11 粉末冶金新技术新工艺jjr.docx

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1、 11 粉末冶冶金新技技术新工工艺1111概述粉末冶金金是制取取金属粉粉末或用用金属粉粉末(或或金属粉粉末与非非金属粉粉末的混混合物)作为原原料，经经过成形形和烧结结，制造造金属材材料、复复合材料料以及各各种类型型制品的的工艺技技术。粉粉末冶金工工艺的第第一步是是制取原原料粉末末，第二二步是将将原料粉粉末通过过成形、烧烧结以及及烧结后后处理制制得成品品。典型型的粉末末冶金产产品生产产工艺路路线如图图11-1所示示。粉末末冶金的的工艺发发展已远远远超过过此范畴畴而日趋趋多样化化，已成成为解决决新材料料问题的的钥匙，在在新材料料的发展展中起着着举足轻轻重的作作用。 粉末冶冶金技术术有如下下特点：

2、(1)可以直直接制备备出具有有最终形形状和尺尺寸的零零件，是是一种无无切削、少少切削的的新工艺艺，从而而可以有有效地降降低零部部件生产产的资源源和能源源消耗； (2)可以容容易地实实现多种种类型的的复合，充充分发挥挥各组元元材料各各自的特特性，是是一种低低成本生生产高性性能金属属基和陶陶瓷基复复合材料料的工艺艺技术； (3)可以生生产普通通熔炼法法无法生生产的具具有特殊殊结构和和性能的的材料和和制品，如如多孔含含油轴承承、过滤滤材料、生生物材料料、分离离膜材料料、难熔熔金属与与合金、高高性能陶陶瓷材料料等； (4)可以最最大限度度地减少少合金成成分偏聚聚，消除除粗大、不不均匀的的铸造组组织，在

3、在制备高高性能稀稀土永磁磁材料、稀稀土储氢氢材料、稀稀土发光光材料、稀稀土催化化剂、高高温超导导材料、新新型金属属材料(如All-Lii合金、耐耐热All合金、超超合金、粉粉末耐蚀蚀不锈钢钢、粉末末高速钢钢、金属属间化合合物高温温结构材材料等)具有重重要的作作用； (5)可以制制备非晶晶、微晶晶、准晶晶、纳米米晶和过过饱和固固溶体等等一系列列高性能能非平衡衡材料，这这些材料料具有优优异的电电学、磁磁学、光光学和力力学性能能； (6)可以充充分利用用矿石、尾尾矿、炼炼钢污泥泥、轧钢钢铁鳞、回回收废旧旧金属作作原料，是是一种可可有效进进行材料料再生和和综合利利用的新新技术。 近些年来，粉粉末冶金金

4、有了突突破性进进展，一一系列新新技术、新新工艺大大量涌现现，例如如：快速速冷凝雾雾化制粉粉技术、机机械合金金化制粉粉技术、超超微粉或或纳米粉粉制备技技术、溶溶胶-凝胶技技术、粉粉末注射射成形、温温压成形形、粉末末增塑挤挤压、热热等静压压、烧结结热等等静压、场场活化烧烧结、微微波烧结结、粉末末轧制、流流延成形形、爆炸炸成形、粉粉末热锻锻、超塑塑性等温温锻造、反反应烧结结、超固固相线烧烧结、瞬瞬时液相相烧结、自自蔓延高高温合成成、喷射射沉积、计计算机辅辅助激光光快速成成形技术术等。这这些新技技术有的的赋予原原传统工工艺步骤骤以新的的内容和和意义，有有的把几几个工艺艺步骤合合为一步步而成为为一种崭崭

5、新的工工艺。因因此，使使整个粉粉末冶金金领域大大大拓宽宽，并向向着纵深深方向发发展。粉末冶金金新技术术、新工工艺的应应用，不不但使传传统的粉粉末冶金金材料性性能得到到根本的的改善，而而且使得得一批高高性能和和具有特特殊性能能的新一一代材料料相继产产生。例例如：高高性能摩摩擦材料料、固体体自润滑滑材料、粉粉末高温温合金、高高性能粉粉末冶金金铁基复复合和组组合零件件、粉末末高速钢钢、快速速冷凝铝铝合金、氧氧化物弥弥散强化化合金、颗颗粒增强强复合材材料，高高性能难难熔金属属及合金金、超细细晶粒及及涂层硬硬质合金金、新型型金属陶陶瓷、特特种陶瓷瓷、超硬硬材料、高高性能永永磁材料料、电池池材料、复复合核

6、燃燃料、中中子可燃燃毒物、粉粉末微晶晶材料和和纳米材材料、快快速冷凝凝非晶和和准晶材材料、隐隐身材料料等。这这些新材材料都需需要以粉粉末冶金金作为其其主要的的或惟一一的制造造手段。 本章将将简要介介绍粉末末冶金的的基本工工艺原理理和方法法，重点点介绍近近年米粉粉末冶金金新技术术和新工工艺的发发展和应应用状况况。1122雾化制制粉技术术 粉末冶冶金材料料和制品品不断增增多，其其质量不不断提高高，要求求提供的的粉末的的种类也也愈来愈愈多。例例如，从从材质范范围来看看，不仅仅使用金金属粉末末，也要要使用合合金粉末末、金属属化合物物粉末等等；从粉粉末形貌貌来看，要要求使用用各种形形状的粉粉末，如如生产

