粉末冶金技術(shù).ppt

1 粉末冶金新技術(shù) 劉穎四川大學(xué)材料學(xué)院 2 主要內(nèi)容 粉末制備新技術(shù)成型新技術(shù)燒結(jié)技術(shù) 3 1 霧化法制備金屬粉末 低氧含量鐵粉 一 粉末制備新技術(shù) 生產(chǎn)在無氧氣氛中進(jìn)行 并包含一些石蠟 這些分解為碳與氫 碳與鐵反應(yīng) 形成很薄的富碳表面層 碳含量使顆粒的延性降低 但提高了表面的燒結(jié)活性 在粉末壓塊中 碳易于擴(kuò)散到顆粒中心及相鄰的顆粒中 因而可用于生產(chǎn)不需添加石墨的粉末冶金鋼 瑞典IPS鋼粉公司每年低氧含量霧化鐵粉 其氧含量低于 0 015 4 對(duì)于粉末冶金應(yīng)用來說 這種無氧粉末允許使用便宜的合金元素 鉻和錳等 代替鎳和銅 鎳作為戰(zhàn)略性資源 不但價(jià)格昂貴 并且還是一種致癌物 應(yīng)盡量避免使用 這種粉末也很適合于用溫壓與熱等靜壓工藝來生產(chǎn)高強(qiáng)度部件 一 制粉新技術(shù) 5 一 制粉新技術(shù) 為提高燒結(jié)鋼的力學(xué)性能 通常在燒結(jié)后還須進(jìn)行熱處理 為降低生產(chǎn)成本 開發(fā)了許多燒結(jié)后已硬化 不須再進(jìn)行熱處理的材料 美國Hoeganaes公司推出了一種燒結(jié)硬化鐵基粉末Ancoresteel737SH 其淬透性與壓縮性均比現(xiàn)有的燒結(jié)硬化材料高 2 燒結(jié)硬化粉 6 利用燒結(jié)硬化粉可生產(chǎn)不需要再淬火或很少再淬火和回火的粉末冶金零件 除降低成本外 燒結(jié)硬化可提供更好的公差控制 淬火和回火常引起一定程度的變形 這種粉末可用于汽車工業(yè) 特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件 傳動(dòng)部件及近終形齒輪等 一 制粉新技術(shù) 7 目前軟磁復(fù)合材料已得到廣泛應(yīng)用 它們是在純鐵粉顆粒上包覆一層氧化物或熱固化樹脂進(jìn)行絕緣而制成的 在低頻應(yīng)用中 采用粗顆粒鐵粉與熱固化樹脂混合 獲得高磁導(dǎo)率與低鐵損的材料 高頻應(yīng)用時(shí) 顆粒間需要更有效地進(jìn)行絕緣 因而粒度要更小 以進(jìn)一步減少渦流損失 它可制成各向同性的軟磁復(fù)合部件 但不需要高溫?zé)Y(jié) 粉末晶粒度增大時(shí) 磁導(dǎo)率增大 矯頑力降低 2 軟磁金屬復(fù)合粉制備 一 制粉新技術(shù) 8 采用燃燒火焰 化學(xué)氣相法生產(chǎn)納米粉末 在此法中 穩(wěn)定的平頭火焰是由低壓燃料 氧氣混合氣的燃燒產(chǎn)生的 化學(xué)母體與燃料一起導(dǎo)入燃燒室 在火焰的熱區(qū)進(jìn)行快速熱分解 由于燃燒室表面溫度分布良好 氣相逗留時(shí)間短以及化學(xué)母體濃度均勻 并在很窄的熱區(qū)進(jìn)行熱分解 因而能生產(chǎn)出粒度分布集中的高質(zhì)量的納米粉 3 燃燒火焰 化學(xué)氣相法生產(chǎn)納米粉末 一 制粉新技術(shù) 9 目前 該法已用于生產(chǎn)SiO2 TiO2 Al2O3 SnO2 V2O5 ZrO2等氧化物納米粉 該法生產(chǎn)的納米粉末成本十分低廉 按年產(chǎn)100噸納米粉估算 每公斤納米粉的成本不會(huì)高于50美元 一 制粉新技術(shù) 10 一 制粉新技術(shù) 美國采用普通攪拌器 激光與便宜的反應(yīng)材料 可快速 便宜 干凈地生產(chǎn)1 100nm的銀粉與鎳粉 4 激光生產(chǎn)納米粉末 11 一 制粉新技術(shù) 例如 將硝酸銀溶液與一種還原劑導(dǎo)入攪拌器中 用激光短時(shí)照射混合物 同時(shí)進(jìn)行攪拌 當(dāng)激光脈沖射到液體時(shí) 形成極小的 熱點(diǎn) 使硝酸銀與還原劑發(fā)生反應(yīng) 生成極小的銀顆粒 通過改變激光強(qiáng)度 攪拌器轉(zhuǎn)速與反應(yīng)成分 可控制銀粉粒度 在一定程度上也可控制顆粒形狀 12 該法生產(chǎn)速度為0 