粉末冶金原理與工藝精選(九篇)
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第1篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞：粉末冶金；汽車零件；金屬粉末；高性能
粉末冶金材料是指用若干種金屬粉末或是金屬粉末與非金屬粉末作原料， 通過按比例配料、壓制成形、燒結(jié)等工藝過程而制成的材料。這種生產(chǎn)工藝過程也就是粉末冶金法， 它屬于一種不同于熔煉和鑄造的方法。由于其生產(chǎn)工藝過程與陶瓷制品工藝極為相似， 所以粉末冶金法又被稱為金屬陶瓷法。粉末冶金法不僅是制造某些具有特殊性能材料的方法， 同時(shí)也是一種無切屑或少切屑的加工方法。它具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、節(jié)省機(jī)床和生產(chǎn)占地面積等特點(diǎn)。但其也存在一定的缺陷，如金屬粉末和模具費(fèi)用高， 制品大小和形狀受到一定限制， 制品的韌性也較差。粉末冶金法常被用于制作硬質(zhì)合金材料、結(jié)構(gòu)材料、減磨材料、難熔金屬材料、摩擦材料、過濾材料、無偏析高速工具鋼、金屬陶瓷、耐熱材料、磁性材料等。
一、粉末冶金技術(shù)的含義及其特點(diǎn)
粉末冶金技術(shù)附屬于材料制備和成形的加工技術(shù)，而作為粉末冶金的雛形就是塊煉鐵技術(shù)，塊煉鐵技術(shù)也是人類最初制取鐵器的唯一手段，其對人類社會進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。
1、 粉末冶金技術(shù)的含義
粉末冶金的方法其實(shí)誕生已久。人類早期通過機(jī)械粉碎法來制取金、銀、銅和青銅的粉末，用來當(dāng)作陶器等的裝飾涂料。早在200年前，一些歐洲國家，如俄、英等國就曾大規(guī)模的制取海綿鉑粒，并經(jīng)過熱壓、鍛和模壓、燒結(jié)等加工工藝來制造錢幣和一些貴重器物。1890 年，美國的庫利吉發(fā)明用粉末冶金方法制造燈泡用鎢絲，從而奠定了現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的基礎(chǔ)。直到1910年左右，人們已經(jīng)開始用粉末冶金法來大量制造了鎢鉬合金制品、青銅含油軸承、硬質(zhì)合金、集電刷、多孔過濾器等，并逐步形成了一整套粉末冶金相關(guān)技術(shù)。上世紀(jì)30年代，旋渦研磨鐵粉和碳還原鐵粉技術(shù)問世后，從而為粉末冶金法制造鐵基機(jī)械零件較快的發(fā)展機(jī)遇。從第二次世界大戰(zhàn)后，粉末冶金技術(shù)得到了較快的發(fā)展，新型的生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備、新的材料和制品不斷出現(xiàn)，開拓出一些能制造特殊材料的領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)中的重要組成部分。
2、 粉末冶金技術(shù)的主要作用
由于粉末冶金技術(shù)的具有特殊優(yōu)點(diǎn)，使其已成為解決新材料問題的有效途徑，而且在新材料的發(fā)展中歷程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
粉末冶金技術(shù)由于其可以在最大限度地來減少合金成分發(fā)生偏聚，消除粗大且不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土發(fā)光材料、稀土儲氫材料、高溫超導(dǎo)材料、稀土催化劑、新型金屬材料上具有獨(dú)特的作用。同時(shí)還可以制備非晶、納米晶、準(zhǔn)晶、微晶以及超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料由于具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)性能。因此可以較容易地實(shí)現(xiàn)多種功能類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)?？梢陨a(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料等?？梢詫?shí)現(xiàn)凈近形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗?？梢猿浞掷玫V石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。
