粉末冶金新技术新工艺模板

11粉末冶金新技术新工艺11．1概述粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末和非金属粉末混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料和多种类型制品工艺技术。粉末冶金工艺第一步是制取原料粉末，第二步是将原料粉末经过成形、烧结和烧结后处理制得成品。经典粉末冶金产品生产工艺路线图11-1所表示。粉末冶金工艺发展已远远超出此范围而日趋多样化，已成为处理新材料问题钥匙，在新材料发展中起着举足轻重作用。粉末冶金技术有以下特点：(1)能够直接制备出含有最终形状和尺寸零件，是一个无切削、少切削新工艺，从而能够有效地降低零部件生产资源和能源消耗；(2)能够轻易地实现多个类型复合，充足发挥各组元材料各自特征，是一个低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料工艺技术；(3)能够生产一般熔炼法无法生产含有特殊结构和性能材料和制品，如多孔含油轴承、过滤材料、生物材料、分离膜材料、难熔金属和合金、高性能陶瓷材料等；(4)能够最大程度地降低合金成份偏聚，消除粗大、不均匀铸造组织，在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料(如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等)含相关键作用；(5)能够制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料含有优异电学、磁学、光学和力学性能；(6)能够充足利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一个可有效进行材料再生和综合利用新技术。近些年来，粉末冶金有了突破性进展，一系列新技术、新工艺大量涌现，比如：快速冷凝雾化制粉技术、机械合金化制粉技术、超微粉或纳米粉制备技术、溶胶-凝胶技术、粉末注射成形、温压成形、粉末增塑挤压、热等静压、烧结／热等静压、场活化烧结、微波烧结、粉末轧制、流延成形、爆炸成形、粉末热锻、超塑性等温铸造、反应烧结、超固相线烧结、瞬时液相烧结、自蔓延高温合成、喷射沉积、计算机辅助激光快速成形技术等。这些新技术有给予原传统工艺步骤以新内容和意义，有把多个工艺步骤合为一步而成为一个崭新工艺。所以，使整个粉末冶金领域大大拓宽，并向着纵深方向发展。粉末冶金新技术、新工艺应用，不仅使传统粉末冶金材料性能得到根本改善，而且使得一批高性能和含有特殊性能新一代材料相继产生。比如：高性能摩擦材料、固体自润滑材料、粉末高温合金、高性能粉末冶金铁基复合和组合零件、粉末高速钢、快速冷凝铝合金、氧化物弥散强化合金、颗粒增强复合材料，高性能难熔金属及合金、超细晶粒及涂层硬质合金、新型金属陶瓷、特种陶瓷、超硬材料、高性能永磁材料、电池材料、复合核燃料、中子可燃毒物、粉末微晶材料和纳米材料、快速冷凝非晶和准晶材料、隐身材料等。这些新材料全部需要以粉末冶金作为其关键或惟一制造手段。本章将简明介绍粉末冶金基础工艺原理和方法，关键介绍多年米粉末冶金新技术和新工艺发展和应用情况。11．2雾化制粉技术粉末冶金材料和制品不停增多，其质量不停提升，要求提供粉末种类也愈来愈多。比如，从材质范围来看，不仅使用金属粉末，也要使用合金粉末、金属化合物粉末等；从粉末形貌来看，要求使用多种形状粉末，如生产过滤器时，就要求球形粉末；从粉末粒度来看，从粒度为500～1000m粗粉末到粒度小于0.1m超细粉末。近几十年来，粉末制造技术得到了很大发展。作为粉末制备新技术，第一个引人注目标就是快速凝固雾化制粉技术。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片法。快速凝固雾化制粉技术最大优点是能够有效地降低合金成份偏析，取得成份均匀合金粉末。另外，经过控制冷凝速率能够取得含有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织粉末。它出现不管对粉末合金成份设计还是对粉末合金微观结构和宏观特征全部产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推进了粉末冶金发展。