7、过过滤器时时，就要要求球形形粉末；从粉末末粒度来来看，从从粒度为为500010000mmm的粗粉粉末到粒粒度小于于0.11mm的超细细粉末。近几十年年来，粉粉末制造造技术得得到了很很大发展展。作为为粉末制制备新技技术，第第一个引引人注目目的就是是快速凝凝固雾化化制粉技技术。快快速凝固固雾化制制粉技术术是直接接击碎液液体金属属或合金金并快速速冷凝而而制得粉粉末的片片法。快快速凝固固雾化制制粉技术术最大的的优点是是可以有有效地减减少合金金成分的的偏析，获获得成分分均匀的的合金粉粉末。此此外，通通过控制制冷凝速速率可以以获得具具有非晶晶、准晶晶、微晶晶或过饱饱和固溶溶体等非非平衡组组织的粉粉末。它它

8、的出现现无论对对粉末合合金成分分的设计计还是对对粉末合合金的微微观结构构以及宏宏观特性性都产生生了深刻刻影响，它它给高性性能粉末末冶金材材料制备备开辟了了一条崭崭新道路路，有力力地推动动了粉末末冶金的的发展。 雾化法法最初生生产的是是像锡、铅铅、锌、铝铝等低熔熔点金属属粉末，进进一步发发展能生生产熔点点在1660017000以下的铁铁粉及其其他粉末末，如纯纯铜、黄黄铜、青青铜、合合金钢、不不锈钢等等金属和和合金粉粉末。近近些年，随随着人们们对雾化化制粉技技术快速速冷凝特特性的认认识，其其应用领领域不断断地拓宽宽，如高高温合金金、All-Lii合金、耐耐热铝合合金、非非晶软磁磁合金、稀稀土永磁磁

9、合金、CCu-PPb和CCu-CCr假合合金等。 借助高高压液流流(通常常是水或或油)或或高压气气流(空空气、惰惰性气体体)的冲冲击破碎碎金属液液流来制制备粉末末的方法法，称为为气雾化化或水(油)雾雾化法，统统称二流流雾化法法(图111-22)；用用离心力力破碎金金属液流称为离离心雾化化(图111-33)；利利用超声声波能量量来实现现液流的的破碎称称为超声声雾化(图111-4)。雾化化制粉的的冷凝速速率一般般为10031006s。11221二二流雾化化 根据雾雾化介质质(气体体、水或或油)对对金属液液流作用用的方式式不同，二二流雾化化法具有有多种形形式： (1)垂直喷喷嘴。雾雾化介质质与金属属

10、液流互互呈垂直直方向，如如图111-5(a)所所示。这这样喷制制的粉末末一般较较粗，常常用来喷喷制铝、锌锌等粉末末。 (2)V形喷喷嘴。两两股板状状雾化介介质射流流呈V形形，金属属液流在在交叉处处被击碎碎，如图图ll-5(bb)所示示。这种种喷嘴是是在垂直直喷嘴的的基础上上改进而而成的，其其特点是是不易发发生堵嘴嘴。瑞典典霍格纳纳斯公司司最早用用此法以以水喷制制不锈钢钢粉。 (3)锥形喷喷嘴。采采用如图图11-5(cc)所示示的环孔孔喷嘴，雾雾化介质质以极高高的速度度从若干干个均匀匀分布在在圆周上上的小孔孔喷出构构成一个个未封闭闭的气锥锥，交汇汇于锥顶顶点，将将流经该该处的金金属液流流击碎。这

11、这种喷嘴嘴雾化效效率较高高，但要要求金属属液流对对中好，而而且由于于雾化介介质高速速射出时时会在锥锥中形成成真空，容容易造成成液滴反反飞，并并在喷嘴嘴上凝固固而堵嘴嘴。(4)漩漩涡环形形喷嘴。采采用如图图11-55(d)所示的的环缝喷喷嘴，压压缩气体体从切向向进入喷喷嘴内腔腔。然后后高速喷喷出形成成一漩涡涡状锥体体，金属属液流在在锥顶被被击碎。 雾化介介质与金金属液流流的相互互作用既既有物理理-机械械作用，又又有物理理-化学学变化。高高速气体体射流或或水射流流，既是是使金属属液流击击碎的动动力源，又又是一种种冷却剂剂，就是是说，一一方面，在在雾化介介质同金金属液流流之间既既有能量量交换(雾化介

12、介质的动动能变为为金属液液滴的表表面能)，又有有热最交交换(金金属液滴滴将一部部分热虽虽转给雾雾化介质质)。不不论是能能量交换换，还是是热量交交换，都都是一种种物理-机械过过程；另另一方面面，液体体金属的的黏度和和表面张张力在雾雾化过程程和冷却却过程中中不断发发生变化化，这种种变化反反过来又又影响雾雾化过程程。此外外，在很很多情况况下，雾雾化过程程中液体体金属与与雾化介介质发生生化学作作用使金金属液体体改变成成分(如如氧化、脱脱碳等)，因此此，雾化化过程也也就具有有物理-化学过过程的特特点。 在液体体金属不不断被击击碎成细细小液滴滴时，高高速射流流的动能能变为金金属液滴滴增大总总表面积积的表面