二、粉末冶金技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著汽車和飛機(jī)零件以及切削和成形工具發(fā)展的需要，粉末冶金制造零部件的強(qiáng)度和質(zhì)量都得到了較好的改善和提高。汽車制造業(yè)作為粉末冶金零件的最大用戶，1996 年汽車行業(yè)占有美國粉末治金零件的市場份額的69%，成為美國粉末冶金零件的最大市場。發(fā)展粉末冶金需要制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。
1 、向全致密化發(fā)展
粉末冶金的重點(diǎn)是超細(xì)粉末和納米粉末的相關(guān)制備技術(shù)，機(jī)械合金化技術(shù)，快速冷凝制備非晶、微晶和準(zhǔn)晶粉末制備技術(shù)，粉末粒度、結(jié)構(gòu)、形貌、成分控制技術(shù)，自蔓延高溫合成技術(shù)。粉末冶金技術(shù)發(fā)展的總趨勢是向超細(xì)、超純、粉末特性可控方向發(fā)展，從而建立以“凈近形成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模過程理論，如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。建立以“全致密化”為主要目標(biāo)的新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬技術(shù)。
2 、向高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展
粉末冶金制造零部件相關(guān)的新的成形技術(shù)層出不窮，如：粉末注射成形、溫壓成形、流動溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。目前， 粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發(fā)展。有代表性的鐵基合金，將向大體積的精密制品，高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件發(fā)展；制造具有均勻顯微組織結(jié)構(gòu)的、加工困難而完全致密的高性能合金；用增強(qiáng)致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金；制造非均勻材料、非晶態(tài)、微晶或者亞穩(wěn)合金；加工獨(dú)特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件。
3 、粉末冶金產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
由于相鄰學(xué)科和相關(guān)技術(shù)的相互滲透和結(jié)合.更賦予了粉末冶金新的發(fā)展活力。粉末冶金新工藝層出不窮。粉末冶金產(chǎn)業(yè)化是指這些技術(shù)已比較成熟。甚至在一些國家已有生產(chǎn)規(guī)模，但主流還處于研究成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的過程之中。其工藝、設(shè)備、市場等已為產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備了條件，可以產(chǎn)業(yè)化，取得社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。主要是指該技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、集群化、模塊化發(fā)展。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有汽車用粉末冶金零部件，汽車制造業(yè)仍是粉末冶金（PM）發(fā)展的牽引力；粉末注射成（PowderInjection Molding（PIM））溫壓成形技術(shù)（Warm Compaction）在眾多為提高PM 件密度的生產(chǎn)方法中。溫壓成形技術(shù)被認(rèn)為是最為經(jīng)濟(jì)的一種新工藝。本文將重點(diǎn)介紹以下產(chǎn)業(yè)化技術(shù)：
① 溫壓技術(shù)
溫壓技術(shù)在上世紀(jì)90 年代被譽(yù)為粉末冶金技術(shù)上重大突破，并于1990年取得了第一項(xiàng)采用一次壓制燒結(jié)工藝制備高密度鐵基（P / M）零件的美國專利。該技術(shù)可以使燒結(jié)鋼中的孔隙度降低到6 %左右，而傳統(tǒng)技術(shù)的孔隙度為10%以上，產(chǎn)品的密度能達(dá)到7.3g/cm3或以上，因此較大程度的拓寬了高密度、高強(qiáng)度燒結(jié)鋼零件在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的可能性。
② 模壁
