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科普小课堂:现代粉末冶金材料发展现状

粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经由成形和烧结,制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。

 

粉末冶金技术具有明显节能、省材、机能优异、产品精度高且不乱性好等一系列长处,适合于大批量出产。此外,部门用传统锻造方法和机械加工方法无法制备的材料和难以加工的零件也可用粉末冶金技术来制备,故而备受产业界的正视。

 

一、传统粉末冶金材料

 

1 铁基粉末冶金材料

 

铁基粉末冶金材料是最重要的粉末冶金材料之一,特别是汽车行业的快速发展对铁基粉末冶金行业起了很大的推动作用。此外,诸如家用用具、农业机械、电动工具、体裁休闲器材等领域也广泛应用铁基粉末冶金零件本用途。表1 为常规铁基粉末冶金材料的用途。

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2 铜基粉末冶金材料

 

烧结铜基零件具有较好的耐蚀性、表面光洁及无磁性等长处。铜基材料主要有烧结青铜(锡青铜和铝青铜)、烧结黄铜、烧结镍银和烧结铜镍合金,此外还有弥散强化铜(如Cu-Al2O3)、烧结时效强化铜合金(Cu-Be、Cu-Be-Co 和 Cu-Cr 合金)以及用于减震的烧结 Cu-Mn合金。粉末冶金产业中铜的使用,可追溯到20世纪20年代。当时多孔性青铜含油轴承正在商品化,这些含油轴承是最早使用的多孔性粉末冶金零件。目前含油轴承占粉末冶金铜和铜合金应用的大部门,表2所列为烧结青铜含油轴承的应用情况。

 

铜基粉末冶金材料的其它重要应用还包括摩擦材料、电刷、过滤器、机械结构零件、电工零件、铁粉添加剂、催化剂、油漆和颜料等。

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3 难熔金属与硬质合金

 


(1)难熔金属

 

 

 

难熔金属(钨、钼、钽、铌等)及其合金、复合材料以其高熔点、高硬度、高强度等独特的物理与力学机能而广泛应用于国防军工、航空航天、电子信息、能源、防化、冶金和核产业等领域。

 

 

 

难熔金属钨最早用于白炽灯的灯丝,逐步发展成为硬质合金、钨铜触头材料、W-Ni-Fe、WNi-Cu高密度钨合金、钨单晶、钨丝、钨棒、钨材、钨板,形成了一个较为完整的钨制品体系。

 

 

 

钼用来作为发烧体、隔热屏、飞船蒙皮及导向片等。此外,具有很好高温机能的掺杂钼(HTM),其再结晶温度高达1800℃,即使在再结晶以后仍有一定的强度和塑性。钨、钼作为优异的高温炉发烧体、隔热屏、冶炼稀土用的坩埚和支撑件已得到广泛运用。大型钨、钼管以及钼电极、芯杆、料舟等已成功地取代铂在玻璃及玻纤行业中取得了巨大的社会经济效益。

 

 

 

钽、铌耐侵蚀,高温不乱性好,氧化膜电机能好,冷加工机能好,广泛用作电容器、合金钢和硬质合金的添加剂;铌合金具有良好的抗血液侵蚀能力,可制作血管支架。

 

 

 

(2)硬质合金

 

 

 

硬质合金是指以一种或多种难熔金属的碳化物(如碳化钨、碳化钛等)作为硬质相,用金属粘结剂作为粘结相,经粉末冶金技术制造出来的材料。硬质合金广泛用作切削刀具、矿用刀片和异型件,已成为现代产业部分和新技术领域不可缺少的工具材料,被誉为“现代产业的牙齿”。

 

 

 

以钴粘结的碳化钨基硬质合金是最典型的一类,于1926年由德国克虏伯公司首先出产。此外,钢结硬质合金也得到了快速发展,它最早于20世纪60年代初期在美国泛起,其组织特点是硬而耐磨的硬质相平均分布于钢基体中,钢基体赋予合金良好的加工特性,而硬质相则使合金的硬度和耐磨机能大幅度进步。因此,钢结硬质合金兼有硬质相和钢的长处,其综合机能处于普通硬质合金和钢之间。

 

 

 

