合金粉末的生产与应用

1前言 
在粉末冶金烧结制品的生产中,单一的纯金属粉末的实用价值较小,因为*终谋求的往往是被强化了 的和性能独具的合金制品。早先生产粉末冶金合金制品的方法多是按化学成分要求,以纯金属粉末 配比进行混合,借助于烧结产生合金化.但这种工艺,混料不易保证成份均匀,烧结也不易完全合 金化,*终造成烧结制品的性能不够理想。直接采用成分均匀的合金粉末无疑是无此弊端。于是, 如何制备成分复杂的高质t合金粉末就成为粉末冶金技术进一步发展的关键问题之一。随着科学技 术的进步,特别是到60年代之后,各种制取合金粉末的方法相继间世,工艺技术和设备装置日臻 完善,使合金粉末的生产及其应用迅速发展。本文旨在系统评介合金粉末的生产工艺和主要的典型产品种类、特性及其应用。

2合金粉末的生产工艺

2.1机械破碎法

这是一种既简单原始,但迄今又不失为具有先进性的合金粉末生产方法。其原理是将既得的合金物料 ,例如合金铸造碎块或成护形的合金碎屑单纯以机械力将其粉碎成所需粒度的合金粉末。工艺过程 的主要目的是减小物料的顺粒尺寸.在机械破碎过程中,物料处于强烈搅动和翻滚的碾磨球之间受 到冲击力、碾磨力、剪切力、压力或物料自身彼此间剧烈碰撞力的作用而不断地发生变形、破碎和 冷焊接.这种方法*适用于一次性生产脆硬的合金粉末,通常又分为球磨法,冷流冲击法和流态化床气流磨法等。球磨法是将合金物料和碾磨介质球混合装入球磨机内进行长时间研磨。球磨机的种类很多,计有翻滚 式、振动式、碾磨式和高能球磨式等。球磨效果主要取决于碾磨球和粉料的密度、翻滚速度、振动 幅度和磨粉时间。一般上列因素值越大,效果越好。碾磨介质球的材料、尺寸和表面粗糙度应视工 艺条件需要而定。例如,球磨坚韧的或脆硬的合金采用碳化钨硬质合金球。为了减少粉末顺粒间的 焊接力(或自粘力)作用,防止其团聚,可添加液体表面活性剂和润滑剂,例如乙醉。但这些液体添加剂不得腐蚀粉末或与之发生化学反粉未冶介二‘几应。冷流冲击法是将夹带合金物料的超音速高速气流喷射到位于喷嘴对面的固定硬质合金靶上,物料与靶 发生碰撞后被粉碎。将冲击室内的粉末空吸至粒度分级器内,过大尺寸的顺粒返回贮料峨,以便再 度喷射粉碎。载物的高速气流由硬质合金喷嘴喷射出来时,通过绝热膨胀产生一个强烈的冷却效应 。此效应所吸热量大于物料粉碎产生的热,故该制粉法可在室温下进行,适用于制取硬质合金、钨合金和工具钢等合金粉末.流态化床气流磨是一种技术先进、生产成本低廉的机械粉碎制取微细粉末的方法。物料颗粒在流态化 床内被压缩气体加速,由于高速的颖粒与顺粒碰撞而被徽粉化.在粉末冶金工业中对小于20产m 的微细金属与合金粉末的需求日益增长。例如注射成形所需的粉末原料就是其中之一,用t很大。 用一般方法生产如此细小粉末的成本是很昂贵的。德国Alpine公司推出了系列流态化床式气 流粉碎机,进粒粒度为200~2000拌m,粉碎产品粒度达3.5尸m以下,能耗比一般气流 磨降低30~40%,生产成本显著下降。例如,采用该公司的ZOoAFG型流态化床气 流磨生产Nd一Fe一B合金粉末,喂入原料粒度为300拜m,产品粒度簇3.5~4料m,生产率为30kg/h。机械破碎法生产合金粉末的缺点是:首先,所用原料多为铸锻合金,铸锭有可能因冷却速度缓慢而产 生成分偏析,因此微粉化后的粉末化学成分不够均匀;再者,强烈的机械力作用会造成合金内部结构产生崎变,并且粉末外表面易被污染,特别是氧的污染,使粉末纯度降低。

