粉末冶金技术简介_粉末冶金技术简述
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姓名：张丹
学号：11309010 指导老师：张自强
粉末冶金的技术简介
摘要：本文对近几十年以来发展的粉末冶金过程中应用到的各种技术，包括制粉技术、成形技术和烧结技术作了一个简单的介绍。并介绍了粉末冶金的特点、粉末冶金材料以及在各行业的应用。
关键字：粉末冶金 制粉技术
粉末成形技术引言
粉末冶金是一门古老又现代的材料制备技术。古代炼块技术和陶瓷制备技术都是粉末冶金技术的雏形。18至19世纪欧洲采用粉末冶金法制铂，是古老粉末冶金技术的复兴和近代粉末冶金技术的开端。现代最早出现粉末冶金技术的国家是美国，其在1870年通过粉末冶金技术合成了铜铅轴承，利用其多孔性实现了轴承的自润滑。20世纪起，粉末冶金进入了高速发展的时期。至今，粉末冶金已成为新材料科学和技术中最具有发展活力的领域之一。随着全球工业化的蓬勃发展，粉末冶金行业发展迅速，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航天、航空等领域[1]。粉末冶金的特点
粉末冶金是指把制取的金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，经过成形和烧结，经过必要的后处理得到金属材料、复合材料和各种类型制品的工艺技术。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油和熔渗等。粉末工艺的主要过程包括：制粉→原材料的混合→成形→烧结→后处理。
粉末冶金制品的主要特征之一是多孔，制得的粉末冶金制品多是半致密或致密的。利用多孔性可以在制品内加入润滑介质，形成微型自润滑系统，减轻零件磨损程度，提高其使用寿命；利用多孔性在制品内部加入催化剂，可以提高物质的接触面积，提高反应速度和催化效果；也可以利用多孔性制成多样过滤层。此外，多孔性还有利于减轻产品的重量[2]。然而制品的孔隙，不仅能影响制品的物理、化学、力学和工艺性能，还会对精密成形造成一定难度。所以，现在有很多生产高致密、高性能的粉末冶金制品的技术被研究了出来。
粉末冶金还具有其他特点。如：粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏距，消除粗大、不均匀的铸造组织；可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能；可以实现多种类型的复合，发挥各种材料的特性；可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料、多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料[3]。除此之外，粉末冶金还具有加工工艺流程短而简单，产品质量好，精度高，原材料利用率高，加工
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效率高，节能节时等优点。粉末冶金的工艺技术 3.1制粉
3.1.1粉末冶金材料类型
粉末冶金材料是用粉末冶金工艺将金属粉末与非金属粉末混合，经成形、烧结后制得多孔、半致密或全致密的材料[4]。粉末冶金材料主要可以分为传统的粉末冶金材料和现代先进粉末冶金材料[5]。1)传统粉末冶金材料
① 铁基粉末冶金材料：作为重要的粉末冶金材料，被广泛的应用于汽车行业。此外，还广泛应用于家用电器、电动工具、农业机械、文体休闲器材。
② 铜基粉末材料：主要有烧结青铜（锡青铜和铝青铜）、烧结黄铜、烧结镍银和烧结铜镍合金和弥散强化铜、时效强化铜合金以及减震铜合金。主要应用于含油轴承，此外，还在摩擦材料、电刷、过滤器、机械结构零件、电工零件等有应用。
③ 硬质合金材料：主要由一种或者多种难溶金属经过碳化形成的一种硬质材料。这种材料是通过金属粘结剂进行粘结，然后经过粉末冶金技术进行制作。主要应用于切削领域。
