粉末冶金高速鋼

　　傳統(tǒng)熔煉鑄造法制造的高速鋼，其鋼錠不可避免會產(chǎn)生合金成分不均和粗大萊氏體偏析，這已成為其組織結(jié)構(gòu)的瘤疾，長期困擾著冶金學(xué)家。正是粉末冶金工藝成功解決了傳統(tǒng)冶金工藝這一問題，消除了宏觀偏析，使晶粒細(xì)化，性能顯著提高且各向同性，為生產(chǎn)超高合金含量高速鋼提供了可行途徑。1965年，美國Crucible Materials公司發(fā)明粉末冶金高速鋼，1971年投產(chǎn)，年產(chǎn)量1200t，以CPM(Cracible Particle Metallurgy)系列共10余個(gè)牌號銷售。瑞典Soderfors公司是世界上生產(chǎn)這種鋼材的最大廠家之一，其氣霧化一熱等靜壓生產(chǎn)線于1970年投產(chǎn)。1994年，法國高速鋼公司(Erasteel)所屬瑞典Soderfors廠采用鋼包精煉法(Electro-Slag-Heating，ESH)對氣霧化前鋼液進(jìn)行精煉，將非金屬夾雜減少90%，獲得高純凈鋼，進(jìn)一步提高了粉末冶金高速鋼的質(zhì)量。

　　粉末冶金高速鋼優(yōu)良的組織和性能，得益于快速凝固制粉與熱等靜壓、熱擠壓致密化工藝的結(jié)合。粉末冶金法能夠生產(chǎn)常規(guī)冶金法難以和不能生產(chǎn)的高合金、富碳化物高速鋼。粉末冶金高速鋼中的合金總量高達(dá)30%以上仍具有均勻的組織;釩含量高達(dá)9.8%時(shí)可磨削性仍然良好。這一成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也可應(yīng)用于其他高合金工具鋼。此外，粉末治金工藝允許加入硫來提高高速鋼的可磨削性，而不降低其力學(xué)性能。

　　粉末冶金高速鋼用于制造工具，主要是模具和異形刀具，特別適于切削加工韌性溶硬鋼、耐熱高合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基高溫合金、鈦鋁合金等，是航空工業(yè)用于切削加工難加工的高溫合金和鈦合金的優(yōu)秀刀具材料。此外，還用來制作高強(qiáng)度、耐磨損和抗疲勞的結(jié)構(gòu)零件，如汽車內(nèi)燃機(jī)配件和飛機(jī)發(fā)動機(jī)軸承。美國粉末冶金高速鋼的用量已超過熔煉高速鋼。

　　02

　　稀土永磁

　　稀土永磁合金是稀土金屬(Sm、Nd、Pr等，以R表示)與過渡金屬(Co、Fe等，以TM表示)形成的一類高性能永磁材料。通常將1967年出現(xiàn)的SmCo5(1-5型)、1977年出現(xiàn)的Sm2TM17(2-17型)和1983年出現(xiàn)的Nd-Fe-B分別稱作第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。其最大磁能積(BH)max分別為：

　　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(銣鐵硼)，最大磁能積(BH)max。可達(dá)280kJ/m3(35MGOe)。Nd-Fe-B系永磁材料號稱永磁之王，90年代最大磁能積(BH)max 實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)416 kJ/m3(52MGOe)。1993年開發(fā)的超高性能的Nd-Fe-B永磁材料，其(BH)max達(dá)431 kJ/m3(54.2MGOe)。

　　Nd-Fe-B永磁主要用于各種電機(jī)、起動機(jī)、音響設(shè)備、核磁共振成像、磁懸浮、波束控制、機(jī)器人、測量儀表、辦公機(jī)械、傳感器、磁耦合軸承和繼電器等。

　　1969年，我國開始第一代稀土永磁的研究開發(fā)工作，20世紀(jì)80年代初已能批量生產(chǎn)第一代和第二代稀土永磁體，用于行波管等高級磁性器件。1983年底，鋼鐵研究總院研制成功Nd-Fe-B材料，其最大磁能積(BH)max 達(dá)240kJ/m3左右，1987年將(BH)max。提高到415kJ/m3以上。