大约在20年前,硬质合金产品主要是细、中、粗三种,之后亚微米晶粒硬质合金开始得到贸易化应用。约在1990年以后,超细晶粒硬质合金开始得到贸易化应用;与此同时,形成了纳米晶粒硬质合金的研究高潮。细晶粒硬质合金快速发展的原因是人们发现当WC 晶粒减小到亚微米尺寸后,硬质合金具有一些很好的使用机能。近年来,超粗晶粒硬质合金的研究逐渐开展,并已经有贸易化应用。此外,功能梯度硬质合金材料也得到了广泛关注。这类材料可分为成分梯度和结构梯度两类。成分梯度可以是粘结相成分梯度也可以是硬质相成分梯度;结构梯度主要是硬质相晶粒度梯度。

 

 

 

4 粉末冶金电工材料

 

 

 

在电器、仪表及电工技术中,广泛应用于各种分断和接通电路的电接触元件、电阻焊用的电极以及电机上用于转换电流的电刷。在无线电技术中,普遍使用各种难熔化合物制成的各种固定电阻器。在真空技术中使用各种电子管阴极制品、各种电加热元件和热电偶材料。以上这些材料经常采用粉末冶金技术制造,统称为粉末冶金电工材料。

 

 

 

1921年,Gebauer 首先研制成功 Ag-W 触头材料,但是直到20世纪30年代才得到产业应用,主要用于低压线路保护电器。粉末冶金Ag-W 合金和 Ag-Ni 合金分别于1935年和1939年问世。1940年泛起的粉末冶金 Ag-CdO 材料,以其优良的耐电磨损性和抗熔焊性获得广泛应用。真空电器的高速增长又促使其核心部件-真空电触头材料进一步发展。此外,因为石墨具有较好的润滑性和抗熔焊性,它不仅成为滑动型电触头材料的重要组成,而且也用来加入到其它系列的电触头以降低和避免熔焊的发生。

 

 

 

电触头材料可以由熔炼加工方法或者粉末冶金方法制取。单质金属和合金材料,如银、铜及贵金属等的金属和合金主要通过熔炼加工方法制取。而某些特殊的金属和合金,特别是大量的金属复合材料,则往往需要采用粉末冶金方法制取,如纯钨、钨合金、钨与银、铜组成的复合材料、多数的银基复合材料及含有石墨的复合材料等。

 

 

 

电刷是在电念头和发电机顶用来转换和传导电流的一类零件。除鼠笼式感应电机外,其它电机都要使用电刷。电刷是电机的重要组成零件,其质量的好坏直接影响电机的使用机能。按外形分,电刷主要有薄片、圆棒及圆筒三种形式。按成分及制造工艺和应用范围的不同,电刷材料又可以分为三类:石墨电刷、电化石墨电刷、金刚石-石墨电刷。

 

 

 

5 烧结摩擦与减摩材料

 

(1)摩擦材料

 

以进步摩擦磨损机能为目的,用于摩擦离合器与摩擦制动器的摩擦部门的材料称为摩擦材料。换句话说,摩擦材料是指积极利用其摩擦特性,用于摩擦离合器和摩擦制动器中,实现动力的传递、阻断、运动物体的减速、休止等行为所用的材料。摩擦材料是用于摩擦式离合器和制动器的枢纽材料。而离合器和制动器是作传递扭矩及制动用的,是保证机械和机器安全工作的重要部件。跟着机器的功率、速度和载荷增高,对摩擦材料提出了更高的要求。烧结摩擦材料按基体材料类型主要有铁基和铜基,其次是铁-铜基、镍基和钨基。在这些材料中,起粘结作用并使材料具有结构强度的基体金属组元分别为铁、铜、铁-铜、镍和钨。

 

用粉末冶金技术制造摩擦材料已有70多年的历史。1929年,施瓦尔茨科普夫首先提出用粉末冶金技术制造铜基摩擦材料。在中国,特别是在1965年后,粉末冶金摩擦材料的科研、出产得到了迅速发展。迄今,中国已有数十个具有一定出产规模的出产企业,年产摩擦制品约850万件,广泛应用于飞机、船舶、工程机械、农业机械、重型车辆等领域,基本知足了中国主要主机配套和引进设备摩擦片的备件供给和使用要求。

 

(2)减摩材料烧结

 

减摩材料是用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系数和高耐磨机能的金属材料或金属和非金属的复合材料。这种材料由一定强度的金属基体和起减摩作用的润滑剂所组成。因为粉末冶金方法可在较大范围内调整基体和减摩剂的成分及含量,这种材料具有良好的自润滑机能,因而其应用范围比一般锻造金属或塑料减摩材料广泛,能在缺油甚至无油润滑的干摩擦前提下,或在高速、高载荷、高温、高真空等极限润滑前提下工作。

 

