《粉末冶金技术》课件

刘颖四川大学材料学院1主要内容21.雾化法制备金属粉末----低氧含量铁粉生产在无氧气氛中进行,并包含一些石蜡,这些分解为碳与氢。碳与铁反响,形成很薄的富碳外表层。碳含量使颗粒的延性降低,但提高了外表的烧结活性。在粉末压块中,碳易于扩散到颗粒中心及相邻的颗粒中,因而可用于生产不需添加石墨的粉末冶金钢。瑞典IPS钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉,其氧含量低于(0.015%)。3对于粉末冶金应用来说,这种无氧粉末允许使用廉价的合金元素(铬和锰等)代替镍和铜。镍作为战略性资源，不但价格昂贵，并且还是一种致癌物,应尽量防止使用。这种粉末也很适合于用温压与热等静压工艺来生产高强度部件。4为提高烧结钢的力学性能,通常在烧结后还须进行热处理。为降低生产本钱,开发了许多烧结后已硬化、不须再进行热处理的材料。美国Hoeganaes公司推出了一种烧结硬化铁基粉末Ancoresteel737SH,其淬透性与压缩性均比现有的烧结硬化材料高。2.烧结硬化粉56

目前软磁复合材料已得到广泛应用。它们是在纯铁粉颗粒上包覆一层氧化物或热固化树脂进行绝缘而制成的。在低频应用中,采用粗颗粒铁粉与热固化树脂混合,获得高磁导率与低铁损的材料。高频应用时,颗粒间需要更有效地进行绝缘,因而粒度要更小,以进一步减少涡流损失。它可制成各向同性的软磁复合部件,但不需要高温烧结。粉末晶粒度增大时,磁导率增大,矫顽力降低。2.软磁金属复合粉制备78目前，该法已用于生产SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物纳米粉。该法生产的纳米粉末本钱十分低廉，按年产100吨纳米粉估算,每公斤纳米粉的本钱不会高于50美元。9美国采用普通搅拌器、激光与廉价的反响材料,可快速、廉价、干净地生产1～100nm的银粉与镍粉。4.激光生产纳米粉末10例如,将硝酸银溶液与一种复原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。当激光脉冲射到液体时，形成极小的“热点〞,使硝酸银与复原剂发生反响,生成极小的银颗粒。通过改变激光强度、搅拌器转速与反响成分,可控制银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。11该法生产速度为0.5-30g/min,比其他纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用反响材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。12

大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上,并受到大功率脉冲产生的特殊场约束。柱形等离子体被加热到15000Ｋ以上高温,因而电阻剧增,引起特殊场崩溃。金属蒸气的高压引起爆炸,产生冲击波,形成的金属气溶胶快速绝热冷却,制得纳米粉。5.电爆炸金属丝制取纳米粉1314澳大利亚开发出一种机械化学法,可廉价生产纳米金属粉与陶瓷粉。它采用球磨机来激活化学反响,使形成极细的纳米金属或化合物晶粒,再别离与提取微细晶粒。例如机械研磨FeCl3,由钠、钙或铝将其复原为铁与氯化物的混合物。用适当洗涤法去除氯化物后,便可得到纳米铁颗粒。6.机械化学法生产廉价的纳米粉末1516

7.声化学制取纳米金属粉17这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在冷液中形成“热点〞,瞬时温度约为5000℃,压力约1GPa,持续时间约10亿分之一秒。粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的外表温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几百个原子,直径约为2～3nm。18这些小的磁性金属原子簇,像顺磁体材料一样,磁矩由原子簇的原子自旋构成,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。包覆这些颗粒可形成稳定铁胶体,颗粒永远处于悬浮态,现已作为“磁流体〞工业化生产,用于扬声器,磁性墨水,磁流体密封,润滑剂,轴承,医学等。19原理:将粉末装于一个导电的容器(护套)内,置于高强磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流,线圈腔中形成磁场,护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用,产生由外向内压缩护套的磁力,因而粉末得到二维压制。整个压制过程缺乏1ms。20动磁压制的优点:由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0，因而可到达更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产本钱低；由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材料,因而工作条件更加灵活；由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。21

许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。22动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化,由粉末材料一次制成近终形定子与转子,从而获得高性能产品,大大降低生产本钱。动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高,其磁能积可提高15%-20%。23动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。对于象Ｗ、ＷＣ与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制可到达较高的密度,从而降低烧结收缩率。目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。24

2.高速压制25

高速压制的另一个特点是产生多重冲击波，间隔约03s的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套及轴承座圈等产品。26与传统压制相比,高速压制的优点是：压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；压制件抗拉强度可提高20%～25%；高速压制压坯径向弹性后效很小,脱模力较低；高速压制的密度较均匀,其偏差小于0.01g/cm3。