5 30g min 比其他納米粉末制備方法生產(chǎn)率高 本方法所用反應(yīng)材料不污染環(huán)境 而以前生產(chǎn)銀粉所用的聯(lián)氨是一種致癌物 用這種方法生產(chǎn)的銀粉可用于制造焊料 牙科填料 電路板 高速攝影膠片等 一 制粉新技術(shù) 13 一 制粉新技術(shù) 大功率電脈沖施于氬氣保護(hù)的金屬絲上 并受到大功率脈沖產(chǎn)生的特殊場(chǎng)約束 柱形等離子體被加熱到15000 以上高溫 因而電阻劇增 引起特殊場(chǎng)崩潰 金屬蒸氣的高壓引起爆炸 產(chǎn)生沖擊波 形成的金屬氣溶膠快速絕熱冷卻 制得納米粉 5 電爆炸金屬絲制取納米粉 14 一 制粉新技術(shù) 此法可生產(chǎn)鋁 鎳 銀 銅 鋅 鉑 鉬 鈦 鋯 銦 鎢及其合金粉 這些粉末可用于推進(jìn)劑 炸藥 煙火 金屬與陶瓷的粘結(jié) 助燒結(jié)劑 催化劑 合成有機(jī)金屬化合物等 15 澳大利亞開發(fā)出一種機(jī)械化學(xué)法 可廉價(jià)生產(chǎn)納米金屬粉與陶瓷粉 它采用球磨機(jī)來激活化學(xué)反應(yīng) 使形成極細(xì)的納米金屬或化合物晶粒 再分離與提取微細(xì)晶粒 例如機(jī)械研磨FeCl3 由鈉 鈣或鋁將其還原為鐵與氯化物的混合物 用適當(dāng)洗滌法去除氯化物后 便可得到納米鐵顆粒 一 制粉新技術(shù) 6 機(jī)械化學(xué)法生產(chǎn)廉價(jià)的納米粉末 16 這一方法可成功生產(chǎn)10 20nm的粉末 化學(xué)純度高 表面氧化物低于10 15 也可生產(chǎn)氧化物粉末 粒度小于5nm 潛在高技術(shù)應(yīng)用 切削工具 先進(jìn)陶瓷 高密度磁記錄介質(zhì) 磁流體 催化劑等 一 制粉新技術(shù) 17 一 制粉新技術(shù) 美國科學(xué)家采用聲化學(xué)技術(shù)制取納米金屬粉 聲化學(xué)是研究液體中高強(qiáng)度超聲波產(chǎn)生的小氣泡的形成 長大與內(nèi)向破裂等現(xiàn)象的學(xué)科 7 聲化學(xué)制取納米金屬粉 18 一 制粉新技術(shù) 這些超聲波氣泡的破裂 產(chǎn)生很強(qiáng)的局部加熱而在冷液中形成 熱點(diǎn) 瞬時(shí)溫度約為5000 壓力約1GPa 持續(xù)時(shí)間約10億分之一秒 粗略而形象地說 上述這些數(shù)據(jù)相當(dāng)于太陽的表面溫度 大洋底部的壓力 閃電的時(shí)間 當(dāng)氣泡破裂時(shí) 氣泡內(nèi)所含金屬的易揮發(fā)化合物分解成單個(gè)金屬原子 而后聚集為原子簇 這些原子簇含有幾百個(gè)原子 直徑約為2 3nm 19 一 制粉新技術(shù) 這些小的磁性金屬原子簇 像順磁體材料一樣 磁矩由原子簇的原子自旋構(gòu)成 且所有自旋均在同一方向上 因而磁矩比普通材料高100多倍 包覆這些顆?？尚纬煞€(wěn)定鐵膠體 顆粒永遠(yuǎn)處于懸浮態(tài) 現(xiàn)已作為 磁流體 工業(yè)化生產(chǎn) 用于揚(yáng)聲器 磁性墨水 磁流體密封 潤滑劑 軸承 醫(yī)學(xué)等 20 二 粉末冶金成型新技術(shù) 原理 將粉末裝于一個(gè)導(dǎo)電的容器 護(hù)套 內(nèi) 置于高強(qiáng)磁場(chǎng)線圈的中心腔中 電容器放電在數(shù)微秒內(nèi)對(duì)線圈通入高脈沖電流 線圈腔中形成磁場(chǎng) 護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流 感應(yīng)電流與施加磁場(chǎng)相互作用 產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護(hù)套的磁力 因而粉末得到二維壓制 整個(gè)壓制過程不足1ms 1 動(dòng)磁壓制技術(shù) 21 動(dòng)磁壓制的優(yōu)點(diǎn) 由于不使用模具 成型時(shí)模壁摩擦減少到0 因而可達(dá)到更高的壓制壓力 有利于提高產(chǎn)品 并且生產(chǎn)成本低 