冶金材料的應用

粉末在先進材料、納米、高磁性材料、生物工程材料、硬件材料、超硬材料、超機械、梯度材料等現(xiàn)代高科技領域得到了越來越多的應用。本文僅就幾個方面簡介近幾年出現(xiàn)的某些新技術,以期反映粉末冶金在高技術領域所起的重要作用。1新能源表面技術1.1鉻鋼粉的生產(chǎn)眾所周知,粉末冶金低合金鋼粉常用的合金元素是鎳、鉬和銅。鉻是很好的合金化元素,但由于易于氧化,故一直未制出鉻合金鋼粉。瑞典H?gan!?sAB經(jīng)過5年的研究和開發(fā),推出了鉻合金鋼粉AstaloyCrM,提供了一條廉價制造粉冶材料的途徑。這種材料的力學性能相當于或高于DistaloyAE。由于AstaloyCrM不含有致癌元素鎳,因而有利于健康與環(huán)保,價格還比DistaloyAE便宜20%。另外,它結(jié)構(gòu)均勻,最終產(chǎn)品硬度高,因而降低了尺寸不穩(wěn)定性,且有廣泛的潛在應用。這種新材料的一個主要特點是,可在常規(guī)燒結(jié)爐中于1120℃進行燒結(jié),但由于鉻對氧的敏感性,須控制燒結(jié)氣氛N2/H2中的氧分壓。1.2鐵磁性粉末致冷劑美國科學家正在研究一種新型磁致冷裝置,它是利用釓粉的感應加熱與冷卻作用,即所謂磁致熱作用。釓粉是一種鑭族元素,銀白色的鐵磁性粉末。這種粉末裝于圓環(huán)的空腔中,讓它通過永磁體的磁場,永磁體由釹鐵硼制成。使用循環(huán)水而不使用破壞臭氧層的氟里昂進行冷卻,因而有利于環(huán)保,且運轉(zhuǎn)平穩(wěn),無振動,無噪聲。用15級這樣的致冷機,可使溫度降到20K,可用于制造液體氫作為清潔燃料,大大降低了生產(chǎn)成本。預計5年后可制成室溫下使用的工業(yè)致冷機,而后再制造家用冰箱。1.3燒結(jié)硬化鐵基粉末為提高燒結(jié)鋼的力學性能,通常在燒結(jié)后還須進行熱處理。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Ancorsteel737SH,其淬透性與壓縮性均比現(xiàn)有的燒結(jié)硬化材料高。燒結(jié)硬化可生產(chǎn)不須再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)。這種材料可用于汽車工業(yè),特別適用于發(fā)動機部件,傳動部件及近終形齒輪等。1.4熱成形樹脂將脂經(jīng)低鐵濾料為混合的方法目前軟磁復合材料(SMC)已得到廣泛應用。它們是在純鐵粉顆粒上包覆一層氧化物或熱成形樹脂進行絕緣而制成的。在低頻應用中,采用粗顆粒鐵粉與熱成形樹脂混合,獲得高磁導率與低鐵損的材料。高頻應用時,顆粒間需要更有效地進行絕緣,因而粒度要更小,以進一步減少渦流損失。它可制成各向同性的軟磁復合部件,但不需要高溫燒結(jié)。粉末晶粒度增大時,磁導率增大,矯頑力降低。1.5納米粉的生產(chǎn)美國采用CF—CVC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?；瘜W母體與燃料一起導入燃燒室,在火焰的熱區(qū)進行快速熱分解。由于燃燒室表面溫度分布良好,氣相逗留時間短以及化學母體濃度均勻,并在很窄的熱區(qū)進行熱分解,因而能生產(chǎn)出高質(zhì)量的納米粉。粒度分布集中。已用于生產(chǎn)SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物納米粉。按年產(chǎn)100t納米粉估算,每公斤納米粉的成本不會高于50美元。1.6激光法熱法美國采用普通攪拌器、激光與便宜的反應材料,可快速、便宜、干凈地生產(chǎn)1~100nm的銀粉與鎳粉。例如,將硝酸銀溶液與一種還原劑導入攪拌器中,用激光短時照射混合物,同時進行攪拌。當激光脈沖射到液體時,形成極小的“熱點”,硝酸銀與還原劑發(fā)生反應,生成極小的銀顆粒。通過改變激光強度、攪拌器轉(zhuǎn)速與反應成分,可控制粒度,在一定程度上也可控制顆粒形狀。該法生產(chǎn)速度為0.5~3.0g/min,比研磨以外的其他方法生產(chǎn)率高,但研磨法不能生產(chǎn)納米顆粒。