粉末冶金成形固结技术的研究及展望

粉末冶金成形固结技术的研究及展望 粉末冶金成形固结技术的研究及展望 李元元肖志瑜 (华南理工大学国家金属材料近净成形技术研究中心，广州,, ,,,,) 摘要:本文针对粉末冶金行业最新发展的几种成形固结新技术，结合华南理工大学近十年来在粉末材料(工艺(装备(零件一体化方面开展的研究，重点阐述了粉末冶金温压成形、高速压制成形、喷射成形、放电等离子烧结、多场耦合成形固结技术的研究进展和应用情况。指出在粉末冶金成形固结研究领域，合理拓展现有粉末冶金技术规范的空间，有望给传统粉末冶金成形固结技术注入新的活力。粉末冶金成形固结新技术的不断出现，必将促进先进制造业和高技术产业的快速发展，也必将给材料 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 和制造业带来更加光明的前景。 关键词:粉末冶金:温压;喷射成形;放电等离子烧结;多场耦合成形固结 粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体的节能、节材、高效、近净成形、少(无)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。粉末冶金零件的发展与粉末冶金新型成形固结技术的发展紧密相关。在性能和成本方面，粉末冶金零件制造技术越来越需要与精铸和精锻零件进行竞争，因而发展先进的粉末成形固结技术至关重要。 目前，随着制造业向大制造、全过程和多学科方向的发展，粉末冶金技术也正朝着高致密、高精密、集成化和最优化等方向发展。近年来，在已有成形固结工艺如常温压制、复压复烧、粉末锻造、热等静压、热压等技术不断完善和定型的同时，粉末成形固结新技术也不断涌现，技术研究也取得了突破性进展，正试图不断构筑面向高致密、短 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 、低成本和绿色制造的新的粉末成形固结技术体系。本文着重介绍粉末冶金温压成形、高速压制成形、喷射成形、放电等离子烧结、多场耦合成形固结技术方面的研究进展。, 粉末温压成形技术 粉末温压成形(,,,, ,,,,,;,,,,)能以较低成本制造出高致密的零件，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，被认为是二十世纪,,年代以来粉末冶金零件生产技术领域最为重要的一项技术进步„,，,,。温压技术自公布之日起就受到严格的专利保护，其关键技术被美国和瑞典等少数国家垄断，在相当长,段时间内国内企业不具备自主生产温压零件的能力，只能靠引进技术(包 ,,括粉末、工艺、设备)，因而严重制约了我国粉末冶金工业的技术进步。温压技术的国(境)外的主要研究开发单位有:美国,,,,,,,,,公司、瑞典,,,,,,,,, ,,公司、加拿大,,,公司、德国,,,,,,,,,,研究所、法国,,,,,, ,,,,,公司、日本日产自动车株社会社、台湾,,,,,,公司等。近十年来，我国温压技术的主要研究开发单位有:中南大学、北京科技大学、华南理工大学等，经过多年的应用基础研究，取得了许多可喜的研究进展。在国内已至少有,,家企业具有温压生产线。 华南理工大学以研究粉末温压成形致密化机理为切入点，通过理论创新带动技术突破和超越。其技术路线是通过揭示温压的致密化本质形成温压技术准则，用以指导国内温压粉末的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和制备，开展温压新工艺和新装备的技术创新，研制出一系列国产温压零件，形成拥有自主知识产权的一整套先进而实用的核心技术，实现温压技术成果的产业化，全面提升我国粉末冶金行业的技术水平、产品档次和国际竞争力。