20世纪中后期粉末冶金新技术和新材料新工艺回顾

20世纪中后期粉末冶金新技术和新材料新工艺回顾

发布时间:2007-3-30 11:04:26 作者:俣名 来源:互联网

粉末冶金是一门新兴的材料制备技术。近代粉末冶金兴起于19世纪末20世纪初。至20世纪30年代，粉末冶金整套技术逐步形成，工业生产初具规模，对工艺过程及其机理的研究也取得了一定成果。20世纪中期，粉末冶金生产技术发展迅速，产品应用领域不断扩大，成为现代工业的重要组成部分。并在此基础上，为适应科学技术飞速发展对材料性能和成形技术提出的更高要求，开发了多项粉末冶金新工艺，包括：热等静压、燃烧合成、快速凝固、喷射成形、机械合金化、粉末注射成形、温压成形、快速全向压制、粉末锻造、热挤压、爆炸固结、大气压力烧结、微波烧结，等等。本文拟首先对其中几种重要新工艺的历史沿革和发展现状作一简要介绍。这些工艺有的已经产业化，有的正处于实用化阶段，应用前景看好。 1 粉末冶金新工艺

1．1 粉末锻造(Powder Forging，PF} H20世纪60年代末出现的粉末锻造，是对铁基粉末冶金材料和零件制造技术的重大突破。它将粉末冶金工艺与精密锻造相结合，使机械零件达到全致密和获得高性能成为可能，适合制造力学性能高的铁基结构零件，因而增加了粉末冶金机械零件的品种，扩大了应用领域。粉末锻造过程中，被加热到锻造温度的粉末压坯产生物质流动，填充阴模模腔，可成形具有较复杂形状的零件。粉末锻造产品密度可达到7．8 g／cm。(相对密度99．6 9／6)，密度和组织分布均匀，晶粒细小，力学性能特别是动态力学性能好。例如，粉末锻造轴承外环的疲劳寿命是优质锻钢外环的3．5～4倍，且消除了常规铸造材料的各向异性。粉末锻造产品尺寸精度高，质量稳定，精加工量小。粉末锻造工艺节材、节能、工序少、生产成本低，例如，汽车传动定子凸轮成形工序由切削加工的7道减少到粉末锻造的1道；与机械加工方法相比，粉末锻造轴承外环和锥形滚柱节约材料5O 9／6；粉末锻造机枪加速装置零件成本降低5O 9／6以上。粉末锻造温度比常规锻造低

100~200℃ ，可节能和延长模具寿命。其生产过程容易实现自动化。粉末锻造最初见于1941年，当时以海绵铁粉压坯通过热锻制成高射炮的弹药供给棘爪，其密度为7．8 g／cm。。

但此后20年间，这项技术无甚进展。直到1968年，美国GM 汽车公司研制成功粉末锻造后桥差速器齿轮，并于1970年与Cincinnati公司合作建立世界上第一条粉末锻造自动生产线，粉末锻造才重新兴起。但是，在从实验室转向工业生产时，由于受粉末质量、模具寿命、缺乏专用设备等条件的制约，以及主机厂对粉末锻造零件能否承受繁重负荷怀有疑虑，延缓了粉末锻造的发展。至8O年代中期，全球汽车工业的高速发展为粉末热锻技术提供了机遇，而且上述问题也逐一得到解决，才使粉末锻造零件生产规模明显扩大。Cincin—nati公司至1985年共生产定子凸轮2 000万件以上。尽管此零件表面要承受高频应力载荷，但使用中从未有过事故。1981年，日本丰田汽车公司全自动粉末锻造生产线投产，生产连杆和离合器外圈，连杆月生产能力14万件。至1992年，年生产连杆250万件，并在当时先进车型Lexus上大量装车使用。1986年，美国Ford公司开始生产粉末锻造连杆，供2种车型的1．9 L四缸发动机使用，以后陆续扩大到其他型号的发动机。至1991年，该公司采用的粉末锻造连杆不少于1 000万件，耗用铁粉1 000 t以上。据1990年报道，美国Ceracon公司制造的粉末锻造4601钢下孔钻头(用于钻井气动机构)，重22．6 kg。

