粉末冶金综述

粉末冶金成形技术综述

粉末冶金成形技术综述

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（***大学，材料科学与工程学院，***，***）

摘 要：粉末冶金成形技术包括温压技术、流动温压技术、模壁润滑技术、高速压制技术等新技术。认为粉末冶金新技术、新工艺的不断出现，必将促进高技术产业的快速发展。

关键词：粉末冶金；成形；新技术

Overview of the Formation Technology of Powder Metallurgy

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(School of Materials Science and Engineering, ***, *** ,***, China)

Abstract: The formation technology of powder metallurgy includes the warm compaction technology, the warm flow compaction technology, the mold wall

lubrication technology and the high velocity compaction technology. The unceasing appearance of the new technology for powder metallurgy will certainly promote the rapid development of the high - tech industry.

Key words: powder metallurgy; formation; new technology

引言

粉末冶金为冶金学的一个分支，其领域包括：①制取金属粉末；②金属粉末或金属粉末和非金属粉末的混合物，经成形和烧结,制成各种金属和金属-非金属的材料和制品。制造和利用金属粉末，经历了很长的时间。早期是用机械粉碎法制得金、银、铜和青铜的粉末，多用作陶器等器具的装饰涂料。18世纪下半叶和19世纪上半叶，俄、英、西班牙等国曾以工场规模制取海绵铂粒，经过热压、锻和模压、烧结等工艺制造钱币和贵重器物。1909年美国库利吉(W.D.Coolidge)发明用粉末冶金方法制造灯泡用钨丝，奠定了现代粉末冶金的基础。此后20年间，用粉末冶金方法制造了钨、钼制品，硬质合金，青铜含油轴承，多孔过滤器，集电刷等，逐步形成了整套粉末冶金技术。30年代旋涡研磨铁粉和碳还原铁粉问世以后，用粉末冶金法制造铁基机械零件获得了很快的发展。第二次世界大战后粉末冶金技术发展迅速，新的生产工艺和技术装备、新的材料和制品不断出现，开拓出一些能制造特殊材料的领域，成为现代工业中重要的组成部分。

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、最终成形、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，

粉末冶金成形技术综述

已经进入当代材料科学的发展前沿。目前粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、低成本方向发展。

1 粉末冶金的制备方法

1.1 热压

是一种将模压与烧结相结合的成形方法。因为金属和合金粉末在高温下塑性好,容易变形,所以热压制品通常比冷压烧结制品更致密，强度也较高。热压可在大气、保护气氛或真实条件下进行。加热方式主要有三种：传导、感应和电阻加热。制品的密度与热压温度、压力和时间有关。但是，当热压温度高到材料中出现液相时,压力就不能太大了。否则液相组分会被挤出,这不仅能引起材料成分的改变，而且会严重地损坏模具。热压只要配备有加热系统的压机和耐高温的模具即可。常用的模具材料为石墨。由于热压所需要的压力较小，产品致密，尺寸精确，因此常用于生产硬质合金轧辊、顶锤等大型零部件。热压还适用于生产烧结性很差的金属陶瓷等材料。热压的缺点是生产率低，成本较模压成形高。

1.2 等静压

通过液体或气体传递压力使粉末体各向均匀受压而实现致密化的方法，称为等静压制，简称等静压。等静压可分为冷等静压和热等静压两种。

（1）冷等静压：通常是将粉末密封在软包套内，然后放到高压容器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质可以是油、水或甘油。包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。金属粉末可直接装套或模压后装套。由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。冷等静压已广泛用于硬质合金、难熔金属及其他各种粉末材料的成形。

（2）热等静压：将金属粉末装入高温下易于变形的包套内，然后置于可密闭的缸体中（内壁配有加热体的高压容器），关严缸体后用压缩机打入气体并通电加热。随着温度升高，缸内气体压力增大。粉末在这种各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。加压介质一般用氩气。常用的包套材料为金属（低碳钢、不锈钢、钛），还可用玻璃和陶瓷。由于温度和等静压力的同时作用，可使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀，各向同性和具有优异的性能。热等静压法最适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品；也可对熔铸制品进行二次处理，消除气孔和微裂纹；还可用来制造不同材质紧密粘接的多层或复合材料与制品。全球大约有20台先进的具有快速循环使用性能的热等静压机，主要用于航空器件、医疗植A器件、耐磨件，工业气动涡轮和喷射靶材的制备见图1。[1]