由于在任何溫度與氣氛中均可施壓 并適用于所有材料 因而工作條件更加靈活 由于這一工藝不使用潤滑劑與粘結(jié)劑 因而成型產(chǎn)品中不含有雜質(zhì) 性能較高 而且還有利于環(huán)保 二 粉末冶金成型新技術(shù) 22 二 粉末冶金成型新技術(shù) 許多合金鋼粉用動(dòng)磁壓制做過實(shí)驗(yàn) 粉末中不添加任何潤滑劑 生坯密度均在95 以上 動(dòng)磁壓制件可以在常規(guī)燒結(jié)條件下進(jìn)行燒結(jié) 其力學(xué)性能高于傳統(tǒng)壓制件 動(dòng)磁壓制適用于制造柱形對(duì)稱的近終形件 薄壁管 縱橫比高的零件和內(nèi)部形狀復(fù)雜的零件 23 動(dòng)磁壓制有可能使電機(jī)設(shè)計(jì)與制造方法產(chǎn)生革命性變化 由粉末材料一次制成近終形定子與轉(zhuǎn)子 從而獲得高性能產(chǎn)品 大大降低生產(chǎn)成本 動(dòng)磁壓制正用于開發(fā)高性能粘結(jié)釹鐵硼磁體與燒結(jié)釤鈷磁體 由于動(dòng)磁壓制的粘結(jié)釹鐵硼磁體密度高 其磁能積可提高15 20 二 粉末冶金成型新技術(shù) 24 動(dòng)磁壓制的亞毫秒壓制過程有助于保持材料的顯微結(jié)構(gòu)不變 因而也提高了材料性能 對(duì)于象 與陶瓷粉末等難壓制材料 動(dòng)磁壓制可達(dá)到較高的密度 從而降低燒結(jié)收縮率 目前許多動(dòng)磁壓制的應(yīng)用已接近工業(yè)化階段 第一臺(tái)動(dòng)磁壓制系統(tǒng)已在運(yùn)行中 二 粉末冶金成型新技術(shù) 25 二 粉末冶金成型新技術(shù) 瑞典開發(fā)出粉末冶金用高速壓制法 這可能是粉末冶金工業(yè)的又一次重大技術(shù)突破 高速壓制采用液壓沖擊機(jī) 它與傳統(tǒng)壓制有許多相似之處 但關(guān)鍵是壓制速度比傳統(tǒng)快500 1000倍 其壓頭速度高達(dá)2 30m s 因而適用于大批量生產(chǎn) 液壓驅(qū)動(dòng)的重錘 5 1200kg 可產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波 0 02s內(nèi)將壓制能量通過壓模傳給粉末進(jìn)行致密化 重錘的質(zhì)量與沖擊時(shí)的速度決定壓制能量與致密化程度 2 高速壓制 26 高速壓制的另一個(gè)特點(diǎn)是產(chǎn)生多重沖擊波 間隔約03s的一個(gè)個(gè)附加沖擊波將密度不斷提高 這種多重沖擊提高密度的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 可用比傳統(tǒng)壓制小的設(shè)備制造重達(dá)5kg以上的大零件 高速壓制適用于制造閥座 氣門導(dǎo)管 主軸承蓋 輪轂 齒輪 法蘭 連桿 軸套及軸承座圈等產(chǎn)品 二 粉末成型新技術(shù) 27 與傳統(tǒng)壓制相比 高速壓制的優(yōu)點(diǎn)是 壓制件密度提高 提高幅度在0 3g cm3左右 壓制件抗拉強(qiáng)度可提高20 25 高速壓制壓坯徑向彈性后效很小 脫模力較低 高速壓制的密度較均勻 其偏差小于0 01g cm3 二 粉末成型新技術(shù) 28 溫壓技術(shù)是近幾年新發(fā)展的一項(xiàng)新技術(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423K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 被國際粉末冶金界譽(yù)為 開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元 和 導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命 的新型成型技術(shù) 二 粉末成型新技術(shù) 3 溫壓成型技術(shù) 29 二 粉末成型新技術(shù) 溫壓技術(shù)的特點(diǎn) 能以較低成本制造出高性能粉末冶金零部件 