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将上述两种方法结合起来,混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体,它既具有液体的所有优点,又具有很高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。34流动温压工艺主要特点如下:(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高,经温压后的半成品密度可以到达很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由此得到的材料密度也更加均匀。35(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬质合金粉末。原那么上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能,以便到达所要求的密度和性能。(4)简化了工艺,降低了本钱。364.冷成形工艺37

采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件。3839微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了粒子间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更高的效率。防止了外部加热由于内外温度梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变形等缺陷。40双频微波烧结炉生产用大型微波烧结炉41爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用,爆炸压制时,只是在颗粒的外表产生瞬时的高温,作用时间短,升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得压制的材料密度可以到达理论密度的90%以上,甚至到达99%。42爆炸压制装置示意图43443.放电等离子烧结〔SPS〕45SPS烧结原理示意图46SPS原理是利用强脉冲电流加在粉末颗粒上产生的诸多有利于快速烧结的效应：1〕由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动,可使粉末吸附的气体逸散,粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿,使粉末得以净化、活化;472〕由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生,在粉末颗粒未接触部位产生的放电热,以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热,都大大促进了粉末颗粒原子的扩散,其扩散系数比通常热压条件下的要大得多,而到达粉末烧结的快速化;3〕快速脉冲电流的参加,无论是粉末内的放电部位还是焦耳发热部位,都会快速移动,使粉末的烧结能够均匀化。48与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS烧结原科。成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末外表处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/10~1/20。烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达106℃/s，自动化生产小型制件时的生产率可达400件/h。4950SPS可加工材料51525354SPS制备软磁材料通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非晶合金,在稍高于晶化温度处理后,可得到晶粒数10ｎｍ，具有体心立方结构，高Bs、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目前只能是带材或粉末,制作成品还需要将带材重叠和用树脂固结,这使得成品的密度和Bs均变低。近年,日本采用SPS工艺研究FeMeＢ块材的成形条件及磁性能。55用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是:先将由非晶薄带经球磨制成的50～150μｍ非晶粉末装入WC/Co合金模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度1×10-2Pa以下、升温速度0.09~1.7K/s、温度673～873Ｋ、压力590MPa),再把所得的烧结体在1×10-2Pa真空下、以37K/s速度加热到923Ｋ、保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、100Ｈｚ下的动态磁导率3430,矫顽力12Ａ/ｍ。56SPS制备块状纳米晶FeMeB系永磁材料日本开展了用SPS制备Fe66Co20Nd2Pr7B5异向性永磁的研究。将急冷制作的非晶薄带球磨成37～105μｍ的粉末,装入WC/Co合金模具内,在SPS烧结机上烧结(压力374～636MPa,温度673～873Ｋ),然后将烧结体在真空1×10-2Pa下、于973Ｋ进行180s处理。结果说明:烧结温度873Ｋ、压力636MPa时,烧结体的相对密度达976%～984%。经磁性测定说明,烧结加压方向的最大磁能积比平行方向的要大,并且随着SPS烧结温度和压力的升高,异向性增加。57日本还研究了用作交换弹簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6块状纳米晶材料的研究。采用SPS工艺,将急冷制取的薄带烧结成块材。试验结果说明:采用压力940MPa、温度948K、保温1Min的SPS工艺可得到很好的磁性:Br=1.02T,Hcj=461kA/ｍ,(BH)ｍ=122kJ/m3,Hk/Hcj=30%,ρ=7.67g/cm3。在373Ｋ×1ｈ加热条件下,材料的不可逆磁损只有4%,与MQP-B粘结磁体大致相同。58SPS制备BaTiO3高介电材料日本报道了将BaTiO3粉末装入石墨模具内,采用SPS工艺(加压39MPa,通入电流4000Ａ,温度1373Ｋ,时间3Min)制成的烧结体,其密度可达5.82g/cm3,到达理论密度的97%,而采用传统烧结方法只能到达88%;SPS烧结体的晶粒尺寸根本上为0.5μｍ,而传统烧结时为1～1.5μｍ。SPS烧结体的介电系数到达6200,而传统烧结仅能到达2400。596061高纯、高密度SiC的烧结采用SPS可使不含结合剂的SiC烧结到99%以上的理论密度,而采用传统烧结法只能到达92%～93%。SPS的烧结工艺为:温度2673Ｋ、升温和保温时间7Min。下表列出在两种烧结方法下SiC陶瓷性能的比较。6263将SiC晶须装入石墨模内,在1973~2273Ｋ，10~80MPa、5~60Min工艺条件下作了较系统的烧结研究。当烧结压力