第7章粉末冶金技术

➢ 生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法， 例如，钨、铝等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但 比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。
粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑，无切屑 的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材 料，提高生产率
• 总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料 的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。
➢ 制取金属化合物粉末的有还原-化合法
在液态下制备粉末的方法
➢ 从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法 ➢ 从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末
的置换法、溶液氢还原法 ➢ 从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法 ➢ 从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法 ➢ 从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法 ➢ 从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解
➢ 能生产各种复合材料，例如，由难熔化合物和金属组成的硬质合 金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。
粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相 比，性能优越:
➢ 高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如 ，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证 合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金 具有细晶粒组织使热加工性大为改善;
• 水雾化时，金属液过热温度低．水压高，水的流 速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且 具有致密颗粒结构的粉末。
• 气体雾化所得的粉末多为表面光滑的球 形，而水雾化法制得的粉末形状不规则。 但水雾化工艺由于采用了密度较高的水 做雾化工作介质，所以达到的凝固冷速 要比一般气体雾化法高一个数量级。
• 成形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。成形方法基本上分加 压成形和无压成形两类;加压成形中用得最普遍的 是模压成形，简称压制。其他加压成形方法有等 静压成形、粉末轧制、粉末挤压等。粉浆浇注是 一种无压成形技术。
(3)烧结技术
• 烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块 通过烧结可得到所要求的物理机械性能。
第七章
粉末冶金技术
粉末冶金
• 粉末冶金是将金属粉末(或掺入部分非金 属粉末)经过成型和烧结制成金属材料或 机械零件的一种工艺方法。
• 它既可用金属粉末直接制成(不经切削加 工，或经少量切削加工)符合装配要求的 零件，又可制造用一般冶炼方法难以生 产的金属材料和制品。
一、粉末冶金的定义
• 粉末冶金是以粉末 (金属粉末或非金属粉末)为 原料，经过成形和烧结制造金属或非金属材料、 复合材料以及各种类型制品的工艺过程。
2.粉末冶金技术的特点
• 粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点 。
从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有 特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。
➢ 能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴 承等;
➢ 能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性 能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属 组成的摩擦材料等;
或MQT)。
➢静力学方法
➢ 针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因 而针对合金凝固过冷度很小的问题，设法提供近似均 匀形核的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高 但也同样可以达到很大的凝固过冷度，从而提高凝固 速度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术 (Large Undercooling Technology)。
• 但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本 高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧 结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的 发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形 技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技 术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。
• 粉末冶金由于其技术上和经济上的巨大优越 性，在国民经济和国防建设中起着非常重要的作 用。美国国家科学基金委员会在向美国总统和国 会提交的“科学展望”中对粉末冶金和快速凝固 技术曾作过如下论述：“这些技术的出现和发展 ，将对运输、空间、能源系统提供大量的经济利 益，并且将加强美国的工业基础，有可能对美国 工业生产局面产生相当大的冲击”。世界上许多 发达国家把粉末冶金的发展放在重要地位，将现
B. 超声气体雾化法(USGA)
• 利用速度高达2.5马赫的高速高频(80～ 100kHz)脉冲气流代替了水流。这种超声气体由 一系列Hartman冲击波管产生，气体多用氩气等 惰性气体以便防止粉末氧化污染。
• 高速高频脉动气流可以把熔体流分离成更细，更 均匀的熔滴，并且熔体也不是象水雾化方法中经 过三个阶段，而是直接分离成细小熔滴冷凝成粉 末。
• 粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图1所示
• (1)传统的粉末制备技术
• 对粉末的要求不同，所需要的制备方 法也不同。物料状态有固态、液态或 气态三种。
采用固态原料制备粉末
➢ 从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主 要是机械粉碎法
➢ 从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的 有还原法
实现快速凝固效果的两类方法 ：
➢动力学方法
➢ 设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固 时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在乎 衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低 温度下凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝 固速度。
• 具体措施： 急冷凝固技术(Rapidly Quenching
Technology或RQT) 熔体淬火技术(Melt Quenching Technology
• 实际上，粉末冶金技术涉及到很多新的理论和技 术，内涵越来越丰富。粉末冶金已经逐渐发展成 一门“科学”，而非简单的“工艺”或“技术” 。
二、粉末冶金工艺及技术的特点
• 1.传统的粉末冶金工艺
• 粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末 、金属化合物粉末以及包覆粉末，第二步是将原料 粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。
• 熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体 和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔 滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压 力和喷嘴设计等雾化参数控制。
A. 水雾化法与气体雾化法
• 根据雾化介质(气流 、水流)对金属液流 作用的方式不同，雾 化具有多种形式：
➢ 平行喷射(气流与金 属液流平行)
• 烧结分单元系烧结和多元系烧结。
• 不论单元系或多元系的固相烧结，其烧结温度都比 所含金属与合金的熔点低；而多元系的液相烧结， 其烧结温度比其中难熔成分的熔点低，但高于易熔 成分的熔点。
• 一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。除了普通 烧结方法外，还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架 中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。
• (一)快速凝固的内涵 • 常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大、偏析
严重、铸造性能不好等严重缺陷，主要原因是合 金凝固时的过冷度和凝固速度很小，而这又是由 于它们凝固时的冷速很小引起的。因此，要消除 铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的 障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而 提高了合金的凝固速度。
是快速凝固制粉技术，快速冷凝制取金属粉末是 指金属或合金的熔滴通过急剧冷却，形成非晶、 准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉 末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以 及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末 冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动 了粉末冶金的发展。
快速凝固技术的产生及发展
(3) 机械雾化和其它雾化法
• 这类雾化方法是通过机械力 的作用或者电场力等其它作用分 离和雾化熔体然后冷凝成粉末。 •A.双辊雾化法 (Twin Roll Atomization) • 熔体流在喷入高速相对旋转 的辊轮间隙时形成空穴并被分离 成直径小至30m的熔滴，雾化 的熔滴可经气流、水流或固定于 两辊间隙下方的第三个辊轮冷却 凝固成不规则的粉末或薄片。
• 机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本 上不发生变化；
• 物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原 材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。
• 粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最 广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积 法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。
(2)粉末成形
• 成形前要进行物料准备。物料准备包括粉末的预 处理(如粉末加工、粉末退火、粉末的分级、粉末 的混合和粉末的干燥等。
法
在气态下制备粉末的方法
➢ 从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法 ➢ 从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆
粉末的羰基物热离解法 ➢ 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
涂层的化学气相沉积法
• 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。
快
急冷凝固
速
凝
固
技
术
大过冷
雾化技术
• 技术特点:
• 使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲 击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾 状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触 中迅速冷却凝固。
(1)双流雾化法
(Twin Fluid Atomization)
• 这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流 的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴，并通过对流 的方式散热而迅速冷凝。
(2) 离心雾化法(Centrifugal Atomization)
• 利用机械旋转造成的离心力将金属液流破 碎成微细的液滴，然后冷却凝结成粉末。最 早的是旋转圆盘雾化，后来有旋转水流雾化， 旋转电极雾化，旋转坩埚雾化等。
A . 旋转回盘雾化
• 从漏嘴(直径6~8mm)流 出的金属液流被具有一定 压力(4～8公斤/厘米2)的 引到转动的圆盘上，被圆 盘上特殊的叶片所击碎， 并迅速冷却成粉末收集起 来。通过改变圆盘的转数 (1500～2500rpm)、叶 片的形状和数目可以调节 粉末的粒度。