模壁和溫壓是兩個(gè)平行的提高鐵基結(jié)構(gòu)零件密度的方法。近年來，發(fā)展最迅速的是干模壁技術(shù)，即采用靜電的方法，從而將干劑粉末吸附到模壁上進(jìn)行，從而很好的避免了濕模壁在制備過程中壓坯表面易于粘粉的缺點(diǎn)。
③注射成形
金屬注射成形（MIM）是一種將塑料注射成形與粉末冶金技術(shù)結(jié)合而成的近凈成形技術(shù)，此技術(shù)也是國內(nèi)外公認(rèn)的21 世紀(jì)粉末冶金的主流技術(shù)，被稱為“第五代加工技術(shù)”。而且該技術(shù)也最適于用來大批量生產(chǎn)一些三維復(fù)雜形狀的零件，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)作業(yè)，從而大大提高生產(chǎn)效率。目前，在一些發(fā)達(dá)國家，MIM技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)最具競爭力的金屬成形技術(shù)，而且開始大量用于不銹鋼粉末冶金生產(chǎn)。
三、粉末冶金機(jī)械零件的制造現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
我國粉末冶金技術(shù)起步較晚，自1958年誕生以來，一直是處在蹣跚學(xué)步的狀態(tài)中，而且一直不被人們重視，被當(dāng)做是一個(gè)沒有前景的小行業(yè)來對待。然而從世界粉末冶金行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來看，粉末冶金行業(yè)卻是一個(gè)最具市場活力，發(fā)展速度極快，同時(shí)應(yīng)用范圍也是最廣的冶金技術(shù)，尤其是日本在粉末冶金技術(shù)方面發(fā)展飛快，每年生產(chǎn)燒結(jié)含油軸承十幾億只。直到上世紀(jì)80年年代初，在我國體制改革的大潮中，粉末冶金零件行業(yè)正式劃歸當(dāng)時(shí)的“基礎(chǔ)件工業(yè)局”進(jìn)行管理，并結(jié)束了粉末冶金零件行業(yè)自身自滅的狀態(tài)，從而得到相應(yīng)的發(fā)展機(jī)遇。我國自上世紀(jì)90年代至今約20多年間，粉末冶金零件得到迅猛發(fā)展，同時(shí)也經(jīng)受住了金融危機(jī)的不利影響。
表1是我國自2007-2011年間粉末冶金分會53家會員企業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，雖然我國粉末冶金行業(yè)目前顯示出盎然生機(jī)，但也面臨著各方面的挑戰(zhàn)。現(xiàn)筆者將自己的針對其中的一些問題以及看法和相應(yīng)的意見提供給大家參考：
四、粉末冶金機(jī)械零件制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景
近年來，由于人們生活觀念的改變，同時(shí)人們的環(huán)保意識也不斷提高，因而輕量化的汽車也越來越受人們的親睞，從而汽車工業(yè)也開始大量使用輕質(zhì)合金材料，如鋁合金、鎂合金來生產(chǎn)汽車零部件。也正是由于粉末冶金能夠很好的避免成分偏析，又可以滿足具有各種特定性能的零部件一次性成型的要求。
目前粉末冶金汽車零件主要有兩個(gè)市場，一個(gè)為汽車生產(chǎn)商市場，另一個(gè)為汽車維修服務(wù)點(diǎn)，即維修配件市場。而汽車生產(chǎn)商市場則是粉末冶金零件的主要市場，通常情況下，汽車生產(chǎn)商會與粉末冶金零件制造企業(yè)進(jìn)行定向合作，從而導(dǎo)致其他零件制造企業(yè)難以插足獲利。而維修配件市場相對來說則要開放的多，而且需求量也較大，但大多都是存在某些質(zhì)量問題的貨物。從表2可知，我國在汽車制造行業(yè)中對粉末冶金技術(shù)制造的零件的使用量只有日本的2/3左右，但我國的粉末冶金制造的零件的總量卻要比日本的多，可見粉末冶金汽車零件的市場潛力是巨大的。
我國目前汽車行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，因此也給我國粉末冶金零件制造企業(yè)帶來了難得市場機(jī)遇。同時(shí)根據(jù)美國一家信息分析中心預(yù)測，2020年我國汽車銷量將達(dá)到2000萬輛，屆時(shí)中國將超過美國成為全球汽車銷量第一的國家。而我國粉末冶金汽車零件的主要制造企業(yè)有三十多家，且其主要生產(chǎn)的零部件為汽車所使用的一些軸承或者是小配件，總體呈現(xiàn)出還是處于相對來說較為低端的位置，而關(guān)于發(fā)動機(jī)或調(diào)速箱等關(guān)鍵部位的零部件則基本上是整體通過國外進(jìn)口，同時(shí)隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢的不斷加速，我國粉末冶金企業(yè)畢竟面對國際化市場，這對我們來說既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。因此就需要我國粉末冶金企業(yè)把握機(jī)遇，迎難而上，主動積極的溶于國際化市場當(dāng)中。
