山東埃爾派 | 點擊量：0次 | 2020-12-10
粉末冶金新材料一覽
摘要
粉末冶金高速鋼 傳統熔煉鑄造法制造的高速鋼，其鋼錠不可避免會產生合金成分不均和粗大萊氏體偏析，這已成為其組織結構的瘤疾，長期困擾著冶金學家。正是粉末冶金工藝成功
粉末冶金高速鋼
傳統熔煉鑄造法制造的高速鋼，其鋼錠不可避免會產生合金成分不均和粗大萊氏體偏析，這已成為其組織結構的瘤疾，長期困擾著冶金學家。正是粉末冶金工藝成功解決了傳統冶金工藝這一問題，消除了宏觀偏析，使晶粒細化，性能顯著提高且各向同性，為生產超高合金含量高速鋼提供了可行途徑。1965年，美國Crucible Materials公司發明粉末冶金高速鋼，1971年投產，年產量1200t，以CPM(Cracible Particle Metallurgy)系列共10余個牌號銷售。瑞典Soderfors公司是世界上生產這種鋼材的最大廠家之一，其氣霧化一熱等靜壓生產線于1970年投產。1994年，法國高速鋼公司(Erasteel)所屬瑞典Soderfors廠采用鋼包精煉法(Electro-Slag-Heating，ESH)對氣霧化前鋼液進行精煉，將非金屬夾雜減少90%，獲得高純凈鋼，進一步提高了粉末冶金高速鋼的質量。
粉末冶金高速鋼優良的組織和性能，得益于快速凝固制粉與熱等靜壓、熱擠壓致密化工藝的結合。粉末冶金法能夠生產常規冶金法難以和不能生產的高合金、富碳化物高速鋼。粉末冶金高速鋼中的合金總量高達30%以上仍具有均勻的組織;釩含量高達9.8%時可磨削性仍然良好。這一成分設計準則也可應用于其他高合金工具鋼。此外，粉末治金工藝允許加入硫來提高高速鋼的可磨削性，而不降低其力學性能。
粉末冶金高速鋼用于制造工具，主要是模具和異形刀具，特別適于切削加工韌性溶硬鋼、耐熱高合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦鋁合金等，是航空工業用于切削加工難加工的高溫合金和鈦合金的優秀刀具材料。此外，還用來制作高強度、耐磨損和抗疲勞的結構零件，如汽車內燃機配件和飛機發動機軸承。美國粉末冶金高速鋼的用量已超過熔煉高速鋼。
02
稀土永磁
稀土永磁合金是稀土金屬(Sm、Nd、Pr等，以R表示)與過渡金屬(Co、Fe等，以TM表示)形成的一類高性能永磁材料。通常將1967年出現的SmCo5(1-5型)、1977年出現的Sm2TM17(2-17型)和1983年出現的Nd-Fe-B分別稱作第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。其最大磁能積(BH)max分別為：
SmCo5 160kJ/m3
Sm2TM7 200~240 kJ/m3
Nd-Fe-B 240-400 kJ/m3
1983年6月日本住友公司率先宣布研制成功新型永磁材料Nd-Fe-B(銣鐵硼)，最大磁能積(BH)max。可達280kJ/m3(35MGOe)。Nd-Fe-B系永磁材料號稱永磁之王，90年代最大磁能積(BH)max 實驗室水平達416 kJ/m3(52MGOe)。1993年開發的超高性能的Nd-Fe-B永磁材料，其(BH)max達431 kJ/m3(54.2MGOe)。
Nd-Fe-B永磁主要用于各種電機、起動機、音響設備、核磁共振成像、磁懸浮、波束控制、機器人、測量儀表、辦公機械、傳感器、磁耦合軸承和繼電器等。
1969年，我國開始第一代稀土永磁的研究開發工作，20世紀80年代初已能批量生產第一代和第二代稀土永磁體，用于行波管等高級磁性器件。1983年底，鋼鐵研究總院研制成功Nd-Fe-B材料，其最大磁能積(BH)max 達240kJ/m3左右，1987年將(BH)max。提高到415kJ/m3以上。
03
粉末冶金高溫合金
粉末冶金高溫合金(或稱粉末超合金)是制造高推比新型航空發動機零部件的最佳材料。粉末冶金高溫合金與傳統鑄鍛合金相比，其晶粒細小，組織均勻，無宏觀偏析，合金化程度高，屈服強度高，疲勞性能高，加工性能好。粉末冶金方法可以實現近終形工藝成形，因而節約材料，成本低。粉末冶金高溫合金主要用于制造航空發動機的渦輪盤、壓氣機盤、鼓筒軸、封嚴盤、封嚴環、導風輪及渦輪盤高壓擋板等高溫承力轉動零件。在粉末冶金高溫合金領域開展研究的有美國、俄國、英國、法國、德國、加拿大、中國、日本、意大利、瑞典以及印度等國，其中，美國、俄羅斯處于領先地位。
