粉末壓制及燒結(jié)方法

1、 成形技術(shù)1、 金屬粉末注射成形技術(shù) ( MIM) 粉末注射成形技術(shù)是隨著高分子材料的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新型固結(jié)金屬粉、 金屬陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法，首先將固體粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混練，經(jīng)制粒后在加熱塑化狀態(tài)下(約150)用注射成形機(jī)注入模腔內(nèi)固化成形，然后用化學(xué)或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫除，最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”和“21世紀(jì)的成形技術(shù)”。由于在流動狀態(tài)下 ，均勻填充模腔成形 ，模腔內(nèi)各點(diǎn)壓力一致，密度一致 ，消除了傳統(tǒng)粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓制方 向的密度梯度，可以獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈成形零部件，并且產(chǎn)品的制造成本可以降低到傳統(tǒng)工藝的2030。適合于大批量生產(chǎn)小型、復(fù)雜以及具有特殊要求的金屬零件。缺點(diǎn)：去除粘結(jié)劑可能會產(chǎn)生氣孔問題。2、激光成型技術(shù) 激光成型原理是用CAD生成的三維實(shí)體模型，通過分層軟件分層、每個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動控制激光光束，掃射液體、粉末或薄片材料，加工出要求形狀的薄層，逐層積累形成實(shí)體模型。 同傳統(tǒng)的制造方法相比較，激光成型顯示出諸多的優(yōu)點(diǎn)：（1）制造速度快、成本低、節(jié)省時間和節(jié)約成本，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力，而且可實(shí)現(xiàn)自由制造，產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜性無關(guān)。（2）采用非接觸加工的方式，沒有傳統(tǒng)加工的殘余應(yīng)力的問題，沒有工具更換和磨損之類的問題，無切割、噪音和振動等，有利于環(huán)保。（3）可實(shí)現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造，特別適合于新產(chǎn)品開發(fā)和單間零件生產(chǎn)。3、 溫壓成形技術(shù) 它是在混合物中添加高溫新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至150左右進(jìn)行剛性模壓制 ，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù)， 是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸。該技術(shù)主要有以下幾個方面的特點(diǎn)：能以較低的成本制造出高性能的鐵基等粉末冶金零部件；提高零部件生坯密度；產(chǎn)品具有高強(qiáng)度；便于制造形狀復(fù)雜以及要求精密的零部件；密度均勻等該技術(shù)目前主要用于生產(chǎn)鐵基合金零件，同時人們正在研究用這 種技術(shù)制備銅基合金、鈦合金等其它材料零件。4、 流動溫壓技術(shù)它是以溫壓工藝為基礎(chǔ)并結(jié)合金屬注射成形( Metal Injection Molding，MIM)工藝的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的。該工藝的顯著特點(diǎn)是將粗粉和一定比例的細(xì)粉以及熱塑性潤滑劑進(jìn)行混合，然后按普通溫壓工藝進(jìn)行壓制 ，最后燒結(jié)制得成品 ，其關(guān)鍵技術(shù)是提高混合粉末的流動性。特點(diǎn)：該工藝具有可成形傳統(tǒng)工藝不能制備的復(fù)雜形狀零件、性能均一、高密度、低成本等特點(diǎn)。利用該工藝可成形形狀非常復(fù)雜的零件，如垂直于壓制方向上的凹槽、孔以及螺紋孔等，而不需要后續(xù)二次機(jī)械加工。5、 噴射成形噴射成形技術(shù)也稱噴射沉積或者噴射鑄造，在傳統(tǒng)快速凝固 粉末冶金 ( RSPM)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)?；驹硎怯酶邏憾栊詺怏w將金屬液流霧化成細(xì)小液滴，并使其沿噴嘴的軸線方向高速飛行 ，在這些液滴尚未完全凝固之前，將其沉積到一定形狀的接收體上成形。最大特點(diǎn)就是從合金熔煉到形成特定形狀的塊體材料可通過一步操作完成，省略了傳統(tǒng) RSPM工藝過程中粉末貯存、運(yùn)輸 、壓實(shí)、燒結(jié)等多道工序 ，減少了材料在多環(huán)節(jié)制備過程中被氧化的可能性，降低了材料制備成本。