減少工序，縮短生產(chǎn)時間，從而極大的提高生產(chǎn)效率，特別是對材料性能的提高具有重要意義，對于整個粉末冶金行業(yè)來說，也將是未來研究的重中之重。八、粉末冶金高溫合金1. 高溫合金粉末制備方法制取高質(zhì)量的合金粉末是制造無偏析和組織均勻的高性能部件的關(guān)鍵工藝步驟。制粉工藝為了獲得清潔、含有更少雜質(zhì)、具有一定顆粒大小(53250m) 和形態(tài)好(最好是球狀) 的預(yù)合金粉末

33、，這也是保證粉末高溫合金質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，制備高純度的高溫合金粉末的方法主要有三種，氬氣霧化法（Argon atomization，AA）、等離子體旋轉(zhuǎn)電極法（Plasma rotating electrode process，PREP）和真空霧化法 (Vacuum atomization, VA，又叫溶入氣體霧化法或溶氫霧化法。其它的方法如超聲波制粉法和冷流法等使用較少·氬氣霧化法是指合金原料在霧化設(shè)備的真空室中熔化后從澆口流出，在高壓氬氣流的作用下霧化成合金粉末。高溫合金的氣體霧化通常在惰性氣體（一般為氬氣）下進(jìn)行，由此制備出的顆粒以球形為主。·等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PRE

34、P）可以避免陶瓷相污染，非常適合制備Ni基高溫合金粉末，PREP 制粉設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，主要包括制粉部分，等離子發(fā)生器，供電、供氣、供水及真空系統(tǒng)。其原理是：以高溫合金作為旋轉(zhuǎn)自耗電極，鎢電極為固定電極。在兩電極之間產(chǎn)生等離子電弧，使高速旋轉(zhuǎn)的棒料電極端面連續(xù)熔化。由于電極旋轉(zhuǎn)使端面熔化的液態(tài)金屬流向棒料端面的邊緣，當(dāng)熔融金屬的質(zhì)量不斷增加，使得其表面張力無法提供旋轉(zhuǎn)所需的離心力時，便從端面飛射出去，在表面張力的作用下形成球形成小液滴。噴射出的金屬液滴在飛濺到腔壁之前被惰性氣體以約104/ s 的速度冷凝成球形粉末。PREP方法要嚴(yán)格控制制粉工藝參數(shù)，才能保證粉末成分和組織的高度均勻性，并且氧和其

35、它雜質(zhì)的含量在允許值范圍內(nèi)。PREP方法中，控制粉末顆粒大小的主要工藝參數(shù)包括電極直徑、電極轉(zhuǎn)速、等離子槍功率等。另一個重要工藝參數(shù)是惰性氣體介質(zhì)PREP制得的顆粒中沒有殘留的惰性氣體，表面光滑潔凈，粉末的球形度好，無空心粉、片狀粉和串狀粉，粒度分布比較窄，但是細(xì)顆粒組分較低。這種顆粒比AA法顆粒具有更好的成形加工性能。另外還發(fā)現(xiàn)，PREP方法合金粉末中MC型碳化物的尺寸大于AA方法·真空霧化法，又叫溶入氣體霧化法，它是將高壓氫氣作用于熔化的高溫合金，經(jīng)過轉(zhuǎn)換管排入真空室時，金屬發(fā)生激烈的排氣反應(yīng)，同時在回收室中產(chǎn)生細(xì)小的金屬液滴，進(jìn)而霧化成粉體。 顆粒通常比較細(xì)小，顆粒趨于球狀，大

36、顆粒粉主要是片狀，所含的“星形”顆粒少于AA法，但是，顆粒外形不規(guī)則性增加，合金粉末的粒度和樹枝晶枝間距都比AA法顆粒稍微大一些。顆粒內(nèi)部也含有較多的孔洞，同時表面相對比較粗糙。顆粒中的孔洞相互連接，這是由于氫氣的逸出造成的，而非氣體殘留的結(jié)果2. 高溫合金粉末處理技術(shù) 粉末的處理工藝通常包括粉末的篩分處理、靜電去除陶瓷夾雜、氣體浮選、氣流磨、真空脫氣處理等。在工藝研究方面，主要集中于靜電分離非金屬夾雜處理。高溫合金粉末摩擦電選分離原理是，在真空和惰性氣體保護(hù)下，根據(jù)粉末中金屬顆粒、陶瓷類夾雜在帶電金屬滾筒動態(tài)摩擦表面導(dǎo)電特性的差異進(jìn)行陶瓷分離真空預(yù)脫氣處理工藝也是粉末處理的一個重要手段，能有

