等静压技术及其发展现状.doc

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1、等静压技术及其应用和发展材料加工 王鹏洲Abstrat:In this paper, the principle and basic characteristics of isoprocessing technology was introduced generally,the characteristics ,aplications and development of HIP,CIP and WIP were described concisely according to the classification of isoprocessing technology.摘 要: 本文在概述等

2、静压技术原理及其基本特点后，简要的按照分类介绍了分别介绍了热等静压技术与冷等静压技术以及温等静压的特点和应用领域以及发展概况。关键词: 等静压技术 冷等静压技术 热等静压 温等静压 应用1.概述等静压技术是一种利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态下成型的技术，该技术首创于20世纪30年代1，初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；近20年来，等静压技术已广泛应用于陶瓷 铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石墨、陶瓷、永磁体、高压电磁瓷瓶、生物药物制备、食品保鲜、高性能材料、军工等领域2。1.1等静压技术的基本原理等静压工作原理为帕斯卡定律：在密闭容器内的介质（液体或气体）压强，

3、可以向各个方向均等地传递。根据静压力基本方程( Q= Q+ Qgh), 盛放在密闭容器内的液体, 其外加压强Q0 发生变化时, 只要液体仍保持其原来的静止状态不变, 液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化3。这就是说, 在密闭容器内, 施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点。等静压成型技术是将待压试样粉体置于高压容器中, 利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压, 当液体介质通过压力泵注入压力容器时, 根据流体力学原理, 其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉体在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。通过上述方法使瘠性粉料成型为致密

4、坯体的方法称做等静压法。1.2 等静压技术的特点与等静压成型方法原理近似的是轴向压制成型。轴向压制成型为单向或双向压力压制, 粉料与模具的摩擦力较大, 压力沿压制方向会产生压力损失, 使坯体各部分的密度不均匀。而等静压成型时液体介质传递的压力在各个方向上是相等的。弹性模具在受到液体介质压力时产生的变形传递到模具中的粉料, 粉料与模具壁的摩擦力小, 坯体受力均匀, 密度分布均一, 产品性能有很大提高4。1.3 等静压技术成型工艺 无论热等静压、冷等静压抑或是温等静压成型技术，其基本原理一致；故此其一般工艺也相同；一般的等静压成型工艺如下：( 1)粉体预处理, 对瘠性粉料, 等静压成型工艺也需要对

5、粉体进行预处理, 通过造粒工艺提高粉体的流动性, 加入粘结剂和润滑剂减少粉体内摩擦力, 提高粘结强度, 使之适应成型工艺需要。( 2)成型工艺, 包括装料、加压、保压、卸压等过程。装料应尽量使粉料在模具中装填均匀, 避免存在空隙; 加压时应求平稳, 加压速度适当; 针对不同的粉体和坯体形状, 选择合适的加压压力和保压时间; 同时选择合适的卸压速度。( 3)成型模具, 等静压对成型模具有特殊的要求, 包括有足够的弹性和保形能力; 有较高的抗张、抗裂强度和耐磨强度; 有较好的耐腐蚀性能, 不与介质发生化学反应; 脱模性能好; 价格低廉, 使用寿命长。一般湿式等静压多使用橡胶类模具, 干式等静压模具

6、多使用聚氨酯、聚氯乙烯等材料2。2.等静压技术的分类及其应用等静压技术按成型和固结时的温度高低，分为冷等静压、温等静压、热等静压三种不同类型。2.1 热等静压技术(HIP)美国Battelle实验室于1955年开发的热等静压技术5, 首先用于原子能反应过程中燃料元素的扩散粘结, 基于此应用, 故当时被叫作/ 气压粘结。随着热等静压技术的发展, 其应用范围也不断扩展。热等静压技术一般采用气体做压力介质，是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结和传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。在热等静

7、压中，一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作温度一般为10002200 ，工作压力常为100200MPa。热等静压成型在高温高压的共同作用下，被加工件各向均匀受压，故加工产品致密度高，均匀型好；同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料耗损少的特点。热等静压法(H IP)是一种以氮、氩气等惰性气体为传压介质,通常在9002000 温度和100200MPa压力共同作用下,对制品进行压制烧结处理的技术。热等静压设备的基本结构见图1,它由钢丝缠绕工作缸,组合式缠绕机架,上下端盖,隔热装置,加热元件,测温热电偶,加压管道和压力(加热)室等构成。美国NASA 的Lew