德国Krebsoge公司于1992年建立了全自动粉末锻造生产线，连杆的生产率为5 s／件，当年粉末锻造连杆的使用量达到65万件。该公司采用粉末锻造连杆“断开工艺”，可减少切削加工工序，降低生产成本，提高连杆负载能力。Kreb—soge公司开发的Fe—Mo合金钢，是较为理想的粉末锻造材料。其合金元素含量低(合金中Mo的质量分数为0．85 9／6～1．05 9／6)，降低了原料成本，而材料性能很好，热处理态极限拉伸强度达1 600MPa，伸长率接近1O 。粉末锻造主要用于生产汽车零件，如：发动机连杆、变速器凸轮、轴承圈、同步器齿环、发动机阀座、离合器毂、链锯链轮、棘轮、手动扳手，以及各种齿轮，等等。汽车连杆是发动机中承受强烈冲击和高动态应力的典型零件，粉末

锻造连杆可靠性高，已在大量使用中得到证明。粉末锻造技术由于其产品性能和经济上的优势，发展前景令人乐观。

1976年，中国科学院金属研究所与沈阳汽车齿轮厂合作，用Fe-Mo共还原粉末研制成粉末锻造汽车行星齿轮，并投入生产。1977年，中南工业大学与益阳粉末冶金研究所合作，用雾化Cu—Mo低合金钢粉制成拖拉机传动齿轮，并投入生产。同年，武汉钢铁公司粉末冶金厂与武汉工学院用粉末锻造制成25 kg的大型伞齿轮。1979年，益阳粉末冶金研究所建成拖拉机粉末锻造密封环生产线。 1．2 热等静压(Hot Isostatic Press。HIP)E ]热等静压是在冷等静压(CIP)基础上发展起来的。冷等静压又称液静压或水静压，出现较早。1913年，MADDEN获冷等静压技术的专利。1936年，美国应用冷等静压技术制造钨钼条材，1942年用于制造钨钼管材。此后不久，德国应用冷等静压技术制造大型钨制品。1935年以后陶瓷工业在广泛应用冷等静压技术生产火花塞的瓷绝缘子和压电陶瓷等特殊陶瓷制品。前西德在2O世纪7O年代用冷等静压制造出d 300 mm×1 400 mm、质量为140kg的异形不锈钢过滤器，以及超大型绝缘电瓷。冷等静压能够成形凹形、空心和长细比大等复杂形状坯件，坯件密度均匀，强度较高，在粉末冶金成形工艺中占有重要地位。我国在2O世纪5O年代末建立了冷等静压实验装置。如果说冷等静压是粉末成形的一种特殊方法，那么，热等静压技术则在开发新材料和改进现有材料方面大显神威。已用热等静压制造和处理的材料有：工具钢、高温合金、硬质合金、稀土永磁、弥散强化和纤维强化铝合金、钛合金、铍、难熔金属、复合材料，等等。此外，热等静压技术还用来消除铸锭内部缺陷和修复贵重部件。

热等静压技术始于1955年，当时美国BatteleColumbus实验室的DAYTON R等4名科学家，为了解决核燃料元件制造中锆包覆锆铀合金的问题，提出了“气压连接”的设想，建立了第一台实验室用热等静压机。其压力缸以304不锈钢锻成，以氦为工作介质，样件置于缸体容器中，施加的等静压力使包套与芯棒紧密接触，在840～900℃保温24~36 h，通过扩散使界面连接。至1960年该所采用气压连接技术成功制造了350根核燃料元件。

2O世纪6O年代，热等静压技术应用领域扩大，向高材料制备和加工的方向发展，并逐渐进入工业化生产。1965年，美国Kennametal公司与Battelle研究所合作，对硬质合金件进行致密化处理。1967年建立年产50t硬质合金的热等静压生产线，所生产的硬质合金品种约占公司全部品种的一半，产品强度和使用寿命大幅度提高，还生产了许多用常规工艺难以制造的制品。1969年，瑞典ASEA公司建立了第一台预应力钢丝缠绕结构的Quintus冷热等静压设备，成为以后等静压设备的主要结构形式。2O世纪6O年代末7O年代初，美国坩锅公司和瑞典通用电气公司采用热等静压技术生产粉末高速钢，消除了合金元素的偏析，大幅度提高了合金元素的含量。7O年代，热等静压技术被用于制造粉末冶金高温合金涡轮盘和粉末冶金钛合金结构件。俄罗斯采用热等静压技术制备了尺寸为90 cm×115 cm，质量为300 kg的高温合金件，其强度达1 600 MPa。

