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中秋快乐啊，好久不见了，现在越来越忙，日记也更新得越来越少。 本来这个中秋我打算和另外2个同僚去武功山，但感觉精力有点跟不上，就没去了。 昨天有个老友一大早6点多就跑去公园钓鱼，2个小时，无功而返，心烦意乱。 我说也许和目的地有关。 他说方法也不对，努力白费。 我说，也许时机不对，去早了，鱼还在睡觉。 于是我在家呆着，写这篇日记。 粉末冶冶金（PM=Powder Metallurgy）通常被认为是一种现代金属加工技术，其主要发展始于20世纪初。 然而，许多世纪以来，至少直到中世纪晚期，铁都无法被熔化，因此所有铁基产品都是通过固态冶金获得的，其变体类似于现代粉末锻造。 大约在公元前3000年，埃及人就在一种风箱中，用碳还原氧化铁得到海绵铁，经高温锻造制成致密块，再锤打成铁器。 公元5世纪，印度人利用此技术制造了一个高约7米，重6吨的柱子，这就是著名的德里柱，至今仍然屹立在新德里南郊。 现在博物馆中展示的几乎所有精致的武器和盔甲都是通过这种“粉末锻造”技术生产的。 随着18世纪焦炭炉的出现，其产量远高于旧的布卢姆炉，铸锭冶金占主导地位，粉末技术逐渐被遗忘。 现代粉末冶金始于白炽灯的出现。 1908年W.D. 库利奇开发出钨丝，成功地实现了大规模生产。那时钨几乎是不可能熔化的（钨的熔点达3000多度，难以融化），粉末冶金是获得可以锻造然后拉成细丝钨棒的唯一方法。 随后，这项技术推动了硬质合金刀具的发展。基于TiCN的金属陶瓷，制造出直径小于100 μm的电子微钻。 时至今日，该技术仍然在发展，并广泛应用于汽车，医疗，航空航天和核工业等领域。
粉末冶金法生产齿轮，汽车零部件等。 一个非典型例子是工业上用的自润滑轴承：如果从粉末气孔中抽出气体并将零件浸入润滑油中，则气孔中会充满油。此类零件在大多数小型旋转或往复式机械中用作轴承，在设备使用寿命期间无需进一步润滑。 还有驱动电机中的钕铁硼永磁铁，电机用铜浸渍石墨刷（有刷电机），以及具有可控孔隙率的金属过滤器，硬质合金等的生产，仍然离不开粉末冶金技术。 那么粉末冶金到底有哪些流程？粉末冶金有什么优缺点？ 今天我们就来了解一下。 粉末冶金的生产流程为：粉末生产-混合-压实（成型）-烧结-后处理（二次加工或热与表面处理等）。
粉末冶金的典型生产流程：粉末生产-混合-压实-烧结-二次加工或表面处理
粉末冶金的一般生产流程：粉末生产-混合-压实-烧结-二次加工或表面处理。 首先是生产粉末，然后把不同的粉末混合在一起，搅拌均匀，再把粉末倒入模具中，施加压力使其成型，最后把成型的粉末放置于烧结炉中烧结，让粉末之间结合，形成最终产品。 接下来，就每一个生产环节做进一步了解。 03 粉末生产 粉末的生产方法有很多，最常用的是雾化（Atomization），还原（Reduction），电解沉积（Electrolytic Deposition），粉碎（Comminution）等。 大多数商业粉末是通过某种形式的熔体雾化生产的，雾化是将液态金属破碎成小液滴的过程，这些液滴冷却并凝固成颗粒。
喷雾沉积粉末生产无缝钢管和管道示意图：感应加热熔化金属，氮气喷雾打碎金属，粒子喷射冷凝粉末到圆棒上，形成管道。
雾化生产金属粉末的方法：(a)气体雾化，使用气体打碎熔化的金属。(b)水雾化，使用高压水打碎熔化的金属。(c)用旋转盘或杯进行离心雾化。(d)使用旋转消耗电极进行雾化。