雾化法最初生产是像锡、铅、锌、铝等低熔点金属粉末，深入发展能生产熔点在1600～1700℃以下铁粉及其它粉末，如纯铜、黄铜、青铜、合金钢、不锈钢等金属和合金粉末。近些年，伴随大家对雾化制粉技术快速冷凝特征认识，其应用领域不停地拓宽，如高温合金、Al-Li合金、耐热铝合金、非晶软磁合金、稀土永磁合金、Cu-Pb和Cu-Cr假合金等。借助高压液流(通常是水或油)或高压气流(空气、惰性气体)冲击破碎金属液流来制备粉末方法，称为气雾化或水(油)雾化法，统称二流雾化法(图11-2)；用离心力破碎金属液流称为离心雾化(图11-3)；利用超声波能量来实现液流破碎称为超声雾化(图11-4)。雾化制粉冷凝速率通常为103～106℃／s。11．2．1二流雾化依据雾化介质(气体、水或油)对金属液流作用方法不一样，二流雾化法含有多个形式：(1)垂直喷嘴。雾化介质和金属液流互呈垂直方向，图11-5(a)所表示。这么喷制粉末通常较粗，常见来喷制铝、锌等粉末。(2)V形喷嘴。两股板状雾化介质射流呈V形，金属液流在交叉处被击碎，图ll-5(b)所表示。这种喷嘴是在垂直喷嘴基础上改善而成，其特点是不易发生堵嘴。瑞典霍格纳斯企业最早用此法以水喷制不锈钢粉。(3)锥形喷嘴。采取图11-5(c)所表示环孔喷嘴，雾化介质以极高速度从若干个均匀分布在圆周上小孔喷出组成一个未封闭气锥，交汇于锥顶点，将流经该处金属液流击碎。这种喷嘴雾化效率较高，但要求金属液流对中好，而且因为雾化介质高速射出时会在锥中形成真空，轻易造成液滴反飞，并在喷嘴上凝固而堵嘴。(4)漩涡环形喷嘴。采取图11-5(d)所表示环缝喷嘴，压缩气体从切向进入喷嘴内腔。然后高速喷出形成一漩涡状锥体，金属液流在锥顶被击碎。雾化介质和金属液流相互作用现有物理-机械作用，又有物理-化学改变。高速气体射流或水射流，既是使金属液流击碎动力源，又是一个冷却剂，就是说，首先，在雾化介质同金属液流之间现有能量交换(雾化介质动能变为金属液滴表面能)，又有热最交换(金属液滴将一部分热虽转给雾化介质)。不管是能量交换，还是热量交换，全部是一个物理-机械过程；其次，液体金属黏度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不停发生改变，这种改变反过来又影响雾化过程。另外，在很多情况下，雾化过程中液体金属和雾化介质发生化学作用使金属液体改变成份(如氧化、脱碳等)，所以，雾化过程也就含有物理-化学过程特点。在液体金属不停被击碎成细小液滴时，高速射流动能变为金属液滴增大总表面积表面能。这种能量交换过程效率极低，据估量不超出1％。现在，从定量方面研究二流雾化机理还很不够。雾化过程很复杂。影响粉末性能(化学成份、粒度、颗粒形状和内部结构等)原因很多，关键有喷嘴和聚粉装置结构、雾化介质种类和压力、金属液表面张力、黏度、过热度和液流直径。显然，雾化介质流和金属液流动力交互作用愈显著，雾化过程愈强烈。金属液流破碎程度取决于介质流动能，尤其是介质流对金属液滴相对速度和金属液流表面张力和运动黏度。通常来说，金属液流表面张力、运动黏度值是很小，所以介质流对金属液滴相对速度是最关键。粉末形状关键取决于液流表面张力和冷凝时间。金属液流表面张力大，而且液滴在凝固前有充足球化时间，将有利于取得球形粉术。图11-6显示了不一样雾化方法所得到粉末照片。11.2.1.1气体雾化气体雾化法所用雾化压力通常为2～8MPa，制得粉末粒径通常为50～100m，多为表面光滑球形。多年来已发展了一个新紧耦合(CloseCoupled)气体雾化喷枪，能够极大提升细粉率，粒径为30～40m粉末可占75％左右，粉末冷凝速度也对应有了提升。超声气体雾化法(USGA)是气体雾化技术中较为优异一个，它是用速度高达2.5马赫高速高频(80~100kHz)脉冲气流作为雾化介质。这种超声气流是用一系列哈脱曼(Hartman)冲击波管产生。超声气体雾化法含有很高雾化效率，比如，采取超声气体雾化法能够制成粒径为8m锡合金粉末和平均粒径为20m铝合金粉未，而且在这种铝合金粉末中粒径小于50m粉末出粉率高达90％以上。超声气体雾化生产低熔点合金已达工业生产规模，而对于高熔点合金仍处于试验阶段和试验性生产规模，其存在关键问题是雾化过程不稳定，易造成“堵嘴”现象。经过提升雾化气体温度，使气体出口速度提升，可深入提升细粉末出粉率。另一个值得注意是德国Gerking发明层流气体雾化技术，该技术采取了特殊喷嘴设计，使雾化气体以层流形式喷出，可将金属液流深入细化。用该技术生产铝粉中位径只有18m，90％粉末粒径小于30m。