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粉末冶金是制取金属粉末,及采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料和制品的工艺技术。它是冶金和材料科学的一个分支学科。
粉末冶金制品的应用范围十分广泛,从普通机械制造到精密仪器;从五金工具到大型机械;从电子工业到电机制造;从民用工业到军事工业;从一般技术到尖端高技术,均能见到粉末冶金工艺的身影。
粉末冶金是一门跨工业、冶金、材料、机械等多学科的综合技术,在现代工业发展和国民经济中起着不可缺少的作用。特别是对于许多特殊材料,诸如难熔金属材料,工具材料中的硬质合金、金刚石和立方氮化硼等超硬材料,原子能工程材料中的核燃料元件、弥散强化型符合材料,反应堆中结构材料、减速材料、控制材料、屏蔽材料,耐热材料中的高温氧化物基和碳化钛基的金属陶瓷,高密度钨铜合金,以假合金形式出现的高压电触头材料、高温磁材料等材料中的大部分,只能用粉末冶金制造。可以说粉末冶金技术是现代科学技术发展必不可少的。
粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方法实质上采用的就是粉末冶金方法。而现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志:
1、克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝,推动了粉末冶金的发展;1923年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。
2、三十年代成功制取多孔含油轴承;继而粉末冶金铁基机械零件的发展,充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。
3、向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代,出现金属陶瓷、弥散强化等材料,六十年代末至七十年代初,粉末高速钢、粉末高温合金相继出现;利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。
现代制造业发展的趋势主要是,创制新型、高指标的机器(如汽车、航天、电器等),寻求生产效率高、经济效益好的先进生产方法。粉末冶金在很大程度上能够满足和促进解决这个邪问题。因为,粉末冶金在技术上和经济上具有一系列独特的优点。与不同熔炼法相比,在合金成分的选择、密度控制、宏观与微观组织控制等方面,粉末冶金工艺具有不可替代的优势。
粉末冶金法能制取具有特殊性能的材料:
① 可控制产品的孔隙度,生产各种含油轴承及多空材料等;利用其比表面大、密度可控制、低传导等特性,用于催化、过滤、热交换、阻热隔声等多种场合,大大拓宽了金属材料的应用范围。
② 可利用金属和金属、金属和非金属的组合效果,生产各种具有特殊性能的材料,例如,铜钨合金的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等;
③ 可生产各种符合材料,例如,由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、纤维强化复合材料等
粉末冶金工艺的优点:
1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。
2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯,而不需要或很少需要随后的机械加工,故能大大节约金属,降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时,金属的损耗只有1-5%,而用一般熔铸方法生产时,金属的损耗可能会达到80%。
3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料,也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质,而烧结一般在真空和还原气氛中进行,不怕氧化,也不会给材料任何污染,故有可能制取高纯度的材料。
4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。
5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品,特别是齿轮等加工费用高的产品,用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。
粉末冶金工艺的基本工序是:
1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类:机械法和物理化学法。而机械法可分为:机械粉碎及雾化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。
2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯,并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。
3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结,烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;对于多元系的液相烧结,烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低,而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外,还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。
4、产品的后序处理。烧结后的处理,可以根据产品要求的不同,采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外,近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工,取得较理想的效果。
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