《粉末冶金技術(shù)》課件

劉穎四川大學(xué)材料學(xué)院1主要內(nèi)容21.霧化法制備金屬粉末----低氧含量鐵粉生產(chǎn)在無氧氣氛中進(jìn)行,并包含一些石蠟,這些分解為碳與氫。碳與鐵反響,形成很薄的富碳外表層。碳含量使顆粒的延性降低,但提高了外表的燒結(jié)活性。在粉末壓塊中,碳易于擴(kuò)散到顆粒中心及相鄰的顆粒中,因而可用于生產(chǎn)不需添加石墨的粉末冶金鋼。瑞典IPS鋼粉公司每年低氧含量霧化鐵粉,其氧含量低于(0.015%)。3對于粉末冶金應(yīng)用來說,這種無氧粉末允許使用廉價的合金元素(鉻和錳等)代替鎳和銅。鎳作為戰(zhàn)略性資源，不但價格昂貴，并且還是一種致癌物,應(yīng)盡量防止使用。這種粉末也很適合于用溫壓與熱等靜壓工藝來生產(chǎn)高強(qiáng)度部件。4為提高燒結(jié)鋼的力學(xué)性能,通常在燒結(jié)后還須進(jìn)行熱處理。為降低生產(chǎn)本錢,開發(fā)了許多燒結(jié)后已硬化、不須再進(jìn)行熱處理的材料。美國Hoeganaes公司推出了一種燒結(jié)硬化鐵基粉末Ancoresteel737SH,其淬透性與壓縮性均比現(xiàn)有的燒結(jié)硬化材料高。2.燒結(jié)硬化粉56

目前軟磁復(fù)合材料已得到廣泛應(yīng)用。它們是在純鐵粉顆粒上包覆一層氧化物或熱固化樹脂進(jìn)行絕緣而制成的。在低頻應(yīng)用中,采用粗顆粒鐵粉與熱固化樹脂混合,獲得高磁導(dǎo)率與低鐵損的材料。高頻應(yīng)用時,顆粒間需要更有效地進(jìn)行絕緣,因而粒度要更小,以進(jìn)一步減少渦流損失。它可制成各向同性的軟磁復(fù)合部件,但不需要高溫?zé)Y(jié)。粉末晶粒度增大時,磁導(dǎo)率增大,矯頑力降低。2.軟磁金屬復(fù)合粉制備78目前，該法已用于生產(chǎn)SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物納米粉。該法生產(chǎn)的納米粉末本錢十分低廉，按年產(chǎn)100噸納米粉估算,每公斤納米粉的本錢不會高于50美元。9美國采用普通攪拌器、激光與廉價的反響材料,可快速、廉價、干凈地生產(chǎn)1～100nm的銀粉與鎳粉。4.激光生產(chǎn)納米粉末10例如,將硝酸銀溶液與一種復(fù)原劑導(dǎo)入攪拌器中,用激光短時照射混合物,同時進(jìn)行攪拌。當(dāng)激光脈沖射到液體時，形成極小的“熱點(diǎn)〞,使硝酸銀與復(fù)原劑發(fā)生反響,生成極小的銀顆粒。通過改變激光強(qiáng)度、攪拌器轉(zhuǎn)速與反響成分,可控制銀粉粒度,在一定程度上也可控制顆粒形狀。11該法生產(chǎn)速度為0.5-30g/min,比其他納米粉末制備方法生產(chǎn)率高。本方法所用反響材料不污染環(huán)境，而以前生產(chǎn)銀粉所用的聯(lián)氨是一種致癌物。用這種方法生產(chǎn)的銀粉可用于制造焊料、牙科填料、電路板、高速攝影膠片等。12