本方法所用反應材料不污染環(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。1.7功率脈沖產(chǎn)生的約束起源于俄國的金屬絲電爆炸制取納米粉的方法(Elex法),現(xiàn)在美國正在開發(fā)。在此方法中,只有幾微秒的大功率脈沖施于氬氣保護的金屬絲上。此脈沖將金屬絲變成了等離子體,并受到大功率脈沖產(chǎn)生的特殊場的約束。柱形等離子體被加熱到15000K以上高溫,因而電阻劇增,引起特殊場崩潰。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。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、合成有機金屬化合物等。1.8納米顆粒的制備澳大利亞開發(fā)出一種機械化學法,可廉價生產(chǎn)納米金屬粉與陶瓷粉。它采用球磨機來激活化學反應,使形成極細的納米金屬或化合物晶粒,再分離與提取微細晶粒。例如機械研磨FeCl3,由鈉、鈣或鋁將其還原為鐵與氯化物的混合物。用適當洗滌法去除氯化物后,便可得到納米鐵顆粒。這一方法可成功生產(chǎn)10~20nm的材料,化學純度高,表面氧化物低于10%~15%。也可生產(chǎn)氧化物粉末,粒度小于5nm。潛在高技術應用:切削工具、先進陶瓷、高密度磁記錄介質(zhì)、磁流體、催化劑等。1.9磁性金屬原子簇的出現(xiàn)美國科學家采用聲化學技術制取納米金屬粉。聲化學是研究液體中高強度超聲波產(chǎn)生的小氣泡的形成、長大與內(nèi)向破裂等現(xiàn)象的學科。這些超聲波氣泡的破裂,產(chǎn)生很強的局部加熱而在冷液中形成“熱點”,瞬時溫度約為5000℃,壓力約1GPa,持續(xù)時間約10億分之一秒。粗略而形象地說,這些數(shù)據(jù)相當于太陽的表面溫度,大洋底部的壓力,閃電的時間。當氣泡破裂時,氣泡內(nèi)所含金屬的易揮發(fā)化合物分解成單個金屬原子,而后聚集為原子簇。這些原子簇含有幾百個原子,直徑約為2~3nm。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,顆粒永遠處于懸浮態(tài),現(xiàn)已作為“磁流體”工業(yè)化生產(chǎn),用于揚聲器,磁性墨水,磁流體密封,潤滑劑,軸承,醫(yī)學等。2粉末壓制新技術2.1動磁壓制檢測1995年10月美國開始研究“動磁壓制”,一種新的粉末壓制技術,有3個單位參加研制,經(jīng)費為850萬美元。其工作原理是:將粉末裝于一個導電的容器(護套)內(nèi),置于高強磁場線圈的中心腔中。電容器放電在數(shù)微秒內(nèi)對線圈通入高脈沖電流,線圈腔中形成磁場,護套內(nèi)產(chǎn)生感應電流。感應電流與施加磁場相互作用,產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護套的磁力,因而粉末得到二維壓制。整個壓制過程不足1ms。這一方法有3個優(yōu)點:(1)由于不使用模具,因而可達到更高的壓制壓力,維修費用與生產(chǎn)成本低。(2)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。(3)由于這一工藝不使用潤滑劑與粘結(jié)劑,因而有利于環(huán)保。許多合金鋼粉用動磁壓制做過實驗,粉末中不添加任何潤滑劑,生坯密度均在95%以上。動磁壓制件可以在常規(guī)燒結(jié)條件下進行燒結(jié),其力學性能高于傳統(tǒng)壓制件。動磁壓制適用于制造柱形對稱的近終形件、薄壁管、縱橫比高的零件和內(nèi)部形狀復雜的零件?，F(xiàn)已可生產(chǎn)?12.7mm×76.2mm~?127.0mm×25.4mm的零件。動磁壓制有可能使電機設計與制造方法產(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。由于動磁壓制的粘結(jié)釹鐵硼磁體密度高,其磁能積可提高15%-20%。