粉末冶金特种成形技术

第5章粉末冶金特种成形技术5.1概述粉末的制备、成形和烧结是粉末冶金过程中的三个基本环节。

传统的粉末冶金成形通常是将需要成形的粉末装入钢模内，在压力机上通过冲头单向或双向施压而使其致密和成形，压机能力和压模的设计成为限制压件尺寸及形状的重要因素。

由于粉末与模壁的摩擦而使压力降低，使成形密度不均匀，限制了大型坯件的生产。

所以，传统的粉末冶金零件尺寸较小，单重较轻，形状也简单。

随着粉末冶金产品对现代科学技术发展的影响日益增加，对粉末冶金材料性能以及产品尺寸和形状提出了更高的要求，传统的钢模压成形难以适应需要。

为了解决上述问题，很多学者广泛地研究了各种非模压成形方法，相对于传统的模压成形，将后者称之为粉末冶金特种成形技术。

粉末冶金成形技术一直处于不断发展演化过程中，从传统的单向压制到双向压制，再到等静压成形，从冷等静压成形到热等静压成形，还出现了准等静压成形（包括陶粒压制、STAMP工艺、快速全向压制等）、温压成形、流动温压成形、高压温压成形、喷射成形、挤压成形、粉浆浇注成形、粉末轧制成形、粉末锻造成形、金属粉末注射成形、粉末电磁成形等特种成形技术。

有些技术既是粉末成形过程，也是烧结过程，如粉末热等静压成形、放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结等。

目前，现代粉末冶金成形技术正朝着高致密化、高性能化、高生产效率、低成本方向发展。

不同的特种成形方法具有不同的特点，应从坯件的性能、形状和尺寸三方面适应制品的特殊需要。

本章将对它们的原理、特点、工艺及应用等进行论述。

其中粉末喷射成形、注射成形分别在第4章与第8章中讨论，而放电等离子烧结、爆炸烧结、选择性激光烧结技术在“粉末冶金特种烧结技术”中讨论。

5.2 等静压成形(IP)等静压成形（Isostatic Pressing）是借助于高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。

世界上最早的等静压机于1939年在瑞典研制成功。

等静压成形的显著优点是能压制形状复杂的压件，且密度分布均匀、强度高，其压制压力较钢模压制法低。

通常，等静压成形按其特性分成冷等静压和热等静压，前者常用水或油作压力介质，故有液静压、水静压或油水静压之称；后者常用气体(如氩气)作压力介质，故有气体热等静压之称。

5.2.1 冷等静压制(CIP)[1]5.2.1.1 冷等静压制成形技术的发展及工艺过程金属粉末的冷等静压制技术（Cold Isostatic Pressing）由Westinghouse Lamp Company 公司的Madden于1913年发明[2]，当时是用来制备钨、钼丝的坯体，至今该技术还用于难熔金属工业。