为此，在温压致密化机理、模拟仿真、材料制备、成形装备、工艺优化、工艺拓展、温压零件、产业化等方面开展了大量的系统研究工作。 通过对铁粉的动态压制曲线、压力直接测试、脱模力曲线、,射线衍射、显微硬度、摩擦和润滑等的研究，揭示了温压的致密化机理:在温压初期阶段，粉末的颗粒重排列过程占主导地位;而在后期温压致密化以塑性变形为 主，铁粉塑性变形程度的改善又为粉末颗粒的二次重排列起了协调作用，使铁粉获得最大程度的颗粒填充密度;其间，聚合物润滑剂对温压致密化起了重要作用，它改善了粉末和模具壁、粉末和粉末之间的润滑条件和效果，有效降低了粉末在成形过程中的摩擦阻力，有利于粉末致密化的顺利进行。为此，通过优化粉末组元搭配、强化润滑和温度效应，并根据温压零件的用途和成本，研发出了温压元素混合粉、粘结剂处理预混合粉和部分预合金粉三种国产温压粉末，揭示了典型成分温压粉末的致密化规律，获得了良好的应用效果。 计算机模拟技术的飞速发展为实现粉末精密成形、揭示成形机理、优化成形工艺等提供了直观、简便、可靠的手段。基于金属粉末聚集体的宏观和微观行为的研究，首次建立了体积可压缩粉末冶金材料压制过程数值模拟模型，并推导出了服从椭球形屈服准则的粉末材料弹塑性增量本构关系的通式，进而提出金属粉末温压流动应力模型。在压制初期和中后期，较好地消除了其它模型偏硬的流动现象，揭示了粉末压制过程中颗粒细观变形、密度分布和颗粒流动规律，实现了体积可压缩粉末冶金材料压制过程的三维数值模拟，上模冲载荷位移曲线比其它模型更接近实验值。 温压装备作为实现粉末温压精密成形的硬件保证，要求粉末加温输送系统与模具加热装置必须提供灵敏而精确的温控，保证粉末体的温度稳定、均一，粉末 ,,输送量与供给量精确。国外温压装备虽然能够实现高精度产品的生产，然而由于受专利技术保护，价格极为昂贵，成为制约我国温压技术发展和应用的瓶颈。通过揭示金属粉末温压成形装备中能量流、物质流和信息流的传递和集成规律，解决了金属粉末的温压成形技术、传热技术、物料输送技术、在线检测和控制技术等难题，经过对金属粉末高致密化精密成形系统的整体设计、分析与优化，发展了基于绿色制造的装备载体结构性能可靠性和简约化设计方法，发明了新的温压装置，打破国外的垄断，在国内率先研制出三种具有自主知识产权的,,,,金属粉末温压精密成形设备，成功应用于工业化规模生产。 在传统温压成形基础上还创新性地开展了模壁润滑温压、低温温压、温压烧结硬化、流动温压等技术的研究，并将铁基粉末材料扩展至金属基复合粉末材料、不锈钢粉末材料、钨基和高比重材料等领域，大大拓展了温压成形技术的适用性范围，为温压技术的规模化应用奠定了基础。如在传统温压基础上，通过添加一定的微细粉末和特殊润滑剂、增塑剂等提高粉末体的整体流动性、填充能力和成形性，研究了粉末制备、成形规律和致密化过程，攻克了若干关键技术，研发出了十字型、三通管、带螺纹的十字型等铁基、铜基和钨基零件，克服了传统粉末冶金技术在成形复杂几何外形方面的不足，又避免粉末注射成形的高成本，为低成本轴向压制成形较复杂的,,零件开辟了新的发展方向。 在温压的实际应用中取得较大突破。如?采用模壁润滑温压技术开发出新型发动机用机油泵斜齿轮，其基本参数为:法向模数,(,、齿数,,、压力角,,。、螺旋角,(,。、齿宽,, ,,，零件密度达,(,, ,,;,,，烧结态抗拉强度,,, ,,,，热处理抗拉强度可达,,,, ,,,以上。?将温压成形技术应用于复合材料粉末的成形，研制出温压烧结硬化颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料，并用于成形新型发动机气门导筒零件。