粉末冶金篇1

关键词：凸轮轴信号盘；粉末冶金；尺寸精度

中图分类号：U466文献标志码：A文章编号：1005-2550（2013）04-0058-06

发动机是汽车的动力源，而信号盘相当于控制发动机的开关，其相位角度的设计及精确控制，对发动机各个气缸的协调工作起着至关重要的作用，信号盘提供信号给转速传感器，转速传感器再把信号传递给ECU，ECU收到该信号就控制发动机喷油及点火。当信号盘旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势，而产生的交变电动势控制着气缸点火时间及顺序，需要信号盘具有精确的相位角度；由于电磁感应式传感器输出电压的峰值随转速的大小而变化，在发动机启动时的低速状态下，感应电压很低，也需要信号盘的信号齿具有良好的磁感应性能，以提高信号输出灵敏度。

1产品设计

1.1产品性能设计

凸轮轴信号盘是传感器的信号转子，装配在凸轮轴上，利用其外圆的4个凸齿，在磁场里旋转过程中产生周期变电动势，控制发动机点火顺序，保证点火正时。主要利用其良好的磁感应性能及精确的相位角度，保证发动机各个气缸的协调工作，因其产生的信号是通过电流传递给ECU，为了削弱磁场对电流的影响，信号盘本身的磁场强度应有严格的限制。

1.2产品结构设计

凸轮轴信号盘产品见图1。信号盘外圆有4个凸齿，2个68°大凸齿，2个18°小凸齿，2个72°大缺齿，2个22°小缺齿。信号盘每转过一个凸齿，传感器中就会产生一个周期变电动势，并相应地输出一个交变电压信号，故凸轮轴旋转一周会有4个交变信号产生，ECU每接收4个信号，即可知道凸轮轴旋转了一圈。

2工艺方案设计

产品内孔精度等级较高，达到了8级精度，销孔精度达到7级；产品外圆信号齿角度的精确性关系到装机后信号的准确性，另外根据产品的使用工况，要求产品具有较低的剩磁强度，较高的齿部密度。产品主要技术要求如表1所示。

根据上述分析，结合供应商实际生产情况，确定此零件的生产应该包含以下主要工序：

（1）成形：保证产品的外形以及密度要求，如相位角度，內孔尺寸；

（2）烧结：保证产品基本性能的要求，如强度、硬度、密度等；

（3）整形：对烧结变形的产品进行外形的校正，同时提高内孔以及信号齿角度的精度；

（4）钻孔、铰孔：保证产品销孔达到要求。

（5）退磁：保证产品有较低的剩磁强度。

3成形方案设计

3.1方案设计以及压机选择

（1）考虑产品的工艺性能、形状、精度以及表面的要求，除了定位销孔处必须采用机械加工外，其余均可以不采用后续机械加工。

（2）通过产品结构分析，零件上端面1个台阶面，下端面2个台阶，整体上构成一个典型的上二下三结构的粉末冶金结构件，在粉末冶金压坯形状上定义为Ⅳ型压坯，Ⅳ型压坯必须由阴模，一个上模冲、三个下模冲和芯棒组成的模具成形，由于沿压制方向横截面有变化的不等高压坯，要保证其密度的均匀性，必须按相同的压缩比来计算装粉高度，同时为了保证外圆凹槽根部的圆角能够光滑过渡，采用台阶阴模结构取代了1个下模冲。

方案1：成型方案采用上一下二结构，信号盘正面信号齿部（A区）、齿根（B区）、台阶（C区）为一整体模冲，造成ABC区密度分布极不均匀，从其硬度分布可以得到验证（A区平均硬度32HRB，B区平均硬度52HRB，C区平均硬度70HRB）。因为ABC区为一整体模冲，在成型时，A区松装填充不够，造成成型后密度低，而A区恰好是信号作用区域，磁感应强度和产品的密度值直接相关，密度越高，磁感应强度越高，若密度低，对其磁感应强度及传递信号准确度还是不容忽视的。矫顽力和磁导率都对孔隙杂质敏感，孔隙和杂质含量越少，矫顽力场就越小，磁导率就越高，若密度越低，孔隙就越多，对其矫顽力和磁导率影响就越大。故对于粉末冶金信号盘，其信号作用区齿部密度不宜过低。

方案2：成型方案采用上一下二+台阶阴模结构（上一下三结构），信号盘正面信号齿部（A区）、齿根（B区）为一模冲，台阶（C区）为台阶阴模。因为ABC区是分冲结构，在成型时，AB区和C区的松装填充可调，使得成型后ABC各区密度均匀，从其硬度分布及波动可以得到验证（A区平均硬度61HRB，B区平均硬度66HRB，C区平均硬度64HRB）。A区的密度相对提高（方案2产品硬度61HRB大于方案1产品硬度32HRB），而A区恰好是信号作用区域，故方案2信号盘磁感应强度比方案1产品要好。同时方案2产品整体密度均匀，在装配过程中不会产生破裂，提高了产品各项性能要求。

（3）通过产品结构计算此产品所需压制压力，需130T的成形压力。

（4）考虑到压坯各部分的密度分布的均匀性，压坯的精度、模冲的个数，以及成型过程中粉末的移动以及供应商成型压机的特点、模架结构，为充分体现粉末冶金的特点，此次选择带用上三下三模架的机械式S-200T压机。

3.2模具参数设计

新开发凸轮轴信号盘模具设计主要参数如表2所示。

3.3成型动作解析

成形动作：装粉上冲下行阴模强制拉下下浮动冲落在挡块上台阶阴模落在挡块上成形终了上缸给保护压力阴模止挡打开脱阴模下浮动冲挡块打开脱浮动冲脱芯棒上缸回程机械手夹持脱出产品。

（1）装粉：因为该零件壁厚较薄，粉末之间会产生拱桥效应，为了使装粉均匀，必须采用装粉效果较好的吸入法装粉。

（3）压制成形：上冲下行与阴模合缝后，强制拉下阴模，下浮动冲落在挡块上，上冲与阴模继续下行直至阴模落在挡块上，调整阴模和外浮动冲的压制速率，避免因非同时成形而产生裂纹。

（4）脱模：采用阴模拉下式脱模，即阴模向下运动，逐渐脱出下外冲、下内冲、芯棒。脱模时要注意采用保护脱模，即脱模过程中上模冲给予产品一定的压力，待下外冲脱出阴模的同时撤去上外冲的保护压力，上内冲继续保持压力，直至下内冲脱出阴模，最后中心缸将芯棒抽回。保护脱模可以避免产品出现掉块、裂纹等外观缺陷。

成形装配示意图如图3所示。

4材质工艺设计

原材料选择依据：根据凸轮轴信号盘的工作原理、粉末冶金件凸轮轴信号盘的综合性能及尺寸要求，原材料应该具备以下四个方面的性能：

（1）磁性能好。对于磁性材料，碳的存在降低一定的磁性能，故碳含量应尽量低。同时，磁感应强度和产品的密度值有直接相关，密度越高，磁感应强度越高。矫顽力和磁导率都对烧结条件和间隙杂质敏感，烧结温度越高和杂质含量越少，矫顽力场就越小，磁导率就越高。烧结温度越高，时间越长，金相组织平均晶粒尺寸就越大，孔隙越圆滑，磁性能就越好[1]。

（2）压制性和稳定性好，磁性材料，传递信号部位密度越高，磁感应强度越高，传递信号就越准确。磁性粉末又必须同时具备稳定的粒度分布与粒度组成且化学成分均匀、无偏析、稳定的流速以及稳定的松装密度等重要特性。由于在混料中可能产生的不均匀，包括比重偏析在内的混合料不均匀性，在烧结中因烧结温度和保温时间及压坯密度不均匀等造成的扩散不充分，则会引起组织不均匀，并使零件性能产生波动。而采用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易发生偏析[2]，且Cu相对较软，能提高压制性能。