用于半自动化生产陶瓷部件的干袋式冷等静压制技术由Champion Spark Plug公司的Jeffrey于1942年发明[3]。

第二次世界大战中，CIP技术扩展到压制炸药、陶瓷、铍及其它防护材料；二战后，制造出容量更大、承受压力能力更高的容器用来压制金属、陶瓷的粉末材料。

1970年，压力腔直径为610mm、长为2450mm，压力达到551MPa的压机用于铍粉末的压制。

目前，很大一部分金属粉末及部件的生产都把冷等静压成形为生产工艺的主要步骤，包括钨、钼、铍、钽、碳化钨/钴合金、P/M高速钢、P/M复合材料等。

压制压力可从200MPa到400MPa变化，特殊的达到760MPa，弹性体包套内的粉末体从理论密度的55~65%通过CIP可压制到理论密度的75~85%。

冷等静压制可作为热等静压制的预致密化步骤，烧结后还可锻造、挤压、轧制、冲压及热等静压等。

冷等静压力机主要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、输送流体的高压管道和高压阀门等。

物料装入弹性模套中，然后将其放入高压容器内。

压力泵将过滤后的流体注入压力容器内使弹性模套受压。

当施加压力达到了所要求的数值之后，启开回流阀使流体返回储罐内备用。

等静压力机按照工作室尺寸、压力及轴向受力状态可分成三种基本类型，即拉杆式、螺纹式及框架式；按粉料装模及其受压形式又可分为湿袋模具压制和干袋模具压制。

冷等静压压制工艺过程包括：模具材料的选择及模具的制作；粉末料的准备以及将粉料装入模袋；密封、压制和脱模。

(1)模具材料的选择及模具的制作不同的粉末体在等静压制成形时需要不同的压力。

金属粉末的等静压制成形压力范围为220~440MPa，陶瓷及碳化物的成形压力范围为70~220MPa。

显然，压制金属粉末需要的模具材料应比压制陶瓷粉末需要的模具材料要求更高。

因此，等静压制模具材料必须满足下列要求：应有一定的强度和弹性，装粉时能保持原来的几何形状；应具有较高的抗磨耗性能，且易于加工；不与压力介质发生物理化学作用；材料不易粘附在压坯上，使用寿命长，价格便宜。

(2)粉末料的准备粉末料的工艺性能如流动性、松装密度、摇实密度、粒度分布等都直接影响压制过程和压坯的质量。

其中以粉末料的流动性影响最大，因为流动性好的粉末料装填入模袋内能均匀地填充；在压力的作用下粉末被均匀压缩，压制品的尺寸形状易控制，密度均匀。

树枝状多角形或不规则形的粉末通过压制容易得到强度较高的压块。

粉末料的适当湿度有助于压块获得较高的密度；但湿度过大(超过4%)时又因压制过程中难以从模袋内排除空气，容易造成压块分层和在烧结时开裂。

(3)装料和密封抽气料袋内粉末装入的均匀程度直接影响压块的质量。

因此，模袋应放置在电磁振动台上装料，通过振动器的振动使粉末摇实均匀地分布。

通常，第一次装满料后，振动30秒以后就可边振边装，直至装满为止。

(4)压制和脱模密封(抽空)装料模袋要套上多孔金属管，放置在等静压机的高压容器内，把容器上端的活塞和压紧螺帽装好，旋松放气孔的螺钉，旋紧回油阀门(卸压阀)，开动压力泵把液体介质压入容器直至充满并从放气孔冒出为止；随即旋紧放气孔的螺钉，开动高压泵使压力直升到所需要的成形压力为止。

5.2.1.2 冷等静压制的应用状况采用冷等静压制成形的零部件包括：昂贵材料，如钛、钨、钼、钽等；难加工材料，如碳化钨/钴合金、碳化钛/铁合金、钛及工具钢；复杂形状的零件；有桥接结构的材料，如层状材料或多孔/致密材料。

图5-1(a、b、c、d)为用CIP压制的P/M零部件。

(a)用于内圆形与内方形的硬加工衬底的(b)有密度与孔状设计区域的CIP压制零件复杂CIP压制P/M零件(c)锻造CIP压制钛合金与铝合金产品(d)CIP压制Ti-6Al-4V粉末薄壁管(Ф200×500)图5-1 冷等静压制的P/M零件[4-6]另外，冷等静压法在开发高功能、多用途的各向同性石墨，满足尖端科技领域需要方面得到较大的应用。

这是由于冷等静压法制造的石墨各向同性好、机械强度高，而且石墨本身具有良好的电与热传导性、熔点高、抗热冲击性好、易于机械加工、密度小等优点[7,8]。

如在半导体行业中，可用于硅单晶制造用加热器，硅单晶拉拔用坩埚、加热体、盘子，硅晶片表面成层用架子，集成电路组装用模具，化合物半导体用加热体、坩埚等；在冶金行业中，用作金属连续铸造结晶器与超硬材料生产用耐高温、高压的模具材料；电火花加工用石墨电极；各向同性石墨是原子反应堆中理想的减速材料与反射材料；火箭的点火极、激励极、喷嘴和舵板；各向同性石墨还可应用于机械、化工、电器、生物等行业中作为密封环、活塞环、轴承、换热器、电刷、人造骨、人造牙、心脏瓣膜等。

