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粉末冶金新材料一览

日期: 2019-12-06
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(1)粉末冶金高速钢


传统熔炼铸造法制造的高速钢,其钢锭不可避免会产生合金成分不均和粗大莱氏体偏析,这已成为其组织结构的瘤疾,长期困扰着冶金学家。正是粉末冶金工艺成功解决了传统冶金工艺这一问题,消除了宏观偏析,使晶粒细化,性能显著提高且各向同性,为生产超高合金含量高速钢提供了可行途径。1965年,美国Crucible Materials公司发明粉末冶金高速钢,1971年投产,年产量1200t,以CPM(Cracible Particle Metallurgy)系列共10余个牌号销售。瑞典Soderfors公司是世界上生产这种钢材的最大厂家之一,其气雾化一热等静压生产线于1970年投产。1994年,法国高速钢公司(Erasteel)所属瑞典Soderfors厂采用钢包精炼法(Electro-Slag-Heating,ESH)对气雾化前钢液进行精炼,将非金属夹杂减少90%,获得高纯净钢,进一步提高了粉末冶金高速钢的质量。


粉末冶金高速钢优良的组织和性能,得益于快速凝固制粉与热等静压、热挤压致密化工艺的结合。粉末冶金法能够生产常规冶金法难以和不能生产的高合金、富碳化物高速钢。粉末冶金高速钢中的合金总量高达30%以上仍具有均匀的组织;钒含量高达9.8%时可磨削性仍然良好。这一成分设计准则也可应用于其他高合金工具钢。此外,粉末治金工艺允许加入硫来提高高速钢的可磨削性,而不降低其力学性能。


粉末冶金高速钢用于制造工具,主要是模具和异形刀具,特别适于切削加工韧性溶硬钢、耐热高合金钢、奥氏体不锈钢、镍基高温合金、钛铝合金等,是航空工业用于切削加工难加工的高温合金和钛合金的优秀刀具材料。此外,还用来制作高强度、耐磨损和抗疲劳的结构零件,如汽车内燃机配件和飞机发动机轴承。美国粉末冶金高速钢的用量已超过熔炼高速钢。


(2)稀土永磁


稀土永磁合金是稀土金属(Sm、Nd、Pr等,以R表示)与过渡金属(Co、Fe等,以TM表示)形成的一类高性能永磁材料。通常将1967年出现的SmCo5(1-5型)、1977年出现的Sm2TM17(2-17型)和1983年出现的Nd-Fe-B分别称作第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。其最大磁能积(BH)max分别为:


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(铷铁硼),最大磁能积(BH)max。可达280kJ/m3(35MGOe)。Nd-Fe-B系永磁材料号称永磁之王,90年代最大磁能积(BH)max 实验室水平达416 kJ/m3(52MGOe)。1993年开发的超高性能的Nd-Fe-B永磁材料,其(BH)max达431 kJ/m3(54.2MGOe)。


Nd-Fe-B永磁主要用于各种电机、起动机、音响设备、核磁共振成像、磁悬浮、波束控制、机器人、测量仪表、办公机械、传感器、磁耦合轴承和继电器等。


1969年,我国开始第一代稀土永磁的研究开发工作,20世纪80年代初已能批量生产第一代和第二代稀土永磁体,用于行波管等高级磁性器件。1983年底,钢铁研究总院研制成功Nd-Fe-B材料,其最大磁能积(BH)max 达240kJ/m3左右,1987年将(BH)max。提高到415kJ/m3以上。


(3)粉末冶金高温合金


粉末冶金高温合金(或称粉末超合金)是制造高推比新型航空发动机零部件的最佳材料。粉末冶金高温合金与传统铸锻合金相比,其晶粒细小,组织均匀,无宏观偏析,合金化程度高,屈服强度高,疲劳性能高,加工性能好。粉末冶金方法可以实现近终形工艺成形,因而节约材料,成本低。粉末冶金高温合金主要用于制造航空发动机的涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严环、导风轮及涡轮盘高压挡板等高温承力转动零件。在粉末冶金高温合金领域开展研究的有美国、俄国、英国、法国、德国、加拿大、中国、日本、意大利、瑞典以及印度等国,其中,美国、俄罗斯处于领先地位。


1969年,M M Allen首先用粉末冶金方法生产Astroloy高温合金。1970年,S M Reichman研究低碳In-100粉末冶金高温合金,获得超塑性;1972年美国Pratt-Whiney飞机公司以其制造F-100发动机使用的压气机盘和涡轮盘等11个部件,装在F15、F16飞机上。P&W公司仅以粉末冶金涡轮盘和凝固涡轮叶片两项重大革新,就使F-100发动机的推重比达到8的世界先进水平。至1984年,该公司使用粉末高温合金盘已超过3万件。1988年,GEGE公司研制出第二代粉末冶金高温合金Rene88DT。此后,在美国军用及民用飞机土,均使用Rene88DT粉末盘。1997年,P&W公司以DT-PIN100合金制造双性能粉末盘,装在第四代战斗机F22的F119发动机上。