1969年，M M Allen首先用粉末冶金方法生產Astroloy高溫合金。1970年，S M Reichman研究低碳In-100粉末冶金高溫合金，獲得超塑性;1972年美國Pratt-Whiney飛機公司以其制造F-100發動機使用的壓氣機盤和渦輪盤等11個部件，裝在F15、F16飛機上。P&W公司僅以粉末冶金渦輪盤和凝固渦輪葉片兩項重大革新，就使F-100發動機的推重比達到8的世界先進水平。至1984年，該公司使用粉末高溫合金盤已超過3萬件。1988年，GEGE公司研制出第二代粉末冶金高溫合金Rene88DT。此后，在美國軍用及民用飛機土，均使用Rene88DT粉末盤。1997年，P&W公司以DT-PIN100合金制造雙性能粉末盤，裝在第四代戰斗機F22的F119發動機上。
前蘇聯的研究工作始于20世紀60年代末，1978年，正式在軍用航空發動機上使用粉末冶金高溫合金渦輪盤。80年代末研制出IIC-90A民用航空發動機盤件，至1993年已累計生產各類粉末高溫合金盤件2.5萬個，至1995年裝機使用盤、軸類件總數已超過4萬件。
04
粉末冶金高強度鋁合金
早在20世紀40年代中期，美國鋁工業公司(Alcoa)便開始進行燒結鋁的研究。1952年，該公司開發了第一代粉末冶金鋁合金材料(SAP)。這是一種Al-Al2O3，彌散強化型合金，具有優異的高溫強度和熱穩定性。
70年代出現的快速凝固技術、機械合金化技術和復合技術，促成粉末冶金高強度鋁合金問世，并在80年代得到迅速發展。快速凝固和機械合金化使鋁合金產生質的飛躍，其組織明顯細化，基本消除偏析，合金成分設計范圍大大擴展，抗拉強度、彈性模量、耐腐蝕性和疲勞性能全面提高，特別是斷裂韌性與強度兼顧得較好。快速凝固工藝可獲得亞穩相，析出細小的彌散體，這是鑄錠冶金技術所無法實現的。
出于宇航工業的需要，美國、前蘇聯、英國、原聯邦德國、日本、法國等多個國家對快速凝固鋁合金進行了研究和開發。美國快速凝固鋁合金7090(Al-8.0Zn-2.5Mg-1.0Cu-1.5Co)和7091(Al-6.5Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.4Co)已商品化，Lockhead公司的S-3飛機機翼使用7091合金后重量減輕了116kg。美國Alcoa公司將快速凝固7090合金用于制造波音757-200飛機主起落架梁撐桿和主起落架艙門的絞鏈、動筒配件、底座、齒輪等傳動裝置，減重15%。
快速凝固耐磨鋁硅合金在日本和德國已獲應用。日本80年代開始采用快速凝固Al-Si合金粉末制造汽車發動機閥門彈簧座和連桿，相應構件的重量減輕60%和30%，體發動機速度大為提高。住友電工采用快速凝固高硅Al合金制造汽車空調壓縮機轉子和葉片，使整個壓縮機減膏40%。1997年，德國PEAK公司開始批量生產過共晶Al-Si合金棒坯，最大尺寸Φ300mm×2500mm。棒壞經加工制勵Benz最新一代V8和V12發動機汽缸襯套。
05
粉末冶金金剛石-金屬工具材料
粉末冶金技術于20世紀20年代進人金剛石工具制著業，逐步取代機械卡固法和青銅澆鑄嵌鑲法而占據主導的位。以粉末冶金法制造金剛石-金屬工具，工藝簡便，成本低，效率高，產品質量優良。1930年，以粉末冶金工藝(混合-壓制-燒結)制造的金剛石砂輪和鋸片誕生，并迅速在硬質材料加工中廣泛應用。20世紀30年代末期，粉末冶金浸漬法制造的金剛石地質鉆頭投入應用。40年代，大型復雜型面金剛石石油鉆頭出現，在地質、石油硬地層鉆探中易示出威力。
1953年和1954年，瑞典和美國成功合成金剛石。人造金剛石粒度較細，適合制造磨具的要求，但機械卡固無法將工具成形。以粉末冶金法制造人造金剛石工具，是粉末冶金技術對金剛石工業再一次推動。粉末冶金人造金剛石工具包括：砂輪修整工具，金屬研磨工具，拉絲模，石油和地質鉆頭，建筑工程施工工具，半導體加工工具，以及石材、玉器、玻璃和陶瓷加工工具等。
高溫高壓燒結金剛石聚晶體(PCD，polycrystallinity diamond)的出現，結束了磨料級金剛石限于制作磨具的歷史，是金剛石工具業一項重大成就。燒結聚晶體的綜合力學性能優于天然金剛石，它不存在解理面，性能各向同性，耐沖擊性較好，而且，使金剛石加工中產生的大量金剛石微粉得到利用。金剛石復合片即燒結金剛石聚晶/硬質合金復合體，由金剛石聚晶體層復合在硬質合金基體上構成，具有良好的綜合性能。
