第10卷第1期
V01-10No.1
粉末冶金材料科学与
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
Materialsscience蛐dEngine盯ingofPowderMetallur留
2005年Z月
Feb. 2005
文章编号:1673—0224(2005)01一001一09
粉末冶金高致密化成形技术的新进展①
李元元,肖志瑜,陈维平,倪东惠
(华南理工大学机械工程学院,广州510640)
摘 要:本文针对粉末冶金行业近十年来出现的提高制品致密化的新途径新方法,简要介绍了其中的温压技术,
流动温压技术、模壁润滑技术、高速压制技术、动力磁性压制技术、爆炸压制技术、放电等离子烧结技术的原理、
特点、发展和应用情况。指出发展粉末冶金高效高致密化成形技术是粉末冶金的发展方向和研究重点,产品致密
化程度的提高将大大促进性能的改进。粉末冶金新技术、新工艺、新材料的不断出现,必将促进高技术产业的快
速发展,也必将带给材料工程和制造技术以光明的前景。
关键词:粉末冶金;高致密化;温压;流动温压;模壁润滑;高速压制;动力磁性压制;爆炸压制;放电等离子烧
结技术
中图分类号:TG146.23 文献标识码:A
ProgressinhighdensitypowdermetalIurgyf10Irmingtechnology
LIYuan—yuan,XIAOZhi—yu,CHENWei—ping,TungwaiLeoNgai
(CoIlegeofMechanicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,
Guangzhou510640,China)
Abstract:Sincetheincreaseindensitywillincreasetheperformanceofpowdermetallurgy(Pl订)product,high
densityformingistherefore,animportantresearchanddirectioninpowdermetallurgy.NewPMformingtechnolo—
gyandnovelmaterialsw订lacceleratethedevelopmentofthehightechnologyindustriesandeventuallybringabright
futureforthematerialsengineeringandthemanufacturingtechnology.Thispaperfocusedinthemoderndevelop—
mentofhighdensityformingtechnologyinpowdermetaUurgyindustriesinthelastdecade.Theprinciples,charac—
te“stics,applicationsanddevelopmentsofwanncompaction,Warmflowcompaction,die-walllubrication,highve—
locitycompaction,dynamicmagneticcompaction,explosioncompactionandsparkplasmasinteringtechnologywere
discussed.
KeywOrds:powdermetallurgy;highdensityfoming;warmcompaction;warmflowcompaction;die-wanlubri—
cation;highvelocitycompaction;dynamicmagneticcompaction;explosioncompaction;sparkplasmasinteringtech—
nology
粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一
体,节能、节材、高效、近净(终)成形、无(少)污染
的先进制造技术,在材料和零件制造业中具有不可
替代的地位和作用,已经成为当代材料科学发展的
前沿领域。粉末冶金材料是基体和孔隙的复合体。
其固有孑L隙,不仅显著影响着粉末冶金材料的力
学、物理、化学和工艺性能,同时也增加了粉末精
密成形的难度。要扩大粉末冶金零件的应用范围,
必须以实现制品的高致密化、高性能化为平台。
目前粉末冶金技术也正向着高致密化、高性能
化、集成化、最优化和低成本等方向发展。近年来,
一系列粉末冶金新技术,新工艺层出不穷,并呈现
①基金项目:国家自然科学基金重点项目(50135020);教育部重大科技项目(0203);广东省科技计划项目(2004810301018)资助
收稿日期:2004一09一06
作者简介:李元元(1958一),男,教授,博导,博士;研究方向:金属新材料制备与成形.