大功率電脈沖施于氬氣保護(hù)的金屬絲上,并受到大功率脈沖產(chǎn)生的特殊場約束。柱形等離子體被加熱到15000Ｋ以上高溫,因而電阻劇增,引起特殊場崩潰。金屬蒸氣的高壓引起爆炸,產(chǎn)生沖擊波,形成的金屬氣溶膠快速絕熱冷卻,制得納米粉。5.電爆炸金屬絲制取納米粉1314澳大利亞開發(fā)出一種機(jī)械化學(xué)法,可廉價生產(chǎn)納米金屬粉與陶瓷粉。它采用球磨機(jī)來激活化學(xué)反響,使形成極細(xì)的納米金屬或化合物晶粒,再別離與提取微細(xì)晶粒。例如機(jī)械研磨FeCl3,由鈉、鈣或鋁將其復(fù)原為鐵與氯化物的混合物。用適當(dāng)洗滌法去除氯化物后,便可得到納米鐵顆粒。6.機(jī)械化學(xué)法生產(chǎn)廉價的納米粉末1516

7.聲化學(xué)制取納米金屬粉17這些超聲波氣泡的破裂,產(chǎn)生很強(qiáng)的局部加熱而在冷液中形成“熱點(diǎn)〞,瞬時溫度約為5000℃,壓力約1GPa,持續(xù)時間約10億分之一秒。粗略而形象地說,上述這些數(shù)據(jù)相當(dāng)于太陽的外表溫度,大洋底部的壓力,閃電的時間。當(dāng)氣泡破裂時,氣泡內(nèi)所含金屬的易揮發(fā)化合物分解成單個金屬原子,而后聚集為原子簇。這些原子簇含有幾百個原子,直徑約為2～3nm。18這些小的磁性金屬原子簇,像順磁體材料一樣,磁矩由原子簇的原子自旋構(gòu)成,且所有自旋均在同一方向上,因而磁矩比普通材料高100多倍。包覆這些顆?？尚纬煞€(wěn)定鐵膠體,顆粒永遠(yuǎn)處于懸浮態(tài),現(xiàn)已作為“磁流體〞工業(yè)化生產(chǎn),用于揚(yáng)聲器,磁性墨水,磁流體密封,潤滑劑,軸承,醫(yī)學(xué)等。19原理: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。整個壓制過程缺乏1ms。20動磁壓制的優(yōu)點(diǎn):由于不使用模具,成型時模壁摩擦減少到0，因而可到達(dá)更高的壓制壓力,有利于提高產(chǎn)品，并且生產(chǎn)本錢低；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。21

許多合金鋼粉用動磁壓制做過實(shí)驗,粉末中不添加任何潤滑劑,生坯密度均在95%以上。動磁壓制件可以在常規(guī)燒結(jié)條件下進(jìn)行燒結(jié),其力學(xué)性能高于傳統(tǒng)壓制件。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。22動磁壓制有可能使電機(jī)設(shè)計與制造方法產(chǎn)生革命性變化,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,大大降低生產(chǎn)本錢。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%。23動磁壓制的亞毫秒壓制過程有助于保持材料的顯微結(jié)構(gòu)不變,因而也提高了材料性能。對于象Ｗ、ＷＣ與陶瓷粉末等難壓制材料,動磁壓制可到達(dá)較高的密度,從而降低燒結(jié)收縮率。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。24

2.高速壓制25

高速壓制的另一個特點(diǎn)是產(chǎn)生多重沖擊波，間隔約03s的一個個附加沖擊波將密度不斷提高。這種多重沖擊提高密度的一個優(yōu)點(diǎn)是,可用比傳統(tǒng)壓制小的設(shè)備制造重達(dá)5kg以上的大零件。高速壓制適用于制造閥座、氣門導(dǎo)管、主軸承蓋、輪轂、齒輪、法蘭、連桿、軸套及軸承座圈等產(chǎn)品。26與傳統(tǒng)壓制相比,高速壓制的優(yōu)點(diǎn)是：壓制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；壓制件抗拉強(qiáng)度可提高20%～25%；高速壓制壓坯徑向彈性后效很小,脫模力較低；高速壓制的密度較均勻,其偏差小于0.01g/cm3。