（3）尺寸稳定性，凸轮轴信号盘信号齿角度精度越高，传递信号的准确度就越高，其金相组织平均晶粒尺寸越大，孔隙越圆滑，磁性能就越好。但对于粉末冶金件，要使其组织平均晶粒尺寸越大、孔隙越圆滑就需要较高的烧结温度和较长的烧结时间。而烧结温度越高，时间越长，尺寸变化又越大[3]，尺寸精度尤其是相位角度就难以保证。同时信号盘需装配到凸轮轴上，其内孔精度及材料的强度和韧性一定要保证。综合以上各种因素，选择添加少量的C及一定比例的铜，既能稳定产品尺寸变化，提高强度、韧性，还能提高密度，降低孔隙率，后续再通过整形对零件的尺寸以及形位公差进行校正。既保证了可靠磁性能，又保证了产品强度、韧性及尺寸要求。

（4）烧结后要满足产品既定的性能要求：产品密度≥6.4g/cm3，硬度≥40HRB，抗拉强度≥300MPa，延伸率≥1%。

根据以上提出的材料性能要求，经过性能试验对比和烧结综合参数测定，结合现有的材料标准提供的相关材质达到的性能指标，选取Fe-Cu-C材料。

综上所述，选取供应商牌号为F1407的铁粉，其性能参数如表3所示。

5烧结工艺设计

为保证凸轮轴信号盘在烧结过程中具有理想的金相组织，稳定的尺寸，结合供应商现有设备实际特点，选用德国进口的步移梁式烧结炉，步进梁式烧结炉具有以下优点：

（1）能够实现高温烧结，提高烧结温度可以提高生产效率，实践中发现提高55℃烧结温度对致密化程度的影响效果相当于延长烧结时间几十倍或几百倍[4]。

（2）在工作过程中可提供连续的、可重复的时间-温度-气氛曲线，这在粉末冶金生产中非常重要，当炉子的舟速一定时，各个温度可控带设定的温度以及气氛组成、气氛流量已经确定时，则通过该烧结炉的所有压坯都是在一组相同的工艺参数下烧结的，结果是建立了一条稳定的加热曲线，这就保证了烧结零件的质量即零件尺寸、性能的均匀一致性[4]。

（3）操作简单，自动化程度高；辅料消耗和热损失小，零件受热均匀；依据所选烧结炉制订烧结炉工艺，即各区温度、烧结速度，以及气氛流量的大小，结合烧结炉的结构、负荷的大小、加热时间以及保温时间并结合粉末具体参数变化，确定了以下摆放方式，即采用架烧模式，产品4x4均匀摆放在石墨垫板上，产品间隔10～20mm，如图4所示。

6整形工艺设计

6.1整形方式的选择——全整形

为了保证信号盘的端面端跳、齿相位角度、平面度以及内孔精度，必须对烧结后的毛坯进行全整形，即内外径以及高度方向均产生塑性变形。全整形塑变充分，产品出模后弹性回弹小，制品的内外径尺寸精度可达到IT6-7级[5]，满足本产品设计要求。

6.2整形方案设计

（1）因为产品成形和烧结后，产品下部两个台阶面的高度可能会和预想的会有差异，所以下冲最好做成分冲，这样根据烧结后产品上下两个台阶的高度，可以调节好分冲之间的段差。

（2）理论上整形时应先让下外模冲和上模冲接触产品，再让下内冲接触产品，这样可以避免产品在台阶圆角处出现裂纹，实际上整形时压下量只有0.1mm左右，在压机上不易测量，可根据产品出模后的状态做进一步的调整。

6.3压机的选择

根据产品的形状以及整形方式，决定了整形压机必须选择带上二下二或上二下三模架的压机，同时该产品的整形压力经过计算需要100T左右，结合供应商的实际情况，选择带有上二下三结构模架的315T液压机。整形装配图如图5所示。

7后加工工艺设计

凸轮轴信号盘销孔精度达到7级，其位置与产品外圆齿开口角度的位置关系精确度关系到装机后信号的准确性，故其孔径及孔位置精度的尺寸尤为重要。

（1）在样件阶段采用的是钻孔、铰孔方式，钻孔和绞孔是分开完成的，设计了专用夹具及检具，保证产品质量。

（2）量产后考虑使用专机加工，设计一套专用夹具，保证在一次装夹的情况下完成钻孔、绞孔、检测、压装，提高效率。

8产品的性能及尺寸测试结果

对于不热处理的粉末冶金零件，烧结后产品的性能已确定，故产品关键尺寸检测如表6所示。

产品所有关键尺寸PPK>1.67，过程能力充分。

9结论

（1）合理的成形模具分冲设计，使得凸轮轴信号盘各区密度均匀，提高了信号输出灵敏度。

（2）合理的烧结及全整形工艺设计，有效地提高了信号盘的相位角度、内孔IT8级精度等要求，保证了对发动机各个气缸工况的精确控制。

参考文献：

[1]黄培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，1997.

[2]韩凤麟.粉末冶金零件设计与应用必备[M].北京：化学工业出版社，2001.

[3]刘传习，周作平.粉末冶金工艺学[M].北京：科学普及出版社，1985.

粉末冶金篇2

【关键词】热等静压粉末冶金扩散连接

热等静压（hotisostaticpressing，简称HIP）是粉末冶金领域等静压技术的一个分支，现已成为一种重要的现代材料成型技术。该技术将制品放置到密闭的容器中，以密闭容器中的惰性气体或氮气为传压介质，向制品施加各向同等压力的同时施以高温（加热温度通常为1000～2000℃，工作压力可达200MPa。），使得制品在高温、高压的作用下得以烧结和致密化。

随着热等静压设备性能的不断改进完善，HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复，大型及异形构件的近净成形，复合材料及异种材料扩散连接等方面得到了广泛应用，已经发展成为一种极其重要的材料现代成型技术。

1热等静压设备的结构

热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成。图1为典型热等静压系统的示意图。

高压容器是由无螺纹、底部封闭钢丝缠绕的预应力筒体和钢丝缠绕及预应力框架组成。加热炉提供热等静压所必需的热量，通常为电阻式加热炉，可视不同温度档的要求，采用不同的电阻材料，如最高工作温度为1450℃条件时可用钼丝加热炉，为2000℃条件时可用石墨加热炉。HIP设备通常采用非注入式电动液压压缩机可给热等静压提供高达200MPa的高压气体。真空泵采用旋转叶轮，在产品烧结中用于真空抽吸，同时抽除容器内的氧、水汽和其它杂质。冷却系统采用内外循环回路设计；内循环通过管道内冷却水的流动与压力容器外壳间进行热交换，为了保护冷却系统，冷却水的质量很重要，需采用去离子水，管路也需进行防锈处理；外循环则通过换热器将内循环的热量带出。计算机控制系统实现温度、压力、真空的程序控制，并显示所有工作状态，可编制控制器提供安全可靠的联锁。

2热等静压技术的应用领域

2.1粉末冶金领域

粉末冶金是用粉末作为原材料，经过成形、烧结和后处理将粉末固结成产品的工艺，能生产特殊性能的多孔制件、复合材料、复杂结构件，其产品具有组织成分均匀、力学性能优越的特点。采用热等静压（HIP）进行粉末固结是将粉末采用金属、陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等）或不采用包套置于热等静压设备中，以高压氮气、氩气作传压介质对粉末施加各向均等静压力，在高温高压作用下热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其经历粒子靠近及重排阶段、塑性变形阶段扩散蠕变阶段三个阶段实现制品的致密化。

