1前言 
在粉末冶金燒結(jié)制品的生產(chǎn)中,單一的純金屬粉末的實用價值較小,因為*終謀求的往往是被強化了 的和性能獨具的合金制品。早先生產(chǎn)粉末冶金合金制品的方法多是按化學成分要求,以純金屬粉末 配比進行混合,借助于燒結(jié)產(chǎn)生合金化.但這種工藝,混料不易保證成份均勻,燒結(jié)也不易完全合 金化,*終造成燒結(jié)制品的性能不夠理想。直接采用成分均勻的合金粉末無疑是無此弊端。于是, 如何制備成分復雜的高質(zhì)t合金粉末就成為粉末冶金技術進一步發(fā)展的關鍵問題之一。隨著科學技 術的進步,特別是到60年代之后,各種制取合金粉末的方法相繼間世,工藝技術和設備裝置日臻 完善,使合金粉末的生產(chǎn)及其應用迅速發(fā)展。本文旨在系統(tǒng)評介合金粉末的生產(chǎn)工藝和主要的典型產(chǎn)品種類、特性及其應用。

2合金粉末的生產(chǎn)工藝

2.1機械破碎法

這是一種既簡單原始,但迄今又不失為具有先進性的合金粉末生產(chǎn)方法。其原理是將既得的合金物料 ,例如合金鑄造碎塊或成護形的合金碎屑單純以機械力將其粉碎成所需粒度的合金粉末。工藝過程 的主要目的是減小物料的順粒尺寸.在機械破碎過程中,物料處于強烈攪動和翻滾的碾磨球之間受 到?jīng)_擊力、碾磨力、剪切力、壓力或物料自身彼此間劇烈碰撞力的作用而不斷地發(fā)生變形、破碎和 冷焊接.這種方法*適用于一次性生產(chǎn)脆硬的合金粉末,通常又分為球磨法,冷流沖擊法和流態(tài)化床氣流磨法等。球磨法是將合金物料和碾磨介質(zhì)球混合裝入球磨機內(nèi)進行長時間研磨。球磨機的種類很多,計有翻滾 式、振動式、碾磨式和高能球磨式等。球磨效果主要取決于碾磨球和粉料的密度、翻滾速度、振動 幅度和磨粉時間。一般上列因素值越大,效果越好。碾磨介質(zhì)球的材料、尺寸和表面粗糙度應視工 藝條件需要而定。例如,球磨堅韌的或脆硬的合金采用碳化鎢硬質(zhì)合金球。為了減少粉末順粒間的 焊接力(或自粘力)作用,防止其團聚,可添加液體表面活性劑和潤滑劑,例如乙醉。但這些液體添加劑不得腐蝕粉末或與之發(fā)生化學反粉未冶介二‘幾應。冷流沖擊法是將夾帶合金物料的超音速高速氣流噴射到位于噴嘴對面的固定硬質(zhì)合金靶上,物料與靶 發(fā)生碰撞后被粉碎。將沖擊室內(nèi)的粉末空吸至粒度分級器內(nèi),過大尺寸的順粒返回貯料峨,以便再 度噴射粉碎。載物的高速氣流由硬質(zhì)合金噴嘴噴射出來時,通過絕熱膨脹產(chǎn)生一個強烈的冷卻效應 。此效應所吸熱量大于物料粉碎產(chǎn)生的熱,故該制粉法可在室溫下進行,適用于制取硬質(zhì)合金、鎢合金和工具鋼等合金粉末.流態(tài)化床氣流磨是一種技術先進、生產(chǎn)成本低廉的機械粉碎制取微細粉末的方法。物料顆粒在流態(tài)化 床內(nèi)被壓縮氣體加速,由于高速的穎粒與順粒碰撞而被徽粉化.在粉末冶金工業(yè)中對小于20產(chǎn)m 的微細金屬與合金粉末的需求日益增長。例如注射成形所需的粉末原料就是其中之一,用t很大。 用一般方法生產(chǎn)如此細小粉末的成本是很昂貴的。德國Alpine公司推出了系列流態(tài)化床式氣 流粉碎機,進粒粒度為200~2000拌m,粉碎產(chǎn)品粒度達3.5尸m以下,能耗比一般氣流 磨降低30~40%,生產(chǎn)成本顯著下降。例如,采用該公司的ZOoAFG型流態(tài)化床氣 流磨生產(chǎn)Nd一Fe一B合金粉末,喂入原料粒度為300拜m,產(chǎn)品粒度簇3.5~4料m,生產(chǎn)率為30kg/h。機械破碎法生產(chǎn)合金粉末的缺點是:首先,所用原料多為鑄鍛合金,鑄錠有可能因冷卻速度緩慢而產(chǎn) 生成分偏析,因此微粉化后的粉末化學成分不夠均勻;再者,強烈的機械力作用會造成合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崎變,并且粉末外表面易被污染,特別是氧的污染,使粉末純度降低。

