粉末冶金概論-燒結(jié)新工藝

1、1粉末冶金概論粉末冶金概論 張修慶張修慶 E-mail: E-mail: 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：642526016425260113817045736 機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)1.1.微波燒結(jié)技術(shù)微波燒結(jié)技術(shù) 微波燒結(jié)是通過被燒結(jié)粉體吸微波燒結(jié)是通過被燒結(jié)粉體吸收微波，將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化成收微波，將電磁波能量直接轉(zhuǎn)化成物質(zhì)中粒子的能量，使其內(nèi)部產(chǎn)生物質(zhì)中粒子的能量，使其內(nèi)部產(chǎn)生熱而燒結(jié)的方法。它熱效率高，可熱而燒結(jié)的方法。它熱效率高，可急速升溫縮短燒結(jié)時間，加上微波急速升溫縮短燒結(jié)時間，加上微波與粒子間的交互作用，降低了

2、粒子與粒子間的交互作用，降低了粒子間的活化能，加速材料的致密化。間的活化能，加速材料的致密化。它比傳統(tǒng)電爐以熱傳導(dǎo)、熱對流和它比傳統(tǒng)電爐以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的外部加熱方式有更高的效熱輻射的外部加熱方式有更高的效率。避免了外部加熱由于內(nèi)外溫度率。避免了外部加熱由于內(nèi)外溫度梯度而造成燒結(jié)體裂痕或大幅度變梯度而造成燒結(jié)體裂痕或大幅度變形等缺陷。形等缺陷。 雙頻微波燒結(jié)爐雙頻微波燒結(jié)爐粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)1.1.微波燒結(jié)技術(shù)微波燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)用大型微波燒結(jié)爐生產(chǎn)用大型微波燒結(jié)爐 已燒結(jié)成多種材料：已燒結(jié)成多種材料：如陶瓷和鐵氧體等材料。如陶瓷和鐵氧體等材料。另外，在日本又開發(fā)出另外，

3、在日本又開發(fā)出相似的毫米波燒結(jié)技術(shù)，相似的毫米波燒結(jié)技術(shù)，并成功地在并成功地在2023K下保下保溫溫1h燒結(jié)成全致密的燒結(jié)成全致密的AlN材料。材料。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） 放電等離子燒結(jié)是將金放電等離子燒結(jié)是將金屬等粉末裝入由石墨等材質(zhì)屬等粉末裝入由石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi)，利用上、下制成的模具內(nèi)，利用上、下模沖和通電電極將特定燒結(jié)模沖和通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加在燒結(jié)電源和壓制壓力施加在燒結(jié)粉末。經(jīng)放電活化、熱塑變粉末。經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻階段完成制取高性形和冷卻階段完成制取高性能材料或制件的一種方法。能材料或制件的一

4、種方法。它是粉末冶金的一種新的燒它是粉末冶金的一種新的燒結(jié)技術(shù)，是將電能和機(jī)械能結(jié)技術(shù)，是將電能和機(jī)械能同時賦于燒結(jié)粉末的一種新同時賦于燒結(jié)粉末的一種新工藝。工藝。SPS燒結(jié)原理示意圖燒結(jié)原理示意圖粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） SPS原理是利用強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒上產(chǎn)生的諸多原理是利用強(qiáng)脈沖電流加在粉末顆粒上產(chǎn)生的諸多有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)：有利于快速燒結(jié)的效應(yīng)：1）由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場）由于脈沖放電產(chǎn)生的放電沖擊波以及電子、離子在電場 中反方向的高速流動中反方向的高速流動, 可使粉末吸附的氣體逸散可使粉末吸附的氣

5、體逸散, 粉末表粉末表 面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿面的起始氧化膜在一定程度上可被擊穿, 使粉末得以凈使粉末得以凈 化、活化化、活化;粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）2）由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生）由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生, 在粉末顆粒未接觸在粉末顆粒未接觸 部位產(chǎn)生的放電熱部位產(chǎn)生的放電熱, 以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱以及粉末顆粒接觸部位產(chǎn)生的焦耳熱, 都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散都大大促進(jìn)了粉末顆粒原子的擴(kuò)散, 其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱其擴(kuò)散系數(shù)比通常熱 壓條件下的要大得多壓條件下的要大得多,而達(dá)到粉末燒結(jié)的快速化而達(dá)到