图2为粉末热等静压固结工艺。粉末填充一般在真空或惰性气体氛围中进行。为了提高填充粉末的密度，包套要不停的振动。为了得到统一的收缩，则需要填充粉末的密度应不低于理论密度的68%，填充后包套要抽真空并密封，这是因为热等静压过程是通过压差来固结被成型粉末和材料的，一旦包套密封不严，气体介质进入包套，将影响粉末的烧结成型。另外，真空密封可以去除空气和水，防止氧化反应和阻碍烧结过程。

热等静压是在高温下对工件施加各向均等静压力，与传统粉末冶金工艺相比有如下优点；

（1）制件密度高。通过金属粉末HIP致密化成形的制件密度分布均匀，可以消除材料内部的孔隙，制造出理论密度的致密体零件。

（2）晶粒细小。包套受到等静压力的作用，可抑制粉末的晶粒快速增长，得到良好晶粒尺寸的制件。

（3）力学性能好。由于通过金属粉末HIP致密化成形的制件晶粒各向同性且均匀细小，能闭合材料内部孔隙和疏松等缺陷，提高材料的性能可提高制件宏观力学性能的均匀性，有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变性能。

（4）实用范围广。可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、钨合金、金属陶瓷等材料）以粉末HIP的方式成形和致密化。

（5）材料利用率高。包套与粉末在HIP过程中均匀变性，可以实现复杂零部件的近净成形，减少昂贵材料的浪费，达到节约成本的目的。

HIP成形能得到全致密的粉末冶金制品，其抗拉强度、延伸率、疲劳强度等力学性能优于烧结制品，因而HIP成形工艺在粉末冶金成形工艺中占有十分重要的地位，在现代工业生产中得到广泛的应用。

高速钢是一种化学成分复杂的高合金钢。在采用传统的熔炼-锻造法生产高速钢时，由于铸锭尺寸大，冷却缓慢、不可避免的产生碳化物偏析。这种偏析组织不仅给锻、轧等热加工造成困难，损害了产品的各种性能，而且限制了合金含量的进一步增加，阻碍了高速钢的发展。HIP技术的问世，使许多高速钢可以采取粉末冶金工艺来制造，从而克服了熔铸钢中碳化物偏析这类缺陷，把粉末冶金技术成功引入了致密钢材和合金钢的生产领域。

硬质合金是粉末冶金产品的代表作，通常采用氢气烧结或者真空烧结进行合金化；相比之下引入HIP技术制备硬质合金具备以下优点；1）残余孔隙几乎完全消除，相对密度达到99.999%；2）制造大型或长径比大的制品时，废品率低，表面缺陷大幅降低，抛光后可得到光洁度极高的表面；3）制品性能大幅度提高。

钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛应用于航天、航空、航母和化工等领域。钛制品的传统制造工艺复杂，二次加工材料损失大。用HIP技术制备的粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且合金组织更趋均匀，性能明显改善。

陶瓷材料的特点是熔点高、弹性模量大、硬度高、密度低、热膨胀小及耐磨、耐腐蚀等。通常采用粉末压制成型和烧结或热压，通常制品孔隙度较大，性能较差。HIP工艺提供了生产高性能、高均匀程度、高致密度陶瓷或陶瓷金属复合材料的手段。在加工过程中，由于原料粉末直接进入包套，不再添加传统工艺所需的有机成型剂，所以原材料在整个工艺过程中不受污染，这样生产的材料是一种纯洁的匀质材料，具有均匀的细晶粒和接近100%的密度。而且，等静压技术将高压惰性气体和高温同时作用于产品，能够有效地去除内部空隙，并在整个材料中形成强的冶金结合，极大地解决了陶瓷或陶瓷金属复合材料制备的困难，特别在制备大尺寸、复杂形状的陶瓷材料方面有较大的优势。

另外，HIP工艺能生产基本不需要机加工的近终形部件。一个热等静压的近终形部件，由于可做成最终尺寸或接近最终的制品尺寸，因此用料少。据统计，采用HIP近终成形工艺制得的产品，其材料的利用率一般可达到80%～90%，其价格比常规工艺制得的产品低20%以上，同时显著减少了机加工的时间和成本。HIP近终成形技术中使用的模具已经可以用钢板焊接而成，其形状可以任意变化，部件的设计自由度较大。由于可制作各种异型体及整体部件，减少了焊接的数目，也提高了制品整体的可靠性。HIP近终成形技术可提高原材料的使用率和机加工效率，常用于整体成形许多常规方法难以成形的零件，特别适合于航空航天、船舶、武器设备、核设施、发电设备等关系国计民生的重大应用领域。

CFM国际公司生产的CFM56发动机中有2个挡板通过粉末HIP近净成形，截止2007年12月31日，有17532台CFM56发动机在役，已装备7150架飞机。俄罗斯使用EI1698P镍基高温合金粉末HIP近净成形，为地面涡轮装置生产大尺寸盘型零件，其强度和塑形比铸、锻件提高了10%～15%，近净成形的盘类零件直径可达1100mm（图3）。Bjurstrom等利用HIP近净成形方法成功制造了高压泵体，并将泵的支撑、关口、凸缘等部位与泵体一起整体成形，不仅显著缩短了部件的制造周期，且明显提高了制件的力学性能。瑞典Stephen等将板材焊接拼合成复杂包套的外壳与内部模芯，对APM2218粉末HIP近净成形，成功制造了复杂的蒸汽管路系统。他们还以超级双相不锈钢粉末为原料，采用HIP近净成形技术制备出深海下使用的高压阀体，完全克服了传统铸、锻件的缺陷，综合性能明显提高。法国Baccino等采用HIP近净成形技术制备出镍基高温合金、钛合金、不锈钢类非常复杂的零件，如直升飞机发动机的涡轮轴、叶轮等制件，还制造出尺寸达1m的大型不锈钢件。

我国在粉末HIP近净成形领域的研究工作开展较少，目前主要由北京航空材料研究院、航天材料及工艺研究所、中南大学、北京科技大学、西北有色金属研究院等单位开展了相关研究工作，尚处于研究初期，与国外先进水平相比，还有很大差距。

2.2扩散连接

扩散连接是一种新型的焊接工艺，对于难于焊接的金属以及异种材料之间进行固态连接具有很大的应用价值。热等静压扩散连接是将两种材料表面磨平和抛光后，用某种液体或气体介质在各个方向加力将两种材料紧密地压在一起，然后加热到熔点以下的某个温度，并保温保压一段时间，使材料通过原子间相互扩散实现连接。热等静压扩散连接涉及到的材料可以是金属-金属、金属-非金属、非金属-非金属，在核工业、航天等多个领域方面值得应用推广的一项较好技术。

从上世纪70年代以来，国内外采用热等静压扩散连接的方法对铍/钢，铍/铜合金，铜合金/钢，铜合金/铜合金，铜合金/Al合金连接进行了大量的研究，实现了铍/HR-1不锈钢、Al-Si合金/HR-2不锈钢、Be/CuCrZr合金W/Cu、V-4Cr-4Ti/HR2钢的热等静压扩散连接。

王锡胜等采用热等静压（HIP）技术实现了进行扩散连接，研究表明中间过渡层及连接工艺参数对接头性能存在明显影响。在580℃，140MPa下Be与CuCrZr直接扩散连接以及采用Ti（Be上PVD镀层）/Cu（CuCrZr上PVD镀层）作过渡层的间接扩散连接均达到了较好的连接效果。表面采用Ti镀层的间接扩散连接，可有效阻止Be与Cu形成脆性相。另外，中间层或扩散阻碍层材料对连接成功与否或质量高低有着重要的影响，其选择原则是在设定的温度下，尽可能阻止Be的扩散，减少脆性金属间化合物的生成，同时又能缓和接头的内应力。国内外研究了多种材料作为Be/Cu连接的中间层或阻碍层，如Ag、Ti、Cu、Al、BeCu合金以及复合层Ti/Ni、Ti/Cu、Cr/Cu、Al/Ni/Cu等。