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图1 浅海石油钻探用 14tHip 部件

1.3粉末锻造

将金属粉末压制成预成形坯，烧结后再加热进行锻造，以减少甚至完全消除其中的残余孔隙的方法,称为粉末锻造。其锻造方式有三种(1)热复压。预成形坯的形状接近成品形状，外径略小于锻模模腔内径。因为锻造时材料不发生横向流动，锻件有0～2％的残余孔隙度。(2)无飞边锻造。这种锻造在限模中进行，材料有横向流动，锻件不产生飞边。(3)闭模锻造。预成形坯的形状较简单，且外径比锻模内径小得多，锻造时产生飞边，是一种与常规锻造相类似的方法。无飞边锻造和闭模锻造常用于生产要求致密度很高的零件。预成形坯的设计和制造是粉末锻造的关键步骤之一。此外，对于热锻预成形坯必须加以保护，以免氧化和脱落的氧化皮陷入锻件中造成锻造废品。粉末锻件的密度可达理论密度的98％以上。与常规锻造相比，粉末锻造的压力小，温度低，材料利用率高，工艺简单，尺寸精确；锻件的性能可接近普通锻件，而且方向性小。粉末锻件广泛应用于汽车工业、运输机械等方面。

1.4粉末挤压

粉末挤压的优点在于挤压件长度尺寸不受限制，产品密度均匀，生产可连续进行、效率高、灵活性大，设备简单、操作方便。粉末挤压又分为金属粉末直接挤压和装包套后热挤压两种。

（1）直接挤压：将塑性良好的有机物和金属粉末混合后，置入挤压模具内，在外力作用下使增塑粉末通过一定几何形状的挤压嘴挤出，成为各种管材、棒材及其他异形的半成品。影响挤压过程的主要因素是增塑剂的含量、预压压力、挤压温度和挤压速度。

（2）包套挤压：热挤压能把热压和热塑性加工结合在一起，从而获得全致密的优质材料；但为了防止粉末或压坯氧化，

需要将它们装入包套内进行热挤压。

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包套的材质必须满足下列要求：包套材料在挤压温度下的刚性应尽量接近被挤压粉末，不与粉末发生反应并可通过酸洗或机械加工的方法除掉。

有关喂料流变学方面的理论与实验研究也是一个有重大实际意义的问题。围绕粘结荆技术与挤压流变学问题的攻关与开发必将有力地推动增塑粉末挤压成形新技术的研究与应用。[2]

1.5 粉末轧制

用金属粉末为原料直接轧制金属成材的工艺。金属粉末先在粉末轧机上轧成带坯(或称“生带”)，再经烧结、冷轧（或热轧）、退火,即可制成致密的或多孔的成品板带材。这种工艺比传统的经过冶炼、铸锭、开坯、轧制成材等工序的工艺简单，成材率为85～90％。但由于金属粉末成本较高，生产率低，所以这种工艺主要用于生产特殊性能的材料，如多孔板材，多层金属复合材、摩擦材料和反应堆材料等。粉末轧制法发明于1902年。粉末轧机一般为二辊或四辊式。辊径根据所轧制的生带厚度设计，一般生带厚度为辊径的0.33～2％。目前轧制的宽度多在60～300mm。粉末轧机外形和供料漏斗见图2和图3。

轧制生带有三种方法：①金属粉末直接轧制。即在室温下通过装料设备把金属粉末直接喂入旋转的轧辊间连续压实成生带。②粘结粉末轧制。即在金属粉末中加入粘结剂制成薄坯，再送入粉末轧机轧成生带。③金属粉末热轧。即在保护气氛中把粉末预先加热到一定温度再行轧制。

图2 图3

用粉末轧制法生产的孔隙度为20～90％的多孔材料的厚度为0.05～9mm；致密材料的厚度为0.20～4mm。生产廉价的金属粉末，提高轧制速度,发展宽粉末轧机,提高生带边部整齐度及纵、横方向的密度均匀性等，是粉末轧制的研究方向。