该薄壁气门导筒是选用两种不同成分的高含量陶瓷颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料粉末两次布粉后温压成形，有效地克服了气门导筒成形过程中易产生裂纹和界面难结合的缺点，保证了零件烧结后既有高的强韧性又有高的耐磨性。?利用自行研制的温压技术和装备，攻克了温压成形各类齿轮、凸轮、连杆等复杂形状精密零件的关键技术， 在材料一工艺一装备一零件一体化方面取得了显著优势，实现了成果产业化，先后研发出多品种的高性能铁基、铜基和钨基粉末冶金零件，推广应用于多家企业，并出口美、日、欧和港、台地区，取得了良好的经济效益。,高速压制成形技术 高速压制(,,,, ,,,,;,,, ;,,,,;,,,,，简称,,,)„,“,技术是瑞典,,,,,,,公 ,,司在,,,,年,月所推出的一项低成本、高效率成形高密度(,(,”,?,(,,,;,,)粉末冶金零件的新技术。,,,的压制速度比传统压制快,,,””,,,,倍，压机锤头速度高达,”,?,, ,,,，液压驱动的锤头重达,,,,,,,,，粉末在,(,,,之内通过高能量冲击进行压制，压制时产生强烈的冲击波。锤头的重量和它的冲击瞬间速度决定了压制能量的大小和材料致密的程度。致密化主要是通过由液压控制的重锤产生的强烈冲击波来实现，冲击功通过压制工具传递到粉末上。由于采用液压控制，安全性能较高。通过合适的液压控制，非轴向的反弹引起的压坯的微观缺陷可以避免。传统压制在一次压制后密度不会显著增加，而,,,的明显优点是可以进行多重压制，通过附加间隔,(,,的高频冲击波使密度不断提高，因而具备了采用比传统压制小的设备就可生产超大零件的能力。,,,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，作为大批量的生产方法可以突破目前粉末冶金的局限性。 ,,,技术的主要特点包括:?高密度、高性能;?较低生产成本;?低弹性后效;?高效率、经济地成形大零件。其关键技术主要有:?高速压制设备;?粉末及其模具系统;?致密化过程。最近报道的高性能,,, ,,,,,,, ,,，,,,,，,(,,,材料，密度可达到,(,, ,,;,,，硬度超过,,, ,,。。或,,,,,，抗拉强度达到,,, ,,,，屈服强度,,,,,,，相应的延伸率为,(,,;最大疲劳极限达到,,,,,,，与低密度相比有很大提高【,】。 随着,,,研发工作的进一步深入，大量的,,零部件、软磁材料和氧化铝陶瓷制品都已用,,,制备。目前如圆柱体、环形、棒体和凸轮等单层零件以及内、外齿轮、齿条、花键均己制备成功;另外一些几何形状和大量抗磨、较高疲劳寿命或高强度的零件，典型的如阀门座、带轮毂的圆筒或齿轮、更复杂的多级部件正在研究评估之中。具有潜在应用前景的结构零件包括阀座、法兰、导向阀、连杆、链轮、凸轮凸角机构、轴承盖、衬套、齿轮轴、轴承座圈等。国外主要研制单位有:瑞典,,,,,,,,,,,公司、瑞典,,,,,,,,公司、美国,,,,,,,, ,,,,,;,,公司;美国,,,, ,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,公司、法国,,,，,公司等。 国内北京科技大学、广州有色金属研究院、南京东部一希顿精密机械有限公司和华南理工大学对高速压制铁粉、铜粉、钛粉、不锈钢粉等进行许多基础和应用研究，并取得了许多研究成果，这将给,,,技术在国内的应用推广注入新的活力。 华南理工大学采用工业用,,,,,(,型高速成形压机开展了铁基合金粉末、,,,,不锈钢粉末的一次成形和复压成形规律的研究，分析和探讨了,,,致密化过程的影响因素和机理。集成各种成形技术的优势，突破单一技术存在的缺陷，是进一步提高粉末冶金制品密度的重要手段。