1978年，日本住友特殊金属公司采用热等静压技术生产铁氧体，获得高密度、细晶粒Mn—Zn铁氧体，将维氏硬度和抗弯强度都提高了15 。将热等静压与快速凝固、机械合金化、燃烧合成等新技术结合，是制取粉末冶金新材料的有效途径。据1999年北京国际热等静压会议报道，美、俄对机械合金化Ti一47．5Al一3Cr纳米粉进行热等静压，所获材料保持纳米晶粒，具有超塑性。日本将热等静压与燃烧合成相结合，制取了致密梯度材料和陶瓷材料。热等静压技术发展很快。1976年，全世界拥有热等静压设备99台，1980年为188台，1988年猛增到800台。随着热等静压技术应用范围不断扩大，对其产品质量和经济效益提出了更高要求，促使一些大型化设备相继建成并投入使用。瑞典ABB公司制造的大型热等静压机的工作室尺寸为d 1 600 mm×2 500 mm、最高工作压力105 MPa、最高工作温度1 260℃ 。

我国热等静压技术的开发始于2O世纪6O年代。1966年，中国科学院金属研究所首次采用螺旋式热等静压机制备稀有金属材料和连接核材料。1979年，第一台预应力钢丝缠绕式热等静压设备在冶金部钢铁研究总院投产，有效缸体尺寸d 270mmX 700 mm。1990年，由川西机器厂与冶金部钢铁研究总院联合设计、川西机器厂制造的“双2000”小型热等静压机面市，该机工作压力200 MPa，工作温度

2 000℃ 。同期，钢铁研究总院首次出El热等静压机，其热区工作尺寸为d 450 mm×1 000mm。1988年全国拥有热等静压设备25台，1998年达63台。我国对热等静压技术在粉末固结、扩散连接、烧结制品和铸件致密化等方面的应用进行了研究，研制了高性能结构材料、复合材料、高温超导材料、金属间化合物、功能陶瓷材料、生物陶瓷等新材料，制订了硬质合金、粉末冶金高温合金、稀贵金属致密化处理的热等静压生产工艺和技术标准。

1．3 快速凝固(Rapid Solidification。RS) lJ快速凝固技术是通过将金属和合金熔体快速冷却凝固制备材料的一种方法，金属和合金在快速凝固过程中，其组织结构和固溶能力发生很大变化。快速凝固技术是细化组织、消除偏析、提高合金固溶度，及制取非晶态粉末材料、微晶级和纳米晶级合金材料的有效手段。快速凝固冷却速率的上限为10 K／s或更高，而对其下限目前尚无定论，一般认为应不低于1OK／s，但也有人将冷却速率为1O。～10。K／s的气雾化和1O。～10 K／s的水雾化列入快速凝固范围之内。快速凝固制粉的方法包括：双流雾化法(气雾化、超声气体雾化、超高压水雾化)，离心雾化法(旋转电极、旋转盘、旋转杯)，机械作用力雾化法(双辊或三辊雾化、电流体动力雾化DUWEZ枪法、多级雾化、快速旋转罩雾化)，电火花刻蚀法，以及等离子雾化，等等。其中，旋转盘法和电火花刻蚀法的冷却速率为10 K／s，超声气体雾化、旋转杯雾化的冷却速率可超过10 K／s，电流体动力雾化为10 K／s，DUWEZ枪法可达10。K／s。早在二战时期，德国便采用雾化制粉技术制取铁粉，以补充Hametag铁粉供应之不足。1958年，苏联SALLI I V报道了他所发明的快速凝固装置，研究了二元合金的相互固溶度和亚稳相形成等问题。1960年，DUWEZ P用液态喷雾淬火法首次获得非晶态合金Au 。Si。。。2O世纪5O年代初，亚音速气流雾化法得到普遍应用。这是一种初级的快速凝固制粉法，冷凝速率为1O。～10。K／s，但是以后逐步发展成为一种新型的快速凝固制粉方法，如可使熔体冷凝速率大于1O K／s的紧耦合气体雾化法。1976年，美国Pratt—Whitney飞机公司发明了旋转盘雾化法，冷却速率为1O ～1O K／s，随后投入工业生产，生产了200多种高温合金粉末。超声雾化法为瑞典人发明，据1983年报道，美国麻省理工学院的GRANT H T对其作了改进。该法冷却速率达到1O ～10 K／s，所得粉末粒度范围窄，已用于工业生产低熔点合金。高压水雾化法冷凝速率为1O。～10 K／s，主要用于制备合金钢粉。前苏联建成了年产8 000 t的世界上最大的高压水雾化厂。我国陈振华和黄培云等人提出了多级快冷装置，将双流雾化与多次旋转盘、旋转辊粉碎结合起来。其冷凝速率为1O ～10 K／s，粉末平均粒度为5 fm、形状为球形和类球形，生产效率2～5 kg续生产。