1.6 温压技术

温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度，具有非常广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用特制的粉末加温、粉

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末输送和模具加热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130 ～150℃，并将温度波动控制在12.5℃以内，然后和传统粉末冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零件的技术。其技术关键：一是温压粉末制备，二是温压系统。与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0.15～0.30g/cm3 的增幅，其密度可达7.45g/cm3。在相同的压制压力下，温压材料的屈服强度比传统工艺平均高11%，极限拉伸强度平均高13.5%，冲击韧性可提高33%。［3］另外，温压零件的生坯强度高，可达20～30Mpa，比传统方法提高50～100%，不仅降低生坯搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好。此外，温压工艺的压制压力低和脱模力小，同时零件性能均一，产品精度高，材料利用率高。［4］

温压工艺还有一个特点是工艺简单，成本低廉。研究表明，假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1.0，则粉末锻造的相对成本为2.0，复压复烧的相对成本为1.5，渗铜的相对成本为1.4，而温压技术的相对成本为1.25。目前，采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多种，零件重量在5～1200g。

1.7 粉末压制成形

粉末压制成形(powder pressing)指在压模中利用外加压力的粉末成形方法。又称粉末模压成形。压制成形过程由装粉、压制和脱模组成。粉末压制成形的内容包括粉末压制理论、粉末压坯、粉末压制模具和粉末压制压力机4个方面。 压制成形过程中，颗粒间以及颗粒与模壁间存在的内、外摩擦引起压力损失使压坯各部位受力不均，因此压坯密度分布不均匀。不均匀的程度与选用的压制方式有关。基本的压制方式有单向压制、双向压制、浮动压制、拉下式压制和摩擦芯杆压制5种。粉末压制成形法是应用最普遍的成形方法，但是传统的模压成形也有其局限性。一些不可压制的部位如径向孔、槽和内外螺纹以及倒锥等都只能在烧结后进行切削加工才能成形。不过，新发展的横向孔成形法和粉末移动成形法已使某些限制不存在，可以制取形状更复杂的压坯。

1.8 流动温压技术

流动温压技术（Warm FIOW Compaction，简称WFC）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。其关键技术是提高混合粉末的流动性。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。WFC 技术作为一种新型的粉末冶金零部件近净成形技术，其主要特点如下：（1）可成形具有复杂几何形状的零件；

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（2）压坯密度高、密度均匀；（3）对材料的适应性较好；（4）工艺简单，成本低。目前，WFC 技术在国外还处于研究的初始阶段，其关键制造技术及其致密化机理研究尚未见报道。

1.9 模壁润滑技术

传统粉末零件成形时，为了减少粉末颗粒之间和粉末颗粒与模壁之间的摩擦，在粉末混合料中需添加一定量的润滑剂，但混进的润滑剂因密度低，不利于获得高密度的粉末冶金零件；而且润滑剂的烧结会污染环境，甚至会降低烧结炉的寿命和产品的性能。模壁润滑技术的应用则很好地解决了这一难题。近年来，采用模壁润滑取代粉末润滑技术已成为粉末成形研究和开发的又一热点。目前，实现模壁润滑的主要途径有两个：一是利用下模冲复位时与阴模及芯杆之间的配合间隙所产生的毛细作用，将液相润滑剂带到阴模及芯杆表面。二是用喷枪将带有静电的固态润滑剂粉末喷射到压模的型腔表面上，即在装粉靴的前部装一个附加的润滑剂靴装置。［5］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。采用模壁润滑技术明显提高粉末材料的生坯密度，密度可达到7.4g/cm3，且模壁润滑与粉间润滑相比，铁粉的生坯强度可分别提高128～217%。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几乎达到全致密。

