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什么是粉末冶金,你知道吗?
粉末冶金作为一种既古老又充满活力的先进材料制备和成形技术,起源于古代陶瓷制备技术和炼铁技术,直至1909年,粉末冶金法延性钨的问世,标志着近现代粉末冶金时代的来临。一百多年来,粉末冶金技术蓬勃发展,各种重要新型材料和关键性制品不断涌现,成为当今国民经济和科学技术不可或缺的重要工程技术之一。

 

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粉末冶金特点及优势

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粉末冶金是一门以金属粉末(或金属与非金属粉末的混合物)为原料,通过成型和烧结等工艺,制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的技术。

 

与传统的熔炼铸造工艺相比,粉末冶金具有诸多优势。一方面,它能有效避免熔炼过程中可能出现的成分偏析,确保材料成分均匀,从而获得更稳定、优异的性能。另一方面,粉末冶金能够实现近净成形,极大减少后续加工工序和材料浪费。据相关数据统计,采用粉末冶金工艺制造的零件,材料利用率可达90%以上,而传统机械加工方法的材料利用率通常仅为30%~50%,这不仅降低了生产成本,还提高了生产效率,契合现代制造业绿色环保的发展理念。此外,通过调整粉末成分、粒度和制备工艺,可实现对材料性能的精确调控,满足不同领域对材料特殊性能的需求,如高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等。

 

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粉末冶金工艺主要流程

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(一)粉末制备
 

机械粉碎法靠机械力将块状金属或合金碎成粉末,设备简单、成本低、产量大,但粉末形状不规则、粒度分布宽,易引入杂质。

 

雾化法:把熔融金属液用高压气体(氮气、氩气)或高速水流喷成小液滴,冷却凝固成粉末。气体雾化法粉末球形度高、流动性好,适合造高性能零件;水雾化法成本低、效率高,粉末形状不规则,常用于普通钢铁粉末及性能要求不高的制品。

 

还原法:用氢气、一氧化碳等还原剂将金属氧化物还原成粉末,纯度高、活性大,烧结活性高,能低温致密化,但生产需高温和特定气氛,设备投资大、成本高。

 

电解法:电解金属盐溶液或熔融盐,使金属离子在阴极析出成粉末,纯度极高、粒度细且均匀,适用于对纯度和粒度要求高的领域,如电子材料,但生产效率低、能耗大、成本高。

 

(二)成型

 

模压成型:把预处理后的金属粉末放模具,施压压实成型,步骤包括装粉、压制、脱模,适用于形状简单、精度要求高的制品,如齿轮。优点是设备简单、效率高、成本低,可大规模生产;缺点是复杂制品模具设计制造难,密度均匀性难保证。

 

等静压成型:利用液体均匀传压,将粉末装弹性模具放高压容器施压成型。冷等静压室温下进行,适合形状复杂、密度要求高的制品;热等静压高温高压同时作用,用于高性能航空航天材料等。优点是制品各方向密度均匀,适合大型复杂制品;缺点是设备贵、周期长、成本高。

 

注射成型:将金属粉末与粘结剂混合成注射料,用注射机注入模具型腔成型,适合制造高精度复杂小型零件,如电子元器件,优点是成型效率和精度高,适合大规模生产;缺点是粘结剂选择和去除是难题,处理不当影响制品性能。

 

(三)烧结

 

常规烧结:在合适温度和气氛(氢气、氮气、真空等)下加热成型坯体,使粉末颗粒结合,提高密度和强度。氢气气氛除杂质,氮气防氧化,真空适用于对氧含量要求高的材料。

 

热压烧结:烧结时施压,在专用设备中进行,模具用石墨等材料。能降低烧结温度、缩短时间,获得更高密度和性能的制品,常用于高性能陶瓷等材料制备。

 

 

 

放电等离子烧结(SPS):通过脉冲电流产生放电等离子体和焦耳热快速加热烧结。可清除颗粒表面杂质,激活表面,升温快(100~1000℃/min)、时间短(几分钟到几十分钟)、能抑制晶粒长大,用于制备纳米材料等。