通讯作者:李元元,教授,博士;电话:020一87110683;Dmail:mehjli@scut.edu.cn
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粉末冶金材料科学与工程 2005年2月
出加速发展态势,温压、流动温压、模壁润滑、高
速压制、动力磁性压制技术、爆炸压制技术、放电
等离子烧结等新技术不断涌现,试图构筑面向高致
密、高性能、低成本和绿色制造的复杂零件的粉末
成形技术体系。本文着重介绍近十年来粉末高致密
化成形技术方面的新进展。
1 温压技术
扩大粉末冶金(P/M)零件的应用范围,必须实
现制品的高性能化,而要实现这一目标的最有效的
方法就是使材料高致密化。粉末冶金温压技术能以
较低的成本制造出高密度的粉末冶金零件,为粉末
冶金零件在性能与成本之间找到了一个最佳的结合
点。温压与一般粉末冶金工艺的不同在于,使用金
属粉末和特殊润滑剂在130~150℃下压制成形,
获得高密度制品,压坯密度约有0.15~0.3g/cm3
的增幅,而成本只比常规粉末冶金工艺稍高一
些[1q]。温压工艺的特色是工艺简单、成本低廉,制
品密度高、性能和质量稳定,因而被认为是进入20
世纪90年代以来,粉末冶金零件生产技术方面最
为重要的一项技术进步[5“],并于1995年获得美国
粉末冶金协会的新技术新发展功勋奖。
温压工艺自1994年正式由Hoeganaes公司在
国际粉末冶金和颗粒材料会议(PM2TEC94)上公
布以来,发展仅10年,但研究和应用进展迅速。温
压工艺的关键技术包括粉末、润滑剂、温压工艺及
温压系统。目前,采用温压技术生产的粉末冶金零
件已达200多件,零件重量在5~1200毋7’8]。表1
列出了温压成形技术的典型应用及其特性。
近几年来,华南理工大学、中南大学和北京科
技大学分别在国家“863计划”项目、国家自然科学
基金重点项目、“九五”科技攻关项目的支持下,在
国产温压粉末制备、润滑剂优选、温压工艺参数优
化、温压材料的拓展、模壁润滑、致密化机理、低
温温压工艺、温压成形数值模拟、智能化温压成形
设备、温压零件及其产业化等[15‘2妇方面进行了系
统研究和开发,并取得重大的进展,获得了明显的
经济和社会效益。
2流动温压技术
流动温压成形技术(WFC:WarmFlowCom—
paction)是在粉末压制、温压成形工艺的基础上,
结合了金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一
种新型粉末冶金零部件近净成形技术。该技术由德
国Fraunhofer先进材料与制造研究所(IFAM)于
2000年首次报道[3⋯。它通过提高了混合粉末的流
动性、填充能力和成形性,从而可以在80~130℃
温度下,在传统压机上精密成形具有复杂几何外形
的零件,如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹
孔等零件,而不需要其后的二次机加工。WFC技
术既克服了传统粉末冶金在成形复杂几何形状方面
的不足,又避免了金属注射成形技术的高成本,是
一项极具潜力的新技术,具有非常广阔的应用前
景。
表1温压成形技术的典型应用及其特性睁“3
Table1 Typicalapplicationsandcharacteristicofwarmcompactionformingtechnology[9—14]
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粉末冶金材料科学与工程 2005年2月
个附加的润滑剂靴装置,成形开始时,润滑剂靴推
开压坯,压缩空气将带有静电的润滑剂从靴内喷射
到模腔内,因为润滑剂粉末所带的极性与阴模相
反,粉末在电场牵引下撞击并粘附在模壁上,然后
装靴粉装粉,进行常规压制成形。两种
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
原理分
别如图3和图4所示。
图3采用液体润滑剂模壁润滑示意图
Fig.3Schematicsofdie—walllubrication
byliquidlubricant
Ball等[34]采用模壁润滑技术对铁粉(F一
100)和钢粉(FN0205,Fe一2.ONi—O.45c_1.3Cu)进
行了成形研究。结果表明,模壁润滑明显提高了生
坯密度,密度均达到了6.o~7.3g/cm3;且模壁润
滑与粉间润滑相比,铁粉和钢粉的生坯强度可分别
提高128%~217%和66%~139%。
模壁润滑技术作为一种易嫁接的技术,与其他
成形技术的结合,将为粉末高致密化精密成形提供
更为有效的途径。最近,St—Laurent[353成功地将模
壁润滑引入温压技术,获得了密度大于7.4g/cm3
