剖析粉末冶金技术的前世今生

点击量:724 发布时间:2017-05-03 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
粉末冶金历史
粉末冶金是一门古老的冶金技术。在2500多年前就已用海绵铁锻造法制造铁器了。19世纪后期至20世纪初,用粉末冶金方法制取了钼、钽、铌等难熔金属。20世纪初,用粉末冶金技术研制成功了硬质合金、多孔性金属含油轴承、钨-铜、钨-铜-镍复合材料等。随着20世纪40年代,欧洲开始工业生产铁粉。含油轴承的发明、硬质合金的生产推动了粉末冶金在机械制造业的发展。
 
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2.粉末冶金原理
粉末成形是指将金属粉末或非金属粉末(或混合粉末)通。生产金属粉末和用金属粉末(也包括非金属粉末)作为原料经过过压制、烧结,制成具有一定形状、尺寸、强度的金属材料、复合材料和各种类型制品的冶金工程与材料科学和机械零件制造技术。
 
粉末冶金技术具有如下特点:
·某些特殊性能材料的唯一制造方法;
·可直接制出尺寸准确,表面光洁的零件; 
·能够大量节约材料、无切削、少切削,普通铸造合金切削量在30-50%,粉末冶金产品可少于5%; 
·节约材料和加工工时,成本低; 
·制品强度较低;流动性较差,形状受限制; 
·压制成形的压强较高,制品尺寸较小; 
·压模成本较高。
 
粉末冶金技术主要包括原始粉末制备、成型和烧结等几个主要工序,如图1所示。
▲ 图1 粉末冶金技术流程图
 
2.1粉末制备
①机械法:通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法;
 
②物理法:采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变,获得粉末;
 
③化学法:依靠化学反应或电化学反应过程,生成新的粉态物质。
 
2.2成型技术
粉末成形技术是粉末冶金工艺的重要步骤,其粉末成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金技术常用的成形方法如图2所示。其中模压成型是最基本的方法。
▲ 图2 粉末冶金技术主要成型方法
 
2.3烧结技术
粉末烧结是将压坯置于基体金属熔点以下温度(约0.7~0.8T,单位K)加热保温,粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接,致使压坯收缩并强化;依靠热激活作用,原子发生迁移,粉末颗粒形成冶金结合,最终获得所需材料。
 
烧结技术和成型技术是粉末冶金技术的二个关键步骤。
 
粉末烧结技术定义:压坯置于基体金属熔点以下温度(约0.7~0.8T,单位K)加热保温,粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接,致使压坯收缩并强化,这一过程称为烧结;
 
粉末冶金技术目的:依靠热激活作用,原子发生迁移,粉末颗粒形成冶金结合;提高烧结体的强度;
 
粉末冶金技术原理:粉末在热激活状态下,表面能降低,导致空隙减小,密度增大,强度增加;
 
粉末冶金技术影响因素:烧结温度、保温时间、加热和冷却速度。
 
2.4后处理技术
后处理技术是对粉末冶金工艺获得的零部件进行如精整、浸油、机加工、热处理及电镀处理,从而获得满足实际要求的粉末冶金零部件。目前主流的后处理技术包括热处理、熔渗及浸渍工艺等。
 
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金属粉末3D打印
3D打印技术,就是在计算机中将3D CAD模型分成若干层,通过3D打印设备在一个平面上按照3D CAD层图形,将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起,然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积,最后形成一个三维物体金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。
 
金属粉末3D打印技术具有如下技术特点:
 
·数字制造:由零件数字模型直接驱动材料的堆积过程,可快速、高效和精确地再现三维模型;
 
·降维制造(分层制造):在三维空间中进行二维加工、三维堆叠,加工柔性极高、可加工极为复杂的零件;
 
·堆积制造:零件所有部分都通过材料的受控堆积成形,可对各个位置的材料和微结构进行控制;
 
·直接制造:材料的制备过程可与零件的成形过程一体化,可解决难加工材料的成形问题;
 
·快速制造:省去了铸锭、开坯、锻造、初加工等传统工序,快速获得近净成形的零件。图3为采用金属粉末3D打印技术制备的金属材料零部件。
▲ 图3金属粉末3D打印技术制备的金属材料零部件
 
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粉末冶金工艺的应用
 
4.1机械零部件
 
粉末冶金工艺制备的机械零部件主要包括:
 
·减磨材料:多孔含油轴承、金属塑料减磨材料、致密减磨材料;
 
·机械零件:铁基机械零件、有色金属机械零件;
 
·摩擦材料:铁基摩擦材料、铜基摩擦材料;
 
·多孔材料:过滤器、流体分布元件、多孔电极、发散发汗材料、吸音材料、密封材料
 
▲ 图4 粉末冶金工艺制备的发动机零部件
 
4.2工具材料
 
粉末冶金工艺制备的工具材料主要包括:
 
·硬质合金:含钨硬质合金、无钨硬质合金、钢结硬质合金;
 
·超硬材料:立方氮化硼、金刚石工具;
 
·陶瓷工具材料;
 
·粉末高速钢。
 
▲ 图5 硬质合金刀具
 
4.3磁性材料和电工材料
 
粉末冶金工艺制备的磁性材料和电工材料主要包括:
 
·磁性材料:软磁材料、硬磁材料、高温磁性材料、矩磁铁氧体、旋磁铁氧体;
 
·电接触材料:电触头材料;
 
·电热材料。
▲ 图6 磁性电工材料元器件
 
4.4耐热材料
 
粉末冶金工艺制备的耐热材料主要包括:
 
·粉末超合金;
 
·难熔金属及其合金;
 
·金属陶瓷:高温金属陶瓷、高温涂层;
 
·弥散强化材料;
 
·纤维强化材料。
 
▲ 图7 粉末冶金工艺制备的耐热材料
 
4.5原子能工程材料
 
粉末冶金工艺制备的原子能工程材料主要包括:
 
·核燃料元件;
 
·其他原子能工程材料。
 
▲ 图8 粉末冶金工艺制备的核压水堆的外壁压力容器
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