　　03

　　粉末冶金高溫合金

　　粉末冶金高溫合金(或稱粉末超合金)是制造高推比新型航空發(fā)動機(jī)零部件的最佳材料。粉末冶金高溫合金與傳統(tǒng)鑄鍛合金相比，其晶粒細(xì)小，組織均勻，無宏觀偏析，合金化程度高，屈服強(qiáng)度高，疲勞性能高，加工性能好。粉末冶金方法可以實(shí)現(xiàn)近終形工藝成形，因而節(jié)約材料，成本低。粉末冶金高溫合金主要用于制造航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸、封嚴(yán)盤、封嚴(yán)環(huán)、導(dǎo)風(fēng)輪及渦輪盤高壓擋板等高溫承力轉(zhuǎn)動零件。在粉末冶金高溫合金領(lǐng)域開展研究的有美國、俄國、英國、法國、德國、加拿大、中國、日本、意大利、瑞典以及印度等國，其中，美國、俄羅斯處于領(lǐng)先地位。

　　1969年，M M Allen首先用粉末冶金方法生產(chǎn)Astroloy高溫合金。1970年，S M Reichman研究低碳In-100粉末冶金高溫合金，獲得超塑性;1972年美國Pratt-Whiney飛機(jī)公司以其制造F-100發(fā)動機(jī)使用的壓氣機(jī)盤和渦輪盤等11個(gè)部件，裝在F15、F16飛機(jī)上。P&W公司僅以粉末冶金渦輪盤和凝固渦輪葉片兩項(xiàng)重大革新，就使F-100發(fā)動機(jī)的推重比達(dá)到8的世界先進(jìn)水平。至1984年，該公司使用粉末高溫合金盤已超過3萬件。1988年，GEGE公司研制出第二代粉末冶金高溫合金Rene88DT。此后，在美國軍用及民用飛機(jī)土，均使用Rene88DT粉末盤。1997年，P&W公司以DT-PIN100合金制造雙性能粉末盤，裝在第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22的F119發(fā)動機(jī)上。

　　前蘇聯(lián)的研究工作始于20世紀(jì)60年代末，1978年，正式在軍用航空發(fā)動機(jī)上使用粉末冶金高溫合金渦輪盤。80年代末研制出IIC-90A民用航空發(fā)動機(jī)盤件，至1993年已累計(jì)生產(chǎn)各類粉末高溫合金盤件2.5萬個(gè)，至1995年裝機(jī)使用盤、軸類件總數(shù)已超過4萬件。

　　04

　　粉末冶金高強(qiáng)度鋁合金

　　早在20世紀(jì)40年代中期，美國鋁工業(yè)公司(Alcoa)便開始進(jìn)行燒結(jié)鋁的研究。1952年，該公司開發(fā)了第一代粉末冶金鋁合金材料(SAP)。這是一種Al-Al2O3，彌散強(qiáng)化型合金，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

　　70年代出現(xiàn)的快速凝固技術(shù)、機(jī)械合金化技術(shù)和復(fù)合技術(shù)，促成粉末冶金高強(qiáng)度鋁合金問世，并在80年代得到迅速發(fā)展。快速凝固和機(jī)械合金化使鋁合金產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，其組織明顯細(xì)化，基本消除偏析，合金成分設(shè)計(jì)范圍大大擴(kuò)展，抗拉強(qiáng)度、彈性模量、耐腐蝕性和疲勞性能全面提高，特別是斷裂韌性與強(qiáng)度兼顧得較好。快速凝固工藝可獲得亞穩(wěn)相，析出細(xì)小的彌散體，這是鑄錠冶金技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。

　　出于宇航工業(yè)的需要，美國、前蘇聯(lián)、英國、原聯(lián)邦德國、日本、法國等多個(gè)國家對快速凝固鋁合金進(jìn)行了研究和開發(fā)。美國快速凝固鋁合金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飛機(jī)機(jī)翼使用7091合金后重量減輕了116kg。美國Alcoa公司將快速凝固7090合金用于制造波音757-200飛機(jī)主起落架梁撐桿和主起落架艙門的絞鏈、動筒配件、底座、齒輪等傳動裝置，減重15%。

　　快速凝固耐磨鋁硅合金在日本和德國已獲應(yīng)用。日本80年代開始采用快速凝固Al-Si合金粉末制造汽車發(fā)動機(jī)閥門彈簧座和連桿，相應(yīng)構(gòu)件的重量減輕60%和30%，體發(fā)動機(jī)速度大為提高。住友電工采用快速凝固高硅Al合金制造汽車空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片，使整個(gè)壓縮機(jī)減膏40%。1997年，德國PEAK公司開始批量生產(chǎn)過共晶Al-Si合金棒坯，最大尺寸Φ300mm×2500mm。棒壞經(jīng)加工制勵(lì)Benz最新一代V8和V12發(fā)動機(jī)汽缸襯套。