13、面能。这这种能量量交换过过程的效效率极低低，据估估计不超超过1。目前前，从定定量方面面研究二二流雾化化的机理理还很不不够。雾化过程程非常复复杂。影影响粉末末性能(化学成成分、粒粒度、颗颗粒形状状和内部部结构等等)的因因素很多多，主要要有喷嘴嘴和聚粉粉装置的的结构、雾雾化介质质的种类类和压力力、金属属液的表表面张力力、黏度度、过热热度和液液流直径径。显然然，雾化化介质流流和金属属液流的的动力交交互作用用愈显著著，雾化化过程愈愈强烈。金金属液流流的破碎碎程度取取决于介介质流的的动能，特特别是介介质流对对金属液液滴的相相对速度度以及金金属液流流的表面面张力和和运动黏黏度。一一般来说说，金属属液流的的

14、表面张张力、运运动黏度度值是很很小的，所所以介质质流对金金属液滴滴的相对对速度是是最主要要的。粉粉末的形形状主要要取决于于液流的的表面张张力和冷冷凝的时时间。金金属液流流的表面面张力大大，并且且液滴在在凝固前前有充足足的球化化时间，将将有利于于获得球球形粉术术。图111-66显示了了不同雾雾化方法法所得到到的粉末末的照片片。11.22.1.1气体体雾化 气体雾雾化法所所用的雾雾化压力力一般为为288MPaa，制得得的粉末末粒径一一般为5501100mmm，多为为表面光光滑的球球形。近近年来已已发展了了一种新新的紧耦耦合(CClosse CCouppledd)气体体雾化喷喷枪，可可以极大大提高细

15、细粉率，粒粒径为330440mm的的粉末可可占755左右右，粉末末的冷凝凝速度也也相应有有了提高高。超声声气体雾雾化法(USGAA)是气气体雾化化技术中中较为先先进的一一种，它它是用速速度高达达2.55马赫的的高速高高频(8801100kkHz)脉冲冲气流作作为雾化化介质的的。这种种超声气气流是用用一系列列哈脱曼曼(Haartmman)冲击波波管产生生。超声声气体雾雾化法具具有很高高的雾化化效率，例例如，采采用超声声气体雾雾化法可可以制成成粒径为为8mm的锡锡合金粉粉末和平平均粒径径为200mm的铝铝合金粉粉未，而而且在这这种铝合合金粉末末中粒径径小于550mm的粉末末出粉率率高达990以以上

16、。超超声气体体雾化生生产低熔熔点合金金已达工工业生产产规模，而而对于高高熔点合合金仍处处于实验验阶段和和实验性性生产规规模，其其存在的的主要问问题是雾雾化过程程不稳定定，易造造成“堵嘴”现象。通通过提高高雾化气气体的温温度，使使气体的的出口速速度提高高，可进进一步提提高细粉粉末的出出粉率。另另一个值值得注意意的是德德国Geerkiing发发明的层层流气体体雾化技技术，该该技术采用了特特殊的喷喷嘴设计计，使雾雾化气体体以层流流的形式式喷出，可可将金属属液流进进一步细细化。用用该技术术生产的的铝粉的的中位径径只有118m，990粉粉末的粒粒径小于于30mm。用该该技术生生产3116L不不锈钢粉粉末

17、，其其中位径径为300mm，900粉末末的粒径径小于880mm。但是是，由于于该技术术采用了了很小直直径的金金属液流流(约11mm)，批批量生产产时其导导液管容容易被堵堵塞。全全惰性气气体雾化化技术近近年来发发展很快快，多种种实验和和生产规规模的全全惰性气气体雾化化制粉设设备相继继投入运运行，为为发展高高性能的的高温合合金、铝铝合金、钛钛合金以以及金属属间化合合物材料料提供了了有力的的手段。11.22.1.2高压压水雾化化 在金属属粉末雾雾化中发发展最快快的是220世纪纪60年年代中期期建立起起来的高高压水雾雾化技术术。水雾雾化法由由于采用用了密度度较高的的水做雾雾化介质质，所以以达到的的冷凝

18、速速度要比比一般气气体雾化化法高个个数量级级，粉末末形状一一般为不不规则形形。它在在纯铁粉粉、低合合金钢粉粉、高合合金钢粉粉、不锈锈钢粉和和铜合金金粉的制制造中具具有重大大的技术术经济优优势，是是钢铁粉粉末生产产的主要要发展方方向。高高压水雾雾化目前前只限于于在不会会出现过过度氧化化或在雾雾化期间间形成的的氧化物物能很快快被还原原的那些些可雾化化合金。在在10MMPa水水压下的的钢铁粉粉末粒度度为10002000mm。随随着粉末末注射成成形等新新型近净净形成形形技术的的发展，超超高压（1000MPaa)水雾雾化被认认为是制制取细微微(约1100mmm)粉末末的有效效途径。例例如，日日本太洋洋金