提高零部件生坯密度和高強(qiáng)度 便于制造形狀復(fù)雜以及要求精密的零部件 產(chǎn)品密度均勻 30 二 粉末成型新技術(shù) 溫壓技術(shù)研究和開發(fā)的核心 預(yù)合金化粉末的制造技術(shù) 新型聚合物潤滑劑的設(shè)計(jì) 石墨粉末有效添加技術(shù) 無偏析粉末的制造技術(shù) 溫壓系統(tǒng)制備技術(shù) 31 溫壓技術(shù)主要適合生產(chǎn)鐵基合金零件 同時(shí)人們正在嘗試用這種技術(shù)制備銅基合金等多種材料零件 由于溫壓零件的密度得到了較好的提高 從而大大提高了鐵基等粉末冶金制品的可靠性 因此溫壓技術(shù)在汽車制造機(jī)械制造 武器制造等領(lǐng)域存在著廣闊的應(yīng)用前景 二 粉末成型新技術(shù) 32 二 粉末成型新技術(shù) 流動(dòng)溫壓技術(shù)以溫壓技術(shù)為基礎(chǔ) 并結(jié)合了金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn) 通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動(dòng)性 填充能力和成形性 這一工藝是利用調(diào)節(jié)粉末的填充密度與潤滑劑含量來提高粉末材料的成形性 它是介于金屬注射成形與傳統(tǒng)模壓之間的一種成形工藝 4 流動(dòng)溫壓技術(shù) 33 二 粉末成型新技術(shù) 流動(dòng)溫壓技術(shù)的關(guān)鍵是提高混合粉末的流動(dòng)性 主要通過兩種方法來實(shí)現(xiàn) 第一種方法是向粉末中加入精細(xì)粉末 這種精細(xì)粉末能夠填充在大顆粒之間的間隙中 從而提高了混合粉末的松裝密度 第二種方法是比傳統(tǒng)粉末冶金工藝加入更多的粘結(jié)劑和潤滑劑 但其加入量要比粉末注射成形少得多 粘結(jié)劑或潤滑劑的加入量達(dá)到最優(yōu)化后 混合粉末在壓制中就轉(zhuǎn)變成一種填充性很高的液流體 34 二 粉末成型新技術(shù) 將上述兩種方法結(jié)合起來 混合粉末在壓制溫度下就可轉(zhuǎn)變成為流動(dòng)性很好的黏流體 它既具有液體的所有優(yōu)點(diǎn) 又具有很高的黏度 混合粉末的流變行為使得粉末在壓制過程中可以流向各個(gè)角落而不產(chǎn)生裂紋 35 二 粉末成型新技術(shù) 流動(dòng)溫壓工藝主要特點(diǎn)如下 1 可成形零件的復(fù)雜幾何形狀 國外已利用常規(guī)溫壓工藝成功制備出了一些形狀較復(fù)雜的粉末冶金零件 如汽車傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂 連桿和齒輪類零件等 2 密度高 性能均一 流動(dòng)溫壓工藝由于松裝密度較高 經(jīng)溫壓后的半成品密度可以達(dá)到很高的值 由于流動(dòng)溫壓工藝中粉末的良好流動(dòng)性 由此得到的材料密度也更加均勻 36 3 適應(yīng)性較好 流動(dòng)溫壓工藝已經(jīng)用于低合金鋼粉 不銹鋼316L粉 純Ti粉和WC Co硬質(zhì)合金粉末 原則上它可適用于所有的粉末體系 唯一的條件是該粉末體系須具有足夠好的燒結(jié)性能 以便達(dá)到所要求的密度和性能 4 簡化了工藝 降低了成本 二 粉末成型新技術(shù) 37 美國開發(fā)出一種能在室溫下生產(chǎn)全致密零件而無需后續(xù)燒結(jié)的粉末冶金工藝 此工藝稱之為 冷成形粉末冶金 它采用特殊配制的活化溶液與革新的進(jìn)料靴技術(shù) 在壓力下精確地將粉末注入模中 加壓輸送的進(jìn)料靴使粉末填充更加均勻 而活性溶液則防止形成氧化物 從而大大促進(jìn)了冷焊效應(yīng) 二 粉末成型新技術(shù) 4 冷成形工藝 38 二 粉末成型新技術(shù) 采用這一工藝可制得全致密的接近最終形狀的零件 而壓制后無需燒結(jié)及機(jī)加工 此工藝采用包覆粉末 但許多市售的金屬或非金屬粉末也可使用 目前該工藝的開發(fā)工作主要集中于生產(chǎn)熱操作零件 