2.2部分预合金化法 

这是一种生产低合金钢粉末的优良方法,通过热处理工艺得到部分预合金化低合金钢粉末,其原理是 将高压缩性的水雾化铁粉或还原铁粉与微细的合金元素粉末混合均匀,经扩散热处理使合金元素粉 末粘结到铁粉上,产生扩散层,形成部分合金化。这种部分合金化粉末既保持了原始铁粉的高压缩性,又可使合金元素分布比较均匀,特别适合制造中高强度烧结钢结构零件.部分预合金粉末的合金元素以铜、镍和相为多,其含量分别为2%、2%和0.5%左右。元素粉末 粒度在40拜m以下.合金元素以金属氧化物的形式添加到铁粉中的效果更佳。金属氧化物在部分 合金化热处理时被还原,产生高活性的金属原子,从而有利于合金元素的粘结和扩散。例如,由金 属氧化物粉末制取的Fe一4Ni一1.SCu一0.SMn部分合金化粉的烧结强度比用纯合金 元素粉末制取的可提高15%。对于一些含锰、铬、钒、硅等与氧亲合力大的合金元素,因 其氧化后不易被还原,采用其微细母合金粉末(5~10拜m)的形式添加是可取的,但目前在实用上仍有困难。部分预合金粉末的质量与原始铁粉和合金元素粉末的性能密切相关,明显地受合金化热处理工艺条件 的影响.部分预合金粉末烧结钢结构零件的密度高,尺寸变化小,力学性能超过机械混合粉末烧结 钢的水平,可与水雾化完全预合金化的低合金钢粉末烧结制品相媲美。瑞典赫格纳斯公司首先推出的压staloy系列部分预合金粉末的品种和产量已得到较大发展。然而,由部分预合金化粉末制取的烧结钢中的合金元素分布仍然是不够均匀的,在原始粉末顺粒表面 和邻近孔隙表面区域的浓度高,在原颗粒内部的浓度低。因此,部分预合金粉末烧结钢的相变和组织结构是非常复杂的。这对于烧结钢结构零件的性能往往会有明显地影响。

2.3异化法 

使用雾化法生产金属粉末,*早开始于1882年德国制取蓄电池铅粉。1934年该国Manne smann氏mag公司率先采用高压空气雾化生产高碳铁粉。1965年美国A,0.1994 附2(总第20期)Smith公司又建成高压水雾化制取铁粉生产线。‘70年代初期,雾化技 术和装备有了长足的进步,雾化法成为生产完全合金化粉末的*佳方法,其产品称为预合金粉末。 这种方法的原理是,以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其它方式将合金液体破碎为细小液滴 ,继之冷凝为固体粉末。雾状的小液滴体积很小,与外界热交换又极为便利,于是在制粉过程中就 具备了快速凝固和快速冷却的条件,所得雾化预合金粉末的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀成分,而且消除了第二相的宏观偏析。雾化制粉法分“双流法气以雾化介质流破碎合金液流)和“单流法”(以其它方式破碎合金液流)两 种。前者的雾化介质采用气体(氦、氢、氮和空气)或液体(水和油);后者采用离心雾化或溶气真空雾化等。*广泛应用的是气雾化和水雾化法。雾化制粉时先用电炉或感应炉将金属原料熔炼为成分合格的合金 液体(一般过热100~150℃),然后将其注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间 包底部漏眼流出,通过喷嘴时与高速气流或水流相遇被雾化为细小液滴,雾滴在封闭的雾化筒内快 速凝固成合金粉末。通常惰性气雾化粉末呈球形,氧含量低(600PPm),须经退火 处理,具有很好的压缩性。这种雾化法易大批量工业化生产,但由于合金液与渣体和增涡接触,在 粉末中难免带入非金属夹杂物。因此,1991年8月瑞典著名的S配erfor,粉末公司根据 电渣重熔(ESR)原理,*将容量为7t的中间包改造成电渣加热(ESH)装置,把N:气 雾化高速钢粉末中的非金属夹杂物量减少到原有量的l/10,使ASP粉末冶金高速钢的抗弯强度由3500MPa提高至4000MPa以上。真正能完全有效地避免氧化物夹杂污染的措施是采用“单流”雾化法.例如,1974年首先由美国 核金属公司开发成功的旋转电极雾化制粉法。此法的工作原理示于图1。将合图1旋转电极行化制取合金粉末一电弧.2一合金粉末;3一旋转自耗合金电极;4一固定钨电极图2电子束旋转盘,化制取仓金粉末 1一自耗合金电极.2一电子束枪, 3一旋转盘,4一阅门;5一粉末收集器金原材料制成一个可高速旋转(15000~25000r/min)的自耗电极,由固定的钨阴极引起电弧使合金电极表面熔化,由此 形成的融熔合金被离心力抛出粉碎,液滴在飞行过程中被冷凝成球形合金粉末 。为了避免钨污染,可在钨电极处改用等离子炬,称为等离子旋转电极雾化制粉法(PREP), 改用电子束融熔合金,称为电子束旋转盘雾化制粉法(EBRD)(图2)。以上亦统称为离心雾化制粉法。旋转电极雾化制粉法的粉末粒度分布范围狭窄(50一500拜m),其平均粒度可由下式预测:3 .64厂a~~下厂V硒式中,d:液滴直径,。:旋转速度,r:表面张力,p:合金材料密度; D:自耗合金电极直径.这种方法生产的高洁净度粉末具有良好的成球性和光滑的表面质量,流动性好,能快速充填复杂形状的模具,保持接近“肠理论密度的稳定装填密度。另外还有一种叫做真空溶气雾化法,能生产高纯度球形合金粉末。其原理是:当在气压下被气体过饱 和的合金液体突然暴露到真空中时,溶解的气体将逸出而膨胀,致使合金液体雾化。 

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