用该技术生产316L不锈钢粉末，其中位径为30m，90％粉末粒径小于80m。不过，因为该技术采取了很小直径金属液流(约1mm)，批量生产时其导液管轻易被堵塞。全惰性气体雾化技术多年来发展很快，多个试验和生产规模全惰性气体雾化制粉设备相继投入运行，为发展高性能高温合金、铝合金、钛合金和金属间化合物材料提供了有力手段。11.2.1.2高压水雾化在金属粉末雾化中发展最快是20世纪60年代中期建立起来高压水雾化技术。水雾化法因为采取了密度较高水做雾化介质，所以达成冷凝速度要比通常气体雾化法高个数量级，粉末形状通常为不规则形。它在纯铁粉、低合金钢粉、高合金钢粉、不锈钢粉和铜合金粉制造中含有重大技术经济优势，是钢铁粉末生产关键发展方向。高压水雾化现在只限于在不会出现过分氧化或在雾化期间形成氧化物能很快被还原那些可雾化合金。在10MPa水压下钢铁粉末粒度为100～200m。伴随粉末注射成形等新型近净形成形技术发展，超高压（>100MPa)水雾化被认为是制取细微(约100m)粉末有效路径。比如，日本太洋金属企业为此开发了水压高达150MPa超高压水雾化设备，其平均粒度可达3～5m。11．2．2离心雾化离心雾化法是利用机械旋转造成离心力使金属熔液克服其表面张力，以细小液滴甩出，然后在飞行过程中球化、冷凝成粉一个制粉方法。其中关键有旋转盘法(RD)(图11-3(a))、旋转坩埚法(RC)(图11-3(b))、旋转电极法(REP(图11-3(c))、电子束旋转电极法(EBRE)、等离子旋转电极法(PREP)(图11-7)等。现在，上述方法全部有工业性生产设备。离心雾化一个关键特点就是能制取几乎全部金属或合金粉末，还能够制取难熔化合物(如氧化物，碳化物等)粉末。另外，离心雾化通常不受坩埚耐火材料污染，是日前制取高纯、无污染难熔金属和化合物球形粉末最理想方法，尤其是对易氧化(氮化)金属最为有效，冷凝速度通常为103~106K／s。离心雾化法关键缺点是工艺受到设备规模、生产过程连续化和自动化限制，生产能力低，粉末价格较高。离心雾化法制得粉末通常为球形，平均粒度多在50～15m之间。粉末粒度大小关键受离心力影响，旋转速度越高，离心力越大，所得粉末越细。图11-8显示了电极旋转速率对粉末粒度影响规律。在上述离心雾化技术中，旋转电极法(包含PEP、EBRE、PREP)最关键，日前应用比较广泛，关键用于制备镍基超合金、钛合金、金属间化合物、无氧铜、难熔金属及合金等粉末。11.3机械合金化制粉技术机械合金化是一个从元素粉末制取含有平衡或非平衡相组成合金粉末或复合粉末制粉技术。它是在高能球磨机中，经过粉末颗粒之间、粉末颗粒和磨球之间长时间发生很猛烈研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成新生表面相互冷焊而逐步合金化，其过程反复进行，最终达成机械合金化目标，图11-9所表示。机械合金化技术特点关键有：(1)可形成高度弥散第二相粒子；(2)能够扩大合金固溶度，得到过饱和固溶体；(3)能够细化晶粒，甚至达成纳米级。还能够改变粉末形貌；(4)能够制取含有新晶体结构、准晶或非晶结构合金粉末；(5)能够使有序合金无序化；(6)能够促进低温下化学反应和提升粉末烧结活性。机械合金化是美国国际镍企业Benjamin等人于20世纪60年代末期最早开发，当初关键用于制备同时含有沉淀硬化和氧化物弥散硬化效应镍基和铁基超合金。表11-1列出了机械合金化技术制备多个氧化物弥散强化镍基和铁基超合金室温和高温力学性能。机械合金化技术所用原料粉末起源广泛，关键是部分现在已广泛应用纯金属粉末，有时也使用母合金粉末、预合金粉末和难熔金属化合物粉末，其粒度通常为l～200m。、对机械合金化技术来说，原料粉末粒度并不是很关键，因为粉末粒度随球磨时间呈指数下降(图11-10)，几分钟后便会变得很细，但通常说来原始粉末粒度要小于磨球直径。因为通常商用金属粉末氧含量为0.05％～0.2％，所以，在研究机械合金化过程中相改变时要充足考虑原始粉末纯度。为了降低粉末间冷焊，预防粉末发生团聚，在机械合金化过程中往往需要在粉末中加入1％～4％过程控制剂，尤其是在有一定量延性组元存在时。过程控制剂是一个表面活性剂，它能够覆盖在粉末表面，降低新生表面表面张力，从而可缩短球磨时间。过程控制剂种类很多，但大多数为有机化合物。如：硬脂酸、己烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂石墨粉、氧化铝、氮化铝、氯化钠也曾用作过程控制剂。