1前言 
在粉末冶金燒結(jié)制品的生產(chǎn)中,單一的純金屬粉末的實(shí)用價(jià)值較小,因?yàn)?終謀求的往往是被強(qiáng)化了 的和性能獨(dú)具的合金制品。早先生產(chǎn)粉末冶金合金制品的方法多是按化學(xué)成分要求,以純金屬粉末 配比進(jìn)行混合,借助于燒結(jié)產(chǎn)生合金化.但這種工藝,混料不易保證成份均勻,燒結(jié)也不易完全合 金化,*終造成燒結(jié)制品的性能不夠理想。直接采用成分均勻的合金粉末無疑是無此弊端。于是, 如何制備成分復(fù)雜的高質(zhì)t合金粉末就成為粉末冶金技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。隨著科學(xué)技 術(shù)的進(jìn)步,特別是到60年代之后,各種制取合金粉末的方法相繼間世,工藝技術(shù)和設(shè)備裝置日臻 完善,使合金粉末的生產(chǎn)及其應(yīng)用迅速發(fā)展。本文旨在系統(tǒng)評(píng)介合金粉末的生產(chǎn)工藝和主要的典型產(chǎn)品種類、特性及其應(yīng)用。

2合金粉末的生產(chǎn)工藝

2.1機(jī)械破碎法

這是一種既簡單原始,但迄今又不失為具有先進(jìn)性的合金粉末生產(chǎn)方法。其原理是將既得的合金物料 ,例如合金鑄造碎塊或成護(hù)形的合金碎屑單純以機(jī)械力將其粉碎成所需粒度的合金粉末。工藝過程 的主要目的是減小物料的順粒尺寸.在機(jī)械破碎過程中,物料處于強(qiáng)烈攪動(dòng)和翻滾的碾磨球之間受 到?jīng)_擊力、碾磨力、剪切力、壓力或物料自身彼此間劇烈碰撞力的作用而不斷地發(fā)生變形、破碎和 冷焊接.這種方法*適用于一次性生產(chǎn)脆硬的合金粉末,通常又分為球磨法,冷流沖擊法和流態(tài)化床氣流磨法等。球磨法是將合金物料和碾磨介質(zhì)球混合裝入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間研磨。球磨機(jī)的種類很多,計(jì)有翻滾 式、振動(dòng)式、碾磨式和高能球磨式等。球磨效果主要取決于碾磨球和粉料的密度、翻滾速度、振動(dòng) 幅度和磨粉時(shí)間。一般上列因素值越大,效果越好。碾磨介質(zhì)球的材料、尺寸和表面粗糙度應(yīng)視工 藝條件需要而定。例如,球磨堅(jiān)韌的或脆硬的合金采用碳化鎢硬質(zhì)合金球。為了減少粉末順粒間的 焊接力(或自粘力)作用,防止其團(tuán)聚,可添加液體表面活性劑和潤滑劑,例如乙醉。但這些液體添加劑不得腐蝕粉末或與之發(fā)生化學(xué)反粉未冶介二‘幾應(yīng)。冷流沖擊法是將夾帶合金物料的超音速高速氣流噴射到位于噴嘴對(duì)面的固定硬質(zhì)合金靶上,物料與靶 發(fā)生碰撞后被粉碎。將沖擊室內(nèi)的粉末空吸至粒度分級(jí)器內(nèi),過大尺寸的順粒返回貯料峨,以便再 度噴射粉碎。載物的高速氣流由硬質(zhì)合金噴嘴噴射出來時(shí),通過絕熱膨脹產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的冷卻效應(yīng) 。此效應(yīng)所吸熱量大于物料粉碎產(chǎn)生的熱,故該制粉法可在室溫下進(jìn)行,適用于制取硬質(zhì)合金、鎢合金和工具鋼等合金粉末.流態(tài)化床氣流磨是一種技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)成本低廉的機(jī)械粉碎制取微細(xì)粉末的方法。物料顆粒在流態(tài)化 床內(nèi)被壓縮氣體加速,由于高速的穎粒與順粒碰撞而被徽粉化.在粉末冶金工業(yè)中對(duì)小于20產(chǎn)m 的微細(xì)金屬與合金粉末的需求日益增長。例如注射成形所需的粉末原料就是其中之一,用t很大。 用一般方法生產(chǎn)如此細(xì)小粉末的成本是很昂貴的。德國Alpine公司推出了系列流態(tài)化床式氣 流粉碎機(jī),進(jìn)粒粒度為200~2000拌m,粉碎產(chǎn)品粒度達(dá)3.5尸m以下,能耗比一般氣流 磨降低30~40%,生產(chǎn)成本顯著下降。例如,采用該公司的ZOoAFG型流態(tài)化床氣 流磨生產(chǎn)Nd一Fe一B合金粉末,喂入原料粒度為300拜m,產(chǎn)品粒度簇3.5~4料m,生產(chǎn)率為30kg/h。機(jī)械破碎法生產(chǎn)合金粉末的缺點(diǎn)是:首先,所用原料多為鑄鍛合金,鑄錠有可能因冷卻速度緩慢而產(chǎn) 生成分偏析,因此微粉化后的粉末化學(xué)成分不夠均勻;再者,強(qiáng)烈的機(jī)械力作用會(huì)造成合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崎變,并且粉末外表面易被污染,特別是氧的污染,使粉末純度降低。