气体雾化示意图：通过气体把熔化的金属打散成颗粒，再通过冷却使其凝固成颗粒。
一些粉碎生产粉末的方法：如辊式破碎（Roll Crusher），球磨（Ball Mill），锤铣（Hammer Mill）等。 粉末冶金中最常用的金属是铁、铜、铝、锡、镍、钛和难熔金属等。 通过不同的方法，可以生产出不同颗粒的粉末。 颗粒的微观结构、体积和表面特性、化学纯度、孔隙率、形状和尺寸分布，取决于生产所使用的方法。 而这些特性又显著影响压实和后续烧结流程的流动性和渗透性。
不同的粉末生产方法，产生的粒径范围为0.1至1000 μm。
在扫描电镜下观察到的几种粉末形状：球形，圆形，角形，不规律形状，多边形，海绵体等。 混合（Blending/Mixing）是指将一种粉末与其他粉末，润滑剂，或者粘合剂混在一起，使粉末颗粒的形状和成分均匀，以在成品中实现所需的特性。
混合方法示意图: 转鼓，旋转双锥，螺杆混合机，叶片搅拌机。 由于单一粉末可能无法满足所有必要的性能，混合的目的是获得均匀性及所需的物理和机械性能。 润滑剂的加入，是为了改善粉末的流动特性，减少颗粒与模具之间的摩擦（由于颗粒往往具有磨蚀性，因此工具磨损是粉末成型中的一个问题）。 粘合剂的加入用来提高生坯强度。 混合一般在在空气、惰性气体（避免氧化）或液体中进行。 压实（Compaction）指的是使用液压或者机械装置，在模具中将混合粉末压制成想要的形状，压力在70-800Mpa左右。 通过压制，可以获得所需密度（压坯的密度取决于施加的压力）和所需形状，并具有良好的颗粒与颗粒接触特性。
压实金属粉末以生产衬套和直齿轮示意图。 压制的粉末称为生坯（Green Compact）。 压制通常在室温下进行，但也可以在高温下进行。 随着压实压力的增加，密度接近块状金属的理论密度。
压实密度随压力变化。 如果颗粒的大小相同，那么颗粒之间总会有一些开放空间，这个空间被称为孔隙率（Porosity），一般来说，孔隙率约为体积的24%。 引入较小的颗粒可以填充较大颗粒之间的空间，从而导致压块的密度更高。 密度越高，强度和弹性模量越高。 单向压力，最大密度出现在冲头表面正下方，使用双向压力，可以获得更好的均匀性并减少压实部分的孔隙率。
在不同的模具中压制粉末，密度随压力的变化示意图：双向压力比单向压力密度更高，分离的模具压头比整体的压头密度更高。 如果需要极其复杂的形状，可以将粉末封装在柔性模具中，然后浸入加压气体或液体中，该过程也称为等静压。 等静压又分为冷等静压和热等静压。 冷等静压（CIP=Cold Isostatic Pressing）：将金属粉末放入通常由氯丁橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯或其他弹性体制成的柔性橡胶模具中，在常温下施加压力。 热等静压（HIP= Hot Isostatic Pressing）：粉末压实和高温烧结在一道工序中完成，所以属于热压。
冷等静压生产管子示意图。
热等静压生产坯料示意图，压力和温度同时施加，温度可又感应线圈感应金属粉末产生热量。
陶瓷生产热等静压系统构成：主要由真空泵，空压机，加热，冷却，热电偶，温度控制器等组成。
不同的粉末材料施加的压力。
压力与孔隙率，压力与接触面积的关系。
不同应用施加的压力。
粉末冶金方法生产卷带示意图。 06 烧结（Sintering）是指将压实的粉末加热到特定温度：低于主要粉末颗粒的熔化温度，而远高于允许相邻颗粒之间扩散的温度，使得颗粒固态结合并强化零件。 烧结工艺通过填充初始孔，并增加压坯中粉末颗粒之间的接触面积，来提高最终零件的密度。
