中國(guó)粉體網(wǎng)訊 粉末冶金是以金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末混合物為原料，通過各類工藝固結(jié)粉末而獲得金屬材料、工具鋼、復(fù)合材料及各類產(chǎn)品的一種技術(shù)。粉末冶金產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航空航天、模具制造、生物醫(yī)療、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。
圖片來源：Höganäs
1 金屬粉末致密化過程
粉末冶金由粉末制取、壓制成形、高溫?zé)Y(jié)以及后處理等重要過程組成。其中壓制成形和高溫?zé)Y(jié)是粉末冶金的致密化過程。
1.1壓制成形
粉末壓制成形是實(shí)現(xiàn)顆粒從松散填裝到緊密填裝的過程，力的傳遞和分布發(fā)生改變，造成了壓坯各個(gè)部分密度和強(qiáng)度分布的不均勻，從而在壓制過程中產(chǎn)生一系列復(fù)雜的現(xiàn)象。
實(shí)際生產(chǎn)中，通常根據(jù)壓坯形狀特征，選擇合適的壓制工藝改善壓坯的密度及其均勻性。近年來，各國(guó)學(xué)者研究了多種新型壓制技術(shù)，如快速全向壓制、溫壓技術(shù)、高速壓制等。
（1）溫壓技術(shù)
溫壓技術(shù)采用特殊的溫壓混合粉，在不超過690MPa的壓制壓力和1393K的燒結(jié)溫度下，通過一次壓制與燒結(jié)，密度可達(dá)7.2~7.5g/cm3。
溫壓成形是一種制備高密度、高強(qiáng)度粉末冶金零件的簡(jiǎn)單工藝，并且成本相對(duì)較低，只需對(duì)常規(guī)設(shè)備做少量的調(diào)整，就能獲得密度接近7.5g/cm3的冶金零件。溫壓成形工藝憑借其制備制品的高密度、高性能、低成本，被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代以來，粉末冶金零件制備技術(shù)方面重要的技術(shù)突破。
（2）粉末高速壓制技術(shù)
粉末高速壓制技術(shù)是通過液壓或重力等方式驅(qū)動(dòng)重錘，以2~30m/s的速度沖擊粉體，從而促使粉體在20ms內(nèi)完成致密化過程的一種粉體壓制成形技術(shù)，其相應(yīng)高速壓制設(shè)備原理見下圖。
粉末高速壓制設(shè)備原理圖
粉末高速壓制技術(shù)具有壓坯致密度高、相應(yīng)壓坯密度分布較為均勻、成形效率高、生產(chǎn)成本低、壓坯幾何精度高、模具使用壽命較長(zhǎng)、壓坯綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn)。
1.2 高溫?zé)Y(jié)
燒結(jié)作為粉末冶金生產(chǎn)過程中最重要的工序,一直以來是人們研究的重點(diǎn)。高溫?zé)Y(jié)是將粉末坯塊加熱到低于主要成分熔點(diǎn)的某一溫度，使其粘結(jié)成具有更高強(qiáng)度材料的熱處理過程，是使粉末壓坯提高致密度的有效手段。以下介紹兩種目前常用的金屬粉末燒結(jié)工藝。
（1）熱等靜壓工藝
熱等靜壓(HIP)工藝是高性能粉末冶金制品致密化的重要手段。HIP的一般工藝流程為：在包套內(nèi)裝填被壓制粉末，置于熱等靜壓機(jī)的爐膛中，同時(shí)施加高溫和高壓，經(jīng)過粉末顆粒的多重耦合致密化作用，得到完全致密部件。
圖片來源：金正粉末冶金公司
HIP用于金屬及金屬基復(fù)合材料的成型或后處理時(shí)，能夠有效地去除鑄件內(nèi)部的缺陷，減少制件內(nèi)部的裂紋，提高產(chǎn)品性能。主要涉及到的金屬材料有鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鈦合金、鋁合金、鋼、銅合金等。
（2）放電等離子燒結(jié)
放電等離子燒結(jié)技術(shù)（SPS）是利用石墨模具的上、下模沖和通電電極將直流脈沖電流和壓制壓力同時(shí)施加于粉末體，通過等離子活化和熱塑變形，實(shí)現(xiàn)粉末體快速固結(jié)成形的燒結(jié)技術(shù)，又稱等離子活化燒結(jié)、等離子輔助燒結(jié)。
放電等離子燒結(jié)工作原理圖
如上圖所示，SPS致密化可以看作在脈沖電流作用下，粉末顆粒間放電、通電產(chǎn)生焦耳熱和加壓的疊加作用結(jié)果。除加熱和加壓這兩個(gè)燒結(jié)因素外，粉末顆粒之間的表面放電可促使局部產(chǎn)生高溫，使表面局部熔化；高溫等離子體濺射和放電沖擊可有效去除粉末顆粒表面雜質(zhì)(如表面氧化物等)和氣體吸附，這些因素均能促進(jìn)燒結(jié)過程。
放電等離子燒結(jié)升溫效率高，致密化速率快，可極大提高粉末的燒結(jié)效率。
2 影響金屬粉末致密化成形的因素
粉末在高溫高壓下的致密化過程非常復(fù)雜，根據(jù)有限元模擬研究實(shí)驗(yàn)可知，影響金屬粉末致密化成形的因素主要有壓制方式、摩擦阻力、壓坯高徑比。
（1）壓制方式：壓制方式主要有單向壓制和雙向壓制。為了減少金屬粉末壓制過程中的壓力降，獲得密度更均勻的壓坯，可采用雙向加壓方式壓制粉末。
（2）摩擦阻力：摩擦阻力是影響壓坯密度及其分布均勻性的關(guān)鍵因素，研究不同摩擦條件對(duì)粉末壓縮致密化過程的影響規(guī)律，有利于改進(jìn)粉末冶金制品壓制工藝。摩擦條件改善時(shí)，壓坯應(yīng)力梯度減小，密度更均勻，壓制力也降低。
（3）壓坯高徑比：壓坯高徑比是粉末冶金制品模壓成形工藝必須參考的形狀因子。相同的壓制工藝和摩擦條件下，高徑比小的壓坯可獲得更均勻的密度分布。
因此，在粉末冶金制品的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免過于細(xì)長(zhǎng)的零件，可采用雙向壓制工藝，并改善潤(rùn)滑條件，提高制品的密度均勻性。
3 結(jié)語(yǔ)
粉末冶金技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制備各種成分的高性能金屬及合金。粉末冶金材料的密度及其分布是影響粉末冶金制品力學(xué)性能和尺寸精度的關(guān)鍵因素，不均勻致密化會(huì)導(dǎo)致粉末體各部位致密化程度和收縮變形的不均勻，從而造成粉末構(gòu)件各部位力學(xué)性能的散差。因此，開發(fā)高密度高性能粉末冶金制品已成為粉末冶金技術(shù)的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。
參考來源：
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【2】郭彪，等.金屬粉末壓制成形機(jī)理及影響因素模擬分析.材料導(dǎo)報(bào).2012.
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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