19、属公公司为此此开发了了水压高高达1550MPPa的超超高压水水雾化设设备，其其平均粒粒度可达达355mm。11222离离心雾化化离心雾化化法是利利用机械械旋转造造成的离离心力使使金属熔熔液克服服其表面面张力，以以细小的的液滴甩甩出，然然后在飞飞行过程程中球化化、冷凝凝成粉的的一种制制粉方法法。其中中主要有有旋转盘盘法(RRD)(图111-3(a)、旋转转坩埚法法(RCC)(图图11-33(b)、旋旋转电极极法(RREP(图111-3(c)、电子子束旋转转电极法法(EBBRE)、等等离子旋旋转电极极法(PPREPP)(图图11-7)等。目前前，上述述方法都都有工业业性生产产设备。离离心雾化化的一

20、个个重要特特点就是是能制取取几乎所所有金属属或合金金的粉末末，还可可以制取取难熔化化合物(如氧化化物，碳碳化物等等)粉末末。此外外，离心心雾化一一般不受受坩埚耐耐火材料料的污染染，是日日前制取取高纯、无无污染难难熔金属属和化合合物球形形粉末最最理想的的方法，特特别是对对易氧化化(氮化化)金属属最为有有效，冷冷凝速度度一般为为10331006Kss。离心心雾化法法的主要要缺点是是工艺受受到设备备规模、生生产过程程连续化化和自动动化限制制，生产产能力低低，粉末末价格较较高。离离心雾化化法制得得的粉末末一般为为球形，平平均粒度度多在550115mm之之间。粉粉末粒度度的大小小主要受受离心力力的影响响

21、，旋转转速度越越高，离离心力越越大，所所得粉末末越细。图图11-8显示示了电极极旋转速速率对粉粉末粒度度的影响响规律。在在上述离离心雾化化技术中中，旋转转电极法法(包括括PEPP、EBBRE、PPREPP)最重重要，日日前应用用比较广广泛，主主要用于于制备镍镍基超合合金、钛钛合金、金金属间化化合物、无无氧铜、难难熔金属属及合金金等粉末末。11.33机械合合金化制制粉技术术机械合金金化是一一种从元元素粉末末制取具具有平衡衡或非平平衡相组组成的合合金粉末末或复合合粉末的的制粉技技术。它它是在高高能球磨磨机中，通通过粉末末颗粒之之间、粉粉末颗粒粒与磨球球之间长长时间发发生非常常激烈的的研磨，粉粉末被

22、破破碎和撕撕裂，所所形成的的新生表表面互相相冷焊而而逐步合合金化，其其过程反反复进行行，最终终达到机机械合金金化的目目的，如如图111-9所所示。 机械合合金化技技术的特特点主要要有： (1)可形成成高度弥弥散的第第二相粒粒子； (2)可以扩扩大合金金的固溶溶度，得得到过饱饱和固溶溶体； (3)可以细细化晶粒粒，甚至至达到纳纳米级。还还可以改改变粉末末的形貌貌； (4)可以制制取具有有新的晶晶体结构构、准晶晶或非晶晶结构的的合金粉粉末； (5)可以使使有序合合金无序序化； (6)可以促促进低温温下的化化学反应应和提高高粉末的的烧结活活性。 机械合合金化是是美国国国际镍公公司Beenjaamin

23、n等人于于20 世纪660年代代末期最最早开发发的，当当时主要要用于制制备同时时具有沉沉淀硬化化和氧化化物弥散散硬化效效应的镍镍基和铁铁基超合合金。表表11-1列出出了机械械合金化化技术制制备的几几种氧化化物弥散散强化镍镍基和铁铁基超合合金的室室温和高高温力学学性能。机械合金金化技术术所用的的原料粉粉末来源源广泛，主主要是一一些目前前已广泛泛应用的的纯金属属粉末，有有时也使使用母合合金粉末末、预合合金粉末末和难熔熔金属化化合物粉粉末，其其粒度一一般为ll2000mm。、对对机械合合金化技技术来说说，原料料粉末的的粒度并并不是很很重要，因因为粉末末粒度随随球磨时时间呈指指数下降降(图111-11

24、0)，几几分钟后后便会变变得很细细，但一一般说来来原始粉粉末粒度度要小于于磨球的的直径。由由于一般般商用金金属粉末末的氧含含量为00.05500.2，因此此，在研研究机械械合金化化过程中中的相变变化时要要充分考考虑原始始粉末的的纯度。 为了减减少粉末末间的冷冷焊，防防止粉末末发生团团聚，在在机械合合金化过过程中往往往需要要在粉末末中加入入14的的过程控控制剂，特特别是在在有一定定量的延延性组元元存在时时。过程程控制剂剂是一种种表面活活性剂，它它可以覆覆盖在粉粉末的表表面，降降低新生生表面的的表面张张力，从从而可缩缩短球磨磨时间。过过程控制制剂的种种类很多多，但大大多数为为有机化化合物。如如：硬