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將上述兩種方法結(jié)合起來,混合粉末在壓制溫度下就可轉(zhuǎn)變成為流動性很好的黏流體,它既具有液體的所有優(yōu)點(diǎn),又具有很高的黏度?；旌戏勰┑牧髯冃袨槭沟梅勰┰趬褐七^程中可以流向各個角落而不產(chǎn)生裂紋。34流動溫壓工藝主要特點(diǎn)如下:(1)可成形零件的復(fù)雜幾何形狀。國外已利用常規(guī)溫壓工藝成功制備出了一些形狀較復(fù)雜的粉末冶金零件,如汽車傳動轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂、連桿和齒輪類零件等。(2)密度高、性能均一。流動溫壓工藝由于松裝密度較高,經(jīng)溫壓后的半成品密度可以到達(dá)很高的值。由于流動溫壓工藝中粉末的良好流動性,由此得到的材料密度也更加均勻。35(3)適應(yīng)性較好。流動溫壓工藝已經(jīng)用于低合金鋼粉、不銹鋼316L粉、純Ti粉和WC-Co硬質(zhì)合金粉末。原那么上它可適用于所有的粉末體系，唯一的條件是該粉末體系須具有足夠好的燒結(jié)性能,以便到達(dá)所要求的密度和性能。(4)簡化了工藝,降低了本錢。364.冷成形工藝37