2.2部分預(yù)合金化法 

這是一種生產(chǎn)低合金鋼粉末的優(yōu)良方法,通過熱處理工藝得到部分預(yù)合金化低合金鋼粉末,其原理是 將高壓縮性的水霧化鐵粉或還原鐵粉與微細(xì)的合金元素粉末混合均勻,經(jīng)擴(kuò)散熱處理使合金元素粉 末粘結(jié)到鐵粉上,產(chǎn)生擴(kuò)散層,形成部分合金化。這種部分合金化粉末既保持了原始鐵粉的高壓縮性,又可使合金元素分布比較均勻,特別適合制造中高強(qiáng)度燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件.部分預(yù)合金粉末的合金元素以銅、鎳和相為多,其含量分別為2%、2%和0.5%左右。元素粉末 粒度在40拜m以下.合金元素以金屬氧化物的形式添加到鐵粉中的效果更佳。金屬氧化物在部分 合金化熱處理時(shí)被還原,產(chǎn)生高活性的金屬原子,從而有利于合金元素的粘結(jié)和擴(kuò)散。例如,由金 屬氧化物粉末制取的Fe一4Ni一1.SCu一0.SMn部分合金化粉的燒結(jié)強(qiáng)度比用純合金 元素粉末制取的可提高15%。對(duì)于一些含錳、鉻、釩、硅等與氧親合力大的合金元素,因 其氧化后不易被還原,采用其微細(xì)母合金粉末(5~10拜m)的形式添加是可取的,但目前在實(shí)用上仍有困難。部分預(yù)合金粉末的質(zhì)量與原始鐵粉和合金元素粉末的性能密切相關(guān),明顯地受合金化熱處理工藝條件 的影響.部分預(yù)合金粉末燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件的密度高,尺寸變化小,力學(xué)性能超過機(jī)械混合粉末燒結(jié) 鋼的水平,可與水霧化完全預(yù)合金化的低合金鋼粉末燒結(jié)制品相媲美。瑞典赫格納斯公司首先推出的壓staloy系列部分預(yù)合金粉末的品種和產(chǎn)量已得到較大發(fā)展。然而,由部分預(yù)合金化粉末制取的燒結(jié)鋼中的合金元素分布仍然是不夠均勻的,在原始粉末順粒表面 和鄰近孔隙表面區(qū)域的濃度高,在原顆粒內(nèi)部的濃度低。因此,部分預(yù)合金粉末燒結(jié)鋼的相變和組織結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。這對(duì)于燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件的性能往往會(huì)有明顯地影響。