6、粉末燒結(jié)的快速化;3）快速脈沖電流的加入）快速脈沖電流的加入, 無論是粉末內(nèi)的放電部位還是焦耳無論是粉末內(nèi)的放電部位還是焦耳 發(fā)熱部位發(fā)熱部位, 都會快速移動都會快速移動, 使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。使粉末的燒結(jié)能夠均勻化。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比，與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝相比，SPS工藝的特點是：工藝的特點是： 粉末原料廣泛：各種金屬、非金屆、合金粉末，特別是活性大的各種粉末原料廣泛：各種金屬、非金屆、合金粉末，特別是活性大的各種粒度粉末都可以用作粒度粉末都可以用作SPS 燒結(jié)原科。燒結(jié)原科。 成形壓力低：成形壓力低：

7、SPS燭結(jié)時經(jīng)充分微放電處理，燒結(jié)粉末表面處于向度活燭結(jié)時經(jīng)充分微放電處理，燒結(jié)粉末表面處于向度活性化狀態(tài)為此，其成形壓力只需要冷壓燒結(jié)的性化狀態(tài)為此，其成形壓力只需要冷壓燒結(jié)的l/101/20。 燒結(jié)時間短：燒結(jié)小型制件時一般只需要數(shù)秒至數(shù)分鐘，其加熱速度燒結(jié)時間短：燒結(jié)小型制件時一般只需要數(shù)秒至數(shù)分鐘，其加熱速度可以高達(dá)可以高達(dá)106/s，自動化生產(chǎn)小型制件時的生產(chǎn)率可達(dá)，自動化生產(chǎn)小型制件時的生產(chǎn)率可達(dá)400件件/h。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） 采用石墨模具，成本低，加工方便。采用石墨模具，成本低，加工方便。 大氣下燒結(jié)：電火花燒結(jié)時

8、一般是在大氣下進(jìn)行，甚至高大氣下燒結(jié)：電火花燒結(jié)時一般是在大氣下進(jìn)行，甚至高 活性鈹制件也可以在大氣下燒結(jié)?；钚遭斨萍部梢栽诖髿庀聼Y(jié)。 脈動電源，通常采用的足直流與交流疊加的脈動電源。脈動電源，通常采用的足直流與交流疊加的脈動電源。 節(jié)約能源，熱效率高，耗電量只相當(dāng)于電阻燒結(jié)的節(jié)約能源，熱效率高，耗電量只相當(dāng)于電阻燒結(jié)的1/10。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPSSPS可可加加工工材材料料粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS技術(shù)制備梯度功能材料技術(shù)制備梯度功能材料 通過通過SPS技術(shù)可以制

9、造陶瓷技術(shù)可以制造陶瓷/金屬、聚合物金屬、聚合物/金屬以及其他耐熱梯度、金屬以及其他耐熱梯度、耐磨梯度、硬度梯度、導(dǎo)電梯度、孔隙度梯度等材料。梯度層可到耐磨梯度、硬度梯度、導(dǎo)電梯度、孔隙度梯度等材料。梯度層可到10多多層。層。 美國國立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和機(jī)械工程實驗室與日本國際貿(mào)易工業(yè)部門美國國立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和機(jī)械工程實驗室與日本國際貿(mào)易工業(yè)部門合作合作, 共同開發(fā)了高效發(fā)動機(jī)用的大尺寸耐熱、高強(qiáng)梯度材料。現(xiàn)已能批共同開發(fā)了高效發(fā)動機(jī)用的大尺寸耐熱、高強(qiáng)梯度材料。現(xiàn)已能批量生產(chǎn)量生產(chǎn) 150, 厚厚15, 11層的層的ZrO2 梯度材料。采用的梯度材料。采用的SPS工藝參數(shù)工藝參數(shù)是是: 壓力

10、壓力2040MPa, 溫度溫度12431293, 升溫速率升溫速率50K/Min, 真空度真空度10Pa。 采用采用SPS燒結(jié)得到了兩頭分別是燒結(jié)得到了兩頭分別是100%的玻璃與的玻璃與100%的的304不銹鋼不銹鋼, 而而中間呈中間呈4層的梯度材料。燒結(jié)溫度層的梯度材料。燒結(jié)溫度1073,保持時間保持時間15Min, 真空下進(jìn)行。真空下進(jìn)行。 粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS技術(shù)制備電磁材料技術(shù)制備電磁材料 通過通過SPS技術(shù)可以制造技術(shù)可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系熱電轉(zhuǎn)系熱電轉(zhuǎn)換元件換元件,以及廣泛用于電