在球磨过程中，这些化合物大部分全部会分解，并和粉末反应后在其基体中形成均匀弥散分布化合物新相。比如，碳氧化合物中包含碳和氢元素，碳水化合物包含碳、氧、氢元素。用这些化合物作为过程控制剂能够在粉末基体中形成弥散碳化物和氧化物粒子，从而得到弥散强化材料，其中氢元素能够在随即加热或烧结过程中成为气体逸出或被晶格吸收。有些金属，如铝、镍、铜会在球磨过程中和醇类介质反应，形成复杂金属-有机化合物。比如铝会和异丙醇反应。其它部分金属，如钛、锆会和氯化物流体(如四氯化碳)发生爆炸反应，所以，氯化物流体不能够用作活性金属过程控制剂。钛、锆等活性金属在有空气存在情况下球磨时，会大量吸氧和吸氮，从而发生相变，包含形成新相。反应球磨技术(金属粉末在活性固体／液体／气体存在条件下进行球磨时，会造成化学反应发生)已应用于制备金属氧化物、碳化物和氮化物粉末。比如：将金属钛在氮气氛中球磨得到了氮化钛粉末，其它多个金属氯化物粉末也已用相同工艺制得。将钨和碳(石墨)一起进行球磨，能够取得碳化钨粉末。将铝和碳或含碳过程控制剂一起球磨能够得到碳化铝粉末(Al4C3)，碳化铝粒子弥散分布在铝合金基体中，可显著改善铝合金性能。对于铝-碳体系，在球磨过程中往往只有部分碳化铝粒子形成，要使碳和铝完全反应需要进行后续热处理。然而，对于其它体系，化学反应能够在球磨过程中完成，也可能要经过热处理后才完成，还可能球磨和热处理后仍只有部分完成。过程控制剂选择取决于球磨粉末性质和对最终粉末纯度要求。过程控制剂使用往往会给粉末带进部分夹杂物，所以，制备高纯粉末时要避免使用过程控制剂。需要指出是，没有万能过程控制剂。选择过程控制剂时，要仔细考察金属粉末和过程控制剂组元间可能化学反应。现在，已经有多个形式球磨机用于制备机械合金化粉末。其不一样之处关键是生产能力、球磨效率、冷却和加热装置等。振动球磨机、如SPEX球磨机(美国SPEXCertPrep，Inc制造，图11-11)，这种球磨机一次只能制备10克左有粉末，关键用于试验室研究和做合金筛选工作。它包含一个用于装填粉求和磨球球磨罐，球磨罐被夹紧并以每分钟数千次频率前后晃动，和此同时，球磨罐两端还作横向摆动，所以，球磨罐是沿着一个8字形轨迹运动，或是无规则轨迹运动。球磨灌每摆动一下，磨球就会撞击粉末样品和球磨罐顶部，从而达成球磨和混合粉末目标。行星球磨机。如Pulverisette球磨机(德国FritschGmbH制造，图11-12)。这是一个最为广泛用于机械合金化球磨机，一次能够制备几百克粉末。行星球磨机名字来自于它球磨罐运动轨迹。多个球磨罐对称安装在一个旋转圆盘上，每个球磨罐还绕自己轴心转动。由球磨罐围绕自己轴心转动和支撑盘旋转所产生离心力作用于装有球磨原料和磨球球磨罐上。因为球磨罐和支撑盘旋转方向是相反。产生离心力有部位力向相同，有则相反。图11-12所表示，球磨罐外侧粉末和磨球所受离心力方向是相同，所以将沿着内壁滚动，产生摩擦效应，当球磨罐这一边转到内侧时，粉末和磨球所受离心力方向变为相反，在支撑盘离心力作用下，粉末和磨球将飞向外壁，产生撞击效应，从而达成机械合金化效果。搅拌球磨机。如Model1-S搅拌球磨机(美国UnionProcess制造，图11-13)。这种球磨机能够较大批量地生产机械合金化粉末，从几千克到100kg。搅拌球磨机球磨料运动速率要比振动球磨机和行星球磨机低，通常约为0.5m／s，所以其能量也较低。现在多种规格搅拌球磨机中国外全部有企业制造。球磨罐有纯不锈钢制，也有内衬了氧化锅、氧化锆、橡胶或聚氨基甲酸乙脂不锈钢罐。磨球材质有玻璃、火石、滑石陶瓷、莫来石、碳化硅、氮化硅、赛隆陶瓷、氧化铝、硅酸锆、氧化锆、不锈钢、碳钢、含铬钢和碳化钨等。搅拌球磨机操作较简单。将粉末和磨球放入一固定球磨罐中，在高速旋转搅拌杆作用下，磨球对粉末施行剪切和撞击作用。通常应用搅拌球磨机其搅拌速率约为250r／mm，试验室使用有些搅拌球磨机其搅拌速率要快十倍。11．4超微粉末制备技术超微粉末通常是指粒径为10～100nm微细粉末，有时亦把粒径小于100nm微细粒子称为纳米微粉。纳米微粉含有显著体积和表面效应，所以，它较通常细粉有显著不一样物理、化学和力学特征，作为潜在功效材料和结构材料，超微粉末研制已受到了世界各工业国家重视。纳米微粉制造方法有：溶胶-凝胶法、喷雾热转换法、沉淀法、电解法、汞正当、羰基法、冷冻干燥法、超声粉碎法、蒸发-凝聚法、爆炸法、等离子法等。制各超微粉末碰到最大困难是粉末搜集和存放。