求粉末冶金常用的成型方法？？

摘要：说到“冶金”会让人们很自然地联想到巍巍的高炉和滚滚的铁水，然而，还有另一类不需将材料熔化的冶金方法，这就是粉末冶金。粉末冶金是冶金和材料科学的一个分支学科。它是首先制取金属粉末， 然后采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料和制品的工艺技术。粉末冶金制品的应用范同十分广泛：从普通机械制造到精密 仪器，从五金工具到大型机械，从电子工业到电机制造，从民用工业到军事工业，从一般技术到尖端高技术，都可以见到粉末冶金工艺的身影。由于粉末冶金技术的 种种优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。 　　　关键词：粉末冶金 , 成型方法 , 高性能材料 , 发展趋势 　　　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：现代粉末冶金不仅是一种材料制造技术，而且其本身包含着材料的加工和处理，并逐渐形成了自身的材料制备工艺理论和材料性能理论。粉末冶金新技 术、新工艺的应用不但使传统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继产生，这些新材料都需要以粉末冶金工艺 作为其主要的或唯一的制造手段。现代粉末冶金技术已发展成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料的有效途径。传统的粉末成形技术工艺复杂，致密度低，制 件的性能较差。高新技术产业的迅猛发展对粉末成形制件的性能及制造周期提出了更高的要求，促进了人们对粉末成形技术的深入研究，先后出现了一些新工艺、新 技术、新动向，目前粉末成形技术的研究已经取得了很大的进展。 　　　一.粉末冶金制品成形新技术的应用 　　　金属冶金粉末成形是一种节能、节材、高效、近净成形、少污染的先进制造技术，在超导材料、纳米材料、生物工程材料、超硬材料等现代高新技术领域中得 到广泛的应用，已进入当代材料科学的发展前沿，并朝着高效自动化、高性能、低成本的方向发展。粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属 粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成制品的工艺技术。随着技术的发展，各种新工艺相继出现并得到广泛的应用，如温压技术、流动温压技术、动磁压制 和高速压制技术等。粉末冶金材料的种类有：粉末冶金多孔材料、粉末冶金减摩材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金结构零件、粉末冶金工模具材料、粉末冶金电磁 材料和粉末冶金高温材料等。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成形性和可塑性，通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。粉末在 500---600 MPa压力下，压成所需形状。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、 再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高，并且 有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油及熔渗等。粉末冶金材料广泛应用于汽车、摩托车、纺织机 械、工业缝纫机、电动工具、五金工具、电器、工程机械等各种粉末冶金(铁铜基)零件。现在汽车上应用的粉末冶金零件生产仍以冷模压一烧结工艺为主。虽然其 产品的精度、复杂程度、性能稳定性和成本等方面均有长足的进步，但是较低的零件密度影响了零件的性能，特别是力学性能的提高。零件的几何形状复杂程度也受 到冷模压的制约。粉末冶金新技术的出现和产业化，对其在汽车上的应用起到了重要的推动作用。北美Hoeganaes开发了一种含硅高密度、高性能的铁基粉 末冶金材料。制造这种材料的工艺被称为Ancormax D工艺，能通过单次压制／烧结方法制造出密度达7．40--一7．45 g／cm3的铁基零件。Ancormax工艺使用了一种专有的压制润滑剂，模具加热至60"-70℃。其压坯强度比传统冷压压坯高20％--'25％。汽 车内燃机阀系统工作条件十分严酷。气门头部温度一般高达800"--1 000℃，气门阀座的工作温度高达500一--800℃。现在大批量生产的内燃机都已在使用特制的粉末冶金阀座圈。该阀座圈合金是一类无行业标准、无国家 标准、无国际标准的“定制合金”，属高密度、高合金、耐腐、耐蚀、耐热的烧结合金。惟有采用粉末冶金的方法才把耐热高强基体与硬质颗粒相、固体润滑相、导 热合金等复杂成分综合于一体。汽车发动机中使用的阀座圈合金，90％以上是用粉末冶金技术生产的。 　　　近年来，通过不断引进国外先进技术与自主开发创新相结合，中国粉末冶金产业和技术都呈现出高速发展的态势，是中国机械通用零部件行业中增长最快的行 业之一，每年全国粉末冶金行业的产值以35％的速度递增。全球制造业正加速向中国转移，汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工 程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。