2.3異化法 

使用霧化法生產(chǎn)金屬粉末,*早開始于1882年德國制取蓄電池鉛粉。1934年該國Manne smann氏mag公司率先采用高壓空氣霧化生產(chǎn)高碳鐵粉。1965年美國A,0.1994 附2(總第20期)Smith公司又建成高壓水霧化制取鐵粉生產(chǎn)線。‘70年代初期,霧化技 術(shù)和裝備有了長足的進(jìn)步,霧化法成為生產(chǎn)完全合金化粉末的*佳方法,其產(chǎn)品稱為預(yù)合金粉末。 這種方法的原理是,以快速運(yùn)動(dòng)的流體(霧化介質(zhì))沖擊或以其它方式將合金液體破碎為細(xì)小液滴 ,繼之冷凝為固體粉末。霧狀的小液滴體積很小,與外界熱交換又極為便利,于是在制粉過程中就 具備了快速凝固和快速冷卻的條件,所得霧化預(yù)合金粉末的每個(gè)顆粒不僅具有與既定熔融合金完全相同的均勻成分,而且消除了第二相的宏觀偏析。霧化制粉法分“雙流法氣以霧化介質(zhì)流破碎合金液流)和“單流法”(以其它方式破碎合金液流)兩 種。前者的霧化介質(zhì)采用氣體(氦、氫、氮和空氣)或液體(水和油);后者采用離心霧化或溶氣真空霧化等。*廣泛應(yīng)用的是氣霧化和水霧化法。霧化制粉時(shí)先用電爐或感應(yīng)爐將金屬原料熔煉為成分合格的合金 液體(一般過熱100~150℃),然后將其注入位于霧化噴嘴之上的中間包內(nèi)。合金液由中間 包底部漏眼流出,通過噴嘴時(shí)與高速氣流或水流相遇被霧化為細(xì)小液滴,霧滴在封閉的霧化筒內(nèi)快 速凝固成合金粉末。通常惰性氣霧化粉末呈球形,氧含量低(600PPm),須經(jīng)退火 處理,具有很好的壓縮性。這種霧化法易大批量工業(yè)化生產(chǎn),但由于合金液與渣體和增渦接觸,在 粉末中難免帶入非金屬夾雜物。因此,1991年8月瑞典著名的S配erfor,粉末公司根據(jù) 電渣重熔(ESR)原理,*將容量為7t的中間包改造成電渣加熱(ESH)裝置,把N:氣 霧化高速鋼粉末中的非金屬夾雜物量減少到原有量的l/10,使ASP粉末冶金高速鋼的抗彎強(qiáng)度由3500MPa提高至4000MPa以上。真正能完全有效地避免氧化物夾雜污染的措施是采用“單流”霧化法.例如,1974年首先由美國 核金屬公司開發(fā)成功的旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法。此法的工作原理示于圖1。將合圖1旋轉(zhuǎn)電極行化制取合金粉末一電弧.2一合金粉末;3一旋轉(zhuǎn)自耗合金電極;4一固定鎢電極圖2電子束旋轉(zhuǎn)盤,化制取倉金粉末 1一自耗合金電極.2一電子束槍, 3一旋轉(zhuǎn)盤,4一閱門;5一粉末收集器金原材料制成一個(gè)可高速旋轉(zhuǎn)(15000~25000r/min)的自耗電極,由固定的鎢陰極引起電弧使合金電極表面熔化,由此 形成的融熔合金被離心力拋出粉碎,液滴在飛行過程中被冷凝成球形合金粉末 。為了避免鎢污染,可在鎢電極處改用等離子炬,稱為等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法(PREP), 改用電子束融熔合金,稱為電子束旋轉(zhuǎn)盤霧化制粉法(EBRD)(圖2)。以上亦統(tǒng)稱為離心霧化制粉法。旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法的粉末粒度分布范圍狹窄(50一500拜m),其平均粒度可由下式預(yù)測:3 .64廠a~~下廠V硒式中,d:液滴直徑,。:旋轉(zhuǎn)速度,r:表面張力,p:合金材料密度; D:自耗合金電極直徑.這種方法生產(chǎn)的高潔凈度粉末具有良好的成球性和光滑的表面質(zhì)量,流動(dòng)性好,能快速充填復(fù)雜形狀的模具,保持接近“腸理論密度的穩(wěn)定裝填密度。另外還有一種叫做真空溶氣霧化法,能生產(chǎn)高純度球形合金粉末。其原理是:當(dāng)在氣壓下被氣體過飽 和的合金液體突然暴露到真空中時(shí),溶解的氣體將逸出而膨脹,致使合金液體霧化。 

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