動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。對于象W、WC與陶瓷粉末等難壓制材料,動磁壓制可達到較高的密度,從而降低燒結(jié)收縮率。目前許多動磁壓制的應用已接近工業(yè)化階段,第一臺動磁壓制系統(tǒng)已在運行中。2.2高速壓制壓模瑞典H?gan!?s公司與Hydrapulsor公司經(jīng)兩年合作,開發(fā)出粉末冶金用高速壓制法(HVC)。這可能是粉末冶金工業(yè)的又一次重大技術突破。高速壓制采用液壓沖擊機,它與傳統(tǒng)壓制有許多相似之處,但關鍵是壓制速度比傳統(tǒng)快500~1000倍,其壓頭速度高達2~30m/s,因而適用于大批量生產(chǎn)。液壓驅(qū)動的重錘(5~1200kg)可產(chǎn)生強烈沖擊波,0.02s內(nèi)將壓制能量通過壓模傳給粉末進行致密化。重錘的質(zhì)量與沖擊時的速度決定壓制能量與致密化程度。高速壓制的另一個特點是產(chǎn)生多重沖擊波,間隔約0.3s的一個個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優(yōu)點是,可用比傳統(tǒng)壓制小的設備制造重達5kg以上的大零件。高速壓制工序與傳統(tǒng)壓制一樣,模具設計也相似,模具壽命在10萬次以上。與傳統(tǒng)壓制相比,高速壓制的密度可提高0.3g/cm3,因而抗拉強度可提高20%~25%。高速壓制壓坯的徑向彈性后效很小,因而脫模力較低。高速壓制的密度較均勻,其偏差小于0.01g/cm3。高速壓制適用于制造閥座、氣門導管、主軸承蓋、輪轂、齒輪、法蘭、連桿、軸套及軸承座圈等產(chǎn)品。2.3鐵基粉末用潤滑粘結(jié)劑生產(chǎn)生坯1994年5月美國在多倫多舉行的粉末冶金國際會議上首次披露其開發(fā)的溫壓新技術,立即引起與會者的極大興趣。它是粉末冶金零件致密化的最重大進展之一。這一新工藝只通過一次壓制便可生產(chǎn)出低成本的鐵基粉末冶金部件,密度可達到7.2~7.6g/cm3,這是復壓/復燒或熔滲工藝方能達到的密度,而生產(chǎn)成本卻低得多,甚至可與粉末鍛造相競爭。其關鍵技術,一是專利技術包覆聚合物的鋼粉,二是溫壓系統(tǒng)。這種專利聚合物在約150℃具有良好的潤滑性,而在室溫則成為良好的粘結(jié)劑,因而可稱之為潤滑粘結(jié)劑。此工藝生產(chǎn)的零件具有較均勻的密度,因而提高了強度。另一個特點是顯著提高了生坯強度,可直接進行機加工。此工藝所需壓制壓力低、脫模力也低,因而延長了模具壽命?？梢哉f溫壓工藝為粉末冶金開創(chuàng)了一個新時代。2.4開發(fā)成形工藝有一些零件在垂直于壓制方向上有孔一類形狀的結(jié)構(gòu),其壓制成形需要復雜的模具設計,或?qū)Y(jié)件進行二次機加工。要解決此類問題,需要開發(fā)成形工藝。德國Fraunhofer研究所開發(fā)出一種新的粉末冶金工藝——流動溫壓。它可以形成垂直于壓制方向的凹槽,孔及螺絲孔等結(jié)構(gòu)。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。2.5溶液與革新的進料鞋技術美國開發(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料靴技術,在壓力下精確地將粉末注入模中。加壓輸送的進料靴使粉末填充更加均勻,而活性溶液則防止形成氧化物,從而大大促進了冷焊效應。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。3脈沖放電及致密化電場活化燒結(jié)技術(FAST),在燒結(jié)時要施加電場。它有許多優(yōu)點:經(jīng)電場活化燒結(jié)后,顯微結(jié)構(gòu)可以細化,并可提高鋼的淬透性。在粉末燒結(jié)中,施加電場可固結(jié)難以燒結(jié)的粉末,它比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低、時間短、但燒結(jié)制品密度高,質(zhì)量好而且生產(chǎn)率高。