人造金剛石聚晶體出現于20世紀60年代，1964年美國GE公司Da Lai首次取得以金屬黏結劑促使金剛石顆粒之間產生直接結合的美國專利。英國于1966年、前蘇聯于1967年報道了有關這方面的研究成果。1972年，美國GE公司公布并隨后生產的Compax，是具有代表性的產品。我國鄭州磨料磨具磨削研究所于1969~1971年對PCD進行了研制，1972年在國際上首次將PCD金剛石燒結體JRSN用于巖層錨進。1987年我國研制成功人造金剛石/硬質合金復合材料。
06
納米粉末材料
納米材料包括納米粉末材料、納米多孔材料和納米致密材料。納米粉末微粒尺寸一般在1~100nm范圍。對這一粒度范圍粉末系的研究，可追溯到19世紀60年代膠體化學誕生的時候。20世紀40年代也有此粒度范圍粉末的報道，只不過稱為超細粉末，定義粒度范圍為0.01~0.1μm(或以 Å 為度量單位)。1962年，久保發現金屬超微粒子與宏觀物體的熱性質不同，提出久保效應。1963年出版的 H H H Auser所編的《New Types of Metal Powders》一書中介紹，用60kW電子束爐制備的鐵、鋁、鎳、銅、鉻、鉀、鈕和鎢粉，其粒度小于0.5um。1984年，R Berringer和H Gleiter 等人采用情性氣體蒸發與原位壓制、燒結方法獲得納米晶金屬塊體，并首次提出納米晶材料的術語，納米粉末材料作為一種工程材料才正式登上科技舞臺。在1990年召開的首屆世界納米科學技術學術會議上，正式提出將納米材料科學列為材料科學的一個新的分支。90年代研究工作取得進展，應用逐漸增加。
制取納米材料有多種方法，粉末冶金法是常用的一種。
采用機械合金化技術制取納米品材料，能合成許多采用熔體快淬、蒸發冷凝等技術不能獲得的新型合金材料，而且，工藝簡單，生產效率高，實用化可能性大。將納米級粉末通過在過冷液相區進行燒結制成塊體材料，其關鍵是防止納米晶粒在燒結過程中長大。熱壓、熱等靜壓、反應熱壓、微波燒結、放電等離子體燒結、等離子體活化燒結以及激光燒結，是已被采用的燒結技術。
納米顆粒的尺度處于原子、分子、原子團簇與宏觀物體(包括大于100mm的粉末顆粒)的過渡段，其性態既不同于分子和原子等微觀粒子，又與宏觀物體差別很大。納米顆粒具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，因而具有某些獨特的性質。這些性質在催化、濾光、光吸收、儲氫、傳感、磁介質、醫療、保健以及結構材料、工具材料等方面，有著喜人的應用前景。納米粉末材料的開發，拓展了粉末冶金材料的領域。
07
非晶態合金粉末材料
非晶態合金亦稱玻璃態合金。這一類金屬和合金的原子結構不是長程有序，而是處于原子無序的液態“凍結”狀態。制取非晶態合金的最早工作是JKramer進行的，他于1934年和1937年報道以蒸發沉積法成功制取非晶態合金。1950年，A Brenner等人用電沉積法制成Ni-P非晶態合金。1958年，R B Pond的熔體快淬-破碎法獲得美國專利。1960年，加利福尼亞理工學院P Duwez等人直接將熔融金屬噴霧淬火制成非晶態合金Au70Si60。1969年，賓夕法尼亞大學采用圓筒離心急冷法，1970年哈佛大學采用雙輥法獲得非晶態合金帶材。此后，以快速凝固技術制取非晶態合金引起人們高度重視。1973年，美國Allied公司首先將非晶態合金帶材商品化。20世紀80年代，非晶態合金成為材料學界熱點開發項目之一，人們對其制取技術和應用進行了大量的研究。
非晶態合金材料的價值在于其獨特的性能，包括磁性能、電性能、力學性能和耐腐蝕性能。非晶態合金粉末材料主要用作磁性材料，還可用作耐磨材料、耐蝕材料、結構材料、涂層材料、釬焊材料、儲氫材料、金剛石工具黏結劑和催化劑等。1978年，Alcoa公司以熱壓法制造出MA87鋁合金坯塊，經軋制后鍛成飛機零件。1982年，R Ray 用Ni53Mo36Fe9B2非晶態合金粉末材料采取反玻璃化措施制成微晶合金，以其制成鋁合金鑄造模壽命比H13鋼高1倍。1984年，美國Allied公司已有非晶態合金粉末材料產品上市：低頻用鐵基非晶磁粉芯PS-21和1~50Hz用鎳基非晶磁粉芯PMB-1。20世紀80年代，非晶態合金粉末在磁粉芯、磁性流體、黏結磁體等方面已有應用。
80年代中期，我國冶金部鋼鐵研究總院采用常規霧化工藝，研制成功M80S20和FCP兩種鐵基非品態合金粉末材料。1989年，上海鋼鐵研究所以非晶態帶材破碎球磨制得Fe47Ni29V2Si8B14粉末，用硅樹脂為黏結絕緣劑經壓制成形，制得高頻磁粉芯，用作光通訊的光端機高頻扼流圈。