參考文獻(xiàn)
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第2篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞：線切割；粉末冶金；壓銷；組配
1 概述
近年來，隨著粉末冶金技術(shù)的飛速發(fā)展，粉末冶金材料能夠充分滿足零件的使用要求，大大降低了生產(chǎn)成本，國內(nèi)外電動工具廠紛紛使用粉末冶金齒輪等零件，我廠也在手槍鉆、沖擊鉆、電動螺絲批等系列電動工具進(jìn)行了大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品成熟穩(wěn)定，客戶反映良好。粉末冶金的高速發(fā)展也促進(jìn)了快走絲線切割技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，例如：粉末冶金模具的制作、產(chǎn)品特殊部位切割方便檢測、大型零件設(shè)計(jì)機(jī)加工無法批量加工等。而電動工具的生產(chǎn)一般是成套的，存在某些產(chǎn)品組配的工序，最常見的就是行星架和行星齒輪的壓銷組配，本文介紹的就是在這道工序中線切割的應(yīng)用，具體就是用線切割切割組配工裝中的壓銷墊，用于固定壓銷釘，確保行星齒輪與行星架的配合完好。
2 線切割的工作原理
電火花線切割簡稱線切割，線切割是一種電加工機(jī)床，其基本工作原理是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。主要用于加工各種形狀復(fù)雜、材料特殊、精密細(xì)小的工件等。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。
根據(jù)電極絲移動速度的大小分為高速走絲線切割和低速走絲線切割。我國普遍采用高速走絲線切割。高速走絲時(shí)，線電極采用高強(qiáng)度鉬絲，加工過程中鉬絲可重復(fù)使用。低速走絲時(shí)，多采用銅絲，電極絲只能一次性使用。
電極絲與工件之間的相對運(yùn)動一般采用自動控制，現(xiàn)在已全部采用數(shù)字程序控制，即電火花數(shù)控線切割。
工作液起絕緣、冷卻和沖走屑末的作用。工作液一般采用皂化液。
3 壓銷墊制作實(shí)例
3.1 壓銷墊材料選擇與制作
根據(jù)實(shí)際要求我們選擇45#鋼為原材料，并且經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理使其硬度達(dá)到HRC28-32，這樣能基本保證生產(chǎn)過程中的使用周期和組配質(zhì)量的基本要求。
壓銷墊一般尺寸為Φ40，M8的螺紋孔和Φ30，M6的螺紋孔兩種，這是根據(jù)我廠的產(chǎn)品特性制作出來的，其他尺寸需根據(jù)情況調(diào)整。
3.2 下料
本文我采用我廠生產(chǎn)較成熟產(chǎn)品為例作說明，組配的兩個(gè)產(chǎn)品分別為（圖2）：
根據(jù)兩個(gè)產(chǎn)品的尺寸要求O計(jì)壓銷工藝，如下（圖3）：
并提出如下技術(shù)要求：銷釘中心距、高度符合圖紙要求，銷釘與孔配合牢固，每只銷釘脫拔力？芏1kN，注意檢查壓銷釘時(shí)，孔口不允許開裂。
根據(jù)產(chǎn)品特性及壓銷工藝我們確定了壓銷墊的高度，然后將制作好的壓銷墊材料固定于線切割機(jī)床上，通過打火花的方式確定銷墊材料是否垂直，保證切下來的材料保持很好的平面度，可適當(dāng)放大材料高度，便于后道工序的加工，材料固定好后，利用電腦編程直接切割直線即可。
粗糙的材料準(zhǔn)備好后，需要經(jīng)過磨床的平磨方可得到需要的尺寸，經(jīng)過平磨的材料平面度必須達(dá)到要求，否則壓銷過程中會出現(xiàn)相關(guān)問題。
3.3 編程
目前我所采用的是CAXA xp軟件對產(chǎn)品加工軌跡進(jìn)行編程，首先根據(jù)產(chǎn)品的尺寸繪制加工軌跡如下（圖4）：
軌跡的設(shè)置需要根據(jù)壓銷墊材料的內(nèi)孔徑的大小、銷釘?shù)闹睆降纫蛩鼐C合考慮，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)我們一般設(shè)置的加工軌跡的偏移量是向內(nèi)部的，這樣能保證銷釘能充分完好的配合，避免沖壓時(shí)造成銷釘傾斜甚至崩掉，這主要由銷釘?shù)闹睆酱笮∵@一關(guān)鍵因素決定的。
3.4 線切割加工
將生成好的3B代碼導(dǎo)入電腦，并將準(zhǔn)備好的壓銷墊材料平整的放在待加工區(qū)，穿好電極絲，這里要保證電極絲不能抖動，在X和Y軸方向的垂直度很好，調(diào)整好脈沖寬度及脈沖間隙，打開運(yùn)絲筒電機(jī)和水泵電機(jī)開始加工。