它是通過施加斷續(xù)的低電壓(~30V)和高電流(>600A)來實現(xiàn)脈沖放電的。脈沖放電后再施加直流電。脈沖放電與施加直流電也可同時進行。施加的壓力可以是恒定的,也可以是可變的。從裝粉到脫模,整個過程不到10min就可以完成。一般來說,不需要添加劑或粘結(jié)劑,也不需要事先冷壓。在大多數(shù)情況下,燒結(jié)是在空氣中進行的,不需要可控氣氛或事先粉末脫氣。FAST致密化已用于液相或固相燒結(jié)的導電材料、超導材料、絕緣材料、復合材料及功能梯度材料等,也可用于同時致密化與合成化合物。例如,用FAST法,可將AlN在2000K,5min之內(nèi)燒結(jié)到密度97.5%~99.3%,而不用任何添加劑。而未摻雜AlN的傳統(tǒng)燒結(jié),在2200K,30min密度才達到95%。又如,用FAST法,在1573K加熱,不保溫,可將Al2O3-Y3Al5O12陶瓷復合材料固結(jié)到密度高于99%。而熱等靜壓同種粉末,則需要在1873K,25MPa壓力,1h才能達到同樣的密度。4納米金屬零件的害外科及微觀射流技術微型系統(tǒng)的制造是本世紀的關鍵技術之一。微注射成形適用于大規(guī)模制造微型結(jié)構(gòu)件。德國正在進行微金屬注射成形與微陶瓷注射成形技術的研究。傳統(tǒng)粉末注射成形技術,可制得0.1~1mm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,最小侵害外科及微觀射流技術等,需要形狀復雜、尺寸在微米范圍內(nèi)的金屬與陶瓷零件。德國在10年前就開始研究微注射成形技術,不過所用的原料為熱塑性塑料,最小件尺寸已達0.2μm。德國在此研究的基礎上,現(xiàn)正研究微金屬注射成形與微陶恣注射成形技術。所用粉末為平均粒度1.5μm的羰基鐵粉,4~5μm的不銹鋼粉和0.6μm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。所制產(chǎn)品,復壓后密度達98%,線性收縮15%~22%。最小微陶瓷注射成形結(jié)構(gòu)件尺寸達10μm,微注射陶瓷齒輪重量僅為0.5mg。最小的微金屬注射成形件尺寸為50μm。這種差異是由于金屬粉末與陶瓷粉末的粒度不同造成的,微注射成形用于微型泵、微型齒輪、微型渦輪、最小損傷外科用的微型導管等。5系統(tǒng)自動制造部件快速原型制造技術是近幾年發(fā)展起來的利用計算機輔助設計制造復雜形狀零件的技術。借助計算機三維輔助設計、計算機層析X光攝影機、有限元分析或母型數(shù)字化數(shù)據(jù),對欲制件進行三維描述,將部件分割成許多很薄的水平層,獲得相應的工藝參數(shù)。在輸入各工藝參數(shù)后,快速原型制造機便可自動制造出部件來。大多數(shù)快速原型制造法都采用粉末做原料。常用的方法有激光燒結(jié)法,多相噴射固結(jié)法及三維印刷法等。5.1塑料原型的制備當初開發(fā)選擇激光燒結(jié)法,主要是用激光束一層一層地燒結(jié)生產(chǎn)塑料原型?，F(xiàn)在可選用多種粉末,包括金屬粉末與陶瓷粉末。金屬粉末選擇激光燒結(jié),旨在直接生產(chǎn)功能部件。這使工業(yè)界對它產(chǎn)生了極大興趣,因為它在產(chǎn)品開發(fā)過程中,節(jié)省時間并降低成本。5.2多相噴射固結(jié)法多相噴射固結(jié)法是一種新的自由成形技術?？捎糜谥圃焐镝t(yī)學零件,如像矯形植入物、牙齒矯正與修復材料、一般修復外科用部件等。多相噴射固結(jié)法,根據(jù)CT掃瞄得到的假體的三維描述,就可以制造出通常外科所需零件,而無需開刀去實際測量。將金屬粉或陶瓷粉與粘結(jié)劑混合,形成均勻混合料。多相噴射固結(jié)法就是將這些混合料按技術要求進行噴射,一層一層地形成一個零件。在部件形成之后,其中的粘結(jié)相用化學法或者加熱去除,而后燒結(jié)到最終密度。5.3生坯件的燒結(jié)三維印刷法