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粉末冶金(金属陶瓷法)

2020-05-27 17:06公司新闻 人已围观

简介粉末冶金(金属陶瓷法)_材料科学_工程科技_专业资料。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(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,制取金属材料、复合材料...

  粉末冶金(金属陶瓷法)_材料科学_工程科技_专业资料。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(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,制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。目前,粉末冶金 技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航

  粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(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,制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。目前,粉末冶金 技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等 领域,成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性 能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点,非常适合于大批量生产。另外,部分用传统 铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造, 因而备受工 业界的重视。 广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。 狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品,包括粉末冶金零件(占绝大部分)、含油轴承和金 属射出成型制品等。本报告使用的行业定界为狭义范围。 2 特点编辑 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能,而这些性能是用传统的熔铸方法无 法获得的。 运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、 半致密或全致密材料和制品, 如含油轴承、 齿轮、凸轮、导杆、刀具等,是一种少无切削工艺。 (1) 粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚, 消除粗大、 不均匀的铸造组织。 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)具有重要的作用。 (2)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。 (3)可以容易地实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料各自的特性,是一种低成 本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 (4)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、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 (5)可以实现近净形成形和自动化批量生产,从而,可以有效地降低生产的资源和能 源消耗。 (6)可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料,是一种 可有效进行材料再生和综合利用的新技术。 我们常见的机加工刀具,五金磨具,很多就是粉末冶金技术制造的。 3 制备编辑 (1)生产粉末。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 成型性和可塑性通常加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂。 (2)压制成型。粉末在 15-600MPa 压力下,压成所需形状。 (3)烧结。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。 (4)后处理。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。 粉末的制取方法 制取粉末是粉末冶金的第一步。粉末冶金材料和制品不断的增多,其质量不断提高, 要求提供的粉末的种类愈来愈多。例如,从材质范围来看,不仅使用金属粉末,也使用合金 粉末,金属化合物粉末等;从粉末外形来看,要求使用各种形状的粉末,如产生过滤器时, 就要求形成粉末;从粉末粒度来看,要求各种粒度的粉末,粗粉末粒度有 500~1000 微米超 细粉末粒度小于 0.5 微米等等。 为了满足对粉末的各种要求,也就要有各种各样生产粉末的方法这些方法不外乎使金 属、合金或者金属化合物呈固态、液态或气态转变成粉末状态。制取粉末的各种方法以及各 种方法制的粉末。 呈固态使金属与合金或者金属化合物转变成粉末的方法包括: (1)从固态金属与合金制取金属与合金粉末的有机械粉碎法和电化腐蚀法: (2)从固态金属氧化物及盐类知趣金属与合金粉末的还原法从金属和分金属粉末、金 属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的还原-化合法 呈液态使金属与合金或者金属化合物转变成粉末方法包括: (1)从液态金属与合金制取与合金粉末的有雾化法 (2) 从金属盐溶液置换和还原制取金属合金以及包覆粉末的有置换法、 溶液氢还原法; 从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐陈定法; 从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末 的有金属浴法。 (3)从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的有水溶液电解法;从金属熔盐点解制取 金属和金属化合物粉末的有熔盐电解法。 呈气态使金属或者金属化合物转变成分末的方法: (1)从金属蒸汽冷凝制取金属粉末的有蒸汽冷凝法; (2)从气态金属碳基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的有碳基物热离解法 (3)从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢 还原法;从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的有化学气相沉积法。 但是,从过程的实质来看,现有制粉方法大体上可归纳为两大类,即机械法和物理化学 法。机械法是将原材料机械的粉碎,而化学成分基本上不发生变化的工艺过程;物理化学法 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的工艺过程, 粉末 的生产方法很多从工业规模而言, 应用最广泛的汉斯还原法、 雾化法和电解法有些方法如气 相沉积法和夜相沉积法在特殊应用时亦很重要。[1] 粉末冶金工艺的基本工序是: 1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类:机械法和物理化学法。而机械 法可分为:机械粉碎及雾化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合法、还原化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电 解法。 2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯,并使其具 有一定的密度和强度。 成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。 加压成型中应用最多的 是模压成型。 3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得 到所要求的最终物理机械性能。 烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。 对于单元系和多元系 的固相烧结,烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;对于多元系的液相烧结,烧结温度一 般比其中难熔成分的熔点低,而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外,还有松装烧结、熔浸 法、热压法等特殊的烧结工艺。 4、产品的后序处理。烧结后的处理,可以根据产品要求的不同,采取多种方式。如精 整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外,近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶 金材料烧结后的加工,取得较理想的效果。 粉末性能(property of powder) 粉末所有性能的总称。它包括:粉末的几何性能(粒度、比表面、孔径和形状等);粉末 的化学性能(化学成分、纯度、氧含量和酸不溶物等);粉体的力学特性(松装密度、流动性、 成形性、压缩性、堆积角和剪切角等);粉末的物理性能和表面特性(真密度、光泽、吸波性、 表面活性、 ze%26mdash;ta(%26ccedil;)电位和磁性等)。 粉末性能往往在很大程度上决定了 粉末冶金产品的性能。 几何性能最基本的是粉末的粒度和形状。 (1)粒度。它影响粉末的加工成形、烧结时收缩和产品的最终性能。某些粉末冶金制品 的性能几乎和粒度直接相关, 例如, 过滤材料的过滤精度在经验上可由原始粉末颗粒的平均 粒度除以 10 求得;硬质合金产品的性能与 wc 相的晶粒有很大关系,要得到较细晶粒度的 硬质合金,惟有采用较细粒度的 wc 原料才有可能。生产实践中使用的粉末,其粒度范围从 几百个纳米到几百个微米。粒度越小,活性越大,表面就越容易氧化和吸水。当小到几百个 纳米时,粉末的储存和输运很不容易,而且当小到一定程度时量子效应开始起作用,其物理 性能会发生巨大变化,如铁磁性粉会变成超顺磁性粉,熔点也随着粒度减小而降低。 (2)粉末的颗粒形状。它取决于制粉方法,如电解法制得的粉末,颗粒呈树枝状;还原 法制得的铁粉颗粒呈海绵片状; 气体雾化法制得的基本上是球状粉。 此外, 有些粉末呈卵状、 盘状、针状、洋葱头状等。粉末颗粒的形状会影响到粉末的流动性和松装密度,由于颗粒间 机械啮合, 不规则粉的压坯强度也大, 特别是树枝状粉其压制坯强度最大。 但对于多孔材料, 采用球状粉最好。 力学特性粉末的力学性能即粉末的工艺性能,它是粉末冶金成形工艺中的重要工艺参 数。 粉末的松装密度是压制时用容积法称量的依据; 粉末的流动性决定着粉末对压模的充填 速度和压机的生产能力; 粉末的压缩性决定压制过程的难易和施加压力的高低; 而粉末的成 形性则决定坯的强度。 化学性能主要取决于原材料的化学纯度及制粉方法。较高的氧含量会降低压制性能、 压坯强度和烧结制品的力学性能, 因此粉末冶金大部分技术条件中对此都有一定规定。 例如, 粉末的允许氧含量为 0.2%~1.5%,这相当于氧化物含量为 1%~10%。 4 应用编辑 粉末冶金相关企业主要是适用于汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事 工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究,相关原料、辅料生产, 各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品 等等。军工企业中,重型的武器装备如穿甲弹,鱼雷等,飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶 金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场,约 50%的 汽车零部件为粉末冶金零部件。[2] (1)应用:(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。 (2)分类: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、和粉末冶金电磁材料和粉末冶金高温材料等。 