如果将雾化列入快速凝固，则用雾化法制取铁粉是其早期的研究成果。而粉末冶金高速钢、粉末冶金高温合金、粉末冶金高强度铝合金是其2o世纪60~70年代快速凝固技术研究取得的3项重大果。快速凝固对发展镍合金、钛合金、铁合金、铜合金和非晶态合金也作出了贡献。ANDERSONR E于1980年报道，在受力大小相同的情况下，快速凝固RSP185合金的蠕变温度比精密铸造定向凝固加Hf的MAR—M200合金高83℃ ；并能用其制造内冷式涡轮叶片。1980年，GRANT N J等报道，快速凝固Cu—Ni—Ti合金的合金化元素分布均匀，内氧化后的TiO。弥散体含量高，合金长时间高温(达1000℃)暴露仍具有很好的稳定性。1983年，CHAUDHRY A R报道，加入Ti改进的316L不锈钢，其TiC含量提高5倍。据1983年SASTRYs M L等报道，快速凝固Ti-6A1-3Ni合金弹性模量达115 GPa，抗拉强度达1 010 MPa。前苏联将快速凝固作为一种制造高强度结构材料的先进工艺来研究，研究工作侧重镍基合金和钛合金粉末以及钢、钴合金、铝合金及金属间化合物粉末的制备。2o世纪8O年代初，用快速凝固镍基高温合金粉制造飞机燃气蜗轮发动机零件。1991年，余挥等人报道，快速凝固T15高速钢粉末组织中不存在莱氏体共晶，与普通氢气雾化相比，其碳化物晶粒得到进一步细化，晶粒尺寸平均0．11 fm。快速凝固法制备块体材料的关键是保持其亚稳结构。致密化方法有：冲击波固结法、超高压固结法、热加工固结法(热挤压、热锻、热等静压)及液相烧结法等。快速凝固与喷射成形、低压等离子沉积相结合，是制取高性能块体材料的可行途径。

1．4 燃烧合成(Combustion Synthesis。CS)~12-14]燃烧合成最初称为自蔓燃高温合成，兴起于2O世纪6O年代。其实，人们早就发现化学反应的放热现象和反应过程的自蔓延特点。如1825年发现

非晶锆在室温下燃烧并生成氧化锆，1865年发现铝热反应，等等。但是，直到2O世纪6O年代，才将燃烧合成发展成为一项制备材料的新技术。1967年，前苏联科学院化学物理研究所BROVINSKAYA等发现钛硼混合物自蔓燃烧合成现象。6O年代末，发现许多金属和非金属难熔化合物的燃烧合成现象，并将这种依靠自身反应发热来合成材料的技术称为自蔓燃高温合成。1972年，自蔓燃高温合成开始用于粉末的工业生产，前苏联化学物理研究所建造了年产难熔金属粉末10~20 t的实验设备。1975年开始研究把自蔓燃高温合成与烧结、热压、热挤、轧制、爆炸、堆焊和离心铸造结合，直接制造陶瓷、金属陶瓷和复合管材等致密材料。1976年，前苏联开发出200多种自蔓燃高温合成材料。1979年，碳化钛粉末和二硅化钼加热元件投入工业生产。此外，这种合成技术还用来生产耐火材料、形状记忆合金、硬质合金等多种材料。1977年，Ju—GANsON E J获得制造陶瓷内衬复合钢管的美国专利。8O年代，日本ODAwARA用铝热一离心法制造出长5．5 m、内径165 mm的大尺寸陶瓷内衬复合钢管，应用于输送铝液和地下热水。1996年，前苏联建成年产量1 500 t铁氧体的燃烧合成连续生产线。1987年，前苏联建立了SHS研究中心— — 苏联科学院宏观动力学研究所，由创始MERZHA—NOV A G任所长。前苏联在自蔓燃高温合成材料及其制造技术和应用上取得了巨大成就。2O世纪8O年代以后，自蔓燃高温合成技术开始世界范围的发展。美、中、日和欧洲将自蔓燃高温合成与不同致密化技术结合，开发了一系列材料反应加工技术，将材料合成与加工一步完成，称之为非常规自蔓燃高温合成技术，包括反应球磨、反应烧结、反应热压、反应热等静压、反应爆炸固结、反应渗透、反应涂层、反应焊接、反应热喷涂、反应冶金、反应铸造、反应热挤、反应热轧、反应锻压，等等。这些加工技术的点燃模式和燃烧波传播模式都与前苏联发展的自蔓燃高温合成有所不同。随着自蔓燃高温合成内涵的扩展，许多学者认为“燃烧合成”比“自蔓燃高温合成”更能反映过程的实质。