另外，湿法制取超微粉末全部需要热处理，所以可能使颗粒比表面积下降，活性降低，失去超微粉特征，而且极难避免和表而上羰基结合，所以现在通常全部倾向于采取干法制粉。纳米微粉是一个新型粉末冶金材料和原材料，其关键应用于高密度磁统计材料、薄膜集成电路导电材料、微孔过滤器、化学催化剂、汽车用还原触媒、超微粒子膜传感器、碳纤维气相成核材料等。纳米微粉活性大，易于凝聚和吸湿氧化，成形性差，所以作为粉末冶金原料还有部分技术上问题有待处理。另外，纳米微粉作为粉末制品原料必需含有经济制造方法和稳定质量。纳米微粉烧结温度尤其低(粒径为20nm银粉烧结温度为60~80℃，20nm镍粉200℃开始熔接)，一旦能实现利用纳米微粉工业化生产粉末冶金制品。将对粉末冶金技术带来突破性变革。11．5粉注射成形技术粉末注射成形(powderinjectionmolding，简称PIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成一门近净形成形新技术。它基础工艺过程图11-14所表示：首先将固体粉末和有机黏结剂均匀混合并制成粒状喂料，在加热状态下用注射成形机将其注入模腔内冷凝成形，然后用化学溶解或热分解方法将成形坯中黏结剂脱除，最终经烧结致密化得到最终产品。该技术最大特点是能够直接制造出含有最终形状零部件，产品不仅精度高、组织均匀、性能优异，而且生产成本只有传统成形工艺20％~60％。所以，国际上普遍认为该技术发展将会造成零部件成形和加工技术一场革命，已成为国际上“当今最热门零部件成形技术”。粉末注射成形技术原型起源于20世纪20年代，最早是应用于制造陶瓷火花塞。第一项陶瓷粉末注射成形专利1938年授权给Schwartzwalder。第二次世界大战期间，在美国曼哈顿计划中，美国橡树岭国家试验室采取粉末注射成形方法制备了用于原子弹核燃料铀同位素分离镍管。1976年，第一项金属粉末注射成形技术专利授权给River。因为当初粉末原料成本高、脱脂时间长、产品易变形等问题没有处理。其发展很缓慢。直道1979年，美国Parmatech企业有两件PIM产品在国际粉末冶金大会产品设计大赛中获奖后，PIM技术才开始受到粉术冶金界关注。20世纪80年代因为美国政府研究机构和大学介入，使研究工作向深层次发展，从完全凭经验进入到在一定理论指导下工作，这一时期PIM技术得到了快速发展。这首先归于在流体力学和气体动力学研究结果基础上开发出超高压水雾化和高压惰性气体雾化技术发展，使细粉率大大提升，原材料成本下降。其次，在黏结剂设汁理论和脱脂机理等研究结果指导下，新一代黏结剂及其脱除技术开发成功，不仅使原来脱脂时间从数十小时缩到多个小时，而且其保形性得到显著改善，大规模生产产品尺寸精度从±0.5％提升到了±0.3％。进入20世纪90年代，首先，是PIM工艺深入改善，新材料、新工艺不停涌现，其次，产业化发展很快速。黏结剂是PIM技术关键，在PIM中黏结剂含有增强粉体流动性和维持坯块形状两个基础职能，另外它还应含有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点。黏结剂通常是由低分子量组元和高分子量组元加上部分必需添加剂和表面活性剂组成低分子量组元黏度低，流动性好，易脱去；高分子量组元黏度高，强度高，确保成形坯含有一定强度添加剂和表面活性剂关键用以增强黏结刺流动性和和粉末相容性。各组元以合适百分比搭配以取得高粉末装载量，最终得到高精度和高均匀性产品。通常采取黏结剂体系关键有：热塑性体系(石蜡基、汕基和聚合物基)、热固性体系、热固-热塑性体系，凝胶体系和水溶性体系等。表11-2列举了部分已公开黏结剂配方。传统黏结剂在热脱脂过程中，因为几乎是在成形坯内外同时分解，脱脂速率极慢，往往需要数十小时甚至数天，加紧热脱脂速度往往会造成鼓泡和开裂等无法填补缺点。采取液／固或气／固界面反应脱脂(即溶剂脱脂和气相脱脂)，能够使脱脂过程由外及里推进，能够有效地提升脱脂速率，已成为黏结剂开发关键发展方向。因为水价格低廉、无毒，有利于环境保护，开发水溶性黏结剂体系是溶剂脱脂技术研究关键。由德国BASF企业开发黏结剂及其催化脱脂技术是现在应用于工业化生产中最优异脱脂技术之一，并可为粉末注射成形厂家直接供给喂料和提供后续生产工艺。德国CREMER企业已开发出了适应该技术连续脱脂和烧结一体化炉，该技术脱脂速率可达成1～4mm／h。粉末注射成形技术因为采取了大量黏结剂作为粉末流动填充模腔载体，所以能够像成形塑料那样制备出多种任意形状粉末冶金零部件，这是传统粉末冶金模压工艺不可能达成。