的钢铁粉末生坯;日本丰田汽车中心研究人员利用
温压、模壁润滑与高压制压力使铁基粉末压
坯近乎达到全致密。例如,ASCl00.29铁粉,模壁
润滑,压制压力为1176MPa,423K温压,生坯密
度可达7.74g/cm3,弹性后效小于O.1%;
ABCloo.30铁粉,模壁润滑,压制压力为
1960MPa,423K温压,生坯密度可达7.85g/cm3,
相对密度为99.9%[3引。
国内的北京科技大学已开发出成本低、适用性
强的干粉模壁润滑装置并成功用于不锈钢粉末的高
密度成形;华南理工大学也正在进行模壁润滑的实
用化研究。
4高速压制技术
高速压制技术(HighVelocityCompaction)是
瑞典的Hoaganas公司在2001年6月推介的一种
新技术。它可能是粉末冶金工业寻求低成本高密度
材料加工技术的又一次新突破。
高速压制技术主要特点是比传统的压制快500
~1000倍,适于大批量生产零部件。可以产生间隔
o.3s的多重附加冲击波将密度不断提高口川。当粉
末在2~30m/s速度下进行高能锤击(重5~1200
kg)压制时,根据使用的材料和润滑方式,其烧结
密度可达到7.8g/cm3以上。可压制出5~10kg重
的零件。实际上,该技术是传统粉末压制成形技术
的一种极限式外延的结果。如果将高速压制技术与
温压技术相结合,即将温压中成形速度极大提高,
将可能成为高速压制和温压技术创新和发展的一个
契机。
该技术适用于制备阀门、简单齿轮、气门导
筒、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、轴套宇轴承套圈
和凸轮凸角机构等产品。目前正在继续研究生产更
复杂的多级部件口8|。其中一些制品的性能参数如
表2。
。净卜盈净淞阱卜夕半心蘸涵
豳 匿 塑 匡 萋 弱 匿匿塑凼 匿叉 区 竭 氏 N
(d)
图4干粉末静电喷涂模壁润滑示意图
Fig.4Schematicsofdie_walllubricationbyelectrostaticpowdercoating
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粉末冶金材料科学与工程 2005年2月
圈5 SPS设备示意图
Fig.5SchematicsofSPSequipment
料,活化粉末表面,提高粉末表面的扩散能力,再
在较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧
结致密[t1’42]。有关研究表明,该技术由于场活化等
作用在较大程度上降低了粉体的烧结温度,缩短了
烧结时间,并充分利用了粉末自身发热的作用,热
效率极高,加热均匀,可通过一次成形获得高精
度、均质、致密、含氧量低和晶粒组织细小的零件。
目前,SPS研究对象主要集中于陶瓷、金属陶
瓷、金属间化合物、复合材料、纳米材料以及功能
材料等。在制备和成形非晶合金、形状记忆合金、
金刚石等材料方面也作了不少尝试,并取得了较好
的结果。例如,在制备功能梯度材料中,用普通烧
结和热压成形WC粉末时必须加入添加剂,而SPS
技术的出现使成形纯WC成为了可能;SPS制备的
WC/Mo梯度材料的维氏硬度和断裂韧度可分别达
到24GPa和6MPa·m“2,大大减轻了由于WC和
Mo热膨胀不匹配而引起的热应力开裂;成形
Si3N4时,采用SPS技术在1500~1600℃、29
MPa下烧结12min,就可得到相对密度达98.7%
的密实体,并可在极大程度上抑制晶粒的长大[43。。
SPS技术在材料制备方面已呈现出广阔的应用前
景,但其成形和烧结理论还有待深入研究[4引。
7爆炸压制技术
爆炸压制(ExplosiveCompaction)又称冲击波
压制,是利用化学能的一种高能率成形方法。该技
术始于二十世纪50年代末,当时宇航和原子能工
业设备要求粉末材料制的高密度零件,后来用来生
产隔热屏、轴承电子元件、传输过滤器以及高速设
备的精密小件等类零件。它通常将金属粉末材料置
于具有一定结构的模具中施加爆炸压力,爆炸物质
的化学能在极短的时间内转化为周围介质中的高压
冲击波,并以脉冲波的形式作用粉末,使其获得高
密度。作用时间仅为10到100肛s,粉末成形为1ms
左右。爆炸压制方法是一种独特的加工方法,可使
松散材料达到理论密度。能将不适合传统压力加工
的材料制造成零件,可使传统的不可压缩的金属陶
瓷材料、低延性金属等压制成复合材料,典型的应
用是将高温合金粉末用于成形飞机发动机的耐高温
零件‘451。
爆炸压制在粉末冶金磁性材料成形中也发挥了
很重要的作用。国内研究者近年从希望获得很好的
磁性能出发而对NdFeB快淬粉体进行了初步的探
索。因为爆炸压制时只在颗粒表面产生瞬时高温,
作用时间短,升温快,降温快。当适当控制爆炸参
