近年米粉末冶金新技術(shù)和新工藝的發(fā)展和應(yīng)用狀況

2012

12-07

10:07:37

 554

來源：

　　本文將簡要介紹粉末冶金的基本工藝原理和方法，重點(diǎn)介紹近年米粉末冶金新技術(shù)和新工藝的發(fā)展和應(yīng)用狀況。
　　
　　1.霧化制粉技術(shù)
　　
　　粉末冶金材料和制品不斷增多，其質(zhì)量不斷提高，要求提供的粉末的種類也愈來愈多。例如，從材質(zhì)范圍來看，不僅使用金屬粉末，也要使用合金粉末、金屬化合物粉末等；從粉末形貌來看，要求使用各種形狀的粉末，如生產(chǎn)過濾器時(shí)，就要求球形粉末；從粉末粒度來看，從粒度為500～1000m的粗粉末到粒度小于0.1m的超細(xì)粉末。
　　
　　近幾十年來，粉末制造技術(shù)得到了很大發(fā)展。作為粉末制備新技術(shù)，*個(gè)引人注目的就是快速凝固霧化制粉技術(shù)?？焖倌天F化制粉技術(shù)是直接擊碎液體金屬或合金并快速冷凝而制得粉末的片法?？焖倌天F化制粉技術(shù)zui大的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地減少合金成分的偏析，獲得成分均勻的合金粉末。此外，通過控制冷凝速率可以獲得具有非晶、準(zhǔn)晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末。它的出現(xiàn)無論對粉末合金成分的設(shè)計(jì)還是對粉末合金的微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀特性都產(chǎn)生了深刻影響，它給高性能粉末冶金材料制備開辟了一條嶄新道路，有力地推動(dòng)了粉末冶金的發(fā)展。
　　
　　霧化法zui初生產(chǎn)的是像錫、鉛、鋅、鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末，進(jìn)一步發(fā)展能生產(chǎn)熔點(diǎn)在1600～1700℃以下的鐵粉及其他粉末，如純銅、黃銅、青銅、合金鋼、不銹鋼等金屬和合金粉末。近些年，隨著人們對霧化制粉技術(shù)快速冷凝特性的認(rèn)識，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓寬，如高溫合金、Al-Li合金、耐熱鋁合金、非晶軟磁合金、稀土永磁合金、Cu-Pb和Cu-Cr假合金等。
　　
　　借助高壓液流（通常是水或油）或高壓氣流（空氣、惰性氣體）的沖擊破碎金屬液流來制備粉末的方法，稱為氣霧化或水（油）霧化法，統(tǒng)稱二流霧化法；用離心力破碎金屬液
　　
　　流稱為離心霧化；利用超聲波能量來實(shí)現(xiàn)液流的破碎稱為超聲霧化。霧化制粉的冷凝速率一般為103～106℃／s。
　　
　　2二流霧化
　　
　　根據(jù)霧化介質(zhì)（氣體、水或油）對金屬液流作用的方式不同，二流霧化法具有多種形式：
　　
　?。?）垂直噴嘴。霧化介質(zhì)與金屬液流互呈垂直方向。這樣噴制的粉末一般較粗，常用來噴制鋁、鋅等粉末。
　　
　　（2）V形噴嘴。兩股板狀霧化介質(zhì)射流呈V形，金屬液流在交叉處被擊碎。這種噴嘴是在垂直噴嘴的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，其特點(diǎn)是不易發(fā)生堵嘴。瑞典霍格納斯公司zui早用此法以水噴制不銹鋼粉。
　　
　　（3）錐形噴嘴。采用環(huán)孔噴嘴，霧化介質(zhì)以*的速度從若干個(gè)均勻分布在圓周上的小孔噴出構(gòu)成一個(gè)未封閉的氣錐，交匯于錐頂點(diǎn)，將流經(jīng)該處的金屬液流擊碎。這種噴嘴霧化效率較高，但要求金屬液流對中好，而且由于霧化介質(zhì)高速射出時(shí)會在錐中形成真空，容易造成液滴反飛，并在噴嘴上凝固而堵嘴。
　　