前苏联的研究工作始于20世纪60年代末,1978年,正式在军用航空发动机上使用粉末冶金高温合金涡轮盘。80年代末研制出IIC-90A民用航空发动机盘件,至1993年已累计生产各类粉末高温合金盘件2.5万个,至1995年装机使用盘、轴类件总数已超过4万件。


(4)粉末冶金高强度铝合金


早在20世纪40年代中期,美国铝工业公司(Alcoa)便开始进行烧结铝的研究。1952年,该公司开发了第一代粉末冶金铝合金材料(SAP)。这是一种Al-Al2O3,弥散强化型合金,具有优异的高温强度和热稳定性。


70年代出现的快速凝固技术、机械合金化技术和复合技术,促成粉末冶金高强度铝合金问世,并在80年代得到迅速发展。快速凝固和机械合金化使铝合金产生质的飞跃,其组织明显细化,基本消除偏析,合金成分设计范围大大扩展,抗拉强度、弹性模量、耐腐蚀性和疲劳性能全面提高,特别是断裂韧性与强度兼顾得较好。快速凝固工艺可获得亚稳相,析出细小的弥散体,这是铸锭冶金技术所无法实现的。


出于宇航工业的需要,美国、前苏联、英国、原联邦德国、日本、法国等多个国家对快速凝固铝合金进行了研究和开发。美国快速凝固铝合金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飞机机翼使用7091合金后重量减轻了116kg。美国Alcoa公司将快速凝固7090合金用于制造波音757-200飞机主起落架梁撑杆和主起落架舱门的绞链、动筒配件、底座、齿轮等传动装置,减重15%。


快速凝固耐磨铝硅合金在日本和德国已获应用。日本80年代开始采用快速凝固Al-Si合金粉末制造汽车发动机阀门弹簧座和连杆,相应构件的重量减轻60%和30%,体发动机速度大为提高。住友电工采用快速凝固高硅Al合金制造汽车空调压缩机转子和叶片,使整个压缩机减膏40%。1997年,德国PEAK公司开始批量生产过共晶Al-Si合金棒坯,最大尺寸Φ300mm×2500mm。棒坏经加工制励Benz最新一代V8和V12发动机汽缸衬套。


(5)粉末冶金金刚石-金属工具材料


粉末冶金技术于20世纪20年代进人金刚石工具制着业,逐步取代机械卡固法和青铜浇铸嵌镶法而占据主导的位。以粉末冶金法制造金刚石-金属工具,工艺简便,成本低,效率高,产品质量优良。1930年,以粉末冶金工艺(混合-压制-烧结)制造的金刚石砂轮和锯片诞生,并迅速在硬质材料加工中广泛应用。20世纪30年代末期,粉末冶金浸渍法制造的金刚石地质钻头投入应用。40年代,大型复杂型面金刚石石油钻头出现,在地质、石油硬地层钻探中易示出威力。


1953年和1954年,瑞典和美国成功合成金刚石。人造金刚石粒度较细,适合制造磨具的要求,但机械卡固无法将工具成形。以粉末冶金法制造人造金刚石工具,是粉末冶金技术对金刚石工业再一次推动。粉末冶金人造金刚石工具包括:砂轮修整工具,金属研磨工具,拉丝模,石油和地质钻头,建筑工程施工工具,半导体加工工具,以及石材、玉器、玻璃和陶瓷加工工具等。


高温高压烧结金刚石聚晶体(PCD,polycrystallinity diamond)的出现,结束了磨料级金刚石限于制作磨具的历史,是金刚石工具业一项重大成就。烧结聚晶体的综合力学性能优于天然金刚石,它不存在解理面,性能各向同性,耐冲击性较好,而且,使金刚石加工中产生的大量金刚石微粉得到利用。金刚石复合片即烧结金刚石聚晶/硬质合金复合体,由金刚石聚晶体层复合在硬质合金基体上构成,具有良好的综合性能。


人造金刚石聚晶体出现于20世纪60年代,1964年美国GE公司Da Lai首次取得以金属黏结剂促使金刚石颗粒之间产生直接结合的美国专利。英国于1966年、前苏联于1967年报道了有关这方面的研究成果。1972年,美国GE公司公布并随后生产的Compax,是具有代表性的产品。我国郑州磨料磨具磨削研究所于1969~1971年对PCD进行了研制,1972年在国际上首次将PCD金刚石烧结体JRSN用于岩层锚进。1987年我国研制成功人造金刚石/硬质合金复合材料。