1.10 高速压制技术

高速压制技术（High Velocity Compaction，简称HVC）是瑞典的Hoaganas 公司在2001年6月推介的一种新技术。高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同。混合粉末加进送料斗中，粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形，之后零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高500～1000倍，压机锤头速度高达2～30m/s，液压驱动的锤头重达5～1200Kg，粉末在0.02s之内通过高能量冲击进行压制，压制时产生强烈的冲击波。通过附加间隔0.3s的多重冲击能达到更高的密度。HVC 技术具有高密度、高性能、低成本、高生产率和可成形大零件的特点。［6］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。

1.11 动磁压制技术

动力磁性压制技术（ dynamic magnetic compaction，简称DMC）是1995 年美国开始研究的一种新型的高性能粉末最终成形压制技术。DMC是采用脉冲调制电磁场施加的压力来固结粉末。与传统的粉末冶金压制工艺一样，动力磁性压制也是两维压制工艺，但却是径向压制而不是轴向压制。当粉末装入一个导电的容

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器（护套）内，置于高场强的中心腔中，线圈通入高电流脉冲，线圈中形成磁场，护套内因而产生感应电流。感应电流与施加的磁场相互作用，产生由外向内压缩护套的磁力，使粉末得到压制，整个压制过程时间不足1ms。

DMC 具有以下特点：（1）由于不使用模具，因而可达到更高的压制力，维修与生产成本更低；（2）在任何温度与气氛中均可施加压力，且适合所有材料，工作条件更灵活；（3）不使用润滑剂与粘结剂，有利于环境保护。目前，许多动磁压制的应用已接近工业化阶段。DMC 适于制造柱形对称的终形件，薄壁管，高纵横比部件和内部形状

复杂的部件。

1.12 放电等离子烧结技术

放电等离子烧结技术（ Spark Plasma Sintering，简称SPS）最早源于1930 年美国科学家提出的脉冲电流烧结原理，但直到日本于1988 年研制出第一台工业型SPS装置，该技术才真正引起世人的关注。该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。主要是利用外加脉冲强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，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。［7］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。

1.13 爆炸压制技术

爆炸压制（ExpIosive Compaction）又称冲击波压制，是利用化学能的一种高能成形方法。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10～100us，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。［8］

2 结束语

粉末冶金成形技术综述

粉末冶金是一门重要的零件成形技术。粉末冶金新技术、新工艺的不断出现，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光明的前景。目前，我国粉末冶金行业整体技术水平低下、工艺装备落后，与国外先进技术水平相比存在较大差距。但粉末冶金领域无论是新技术还是相的新装备都取得了长足的发展，可概括为：

1)粉末制备：向微纳化、功能化粉末发展，其设备向集成化、功能化、一体化、规模化发展。这样既可制备出所需的粉末，也可以有利于粉末处理、防护和收集。

2)粉末成形：向小尺寸的近净成形技术及相关装和大尺寸的喷射沉积技术及相关装备发展。

3)烧结致密化：向快速致密化烧结和集成形与烧于一体的综合技术发展，如选择性激光烧结(Selec—laser sintcring)技术与装备。4)我国在粉末制备与成形技术方面取得了很好发展，但在相应的装备，特别是致密化烧结装备与国还有一定差距，这也是我国粉末冶金领域应注重发展的方向。

参考文献：

［1］ peter k.Johnson P/M on the move一2003[J] The international journal of Powder metallurgy ,2003．39(3):21一36．

［2］ 周继承，黄伯云．增塑粉末挤压戚形新技术[J]．中国有色金属学报,2002，12(1)：l—13．

［3］Rutz H，Hanejko F，Luk S. Warm Compaction Offers High Density at low Cos［t J］. MPR，1994,（9）.

［4］肖志瑜，李元元，邱 诚.温压工艺及其关键技术［J］.机械工程材料，2001,

（1）.

［5］肖志瑜，柯美元，李元元. 温压工艺的最新进展- 流动温压技术［J］.粉末冶金工业，2002,（5）.

［6］肖志瑜，陈 平，李元元. 粉末冶金高致密化的新途径［J］.材料导报，2003,

（11）.

［7］Richard F. HVC punches PM to new mass production limits［J］. MPR，2002,

（9）.

［8］张久兴，刘科高，周美林. 放电等离子烧结技术的发展和应用［J］. 粉末冶金技术,2002，（6）.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/caij.html