2.2部分預合金化法 

這是一種生產(chǎn)低合金鋼粉末的優(yōu)良方法,通過熱處理工藝得到部分預合金化低合金鋼粉末,其原理是 將高壓縮性的水霧化鐵粉或還原鐵粉與微細的合金元素粉末混合均勻,經(jīng)擴散熱處理使合金元素粉 末粘結(jié)到鐵粉上,產(chǎn)生擴散層,形成部分合金化。這種部分合金化粉末既保持了原始鐵粉的高壓縮性,又可使合金元素分布比較均勻,特別適合制造中高強度燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件.部分預合金粉末的合金元素以銅、鎳和相為多,其含量分別為2%、2%和0.5%左右。元素粉末 粒度在40拜m以下.合金元素以金屬氧化物的形式添加到鐵粉中的效果更佳。金屬氧化物在部分 合金化熱處理時被還原,產(chǎn)生高活性的金屬原子,從而有利于合金元素的粘結(jié)和擴散。例如,由金 屬氧化物粉末制取的Fe一4Ni一1.SCu一0.SMn部分合金化粉的燒結(jié)強度比用純合金 元素粉末制取的可提高15%。對于一些含錳、鉻、釩、硅等與氧親合力大的合金元素,因 其氧化后不易被還原,采用其微細母合金粉末(5~10拜m)的形式添加是可取的,但目前在實用上仍有困難。部分預合金粉末的質(zhì)量與原始鐵粉和合金元素粉末的性能密切相關,明顯地受合金化熱處理工藝條件 的影響.部分預合金粉末燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件的密度高,尺寸變化小,力學性能超過機械混合粉末燒結(jié) 鋼的水平,可與水霧化完全預合金化的低合金鋼粉末燒結(jié)制品相媲美。瑞典赫格納斯公司首先推出的壓staloy系列部分預合金粉末的品種和產(chǎn)量已得到較大發(fā)展。然而,由部分預合金化粉末制取的燒結(jié)鋼中的合金元素分布仍然是不夠均勻的,在原始粉末順粒表面 和鄰近孔隙表面區(qū)域的濃度高,在原顆粒內(nèi)部的濃度低。因此,部分預合金粉末燒結(jié)鋼的相變和組織結(jié)構(gòu)是非常復雜的。這對于燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件的性能往往會有明顯地影響。