烧结减摩材料可以分为多孔自润滑材料和致密减摩材料两大类。前者有各种含油轴承;后者有粉末铜铅轴瓦。在减摩材料开发方面,已研制出多孔含油轴承、双层多层轴承(套、瓦)、Ni-Cr-C和金属石墨材料(石墨)动密封材料、金属-塑性复合的自润滑减摩材料、碳化硼气体动压轴承材料以及高温真空自润滑轴承保持器材料等,它们广泛应用于航天、航空、电子、交通运输、各种仪器仪表、机械等领域。

 

二、提高前辈粉末冶金材料

 

1 信息领域用粉末冶金材料

 

粉末冶金软磁材料按材质分类,可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料。铁氧体软磁材料泛起较早,是一种只能用粉末冶金烧结方法制造的软磁材料。人们期望烧结软磁材料具有高的磁导率和饱和磁化强度或剩磁以及低的矫顽力,压粉磁芯或磁粉芯属于这一类材料。金属软磁材料主要是铁及其合金,其中有纯铁、磷铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金、铁铝合金和铁铝硅合金等。铁氧体软磁主要有锰锌、镁锌、镍锌铁氧体软磁材料。

 

磁记实的发展已有100多年的历史。但是用磁粉作为磁记实介质是从1941年才开始的。20世纪70年代以来,在改造原磁记实技术及材料的同时,开拓了新型磁记实材料及磁头材料,发展了磁记实技术,确定了磁泡存储器作为中等容量、机能不乱的存储器的地位。磁带和计算机数字存储用磁带及磁盘已成为一个巨大市场。它们是作为硬磁材料来应用的,但是与传统的硬磁材料不同,主要区别在于:这些材料不是主要以块材形式应用,而是作为粒子弥散在有机介质中,或者是沉积成膜状态使用。除了磁记实介质外,还有磁头材料。磁头的基本功能是与磁记实介质构成回路,对信息进行加工,包括记实(录音、录像、录文件)、重放(重读信息)、消磁(抹除信息)3种功能。用作磁头材料的磁性合金有钼坡莫合金、铝铁合金、铝硅铁合金;此外,镍锌铁氧体和锰锌铁氧体也广泛用作磁头材料。

 

与此同时,粉末冶金技术也是制造高机能稀土永磁材料的主要技术途径,采用该技术制造的高机能钕铁硼、高温钐钴已在军民两大领域获得广泛应用;我国已成为世界上最主要的稀土永磁材料出产国。

 


2 能源领域用粉末冶金材料

 

能源材料是指那些正在发展的、可能支撑新能源体系的建立,知足各种新能源以及节能新技术所要求的一类材料。按使用目的可分为新能源材料、节能材料和储能材料。

 

氢能的储存是氢能应用的条件,进入20世纪90年代以来,很多国家对储氢材料的研究极为正视。例如,美国能源部在全部氢能研究经费中,大约有50%用于储氢技术。日本已将储氢材料的开发和利用技术列入1993~2020年的“新阳光计划”,其中氢能发电技术(高效分解水技术、储氢技术、氢燃料电池发电技术)一次投资就达30亿美元。目前具有实用价值的储氢合金材料主要有稀土系列、镁镍系列、钛铁系列、钛锰系列等。

 

电池包括一次电池、二次电池和燃料电池。其中一次电池主要有锌-锰电池、锌-汞电池、锌-银电池、锌-空气电池和锂电池。二次电池主要有铅酸蓄电池、铬-镍蓄电池、氢-镍蓄电池和锂离子电池等。燃料电池主要有氢-氧燃料电池,肼-空气电池等。其中大多数材料都是用粉末冶金方法制备的。以MHNi 电池为例,其正极材料是氢氧化镍,负极材料是储氢合金,电极基板材料是泡沫镍。

 

跟着石油、煤等天然资源的日益匮乏,核能已成为重要的清洁能源,各国竞相发展,10年以前全世界的核电已占总发电量的17%。然而,现在核电堆是热中子堆或中子反应堆(快堆)。

 

碳化硼中子俘获截面高,没有二次辐射污染,价格低廉,是常用的中子吸收材料。据统计,1965年前宣布的83个动力堆中使用碳化硼作控制材料的有43个,大约占50%;1971年前建立的282个动力堆中有123个使用碳化硼,约占43.6%。

 

新能源材料是发展新能源工业的核心和基础,其发展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的枢纽材料。当前的研究热门和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料。在这一系列材料研发中,粉末冶金制备技术据有十分重要的地位。

 