25、脂脂酸、己己烷、草草酸、甲甲醇、乙乙醇、丙丙酮、异异丙醇、庚庚烷、NNopccowaax-222DSSP、辛辛烷、甲甲苯、三三氯氟乙乙烷、DDDAAA、硅氧氧烷脂石石墨粉、氧氧化铝、氮氮化铝、氯氯化钠也也曾用作作过程控控制剂。在在球磨过过程中，这这些化合合物的大大部分都都会分解解，并与与粉末反反应后在在其基体体中形成成均匀弥弥散分布布的化合合物新相相。例如如，碳氧氧化合物物中包含含碳和氢氢元素，碳碳水化合合物包含含碳、氧氧、氢元元素。用用这些化化合物作作为过程程控制剂剂可以在在粉末基基体中形形成弥散散的碳化化物和氧氧化物粒粒子，从从而得到到弥散强强化材料料，其中中的氢元元素可以以在随后后的加热

26、热或烧结结过程中中成为气气体逸出出或被晶晶格吸收收。 有些金金属，如如铝、镍镍、铜会会在球磨磨过程中中与醇类类介质反反应，形形成复杂杂的金属属-有机机化合物物。例如如铝会与与异丙醇醇反应。其其他一些些金属，如如钛、锆锆会与氯氯化物流流体(如如四氯化化碳)发发生爆炸炸反应，因因此，氯氯化物流流体不可可以用作作活性金金属的过过程控制制剂。钛钛、锆等等活性金金属在有有空气存存在的情情况下球球磨时，会会大量吸吸氧和吸吸氮，从从而发生生相变，包包括形成成新相。 反应球球磨技术术(金属属粉末在在活性固固体液液体气气体存在在的条件件下进行行球磨时时，会导导致化学学反应发发生)已已应用于于制备金金属氧化化物、

27、碳碳化物和和氮化物物粉末。例例如：将将金属钛钛在氮气气氛中球球磨得到到了氮化钛钛粉末，其其他几种种金属氯氯化物粉粉末也已已用相似似的工艺艺制得。将将钨与碳碳(石墨墨)一起起进行球球磨，可可以获得得碳化钨钨粉末。将将铝与碳碳或者含含碳的过过程控制制剂一起起球磨可可以得到到碳化铝铝粉末(Al4C3)，碳碳化铝粒粒子弥散散分布在在铝合金金的基体体中，可可显著改改善铝合合金的性性能。对对于铝-碳体系系，在球球磨过程程中往往往只有部部分碳化化铝粒子子形成，要要使碳和和铝完全全反应需需要进行行后续的的热处理理。然而而，对于于其他体体系，化化学反应应可以在在球磨过过程中完完成，也也可能要要经过热热处理后后才

28、完成成，还可可能球磨磨和热处处理后仍仍只有部部分完成成。 过程控控制剂的的选择取取决于球球磨粉末末的性质质和对最最终粉末末纯度的的要求。过过程控制制剂的使使用往往往会给粉粉末带进进一些夹夹杂物，因因此，制制备高纯纯粉末时时要避免免使用过过程控制制剂。需需要指出出的是，没没有万能能的过程程控制剂剂。选择择过程控控制剂时时，要仔仔细考察察金属粉粉末与过过程控制制剂组元元间的可可能化学学反应。 目前，已已有多种种形式的的球磨机机用于制制备机械械合金化化粉末。其其不同之之处主要要是生产产能力、球球磨效率率、冷却却和加热热装置等等。振动球磨磨机、如如SPEEX球磨磨机(美美国SPPEX CerrtPrr

29、ep，IInc 制造，图图11-11)，这种种球磨机机一次只只能制备备10克克左有的的粉末，主主要用于于实验室室研究和和做合金金的筛选选工作。它它包括一一个用于于装填粉粉求和磨磨球的球球磨罐，球球磨罐被被夹紧并并以每分分钟数千千次的频频率前后后晃动，与与此同时时，球磨磨罐的两两端还作作横向摆摆动，因因此，球球磨罐是是沿着一一个8字字形的轨轨迹运动动，或者者是无规规则轨迹迹的运动动。球磨磨灌每摆摆动一下下，磨球球就会撞撞击粉末末样品和和球磨罐罐的顶部部，从而而达到球球磨和混混合粉末末的目的的。 行星球球磨机。如如Pullverriseettee球磨机机(德国国Friitscch GGmbHH制造

30、，图图11-12)。这是是一种最最为广泛泛用于机机械合金金化的球球磨机，一一次可以以制备几几百克粉粉末。行行星球磨磨机的名名字来自自于它的的球磨罐罐的运动动轨迹。多多个球磨磨罐对称称安装在在一个旋旋转的圆圆盘上，每每个球磨磨罐还绕绕自己的轴轴心转动动。由球球磨罐环环绕自己己的轴心心转动和和支撑盘盘的旋转转所产生生的离心心力作用用于装有有球磨原原料和磨磨球的球球磨罐上上。由于于球磨罐罐与支撑撑盘的旋旋转方向向是相反反的。产产生的离离心力有有的部位位力向相相同，有有的则相相反。如如图111-122所示，球球磨罐外外侧的粉粉末和磨磨球所受受的离心心力的方方向是相相同的，因因此将沿沿着内壁壁滚动，产产