燃烧合成的反应温度高，使杂质充分挥发，产品纯度高；反应时间短，容易获得微米级、亚微米级甚至纳米级粉末；致密化温度低，勿需高温炉，节能。燃烧合成以其工艺的特点而成为制备高性能、特殊结构产品的先进技术。例如，反应烧结、反应热压和反应热等静压用于金属间化合物的制备，可克服粉末制备困难、成形性和烧结性差的缺点；可制取具有梯度孔隙度和孔径的过滤材料；用燃烧合成法制取有机物，具有节能、节省设备、工序少、污染小等优点。燃烧合成产品已有：磨料、高温润滑剂、二硅化钼加热体、硬质合金、形状记忆合金、难熔金属碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物、氢化物、金属间化合物、高温结构合金、复合材料、梯度材料、耐火材料、铁氧体、过滤材料、纳米材料、有机物及环保材料，等等。利用燃烧合成技术可实现不同材质包括钢、高熔点金属、石墨、陶瓷的2个部件的自焊和互焊，以及金刚石与基座之间的焊接。我国于2O世纪8O年代开始这项技术的研究，现在研究单位已达2O多家。9O年代中期，开发了陶瓷内衬复合钢管和不锈钢内衬复合钢管，并将陶瓷内衬复合钢管产业化，产品用于输送煤灰渣、矿粉和焦炭等。9O年代末，研制出自蔓燃高温快速加压密实材料制备系统(SHS／QP)，实现材料合成与致密化一步完成。

1．5 喷射成形(Spray Forming。SF)Ds-2o]喷射成形或称雾化沉积，是制造金属材料的一种新技术。喷射成形技术的创新在于，将液态金属雾化(快速凝固)与雾化熔滴沉积(熔滴动态致密固化)结合，在一步冶金操作中直接将液态金属转化为一定形状的、具有快速凝固组织、整体致密(相对密度可高达99．5 9／6～99．8 9／6)的高性能材料成形坯或半成形坯。喷射成形不但可明显改善材料组织，而且材料受污染少。喷射成形M2高速钢，其碳化物晶粒细小(2～3 m)且分布均匀，热处理性能好，可磨削性比同类铸锭钢提高6O 9／6。喷射成形12 9／6 Cr不锈钢锻造制品，与铸锻材料相比，其伸长率由7 提高到19 ，面缩率由17％提高到57 ，并增强了材料的耐点蚀性。喷射成形轧辊的一次碳化物晶粒明显细化且弥散均匀分布，其寿命为铸造轧辊的3～5O倍。采用喷射成形制造的青铜合金，综合性能好，强度高，耐摩擦，电导率高，冷热加工性好，冷变形后弹性模量低、流变性能高，适合制造弹簧。我国采用喷射成形Zn-27A1—1Cu合金制造滑动轴承，其使用寿命比铸造ZA27合金高1．5倍，比巴氏合金高1．8倍。喷射成形技术最早见于1958年BRENNAN J用金属喷射工艺生产半成品的美国专利。然而，直到1968年才由英国Swansea大学SINGERT A RE提出喷射成形的概念。其原理是将雾化的金属液滴喷射在旋转的载体上，形成沉积坯料，随后热轧或冷轧成板材。1974年，经英国