国内外 SPS 的发展与应用状况 SPS 技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结,因此在有的文献上也被称 为等离子活化烧结或等离子辅助烧结(plasmaactivatedsintering-PAS 或 plasma-assistedsintering-PAS)[1,2]。早在 1930 年,美国科学家就提出了脉冲电流烧结原 理,但是直到 1965 年,脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了 SPS 技 术的专利,但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题,因此 SPS 技术没有得到推广 应用。 1988 年日本研制出第一台工业型 SPS 装置,并在新材料研究领域内推广使用。1990 年以后,日本推出了可用于工业生产的 SPS 第三代产品,具有 10~100t 的烧结压力和脉 冲电流 5000~8000A。最近又研制出压力达 500t,脉冲电流为 25000A 的大型 SPS 装置。 由于 SPS 技术具有快速、低温、高效率等优点,近几年国外许多大学和科研机构都相继配 备了 SPS 烧结系统,并利用 SPS 进行新材料的研究和开发[3]。1998 年瑞典购进 SPS 烧 结系统,对碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料进行了较多的研究工作[4]。 国内近三年也开展了用 SPS 技术制备新材料的研究工作[1,3],引进了数台 SPS 烧结 系统,主要用来烧结纳米材料和陶瓷材料[5~8]。SPS 作为一种材料制备的全新技术,已引 起了国内外的广泛重视。 SPS 的烧结原理 3.1 等离子体和等离子加工技术[9,10] SPS 是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物 质状态,是除固态、液态和气态以外,物质的第四种状态。等离子体是电离气体,由大量正 负带电粒子和中性粒子组成,并表现出集体行为的一种准中性气体。 等离子体是解离的高温导电气体,可提供反应活性高的状态。等离子体温度 4000~ 10999℃,其气态分子和原子处在高度活化状态,而且等离子气体内离子化程度很高,这些 性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。 等离子体加工技术已得到较多的应用,例如等离子体 CVD、低温等离子体 PBD 以及 等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子刻蚀方面,在制备高纯 碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。 而等离子体的另一个很有潜力的应用领域是在陶瓷材 料的烧结方面[1]。 产成等离子体的方法包括加热、放电和光激励等。放电产生的等离子体包括直流放电、 射频放电和微波放电等离子体。SPS 利用的是直流放电等离子体。 SPS 装置和烧结基本原理 SPS 装置主要包括以下几个部分:轴向压力装置;水冷冲头电极;真空腔体;气氛控 制系统(真空、氩气);直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量、和安全等控制单元。 SPS 的基本结构如图 1 所示。 SPS 与热压(HP)有相似之处,但加热方式完全不同,它是一种利用通-断直流脉冲 电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、 放电冲击压力、 焦耳热和电场扩散作用[11]。 SPS 烧结时脉冲电流通过粉末颗粒如图 2 所示。 在 SPS 烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各 个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波 烧结法类似,SPS 是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS 烧结过程可以 看作是颗粒放电、 导电加热和加压综合作用的结果。 除加热和加压这两个促进烧结的因素外, 在 SPS 技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落; 高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质 (如去处表面氧化物等) 和吸附的气 体。电场的作用是加快扩散过程[1,9,12]。 SPS 的工艺优势 SPS 的工艺优势十分明显:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产 效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度的材料,可以烧 结梯度材料以及复杂工件[3,11]。与 HP 和 HIP 相比,SPS 装置操作简单,不需要专门的 熟练技术。文献[11]报道,生产一块直径 100mm、厚 17mm 的 ZrO2(3Y)/不锈钢梯度材料 (FGM)用的总时间是 58min,其中升温时间 28min、保温时间 5min 和冷却时间 25min。 与 HP 相比,SPS 技术的烧结温度可降低 100~200℃[13]。 SPS 在材料制备中的应用 目前在国外, 尤其是日本开展了较多用 SPS 制备新材料的研究, 部分产品已投入生产。 SPS 可加工的材料种类如表 1 所示。除了制备材料外,SPS 还可进行材料连接,如连接 MoSi2 与石磨[14],ZrO2/Cermet/Ni 等[15]。 近几年,国内外用 SPS 制备新材料的研究主要集中在:陶瓷、金属陶瓷、金属间化合 物,复合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料,他包括热电材料[16] 、磁 性材料[17] 、功能梯度材料[18] 、复合功能材料[19]和纳米功能材料[20]等。对 SPS 制备 非晶合金、形状记忆合金[21] 、金刚石等也作了尝试,取得了较好的结果。

Tags: 成都喷涂  喷涂  金属陶瓷粉末  喷涂材料 

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