3.5 組配
加工好的壓銷墊開始裝機(jī)，利用壓銷墊M8的螺紋孔固定在底座上，將銷釘放入孔內(nèi)，再將行星架對準(zhǔn)銷釘，利用壓銷機(jī)的壓力將銷釘與行星架配合在一起，如圖5所示：
這一步的關(guān)鍵是銷釘與行星架的配合度，銷釘不易過松，會脫落；也不易過緊，會造成行星架邊緣開裂；銷釘沖入行星架的深度也有一定標(biāo)準(zhǔn)，不可露頭太多或太少，不然影響裝配。這些因素都直接影響產(chǎn)品后期組配情況：噪音、使用持久度等。
銷釘與行星架組配完成后，與行星齒輪的組配效果如下（圖6）：
4 裝機(jī)效果
實(shí)際裝車后，這一整套電動工具組配安裝調(diào)試結(jié)果良好，各項(xiàng)性能均符合要求，使用效果良好，現(xiàn)已大批量生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)
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第3篇：粉末冶金原理與工藝范文
（吉林省教育學(xué)院人事處，吉林長春130022）
摘要：目前，工業(yè)中常用的聚合物減摩自材料有聚酰亞胺、聚甲醛、聚乙烯、聚四氟乙烯等。其中，尤以聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)最低，靜摩擦系數(shù)僅為0.04。但由于聚合物機(jī)械力學(xué)性能比較差，耐熱散熱導(dǎo)熱性能差，大大縮小了其適用范圍，只能應(yīng)用于常規(guī)工況中，例如高載荷、高速、高溫等工況奈件下，使用聚合物材料反而起不到應(yīng)有的作用。
關(guān)鍵詞 ：銅基復(fù)合材料；摩擦磨損；材料成型；摩擦系數(shù)
中圖分類號：TC7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：I671-1580(2014)10-0153-02
由于復(fù)合材料中基體與填人物都是以自身形態(tài)獨(dú)立存在，因此，為了滿足其性能要求，當(dāng)成分配比適合時(shí)，制備所用的工藝對材料最終的性能起決定性作用。在這一前提下，在銅基復(fù)合材料的制備過程中需要考慮以下幾個(gè)方面：基體銅與填人物的結(jié)合方式。復(fù)合材料中的結(jié)合主要有兩種，一種是化學(xué)結(jié)合，一種是機(jī)械結(jié)合。銅基體與填人物在制備過程中界面的形成過程。如果界面之間是物理結(jié)合，則只需要考慮基體在制備過程中的變化；如果界面之間是化學(xué)結(jié)合，在考慮基體變化的過程中，還需要分析界面處的反應(yīng)，以及生成新相的性能。填人物的分布會影響到銅基復(fù)合材料的整體性能。這時(shí)需要考慮到基體與填人物的初始形態(tài)以及密度等因素。若基體與填人物初始形態(tài)相同（如均為粉末），二者之間可以均勻混合；若基體與填人物初始形態(tài)不同（如基體為粉末，填人物為纖維），需要注意是否均勻混合。若填人物為連續(xù)纖維，不僅要考慮纖維的分布，同時(shí)纖維的取向與纖維的完整性也需考慮。制備工藝的確定和參數(shù)的優(yōu)化。有時(shí)銅基復(fù)合材料需要采用液態(tài)法制備。在這一過程中，基體銅或填人物都會轉(zhuǎn)化成液態(tài)。此時(shí)，由于兩者之間密度的差異，會導(dǎo)致分層現(xiàn)象。密度大的向下擴(kuò)散，密度小的向上偏聚，最后影響銅基復(fù)合材料的整體性能。
表1列出了目前常用的銅基體復(fù)合材料的制備方法。由此可見，銅基復(fù)合材料的制備方法是多種多樣的。
一、擴(kuò)散結(jié)合成型法
采用擴(kuò)散結(jié)合工藝制備銅基復(fù)合材料，由于工藝復(fù)雜，對工藝參數(shù)的控制要求嚴(yán)格，因此，對于設(shè)備的精確度要求極高，很難適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但由于連續(xù)纖維在銅基體中的分布均勻和完整性要求，擴(kuò)散結(jié)合則成為連續(xù)纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的唯一可行工藝。
二、粉末冶金成型法
與同類制備技術(shù)相比較，采用粉末冶金工藝制備銅基復(fù)合材料具有以下特點(diǎn)：將銅基體熔化成液態(tài)，然后采用壓鑄或半固態(tài)復(fù)合鑄造等工藝，制備銅基復(fù)合材料的方法被統(tǒng)稱為液態(tài)法，亦稱熔鑄法。
三、壓鑄成型法
首先將銅基體熔成液態(tài)，然后通過施加壓力(70 - 100MPa)，將液態(tài)銅基體以一定的速率壓注填入模型腔體或基體中填人物構(gòu)成的預(yù)制體孔隙中，最后快速冷卻凝固制備銅基復(fù)合材料的工藝被稱為壓鑄。