但這一工藝也適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件及其他用途的零件 39 三 燒結(jié)新技術(shù) 在普通燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上 通過改進(jìn)加熱源 施加外力等作用在較短的時(shí)間里使粉體致密化的過程 主要有微波燒結(jié)技術(shù)和電火花燒結(jié)技術(shù)等 40 三 燒結(jié)新技術(shù) 微波燒結(jié)是通過被燒結(jié)粉體吸收微波 將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)中粒子的能量 使其內(nèi)部產(chǎn)生熱而燒結(jié)的方法 它熱效率高 可急速升溫縮短燒結(jié)時(shí)間 加上微波與粒子間的交互作用 降低了粒子間的活化能 加速材料的致密化 它比傳統(tǒng)電爐以熱傳導(dǎo) 熱對(duì)流和熱輻射的外部加熱方式有更高的效率 避免了外部加熱由于內(nèi)外溫度梯度而造成燒結(jié)體裂痕或大幅度變形等缺陷 1 微波燒結(jié)技術(shù) 41 三 燒結(jié)新技術(shù) 已燒結(jié)成多種材料 如陶瓷和鐵氧體等材料 另外 在日本又開發(fā)出相似的毫米波燒結(jié)技術(shù) 并成功地在2023K下保溫1h燒結(jié)成全致密的AlN材料 雙頻微波燒結(jié)爐 生產(chǎn)用大型微波燒結(jié)爐 42 三 燒結(jié)新技術(shù) 2 爆炸壓制技術(shù) 爆炸壓制又稱沖擊波壓制是一種有前途的工藝方法 它在粉末冶金中發(fā)揮了很重要的作用 爆炸壓制時(shí) 只是在顆粒的表面產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫 作用時(shí)間短 升溫和降溫速度極快 適當(dāng)控制爆炸參數(shù) 使得壓制的材料密度可以達(dá)到理論密度的90 以上 甚至達(dá)到99 43 爆炸壓制裝置示意圖 44 國內(nèi)用NdFeB磁粉進(jìn)行了爆炸壓制技術(shù)的研究 用磁粉的性能為 磁感矯頑力Hcb 453 08kA m Br 0 783T BH max 89 9kJ m3 爆炸壓制后得到的NdFeB磁體性能為 Hcb 403kA m Br 0 805T BH max 90 7kJ m3 從測(cè)量結(jié)果可以看出 爆炸壓制釹鐵硼磁體的磁性能保持了原始磁粉的性能 最大磁能積沒有太大的變化 這是常規(guī)粘結(jié)NdFeB磁體無法達(dá)到的 45 三 燒結(jié)新技術(shù) 3 放電等離子燒結(jié) SPS 放電等離子燒結(jié)是將金屬等粉末裝入由石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi) 利用上 下模沖和通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加在燒結(jié)粉末 經(jīng)放電活化 熱塑變形和冷卻階段完成制取高性能材料或制件的一種方法 它是粉末冶金的一種新的燒結(jié)技術(shù) 是將電能和機(jī)械能同時(shí)賦于燒結(jié)粉末的一種新工藝 46 SPS燒結(jié)原理示意圖 47 SPS原理是利用強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒上產(chǎn)生的諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng) 1 由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子 離子在電場(chǎng)中反方向的高速流動(dòng) 可使粉末吸附的氣體逸散 粉末表面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿 使粉末得以凈化 活化 48 2 由于脈沖是瞬間 斷續(xù) 高頻率發(fā)生 在粉末顆粒未接觸部位產(chǎn)生的放電熱 