31、生摩擦擦效应，当当球磨罐罐的这一一边转到到内侧时时，粉末末和磨球球所受的的离心力力的方向向变为相相反，在在支撑盘盘离心力力的作用用下，粉粉末和磨磨球将飞飞向外壁壁，产生生撞击效效应，从从而达到到机械合合金化的的效果。搅拌球磨磨机。如如Moddel 1-SS搅拌球球磨机(美国UUnioon PProccesss制造，图图11-13)。这种种球磨机机可以较较大批量量地生产产机械合合金化粉粉末，从从几公斤斤到1000kgg。搅拌拌球磨机机的球磨磨料的运运动速率率要比振振动球磨磨机和行行星球磨磨机低，一一般约为为0.55ms，因此此其能量量也较低低。目前前各种规规格的搅搅拌球磨磨机国内内外都有有公司制

32、制造。球球磨罐有有纯不锈锈钢制的的，也有有内衬了了氧化锅锅、氧化化锆、橡橡胶或聚聚氨基甲甲酸乙脂脂的不锈锈钢罐。磨磨球的材材质有玻玻璃、火火石、滑滑石陶瓷瓷、莫来来石、碳碳化硅、氮氮化硅、赛赛隆陶瓷瓷、氧化化铝、硅硅酸锆、氧氧化锆、不不锈钢、碳碳钢、含含铬钢和和碳化钨钨等。搅搅拌球磨磨机的操操作较简简单。将将粉末和和磨球放放入一固定定的球磨磨罐中，在在高速旋旋转的搅搅拌杆的的作用下下，磨球球对粉末末施行剪剪切和撞撞击作用用。一般般应用的的搅拌球球磨机其其搅拌速速率约为为2500rmmm，实实验室使使用的有有些搅拌球球磨机其其搅拌速速率要快快十倍。1144超微粉粉末制备备技术 超微粉粉末通常常是

33、指粒粒径为1101100nnm的微微细粉末末，有时时亦把粒粒径小于于1000nm的微微细粒子子称为纳纳米微粉粉。纳米米微粉具具有明显显的体积积和表面面效应，因因此，它它较通常常细粉有有显著不不同的物物理、化化学和力力学特性性，作为为潜在的的功能材材料和结结构材料料，超微微粉末的的研制已已受到了了世界各各工业国国家的重重视。纳纳米微粉粉的制造造方法有有：溶胶胶-凝胶胶法、喷喷雾热转转换法、沉沉淀法、电电解法、汞汞合法、羰羰基法、冷冷冻干燥燥法、超超声粉碎碎法、蒸蒸发-凝凝聚法、爆爆炸法、等等离子法法等。 制各超超微粉末末遇到最最大困难难是粉末末的收集集和存放放。另外外，湿法法制取的的超微粉粉末都

34、需需要热处处理，因因此可能能使颗粒粒比表面面积下降降，活性性降低，失失去超微微粉的特特性，并并且很难难避免和和表而上上的羰基基结合，所所以现在在一般都都倾向于于采用干干法制粉粉。 纳米微微粉是一一种新型型的粉末末冶金材材料和原原材料，其其主要应应用于高高密度磁磁记录材材料、薄薄膜集成成电路的的导电材材料、微微孔过滤滤器、化化学催化化剂、汽汽车用的的还原触触媒、超超微粒子子膜传感感器、碳碳纤维的的气相成成核材料料等。 纳米微微粉活性性大，易易于凝聚聚和吸湿湿氧化，成成形性差差，因此此作为粉粉末冶金金原料还还有一些些技术上上的问题题有待解解决。另另外，纳纳米微粉粉作为粉粉末制品品原料必必须具有有经

35、济的的制造方方法和稳稳定的质质量。纳纳米微粉粉烧结温温度特别别低(粒粒径为220nmm的银粉粉烧结温温度为660880，20nm的的镍粉2200开始熔熔接)，一一旦能实实现利用用纳米微微粉工业业化生产产粉末冶冶金制品品。将对对粉末冶冶金技术术带来突突破性的的变革。1155粉 注注射成形形技术粉末注射射成形(powdeer iinjeectiion molldinng，简简称PIIM)是是将现代代塑料注注射成形形技术引引入粉末末冶金领领域而形形成的一一门近净净形成形形新技术术。它的的基本工工艺过程程如图111-114所示示：首先先将固体体粉末与与有机黏黏结剂均均匀混合合并制成成粒状喂喂料，在在加

36、热状状态下用用注射成成形机将将其注入入模腔内内冷凝成成形，然然后用化化学溶解解或热分分解的方方法将成成形坯中中的黏结结剂脱除除，最后后经烧结结致密化化得到最最终产品品。该技技术的最最大特点点是可以以直接制制造出具具有最终终形状的的零部件件，产品品不仅精精度高、组组织均匀匀、性能能优异，而而且生产产成本只只有传统统成形工工艺的22060。因此此，国际际上普遍遍认为该该技术的的发展将将会导致致零部件件成形与与加工技技术的一一场革命命，已成成为国际际上“当今最最热门的的零部件件成形技技术”。 粉末注注射成形形技术的的原型起起源于220世纪纪20年年代，最最早是应应用于制制造陶瓷瓷火花塞塞。第一一项陶