在壓鑄工藝中，需要研究的工藝參數(shù)有壓力、加壓速率、溫度和模具預(yù)熱速度。為了制備致密的銅基復(fù)合材料，通常選用高于50 MPa的壓力。加壓速率則由模型腔體或者填人物構(gòu)成的預(yù)制體的強(qiáng)度而定，以其不變形為最佳加壓速率，一般選擇13c m/s。模具或填人物預(yù)制體的溫度控制在與熔融態(tài)銅基體的溫度同步，這樣可以進(jìn)行能量互補(bǔ)。當(dāng)熔融態(tài)銅基體溫度較低時(shí)，可以升高模具或填人物預(yù)制體的溫度，反之亦然。
利用壓鑄工藝制備的銅基復(fù)合材料，組織細(xì)密、無空隙，比之一般金屬鑄件的性能要好一些。與固態(tài)法中的擴(kuò)散結(jié)合和粉末冶金法相比，設(shè)備簡單，成本低廉，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
四、半固態(tài)復(fù)合鑄造成型法
將銅基體熔融至半固態(tài)，然后將填人物加入半固態(tài)銅基體中，通過攪拌的方式使填人物在銅基體中均勻分布，然后澆注在模具腔體中成型，這種工藝被稱為半固態(tài)復(fù)合鑄造法。
在使用半固態(tài)復(fù)合鑄造法制備銅基復(fù)合材料的過程中，為了使得填人物均勻分布在銅基體中，會對半固態(tài)銅基體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，在攪拌的過程中則會引入氣體，導(dǎo)致基體被氧化。當(dāng)填人物與銅基體之間的潤濕性較差時(shí)，由于一直在攪拌，兩相之間更難形成穩(wěn)定的界面，最終影響到銅基復(fù)合材料的整體性能。
將銅基體熔化成液體，然后在壓力作用下注入霧化器，霧化器中通入高速惰性氣體流，在高速氣體流的作用下，液態(tài)基體銅被分散成極細(xì)小的液滴，同時(shí)通過其他噴嘴向霧化銅基體中注入填人物，使之與霧化銅基體在基板（收集器）上凝固沉積，進(jìn)而形成顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，這種工藝被稱為噴射沉積，大約是在20世紀(jì)80年代逐漸成型。其結(jié)合了粉末冶金和金屬凝固兩種成型技術(shù)的原理和工藝。
制備復(fù)合材料是集兩種性能不同的材料于一體的一種技術(shù)手段，而基體與填人物之間的潤濕是成型的關(guān)鍵。潤濕性不僅對銅基復(fù)合材料的高溫制備過程有影響，同時(shí)還決定著成型復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性，甚至是高溫性能穩(wěn)定性。上述無論是液態(tài)成型法還是固態(tài)成型法，填人物與基體界面之間都會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果填人物能夠在基體銅相界處直接（即原位）生成，則成型關(guān)鍵問題界面潤濕迎刃而解。因?yàn)樵恍纬傻奶钊宋锱c基體之間結(jié)合效果是其他工藝制備的界面結(jié)合難以比擬的，其中既不存在界面化學(xué)反應(yīng)，也無需考慮形成新相的熱力學(xué)問題。這種工藝即被稱為原位復(fù)合成型。目前，這種方法已在陶瓷基復(fù)合材料和金屬間化合物基復(fù)合材料的制備中得到了推廣和應(yīng)用。
粘著磨損通常被稱為咬合磨損或者膠合磨損，是兩物體接觸表面相對滑動時(shí)在法向載荷作用下所產(chǎn)生的磨損。其本質(zhì)是兩個(gè)摩擦副之間原子鍵形成（顯微熔接）和分離過程，通常產(chǎn)生小顆粒狀的磨損產(chǎn)物，并且從一物體表面轉(zhuǎn)移到另一物體表面。然后由于表面層發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)移到另一表面上的顆粒又反轉(zhuǎn)移到原來的表面上。在這種轉(zhuǎn)移與反轉(zhuǎn)移過程中，顆粒通常會以自由磨屑的狀態(tài)脫落下來。
霍姆從微觀方面人手分析粘著磨損機(jī)理，推導(dǎo)出了粘著磨損量V(mm3)的表達(dá)式1-1：
式中，K為磨損系數(shù)，P為載荷，H為材料硬度，L為摩擦距離。
粘著磨損過程一般可分為三個(gè)階段。第一階段稱為跑合階段，也稱磨合階段或磨合磨損階段，第二階段稱為穩(wěn)定磨損階段，第三階段稱為急劇磨損階段，也稱為破壞磨損階段。
磨料磨損又稱磨粒磨損，是指摩擦副的基礎(chǔ)件被配對件的表面粗糙凸峰或中間物質(zhì)里的硬顆粒劃傷或微切削的過程。凸峰或硬顆粒一般為摩擦所產(chǎn)生的非金屬材料或落入摩擦副間的金屬屑。磨料磨損通常是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，在發(fā)生磨料磨損時(shí)，作用在質(zhì)點(diǎn)上的力可分解為垂直分力與水平分力，垂直分力將硬質(zhì)點(diǎn)壓人材料表面，水平分力促使硬質(zhì)點(diǎn)與表面之間產(chǎn)生相對位移。它們之間相互作用的結(jié)果是被磨損表面產(chǎn)生犁皺或切屑，形成磨料磨損或在材料表面留下溝槽。