因为射成形是一个近净形成形工艺，产品基础上不需要后续加工，有需要几十道机加工工序才能完成产品采取PIM能够一次成形，制造成本相对较低。PIM技术还能够实现零部件一体化。因为加工技术或材料性能原因，有些部件采取传统技术制造时，需要加工成多个零件来组装，有时多个零件材料还不一样。采取Pm技术则能够直接制成一个整体复合部件(图11-15所表示)。因为注射成形原料是以流态状均匀充填模腔，成形坯粉术密度分布均匀，避免了粉冶金模压工艺中因为模壁摩擦压力损失所造成成形坯密度分布不均匀问题，这么能够大大降低烧结变形。另外，因为PIM技术所用粉来通常较细，产品烧结后能够达成很高密度，所以，PIM产品力学性能通常优于粉末冶金模压和精密铸造产品。表11-3比较了PIM和精密铸造技术制造零件特点，在很多方面PIM技术有较大优势。表11-4列举了多个常见金属粉术注射成形材料力学性能。图11-16是部分经典粉末往射成形产品照片。11.6温压成形技术温压成形基础工艺过程是：将专用金属或合金粉和聚合物润滑剂混合后，采取特制粉末加热系统、粉末输送系统和模具加热系统，升温到75～150℃，压制成压坯，再经预烧、烧结、整形等工序，取得密度高达7.2～7.5g／cm3铁基粉末冶金零件。温压成形工艺路线图11-17所表示。温压能够显著提升压坯密度机理通常归于在加热状态下粉末屈服强度降低(图11-18所表示)和润滑剂作用增强。温压成形技术由Hoeganaes企业于1994年正式工业化应用，并推出了Ancordense和Densemix两种牌号温压成形专用粉末。在材料达成相同密度前提下，温压工艺生产成本比粉末铸造低75％，比复压／复烧低25％，比渗铜低15％。在零件达成相同力学性能和加工精度前提下，温压工艺生产成本比现行热、冷机械加工工艺低50％~80％，生产效率提升10~30倍。温压成形因其成本低、密度高、模具寿命长、效率高、工艺简单、易精密成形和可完全连续化、自动化等一系列优点而受到关注，被认为是20世纪90年代粉末冶金零件致密化技术一项重大突破，被誉为“开创粉末冶金零件应用新纪元一项新型制造技术”。该技术已广泛应用于制造汽车零件和磁性材料制品，如：涡轮轮毂、形状复杂齿轮和斜齿轮、锁零件、发动机连杆和阀座等。表11-5列出了部分温压成形粉末冶金材料力学性能。温压成形铁基材料力学性能能够和锻钢比美，二者屈服强度和拉伸断裂强度全部基础相当，所以能够用温压成形制品来替换部分锻钢产。需要指出是，粉术冶金产品伸长率通常较低，选择温压成形工艺需要考虑其产品延性和冲击韧性。温压成形技术使用压机和模具和传统模压基础相同，惟一不一样是温压成形需要一套粉末和模具加热系统。模具和粉末温度一定要均匀和稳定，通常控制在±2.5℃，最高温度不超出170℃，超出此温度后，添加润滑剂和黏结剂就会分解，从而影响粉末流动性。通常采取模套内嵌加热管加热模具，要把模具在30min内加热到150℃，需要8～12个500w加热管。为了确保粉末在输送过程中温度不变，滑动送粉器中也应有加热器。为了降低上冲头和芯棒卡死可能性，上冲头最好也要加热。通常说来，芯棒和下冲头能够不用加热。11.7热压成形技术热压又称为加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压同时使粉末加热到正常烧结温度或更低部分，经过较短时间烧结取得致密而均匀制品。热压可将压制和烧结两个工序一并完成，能够在较低压力下快速取得冷压烧结所达不到密度，从这个意义上说，热压是一个强化烧结。标准上，通常用通常方法能制得粉末零件，全部适于用热压方法制造，尤其适于制造全致密难熔金属及其化合物等材料。热压方法最大优点是能够大大降低成形压力和缩短烧结时间，另外，能够制得密度较高和晶粒较细材料。热压模可选择高速钢及其它耐热合金，但使用温度应在800℃以下。当温度更高(1500～℃)时，应采取石墨材料，但承压能力却降低到70MPa以下。故通常对于低温、高压操作，可选择金属或硬质合金模；高温、低压操作则选择石器模。热压加热方法分为电阻间接加热式、电阻直接加热式和感廊加热式三种(图11-19(a)，(h)、(c))。采取第一个方法时，电流经过碳管发烧，对模具和粉末坯同时加热；采取第二种方法时，电流关键经过压横材料发烧，使得和上下冲模和模腔接触部位比其它部位温度高。采取感应加热时，因为粉末坯块中涡流大小和坯块密度相关，在热压后期密度升高，电阻降低，涡流发烧也降低，温度不好控制。