　　05

　　粉末冶金金剛石-金屬工具材料

　　粉末冶金技術(shù)于20世紀(jì)20年代進(jìn)人金剛石工具制著業(yè)，逐步取代機(jī)械卡固法和青銅澆鑄嵌鑲法而占據(jù)主導(dǎo)的位。以粉末冶金法制造金剛石-金屬工具，工藝簡便，成本低，效率高，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。1930年，以粉末冶金工藝(混合-壓制-燒結(jié))制造的金剛石砂輪和鋸片誕生，并迅速在硬質(zhì)材料加工中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)30年代末期，粉末冶金浸漬法制造的金剛石地質(zhì)鉆頭投入應(yīng)用。40年代，大型復(fù)雜型面金剛石石油鉆頭出現(xiàn)，在地質(zhì)、石油硬地層鉆探中易示出威力。

　　1953年和1954年，瑞典和美國成功合成金剛石。人造金剛石粒度較細(xì)，適合制造磨具的要求，但機(jī)械卡固無法將工具成形。以粉末冶金法制造人造金剛石工具，是粉末冶金技術(shù)對金剛石工業(yè)再一次推動。粉末冶金人造金剛石工具包括：砂輪修整工具，金屬研磨工具，拉絲模，石油和地質(zhì)鉆頭，建筑工程施工工具，半導(dǎo)體加工工具，以及石材、玉器、玻璃和陶瓷加工工具等。

　　高溫高壓燒結(jié)金剛石聚晶體(PCD，polycrystallinity diamond)的出現(xiàn)，結(jié)束了磨料級金剛石限于制作磨具的歷史，是金剛石工具業(yè)一項(xiàng)重大成就。燒結(jié)聚晶體的綜合力學(xué)性能優(yōu)于天然金剛石，它不存在解理面，性能各向同性，耐沖擊性較好，而且，使金剛石加工中產(chǎn)生的大量金剛石微粉得到利用。金剛石復(fù)合片即燒結(jié)金剛石聚晶/硬質(zhì)合金復(fù)合體，由金剛石聚晶體層復(fù)合在硬質(zhì)合金基體上構(gòu)成，具有良好的綜合性能。

　　人造金剛石聚晶體出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，1964年美國GE公司Da Lai首次取得以金屬黏結(jié)劑促使金剛石顆粒之間產(chǎn)生直接結(jié)合的美國專利。英國于1966年、前蘇聯(lián)于1967年報(bào)道了有關(guān)這方面的研究成果。1972年，美國GE公司公布并隨后生產(chǎn)的Compax，是具有代表性的產(chǎn)品。我國鄭州磨料磨具磨削研究所于1969~1971年對PCD進(jìn)行了研制，1972年在國際上首次將PCD金剛石燒結(jié)體JRSN用于巖層錨進(jìn)。1987年我國研制成功人造金剛石/硬質(zhì)合金復(fù)合材料。

　　06

　　納米粉末材料

　　納米材料包括納米粉末材料、納米多孔材料和納米致密材料。納米粉末微粒尺寸一般在1~100nm范圍。對這一粒度范圍粉末系的研究，可追溯到19世紀(jì)60年代膠體化學(xué)誕生的時(shí)候。20世紀(jì)40年代也有此粒度范圍粉末的報(bào)道，只不過稱為超細(xì)粉末，定義粒度范圍為0.01~0.1μm(或以 Å 為度量單位)。1962年，久保發(fā)現(xiàn)金屬超微粒子與宏觀物體的熱性質(zhì)不同，提出久保效應(yīng)。1963年出版的 H H H Auser所編的《New Types of Metal Powders》一書中介紹，用60kW電子束爐制備的鐵、鋁、鎳、銅、鉻、鉀、鈕和鎢粉，其粒度小于0.5um。1984年，R Berringer和H Gleiter 等人采用情性氣體蒸發(fā)與原位壓制、燒結(jié)方法獲得納米晶金屬塊體，并首次提出納米晶材料的術(shù)語，納米粉末材料作為一種工程材料才正式登上科技舞臺。在1990年召開的首屆世界納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議上，正式提出將納米材料科學(xué)列為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支。90年代研究工作取得進(jìn)展，應(yīng)用逐漸增加。