5.2.2 热等静压制(HIP)5.2.2.1 HIP技术原理及特点美国Battelle研究所于1955年开发热等静压技术（Hot Isostatic Pressing），首先用于原子能反应过程中燃料元件的扩散粘结，故当时被称为“气压粘结”[9]。

HIP技术基本原理是：以惰性气体为压力介质，把粉末压坯或粉末包套(把装入特制容器内的粉末体)置入热等静压机高压容器中，使其在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用使材料致密化。

1963年瑞典ASEA公司用预应力钢丝缠绕结构制造HIP设备的主要结构——高压容器，其结构紧凑、安全可靠，奠定了HIP技术大力发展的基础。

HIP 技术最显著的特点是，粉末体（粉末压坯或粉末包套）在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，降低了制品的烧结温度，降低幅度达到10~15%以上，并使处理后的材料仍保持细晶粒的晶体结构，从而显示出HIP技术在粉末冶金与陶瓷材料烧结方面的优势。

温度、压力、时间三个工艺参数在热等静压过程中均可调整控制，可有效地消除制品内部残存的微量孔隙和提高制品相对密度。

目前已有许多金属粉末或非金属粉末采用HIP法获得接近理论密度值的制品和材料。

HIP与热压法相比，前者制取的制品密度要高，尤其在压制难熔金属(如钼)时差别更为明显。

同一材料的热等静压制温度比热压法低，例如难熔金属及其化合物的热等静压制温度通常为其熔点的50%，而热压法为其熔点的70%。

考虑到低的压制温度有利于获得细晶粒的合金材料（如粉末高速钢），有利于制取一般方法难于制取熔点悬殊的层叠复合材料，所以热等静压材料性能普遍高于热压法制取的材料的性能。

烧结-HIP法是继常规热等静压制技术后的一种先进工艺。

其压制过程是把经模压或冷等静压制的坯块放入热等静压机高压容器内，分别进行脱蜡、预烧结、真空烧结和热等静压制，使工件的相对密度接近100%。

脱蜡（或其它成形剂）和烧结可在真空下或在工艺确定的气体（如氢、氮氢混合气、甲烷）保护下进行。

按照传统的烧结概念，液相和固相烧结都会促进烧结坯块内部孔隙减少，并产生收缩和致密化。

在这一过程中，烧结温度和时间是准确控制的参数。

热等静压制能使烧结坯密度进一步提高，以接近理论密度值。

压块在同一炉体（压力空器）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和再升温加热的附加操作，也避免了压块移动时可能受到的损坏，并保持烧结与热等静压制时温度的稳定。

烧结-热等静压过程中的热等静压制阶段使产品均匀收缩与致密化。

粉末体的致密化是由材料的塑性、高温下蠕变和原子扩散速率所确定。

试验结果表明，液相烧结材料在低压下短时热处理可以完全致密化。

固相烧结材料要完全致密化则需要更高的压力和更长的时间。

烧结-热等静压工艺方法的目标是使产品的相对密度接近100%。

要达到此目标必须确定下列参数：①确定合理的烧结压力、温度及时间参数；②确定热等静压最大压力、温度及时间参数。

5.2.2.2 HIP设备简介[10]热等静压装置主要由压力容器、气体增压设备、加热炉和控制系统等几部分组成。

其中压力容器部分主要包括密封环、压力容器、顶盖和底盖等；气体增压设备主要有气体压缩机、过滤器、止回阀、排气阀和压力表等；加热炉主要包括发热体、隔热屏和热电偶等[11]，压力容器内有电阻加热器，加热器外层有隔热层保护压力容器壁；冷却装置中，冷却水通过再生冷却回路，管道内冷却水与压力容器外壳进行热交换，采用去离子水和防锈剂，以确保冷却水的质量和保护冷却系统；控制系统由功率控制、温度控制和压力控制等组成。