　?。?）漩渦環(huán)形噴嘴。采用環(huán)縫噴嘴，壓縮氣體從切向進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔。然后高速噴出形成一漩渦狀錐體，金屬液流在錐頂被擊碎。
　　
　　霧化介質(zhì)與金屬液流的相互作用既有物理-機(jī)械作用，又有物理-化學(xué)變化。高速氣體射流或水射流，既是使金屬液流擊碎的動(dòng)力源，又是一種冷卻劑，就是說，一方面，在霧化介質(zhì)同金屬液流之間既有能量交換（霧化介質(zhì)的動(dòng)能變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺埽?，又有熱zui交換（金屬液滴將一部分熱雖轉(zhuǎn)給霧化介質(zhì)）。不論是能量交換，還是熱量交換，都是一種物理-機(jī)械過程；另一方面，液體金屬的黏度和表面張力在霧化過程和冷卻過程中不斷發(fā)生變化，這種變化反過來又影響霧化過程。此外，在很多情況下，霧化過程中液體金屬與霧化介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用使金屬液體改變成分（如氧化、脫碳等），因此，霧化過程也就具有物理-化學(xué)過程的特點(diǎn)。
　　
　　在液體金屬不斷被擊碎成細(xì)小液滴時(shí)，高速射流的動(dòng)能變?yōu)榻饘僖旱卧龃罂偙砻娣e的表面能。這種能量交換過程的效率極低，據(jù)估計(jì)不超過1％。目前，從定量方面研究二流霧化的機(jī)理還很不夠。
　　
　　霧化過程非常復(fù)雜。影響粉末性能（化學(xué)成分、粒度、顆粒形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等）的因素很多，主要有噴嘴和聚粉裝置的結(jié)構(gòu)、霧化介質(zhì)的種類和壓力、金屬液的表面張力、黏度、過熱度和液流直徑。顯然，霧化介質(zhì)流和金屬液流的動(dòng)力交互作用愈顯著，霧化過程愈強(qiáng)烈。金屬液流的破碎程度取決于介質(zhì)流的動(dòng)能，特別是介質(zhì)流對金屬液滴的相對速度以及金屬液流的表面張力和運(yùn)動(dòng)黏度。一般來說，金屬液流的表面張力、運(yùn)動(dòng)黏度值是很小的，所以介質(zhì)流對金屬液滴的相對速度是zui主要的。粉末的形狀主要取決于液流的表面張力和冷凝的時(shí)間。金屬液流的表面張力大，并且液滴在凝固前有充足的球化時(shí)間，將有利于獲得球形粉術(shù)。
　　
　　3.氣體霧化
　　
　　氣體霧化法所用的霧化壓力一般為2～8MPa，制得的粉末粒徑一般為50～100m，多為表面光滑的球形。近年來已發(fā)展了一種新的緊耦合（CloseCoupled）氣體霧化噴槍，可以*提高細(xì)粉率，粒徑為30～40m的粉末可占75％左右，粉末的冷凝速度也相應(yīng)有了提高。超聲氣體霧化法（USGA）是氣體霧化技術(shù)中較為*的一種，它是用速度高達(dá)2.5馬赫的高速高頻（80~100kHz）脈沖氣流作為霧化介質(zhì)的。這種超聲氣流是用一系列哈脫曼（Hartman）沖擊波管產(chǎn)生。超聲氣體霧化法具有很高的霧化效率，例如，采用超聲氣體霧化法可以制成粒徑為8m的錫合金粉末和平均粒徑為20m的鋁合金粉未，而且在這種鋁合金粉末中粒徑小于50m的粉末出粉率高達(dá)90％以上。超聲氣體霧化生產(chǎn)低熔點(diǎn)合金已達(dá)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，而對于高熔點(diǎn)合金仍處于實(shí)驗(yàn)階段和實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)規(guī)模，其存在的主要問題是霧化過程不穩(wěn)定，易造成“堵嘴”現(xiàn)象。通過提高霧化氣體的溫度，使氣體的出口速度提高，可進(jìn)一步提高細(xì)粉末的出粉率。另一個(gè)值得注意的是德國Gerking發(fā)明的層流氣體霧化技術(shù)，該技術(shù)