在传统高速压制研究基础上，首次 ,,提出了一种高速压制和温压相结合的获得更高密度的温高速压制(,,,,, ,,,,,,,,;,,, ;,,,,;,,,,，简称,,,,)技术的思路，并设计制造出了实验装备(申请发明专利号:,,,,,,,,,,,,(,)，以求在高密度成形中获得新的突破。 运用,,,,装置对,,,不锈钢粉末、铁粉、铜粉、铝粉进行温高速压制成形，生坯密度分别可达到,(,,,,;,,、,(,,,,;,,、,(,,,,;,,、,(,,,,;,,，远远高于传统高速压制的密度，充分体现出温高速压制比传统高速压制更有优势。温粉末高速压制成形中温升效应起了很大作用，致密化过程主要以剧烈塑性变形和颗粒冷焊为主。同时发现目前提出的通用高速压制方程对铁粉的高速压制具有很好的符合性，但对温粉末高速压制不适用，有待引入温度因子加以修正。,喷射成形技术 喷射成形(,,,,, ,,,,,,,)是一种把液态金属雾化和熔滴快速凝固沉积结合起来制备金属坯件的成形新技术。可成形连续致密、具有一定形状的近净形坯件。喷射成形方法是由英国,,,,,,,大学的,(,,,,,,教授于,,,,年首先提出的【,】。,,,,年英国的,(,,,,,,等发展了著名的,,,,,,工艺，开发了适合于喷射成形的合金系列，设计和制造了多种喷射成形成套设备并取得专利。目前世界上喷射成形的喷嘴运动主要有两种形式:单喷嘴摆动扫描和双喷嘴双扫描。已采用喷射成形工艺成功制备较大尺寸、高性能的金属材料及制品，材料种类包括铝合金、铜合金、合金钢、不锈钢、硅合金、镍基合金及复合材料，制备的坯件形状主要有圆锭、管材、板材、环形件、双金属复合件等，应用于汽车、电子、航空航天、工程机械等领域。 国外的主要研究开发单位有:英国,,,,,,公司、美国加州大学,,,,,分校、英国牛津大学、英国伯明翰大学、德国不来梅大学、德国,,,,公司、丹麦,,,,,,,,公司、瑞士,,,,,,,,,,, ,,,,,,,公司、德国,,,,,,,公司、日本住友轻金属公司、瑞典,,,,,,,公司等。国内的主要研究开发单位有:北京有色金属研究总院、北京航空材料研究院、中南大学、北京科技大学、湖南大学、上海宝钢、哈尔滨工业大学、中科院金属研究所、华南理工大学等。 华南理工大学自行研发了单喷嘴复合扫描喷射成形技术，改变喷嘴结构和运动方式，减小雾化喷射角，显著提高了喷射成形工艺的经济性和制品的致密度。采用上述喷射成形方法成功制备与成形新型封装材料硅铝合金和三种新型高合金工具钢等材料。硅铝合金材料致密度可达,,(,,，热膨胀系数为,,×,,,,,，抗拉强度为,,,,,,，热挤压后初晶硅相尺寸平均从,,?,下降到,,,,左右;新型,,,,,,高合金工具钢，晶粒平均尺寸为,, ,, ,左右的等轴晶，碳化物分布更加弥散，合金元素的偏析程度大大减小，材料的相对致密度为,,(,,，经热锻致密化和热处理后，硬度为,,,,,(,，抗弯强度达到,,,,,,,，抗弯强度、冲击韧性比电渣重熔材料分别提高了,,,和,,,，耐磨性提高了,,,。新型喷射成形与传统的铸造或粉末冶金方法制备的相同成分材料相比，显微组织明显细化，综合力学性能得到了显著提高。,放电等离子烧结技术 放电等离子烧结技术(,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,，简称,,,)是一种在电、热和力场耦合作用下，实现快速致密化的粉末活化烧结技术，具有快速、低温、节能、环保的特点。最早源于,,,,年美国科学家提出的脉冲电流烧结原理，但直到日本于,,,,年研制出第一台工业型,,,装置，该技术才真正引起世人的关注。,,,作为一种材料制备加工的新技术，适用范围广，可用于制备金属、陶瓷、复合材料、梯度材料、大块非晶材料、纳米晶块体材料、磁性材料、热电材料、碳化钨硬质合会、金属间化合物、有机材料、形状记忆合金、多孔材料、金刚石材料等，也，，,(刚,材料连接加工，并取得了很多的研究成 果。 ,,,新材料新技术研究已经遍布美洲、欧洲、亚洲。目前全世界约有,,,多台,,,设备分布于高校、工业研究院所和企业;中国国内也有,,多台。国外主要的研究开发单位有:日本东北大学、日本大阪大学、美国,,?,大学、瑞典斯特哥尔摩大学、新加坡南洋理工大学、日本住友石碳株式会社等。国内的主要的研究开发单位有:武汉理工大学、北京工业大学、武汉大学、上海硅酸盐研究所、清华大学、北京科技大学、华南理工大学等。 ,,,技术集粉末成形和烧结于一体，不需要预先成形，也不需要任何添加剂和粘结剂。主要是利用,?,,,,,脉冲强电流形成的电场清除粉末颗粒 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面氧化物和吸附的气体，净化材料，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【,?,】。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均质、致密、含氧量低和晶粒组织细小的材料和零件。 华南理工大学在,,,成形固结机理研究中发现，采用脉冲电流烧结时的致密化温度明显较恒流电流烧结时低，脉冲(恒流电流烧结的致密化效果则介于脉冲电流烧结和恒流电流烧结之间。证明了粉末颗粒间的放电等离子的形成仅存在于恒流电流烧结起始较短时间内，而强脉冲电流烧结时，则可存在较长一段时间，且在粉体中均匀分布。澄清了脉冲电流与恒流电流在金属粉末烧结过程中的不同作 ,,用，恒流电流主要是通过产生焦耳热进行整体加热达到烧结的目的，脉冲电流则还具有通过放电等离子清洁净化粉末表面、降低扩散激活能和烧结温度、细化晶粒的作用。在脉冲电流烧结过程中，表面扩散和蒸发与凝聚在较长时间段内都是物质迁移的主导机制，只是当粉体致密度达到较高程度后，才逐渐转变为以体积扩散和晶界扩散为主导机制。而恒流电流烧结时，只是在烧结初期才以表面扩散机制为主导，蒸发与凝聚并不是其主导烧结机制。原子向烧结颈部位的热迁移是电流烧结所特有的扩散机制。不同于传统辐射加热烧结方法，电流尤其是高密度脉冲电流作用下的放电烧结动力学具有其特殊性，其外在表征是烧结致密化过程快。此外，还揭示了电、热、力多场问的复杂交互作用机理和相互影响规律，烧结温度场的分布取决于电场和应力场间的耦合，且主要取决于电场，温度场和应力场控制粉体的致密度，粉体密度又直接影响着电场的分布，从而间接影响温度场。 华南理工大学采用,,,方法开展了制备高性能超细晶甚至纳米晶块体材料的研究，揭示了,,,成形固结过程中各材料体系组织结构的演变规律和组织与性能的关系，建立了高性能超细晶甚至纳米晶块体材料成形技术体系，并研制出了一系列高性能材料:,)采用球磨，,,,的方法，仅需烧结,分钟则制备出了高性能性,,(,,,(,,,(,,,(,(,,合金，其密度和横向断裂强度分别达到了,(,,,,;,,和,,,,,,,，性能较常规条件下成形的材料有大幅度提高;,)提出了,,,烧结以铝部分代钴作为粘结剂制备高性能、低成本,,基硬质合金的新方法，并开辟了以,,,,,作为粘结剂制备高强、耐蚀、耐热,,硬质合金的新途径，制备出较高性能,,—,,。(,，。合金。