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第4篇：粉末冶金原理與工藝范文
昆鋼粉末冶金科技廠為緩解昆鋼鐵不保鋼和廢鋼鐵資源緊張的矛盾，與一家民營企業(yè)合作，建設(shè)的年產(chǎn)7.5萬t直接還原鐵的隧道窯生產(chǎn)線于2008年3月開始生產(chǎn)，產(chǎn)出的合格產(chǎn)品正式應(yīng)用于煉鋼生產(chǎn)。隧道窯生產(chǎn)直接還原鐵工藝是將鐵原料、還原劑、脫硫劑按工藝要求加工好，按照一定的比例和裝料方法，分別裝入還原罐中，放在臺車推入隧道窯中，通入煤氣點(diǎn)燃，料管中的原料經(jīng)預(yù)熱，在1000～1200℃的溫度條件下還原，在保持足夠的還原時(shí)間和冷卻時(shí)間后，得到直接還原鐵。主要流程為:配料———混料———干燥———裝料———補(bǔ)料———拔料(翻轉(zhuǎn))———放料———粗碎———篩分———細(xì)碎———料倉。干燥工序主要設(shè)備為鐵鱗干燥窯和焦末干燥窯，窯尾煙氣溫度＜100℃，進(jìn)窯物料含水分為13%～15%，干燥后物料水分為3%～5%。鐵鱗干燥窯原有布袋除塵器約為200m2，離心通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為19430～25745m3/h，3270～4840Pa，電機(jī)為30kW。由于原料含水分較大，焦末含有焦油，煙氣溫度低于露點(diǎn)，煙塵在布袋除塵器內(nèi)結(jié)垢糊袋，除塵效果不好，生產(chǎn)后期，干燥窯煙氣直接排放，不再進(jìn)入除塵器。2010年，昆鋼粉末冶金科技廠直接還原作業(yè)區(qū)采用塑燒板除塵器對鐵鱗干燥窯進(jìn)行改造，運(yùn)行近1a，除塵效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
2傳統(tǒng)的除塵方法
我國回轉(zhuǎn)干燥窯的除塵法常用的是濕式除塵器、靜電除塵器和袋式過濾器。濕式除塵器產(chǎn)生大量污水，造成二次污染。靜電除塵器在粉塵高濕度條件下電暈控制難度大，腐蝕問題難以處理，運(yùn)行費(fèi)用高。目前常用的除塵方法多數(shù)采用分散式負(fù)壓吸風(fēng)的布袋除塵工藝，最致命的缺點(diǎn)是捕集含有一定水分、油分或有機(jī)體(如松香)的粉體，會出現(xiàn)堵塞管道、粘接布袋的現(xiàn)象，布袋除塵器最終會“癱瘓”不能使用。
3新型的除塵方法
隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代德國、日本出現(xiàn)了新型的塑燒板過濾材料，逐步應(yīng)用于電力、建材、冶金、化工、制藥、食品加工及煙草等行業(yè)，取得較好的除塵效果。經(jīng)過多年的摸索，目前我國已經(jīng)可以自主生產(chǎn)，將其投資成本大幅度降低。除了有耐常溫、耐溫110℃及耐溫160℃以外，還有耐酸型、耐堿型、防爆型、抗靜電型及抗油氣型等產(chǎn)品，使用壽命＞10a。塑燒板除塵器的工作原理和普通袋式除塵器基本相同，區(qū)別在于兩者的過濾材質(zhì)不一樣。布袋除塵器主要靠濾布上粘附粉塵的二次過濾吸附微粒，采用振打及反吹進(jìn)行清灰，清灰時(shí)濾布纖維被拉伸變形，并形成二次塵霧，瞬時(shí)排放濃度增大。塑燒板除塵器主要依靠塑燒板進(jìn)行過濾，塑燒板的表面過濾主要是篩分效應(yīng)，光滑的表面使粉塵極難透過與停留，清灰過程完全靠氣流反吹把粉塵層從塑燒板逆流洗下來，沒有塑燒板的變形或振動，粉塵層呈片狀落下，而不是分散飛揚(yáng)，不需要控制反吹氣流速度。塑燒板過濾片是根據(jù)不同的氣流成分和不同的粉塵粒度特制的，由多種高分子化合物粉體、易導(dǎo)電物質(zhì)及結(jié)合劑等經(jīng)鑄型、燒結(jié)等工藝形成的波浪式多孔母體，厚度約為5mm，其波浪型外表及內(nèi)部空腔間的筋板，具備足夠的強(qiáng)度保持自己的形狀，無需鋼制骨架的支撐。在母體表面的空隙里填充一層氟化樹脂，母體內(nèi)部孔隙直徑40～80μm，表面孔隙為1～2μm，也可以根據(jù)不同的粉塵粒度控制表面的孔隙，最小的表面孔隙可以控制到0.07μm。母體基材具有完全的疏水性，不會像纖維織物濾袋因吸濕形成水膜，不會引起阻力上升，壓力損失穩(wěn)定，可以處理含油霧、含水汽的含塵氣體。使用壽命長達(dá)10a以上。寶鋼熱軋廠第一代使用的塑燒板除塵器，其外殼因銹蝕更換過一次，后歷經(jīng)16a之久，其塑燒板沒有更換。塑燒板過濾片表面為褶皺型，過濾表面積大，塑燒板除塵器結(jié)構(gòu)緊湊，外形體積僅為傳統(tǒng)布袋除塵器的1/3。具有占地小、除塵效率高、設(shè)備阻力小的特點(diǎn)。