在核聚变反应装置中，偏滤器面对等离子一面的材料要求有很好的耐高温性能和良好的热传导性能。现有的单一材料不能同时满足两种需要，因而设计了W-Cu复合材料。钨具有很高的熔点，可作为面对等离子一侧的耐高温材料，铜具有很好的导热性能，作为基体材料能满足导热和冷却的要求。吴继红等采用热等静压实现了核聚变反应装置中偏滤器面对等离子一面的铜和钨进行连接，焊接性能满足了偏滤器工作需要。

钒合金作为聚变堆结构材料的候选材料，在作为结构材料应用时，须与不锈钢等金属进行连接。冷邦义等以AuNi合金作为过渡层材料，采用热等静压（HIP）方法进行V-4Cr-4Ti/HR2钢扩散连接。

3结语

热等静压设备和工艺日益改善，应用领域不断扩大，目前热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业。热等静压技术能使粉末冶金件在高温高压的作用下实现全致密化，晶粒细小，大幅度提高制品的宏观力学性能的均匀性，有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变性能，而且能够实现近净成型，是制备新型材料的重要手段。

对于难以焊接或材料性能相差较大的异种材料，热等静压方法能够通过异种材料间的原子扩散形成性能较为满意的连接接头。因此，热等静压扩散连接是一种可在多个领域推广的技术方法。

参考文献；

[1]谌启明，杨靖，单先裕，等.热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属及硬质合金，2003，31（2）：33.

[2]关明鑫.热等静压在粉末冶金中的应用[J].天津冶金，2001（5）：40.

[3]詹志洪.热等静压技术和设备的应用与发展[J].中国钨业，2005，20（1）：44.

[4]张义文.热等静压技术新进展[J].粉末冶金工业，2009，19（4）：32.

[5]陈飞雄，强劲熙，贾佐诚，等.热等静压法制取复合硬质合金轧辊[J].稀有金属材料与工程，1998，27（3）：177.

[6]尚文静.热等静压（HIP）技术和设备的发展及应用[J].有色冶金设计与研究，2010，31（1）：18.

[7]张善勇，隋玉俭.铸造高温合金的热等静压致密化机理[J].钢铁研究学报，1985，5（S1）：77.

[8]徐建庭，庄景云，许静君.热等静压（HlP）―消除铸件缺陷的有效方法[J].钢铁研究学报，1982，2（1）：29.

[9]呼和.镍基铸造高温合金的热等静压处理[J].金属学报，2002，38（11）：1199.

[10]马富康.等静压技术[M].北京：冶金工业出版社，1991：302.

[11]张鹏程，邹觉生，铍/HR-2不锈钢热压连接界面扩散区成分分布模拟[J].核动力工程，2003，11（1）：1.

[12]张鹏程，白彬，杨江荣，邹觉生，压力对被/HR-1不锈钢扩散焊的影响[J].稀有金属，2003，27（1）：1.

[13]张贵锋，张建勋，包亚峰.日本关于固相扩散焊界面空洞收缩机理的研究[J].焊接，2001（10）：14-18.

粉末冶金篇3

大马士革钢兴衰史

用现代术语来说，只含一种成分的钢称为单体钢，含两种以上成份的钢称为复合钢，大马士革钢可以看作是呈现出明显纹路的复合钢。大马士革钢在古代是高档优质钢材的代表，因为对于单体钢来说，其硬度和韧性永远是一对不可调和的矛盾――钢材的含碳量越高，硬度越高，而韧性则越低，韧性低则易折、易崩口；含碳量越低，韧性越高，硬度低则使制成的兵器易弯、易卷刃。而大马士革钢由于是以两种钢材复合而成，因此在硬度和韧性上取得了很好的平衡。此外，大马士革钢所呈现的特殊纹路也是其独有的身份特征，不仅从外观上与其他钢材区分开来，其千姿百态的纹路还具有相当高的艺术效果，体现了不同地区乃至不同制作者的独特风格。

到了近现代以后，现代工业炼钢技术飞速发展，人们不仅能够控制钢材中碳元素的含量，还可以随心所欲地控制铬、钼、钒、锰、钨、硫、磷等元素的含量，这在古代是很难做到的。这些元素对钢材的性能起到至关重要的作用，如铬可提高钢材的硬度、强度，并提高其抗氧化性，形成不锈钢，而硫、磷是有害元素，在钢材中的含量越少越好。现代技术可使化学元素含量达到最佳状态，从而使得现代单体钢的性能远远超过了古代的水平。这种情况令大马士革钢日趋没落，在很多人眼里，大马士革钢已成为一种“中看不中用”的奢侈品，只能作为单纯观赏性的工艺品把玩。

那么，假如使用两种现代单体钢结合制成大马士革钢，是不是性能更加优异呢?理论上说这是肯定的，但在实际操作当中，则面临着似乎无法克服的困难：由于现代优质钢材都是合金不锈钢，在高温条件下，钢材表面必然发生氧化，而现代优质钢中的铬、钨等元素的氧化物熔点高于钢的熔点，这些氧化物夹在欲锻合的两片钢材中间，使它们无法合为一体，即使勉强锻合，也会有“夹灰”的现象，层间结合得非常不紧密。因此，合金元素能使单体钢的性能大大提高，但同时又给折叠锻打技术制造了严重的障碍。有人采用的解决方法是在无氧环境下锻造，虽然可以成功，但这种方式成本太高，过程过于繁琐，操作难度非常高，难以得到广泛应用。

粉末冶金峰回路转

正所谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。20世纪后期，瑞典发展起来的粉末冶金炼钢技术，为大马士革钢带来了新的转机。

上文说，现代炼钢技术可使化学元素达到最佳配比，但这种技术并非完善。传统的炼钢方法，是在炼钢炉中将液态钢水通过吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫、直接加入某种金属等方法达到所需的各种元素的配比，然后进入由耐火砖或耐火水泥制成的钢包中，再由钢包中倒入铸模中冷却，得到钢锭。在这个过程中，炼钢炉中的各种化学元素分布是最均匀的理想状态，而进入钢包以后，温度开始降低，这时钢水中的同种成分就会发生聚集现象，等到进入铸模中完全冷却，聚集现象更加严重，化学成分就远不及在炉中时均匀了。有一句俗语说“炉中是金，包里是银，冷却是石”，就是这个意思。

而粉末冶金技术，是当钢还完全是液态时，在无氧环境中从炉口中倒出，同时以高压氮气把钢水吹成雾化状态，使其化学元素来不及聚集就迅速固化成粉末，这样才得以保持其均匀的元素分布。此后在持续高温、高压的密闭容器中，将金属粉末重新焊接为成型钢材。由于元素分布均匀，这种技术炼出的钢材明显优于普通炼钢法生产的钢材。

过去，人们最喜欢用154CM钢材制作刀具，它本来是用于制造飞机螺旋桨的，后来由机螺旋桨不再使用钢材，154CM就停产了。但刀具行业仍有需求，日本企业根据154CM元素含量的数据，用传统技术重新炼出了新的钢材，并将其命名为ATS34。瑞典Erasteel公司同样参照154CM的元素含量标准，但采用粉末冶金技术生产出了一种名为RWL34的钢材，通过对比，其性能明显优于日本的ATS34。

