粉末冶金工藝對制備工藝材料性能的影響

張萬良

摘要：在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中，粉末冶金工藝應(yīng)用非常廣泛。在汽車制造、裝備制造以及制備材料等領(lǐng)域都應(yīng)用而粉末冶金工藝。而制備工藝材料是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)材料，對于現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)而言有重要的作用。制備工藝材料的性能直接影響了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量。所以，現(xiàn)階段研究粉末冶金工藝對制備工藝材料的影響很有必要。

關(guān)鍵詞：粉末冶金工藝;制備工藝材料性能;影響

中圖分類號：TF125 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0041-04

粉末冶金工藝是當(dāng)下制造行業(yè)中不可缺少的技術(shù)之一，在制造行業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。粉末冶金工藝也是材料制備過程中重要的技術(shù)，對于制備工藝材料性能也有很大的影響，對于材料的導(dǎo)熱性、耐磨性、熱電性等都有影響。另外，粉末冶金工藝具有獨(dú)特的機(jī)械和物理性能，是傳統(tǒng)工藝不具備的。同時(shí)，粉末冶金技術(shù)也是少有的不需切削工藝的技術(shù)。

1 粉末冶金技術(shù)概述

粉末冶金技術(shù)是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)和材料制備過程中非常重要的技術(shù)[1]。粉末冶金是制取金屬粉末的工藝或者是以金屬粉末為原材料，對金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、成形等工藝，制造出金屬材料或者符合性材料的技術(shù)。在技術(shù)工藝流程上，粉末冶金技術(shù)與陶瓷生產(chǎn)技術(shù)有些相像，兩種技術(shù)都屬于粉末燒結(jié)成形技術(shù)。所以，現(xiàn)在的粉末冶金技術(shù)有時(shí)也可以應(yīng)用到陶瓷材料的制備過程中[2]。粉末冶金技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比更少的使用材料，從而降低了材料工藝的生產(chǎn)成本，對于現(xiàn)在的新材料的制備和加工而言有非常關(guān)鍵的作用。目前，工業(yè)生產(chǎn)對新材料有了新的要求，所以粉末冶金技術(shù)被應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。例如，交通建設(shè)、機(jī)械制造、航空航天制造、兵器生產(chǎn)、生物領(lǐng)域以及新能源領(lǐng)域。顯然，在工業(yè)生產(chǎn)中，粉末冶金技術(shù)已經(jīng)占有了重要的位置。

2 粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)制備工藝相比，粉末冶金技術(shù)具有更節(jié)能，更省錢等優(yōu)勢，對于制備材料的各種性能也有不同程度的影響，具有傳統(tǒng)的熔鑄工藝和切削工藝不具備的特點(diǎn)[3]。

1）應(yīng)用粉末冶金金屬進(jìn)行合成材料時(shí)，可以有效的避免合金過程出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象[4]。還可以有效的消除合金制造過程中出現(xiàn)的粗大、不均勻的組織結(jié)構(gòu)。因?yàn)榉勰┮苯鸺夹g(shù)具有這樣的特點(diǎn)，所以在制備高性能稀土材料、稀土發(fā)過材料和新型技術(shù)材料的過程中都要應(yīng)用粉末冶金技術(shù)，從而提升生產(chǎn)材料的整體性能。

2）粉末冶金技術(shù)能夠使制備材料具有更好的導(dǎo)電性能以及物理性能，所以被更多的應(yīng)用于制備非品、納米晶體和微品等高性能非平衡材料的過程。

3）粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用，在材料制備過程中可以讓多種材料有效的復(fù)合，并且材料復(fù)合后還能夠保持多種原材料的獨(dú)有特性，使復(fù)合材料的性能更具多元性，讓制備出的復(fù)合材料能夠被更加廣泛的影響，提升了復(fù)合材料的實(shí)用性[5]。

4）粉末冶金技術(shù)與傳統(tǒng)的熔煉方法有很大的區(qū)別，在新材料的制備過程中，可以使新材料具有新型特殊結(jié)構(gòu)和新性能，所以在多孔生物材料生產(chǎn)過程中，更多的應(yīng)用新型的粉末冶金技術(shù)。

5）粉末冶金技術(shù)能夠很大程度上減少生產(chǎn)資源的使用，也降低了生產(chǎn)能源的消耗，可以實(shí)現(xiàn)材料自動(dòng)化批量生產(chǎn)，具有著高效率的特點(diǎn)。