探索了,,,制备无粘结剂,,球磨粉末技术，为制备高性能、低成本新型硬质合金提供了技术指导;,)通过精确控制烧结温度，快速加热钨基高比重合金粘结相，有效抑制晶粒长大的同时实现粉末快速致密和固结，获得了晶粒约,,, ,,的钨合金块，为制备纳米晶块状材料和器件开辟了新途径;,)通过向,,—,,合金中弥散分布纳米,,,,,陶瓷相，研制出强度、硬度和电导 率分别达,,, ,,,、,,, ,,和,, ，,,,,的中强高导电,,(,,,,,,,(,,,,,,,材料，并经过对粉末增加预处理后，该材料的强度和硬度进一步提高至,,, ,,,和,,, ,,，显著提高了材料的抗高温软化能力;,)提出了采用非晶晶化法，,,,法相结合制备高强度和高塑性的钛基超细晶合金及其大块金属玻璃复合材料的思路，所制备的块体超细晶,,,,,,,,,,,,,,(,,,,(,材料的屈服强度、抗压强度和相对压缩率分别为,,,, ,,,、,,,, ,,,和,,(,,，并进一步合成出由外加,,颗粒增强相和内生延展增强相共同增强的,,,,,,,,,,,,,,(,,,,(,块体金属玻璃基复合材料;,)提出并证明,,,技术制备高致密纳米晶块体材料的的关键是:控制电流强度和烧结时间， ,,尤其是脉冲电流的烧结时间;,)基于微纳米尺度传热学理论和电磁理论，建立了电、热、力三场耦合下粉末成形过程的传热方程，通过模拟进一步明晰了电、热、力等物理场间的交互作用规律，验证了电、热、力场耦合下的粉末体中的温度场分布具有不均匀性，证实新建模型更符合实际成形固结过程。,多场耦合成形固结技术 目前采用电、热和力三场耦合,,,成形固结技术已呈现出一定优势，但其设备较为昂贵而且需从日本、德国等国家进口，技术和装备均缺乏我国具有自主知识产权，极大阻碍了我国在这一领域的创新工作和工业化应用。华南理工大学在前期研究的基础上，考虑磁场在高性能和功能材料制备中的特点，首次提出了电、热、磁、力四场相耦合的成形固结技术，并自行研制出了一台由大功率逆变电源、磁场发生装置、液压系统、模具和控制系统等构成的多场耦合粉末成形固结设备，该设备操作简便，造价低廉，为高性能或特殊功能材料和零件的制备技术开辟了一条新途径，也为多场耦合成形固结机理和技术研究以及装备国产化奠定了基础。 多场耦合成形固结技术是一种在电、磁、热、力四场耦合作用下以材料制备(零件制造一体化为显著特征的短流程加工方法。其主要原理是利用强脉冲电流形成的电场清除粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，净化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的扩散能力，而耦合的脉冲磁场可改善材料的组织和力学性能，强化迁移效应而提高固结过程中的传质速率，并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。该技术无需对粉末预成形和向粉末中添加任何粘结剂或润滑剂，并具有烧结温度低、烧结时间短、节能环保等特点。 建立了电、磁、热、力四场耦合下的粉末成形固结模型，其温度场方程为: ,挈』, ,,,(,,押)，未(忌》(,„,,;厍),,万畦,,,,(,,霹 式中:卜为粉末密度;;,一比热容;瑚度;,粉末的热导率;,。?。仞一脉冲电流占空比;矗。。一粉末中得有效脉冲电流密度的平均值;扣电导率;,旷,交变磁场的磁感应强度的峰值;(厂一频率;,,同一横截面各点和中心点的距离;,一轴向距离。 通过电、磁、热、力四场耦合模拟，证实耦合轴向交变磁场可使径向最大温差降低,,,，并可提高加热升温速率。并且，对,,一,,,一,,,(,,,一,(,,铁基混合粉末的四场耦合成形试验研究发现，当脉冲电流峰值、成形压力、成形时间分别为,,,,,、,,,,,和,,,,，耦合脉冲磁场强度为,(,,,,,,时，所成形材料的硬度最高约,, ,,,，且均匀性较好，此时，材料的横向断裂强度也相应达到了最大值。 ,,适当耦合脉冲磁场，不仅由于其磁感应效应，提高了粉末成形温度，而且由于其磁场对电致迁移效应的强化作用，进一步提高了成形过程中的传质速率。但脉冲磁场强度过高则因明显提升了成形温度， 反而会引起成形材料组织粗化，而削弱材料的力学性能。因此为了充分发挥电、磁、 热、力四场耦合成形方法制备高性能材料的优势，有必要对上.