生粉，成型粉和烧结粉示意图。
球状铜粉经历不同烧结时间示意图。 烧结分为三个阶段： 燃烧：燃烧空气并去除润滑剂或会干扰良好粘合的粘合剂。 高温：发生所需的固态扩散和键合。 冷却：在受控环境中降低产品的温度。
加热，烧结，冷却示意图。（a）典型热处理周期（b）烧结炉产线。 时间、温度和炉内气氛是控制烧结过程的三个关键因素。 对于非常关键的部件，加热过程必须在受控的惰性或还原气氛或真空中进行，以防止氧化。
各种金属烧结温度和时间。 在烧结过程之前，压实的粉末预制件很脆，并且生坯强度很低。 颗粒之间结合的性质和强度，取决于粉末颗粒的扩散和塑性流动机制，以及挥发性材料从压实预成型件中的蒸发。 粉末颗粒之间的结合以三种方式发生：（1）粉末颗粒中微量成分的熔化，（2）粉末颗粒之间的扩散，以及（3）机械结合。 在烧结过程中必须发生足够的扩散，以确保均匀的化学成分和结构。
（1）粒子结合在接触点开始（2）接触点长成“脖子”（3）颗粒之间的孔隙尺寸减小（4）晶界在颗粒之间发展代替颈缩区域。 有两个概念需要区分一下：浸渍和浸润。 浸渍 浸渍是当油或其他流体，渗透到烧结部件的孔隙中时使用的术语。 常见产品是油浸轴承（正如开篇举的自润滑轴承例子）、齿轮和类似部件。 替代应用是用聚合物树脂浸渍部件，聚合物树脂以液体形式渗入孔隙空间，然后固化形成耐压部件。 浸润 浸润是在粉末冶金零件的孔中填充熔融金属。 填充金属的熔点必须低于粉末冶金零件的熔点，加热与烧结填充的金属，利用毛细作用，将填充物吸入孔隙中。 所得结构无孔，渗入部分密度更均匀，韧性和强度提高。 优点： 1.生产接近最终尺寸的零件。压制和烧结后的零件尺寸，基本接近最终的产品。 2.很少或者没有二次加工。通常粉末冶金不需要切割等二次加工。粉末冶金生产方法非常适合需要复杂的形状，因为在某些情况下，可以消除加工操作，从而节省大量成本。
锻造和粉末冶金钛零件成本对比。 3.独特的成分和结构。因为没有熔化，可以引入特定颗粒，以赋予特殊性能，例如刹车片中的二氧化硅和石墨，以及轴承中的孔隙率以保留润滑油。 4.可加工特殊材料。粉末冶金可以生产难熔金属和化合物、伪合金和多孔材料。 5.高纯度材料的制备。粉末冶金工艺在材料生产过程中不熔化材料，不会混入其他物质带来的杂质，在真空还原气氛中进行烧结，不怕氧化，不会污染材料。因此，产品的纯度比较高。 6.材料利用率高。因为粉末冶金可以压制成最终尺寸的压块，这种方法生产的金属损失仅为1-5%，而一般加工会消耗掉80%的金属。 7.量产降低成本。粉末冶金特别适用于生产大量形状均匀的产品，如齿轮等加工成本较高的产品，可大大降低生产成本。 缺点： 1.粉末生产成本高昂，生产粉末需要特种设备，投入大，成本高。 2.粉末冶金制品的强度和韧性较差。由于粉末压实形成的压坯内部气孔不能完全消除，因此粉末冶金产品的强度和韧性不如相应成分的铸锻件。
锻件和粉末冶金件机械性能对比。
铸造和锻造及粉末冶金钛合金机械性能对比。 3.粉末冶金不能制成大型产品。由于金属粉末的流动性比熔融金属差，其形状和尺寸会受到一定的限制，重量不会超过10公斤。 4.模具成本较高。由于压模制造成本高，仅适用于大批量生产。 5.潜在劳动力健康问题。粉末颗粒尺寸可以非常小，达到微米量级。用眼睛很难看到，也很难防止它进入肺部，对身体造成伤害。 —END— |
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