所以，在进行热压模具没计时，除了要确保温度外，要尤其注意温度分布均匀性。为了降低空气中氧危害，真空热压机已经得到广泛应用。在没有真空热压机条件下，能够采取以下方法来降低压坯氧化：(1)加热前先将粉末压实：(2)模具配合严密，可预防空气大量进入模腔；(3)将保护气氛经过专门管道引入模腔内；(4)将整个模具置入一密封耐热管中，并采取外置式间接加热或感应加热方法；(5)在粉末中加进部分高温下能产生还原性气氛物质，如碳、金属氢化物、酒精等。11．8等静压成形技术等静压制是伴随现代粉末冶金技术而发展起来一个新成形方法。通常，等静压成形按其特征分成冷等静压(CIP)和热等静压(HIP)，前者常见水或油作压力介质，故有液静压、水静压或油水静压之称；后者常见气体(如缸气)作压力介质，故有气体热等静压之称等静压制法比通常钢模压制法有下列优点：(1)能够压制含有凹形、空心等复杂形状压件；（2)压制时，粉末体和弹性模具相对移动很小，所以摩擦损耗电很小，单位压制力较钢模压制法低；(3)能够压制多种金属粉末和非金属粉末，压制坯件密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤为有效；(4)压坯强度鞍高，便于加工和运输；(5)冷等静压模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉；(6)能在较低温度下制得靠近完全致密材料。应该指出，等静压制法也有缺点：(l）对压坯尺寸精度控制和压坯表面光洁度全部比钢模压制法低；(2)尽管采取干袋式或批量湿袋式等静压制，生产效率有所提升，但通常地说，生产率仍低于自动钢模压制法；(3)所用橡胶或塑料模具使用寿命比金属模具要短得多。等静压制过程是借助于高压泵作用把流体介质(气体或液体)压人耐高压钢质密封容器内。高压流体静压力直接作用在弹性模套内粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而取得密度分布均匀和强度较高压坯(图11-20所表示)。11．8．1冷等静压制冷等静压力机关键由高压容器和流体加压泵组成。辅助设备有流体储罐、压力表、输送流体高压管道和高压阀门等。图11-2l所表示为冷等静压力机工作系统。物料装入弹性模套被放置入高压容器内。压力泵将过滤后流体注入压力容器内使弹性模套受压，施加压力达成了所要求数值以后，开启回流阀使流体返回储罐内备用。压力容器是压制粉末工作室，其大小由所需要压制工件最大尺寸按一定压缩率放大计算。工作室承受压力大小应由粉末特征、压坯性能和压坯尺寸来确定。依据不一样要求，高压容器可被设计成单层筒体、双层筒体或缠绕式筒体。等静压力机根据工作室尺寸、压力及轴向受力状态可分成三种基础类型，即拉杆式、螺纹式及框架式。表11-6比较了它们特、缺点和适用范围。冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具和干袋模具压制。湿袋模具压制压制装置图11-22(a)所表示。把无须外力支持也能保持一定形状薄壁软模装入粉末料，用橡皮塞塞紧密封袋口然后套装入穿孔金属套一起放入高压容器中，使模袋泡浸在液体压力介质中经受高压泵注入高压液体压制。湿袋模具压制优点：能在同一压力容器内同时压制多种形状压件；模具寿命长、成本低。湿袋模具压制关键缺点是，装袋脱模过程中消耗时间较多。干袋模具压制压制方法图11-22(b)所表示。干袋固定在简体内，模具外层衬以穿孔金属护套板，粉末装人模袋内靠上层封盖密封。高压泵将液体介质输入容器内产生压力使软模内粉末均匀受压。压力除去后即从模袋取出压块，模袋仍然留在容器内供下次装料用。干袋式模具压制特点是生产率高，易于实现自动化，模具寿命较长，据报道自动干袋模具压制生产率可达10～15个／min。直径较大制品(如直径为150mm)生产率也能够达成300件／h。11．8．2热等静压制把粉末压坯或把装入特制容器(粉末包套)内粉末体置入热等静压机高压容器中，施以高温和高气压，使这些粉末体被均匀压制和烧结成致密零件或材料过程称为粉末热等静压制。粉末体(粉末压坯或包套内粉末)在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压联合作用，能够强化压制和烧结过程，降低制品烧结温度，改善制品组织结构。消除材料内部颗粒间缺点和孔隙，提升材料致密度和强度。热等静压制设备通常是由装备有加热炉体压力容器和高压介质输送装置及电气设备组成。