6）粉末冶金技術(shù)是一項(xiàng)可以讓材料再生的新技術(shù)，在材料制備工藝中，可以使用廢棄的舊金屬作為原料，體現(xiàn)了粉末冶金技術(shù)的環(huán)保特點(diǎn)。

3 粉末冶金工藝的基本工序

粉末冶金工藝分為粉末制取、壓制成型、燒結(jié)和后處理四部分流程，以下就是這四部分流程的具體實(shí)施步驟。

3.1粉末的制取

粉末制取的粉末冶金工藝實(shí)施的第一步，隨著新材料在工業(yè)領(lǐng)域中的不斷應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)對于材料的性能要求越來越高，而新材料對于粉末的種類也就隨之增加[6]。而為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對粉末種類的要求，粉末制取的方法也在不斷的改進(jìn)，其中包括將金屬固體制成粉末的方法，也包括將液態(tài)金屬制成粉末的工藝。而固態(tài)金屬與合金或者金屬化合物制作成粉末的方法主要包括，機(jī)械粉碎方法和電化腐蝕方法。另外，將液態(tài)金屬制成粉末的方法主要是霧化法。最后，將氣態(tài)金屬或者化合物制作成粉末的方法主要包括蒸汽冷凝法和碳基熱理解法。從各種方法的應(yīng)用類別上劃分主要是機(jī)械法和物理法，將金屬制成粉末。

3.2粉末制成坯塊

粉末冶金工藝的第二部分流程就是坯塊的燒結(jié)[7]。在成型工藝流程中，主要的目的是為了使粉末狀金屬成為具有一定尺寸和形狀的壓坯，并通過壓制工藝使坯塊具有一定的密度和強(qiáng)度。在制作坯塊的過程中，通常都會(huì)采用加壓成型和無壓成型兩種方法。另外，還可以使用3D打印技術(shù)進(jìn)行坯塊制作。

3.3坯塊燒結(jié)過程

坯塊制成之后，就要進(jìn)行坯塊燒結(jié)工藝，坯塊燒結(jié)流程是粉末冶金工藝中最為關(guān)鍵的工序之一。在坯塊制作成型之后在進(jìn)行燒結(jié)工作，通過燒結(jié)過程使坯塊具有一定的物理性能。坯塊燒結(jié)過程，分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)兩種模式。其中多元系燒結(jié)可以采用固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種方法而單元系燒結(jié)則只可以采用固相燒結(jié)方法。當(dāng)單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)同時(shí)采用固相燒結(jié)方法時(shí)，燒結(jié)溫度比所有金屬的熔點(diǎn)要低。而在多元系在進(jìn)行液相燒結(jié)是，燒結(jié)溫度要低于難熔金屬熔點(diǎn)并且高于易熔金屬熔點(diǎn)。而除了普通的燒結(jié)方式之外，還有一些特殊的燒結(jié)方法。例如，松裝燒結(jié)方法、熔浸法以及熱壓法。

3.4產(chǎn)品后處理流程

粉末冶金工藝的最后一步工序是產(chǎn)后處理工藝，產(chǎn)后處理工藝也十分重要。產(chǎn)后處理工作流程要根據(jù)材料要求進(jìn)行。不同的產(chǎn)品需求，需要運(yùn)用到不同的后處理工藝，以保證材料的性能狀態(tài)。一般情況下，在進(jìn)行燒結(jié)工藝之后，可以采用精整、浸油、機(jī)加工、熱處理或者電鍍工藝記行后處理流程，這些都是產(chǎn)品后處理流程常用的處理方法。除此之外，還可以采用必要的軋制和鍛造等新型工藝手法進(jìn)行粉末冶金工藝的后處理流程。

4 粉末性能

粉末性能一般包括粉末的幾何性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、物理性能以及表面特性能。而其中幾何性能包括了粉末的粒度和形狀?；瘜W(xué)性能包括材料的化學(xué)成分以及純度。力學(xué)性能包括流動(dòng)性、壓縮性以及松裝密度等。而物理和表面特性則包括了真實(shí)度，光澤以及表面活性等。金屬粉末的性能直接關(guān)系和影響著制備工藝材料的相關(guān)性能。