3 生物领域用粉末冶金材料

 

生物材料的研究及工业化对社会和经济的重大作用正日益受到各国政府、工业界和科技界的高度正视,已被很多国家列入高技术枢纽新材料发展计划。美国国防部将生物材料列入新材料发展规划中5种高技术枢纽材料之一。作为生物体部门功能或形态修复的材料称为生物医用材料,简称生物材料。生物医用材料对于拯救生命、救治伤残、进步人类的糊口质量具有重要的意义。

 

生物材料中的一些医用金属和合金,医用生物陶瓷就属于粉末冶金材料。金属及合金作为人工器官的修复和代用材料已有100多年的历史,应用最多的是治疗运动系统骨骼引起的疾病,如做人工关节、人工骨材料,还有用作牙科中的人工齿根、人工牙等其它硬组织材料,在整形外科中起着重要作用。目前所用的医用合金主要是不锈钢、钴基合金以及钛和钛合金。其中钛和钛合金具有良好的生物相容性,具有与人骨接近的弹性模量,抗疲惫,耐侵蚀,因而受到特别正视。

 

生物陶瓷是指具有特殊生理行为的一类陶瓷材料,这种材料可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部门,可望部门和整体地修复或替代人体的某些组织、器官,以增进其功能。所谓生物陶瓷的特殊生理行为是指生物陶瓷必需知足下述生物学要求:要与生物肌体相容,对生物肌体组织没有毒副作用、刺激、过敏反应,且不会使其突变、畸变和致癌等。生物陶瓷要具有一定的力学要求,不仅要有足够的强度和刚度,不发生灾害性的脆性断裂、疲惫、蠕变和侵蚀破坏等,而且要求其弹性形变应当和被替代的组织相匹配;能和人体其它组织相互结合,有优良的组织亲和性。

 

根据生理环境中所发生的生物化学反应,生物陶瓷可分为三种类型:一类是接近于生物惰性的生物陶瓷,如氧化铝、氧化锆及氧化钛陶瓷等,主要用于人工肩关节、膝关节、肘关节、足关节以及能够负重的骨杆和椎体人工骨;另一类是具有表面活性的生物陶瓷,如致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等;最后一类是可降解吸收的生物陶瓷,如类石膏陶瓷、磷酸钙陶瓷及铝酸钙陶瓷等。

 

4 军事领域用粉末冶金材料

 

粉末冶金材料对军事产业作出了巨大的贡献,在国防建设中有着巨大的潜力和竞争力。粉末冶金材料广泛用于航空航天产业、核产业和刀兵产业等军事领域。

 

(1)航空航天产业用粉末冶金材料

 

航空航天产业对材料机能的要求非常严格,除了要求材料具有尽可能高的不乱性和比强度外,通常还要求材料具有尽可能高的综合机能。

 

航空产业中所使用的粉末冶金材料,一类为特殊功能材料,如摩擦材料、减磨材料、密封材料、过滤材料等等,主要用于飞机和发念头的辅机、仪表和机载设备。另一类为高温高强结构材料,主要用于飞机发念头主机上的重要结构件。

 

作为高温高强结构材料的最典型的例子是采用粉末冶金方法制造的发念头涡轮盘和凝固涡轮叶片。1972年美国Pratt-Whitney 飞机公司在其制造的 F-100发念头上使用粉末涡轮盘等11个部件,装在 F15、F16飞机上。该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发念头的推重比达到世界提高前辈水平。至1984年,其使用的粉末冶金高温合金盘超过3万件。1997年,P&W 公司以 DT-PIN100合金制造双机能粉末盘,装在第四代战斗机F22的发念头上。

 

近年来,美国航空航天局 Glenn 研究中央的研究职员开发出一种Cu-Cr-Nb 粉末冶金材料,称为 GRCop-84,可用于火箭发念头的零件。这种新合金可在768℃(1282°F)高温下工作,并明显节省本钱。这种材料可用于制作发射地球轨道、地球至月球及地球至火星飞行器的液体燃料火箭发念头的燃烧室内衬、喷嘴及打针器面板等。

 

此外,在航天、航空产业中,高密度钨合金用于制造被称之为导航“心脏”的陀螺仪转子;并可作平衡块、减震器、飞机及直升飞机的升降控制和舵的风标配重块等;还用于自动驾驶仪及方向支架平衡配重块、飞机引擎的平衡锤、减压仓平衡块等。

 


(2)核产业用粉末冶金材料

 