以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱 都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散 其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多 而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化 3 快速脈沖電流的加入 無論是粉末內(nèi)的放電部位還是焦耳發(fā)熱部位 都會(huì)快速移動(dòng) 使粉末的燒結(jié)能夠均勻化 49 與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比 SPS工藝的特點(diǎn)是 粉末原料廣泛 各種金屬 非金屆 合金粉末 特別是活性大的各種粒度粉末都可以用作SPS燒結(jié)原科 成形壓力低 SPS燭結(jié)時(shí)經(jīng)充分微放電處理 燒結(jié)粉末表面處于向度活性化狀態(tài) 為此 其成形壓力只需要冷壓燒結(jié)的l 10 1 20 燒結(jié)時(shí)間短 燒結(jié)小型制件時(shí)一般只需要數(shù)秒至數(shù)分鐘 其加熱速度可以高達(dá)106 s 自動(dòng)化生產(chǎn)小型制件時(shí)的生產(chǎn)率可達(dá)400件 h 50 采用石墨模具 成本低 加工方便 大氣下燒結(jié) 電火花燒結(jié)時(shí)一般是在大氣下進(jìn)行 甚至高活性鈹制件也可以在大氣下燒結(jié) 脈動(dòng)電源 通常采用的足直流與交流疊加的脈動(dòng)電源 節(jié)約能源 熱效率高 耗電量只相當(dāng)于電阻燒結(jié)的1 10 51 SPS可加工材料 52 SPS技術(shù)制備梯度功能材料通過SPS技術(shù)可以制造陶瓷 金屬 聚合物 金屬以及其他耐熱梯度 耐磨梯度 硬度梯度 導(dǎo)電梯度 孔隙度梯度等材料 梯度層可到10多層 53 美國國立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室與日本國際貿(mào)易工業(yè)部門合作 共同開發(fā)了高效發(fā)動(dòng)機(jī)用的大尺寸耐熱 高強(qiáng)梯度材料 現(xiàn)已能批量生產(chǎn)150 厚15 11層的ZrO2梯度材料 采用的SPS工藝參數(shù)是 壓力20 40MPa 溫度1243 1293 升溫速率50K Min 真空度10Pa 采用SPS燒結(jié)得到了兩頭分別是100 的玻璃與100 的304不銹鋼 而中間呈4層的梯度材料 燒結(jié)溫度1073 保持時(shí)間15Min 真空下進(jìn)行 54 SPS技術(shù)制備電磁材料通過SPS技術(shù)可以制造SiGe PbTe BiTe FeSi CoSb3系熱電轉(zhuǎn)換元件 以及廣泛用于電子領(lǐng)域的各種功能材料 如超導(dǎo)材料 磁性材料 靶材 介電材料 貯氫材料 形狀記憶材料 固體電池材料 光學(xué)材料等 55 SPS制備軟磁材料通常用急冷或噴射方法可得到FeMe Nb Zr Hf 的非晶合金 在稍高于晶化溫度處理后 可得到晶粒數(shù)10 具有體心立方結(jié)構(gòu) 高Bs 磁損小的納米晶材料 但非晶合金目前只能是帶材或粉末 制作成品還需要將帶材重疊和用樹脂固結(jié) 這使得成品的密度和Bs均變低 近年 日本采用SPS工藝研究FeMe 塊材的成形條件及磁性能 56 用SPS制取塊狀納米晶Fe90Zr7B3軟磁的過程是 先將由非晶薄帶經(jīng)球磨制成的50 150 非晶粉末裝入WC Co合金模具內(nèi) 并在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié) 真空度1 10 2Pa以下 升溫速度0 09 1 7K s 溫度673 873 壓力590MPa 再把所得的燒結(jié)體在1 10 2Pa真空下 以37K s速度加熱到923 保溫后而制成 材料顯示較好的磁性能 最大磁導(dǎo)率29800 100 