数,可使密度达到90%以上,甚至达到99%[4引。实
验表明:国产快淬NdFeB的颗粒度和形态对爆炸
压制磁体的磁性能影响不大,但对磁体的力学性能
影响较大,严重的片状将导致磁体致脆[4¨。国内还
有研究者最近采用爆炸压制工艺制备出了相对理论
密度92%以上的CuCr触头材料[481。
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第10卷第1期 李元元,等:粉末冶金高致密化成形技术的新进展 ·9·
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粉末冶金高致密化成形技术的新进展
作者: 李元元, 肖志瑜, 陈维平, 倪东惠, LI Yuan-yuan, XIAO Zhi-yu, CHEN Wei-ping
, Tungwai Leo Ngai
作者单位: 华南理工大学,机械工程学院,广州,510640
刊名: 粉末冶金材料科学与工程
英文刊名: MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF POWDER MATALLURGY
年,卷(期): 2005,10(1)
引用次数: 12次
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chin.YANG Yi-fang.LIANG Chen.HO Hsin-hung.BOR Hui-yun Cr-Si粉末冶金工艺及其物理-力学性能 -粉末冶金材
料科学与工程2007,12(6)
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若要进行大尺寸的产品烧结,必须提升生产设备的规格和能力,例如加大热压机力吨位、扩大热压炉腔体等,致使设备投资及生产成本相对昂贵.所以大部
分厂商宁可采用常压烧结法,虽然该法的高致密化工艺条件不易控制,却因可以制作大尺寸金属硅化物,加上设备投资及生产成本相对降低,使许多大厂已
投入相当大的人力和物力在开发此工艺.该文作者试用不同真空烧结温度,造成Cr-Si合金粉末烧结性质的差异,探讨稳定而可大量生产的可行性;并通过对
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随之有偏析与晶粒粗化的现象.
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粉末冶金技术作为一种应用比较广泛的精密成形技术,具有少无切削加工、材料利用率高、制造过程清洁高效、生产成本低、可制造形状复杂和难以
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以硝酸铁、硝酸镍、偏钨酸铵等为原材料,研究了采用溶胶-凝胶法制备Fe-Ni及W-Ni-Fe纳米合金粉末的工艺技术。经XRD、TEM和SEM分析表明:溶
胶-凝胶法结合氢气还原法可以制备粒径在30nm左右的多边形颗粒状的纳米Fe-Ni及W-Ni-Fe的合金粉末。 采用纳米粉进行粉末冶金,可降低材料的
熔点,其烧结温度也远低于常规烧结温度。欲获得纳米尺度晶粒的烧结体材料,不仅需要采用远低于其常规的烧结温度,对烧结时间亦应严格限制。热
压烧结可以缩短烧结时间,有利于获得晶粒保持纳米尺度的烧结体材料。而采用常规烧结方法则较难获得纳米尺度晶粒的烧结体材料。 处于纳米
尺度晶粒的Fe-10at﹪Ni合金烧结体,在烧结后的快冷(淬火)处理过程中仍可发生马氏体相变。 采用添加纳米合金粉末制备的W95Ni3.5Fe1.5高比
重合金粉末冶金材料,其组织为连续的W基合金固溶体+弥散分布的((Ni,Fe),W)相。这种组织从根本上改变了通常用常规粉体所获取的W-Ni-Fe合金所特
有的以球粒状的W合金为骨架,Ni-Fe合金呈网状或多边形状分布于W合金相周围的组织状态,其为获取高致密化、高硬度的W-Ni-Fe合金创造了条件。
7.期刊论文 范景莲.刘勋.黄伯云.凌国良.刘涛.Fan Jinglian.Liu Jun.Huang Baiyun.Ling Guoliang.Liu Tao
Ni、Cu-Al2O3纳米金属陶瓷粉末的热压 -粉末冶金技术2005,23(2)
将化学电镀法制备的纳米Ni、Cu包覆Al2O3粉末进行热压.研究了金属Ni、Cu及其含量对Al2O3粉末的烧结致密化、显微组织和性能的影响.在纳米
Al2O3粉末表面镀覆适当的金属Ni、Cu可以较有效地提高致密化,降低烧结温度.金属相作为第二相可以大大细化Al2O3晶粒组织.但Ni、Cu的加入伴随着
Al2O3硬度和强度下降.硬度变化可以由金属Ni、Cu是软相较好地解释.强度下降则主要归因于包覆粉末中Ni、Cu对Al2O3粉末的润湿性不好所致.