　　
　　采用了特殊的噴嘴設(shè)計(jì)，使霧化氣體以層流的形式噴出，可將金屬液流進(jìn)一步細(xì)化。用該技術(shù)生產(chǎn)的鋁粉的中位徑只有18m，90％粉末的粒徑小于30m。用該技術(shù)生產(chǎn)316L不銹鋼粉末，其中位徑為30m，90％粉末的粒徑小于80m。但是，由于該技術(shù)采用了很小直徑的金屬液流（約1mm），批量生產(chǎn)時(shí)其導(dǎo)液管容易被堵塞。全惰性氣體霧化技術(shù)近年來發(fā)展很快，多種實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)規(guī)模的全惰性氣體霧化制粉設(shè)備相繼投入運(yùn)行，為發(fā)展高性能的高溫合金、鋁合金、鈦合金以及金屬間化合物材料提供了有力的手段。
　　
　　4.高壓水霧化
　　
　　在金屬粉末霧化中發(fā)展zui快的是20世紀(jì)60年代中期建立起來的高壓水霧化技術(shù)。水霧化法由于采用了密度較高的水做霧化介質(zhì)，所以達(dá)到的冷凝速度要比一般氣體霧化法高個(gè)數(shù)量級，粉末形狀一般為不規(guī)則形。它在純鐵粉、低合金鋼粉、高合金鋼粉、不銹鋼粉和銅合金粉的制造中具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，是鋼鐵粉末生產(chǎn)的主要發(fā)展方向。高壓水霧化目前只限于在不會出現(xiàn)過度氧化或在霧化期間形成的氧化物能很快被還原的那些可霧化合金。在10MPa水壓下的鋼鐵粉末粒度為100～200m。隨著粉末注射成形等新型近凈形成形技術(shù)的發(fā)展，超高壓（>100MPa）水霧化被認(rèn)為是制取細(xì)微（約100m）粉末的有效途徑。例如，日本太洋金屬公司為此開發(fā)了水壓高達(dá)150MPa的超高壓水霧化設(shè)備，其平均粒度可達(dá)3～5m。
　　
　　5.離心霧化
　　
　　離心霧化法是利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成的離心力使金屬熔液克服其表面張力，以細(xì)小的液滴甩出，然后在飛行過程中球化、冷凝成粉的一種制粉方法。其中主要有旋轉(zhuǎn)盤法（RD）（圖11-3（a））、旋轉(zhuǎn)坩堝法（RC）（圖11-3（b））、旋轉(zhuǎn)電極法（REP（圖11-3（c））、電子束旋轉(zhuǎn)電極法（EBRE）、等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）（圖11-7）等。目前，上述方法都有工業(yè)性生產(chǎn)設(shè)備。離心霧化的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能制取幾乎所有金屬或合金的粉末，還可以制取難熔化合物（如氧化物，碳化物等）粉末。此外，離心霧化一般不受坩堝耐火材料的污染，是日前制取高純、無污染難熔金屬和化合物球形粉末的方法，特別是對易氧化（氮化）金屬zui為有效，冷凝速度一般為103~106K／s。離心霧化法的主要缺點(diǎn)是工藝受到設(shè)備規(guī)模、生產(chǎn)過程連續(xù)化和自動(dòng)化限制，生產(chǎn)能力低，粉末價(jià)格較高。離心霧化法制得的粉末一般為球形，平均粒度多在50～15m之間。粉末粒度的大小主要受離心力的影響，旋轉(zhuǎn)速度越高，離心力越大，所得粉末越細(xì)。圖11-8顯示了電極旋轉(zhuǎn)速率對粉末粒度的影響規(guī)律。在上述離心霧化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)電極法（包括PEP、EBRE、PREP）zui重要，日前應(yīng)用比較廣泛，主要用于制備鎳基超合金、鈦合金、金屬間化合物、無氧銅、難熔金屬及合金等粉末。