④ 难溶金属材料：这种材料主要有难溶的金属构成，其熔点高、强度和硬度也相对较高。该材料主要用于航空航天、国防、能源和核研究领域。
⑤ 电工材料：这种材料主要用于电气和仪表领域，如电阻器件、电力管等。⑥ 摩擦材料:这种材料是依靠摩擦力来实现制动和传动功能的部件材料，主要应用在摩擦离合器和摩擦制动器中。
⑦ 减摩材料：这种材料具有低的摩擦系数和好的耐磨性，具有好的自润滑性能，主要应用于动力机械、汽车、拖拉机、飞机等领域。2)现代粉末冶金材料
① 软磁材料：可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料。后者比前者出现的早，其特点是只能通过粉末冶金的方法获得。这种材料具有较高的导磁率和较强的饱和磁化强度，被各个磁行业广泛应用。
② 能源材料：指在发展过程中，能促进新能源建立和发展的材料。主要发展方向是电池、氢能和太阳能。主要应用于能源开发领域。如采用粉末冶金技术制作锂电池正负极材料、储氢合金、燃料电池的阳极材料、太阳能光电、光热材料、风能中的机械制动材料、核结构
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材料等[6]。
③ 生物材料：这种方法主要应用于医学领域，应用钛合金被多次研究，诸如李元元等用粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[7]。3.1.2制粉技术
制粉按其过程实质分为两类：机械法和物理法。机械法是将原材料粉碎，但是其化学成分基本不发生变化；物理法是借助化学的或物理的作用，改变原料的化学成分或聚集状态而获得粉末。
1)机械法主要有机械粉碎法和雾化法。
①
机械粉碎法主要的方法是球磨法。它是将金属、金属化合物及合金放入球磨机内，在碾磨球强烈的搅动下，受到冲击力、碾磨力、剪切力和压力的不断作用，使之发生变形、破碎和冷焊接的一种粉末制造技术。现在应用较广的机械合金化技术中采用了高能球磨技术，其特点是能制造出超细材料。在球磨过程中，金属和非金属混合物会发生严重的晶格畸变，得到高密度的缺陷和纳米级的精细结构。目前，高能球磨法被广泛应用于合金、磁性材料、超导材料、金属间化合物、过饱和固溶体材料以及非晶、准晶纳米晶等亚稳态材料的制备[8]。② 雾化法。快速凝固雾化制粉技术是直接击碎液体金属或合金并快速冷凝而制得粉末的方法，此种方法可以有效减少合金成分的偏析，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶、或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。
按照击碎的方式不用，雾化法又可以分为气体雾化、高压水雾化和离心雾化。气体雾化法所用的雾化压力一般为2-8MPa，制得的粒径一般为50-100mm，多为表面光滑的球形。近年发展起来的一种新的紧耦合气体雾化喷枪，可以极大的提高细分率，粒径为30-40mm,粉末占75%左右，粉末的冷凝速度也相应有了提高。高压水雾法是20世纪60年代中期建立起来的技术，其采用密度较高的水作为雾化媒介，其冷凝速度比一般气体雾化要高上许多，一般是提高一个数量级，但是其产生的粉末颗粒形状多为不规则。离心雾化法是利用机械旋转造成的离心力使得金属溶液克服表面张力，以细小的液滴甩出，然后再飞行过程中被冷凝、球化的过程。离心雾化法几乎适用所有金属和合金粉末的制取，还可以制取难溶化合物（如氧化物、碳化物）粉末，也是目前制取高纯、无污染难溶金属和化合物球形粉末最理想的方法，但是其生产过程的自动化产业还未成熟，生产能力低，价格高[9]。
2)物理法。物理法有还原法、化学沉淀法、合金分解法和电解法等。其中应用最大的是还原法和电解法。还原法是用还原剂在一定条件下将金属氧化物或金属盐类等进行还原而制取粉末的一种方法；化学沉淀法是用一种或者多种金属盐溶液，通过化学反应形成沉淀物，然