4.1粉末的幾何性能

粉末的幾何性能包括粒度和形狀。其中，粒度性能直接關(guān)系著粉末加工成型并且影響著產(chǎn)品的最終性能。粉末的幾何粒度性能直接決定著某些制備工藝材料的性能。例如，過濾材料的性能。將過濾材料原始粉末的粒度除以10就可以得到過濾精度，這就說明過濾材料的性能直接受到粉末性能影響。另外，WC相的品粒直接關(guān)系硬質(zhì)合金產(chǎn)品的性能，采用粒度較細(xì)的WC原材料才能夠生產(chǎn)出細(xì)晶粒度的硬質(zhì)合金。一般情況下，生產(chǎn)過程中使用的金屬粉末。粒度在幾百納米到幾百微米范圍內(nèi)。粉末的粒度越小，相反材料活性越大，材料表面更容易受到氧化。當(dāng)粉末的粒度達(dá)到幾百納米時(shí)，就會(huì)給粉末的存儲(chǔ)工作帶來一定的麻煩，這樣粒度的粉末非常不容易運(yùn)輸或者儲(chǔ)藏。一旦粉末的粒度達(dá)到一定的程度，就會(huì)使整個(gè)粉末的物理性能也發(fā)生改變。例如，當(dāng)磁性粉的粒度小到一定程度時(shí)，磁性粉的物理性能發(fā)生改變，變成而來超順磁性粉。而超順磁性粉的熔點(diǎn)也有一定程度的減少。

粉末幾何性能的第二種是顆粒形狀。顆粒形狀的不同是由于不同的制粉方法。運(yùn)用不同的制粉方法就會(huì)產(chǎn)生不同的粉末形狀。例如，通過電解法制作粉末，得到的粉末顆粒呈樹枝狀。而采用還原方法制作粉末。鐵粉顆粒則呈現(xiàn)海綿狀。當(dāng)采用氣體物化法制作而成的粉末，一般情況下都會(huì)呈現(xiàn)球狀粉末。除了這些之外，粉末的顆粒形狀還包括盤狀、針狀以及洋蔥頭狀等。粉末的顆粒形狀將會(huì)直接影響到粉末本身的流動(dòng)性和松裝密度，這些都屬于力學(xué)性能。換言之，粉末形狀特性對粉末的力學(xué)性能也有一定的聯(lián)系。比如說樹枝狀顆粒壓制坯強(qiáng)度相對而言比有規(guī)則的粉末強(qiáng)度大。

4.2粉末的力學(xué)性能

某種角度而言，粉末的力學(xué)性能就是粉末的工藝性能，粉末力學(xué)性能使粉末冶金工藝中的重要性能，也是粉末冶金技術(shù)重要參數(shù)。在粉末采用容積法進(jìn)行壓制成型的過程中，一定要參考粉末的松裝密度進(jìn)行。而粉末對壓模的填充速度以及壓機(jī)的生產(chǎn)能力是由粉末的流動(dòng)性決定。而壓坯的強(qiáng)度也是由粉末的成形性所影響。

4.3粉末的化學(xué)性能

原材料的化學(xué)純度和制粉方法決定著粉末的化學(xué)性能。當(dāng)原材料中氧含量比較高，就會(huì)導(dǎo)致粉末壓制性能變低，壓坯的輕度變小。所以，在粉末冶金技術(shù)使用中，對氧含量的標(biāo)準(zhǔn)有一定的要求。粉末氧含量的標(biāo)準(zhǔn)，一般在0.2%～1.6%之間。

5 粉末冶金工藝對制備工藝的材料性能的影響

5.1對材料物理性能的影響

粉末冶金工藝對制備工藝材料的物理性能有重要的影響。在粉末冶金過程中，粉末的性能與制備材料的性能有直接的關(guān)系[8]。粉末性能一般包括粉末力度和粒度，而這兩種性能與粉末的制取方法和制取條件有很大的關(guān)系。粉末的粒度在壓制和燒結(jié)過程中受到的影響，將會(huì)影響材料的最終性能。另外，粉末的松裝密度也可能會(huì)對材料的物理性能造成一定的影響。材料的松裝密度，指的就是粉末材料在填滿規(guī)定容器時(shí)，單位容積內(nèi)粉末的數(shù)量。而材料的流動(dòng)性能主要指的是在標(biāo)準(zhǔn)流蘇漏斗中流出50g粉末所需要的時(shí)間。一般情況下，可以采用Hall流速計(jì)量器對粉末的松裝密度和流動(dòng)性進(jìn)行測量。通過制備工藝材料性能研究發(fā)現(xiàn)，非單一顆粒組成的粉末壓坯物理性能更好。因?yàn)樵诜勰┕に囘M(jìn)行壓制的過程中，小顆粒粉末更容易發(fā)生移動(dòng)，可以對大顆粒的縫隙空間進(jìn)行補(bǔ)充，所以這一點(diǎn)原因就導(dǎo)致粉末粒度較傳統(tǒng)粉末更寬，物理性能也會(huì)更好。