那么，粉末冶金是如何用于制作大马士革钢的呢?1992－1995年间，瑞典Erasteel公司在粉末钢的生产工艺流程中，增加了一套粉末分模的设备，使两种钢材的粉末通过这套分模设备按一层层的方式排列起来，再进行下一步的高温高压焊接过程，就形成了平行纹路的粉末冶金大马士革钢。采用另外不同的分模设备，还可以制成同心圆、马赛克两种纹路的钢材。这种粉末冶金的大马士革钢材具有超高的强度、层间强度、韧性和弹性，因为其突破了传统的折叠锻打制造方法，所以可以使用最合适的钢材进行熔合，完全消除了折叠锻打过程常出现的“夹灰”、层间局部焊接强度低等缺陷。此外粉末冶金制造的大马士革钢抗腐蚀性强，易于保养。这一技术现已申请了专利，并基于此在母公司的基础上专门成立了一个新公司――Damasteel。

纹路形态无限可能

经过上面的步骤所得到的是圆柱形的钢锭，通过轧辊，可变细变长，形成棒料。Damasteel公司的棒料产品有3种基本纹路――平行纹、同心圆纹和马赛克纹。平行纹和马赛克纹的棒料还可以通过以圆柱的中心线为轴扭转，以改变其内部的纹路状态，扭转的角度不同，效果也不一样。

以这3种棒料为基础，可以制成多种纹路的板材。最直接的方式是锤锻，即用气锤直接将棒料锻造成条型钢板。由于棒料的纹路是从横截面看的，而板材的纹路是从表面看的，因此即使是直接锤锻，板材的纹路形态也会与其棒材完全不同。如同心圆的棒料锤锻后形成完全没有规则的纹路，称为随机纹；扭转过的平行纹棒料锤锻，形成扭绞纹；马赛克纹的棒料经过扭转并锤锻，形成火焰纹的板材。

要想得到更复杂的纹路，还可以采用模锻技术，这需要先制作模具，经模锻后板材的表面部分凸出，再将凸出的部分磨平，其表面就形成了与模具相似的纹路。现在常见的大玫瑰、小玫瑰、奥丁眼、鱼骨等纹路都是以同心圆棒料锤扁后模锻而成的，而天梯纹是马赛克纹棒料锤扁后模锻而成。用这种方式，只要制作相应的模具，几乎可以得到任何想要的纹路。

熔合制造何为最佳

从理论上说，利用粉末冶金制造大马士革钢，可以选取世界上任意两种钢材熔合，但实际操作还要有所把握的。原始钢材的选择一般要考虑以下几方面因素：性能互补――成分搭配应满足于特定的应用；热处理参数――两种钢材应该有相同或近似的热处理工艺参数；热工效应――两种钢材应有相同或近似的热工效应，以保证锻打或热处理时不影响钢材性能；腐蚀纹路――两种钢材中至少一种元素含量有足够差异，以保证纹路的清晰程度。

Damasteel公司采用RWL34与PMC27两种钢材熔合以制造刀具钢材。经酸洗后，RWL34发亮，而PMC27发黑，钢材表面形成条理清晰的纹路。它的硬度可达60HRc以上，并可保持极佳的韧性。Damasteel公司将其命名为“93x.y马氏体大马士革刀具不锈钢”(Damasteel生产的大马士革钢的名称都以数字9开头，以第二位数字区分种类，x.y表示是由两种钢材复合而成)。除此之外，Damasteel公司还有3种大马士革钢产品，分别为：95x.y奥氏体大马士革不锈钢，也称“首饰钢”，其抗腐蚀能力强，不能淬火，无磁，适于制作餐具、珠宝、表壳、手镯、家具五金件等；96x.y马氏体大马士革枪管不锈钢，硬度可达50HRc以上，特点是韧性高，机械加工性好，有磁性，抗腐蚀性在93、95系列之间，可用于制作高级猎枪、手枪枪管及部件等；92.x.y低合金高硬度大马士革钢，硬度达55HRc以上，其特点是热加工性能好，锻造焊接性好，但抗腐蚀性较差，可用于制作猎枪枪管(适合烤蓝等表面处理)、刀具、伐木斧等。

应用前景广泛

大马士革刀具钢主要用于制作各种形式的刀具：有人用它做猎刀，用来剥皮、割肉，都很好用；也可以做成小巧的折刀，随身携带，遇到割绳子、开纸箱等事情，都可以用它轻松搞定。虽然这些事用普通刀具也能完成，但用大马士革的感觉是不一样的。还有人用它制作传统的长剑，光是钢材成本就要几千元，极尽奢华之能事。

低合金大马士革钢适合制作高档礼品枪。传统的礼品枪往往采用景泰蓝工艺，但由于材质原因，景泰蓝与枪身的结合都不是特别坚固，常常经不起连续射击时的振动，会出现脱落的现象。而使用大马士革钢直接制造枪身的话，不仅使其艺术欣赏性大增，而且也是从冷兵器到热兵器的一种精神传承。

粉末冶金篇4

摘要：文章针对粉末冶金进行分析，并对难熔金属金属、钛基合金、氧化物弥散强化合金、超高温合金以及喷涂合金粉末等多种带有明显特征的航空发动机的粉末冶金技术。在这其中，对钛基合金粉末与高温合金粉末以及喷涂合金粉末的制造预备的关键进行重点的研究和探析。还对喷射成形和热等静压以及注射成形以及迅速成形的工艺特征与发展状态。最重要的是对粉末冶金技术在航空发动机的使用进行全方位多角度的研究与探析，并做以简单的论述，为相关人员提供参考意见。

关键词：粉末冶金技术航空发动机应用

中图分类号：V263文献标识码：A文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0010-03

粉末冶金技术的特点是对性能高的材料进行制造的技术，并且对航空发动机有直接和紧密的联系。粉末冶金技术不但可以制作配备出没有宏观偏差、晶粒细微、组织非常均衡、各向同性、热加工性能过硬的复合材料与合金材料，大大提升了粉末冶金材料的疲劳能力与屈服能力，还可以实现零部件的最终成型。粉末冶金技术在航空的发动机的重要热端零件与别的航空发动机零件的全新材料的优质制造设备科学技术。航空飞机的心脏是航空发动机，而航空发动机性能的好坏会直接影响到飞机的众多指标和安全性质。伴随我国航空发动机转向多元化、多性能以及大型化的角度扩展以及在涡轮之前燃气的不断提升，零部件承受更大的负荷压力，工作的状况也越来越恶化，与此同时，对航空发动机的重要部件的功能的标准提出了更为严峻的要求。另外，涡与涡轮叶片的重要部件可以承担的压缩比与燃烧的温度更能够提升航空发动机的燃油的经济特征，降低排放与延长航空发电机的使用年限。根据以上的陈述，性能较强的航空发动机的发展壮大与粉末冶金技术的提升存在紧密的联系。文章主要是针对在航空发电机中应用众多形式不同的粉末冶金材料和粉末冶金设备、粉末成形以及粉末的增强重要技术进行的分析，使粉末冶金技术可以在航空的发动机中得到有效的应用。以下是具体的论述。

1在航空发动机中使用的粉末冶金材料具体种类

1.1P/M钛基合金

钛基合金的优势是耐腐蚀性强、强度较高以及热强的性能强。其最主要应用在对航空发动机的压气机的中压气机中的机盘、机叶、风扇以及连接环与导航仪。钛合金取代钢或者是高温合金能够显著降低发动机的所承受的重量，提升发动机的推重比重。以上零部件的标准是在高温的状况下呈现非常强的强度与高温的蠕变抵抗力，持久的强度与稳定组织性。P/M钛合金的伸拉所具备的性能可以大大超出熔断材的质量。但是在P/M钛合金中出现的杂质所含的数量以及钛合金的孔隙，这些都会使钛合金出现疲劳性的减少。在提升密集度与精华工艺程序是P/M钛合金当前最应该解决的状况。