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后脱除溶剂和加热分解的制粉方法；合金分解法是选择一种溶剂，只溶解合金中某一成份，再将不溶解的成分分离出来获得金属粉末；电解法是电解金属盐的水溶液使得金属阳离子在阴极上沉积或进行熔融盐电解而获得金属粉末[10]。
3.2成形
成形的目的是将粉末制成具有一定形状和尺寸的坯料，制得的坯料具有一定的强度和密度。目前，粉末成形的方法有很多，归纳起来可以分为有压成形和无压成形。无压成形是指粉末在不受压力的作用而得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，又称作粉浆浇注成形法，利用毛细管原理让石膏模具吸收浆料（粉末与液体（水、甘油、酒精等）的混合）中的液体，使得粉末在模具中固化成形的过程。有压成形是指粉末在压力作用下得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，如注射成形技术、温压成形技术、热压成形技术、等静压成形技术和高速压制成形技术等。3.2.1注射成形技术
粉末注射成形技术（powder injection molding，简称PIM）是将塑料注射成形的思路和方法应用到粉末成形上的一门新技术。粉末成形技术的基本工艺过程是：将粉末与粘结剂混合后，在一定温度下使得粘结剂熔融，然后进一步混合均匀，在注射剂压力作用下，从注射剂喷嘴射入模具，经冷却脱模后得到生坯，实现粉末成形。粉末微成形注射技术的原理与传统的粉末注射成形是一致的，只是最后得到的生坯的尺寸是在微米级，且其粉末粒径亦为微米级别，加大了的制粉的难度，此外，其模具需采用微加工技术加工。北京科技大学自行研制开发了具有自主知识产权的粉末微注射成形用模具，并成功注射成形出齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮[11]。
粉末注射成形可以获得组织结构均匀，力学性能优异的净成形零部件，制造比传统的工艺要低，且通过注射成形的零件一般都不需要在经过机械加工，而且能加工出传统粉末冶金方法不能制造的各种形状复杂的零件。现在粉末注射成形生产已实现一体化，自动化程度高。3.2.2温压成形技术
温压成形技术于1994年国际粉末冶金和隔离材料会议上，由美国Hoeganaes公司公布，被国际粉末冶金界誉为“导致粉末冶金技术革命”的新成形技术[12]。粉末温压技术，顾名思义其加压温度介于室温和热压温度之间，一般为100-150℃，在压力作用下混合粉末（粉末加高温润滑剂）在预热的封闭钢模中被加压成形。其特点是：制造铁基粉末冶金零部件的成本低；能使生坯致密；制品强度高；可以制造复杂形状零件；密度均匀等。3.2.3热压成形技术
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热压成形过程中，将成形与烧结两个工序一并完成，它是对装有粉末的模腔加压并加热，温度达到正常烧结温度或更低一些，在短时间内完成烧结得到致密均匀的制品。热压成形按照加热方式可以分为电阻间接加热、电阻直接加热和感应加热三种。第一种方式是采用碳管发热，对模具和粉末同时加热；第二种方式是采用压横材料发热，使得模具成形部位的温度要高于其他部位。第三种方式由于粉末坯料中的涡流大小与密度相关，而坯料密度在热压成形过程中会变大，造成电阻降低，涡流发热减小，所以感应加热的温度是不好控制的。热压成形的优点是可以制成全致密的材料。但是，热压成形中温度的均匀性和稳定性不好把握。3.2.4等静压成形技术
等静压成形过程的基本原理是将混合粉末经过真空吸粉，气动填料输入等静压成形机的模具（橡胶模具或塑料模具）中，在通过介质（水或油或气体）向各向施加均等的压力，压制成致密、结实的制品。等静压成形又可分为冷等静压和热等静压，前者传递压力的介质是水或油；后者传递压力的介质是气体。等静压成形的特点是能制成形状复杂的零件；制品密度均匀，强度高；成本低廉；在较低温度下可以值得接近完全致密的材料。然而，其制品表面精度和光洁度比钢模压制法低；生产率低；模具寿命短。3.2.5高速压制成形技术