(6)纳米粉末材料


纳米材料包括纳米粉末材料、纳米多孔材料和纳米致密材料。纳米粉末微粒尺寸一般在1~100nm范围。对这一粒度范围粉末系的研究,可追溯到19世纪60年代胶体化学诞生的时候。20世纪40年代也有此粒度范围粉末的报道,只不过称为超细粉末,定义粒度范围为0.01~0.1μm(或以 Å 为度量单位)。1962年,久保发现金属超微粒子与宏观物体的热性质不同,提出久保效应。1963年出版的 H H H Auser所编的《New Types of Metal Powders》一书中介绍,用60kW电子束炉制备的铁、铝、镍、铜、铬、钾、钮和钨粉,其粒度小于0.5um。1984年,R Berringer和H Gleiter 等人采用情性气体蒸发与原位压制、烧结方法获得纳米晶金属块体,并首次提出纳米晶材料的术语,纳米粉末材料作为一种工程材料才正式登上科技舞台。在1990年召开的首届世界纳米科学技术学术会议上,正式提出将纳米材料科学列为材料科学的一个新的分支。90年代研究工作取得进展,应用逐渐增加。


制取纳米材料有多种方法,粉末冶金法是常用的一种。


采用机械合金化技术制取纳米品材料,能合成许多采用熔体快淬、蒸发冷凝等技术不能获得的新型合金材料,而且,工艺简单,生产效率高,实用化可能性大。将纳米级粉末通过在过冷液相区进行烧结制成块体材料,其关键是防止纳米晶粒在烧结过程中长大。热压、热等静压、反应热压、微波烧结、放电等离子体烧结、等离子体活化烧结以及激光烧结,是已被采用的烧结技术。


纳米颗粒的尺度处于原子、分子、原子团簇与宏观物体(包括大于100mm的粉末颗粒)的过渡段,其性态既不同于分子和原子等微观粒子,又与宏观物体差别很大。纳米颗粒具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而具有某些独特的性质。这些性质在催化、滤光、光吸收、储氢、传感、磁介质、医疗、保健以及结构材料、工具材料等方面,有着喜人的应用前景。纳米粉末材料的开发,拓展了粉末冶金材料的领域。


(7)非晶态合金粉末材料


非晶态合金亦称玻璃态合金。这一类金属和合金的原子结构不是长程有序,而是处于原子无序的液态“冻结”状态。制取非晶态合金的最早工作是JKramer进行的,他于1934年和1937年报道以蒸发沉积法成功制取非晶态合金。1950年,A Brenner等人用电沉积法制成Ni-P非晶态合金。1958年,R B Pond的熔体快淬-破碎法获得美国专利。1960年,加利福尼亚理工学院P Duwez等人直接将熔融金属喷雾淬火制成非晶态合金Au70Si60。1969年,宾夕法尼亚大学采用圆筒离心急冷法,1970年哈佛大学采用双辊法获得非晶态合金带材。此后,以快速凝固技术制取非晶态合金引起人们高度重视。1973年,美国Allied公司首先将非晶态合金带材商品化。20世纪80年代,非晶态合金成为材料学界热点开发项目之一,人们对其制取技术和应用进行了大量的研究。


非晶态合金材料的价值在于其独特的性能,包括磁性能、电性能、力学性能和耐腐蚀性能。非晶态合金粉末材料主要用作磁性材料,还可用作耐磨材料、耐蚀材料、结构材料、涂层材料、钎焊材料、储氢材料、金刚石工具黏结剂和催化剂等。1978年,Alcoa公司以热压法制造出MA87铝合金坯块,经轧制后锻成飞机零件。1982年,R Ray 用Ni53Mo36Fe9B2非晶态合金粉末材料采取反玻璃化措施制成微晶合金,以其制成铝合金铸造模寿命比H13钢高1倍。1984年,美国Allied公司已有非晶态合金粉末材料产品上市:低频用铁基非晶磁粉芯PS-21和1~50Hz用镍基非晶磁粉芯PMB-1。20世纪80年代,非晶态合金粉末在磁粉芯、磁性流体、黏结磁体等方面已有应用。


80年代中期,我国冶金部钢铁研究总院采用常规雾化工艺,研制成功M80S20和FCP两种铁基非品态合金粉末材料。1989年,上海钢铁研究所以非晶态带材破碎球磨制得Fe47Ni29V2Si8B14粉末,用硅树脂为黏结绝缘剂经压制成形,制得高频磁粉芯,用作光通讯的光端机高频扼流圈。


END


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