5.2對材料壓制性能的影響

制備工藝材料的壓制性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是材料的壓縮性以及成形性。材料的壓縮性能主要指的是材料在壓力增加的情況被壓縮的整體程度[9]。而材料的成形性指的是當(dāng)材料被壓縮形成一定的形狀，并且在之后的工業(yè)生產(chǎn)或者加工中受到壓力而保持原狀的能力。一般情況下，材料的壓縮性能可以用生胚密度來進(jìn)行表示粉末的顆粒形狀、粉末的密度以及粉末的硬度這些幾何性能和物理性能直接決定著材料的壓縮性能。一般情況下，軟金屬壓制性要好于硬金屬材料的壓制性。普通制備材料的粉末體都具有比較高的孔隙度，這種情況進(jìn)行壓縮，就會(huì)導(dǎo)致材料中顆粒拱橋效應(yīng)被破壞，使材料內(nèi)的粉末顆粒進(jìn)行位置重排，使材料內(nèi)的粉末顆粒接觸更加緊密并且填滿了孔隙。材料顆粒在壓縮情況的位移情況如圖1所示。在壓縮過程中，壓力變大顆粒位移現(xiàn)象也就越大，而最后材料的密度也會(huì)隨之增加。

5.3對材料燒結(jié)性能的影響

粉末冶金工藝對于材料燒結(jié)性能也具有一定的影響。金屬粉末在進(jìn)行燒結(jié)過程照顧要受到燒結(jié)氣體的影響[10]。在燒結(jié)氣體的作用下，可以帶走粉末在燒結(jié)爐中產(chǎn)生的某些產(chǎn)物，同時(shí)燒結(jié)氣體還可以防治燒結(jié)過程中出現(xiàn)不良反應(yīng)，保證燒結(jié)過程的順利完成。而在金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)的過程中，燒結(jié)氣體起到了相當(dāng)關(guān)鍵的作用。例如，鋁合金粉末在燒結(jié)過程中加入一定量的氮?dú)猓湍軌蛳拗票∧さ臄U(kuò)展。由于鋁合金在氮?dú)獾淖饔孟滦纬裳趸X從而防止了薄膜的產(chǎn)生。在鋁和氮的氧化過程中生長了氧化鋁，而在氧化鋁形成的過程中會(huì)釋放一定的熱能，從而促進(jìn)材料局部產(chǎn)生熔化。這種局部熔化的現(xiàn)象能夠很大程度上促進(jìn)液相燒結(jié)方式進(jìn)行。例如，氫氣是一種還原性相對較強(qiáng)的氣體，在鐵基粉進(jìn)行燒結(jié)的過程中，使用氫氣可以有效的提升材料燒結(jié)性能。一方面，在燒結(jié)過程中加入氫氣可以有效的防治氧化現(xiàn)象的發(fā)生。而另一方面，加入一定量的氫氣還可以起到還原氧化物的現(xiàn)象。為了研究粉末冶金工藝對燒結(jié)性能的影響可以做以下實(shí)驗(yàn)。首先，將壓制成形的金屬粉末放置在管式燒結(jié)爐內(nèi)。其次，分別高純度的氮?dú)狻鍤夂头纸獍迸欧胖翣t內(nèi)。其三，迅速升溫至燒結(jié)溫度，保持燒結(jié)溫度進(jìn)行燒結(jié)。其四，在燒結(jié)完畢后等待燒結(jié)爐冷卻。其五，燒結(jié)爐冷卻后將爐內(nèi)的燒結(jié)材料取出。最后，對燒結(jié)材料的性能進(jìn)行檢測和記錄，分貝檢測材料的密度、規(guī)格、硬度性能、拉伸性能以及斷口外貌。記錄下個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的研究。表1為不同燒結(jié)氣氛下樣品的密度及硬度計(jì)劃表。

6 結(jié)語

粉末冶金工藝行業(yè)發(fā)展也有十多的歷史，對于制備材料工藝的壓制性能、燒結(jié)性能以及物理性能都有著重要的影響。而在今后的工業(yè)生產(chǎn)中，粉末冶金工藝將會(huì)更加廣泛的應(yīng)用，為制備工藝材料的質(zhì)量做好保證。

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