　　制取納米材料有多種方法，粉末冶金法是常用的一種。

　　采用機(jī)械合金化技術(shù)制取納米品材料，能合成許多采用熔體快淬、蒸發(fā)冷凝等技術(shù)不能獲得的新型合金材料，而且，工藝簡單，生產(chǎn)效率高，實(shí)用化可能性大。將納米級粉末通過在過冷液相區(qū)進(jìn)行燒結(jié)制成塊體材料，其關(guān)鍵是防止納米晶粒在燒結(jié)過程中長大。熱壓、熱等靜壓、反應(yīng)熱壓、微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)、等離子體活化燒結(jié)以及激光燒結(jié)，是已被采用的燒結(jié)技術(shù)。

　　納米顆粒的尺度處于原子、分子、原子團(tuán)簇與宏觀物體(包括大于100mm的粉末顆粒)的過渡段，其性態(tài)既不同于分子和原子等微觀粒子，又與宏觀物體差別很大。納米顆粒具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因而具有某些獨(dú)特的性質(zhì)。這些性質(zhì)在催化、濾光、光吸收、儲氫、傳感、磁介質(zhì)、醫(yī)療、保健以及結(jié)構(gòu)材料、工具材料等方面，有著喜人的應(yīng)用前景。納米粉末材料的開發(fā)，拓展了粉末冶金材料的領(lǐng)域。

　　07

　　非晶態(tài)合金粉末材料

　　非晶態(tài)合金亦稱玻璃態(tài)合金。這一類金屬和合金的原子結(jié)構(gòu)不是長程有序，而是處于原子無序的液態(tài)“凍結(jié)”狀態(tài)。制取非晶態(tài)合金的最早工作是JKramer進(jìn)行的，他于1934年和1937年報(bào)道以蒸發(fā)沉積法成功制取非晶態(tài)合金。1950年，A Brenner等人用電沉積法制成Ni-P非晶態(tài)合金。1958年，R B Pond的熔體快淬-破碎法獲得美國專利。1960年，加利福尼亞理工學(xué)院P Duwez等人直接將熔融金屬噴霧淬火制成非晶態(tài)合金Au70Si60。1969年，賓夕法尼亞大學(xué)采用圓筒離心急冷法，1970年哈佛大學(xué)采用雙輥法獲得非晶態(tài)合金帶材。此后，以快速凝固技術(shù)制取非晶態(tài)合金引起人們高度重視。1973年，美國Allied公司首先將非晶態(tài)合金帶材商品化。20世紀(jì)80年代，非晶態(tài)合金成為材料學(xué)界熱點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目之一，人們對其制取技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。

　　非晶態(tài)合金材料的價(jià)值在于其獨(dú)特的性能，包括磁性能、電性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能。非晶態(tài)合金粉末材料主要用作磁性材料，還可用作耐磨材料、耐蝕材料、結(jié)構(gòu)材料、涂層材料、釬焊材料、儲氫材料、金剛石工具黏結(jié)劑和催化劑等。1978年，Alcoa公司以熱壓法制造出MA87鋁合金坯塊，經(jīng)軋制后鍛成飛機(jī)零件。1982年，R Ray 用Ni53Mo36Fe9B2非晶態(tài)合金粉末材料采取反玻璃化措施制成微晶合金，以其制成鋁合金鑄造模壽命比H13鋼高1倍。1984年，美國Allied公司已有非晶態(tài)合金粉末材料產(chǎn)品上市：低頻用鐵基非晶磁粉芯PS-21和1~50Hz用鎳基非晶磁粉芯PMB-1。20世紀(jì)80年代，非晶態(tài)合金粉末在磁粉芯、磁性流體、黏結(jié)磁體等方面已有應(yīng)用。

　　80年代中期，我國冶金部鋼鐵研究總院采用常規(guī)霧化工藝，研制成功M80S20和FCP兩種鐵基非品態(tài)合金粉末材料。1989年，上海鋼鐵研究所以非晶態(tài)帶材破碎球磨制得Fe47Ni29V2Si8B14粉末，用硅樹脂為黏結(jié)絕緣劑經(jīng)壓制成形，制得高頻磁粉芯，用作光通訊的光端機(jī)高頻扼流圈。

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