高速压制成形的基本原理是通过高速运动的垂头产出强烈的冲击应力波，在很短时间内（0.02s）将冲击能量通过压模传递粉末进行致密化，通过附加间隔（0.3s）的高频冲击应力波可以进一步提高材料的密度，从而使得制品性能更加优异。具有密度高，分布均匀，径向弹性后效小容易脱模、生产率高、成本低等特点。高速压制成形技术近几年来成为了研究热点，各种研究成果得到了证实，华南理工大学肖志瑜教授等人提出了一种高速压制和温压相结合的温高速压制的技术思路，通过一系列实验表明，该方法能否获得更高的压坯密度，取决于粉末的种类和特性；华南理工大学邵明教授等人，自行设计和制造了一种基于机械弹簧蓄能的粉末冶金高速压制压力机，并用于基础探索研究[13]。
3.3烧结
烧结作为粉末冶金过程中最重要的工序，一直以来是人们研究的重点。一个好的烧结工艺，不仅能提高粉末冶金制品的力学性能，还能降低物质和能源消耗。
3.3.1放电等离子体烧结（SPS）
放电等离子体烧结，是将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上，在粉末颗粒间会产出等离子体放电，能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体，并加速物质高速度的扩散和迁移，导致粉末的净化、活化和均化。它是一种集等离子体活化、热压、电阻加热
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为一体的加工工艺，具有烧结时间段、温度控制准确、烧结样品颗粒均匀、致密性好等优点。王兴华等[14]采用机械合金化技术制备的Fe75Zr3Si13B9粉体，通过放电等离子体烧结技术在不用温度下将非晶合金粉体制备成了d20 mm×7 mm的块状非晶纳米晶合金。研究表明，在500MPa烧结压力下，随着烧结温度的升高，非晶相开始晶化形成非晶纳米晶双相结构。同时，样品的致密度、抗压强度、微观硬度、饱和磁化强度显著提高。最后在500MPa的烧结压力和863.15 K的烧结温度下,获得密度6.9325 g/cm3、抗压强度1140.28MPa、饱和磁化强度1.28 T的非晶纳米晶磁性材料。3.3.2选择性激光烧结成形（SLS）
选择性激光烧结成形（SLS）是将三维数值模型分解成一系列二维层片结构后，由计算机控制激光束移动，进行逐层烧结，最后形成三维实体。在SLS过程由三个部分组成，分别是激光源、粉末摊铺系统和气氛控制系统。激光源发射的激光束功率、扫描速度和方式对烧结精度有重要影响。粉末摊铺密度、厚度对粉末烧结致密性有影响，一般是粉末摊铺密度越大、厚度越薄，烧结得到的制品越致密，精度越高。气氛的作用是防止粉末在烧结过程中被氧化，通常有氮气、氩气等。
选择性激光烧结成形的特点是无需模具就能直接烧成近净形致密零件，成形灵活性强、周期短、原料广泛，适合制造不同材料和复杂形状的零件。在汽车、造船、机械、航空与航天领域得到广泛应用[15]。3.3.3场活化烧结技术
场活化烧结技术是利用外场的活化作用实现低温快速烧结致密化的一种烧结技术。在烧结的初始阶段施加一个脉冲电流，使得粉末颗粒间产生电火花或等离子弧，在其作用下粉末表面的氧化膜和杂质被清除，粉末颗粒直接接触并发生烧结形成烧结颈，戒指同时施加大电流和一定压力，使得粉体致密化。与传统的烧结方法比，烧结时间短，烧结过程对粉末微观组织影响小，制品纯度高。在日本已应用于工业化生产软磁和硬磁材料以及切削工具[16]。结束语
随着新材料的不断开发研究，粉末冶金技术越来越多应用到各种新材料的加工制造中，粉末冶金制品的应用领域不断扩大，对粉末冶金技术的改进技术不断被开发提出。我国的粉末冶金技术与发达国家比还尚有差距，因此，我们要及时开发具有自主知识产权的粉末冶金新技术。
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