因为核产业材料机能的特殊要求,有的只有用粉末冶金工艺才能知足,有的则是采用粉末冶金工艺具有更大的优胜性,因此,粉末冶金材料对于核产业有其独特的贡献。

 

例如,核产业采用的可裂变材料 U235在自然铀中的浓度只有0.71%,要达到反应堆和制造原枪弹要求的浓度,必需将U235和 U238分离开来,目前产业出产中大量采用的是气体扩散法,这种方法的枢纽在于制造扩散分离膜,用镍或氧化铝粉末通过粉末冶金工艺制造的扩散膜能知足其特殊要求。

 

此外,对于新一代核反应堆,为加强核安全,防止核泄漏的发生,采用粉末冶金工艺制备的钨基高密度合金的惯性储能装置,能在事故发生后没有任何动力的情况下维持3~5min的冷却轮回,从而为事故的处理赢得宝贵的应急时间,防止核反应堆烧穿发生核泄漏。钨合金还作为冷核试验的模拟材料,用于核弹及核反应堆设计参数的确定。

 

因为要求最有效地利用空间,军用核动力舰船的安全和核防护就显得更为重要。因此需要机能更好的锆、钼、钨材料。铌合金具有良好的抗海水侵蚀能力,经多年使用的铌合金件掏出时仍光亮如新,可制作水下装置,如潜艇测深用压力传感器、声纳探测器等。这些材料大多采用粉末冶金工艺制备。

 

此外,作为核反应堆慢化剂或反射层材料的金属铍或氧化铍,作控制材料用的碳化硼,作燃料芯块的氧化铀、氮化铀或弥散体型的元件,核燃料元件的包壳材料以及核废料的固化处理,目前大多采用粉末冶金工艺制备。

 

原枪弹、氢弹和中枪弹等核武器另一重要的杀伤力就是高能射线。而高密度物质对射线具有良好的屏蔽作用,与中子吸收物质配合使用可收到良好的作用。以前人们广泛采用铅作屏蔽材料,因铅的密度为11.3 g/cm3。而高密度钨合金的密度在17 g/cm3以上,因此它比铅对X 射线和γ射线的吸收能力更理想。对射线的屏蔽效果是铅的1.5 倍以上,且铅材质软,而钨合金硬度较高,是理想的核燃料储存器与防辐射的屏蔽材料。

 


(3)刀兵产业用粉末冶金材料

 

假如没有现代高密度材料制成的脱壳穿甲弹,目前世界上较提高前辈的 M1A1坦克和 T-80坦克可以在陆地上到处如入无人之地横冲直撞。

 

用高密度钨合金制成动力穿甲弹是粉末冶金用于军械方面的一个重要例子。高密度的钨合金 WNi-Fe 等系列合金,只有通过粉末冶金工艺、真空退火和旋转铸造方法制成穿甲弹芯,以达到密度、强度和韧性三位一体,才能有更好的穿甲机能。另外钨基合金材料也被应用到脆性炸弹装置上。难熔金属的很多化合物具有十分优良的综合机能,如高硬度、耐高温、耐磨和自增强等,是十分优良的装甲材料,并已在坦克、武装直升机、运兵车和防弹衣中得到应用。跟着科学技术的发展,对材料也提出了日益苛刻的要求,在传统材料已越来越不能知足这些新需求的今天,难熔材料却越来越显示出它独特的优胜性,在刀兵顶用作侵彻弹、集束炸弹、导弹战斗部、穿甲弹、易碎弹、电磁炮、磁爆弹、射线武器屏蔽、装甲材料等。

 

目前军事部分的爱好也集中在把粉末冶金钢预成形件锻成近成形的武器部件和高机能的齿轮。早在30年前,人们就用 AISI4640粉末冶金预件铸造0.5口径的M85机枪加速器。此外,大量武器零件更相宜用粉末冶金方法制造,特别是近年来迅速发展起来的粉末打针成形技术,在大批量制造外形复杂的中小型零件方面具有很大的上风,有的已用于航空、枪械零件的制造。该技术的发展将大大拓宽粉末冶金在军工高技术领域的应用。

 

我国采用稀土永磁发电技术制造出用于车辆化野营装备的1.5kW 超静音电机,比传统发电机的效率进步很多,质量却减轻了30%,较好地知足了安全可靠、低噪音的野战化需求。表3所列为粉末冶金工艺、材料在军事产业中的应用举例。科普小课堂:现代粉末冶金材料发展现状

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点击次数:  更新时间:2020-01-08 23:47:08  【打印此页】  【关闭
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