另外，粉末冶金产业被中国列入优先发展和鼓励外商投 资项目，发展前景广阔。 　　　二.金属粉末温压成形技术 　　　所谓温压技术就是采用特制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130"--150℃，并将温度波动控 制在±2．5℃以内，然后和传统粉末冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零件的技术。在众多为提高粉末冶金件密度的生产方法中。温压成形技术被认为 是最为经济的一种新工艺。数家国际知名的粉末冶金公司各自推出受到专利保护的温压技术。温压技术是采用混有特定润滑剂和粘结剂的金属粉末在 100---300℃温度下压制，通过一次压制和一次烧结使零件密度提高到理论密度的92％"-'95％，而成本增加较小。温压成形的工艺过程是将混有温 压专用润滑剂和粘结剂的粉末加热至130～155℃，然后在加热到上述温度的模具里压制成形。温压工艺特点是工艺简单，生产成本低廉，可直接机加工生坯， 生坯强度提高100％，拉伸强度提高20％"30％，超过20 MPa，可在烧结前进行机加工。研究表明，假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1．0，则粉末锻造的相对成本为2．0，复压复烧的相对成本为 1．5，渗铜的相对成本为1．4，而温压技术的相对成本为1．25。其产品包括：螺旋齿轮(电动工具)、泵轮、连杆、凸轮、链轮、同步器毂、螺旋齿轮(变 速箱)、软磁零件。温压工艺对粉末性能有一定的要求，如Ancordense温压工艺限定为高压缩比的水雾化铁粉。专利化的润滑剂是一种复合的酰胺基蜡。 低熔点的单酰胺在温压温度下熔化，起液体润滑作用：二酰胺和聚酰胺有较高的熔点，可起固体润滑剂的作用。烧结前采用低温预烧，将润滑剂脱除，否则将导致最 终烧结密度低于温压压坯密度。 　　　温压成形工艺技术关键：一是温压粉末制备，二是温压系统。与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0．15～0．30 g／cm3的增幅，其密度可达7．45 g／cm3。在相同的压制压力下，温压材料的屈服强度比传统工艺平均高l l％，极限拉伸强度平均高l 3．5％，冲击韧度可提高33％。另外，温压零件的生坯强度高，可达20～30 MPa，比传统方法提高50％～100％，不仅降低生坯搬运过程的破损率，而且能对生坯进行机加工，表面粗糙度低。此外，温压工艺的压制压力低和脱模力 小，同时零件性能均一，产品精度高，材料利用率高。 　　　温压成形技术是20世纪粉末冶金的一项重要技术进步，已应用于生产。德国Sinterstahl GmbH用温压技术生产出复杂的摩擦传动用同步齿环，综合成本降低38％。法国Federal Mogul烧结公司采用温压技术生产质量350"600 g连杆，价格比PHF连杆低。美国Chicago Powdered metal公司用温压工艺生产电力机车发动机用齿鼓零件，质量达1．1 kg，密度7．3 g／cm3；瑞典Hoganas公司温压Ni．Cu．Mo钢粉制造的变速箱零件，密度为7．25～7．35 g／cm3，用于重载车(如公共汽车和大卡车)；华南理工大学于2001年研制成功高性能斜齿轮和薄壁气门导筒；美国福特卡车变速箱上的转矩涡轮毂：日本 日立粉末金属公司生产的小节锥、半角斜伞齿轮。温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度零件，具有非常广泛的应用前 景。目前，采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多种，．零件质量在5～1 200 g。例如采用了扩散合金化的烧结硬压粉末，最低抗拉强度为850 MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件，使得综合成本降低了38％。 　　　三.金属粉末注射成形技术 　　　喷射成形通称雾化沉积，是用快速凝固方法制备大块致密金属材料的粉末冶金技术，是制备三维复杂形状的金属和陶瓷零件的近终成形技术，是制取各种金属 和陶瓷高性能零件的高效、节能、节材、环保友好、低成本、大批量生产的工艺。喷射成形把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(熔滴动态致密固化) 结合起来，在一步冶金操作中完成。它直接从液态金属制取具有快速凝固组织特征、整体致密、接近零件实际形状的高性能材料。通过改变熔滴射流与沉积器的相对 位置和沉积器的运动形式，可以得到盘、柱、管、环、板、带等不同形状的近终形坯件。如果采用两种不同合金雾化射流可以制备复层的双性能材料(坯件)。采用 注入增强颗粒雾化共沉积则可以制备颗粒增强金属基复合材料。该技术通常采用小于20¨m的细粉与高分子聚合物为基的粘结剂加热混合均匀，混合料经制粒成注 射料。注射料在注射成形机内加热塑化状态下，具有良好的流变性，所以能在压力下注入形状十分复杂的模腔。采用化学和加热分解等方法将生坯的粘结剂脱除，而 后高温烧结致密化成零件，一般不需要或只进行少量的后续机加工。其基本优点是：复杂形状零件、低成本和高性能，在零件生产量大和高复杂程度时独占优势。现 在工业生产的产品按材料所占百分比大致是：铁和钢2l％、不锈钢2l％、工具钢3％、难熔金属3％、硬质合金10％、氧化铝和氧化硅22％、共价陶瓷 7％、精美瓷器2％、氧化锆3％和其他特殊材料9％。