37、瓷瓷粉末注注射成形形的专利利19338年授授权给SSchwwarttzwaaldeer。第第二次世世界大战战期间，在在美国的的曼哈顿顿计划中中，美国国橡树岭岭国家实实验室采采用粉末末注射成成形方法法制备了了用于原原子弹核核燃料铀铀同位素素分离的的镍管。119766年，第第一项金金属粉末末注射成成形技术术的专利利授权给给Rivver。由由于当时时粉末原原料成本本高、脱脱脂时间间长、产产品易变变形等问问题没有有解决。其其发展非非常缓慢慢。直道道19779年，美美国Paarmaatecch公司司有两件件PIMM产品在在国际粉粉末冶金金大会的的产品设设计大赛赛中获奖奖后，PPIM技技术才开开始受到到粉

38、术冶冶金界的的关注。220世纪纪80年年代由于于美国政政府研究究机构和和大学的的介入，使使研究工工作向深深层次发发展，从从完全凭凭经验进进入到在在一定理理论指导导下工作作，这一一时期PPIM技技术得到到了迅速速的发展展。这一一方面归归于在流流体力学学和气体体动力学学研究成成果基础础上开发发出的超超高压水水雾化和和高压惰惰性气体体雾化技技术的发发展，使使细粉率率大大提提高，原原材料成成本下降降。另一一方面，在在黏结剂剂设汁理理论和脱脱脂机理理等研究究成果的的指导下下，新一一代黏结结剂及其其脱除技技术的开开发成功功，不仅仅使原来来的脱脂脂时间从从数十小小时缩到到几个小小时，而而且其保保形性得得到明

39、显显的改善善，大规规模生产产的产品品的尺寸寸精度从从0.55提高高到了0.33。进进入200世纪990年代代，一方方面，是是PIMM 工艺艺进一步步改进，新新材料、新新工艺不不断涌现现，另一一方面，产产业化发发展非常常迅速。 黏结剂剂是PIIM技术术的核心心，在PPIM中中黏结剂剂具有增增强粉体体流动性性和维持持坯块形形状的两两个基本本职能，此此外它还还应具有有易于脱脱除、无无污染、无无毒性、成成本合理理等特点点。黏结结剂一般般是由低低分子量量组元与与高分子子量组元元加上一一些必要要的添加加剂和表表面活性性剂构成成低分子子量组元元黏度低低，流动动性好，易易脱去；高分子子量组元元黏度高高，强度度

40、高，保保证成形形坯具有有一定的的强度添添加剂和和表面活活性剂主主要用以以增强黏黏结刺的的流动性性和与粉粉末的相相容性。各各组元以以适当比比例搭配配以获得得高的粉粉末装载载量，最最终得到到高精度度和高均均匀性的的产品。通通常采用用的黏结结剂体系系主要有有：热塑塑性体系系(石蜡蜡基、汕汕基和聚聚合物基基)、热热固性体体系、热热固-热热塑性体体系，凝凝胶体系系和水溶溶性体系系等。表表11-2列举举了一些些已公开开的黏结结剂配方方。 传统的的黏结剂剂在热脱脱脂过程程中，由由于几乎乎是在成成形坯内内外同时时分解，脱脱脂速率率极慢，往往往需要要数十小小时甚至至数天，加加快热脱脱脂速度度往往会会造成鼓鼓泡和

41、开开裂等无无法弥补补的缺陷陷。采用用液固固或气固界面面反应脱脱脂(即即溶剂脱脱脂和气气相脱脂脂)，可可以使脱脱脂过程程由外及及里推进进，可以以有效地地提高脱脱脂速率率，已成成为黏结结剂开发发的主要要发展方方向。由由于水的的价格低低廉、无无毒，有有利于环环保，开开发水溶溶性黏结结剂体系系是溶剂剂脱脂技技术研究究的重点点。由德德国BAASF公公司开发发的黏结结剂及其其催化脱脱脂技术术是目前前应用于于工业化化生产中中最先进进的脱脂脂技术之之一，并并可为粉粉末注射射成形厂厂家直接接供应喂喂料和提提供后续续生产工工艺。德德国CRREMEER公司司已开发发出了适适应该技技术的连连续脱脂脂和烧结结一体化化炉

42、，该该技术的的脱脂速速率可达达到14mmmh。粉末注射射成形技技术由于于采用了了大量的的黏结剂剂作为粉粉末流动动填充模模腔的载载体，所所以可以以像成形形塑料那那样制备备出各种种任意形形状的粉粉末冶金金零部件件，这是是传统粉粉末冶金金模压工工艺不可可能达到到的。由由于射成成形是一一种近净净形成形形工艺，产产品基本本上不需需要后续续加工，有有 需需要几十十道机加加工工序序才能完完成的产产品采用用PIMM可以一一次成形形，制造造成本相相对较低低。PIIM技术术还可以以实现零零部件一一体化。由由于加工工技术或或者材料料性能的的原因，有有些部件件采用传传统技术术制造时时，需要要加工成成几个零零件来组组装