钛合金金属间的化合物的复合材料主要是由氧化物、碳化物以及二硼化钛等颗粒当成提升相，其主要的特点是抗氧化的能力非常强、抗蠕变的特性也非常强、密度较低。温度可以到达816℃～982℃之间。促使钛合金能够在航空发动机应用的位置是从风扇与风压机变换到涡轮长中，并且合适于制造预备的高压压气的发电机的机片以及低压涡轮的发电机的也变。钛铝合金的基复合的材质是使用粉末冶金、高温组合、热压以及静压、放电等离子体的烧结和喷射堆积、冲击波的固组成法等方式的制作设备。但是钛铝合金的基复合的材质会增大热加工的难度性，整体的功能性也要大力提升，在当前的航空发电技术中还没有应用此项技术。

1.2喷涂合金粉末

热喷涂粉末会应用在航空发电机的抗高温烧浊涂层、封闭涂层、热障涂层抗磨抗损中，涂层技术对于航空发电机的重要部位进行高温的防护，以及封严耐磨、高温零件的阻燃和防止磨损的状况中，存在非常重要的价值。涂层不仅可以提升发动机重点零件在高温的影响下抵抗侵蚀的重要性，以及在炎热的状况下出现抵抗零件疲劳的能力，以此增加航空发电机的使用年限。热喷粉末的成分具体是指：氧化物陶瓷粉末、合金粉末、金属陶瓷粉末以及纯金属粉末。在美国的飞机的发电机中使用的热喷技术所需的零件数目大概是7000件除外。热喷涂粉末和别的冶金所需要的粉末有很多不一样的地方，它对粉末的要求非常高，具体体现在粉末的颗粒形状要小而精、要具备高度的球形、良好的流动、颗粒的分布范围要小、所含的气体和杂质量一定要低、松装的密集程度要符合规定的标准。

1.3氧化物弥漫强化合金

镍基氧化物弥散强化合金可以当成涡轮喷气发动机器中的涡轮叶片和导向叶片，这种粉末不仅可以在高温的状况下得到有效的使用，还可以忍受带来的负重疲劳、气体的蠕变以及气体受到的气势。镍基ODS合金能够抵挡强度较大的蠕变性质，其最重要的原因是氧化物存在的弥漫强化的作用和增强晶状物的移动与滑动。具有代表性的镍基ODS合金主要有3种，分别是MA754、MA600以及MA760。镍基ODS合金主要是运用热挤压制作方式以及机械合金的制作方式，主要有3个关键的步骤，分别是热挤压和热轧制、机械合金化以及进行热处理。只有提升氧化物弥散强化合金的氧化颗粒形状才能更好地提升科学技术水平，增添Hf匀速可以促使氧化物的颗粒的尺寸由原来的30nm减少到5～10nm（见图1），与此同时，也为氧化物的根本体积面的掌控创造了全新的方式，在强化晶界降低晶界逃离规定范围的方向开展工作，并且对柱状的晶粒所具有的力学性质存在的各异性提供解决方案，尤其是占据横向方位的晶界的蠕变的村若星的状况是增大镍基ODS合金使用的重点。

1.4难熔金属

铌合金、钨合金、钼合金以及钽合金都是难熔的金属。钼铜合金可以当成固体火箭发动机的帮衬材料，Ta-10W-2.5H合金主要应用于液体火箭喷管中的喷嘴，Ta-10W合金在火箭发动机中的喷管的阿波罗以及燃气的扰流片的实验燃烧的实验室中。在这些难熔的金属中，密度系数最小的是铌合金，并且强度呈现1100℃～1650℃中，仍然具有较强的焊接能力和对室内温度有效控制的能力，还能在薄板的制作以及制成外形非常繁琐的发动机的零件。钨合金可以打造成不需要进行冷却工作的火箭喷管、喷气叶片、热然器的反射器、用于离子火箭发射需要的离子环以及燃气舵。钨取代钼当成固体火箭发动机的喉管和喉衬，进口套管，可以把材料的运用所需的温度在1760℃的基础上提升到3320℃之上。如，美国的联合飞机企业就把钨铜两种材料进行融合，以此当成火箭发动机中的喷管隔板，钨铜融合的材质完全可以承受超出钨的熔点值3400℃。在当前的粉末冶金技术的发展中，难熔金属的高温氧化与高温形成的强度，以及高温材料的重量化是面临的最根本的挑战。

2粉末冶金的工艺

2.1镍基高温合金粉末

进行镍基合金粉末要具备含氧量低、制作预备的颗粒的形状要小还要具备较强的纯度的特点，是依据制作预备较强性质功能的粉末的涡的主要技术。当今存在两种方式都是十分重要的，一种是氨气雾化法制成AA粉；另一种是等离子旋转电极法的制粉。如，俄罗斯主要选用是等离子旋转电极法制粉，而等离子旋转电极法制粉的主要特点是夹杂物的尺寸过大、而等离子旋转电极法制粉的颗粒的形状又非常的大。在进行高温后的合金粉末正迈进无污染、没有陶瓷的状况下迈进。粉末的颗粒的径长的分类会阻碍粉末中不是金属融合的尺寸，还会合理科学提升声涡的使用年限和可靠性质，降低出现疲劳寿命的机率。另外，在针对粉末开展颗粒界面韧化与热处理强韧化的处理工作以及进行真空脱皮工作，可以提升材料的塑性与强度。

为解决VIM惰性气雾化德体系中存在的熔化金属和陶瓷资料从而出现的“陶瓷状况”。在最近几年中，我国已经研发了众多的制粉措施和纯净熔炼技术（见图2）。在ELGA的工艺施工中，预合金棒是电极，在电极逐渐旋转到达环形感应线圈的中间位置时，电极会发生熔化的变化，熔滴在准确进入惰性的气体中开展雾化工作。PIGA法主要是根据等离子弧在水冷的铜坩埚中开展熔炼工作，水冷铜坩埚的最底层要和感应器的加热漏嘴相互连接，没有陶瓷漏嘴系统要把熔化掉的金属溶液倒入气体的雾化喷嘴中开展雾化工作。在进行冷壁坩埚熔炼的气体雾化体系中，坩埚要具备一个最底端的浇筑体系，并且冷坩埚的底端浇注的方位和冷壁感应领导体系的相互连接，这个体系也可以使用在活性的金属中。如，在进行碳合金或者是TiAL的金属上的化合物熔炼工作中，在电渣进行重新的熔炉冷璧感应的导向工作中，要对电极的格式以及雾化的材料进行整体的创新，在电源头和熔渣的接触面积的开展熔化工作时，要把熔炼的金属溶液贯穿于具有活性性质的熔渣层，然后在融入到铜金属制成的水冷坩埚中。

2.2喷涂粉末

不一样的制作设备的工艺会促使粉末的颗粒形状、颗粒分布、颗粒状态以及颗粒的化学成分都会发生非常大地改变，这也会对涂层的能力产生一定的影响。制作设备使用道德喷涂粉末常用的方式主要有机械研磨、气体雾化、制造喷雾干燥颗粒以及水雾化。伴随科学技术的不断发展，喷涂的合金粉也研究出了全新的技术。

首先是等离子体球化的问题上，等离子体球化指的是运用等离子弧促使形态不一的原始粉末进行快速地加工并且使之熔化，使熔化的颗粒在基础的作用下产生非常高的球状度的液体，在非常高的温度中使滴液得到快速地凝固，以此使球状粉末得到有效保存。这也是一项制备非常的密实、解决纯度较高的热喷涂抹粉末的方式，图3是运用气流磨分级和分散以及与等离子球化星湖融合的工艺，制成的球状的钨粉。