但热等静压制技术发展中一个值得重视动向是用预热炉在热等静压机外加热工件，省去压力容器内加热炉体，这将会提升压机容器有效容积，消除了因为容器内炉体装接电极柱造成密封困难，成倍地提升热等静压机工作效率。热等静压机压力容器是用高强度钢制成空心圆筒体，直径通常为150~1500mm，高500～3500mm，工件体积在O.028~2m3之间。通常压力范围7~200MPa，最高使用温度范围通常为1000—2300℃。压力容器关键有两种密封形式，即螺纹式及框架式。螺纹式密封热等静压机压力容器容积全部比较小，只适于在试验室内压制小型制品。框架式密封压力容器特点是容积大，运转速度快，操作方便，安全可靠。除压力容器外，容器内加热炉是热等静压机关键部件，关键由加热元件、热电偶和隔热屏组成。加热元件材料按设计温度范围选定。当炉子设计温度为1000～1200℃时，可选择Fe-Cr-Al-Co耐热合金丝作发烧元件，它可在1230℃长久使用。当设计温度在1700℃以上时，可选择钼丝、石墨、钨丝等作发烧元件，但这些材料需要在保护气氛或惰性气氛中工作。热等静压制时常选择惰性气体如氦及氩作压力介质。因为氩气热导率比氦低(氩热导率为0.158kW／m·K，氦热导率为l.38kW／m·K)，用氩气作压力介质时能够使工作区炉温很快地达成所要求温度并能保持温度分布均匀。另外，氩气成本比氦低。在热等静压制系统中必需正确可靠地控制压力和温度参数。合适自动化能降低成本和确保安全，二者对于有效组织生产全部是十分关键。经典热等静压升温加压过程图11-23中所表示。升压和降压速度通常不需任何控制，温度控制需要尤其注意。炉内温度分布均匀度很大程度取决于炉子设汁和电热体配置。现在，工业上使用炉体恒温时温度均匀度可控制在±5℃到±14℃之间，连续冷却速度可大于30℃／min。热等静压是消除制品内部残余微量孔隙和提升制品相对密度有效方法。现在已经有很多金属粉末或非金属粉末采取热等静压法压得靠近理论密度值制品和材料，如表11-7所表示。中国外已采取热等静压技术制取了核燃料棒、粉末高温合金涡轮盘、钨喷嘴、陶瓷及金属基复合材料等。至今，它在制取金属陶瓷、硬质合金、难熔金属制品及其化合物、粉末金属制品、金属基复合材料制品、功效梯度材料、有毒物质及放射性废料处理等方面全部得到了广泛应用。热等静压技术已成为提升粉末冶金制品性能及压制大型复杂形状零件优异技术。表11-8中比较了多个粉末冶金高温合金力学性能。图11-24显示了热等静压技术压制部分产品。11．8．3烧结熟等静压法烧结-热等静压制(sinter-HIP)过程是把经模压或冷等静压制坯块放入热等静压机高压容器内，依次进行脱蜡、烧结和热等静压制，使工件相对密度靠近100％。这是继常规热等静压制技术以后开发出一个优异工艺。脱蜡(或其它成形剂)和烧结可在真空状态下或在工艺确定气体(如氯、氮氢混合气、甲烷)保护下进行。根据传统烧结概念，液相和固相烧结全部会促进烧结坯块内部孔隙降低，并产生收缩和致密化。在这一过程中，烧结温度和时间是要正确控制参数，热等静压制是使烧结坯块密度深入提升，以靠近理论密度值。压块在同一炉体(压力容器)内进行烧结和热等静压制，压块在烧结后期直接施加高压，这就避免了降温冷却升温加热附加操作，也避免了压坯转运时可能受到损坏，并保持烧结和热等静压制时温度稳定。烧结-热等静压过程巾热等静压制阶段使产品均匀收缩和致密化，温度、压力、时间三个工艺参数相互关系示于图11-25。粉末体致密化是由材料塑性、高温下蠕变和原子扩散速度所确定。试验结果表明，液相烧结材料在较低压力下短时热处理能够完全致密化，固相烧结材料要完全致密化则需要更高压力和更长时间。烧结-热等静压已在硬质合金、钛合金、优异陶瓷材料制备方面取得了广泛应用。11．8．4准热等静压工艺热等静压技术即使有很多优点，但存在设备昂贵和加工周期长等缺点，即使采取在高压容器中加压介质急剧对流和在炉内强制冷却等方法提升生产效率，但效率仍显著低于一般冶炼方法。为克服上述缺点所发展准热等静压技术(ceraconprocess)是利用简单设备以较高效率生产大致含有各向同性制品或材料一个工艺方法。该方法是采取一个高温下含有流体特征颗粒(如石墨颗粒、陶瓷颗粒)作为传输压力介质以替换热等静压制所用惰性气体。工作时，将经过预烧粉末预制件在保护气氛中加热至致密化温度，将作为加压介质陶瓷颗粒也加热至相等温度并充填于加压容器中，然后将经过加热预制件插入其中，陶瓷颗粒流动将施加单向压力转变为等静压施加于预制件上，使之在保持原来形状基础上致