43、，有有时几个个零件的的材料还还不一样样。采用用Pm技技术则可可以直接接制成一一个整体体复合部部件(如如图111-155所示)。由于于注射成成形的原原料是以以流态状状均匀充充填模腔腔，成形形坯粉术术密度分分布均匀匀，避免免了粉 冶金模模压工艺艺中由于于模壁摩摩擦压力力损失所所造成的的成形坯坯密度分分布不均均匀问题题，这样样可以大大大减少少烧结变变形。此此外，由由于PIIM技术术所用的的粉来一一般较细细，产品品烧结后后可以达达到很高高的密度度，因此此，PIIM产品品的力学学性能一一般优于于粉末冶冶金模压压和精密密铸造产产品。表表11-3比较较了PIIM与精精密铸造造技术制造零零件的特特点，在许多方

44、方面PIIM技术术有较大的的优势。表11-4列举了几种常用的金属粉术注射成形材料的力学性能。图11-16是一些典型的粉末往射成形产品的照片。11.66 温压压成形技技术 温压成成形的基基本工艺艺过程是是：将专专用金属属或合金金粉和聚聚合物润润滑剂混混合后，采采用特制制的粉末末加热系系统、粉粉末输送送系统和和模具加加热系统统，升温温到7551550，压制制成压坯坯，再经经预烧、烧烧结、整整形等工工序，获获得密度度高达77.27.5ggcmm3的铁基基粉末冶冶金零件件。温压压成形的的工艺路路线如图图11-17所所示。温温压可以以显著提提高压坯坯密度的的机理一一般归于于在加热热状态下下粉末的的屈服强

45、强度降低低(如图图11-18所所示)和和润滑剂剂作用增增强。温温压成形形技术由由Hoeegannaess公司于于19994年正正式工业业化应用用，并推推出了AAncoordeensee和Deenseemixx两种牌牌号的温温压成形形专用粉粉末。在在材料达达到同等等密度的的前提下下，温压压工艺的的生产成成本比粉粉末锻造造低755，比比复压复烧低低25，比渗渗铜低115。在在零件达达到同等等力学性性能和加加工精度度的前提提下，温温压工艺艺的生产产成本比比现行热热、冷机机械加工工工艺低低50800，生生产效率率提高110330倍。温温压成形形因其成成本低、密密度高、模模具寿命命长、效效率高、工工艺简

46、单单、易精精密成形形和可完完全连续续化、自自动化等等一系列列优点而而受到关关注，被被认为是是20世世纪900年代粉粉末冶金金零件致致密化技技术的一一项重大大突破，被被誉为“开创粉粉末冶金金零件应应用新纪纪元的一一项新型型制造技技术”。该技技术已广广泛应用用于制造造汽车零零件和磁磁性材料料制品，如如：涡轮轮轮毂、形形状复杂杂的齿轮轮和斜齿齿轮、锁锁零件、发发动机连连杆和阀阀座等。表表11-5列出出了部分分温压成成形粉末末冶金材材料的力力学性能能。温压压成形的的铁基材材料的力力学性能能可以与与锻钢比比美，两两者的屈屈服强度度和拉伸伸断裂强强度都基基本相当当，因此此可以用用温压成成形制品品来取代代部

47、分锻锻钢产。需需要指出出的是，粉粉术冶金金产品的的伸长率率一般较较低，选选择温压压成形工工艺需要要考虑其其产品的的延性和和冲击韧韧性。温压成形形技术使使用的压压机和模模具与传传统模压压基本相相同，惟惟一不同同的是温温压成形形需要一一套粉末末和模具具加热系系统。模模具和粉粉末的温温度一定定要均匀匀和稳定定，一般般控制在在2.5，最高高温度不不超过1170，超过过此温度度后，添添加的润润滑剂和和黏结剂剂就会分分解，从从而影响响粉末的的流动性性。一般般采用模模套内嵌嵌加热管管加热模模具，要要把模具具在300minn内加热热到1550，需要要8112个5500ww的加热热管。为为了保证证粉末在在输送过

48、过程中温温度不变变，滑动动送粉器器中也应应有加热热器。为为了减少少上冲头头与芯棒棒卡死的的可能性性，上冲冲头最好好也要加加热。一一般说来来，芯棒棒和下冲冲头可以以不用加加热。11.77 热压压成形技技术 热压又又称为加加压烧结结，是把把粉末装装在模腔腔内，在在加压的的同时使使粉末加加热到正正常烧结结温度或或更低一一些，经经过较短短时间烧烧结获得得致密而而均匀的的制品。热热压可将将压制和和烧结两两个工序序一并完完成，可可以在较较低压力力下迅速速获得冷冷压烧结结所达不不到的密密度，从从这个意意义上说说，热压压是一种种强化烧烧结。原原则上，凡凡是用一一般方法法能制得得的粉末末零件，都都适于用用热压方方法制造造，尤其其适于制制造全致致密难熔