8、is Research Center6,采用HIP 烧结工艺,在1900 获得了密度大于98 %、室温抗弯强度高达600MPa 左右的细晶粒SiC 陶瓷。佘继红等7 采用HIP 烧结特种陶瓷,并用3 % Al2O3 作为添加剂,在1850 和200MPa 条件下烧结1h 就可获得密度高达97. 3 %、抗弯强度为582MPa 的SiC陶瓷。图1 热等静压机结构示意图8热等静压技术如今经过半个世纪的发展完善，国外已经采用热等静压技术制取了核燃料棒、粉末冶金高温合金涡轮盘、钨喷嘴、陶瓷及金属基复合材料等；如今，其在制取金属陶瓷、硬质合金、难熔金属制品及其化合物、粉末冶金制品、金属基复合材料、功能梯

9、度材料等方面都有广泛的应用。2.2 冷等静压技术(CIP)冷等静压技术，是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，主要用于粉体材料成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。一般使用压力为100 630MPa。冷等静压技术广泛用来制做尺寸大, 形状复杂, 性能要求严格的硬质合金轧辊, 人造金刚石用顶锤, 硬质合金刀具等。还广泛用来成型高径比大的各类粉末材料, 如钨、高速钢、铍、铝等棒状、管状不同尺寸形状的坯件, 从而保证了这些材料的性能, 发挥了粉末冶金与冷等静压技术相结合的优越性。冷等静压法又分为有湿袋法和干袋法两种湿式(湿袋法)等静压: 将坯料(或提前预压处理)包封

10、在弹性的塑料或橡胶模具内, 密封后放入高压缸内, 通过液体传递使坯体受压成型。这种方法可改变塑性包套的形状和尺寸, 制品灵活性很大, 适用于小规模生产。但每次都要进行手工装袋、卸袋操作, 生产效率不高。此方法主要用于大型、异形件的生产。干式(干袋法)等静压: 将弹性模具半固定,不浸泡在液体介质中, 而是通过上下活塞密封。压力泵将液体介质注入到高压缸和加压橡皮之间, 通过液体和加压橡皮将压力传递使坯体受压成型。这种方法可连续操作, 即把模具上盖打开, 装料, 然后盖好上盖加压成型, 出料时, 把上盖打开, 通过底部的顶棒把压坯从上边顶出去。操作周期短, 适用于成批生产；目前, 日用瓷盘、碟类产品

11、以及中等规格氧化铝研磨球等制品即采用此方法, 进行连续的工业化生产。干袋法操作周期短，适用于成批生产但产品规格受限制因为加压塑性模不能经常更换。冷等静压技术在难熔合金的粉末冶金中有重用作用；李洪峰等9不同压力下冷等静压成型、常压烧结,制备出了ZrO2 陶瓷材料；成朝会 10 等人用高纯钼粉与TiH2 粉、ZrH2 粉及石墨粉按比例均匀混合后经冷等静压成形,然后在保护气氛下高温烧结,得到TZM合金属；张菊平11等人通过冷等静压、中频烧结制备了稀土掺杂钼合金。冷等静压技术广泛用来制做尺寸大, 形状复杂, 性能要求严格的硬质合金轧辊, 人造金刚石用顶锤, 硬质合金刀具等。还广泛用来成型高径比大的各类

12、粉末材料, 如钨、高速钢、铍、铝等棒状、管状不同尺寸形状的坯件, 从而保证了这些材料的性能, 发挥了粉末冶金与冷等静压技术相结合的优越性 12。冷等静压在制造大尺寸石墨棒、碳电阻元件、石墨坩埚、电动机和发电机的电刷、石墨发热元件、核反应堆用石墨管以及火箭喷咀等大尺寸、异形件的石墨制品生产中以及食品加工行业都有广泛的应用。2.3 温等静压技术(WIP)温等静压技术，压制温度一般在80120以下也有在250450以下，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右。主要用于粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺 橡胶材料等。以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。3 等静压技术的发展等静