采用這一工藝可制得全致密的接近最終形狀的零件，而壓制后無需燒結(jié)及機(jī)加工。此工藝采用包覆粉末。但許多市售的金屬或非金屬粉末也可使用。目前該工藝的開發(fā)工作主要集中于生產(chǎn)熱操作零件，但這一工藝也適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件及其他用途的零件。3839微波燒結(jié)是通過被燒結(jié)粉體吸收微波，將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)中粒子的能量，使其內(nèi)部產(chǎn)生熱而燒結(jié)的方法。它熱效率高，可急速升溫縮短燒結(jié)時間，加上微波與粒子間的交互作用，降低了粒子間的活化能，加速材料的致密化。它比傳統(tǒng)電爐以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的外部加熱方式有更高的效率。防止了外部加熱由于內(nèi)外溫度梯度而造成燒結(jié)體裂痕或大幅度變形等缺陷。40雙頻微波燒結(jié)爐生產(chǎn)用大型微波燒結(jié)爐41爆炸壓制又稱沖擊波壓制是一種有前途的工藝方法,它在粉末冶金中發(fā)揮了很重要的作用,爆炸壓制時,只是在顆粒的外表產(chǎn)生瞬時的高溫,作用時間短,升溫和降溫速度極快。適當(dāng)控制爆炸參數(shù),使得壓制的材料密度可以到達(dá)理論密度的90%以上,甚至到達(dá)99%。42爆炸壓制裝置示意圖43443.放電等離子燒結(jié)〔SPS〕45SPS燒結(jié)原理示意圖46SPS原理是利用強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒上產(chǎn)生的諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)：1〕由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動,可使粉末吸附的氣體逸散,粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿,使粉末得以凈化、活化;472〕由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生,在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱,以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱,都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散,其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多,而到達(dá)粉末燒結(jié)的快速化;3〕快速脈沖電流的參加,無論是粉末內(nèi)的放電部位還是焦耳發(fā)熱部位,都會快速移動,使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。48與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比，SPS工藝的特點(diǎn)是：粉末原料廣泛：各種金屬、非金屆、合金粉末，特別是活性大的各種粒度粉末都可以用作SPS燒結(jié)原科。成形壓力低：SPS燭結(jié)時經(jīng)充分微放電處理，燒結(jié)粉末外表處于向度活性化狀態(tài)．為此，其成形壓力只需要冷壓燒結(jié)的l/10~1/20。燒結(jié)時間短：燒結(jié)小型制件時一般只需要數(shù)秒至數(shù)分鐘，其加熱速度可以高達(dá)106℃/s，自動化生產(chǎn)小型制件時的生產(chǎn)率可達(dá)400件/h。4950SPS可加工材料51525354SPS制備軟磁材料通常用急冷或噴射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非晶合金,在稍高于晶化溫度處理后,可得到晶粒數(shù)10ｎｍ，具有體心立方結(jié)構(gòu)，高Bs、磁損小的納米晶材料。但非晶合金目前只能是帶材或粉末,制作成品還需要將帶材重疊和用樹脂固結(jié),這使得成品的密度和Bs均變低。近年,日本采用SPS工藝研究FeMeＢ塊材的成形條件及磁性能。55用SPS制取塊狀納米晶Fe90Zr7B3軟磁的過程是:先將由非晶薄帶經(jīng)球磨制成的50～150μｍ非晶粉末裝入WC/Co合金模具內(nèi),并在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)(真空度1×10-2Pa以下、升溫速度0.09~1.7K/s、溫度673～873Ｋ、壓力590MPa),再把所得的燒結(jié)體在1×10-2Pa真空下、以37K/s速度加熱到923Ｋ、保溫后而制成。材料顯示較好的磁性能：最大磁導(dǎo)率29800、100Ｈｚ下的動態(tài)磁導(dǎo)率3430,矯頑力12Ａ/ｍ。56SPS制備塊狀納米晶FeMeB系永磁材料日本開展了用SPS制備Fe66Co20Nd2Pr7B5異向性永磁的研究。將急冷制作的非晶薄帶球磨成37～105μｍ的粉末,裝入WC/Co合金模具內(nèi),在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)(壓力374～636MPa,溫度673～873Ｋ),然后將燒結(jié)體在真空1×10-2Pa下、于973Ｋ進(jìn)行180s處理。結(jié)果說明:燒結(jié)溫度873Ｋ、壓力636MPa時,燒結(jié)體的相對密度達(dá)976%～984%。經(jīng)磁性測定說明,燒結(jié)加壓方向的最大磁能積比平行方向的要大,并且隨著SPS燒結(jié)溫度和壓力的升高,異向性增加。57日本還研究了用作交換彈簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6塊狀納米晶材料的研究。采用SPS工藝,將急冷制取的薄帶燒結(jié)成塊材。試驗結(jié)果說明:采用壓力940MPa、溫度948K、保溫1Min的SPS工藝可得到很好的磁性:Br=1.02T,Hcj=461kA/ｍ,(BH)ｍ=122kJ/m3,Hk/Hcj=30%,ρ=7.67g/cm3。在373Ｋ×1ｈ加熱條件下,材料的不可逆磁損只有4%,與MQP-B粘結(jié)磁體大致相同。58SPS制備BaTiO3高介電材料日本報道了將BaTiO3粉末裝入石墨模具內(nèi),采用SPS工藝(加壓39MPa,通入電流4000Ａ,溫度1373Ｋ,時間3Min)制成的燒結(jié)體,其密度可達(dá)5.82g/cm3,到達(dá)理論密度的97%,而采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法只能到達(dá)88%;SPS燒結(jié)體的晶粒尺寸根本上為0.5μｍ,而傳統(tǒng)燒結(jié)時為1～1.5μｍ。SPS燒結(jié)體的介電系數(shù)到達(dá)6200,而傳統(tǒng)燒結(jié)僅能到達(dá)2400。596061高純、高密度SiC的燒結(jié)采用SPS可使不含結(jié)合劑的SiC燒結(jié)到99%以上的理論密度,而采用傳統(tǒng)燒結(jié)法只能到達(dá)92%～93%。SPS的燒結(jié)工藝為:溫度2673Ｋ、升溫和保溫時間7Min。下表列出在兩種燒結(jié)方法下SiC陶瓷性能的比較。6263將SiC晶須裝入石墨模內(nèi),在1973~2273Ｋ，10~80MPa、5~60Min工藝條件下作了較系統(tǒng)的燒結(jié)研究。當(dāng)燒結(jié)壓力