下的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率3430 矯頑力12 57 SPS制備塊狀納米晶FeMeB系永磁材料 日本開展了用SPS制備Fe66Co20Nd2Pr7B5異向性永磁的研究 將急冷制作的非晶薄帶球磨成37 105 的粉末 裝入WC Co合金模具內(nèi) 在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié) 壓力374 636MPa 溫度673 873 然后將燒結(jié)體在真空1 10 2Pa下 于973 進(jìn)行180s處理 結(jié)果表明 燒結(jié)溫度873 壓力636MPa時(shí) 燒結(jié)體的相對(duì)密度達(dá)976 984 經(jīng)磁性測(cè)定表明 燒結(jié)加壓方向的最大磁能積比平行方向的要大 并且隨著SPS燒結(jié)溫度和壓力的升高 異向性增加 58 日本還研究了用作交換彈簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6塊狀納米晶材料的研究 采用SPS工藝 將急冷制取的薄帶燒結(jié)成塊材 試驗(yàn)結(jié)果表明 采用壓力940MPa 溫度948K 保溫1Min的SPS工藝可得到很好的磁性 Br 1 02T Hcj 461kA BH 122kJ m3 Hk Hcj 30 7 67g cm3 在373 1 加熱條件下 材料的不可逆磁損只有4 與MQP B粘結(jié)磁體大致相同 59 SPS制備BaTiO3高介電材料 日本報(bào)道了將BaTiO3粉末裝入石墨模具內(nèi) 采用SPS工藝 加壓39MPa 通入電流4000 溫度1373 時(shí)間3Min 制成的燒結(jié)體 其密度可達(dá)5 82g cm3 達(dá)到理論密度的97 而采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法只能達(dá)到88 SPS燒結(jié)體的晶粒尺寸基本上為0 5 而傳統(tǒng)燒結(jié)時(shí)為1 1 5 SPS燒結(jié)體的介電系數(shù)達(dá)到6200 而傳統(tǒng)燒結(jié)僅能達(dá)到2400 60 SPS技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金在日本SPS首先投入批量生產(chǎn)的是硬質(zhì)合金 住友石炭礦業(yè)株式會(huì)社已在北海道建立了SPS生產(chǎn)超級(jí)硬質(zhì)合金的示范工廠 并形成TC系列產(chǎn)品 下表列出TC10 TC20以及無鈷TC00合金的性能 61 SPS技術(shù)生產(chǎn)精細(xì)陶瓷由于SPS脈沖放電特有的燒結(jié)效應(yīng) 可廣泛燒結(jié)各種氧化物 氮化物 硅化物 碳化物 硼化物等 SPS燒結(jié)的Si3N4 Al2O3精細(xì)陶瓷 環(huán)形 圓筒形 圓柱 圓餅等 作為耐熱耐磨材料已被廣泛應(yīng)用 SPS燒結(jié)可抑制晶粒長大 消除微孔和燒結(jié)不均勻性 相對(duì)密度達(dá)到99 100 HV達(dá)到20GPa以上 62 高純 高密度SiC的燒結(jié)采用SPS可使不含結(jié)合劑的SiC燒結(jié)到99 以上的理論密度 而采用傳統(tǒng)燒結(jié)法只能達(dá)到92 93 SPS的燒結(jié)工藝為 溫度2673 升溫和保溫時(shí)間7Min 下表列出在兩種燒結(jié)方法下SiC陶瓷性能的比較 63 SPS技術(shù)制備多孔材料SPS不僅可在短時(shí)間內(nèi)使難燒結(jié)的材料致密化 而且通過選擇合適的工藝參數(shù) 主要是壓力 還可制取理想的多孔材料 近年日本用金紅石 切削鑄鐵粉 霧化鑄鐵粉等進(jìn)行了SPS燒結(jié)多孔材料的研究 64 將SiC晶須裝入石墨模內(nèi) 在1973 2273 10 80MPa 5 60Min工藝條件下作了較系統(tǒng)的燒結(jié)研究 當(dāng)燒結(jié)壓力為10MPa時(shí) 燒結(jié)體的孔隙度達(dá)到63 