與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，由于噴射成形工藝過程中材料凝固速度大幅度提高，一般可達(dá)103106/ s ，因此所制備材料的晶粒更加細(xì)小、組織更加均勻，且能夠抑制高合金化材料中的宏觀及微觀偏析，有利于使材料獲得更佳的力學(xué)性能。 6.高速壓制成形 高速壓制生產(chǎn)零件的過程和傳統(tǒng)的壓制過程工序相同；混合粉末加進(jìn)送料斗中，粉末通過送粉靴自動填充模腔壓制成形之后 ，零件被頂出并轉(zhuǎn)入燒結(jié)工序 。所不同的是高速壓制的壓制速度比傳統(tǒng)壓制高 5001000倍 ，壓機(jī)錘頭速度高達(dá)230 ms ，液壓驅(qū)動的錘頭質(zhì)量達(dá)51200 k g ，粉末在0.02s之內(nèi)通過高能量沖擊進(jìn)行壓制 ，壓制時產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。通過附加間隔0 .3 s的多重沖擊能達(dá)到更高的密度。 與傳統(tǒng)壓制相比，高速壓制的鐵基零件密度可提高0.3g/cm3左右 ，因而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度能相應(yīng)地提高2025。高速壓制壓坯的徑向彈性后效很小，故脫模壓力較小，并且壓坯密度均勻 ，其偏差小于0.3g/cm3。同時，還具有高生產(chǎn)率和低成本等特點(diǎn)。7、 等靜壓成形等靜壓成型是借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼制密封容器內(nèi)，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉末上；粉末體在同一時間內(nèi)在各個方向上均勻地受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的坯體。通常，等靜壓成形按其特性分為冷等靜壓和熱等靜壓，冷等靜壓常用水或油作壓力介質(zhì)，熱等靜壓用氣體（如氬氣）作為壓力介質(zhì)。 與一般的鋼模壓制相比，優(yōu)點(diǎn)有：（1）能壓制具有凹形、空心等復(fù)雜零件。（2）壓制時，粉末體與彈性磨具的相對移動小，所以摩擦損耗也小。（3）能夠壓制各種金屬粉末及非金屬粉末。（4）壓坯強(qiáng)度高，便于運(yùn)輸加工。（5）磨具材料是橡膠或者塑料，成本低廉。（6）能在較低溫度下制得接近完全致密的材料。缺點(diǎn)有：對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的光潔度都比鋼模壓制的低；所用橡膠或塑料磨具的使用壽命比金屬模具的低；生產(chǎn)率低于自動鋼模壓制法。二、燒結(jié)技術(shù)1、 微波燒結(jié)微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動能和熱能，使得材料整體均勻加熱至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法，是快速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。燒結(jié)中微波不僅僅只是作為一種加熱能源，其本身也是一種活化燒結(jié)過程。 特點(diǎn)：由于微波能直接被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，因此微波燒結(jié)的能量利用率高；同時，微波可對物相進(jìn)行選擇性加熱，從而獲得新材料和新結(jié)構(gòu) ；并且微波燒結(jié)還具有快速加熱、燒結(jié)溫度低 、細(xì)化材料組織、改進(jìn)材料性能、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝生產(chǎn)的工件相比，用微波燒結(jié)制成的工件具有較高的密度、硬度和強(qiáng)韌性。短時間燒結(jié)產(chǎn)生均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙很少 ，因而具有更好的延展性和韌性。微波加熱能使工件加熱均勻，加熱速度可以高達(dá)1500/min，對某些材料甚至可以以很少的輸入能量實(shí)現(xiàn)2000以上的高溫。由于微波對大多數(shù)粉末陶瓷材料有很大的穿透性，可以均勻地加熱工件，減小高溫?zé)Y(jié)過程中的溫度梯度，從而降低由膨脹不均勻產(chǎn)生的材料變形，使迅速升溫成為可能，而且在高溫下停留的時間可以大幅度縮短，抑制晶粒的長大，改善材料的物理、力學(xué)性能。到目前為止 ，微波燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)成為熱固結(jié)高性能功能陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬質(zhì)合金等材料的有效方法。