2.3纳米粉体进行再次的造粒

纳米粉体是热障涂层的主要原材料。主要优势是有较强的抗热震能力和较强的隔热性能。可是纳米粉末不可以进行直接喷涂工作，必须借助喷雾干燥剂和之后的处理制作而成微米级别的团聚体的粉末。纳米粉体二次造粒的主要步骤是：第一，运用球磨混合一级超声把纳米结构所具有的信息，合理有序地分布在液体的介质中，并且要添加有机的粘合剂；第二，要把所得到的溶液使用喷雾干燥剂制成纳米结构的聚集体；第三，要把纳米结构团聚集在一起，使之能够快速去除水分，还要去除吸附在化学附氧，为更好地推进一些烧结或者是加热内部整合的温度，以此获得纳米结构的喷涂的粉末数据，使之可以在以往的热喷涂喷枪上得到有效的应用。

2.4喷射成形

喷射成形的技术主要是把液态金属的快速凝固与熔滴动态致密固化相互融合，并且这也是流程在快完成阶段而飞速凝固的固体材料的全新技术。喷射成形的优势是较高的整体致密度、较低的氧含量以及组织细小匀称。可以提升完善高温合金中的热加工的塑性，提升材料的整体力学的功能和能力，合理改善合金的加工，使之更加与预制设备的高温合金性融合，还能够节省众多和压制相关联的工艺环节。

3结语

总而言之，要把粉末冶金技术科学、合理、有效地应用在我国的发动机中，并且使其发挥最大限度的价值和重要意义。促进我国航天发动机得到更好地发展，为我国的航天事业奉献更多的力量。

参考文献

[1]曲选辉，张国庆，章林.粉末冶金技术在航空发动机中的应用[J].航空材料学报，2014，34（1）：1-10.

[2]张鹏，朱强，秦鹤勇，等.航空发动机用耐高温材料的研究进展[J].材料导报，2014，28（11）：27-31.

[3]袁征宇.某航空发动机粉末冶金涡低循环疲劳寿命研究[D].湖南大学，2012.

[4]杨升.FGH4097粉末高温合金在航空发动机中的研制与应用[C]//中国科学技术协会、贵州省人民政府.第十五届中国科协年会第13分会场：航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集.中国科学技术协会、贵州省人民政府.2013.

[5]王博.粉末冶金FGH4169高温合金的制备、组织、力学性能及热加工性能研究[D].中南大学，2014.

[6]韩志宇，曾光，梁书锦，等.镍基高温合金粉末制备技术的发展现状[J].中国材料进展，2014，33（12）：748-755.

[7]罗江山.粉末冶金TiAl基合金的晶粒细化及其效应研究[D].中国工程物理研究院，2014.

[8]唐民锋.从F-135发动机技术特征展望军用航空发动机维修保障模式的发展趋势[C]//中国航空学会.2015年第二届中国航空科学技术大会论文集.中国航空学会.2015.

粉末冶金篇5

其他行业，如工业模具和生物医学设备也正在利用这些高度自动化的流程。该流程可降低零件与零件间的变差，减少材料的浪费，并采取更少的步骤。新的流程和多种材料的选择扩大了这些技术的应用，对一些用于商业航空领域的结构部件具有越来越强的吸引力。

汽车产业是粉末冶金（PM）零件最大的消费者，其次是工业发动机和操控系统。金属粉末工业联合会副总裁吉姆·戴尔表示，汽车变速器可能包含多达55个用粉末冶金制成的零件。

GKNSinterMetals公司美洲销售和市场营销副总裁克里斯·弗兰克斯告诉我们：“我们看到了用于汽车制造的粉末冶金产品的总量每年在不断增加。我们正在改良材料来开发对特定应用程序更有针对性的加工流程。”

该汽车涡轮增压器的叶轮是由德国巴斯夫公司对GHS-4合金进行Catamold催化离散加工制作而成，其中含有铁、镍、铬、钼、碳、硅、锰、钒和钨。

使用粉末冶金技术创建近似网型的结构部件的制作工艺可以形成具有高温或者高压强的部件。挤压并烧结的粉末冶金技术使用高压下的自定义模具制成金属粉末，再通过烧结加热零件。另一种方法是用于制作较大型部件的热等静压（HIP）。戴尔说：“粉末冶金技术制成的零件其尺寸限制在42磅左右。”“大多数粉末冶金技术制成的零件其重量不到5磅。现在，当压力机和应用部件体积变得越来越大时，单个零件的体积也越来越大，重量也越来越重了。”

粉末注射成形技术（PIM），结合了传统注塑机的功能，利用粉末冶金技术的精度和材料的灵活性来制作复杂的几何形状。粉末注射成形技术能够产生介质来高度容纳形状复杂，表面纹理多样，细节错综复杂的一致性组件。组件可以连接几个部件，消减加工步骤并缩短制作周期。

巴斯夫公司北美洲Catamold产品业务经理斯科特表示，粉末注射成形技术最大的应用领域是医疗、消费类电子产品、机械设备、航空航天、汽车和一般消费品行业。他说，巴斯夫公司不断增加对各行业中粉末注射成形技术的调查，调查结果显示其增长率在不断增加。“越来越多的公司想做精益生产和持续改进，因此他们更仔细的审查粉末注射成形技术，因为它提供了良好的整体价值。”

粉末注射成形技术可以通过合并多个步骤来降低成本，如纹理和标签，或多个部件。贾斯特斯说：“根据不同的应用，当你分析每部件的用途以及它们为何独立时，你也许可以将其设计成一个单一的部部件。”

贾斯特斯说，与其他粉末注射成形工艺相比，巴斯夫公司的Catamold催化离散工艺有三个主要优点。其更快的生产周期，提高了能力，并实现了一个真正持续的加工过程或者批量制造。他说：“其他非催化粉末注射成形工艺很难实现这一点，因为他们的生产时间太长了。”“当Catamold集中在部件上时，它提供了更好的空间控制和稳定性。不管是什么合金，它都可以更容易地加工绿色生态部件，来增加那些难以加入注射成型的新形状。”

CapstanAtlantic公司凭借该粉末冶金技术制成的合金钢动力输出离合器轮毂，赢得了2012年金属粉末工业基金会工业电机/控制与液压类的优秀设计大奖。这个复杂又多层次的部件，取代了机械加工设计，具有80，000磅/平方英寸的极限抗拉强度和90，000磅/平方英寸的屈服强度，可以承受使用中非常高强度的扭转。

弗兰克斯说，与传统的锻造和铸造工艺相比，粉末冶金材料的设计更加自由。“我们可以将其制成网型来帮助开发减轻车辆重量的新技术和其他节约燃料的技术。”例如，用于大多数汽车应用中可变气门正时技术，先进的行星齿轮和手动变速箱，以及最重要的离合器。否则，这些配置文件和形状需要进行机械加工。

弗兰克斯说，有些形状可以用粉末冶金技术制成，不然将需要进行密集的机械加工，但由于成本、能力和资本等因素，这在工业上是不可行。他说：“如果没有粉末冶金技术，今天很多的汽车创新都是无法实现的。纵观我们服务的所有行业，我们看到它在原始设备制造商和开发粉末冶金技术的企业中越来越多得到认可。”

弗兰克斯说，虽然是一种特殊产品和加工工艺，但铝粉末金属已经不再新奇。GKN看到了用户对扩大其使用的兴趣越来越浓厚，尤其是在汽车领域。在一些依靠粉末冶金技术的产品线上，减轻车辆重量是主要动力。

特别是对使用依靠粉末冶金技术的设计来说，无论是制作其他工艺无法制作的形状还是满足批量生产的需求，粉末冶金制成的铝都是一个很棒的解决方案。“我们还进行材料开发来增加强度、耐磨度和导热系数。”

贾斯特斯说，烧结给金属带来了很多优势，如粉末金属可以很容易地结合，并且在浇注工程中消除金属的偏折问题。

每个粒子都可以被制成独特的或与其它粒子相似化学性质。因此，要么粉末可以被铸成合金，要么所需的材料可熔化在一起作为最终的化学反应，制成颗粒，然后研成粉末。粒径可以被精确控制，带来不同程度的孔隙度。戴尔说：“一旦获得高密度，你将有效地拥有与铸造材料相同的材料性能。”