2.3異化法 

使用霧化法生產(chǎn)金屬粉末,*早開始于1882年德國制取蓄電池鉛粉。1934年該國Manne smann氏mag公司率先采用高壓空氣霧化生產(chǎn)高碳鐵粉。1965年美國A,0.1994 附2(總第20期)Smith公司又建成高壓水霧化制取鐵粉生產(chǎn)線。‘70年代初期,霧化技 術和裝備有了長足的進步,霧化法成為生產(chǎn)完全合金化粉末的*佳方法,其產(chǎn)品稱為預合金粉末。 這種方法的原理是,以快速運動的流體(霧化介質(zhì))沖擊或以其它方式將合金液體破碎為細小液滴 ,繼之冷凝為固體粉末。霧狀的小液滴體積很小,與外界熱交換又極為便利,于是在制粉過程中就 具備了快速凝固和快速冷卻的條件,所得霧化預合金粉末的每個顆粒不僅具有與既定熔融合金完全相同的均勻成分,而且消除了第二相的宏觀偏析。霧化制粉法分“雙流法氣以霧化介質(zhì)流破碎合金液流)和“單流法”(以其它方式破碎合金液流)兩 種。前者的霧化介質(zhì)采用氣體(氦、氫、氮和空氣)或液體(水和油);后者采用離心霧化或溶氣真空霧化等。*廣泛應用的是氣霧化和水霧化法。霧化制粉時先用電爐或感應爐將金屬原料熔煉為成分合格的合金 液體(一般過熱100~150℃),然后將其注入位于霧化噴嘴之上的中間包內(nèi)。合金液由中間 包底部漏眼流出,通過噴嘴時與高速氣流或水流相遇被霧化為細小液滴,霧滴在封閉的霧化筒內(nèi)快 速凝固成合金粉末。通常惰性氣霧化粉末呈球形,氧含量低(600PPm),須經(jīng)退火 處理,具有很好的壓縮性。這種霧化法易大批量工業(yè)化生產(chǎn),但由于合金液與渣體和增渦接觸,在 粉末中難免帶入非金屬夾雜物。因此,1991年8月瑞典著名的S配erfor,粉末公司根據(jù) 電渣重熔(ESR)原理,首次將容量為7t的中間包改造成電渣加熱(ESH)裝置,把N:氣 霧化高速鋼粉末中的非金屬夾雜物量減少到原有量的l/10,使ASP粉末冶金高速鋼的抗彎強度由3500MPa提高至4000MPa以上。真正能完全有效地避免氧化物夾雜污染的措施是采用“單流”霧化法.例如,1974年首先由美國 核金屬公司開發(fā)成功的旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法。此法的工作原理示于圖1。將合圖1旋轉(zhuǎn)電極行化制取合金粉末一電弧.2一合金粉末;3一旋轉(zhuǎn)自耗合金電極;4一固定鎢電極圖2電子束旋轉(zhuǎn)盤,化制取倉金粉末 1一自耗合金電極.2一電子束槍, 3一旋轉(zhuǎn)盤,4一閱門;5一粉末收集器金原材料制成一個可高速旋轉(zhuǎn)(15000~25000r/min)的自耗電極,由固定的鎢陰極引起電弧使合金電極表面熔化,由此 形成的融熔合金被離心力拋出粉碎,液滴在飛行過程中被冷凝成球形合金粉末 。為了避免鎢污染,可在鎢電極處改用等離子炬,稱為等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法(PREP), 改用電子束融熔合金,稱為電子束旋轉(zhuǎn)盤霧化制粉法(EBRD)(圖2)。以上亦統(tǒng)稱為離心霧化制粉法。旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法的粉末粒度分布范圍狹窄(50一500拜m),其平均粒度可由下式預測:3 .64廠a~~下廠V硒式中,d:液滴直徑,。:旋轉(zhuǎn)速度,r:表面張力,p:合金材料密度; D:自耗合金電極直徑.這種方法生產(chǎn)的高潔凈度粉末具有良好的成球性和光滑的表面質(zhì)量,流動性好,能快速充填復雜形狀的模具,保持接近“腸理論密度的穩(wěn)定裝填密度。另外還有一種叫做真空溶氣霧化法,能生產(chǎn)高純度球形合金粉末。其原理是:當在氣壓下被氣體過飽 和的合金液體突然暴露到真空中時,溶解的氣體將逸出而膨脹,致使合金液體霧化。