11、子領(lǐng)域的各種功能材料以及廣泛用于電子領(lǐng)域的各種功能材料, 如超導(dǎo)材料、磁如超導(dǎo)材料、磁性材料、靶材、介電材料、貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池性材料、靶材、介電材料、貯氫材料、形狀記憶材料、固體電池材料、光學(xué)材料等。材料、光學(xué)材料等。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS制備軟磁材料制備軟磁材料 通常用急冷或噴射方法可得到通常用急冷或噴射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)的非晶合金的非晶合金,在稍高于晶化溫度處理后在稍高于晶化溫度處理后, 可得到晶粒數(shù)可得到晶粒數(shù)10，具有體心立方結(jié)構(gòu)，具有體心立方結(jié)構(gòu)，高高Bs 、磁損小的納米晶材料。但非晶

12、合金目前只能是帶材或粉末、磁損小的納米晶材料。但非晶合金目前只能是帶材或粉末, 制制作成品還需要將帶材重疊和用樹脂固結(jié)作成品還需要將帶材重疊和用樹脂固結(jié), 這使得成品的密度和這使得成品的密度和Bs均變低。均變低。近年近年, 日本采用日本采用SPS工藝研究工藝研究FeMe塊材的成形條件及磁性能。塊材的成形條件及磁性能。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） 用用SPS制取塊狀納米晶制取塊狀納米晶Fe90Zr7B3軟磁的過程是軟磁的過程是: 先將由非晶薄先將由非晶薄帶經(jīng)球磨制成的帶經(jīng)球磨制成的50150非晶粉末裝入非晶粉末裝入WC/Co合金模具內(nèi)合金模具內(nèi)

13、,并并在在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)(真空度真空度110-2Pa以下、升溫速度以下、升溫速度0.091.7K/s、溫度溫度673873、壓力、壓力590MPa), 再把所得的燒結(jié)體在再把所得的燒結(jié)體在110-2Pa真空下、以真空下、以3 7K/s速度加熱到速度加熱到923、保溫后而制成。材料顯示較、保溫后而制成。材料顯示較好的磁性能：最大磁導(dǎo)率好的磁性能：最大磁導(dǎo)率29800、100下的動態(tài)磁導(dǎo)率下的動態(tài)磁導(dǎo)率3430, 矯頑力矯頑力12/。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） SPS制備塊狀納米晶制備塊狀納米晶FeMeB系永磁材料系永磁材料 日

14、本開展了用日本開展了用SPS 制備制備Fe66Co20Nd2Pr7B5異向性永磁的研究。將急異向性永磁的研究。將急冷制作的非晶薄帶球磨成冷制作的非晶薄帶球磨成37105的粉末的粉末, 裝入裝入WC/Co合金模具內(nèi)合金模具內(nèi), 在在SPS燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)燒結(jié)機(jī)上燒結(jié)(壓力壓力374636MPa, 溫度溫度673873), 然后將燒結(jié)然后將燒結(jié)體在真空體在真空110-2Pa下、于下、于973進(jìn)行進(jìn)行180s處理。結(jié)果表明處理。結(jié)果表明: 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度873、壓力、壓力636MPa時時, 燒結(jié)體的相對密度達(dá)燒結(jié)體的相對密度達(dá)97 6%98 4%。經(jīng)磁性測定。經(jīng)磁性測定表明表明, 燒結(jié)加壓方向的最大磁

15、能積比平行方向的要大燒結(jié)加壓方向的最大磁能積比平行方向的要大,并且隨著并且隨著SPS燒結(jié)燒結(jié)溫度和壓力的升高溫度和壓力的升高, 異向性增加。異向性增加。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） 日本還研究了用作交換彈簧永磁日本還研究了用作交換彈簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6塊狀納塊狀納米晶材料的研究。采用米晶材料的研究。采用SPS工藝工藝, 將急冷制取的薄帶燒結(jié)成將急冷制取的薄帶燒結(jié)成塊材。試驗結(jié)果表明塊材。試驗結(jié)果表明: 采用壓力采用壓力940MPa、溫度、溫度948K、保溫、保溫1Min的的SPS工藝可得到很好的磁性工藝可得到很好的磁性: Br=