由于粉量可以控制，单独的部件至部件的重复性非常高，所以模具公差需严格控制。根据部件的大小，每英寸上进行上千次测量。“你可以达到接近机械水平的公差，紧密的无需额外的加工。情况虽不是总是如此，但往往是这样。

弗兰克斯说，与其他金属制造方法相比，粉末冶金技术使用废弃材料的比率很高。它也是一项绿色环保技术，其所有的原料都来自二次废料。

DynametTechnology公司首席执行官StanleyAbkowitz说，经过铸锭熔炼和加工，去除30％的材料，得到纯锭。“然后，把它加工成一个轧制成品，如金属条、金属板或者薄片等，并从中加工部件提供给客户。成份购买挥发的比例在飞机制造工业根据形状可高达40或50比1。材料越少，机械加工越少，这个比例越低。加工锭的标准比率是在10：1至15：1之间。

戴尔说，在航空航天领域，虽然为了某些部件不断进行改变，但强度要求往往是粉末冶金的一个难题。一个标准的喷气发动机含有4000磅的粉末冶金材料，其中大部分由热等静压制成网形。然后，切断金属条或者钢坯，并将它们加工成发动机组件的最终形状。

贾斯特斯说巴斯夫公司正在开发一些尚未的粉末金属，特别是镍基合金100和713，它们都是面向航空航天领域的。还有大量跨应用程序的工业研究与开发工作。“主要聚点之一是寻找方法可以使用注射成型的手段制造更大的部件，以提高产量并总体改进加工工艺。”

戴尔说，由于材料的固定组合，导致了一些对加工的限制。例如，航空航天组件包含一些极难获得的高温合金，选择它们是由于其性能和强度。例如，镁可以被铸造，钛也可以，但钛很难进行机械加工。几乎所有钛的制作都是由粉末加工开始的。

DynametTechnology公司是钛粉末冶金技术的领军人。2月，该公司收到来自波音公司的里程碑式的资格认可，为其商用飞机的结构部件提供Ti-6Al-4V合金产品。这一认可是经过几年在开发和认证上的努力工作得来的。

根据材料规范的条款，Dynamet是唯一有合格为商波音民用飞机集团制造Ti-6Al-4V粉末合金产品的公司。波音公司将开始用粉末冶金制成的合金取代标准机械等级的合金，如金属条、金属板、铸件、锻件和挤压产品。

Dynamet的制造技术生产出基本形状和近似网形的粉末金属钛。它包括混合元素钛和合金粉末的冷凝固和真空烧结。之后可能进行也可能不进行热等静压。Abkowitz说，例如，其节约成本能是轧制产品的机械加工技术的50%～70%。

粉末冶金篇6

Abstact:Metallurgicalindustrywasteisthemainby-productsofsteelmetallurgicalindustry.TheSteelproductioninourcountrythehighestintheworld,butthereasonableutilizationrateofsteelindustrywasteislow.Itispartoftheindustrialwaste,notonlytakesalargespace,butalsoisenvironmentalpollution.Reasonableuseofmetallurgicalindustrywaste,optimizationratio,innovationengineeringpractices,appliedtotheconstructionoftheproject.Toshortentheconstructionperiod,improveworkefficiency,savingbuildingmaterials,reducethecostfortheprojectinvestment,improvetheeconomicbenefitofpurpose.Bothplayedametallurgicalindustrywastecharacteristics,butalsoreducetheengineeringmaterialcost,expandthescopeofapplicationofengineeringmaterials.Metallurgicalindustrywastehighwaysubgradetreatmentmethodoftheapplicationofthetechnology,theuseofindustrialwasteproportionandrangecontrolrequirements,theactualengineeringconstructionofhighwaysubgradetreatmentcanbepracticalapplicationandpromotion.Thustosavebuildingmaterials,reuse,reducecost,energyconservationandemissionreductioningoodeffect.

中图分类号：U213.1文献标识码：A文章编号：

作者简介：史钰1964年出生、男、满族，辽宁岫岩人、现供职于新兴际华进出口公司物流工程项目部、工程师、本科、研究方向为工程施工技术。

正文：

冶金工业废渣在公路路基处理工程中的应用技术

一、技术领域：

适用于钢铁冶金企业及其周边区域公路路基处理工程。

二、背景、技术及内容：

随着建筑行业改革发展。建筑业的生产方式和组织结构的变化，工程项目责任制的贯彻落实，工程项目管理水平得到有效提升。根据建筑行业对工程建设工期、人工劳效、建筑材料的需求，合理利用冶金工业废渣，进行优化配比，创新工程做法，运用到建筑工程当中。达到了缩短工期、提高劳效、节约建材、降低工程成本投入，提高经济效益之目的。结合工业废渣的化学成分及物理特性，合理改进常规工程施工技术做法，使工业废渣变废为宝，应用到建筑工程当中，缩短了工程建设工期，减少了工程人力投入，节约了大量工程材料成本。下面就几个方面论述冶金工业废渣在公路路基处理工程中的应用技术。

1、在公路路基处理工程中可利用冶金工业废渣的种类以及成分、物理性能。

(1)、炼钢后不能再生产利用废弃钢渣。

钢渣成分：氧化钙、氧化硅、氧化镁、氧化铁、其它氯化物。

钢渣成分比例：

氧化钙（CaO占41%）。

氧化硅（SiO2占11%）。

氧化镁（MgO占5%）。

氧化铁(Fe2O3占5%)。

其它氯化物(占39%)。

钢渣的物理性能：粒径在40mm左右，具有密度大，强度高，表面粗糙，稳定性好，耐磨耐久性强的特点。颗粒具有孔隙，透水性能强，与混凝土结合牢固，对基础周围混凝土、黄土无腐蚀性。

(2)、烧制白灰后不能再生产利用废弃石粉。

石粉成分：石子、石子粉末、白灰、杂土。

石粉成分比例：

石子（粒径《20mm）、占45%。

石子粉末（粒径1mm左右）、占40%。

白灰颗粒（白灰窑未烧透的返白灰粉颗粒，粒径1.5mm左右）占10%。

杂土（呈粉末状）占5%。

石粉具有稳定性好，透水性能强，与混凝土结合牢固，对基础周围混凝土、黄土无腐蚀性。

(3)、炼铁后的外排水渣。

水渣成分比例：

锰（Me占40%）。

二氧化硅（SiO2≤35%）。

氧化铁(Fe2O3≤19.4%)。

氧化钙（CaO≤5%）。

硫（S≤0.5%）。

磷（P≤0.25%）。

水（H2O≤1%）。

水渣粒径在2mm左右具有潜在的水硬胶凝性能，无腐蚀性，耐高温。常用作水泥原料。

2、公路路基处理工程中应用冶金工业废渣项目以及相关创新技术工程做法

2.1公路钢筋混泥土路面下路基处理相关创新施工技术工程做法：

(1)、路基基槽开挖至设计深度，对原土找平碾压密实。

(2)、铺筑200mm厚粒径≤40mm钢渣。分二层碾压密实，每层厚度为100mm，要求第一层底部钢渣嵌入原土层中。

(3)、将钢渣与石粉用施工机械按比例搅拌均匀，分层铺筑，碾压密实，每层厚度为100mm。比例要求为钢渣：石粉=6：4。要求所用石粉施工前必须经过所用洒水润湿，已使石粉中未烧透的返白灰粉颗粒遇水粉化，降低其膨胀性。所用钢渣粒径必须≤40mm。

(4)、将钢渣、石粉、水泥用施工机械按比例搅拌均匀，分层洒水铺筑，碾压密实，铺筑