2、 放電等離子燒結(jié)技術(shù) 也稱作等離子體活化燒結(jié)或脈沖電流熱壓燒結(jié)。放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)工藝是將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能材料的一種新的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)具有在加壓過程中燒結(jié)的特點(diǎn)，脈沖電流產(chǎn)生的等離子體及燒結(jié)過程中的加壓有利于降低粉末的燒結(jié)溫度。同時低電壓、高電流的特征，能使粉末快速燒結(jié)致密。由于它融等離子體活化、熱壓、電阻加熱為一體，具有燒結(jié)時間短、溫度控制準(zhǔn)確、易自動化、燒結(jié)樣品組織均勻、致密度高等優(yōu)點(diǎn)，僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品的相對理論密度接近100%，而且能抑制樣品顆粒的長大，提高材料的各種性能。 國內(nèi)外用SPS制備新材料的研究主要集中在傳統(tǒng)燒結(jié)工藝難以制備的材料和一些新型材料或制件， 包括納米材料、功能梯度材料、精細(xì)陶瓷材料、生物材料、氧化物超導(dǎo)材料、形狀記憶合金、多孔材料、金屬間化合物以及Al粉、純 WC粉、純 A lN粉等。此外，SPS技術(shù)還以用于制備金屬基復(fù)合材料 ( MMC ) 、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 ( FRC ) 、MnZn鐵氧體、Fe基軟磁合金等磁性材料、金屬Cu、Fe 、N i材料、MoSi-C復(fù)合制件等。3、 自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）也稱燃燒合成，它是一種利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，最終合成所需材料或制品的新技術(shù)。SHS技術(shù)具有高效、節(jié)能、投資少、產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、設(shè)備及工藝通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ，已成為多種材料及制品制備的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。采用SHS技術(shù)可以制備常規(guī)方法難以得到的結(jié)構(gòu)陶瓷、梯度材料、超硬磨料、電子材料、涂層材料、金屬問化合物、復(fù)合材料以及高溫超導(dǎo)等高技術(shù)結(jié)構(gòu)材料和功能材料，也可以制備特種耐火材料、鐵合金等工業(yè)用材。4、 熱等靜壓燒結(jié)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1000 2000，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)200MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。特點(diǎn)：加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。5、 真空燒結(jié) 真空燒結(jié)實(shí)際上是低壓燒結(jié)，真空度愈高，愈接近中性氣氛，即與材料不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。真空度通常為1.310Pa1.310-3Pa。主要用于活性和難熔金屬Be、Th、Ti、Zr、Ta、Nb等，含TiC硬質(zhì)合金、磁性合金與不銹鋼等的燒結(jié)。 主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)減少氣氛中有害成分（H2O，O2、N2）對產(chǎn)品的玷污（2)真空是最理想的惰性氣氛，當(dāng)不宜用其它還原氣氛或惰性氣氛（如活性金屬燒結(jié)），或者對于容易出現(xiàn)脫碳、滲碳的材料均可進(jìn)行真空燒結(jié)（3）真空可以改善液相燒結(jié)的潤濕性，有利于收縮和改善合金組織（4）真空有利于Si、Al、Mg、Ca等雜志或氧化物的排除，起到提純(5)真空有利于排除吸附氣體（空隙中殘留氣體以及反應(yīng)氣體產(chǎn)物,對促進(jìn)燒結(jié)后期的收縮作用明顯。6、燒結(jié)硬化其原理為粉末冶金制品在燒結(jié)冷卻階段，通過快速冷卻，使其顯微組織全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 ，提高產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度。由于燒結(jié)硬化省去了燒結(jié)后的熱處理 ，既降低了生產(chǎn)成本 ，又避免了傳統(tǒng)工藝中經(jīng)燒結(jié)冷卻出爐后 ，再經(jīng)淬火導(dǎo)致的高熱應(yīng)力和零件變