16、1.02T, Hcj=461kA/, (BH)=122kJ/m3, Hk/Hcj=30%,=7.67g/cm3。在。在3731加熱條件下加熱條件下, 材料的不可逆磁損只有材料的不可逆磁損只有4%, 與與MQP-B粘粘結(jié)磁體大致相同。結(jié)磁體大致相同。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS） SPS制備制備BaTiO3高介電材料高介電材料 日本報道了將日本報道了將BaTiO3粉末裝入石墨模具內(nèi)粉末裝入石墨模具內(nèi),采用采用SPS工藝工藝(加壓加壓39MPa, 通入電流通入電流4000, 溫度溫度1373, 時間時間3Min)制成的燒結(jié)體制成的燒結(jié)體, 其其密度

17、可達(dá)密度可達(dá)5.82g/cm3, 達(dá)到理論密度的達(dá)到理論密度的97%, 而采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法只而采用傳統(tǒng)燒結(jié)方法只能達(dá)到能達(dá)到88%; SPS燒結(jié)體的晶粒尺寸基本上為燒結(jié)體的晶粒尺寸基本上為0.5, 而傳統(tǒng)燒結(jié)時而傳統(tǒng)燒結(jié)時為為11.5。SPS燒結(jié)體的介電系數(shù)達(dá)到燒結(jié)體的介電系數(shù)達(dá)到6200, 而傳統(tǒng)燒結(jié)僅能達(dá)而傳統(tǒng)燒結(jié)僅能達(dá)到到2400。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金 在日本在日本SPS首先投入批量生產(chǎn)的是硬質(zhì)合金。首先投入批量生產(chǎn)的是硬質(zhì)合金。 住友石炭礦業(yè)株式住友石炭礦業(yè)株式會社已在北海道建立了會社已在

18、北海道建立了SPS生產(chǎn)超級硬質(zhì)合金的示范工廠生產(chǎn)超級硬質(zhì)合金的示范工廠, 并形成并形成TC系列產(chǎn)品。下表列出系列產(chǎn)品。下表列出TC10、TC20以及無鈷以及無鈷TC00合金的性能。合金的性能。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS技術(shù)生產(chǎn)精細(xì)陶瓷技術(shù)生產(chǎn)精細(xì)陶瓷 由于由于SPS脈沖放電特有的燒結(jié)效應(yīng)脈沖放電特有的燒結(jié)效應(yīng), 可廣泛燒結(jié)各種氧化物、氮化可廣泛燒結(jié)各種氧化物、氮化物、硅化物、碳化物、硼化物等。物、硅化物、碳化物、硼化物等。SPS燒結(jié)的燒結(jié)的Si3N4+Al2O3精細(xì)陶瓷精細(xì)陶瓷(環(huán)環(huán)形、圓筒形、圓柱、圓餅等形、圓筒形、圓柱、圓餅等)

19、作為耐熱耐磨材料已被廣泛應(yīng)用。作為耐熱耐磨材料已被廣泛應(yīng)用。SPS燒燒結(jié)可抑制晶粒長大、消除微孔和燒結(jié)不均勻性結(jié)可抑制晶粒長大、消除微孔和燒結(jié)不均勻性, 相對密度達(dá)到相對密度達(dá)到99%100%, HV達(dá)到達(dá)到20GPa以上。以上。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）高純、高密度高純、高密度SiC的燒結(jié)的燒結(jié) 采用采用SPS可使不含結(jié)合劑的可使不含結(jié)合劑的SiC燒結(jié)到燒結(jié)到99%以上的理論密度以上的理論密度,而采用傳統(tǒng)燒結(jié)法只能達(dá)到而采用傳統(tǒng)燒結(jié)法只能達(dá)到92%93%。SPS的燒結(jié)工藝為的燒結(jié)工藝為:溫度溫度2673、升溫和保溫時間、升溫和保溫時間7Min。下表列出在兩種燒結(jié)方法下。下表列出在兩種燒結(jié)方法下SiC陶瓷性能的比較。陶瓷性能的比較。粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)粉末冶金燒結(jié)新技術(shù)2.放電等離子燒結(jié)（放電等離子燒結(jié)（SPS）SPS技術(shù)制備多孔材料技術(shù)制備多孔材料 SPS不僅可在短時間內(nèi)使難燒結(jié)的材料致密化不僅可在短時間內(nèi)使難燒結(jié)的材料致密化, 而且通而且通過選擇合適的工藝參數(shù)過選擇合適的工藝參數(shù)(主要是壓力主要是壓力)，還可制取理想的多，還可制取理想的多孔材料。近年日本用金紅石、切削鑄鐵粉、