　　
　　6.機(jī)械合金化制粉技術(shù)
　　
　　機(jī)械合金化是一種從元素粉末制取具有平衡或非平衡相組成的合金粉末或復(fù)合粉末的制粉技術(shù)。它是在高能球磨機(jī)中，通過粉末顆粒之間、粉末顆粒與磨球之間長時(shí)間發(fā)生非常激烈的研磨，粉末被破碎和撕裂，所形成的新生表面互相冷焊而逐步合金化，其過程反復(fù)進(jìn)行，zui終達(dá)到機(jī)械合金化的目的.
　　
　　機(jī)械合金化技術(shù)的特點(diǎn)主要有：
　　
　?。?）可形成高度彌散的第二相粒子；
　　
　?。?）可以擴(kuò)大合金的固溶度，得到過飽和固溶體；
　　
　?。?）可以細(xì)化晶粒，甚至達(dá)到納米級。還可以改變粉末的形貌；
　　
　?。?）可以制取具有新的晶體結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶或非晶結(jié)構(gòu)的合金粉末；
　　
　?。?）可以使有序合金無序化；
　　
　?。?）可以促進(jìn)低溫下的化學(xué)反應(yīng)和提高粉末的燒結(jié)活性。
　　
　　機(jī)械合金化是美國鎳公司Benjamin等人于20世紀(jì)60年代末期zui早開發(fā)的，當(dāng)時(shí)主要用于制備同時(shí)具有沉淀硬化和氧化物彌散硬化效應(yīng)的鎳基和鐵基超合金。表11-1列出了機(jī)械合金化技術(shù)制備的幾種氧化物彌散強(qiáng)化鎳基和鐵基超合金的室溫和高溫力學(xué)性能。
　　
　　機(jī)械合金化技術(shù)所用的原料粉末來源廣泛，主要是一些目前已廣泛應(yīng)用的純金屬粉末，有時(shí)也使用母合金粉末、預(yù)合金粉末和難熔金屬化合物粉末，其粒度一般為l～200m。、對機(jī)械合金化技術(shù)來說，原料粉末的粒度并不是很重要，因?yàn)榉勰┝６入S球磨時(shí)間呈指數(shù)下降，幾分鐘后便會變得很細(xì)，但一般說來原始粉末粒度要小于磨球的直徑。由于一般商用金屬粉末的氧含量為0.05％～0.2％，因此，在研究機(jī)械合金化過程中的相變化時(shí)要充分考慮原始粉末的純度。
　　
　　為了減少粉末間的冷焊，防止粉末發(fā)生團(tuán)聚，在機(jī)械合金化過程中往往需要在粉末中加入1％～4％的過程控制劑，特別是在有一定量的延性組元存在時(shí)。過程控制劑是一種表面活性劑，它可以覆蓋在粉末的表面，降低新生表面的表面張力，從而可縮短球磨時(shí)間。過程控制劑的種類很多，但大多數(shù)為有機(jī)化合物。如：硬脂酸、己烷、草酸、甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇、庚烷、Nopcowax-22DSP、辛烷、甲苯、三氯氟乙烷、DDAA、硅氧烷脂石墨粉、氧化鋁、氮化鋁、氯化鈉也曾用作過程控制劑。在球磨過程中，這些化合物的大部分都會分解，并與粉末反應(yīng)后在其基體中形成均勻彌散分布的化合物新相。例如，碳氧化合物中包含碳和氫元素，碳水化合物包含碳、氧、氫元素。用這些化合物作為過程控制劑可以在粉末基體中形成彌散的碳化物和氧化物粒子，從而得到彌散強(qiáng)化材料，其中的氫元素可以在隨后的加熱或燒結(jié)過程中成為氣體逸出或被晶格吸收。
　　
　　有些金屬，如鋁、鎳、銅會在球磨過程中與醇類介質(zhì)反應(yīng)，形成復(fù)雜的金屬-有機(jī)化合物。例如鋁會與異丙醇反應(yīng)。其他一些金屬，如鈦、鋯會與氯化物流體（如四氯化碳）發(fā)生爆炸反應(yīng)，因此，氯化物流體不可以用作活性金屬的過程控制劑。鈦、鋯等活性金屬在有空氣存在的情況下球磨時(shí)，會大量吸氧和吸氮，從而發(fā)生相變，包括形成新相。

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