13、压成型技术的应用与发展, 实际上依赖于等静压设备的研发与制造技术水平的发展。随着科技发展，等静压设备发展迅速。目前, 许多国家都有定点生产系列化等静压机的厂家, 亦可根据用户要求来设计制造特殊型式的等静压机。如瑞典ASEA公司是生产冷、热等静压机的主要厂家。该公司冷等静压机缸体内径最大已达3m, 高9m, 采用了预应力钢丝缠绕的高压缸体和框架结构, 设备自动化不断提高。我国的冷等静压技术装备在最近几十年来也有了较大的发展, CIP设备的规格、性能都有了很大的提高。四川航空工业川西机器有限责任公司生产LDJ冷等静压机系列, 该系列压机的机架和工作缸均采用预应力钢丝缠绕结构, 这种结构形式具有疲劳

14、强度高、受力合理、结构紧凑、重量轻的特点。压机设有手动、自动卸压阀, 爆破阀, 工作安全可靠。随着科技的进步与大型装备制造业的发展,热等静压技术装备向着大型化高温、高压方向发展。2009年底鲍迪克( Bodycote) 公司在瑞典Surahammer的工厂将拥有世界最大的热等静压系统, 鲍迪克公司订购的这套热等静压系统是由美国阿维尔(Avure)科技有限公司制造的。这套热等静压系统的工作区面积为1. 8m 3. 3m, 最高工作温度为摄氏1150 , 最高工作压力为1040巴( bar)。这套热等静压系统将被用于生产粉末冶金不锈钢, 设计年生产能力为10000吨。目前, 我国在H IP设备领域

15、比较有代表性的是中国钢研科技集团公司, 在1977年研发出国内第一台热等静压机, 进过30 多年的努力, 已经研发出国内最高温度、最高压力、最大炉膛尺寸的一系列H IP设备, 并已经形成系列化产品。4 结语当前我国社会发展, 科技进步已进入稳定增长的轨道, 新材料、新工艺、新装备的研发也步入发展的快车道, 对于等静压技术而言, 由于其先进的技术特点, 压制成型制品的优异性能, 更是一直以来国内外研发的热点, 无论是冷等静压(CIP), 还是热等静压(H IP) 抑或温等静压（WIP）技术与装备均是如此。同样, 等静压设备与技术的发展, 也促进了等静压技术在各行业、各领域中新的应用, 结合各个领

16、域产品特点与要求, 等静压技术将会充分发挥其技术优势, 产生更广泛的影响。参考文献【1】 张少兰. 高静压技术的研究进展及其在食品加工中的应用. 粮食加工与食品机械. 2003, 6: 64- 66【2】 朱志斌 等静压技术的应用于发展 现代陶瓷技术 2010年第一期【3】 李世普. 特种陶瓷工艺学. 武汉: 武汉工业大学出版社. 1990【4】 材料加工技术新技术与新工艺 谢建新等 冶金工业出版社【5】 稀有金属与硬质合金. 2003, 2: 33- 38堪启明, 杨靖, 单先裕. 热等静压技术的发展及应用.【6】 Dutta S. High2st rength silicon carbid

17、e by hot iso staticpressing. In : Tennery V J ed. Proceedings of the Third In2 ternational Symposium on Ceramic Materials and Compo2nent s for Engines. LasVegas , 1988 : 683【7】 佘继红,江东亮,谭寿洪,等. 碳化硅陶瓷的热等静压烧结. 硅酸盐学报,1997 ,25 (4) :395【8】 刘谷成等 热静压技（HIP）中的应用 金刚石与磨料模具工程 2007年8月【9】 李洪峰,俞泽民,金立国,等. 成型压力对ZrO2 陶瓷力学性能的影响. 哈尔滨理工大学学报,2004 ,9 (6) :44）【10】 成朝会 TZM钼合金制备技术及研究进展。中国钼业 2008.12【11】 张菊平 氧化铈对轧制钼合金板力学性能的影响 中国钼业 2009 8【12】 江崇经. 冷等静压技术的应用. 电磁避雷器. 1997, 4:13- 18【13】 曹勇家 粉末冶金产业化的重要技术方向 产业透视 2007年第11期