抗彎強(qiáng)度達(dá)到42MPa 當(dāng)燒結(jié)壓力為80MPa時(shí) 燒結(jié)體的孔隙度達(dá)到34 抗彎強(qiáng)度達(dá)到80MPa 65 SPS技術(shù)制備的多孔材料中孔隙的均勻性十分好 將霧化Ni20Cr 平均粒徑20 粉末用SPS技術(shù)制備多孔材料 SPS的工藝參數(shù)是真空下燒結(jié) 溫度1073 燒結(jié)300s 在多孔體半徑 25 方向上 孔隙度的均勻性很好 各區(qū)域孔隙度相差不到2 在SEM的斷面形貌圖上看不出加壓方向下粉末顆粒被壓扁的現(xiàn)象 而顆粒之間結(jié)合的很好 開孔氣孔率達(dá)到33 左右 66 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 金屬粉末注射成形技術(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 它是使用大量熱塑性粘結(jié)劑與粉料一起注入成形模中 施于低而均勻的等靜壓力 使之固結(jié)成形 然后脫粘結(jié)劑燒結(jié) 注射成型產(chǎn)品 67 這種技術(shù)能夠制造用常規(guī)模壓粉末的技術(shù)無法制造的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu) 如帶有螺紋 垂直或高叉孔銳角 多臺(tái)階 壁 翼等 制品 具有更高的材質(zhì)密度 93 100 的理論密度 和強(qiáng)韌性 并具有材質(zhì)各向同性等特性 目前該項(xiàng)技術(shù)成為粉末冶金領(lǐng)域最具活力的新技術(shù)并已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 68 金屬粉末注射成型技術(shù)制作的產(chǎn)品有齒輪汽車部件 通信器械元件 如手機(jī)的情報(bào)通信器械和計(jì)算機(jī)的OA器件 電動(dòng)工具 門鎖 樂器 醫(yī)療器件和縫紉機(jī)元件 工業(yè)設(shè)備元件和磁性元件 槍支瞄準(zhǔn)器支架 手槍退子鉤和撞針 窗戶鎖扇形塊 紡織機(jī)的三角塊 眼鏡框架的柔性鉸鏈 眼鏡腳 手表表殼等 產(chǎn)品都有一個(gè)明顯的特點(diǎn) 其結(jié)構(gòu)小而復(fù)雜 密度和精度高等 制作材料除鐵鎳合金外 還有鈦及鈦合金 鋁及鋁合金 超硬合金和重合金等 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 69 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 微注射成型傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù) 可制得01 1 尺寸的部件 已制得最小20mg的零件 但隨著微型系統(tǒng)的發(fā)展 包括微觀光學(xué) 最小侵害外科及微觀射流技術(shù)等 需要形狀復(fù)雜 尺寸在微米范圍內(nèi)的金屬與陶瓷零件 微注射成形適用于大規(guī)模制造微型結(jié)構(gòu)件 70 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 德國在10年前就開始研究微注射成形技術(shù) 不過所用的原料為熱塑性塑料 最小件尺寸已達(dá)0 2 德國在此研究的基礎(chǔ)上 現(xiàn)正研究微金屬注射成形與微陶恣注射成形技術(shù) 所用粉末為平均粒度15 的羰基鐵粉 4 5 的不銹鋼粉和0 6 的氧化鋁粉 所用粘結(jié)劑有自混聚烯烴 蠟化合物與常態(tài)聚醛基化合物 研究中的脫粘結(jié)劑方法有加熱去除有機(jī)物法 聚醛基化合物催化脫粘結(jié)劑法及超臨界二氧化碳脫粘結(jié)劑法 71 四 金屬粉末注射成形技術(shù) 所制的產(chǎn)品復(fù)壓后密度達(dá)98 線性收縮15 22 最小微陶瓷注射成形結(jié)構(gòu)件尺寸達(dá)10 微注射陶瓷齒輪重量僅為05mg 最小的微金屬注射成形件尺