37、效地減少和最大限度地消除熱等靜壓后合金中的殘留氣孔，改善合金性能，而其它處理工藝如氣體浮選和氣流磨等尚處于研究階段。3. ODS高溫合金的性能3.3.1 ODS合金的高溫強(qiáng)度 ODS高溫合金性能取決于合金成分和它的組織結(jié)構(gòu)。Ni基ODS合金可以分為含有r沉淀相（如MA754）和不含有r沉淀相（如MA760和MA6000等）的兩種類型。圖4.33顯示了MA754合金在1366K下1000h的縱向蠕變斷裂強(qiáng)度，可以看出, 用機(jī)械合金化法制備的納米氧化物彌散強(qiáng)化MA754高溫合金比鑄造法Ni基高溫合金Mar-M200(合金成分Ni-9Cr-20Co-12.5W-5Al-2Ti-1Nb)具有更高的蠕變

38、斷裂強(qiáng)度。另外，MA754棒材的高溫應(yīng)力斷裂性能取決于測試方向,如表4.16所示，縱向斷裂應(yīng)力總比橫向的高, 這是晶粒在兩個方向的尺寸差異造成。而且可以看出，溫度越高，合金的縱向和橫向強(qiáng)度相差越大。3.3.2 ODS合金的高溫抗氧化性能 作為高溫材料, 除需要具有較高的高溫強(qiáng)度外, 還必須具有良好的抗高溫腐蝕能力。MA956合金（Fe基）在氧化過程中的重量變化很小, 而Ni基超合金發(fā)生嚴(yán)重的氧化剝離失重。Fe基ODS合金（如MA956）綜合性能優(yōu)異，還具有優(yōu)異的抗氧化性、抗硫化和碳化性能。此類合金的高溫組織穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，冷、熱和機(jī)加工性能好。最初研發(fā)此合金是用于渦輪機(jī)的燃燒室。由于它

39、在直到1300，都具有較高的強(qiáng)度，因而它不僅是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)主燃燒室及加力燃燒室內(nèi)襯和尾噴管的主要材料，而且廣泛應(yīng)用其他民用行業(yè)的高溫腐蝕性環(huán)境中。 九、粉末冶金新技術(shù)1. 動磁壓制動磁壓制工作原理是將粉末裝于一個導(dǎo)電的容器(護(hù)套)內(nèi)，置于高強(qiáng)磁場線圈的中心腔中。電容器放電在數(shù)微秒內(nèi)對線圈通入高脈沖電流，線圈腔中形成磁場，護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與施加磁場相互作用，產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護(hù)套的磁力，因而粉末得到二維壓制。整個壓制過程不足1ms 優(yōu)點(diǎn)a) 由于不使用模具，成型時模壁摩擦減少到0，因而可達(dá)到更高的壓制壓力，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，并且由粉末材料一次制成近終形定子與轉(zhuǎn)子，從而獲得高性能產(chǎn)品

40、，大大降低生產(chǎn)成本 ；b) 由于在任何溫度與氣氛中均可施壓，并適用于所有材料，因而工作條件更加靈活； 由于這一工藝不使用潤滑劑與粘結(jié)劑，因而成型產(chǎn)品中不含有雜質(zhì)，性能較高，而且還有利于環(huán)保應(yīng)用a) 動磁壓制適用于制造柱形對稱的近終形件、薄壁管 、縱橫比高的零件和內(nèi)部形狀復(fù)雜的零件；b) 動磁壓制正用于開發(fā)高性能粘結(jié)釹鐵硼磁體與燒結(jié)釤鈷磁體。由于動磁壓制的粘結(jié)釹鐵硼磁體密度高，其磁能積可提高15%-20%；c) 對于象、與陶瓷粉末等難壓制材料，動磁壓制可達(dá)到較高的密度，從而降低燒結(jié)收縮率；d) 目前許多動磁壓制的應(yīng)用已接近工業(yè)化階段，第一臺動磁壓制系統(tǒng)已在運(yùn)行中。 2. 溫壓成形a) 溫壓技術(shù)是

41、是在混合物中添加高溫新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至423K左右進(jìn)行剛性模壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù)；b) 是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽(yù)為 “開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元”和“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命”的新型成形技術(shù)。特點(diǎn)：a)能以較低成本制造出高性能粉末冶金零部件；b)提高零部件生坯密度和強(qiáng)度，便于制造形狀復(fù)雜以及要求精密的零部件；c)產(chǎn)品密度均勻應(yīng)用：a) 溫壓技術(shù)主要適合生產(chǎn)鐵基合金零件，由于溫壓零件的密度得到了較好的提高，從而大大提高了鐵基等粉末冶金制品的可靠性；b) 同時人們正在嘗試用這種技術(shù)制備銅基合金等多種材料零件；c) 溫壓技術(shù)在汽車制造、機(jī)械制造、武器制造等領(lǐng)域存在著廣闊的應(yīng)用前景。3. 放電等離子燒結(jié)a) 放電等離子燒結(jié)是將金屬