8.期刊论文 王春华.关绍康.张锐.Wang Chunhua.Guan Shaokang.Zhang Rui 高增强体含量SiCp/Cu复合材料制备和
性能的研究 -粉末冶金技术2007,25(2)
针对高增强体含量SiCp/Cu复合材料的高致密化问题,提出了理论模型,即采用尺寸比为10∶1的两种SiC颗粒,在适当的配比下可制得高致密度的
SiCp/Cu复合材料.采用非均相沉淀包覆法(Heterogeneous precipitation process)(简称包覆法)制得Cu包SiC复合粉体,利用热压工艺制备了含有50%(体
积分数)SiC颗粒的SiCp/Cu复合材料.用扫描电镜(SEM)对试样进行断口形貌分析,结果表明,细颗粒SiC可以有效地促进试样的致密化.对试样孔隙度的检测
结果表明,随着细颗粒SiC含量的增加,试样孔隙度下降.试验结果很好地验证了理论模型.对试样的硬度、抗弯强度和电阻率的研究结果表明,随着细颗粒
SiC含量的增加,试样的抗弯强度和硬度提高,而电阻率的变化不大.
9.期刊论文 李永志.白小波.LI Yongzhi.BAI Xiaobo 粉末多孔体烧结材料闭式模锻塑性成形致密研究 -热加工工
艺2009,38(3)
通过对粉末冶金预成彤烧结坯闭式模锻塑性成形实验,研究了不同初始相对密度、不同高径比、不同摩擦等条件对成形致密的影响规律,探讨了粉末
锻造镦粗、复压两阶段对成形致密的不同作用,同时对实验结果进行分析与比较.结果表明:闭式模锻成形时延长镦粗阶段,有利于提高致密化效果,但镦粗
并不能使预成形坯完全致密;复压比镦粗阶段致密困难,但致密化速率却明显提高,能至近全致密.
引证文献(14条)
1.王德广.吴玉程.焦明华.黄新民.解挺.俞建卫 粉末成形过程中摩擦行为研究进展[期刊论文]-机械工程学报
2009(5)
2.谷成玲.秦宣云.郑洲顺.崔彩虹 高速压制粉末散体空间分形维数及热传导[期刊论文]-吉首大学学报(自然科学版
) 2008(5)
3.王建忠.曲选辉.尹海清.周晟宇.易明军 电解铜粉高速压制成形[期刊论文]-中国有色金属学报 2008(8)
4.秦宣云.谷成玲.崔彩虹.郑洲顺.岳书霞 高速压制粉末散体空间的分形维数及导热的分形模型[期刊论文]-湖北民
族学院学报(自然科学版) 2008(02)
5.于海平.丁朋辉.李春峰 钛合金粉末热复合磁脉冲压制试验研究[期刊论文]-粉末冶金技术 2008(03)
6.王德广.吴玉程.焦明华.俞建卫.解挺.尹延国 压制方式对粉末冶金制品性能影响的有限元模拟[期刊论文]-粉末
冶金技术 2008(02)
7.于海平.李春峰.丁朋辉 热复合磁脉冲粉末压坯致密度的试验研究[期刊论文]-材料科学与工艺 2008(02)
8.钟仁显.卢百平 金属粉末成形技术若干进展[期刊论文]-材料导报 2008(03)
9.王德广.焦明华.俞建卫.解挺.吴玉程 压坯高径比对粉末冶金制品性能影响的有限元模拟[期刊论文]-中国机械工
程 2007(20)
10.王德广.周瑞庭.解挺.焦明华.俞建卫.尹延国.吴玉程 粉末温压成形过程中的力学行为[期刊论文]-机械工程材
料 2007(05)
11.谢湛.曹顺华.蔡志勇.李春香.邹仕民 异形钨骨架温态流动成形[期刊论文]-粉末冶金材料科学与工程 2007(01)
12.果世驹.迟悦.孟飞.杨霞 粉末冶金高速压制成形的压制方程[期刊论文]-粉末冶金材料科学与工程 2006(01)
13.郭峰 火电厂等离子点火装置中高性能阴极材料的制备与实验研究[学位论文]硕士 2006
14.李军 两种电机用磁性复合材料的制备及其结构与性能[学位论文]博士 2006
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