金属粉末注射成形技术是1980年代初期新发展起来的特殊粉末冶金技术，可以大量制造小型精密机械零 件，能制造用常规模压粉末成形无法制造的复杂形状结构，如带有螺纹、交叉孔、锐角、多台阶、薄壁、翼形等制品，可达到材质各向同性，并有更高的材质密度 (93％～100％理论密度)和强韧性。其产品的显微结构均匀精细，性能各向同性，密度又接近理论密度，所以性能一般优于其他工艺制得的产品。用金属粉末 注射成形制造的精密零件，在汽车、化工、航空航天、商业设备、计算机硬件、电子通讯、生物医疗、军事领域有许多新的应用金属粉末注射成形技术一经问世，在 美国、日本、西欧得到竟相开发应用，现正在发展、完善，推进产业化，产值年增长率达100％左右。目前，金属高温粉末注射成形制品还限于小型精零件，但其 应用面很大。据美国有关方面调查，这类小型零件的市场约为l 500亿美元。粉末注射成形的单件质量已从几克、几十克向公斤级发展，应用前景十分宽广。现在，主要产品有汽车发动机摇臂、燃油喷射系统、摩托车、柴油机 涡轮增压器、割草机、照相机、商业机械等零件，以及牙齿矫正托架、轻武器零件、切削工具、微电子组件、手表壳带、外科手术工具、计算机盘驱动装置、泵锁、 理发推子、电气接插件等。 　四.粉末冶金的发展趋势 　1、向全致密化发展：粉末冶金的重点是超细粉末和纳米粉的制备技术，快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术，机械合金化技术，自蔓延高温合成技术，粉末 粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模过程理 论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。 　2、向高性能化、集成化和低成本等方向发展：粉末冶金新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技 术不断涌现。近目前， 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。有代表性的铁基合金。将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展：制造具有均匀显 微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金：用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金：制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金；加工 独特的和非一般形态或成分的复合零部件。 　3、粉末冶金制造过程清洁高效和环保的趋势：寻求资源的再生利用和减少生产过程中对环境的污染，是现代产业的发展趋势。因此，针对易再生材料的设计、有 害物质的材质控制、润滑剂的煤烟控制、烧结气氛再生方法的开发和烧结零件的轻量化等，从合金设计和工艺设计的角度，进行技术创新。使粉末冶金各项工艺流程 符合环保的强制性法规，从而使粉末冶金产业更清洁、更环保。 　4、粉末冶金材料功能复合化趋势：针对国际化的高端市场，研究和开发出高附加值的新型复合材料或者复合有附加性能的新型材料．是各国粉末冶金工作者努力追求的目标。这就要求在诸如复合材料设计、成行固化、复合材料组织控制、性能评价等方面能够做出开创性的突破。 　5、粉末冶金设计的微观化趋势：由宏观的尺寸——形状——性能设计层面。结合到显微组织——微观结构——性能的设计层面．粉末冶金设计也由粉体特性设计、模具设计、产品形状设计等宏观设计体系向显微组织和显微结构设计的微观体系深入和发展。 　五.结语 　粉末冶金是一项重要的零件成形技术。粉末冶金材料不仅在汽车、航天、军工等产业中必不可少，而且在电冰箱、洗衣机、空调等家用产品上也大量应用。粉末冶 金新技术、新工艺的不断出现，必将促进高技术产业的快速发展，也将带给材料工程和制造技术光明的前景。目前，我国粉末冶金行业整体技术水平低下，工艺装备 落后，与国外先进技术水平相比存在较大差距。因此，大力发展粉末冶金新技术的研究，对提高我国粉末冶金产品的档次和技术水平，缩短与国外先进水平的差距具 有非常重要的意义。 　六.参考文献 　　　1.黄培云．粉末冶金原理．北京：冶金工业出版社，1997． 　　　2.博培云，金展鹏．粉末冶金基础理论与新技术.北京：科学出版社。2010． 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Global marketing review：MIM focus．metal injection moulding (MIM) growth slows in 2009． International Powder metallurgy Directory 14th Edition 2010—2011。23—25 　　　6.谢乾丰．国内冶金史研究的现状及其发展方向．经济与社会发展．2007， 　　　7.周智勇．粉末冶金技术的作用和发展研究．消费导刊，2007． 　　　8.肖珍静．实现冶金工业全面、协调、可持续发展．现代企业．2005． 　　9.郝权，曹勇家．粉末微注射成形[C]．2007机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会报告文集，2007．