4應(yīng)用實(shí)例
昆鋼粉末冶金科技廠直接還原作業(yè)區(qū)鐵鱗干燥窯，處理介質(zhì)為鐵磷片狀，窯內(nèi)溫度為800～1100℃，含少量油，含水16.00%。粉塵堆積比重約為1.4t/m3;除塵器入口粉塵濃度5g/Nm3。采用1臺塑燒板濾芯式除塵器，型號為H1500－60塑燒板除塵器;塑燒板片數(shù)為40片，裝配在箱體檢修平臺上不需拆除噴吹管、電磁閥就可裝卸。電磁閥數(shù)量為40套，設(shè)置在除塵器箱體兩側(cè)外部，便于排除故障和觀察其工作狀態(tài)。塑燒板濾芯式除塵器性能技術(shù)參數(shù):處理風(fēng)量:15000m3/h;除塵介質(zhì):鐵磷粉;總過濾面積:360m2;過濾風(fēng)速:0.8～1.3m/min;入口含塵濃度:50g/Nm3;排放濃度:≤20mg/Nm3;漏風(fēng)率:≤2%;設(shè)備阻力:1700～2200Pa;設(shè)備耐壓:－7000Pa;塑燒板運(yùn)行工作溫度:≤110℃;塑燒板規(guī)格:1040mm×62mm×1550mm;每塊塑燒板過濾面積:9m2;清灰壓縮空氣耗量:0.32Nm3/min。此項(xiàng)目中采用白色梯型塑燒板。在原有配方的基礎(chǔ)上增加了特殊的涂層配方，可耐溫110℃，進(jìn)一步強(qiáng)化了抗金屬細(xì)粉堵塞的能力與優(yōu)良的耐油耐水性。塑燒板表面更為光滑，阻力低、除塵效率高、使用壽命長。塑燒板為一次燒結(jié)成型無粘合劑粘結(jié)的“梯”形凹槽板。垂直安裝，凹槽與反吹方向和落灰方向一致，更便于清除表面積灰。除塵器采用耐水、耐油專用彈力密封膠帶進(jìn)行面密封，并保證密封膠帶能在長時(shí)間內(nèi)保持彈力。除塵風(fēng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù):風(fēng)機(jī)類型:9－26－4;額定流量:18012m3/h;風(fēng)機(jī)全壓:4343Pa;電動機(jī)功率:30kW;轉(zhuǎn)速:1450rpm/min。塑燒板除塵器于2010年12月開始試運(yùn)行，除塵效果好，運(yùn)行期間未進(jìn)行任何維護(hù)操作。除塵器出口氣體含塵濃度≤20mg/Nm3。
5對比分析
塑燒板除塵器設(shè)置在車間內(nèi)部，避免冬季管道冷卻積聚大量冷凝水，粉塵成糊狀;除塵器下部采用水封，避免粉塵在灰倉內(nèi)板結(jié)，便于卸灰。塑燒板立式放置，不會出現(xiàn)上一層粉塵落入下一層的情況。反吹的壓縮空氣壓力必須足夠，保證足夠的反吹能力。與傳統(tǒng)的袋式除塵器相比，塑燒板除塵器可用于含油、粘結(jié)、潮濕、粉塵細(xì)的環(huán)境，不會板結(jié)，壓力損失穩(wěn)定，好操作，耐油耐濕性強(qiáng)，使用壽命長，維護(hù)保養(yǎng)方便。與傳統(tǒng)的濕法電除塵器相比，塑燒板除塵器粉塵捕集率高，除塵器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，投資高出約20%，但運(yùn)行費(fèi)用低，耗電量小，約3～5a就可將投資補(bǔ)差收回，長期運(yùn)行效益更加明顯。
第5篇：粉末冶金原理與工藝范文
【關(guān)鍵詞】綠色制造；機(jī)械制造工藝；開發(fā)策略
中圖分類號：S220.6
1.綠色制造概述
1.1概念
綠色制造.又被稱為環(huán)境意識制造或面向環(huán)境的制造，是一個(gè)系統(tǒng)地考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。綠色制造的目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸.使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的負(fù)面影響最小.資源效率最高.并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。這里的環(huán)境包含了自然生態(tài)環(huán)境.社會系統(tǒng)和人類健康等因素。
1.2綠色制造的結(jié)構(gòu)體系
綠色制造的核心內(nèi)容是產(chǎn)品制造過程中，使用綠色材料和清潔能源，通過綠色設(shè)計(jì).生產(chǎn)綠色產(chǎn)品.最終建立具有可持續(xù)性的產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)模式。綠色制造主要由三大部分組成：綠色設(shè)計(jì).清潔生產(chǎn)和綠色再制造。
2.綠色機(jī)械制造工藝的類型
2.1節(jié)約資源的工藝技術(shù)
原材料（尤其是一些不可再生的金屬材料）的大量消耗.將不利于全社會的可持續(xù)發(fā)展.因此.機(jī)械工業(yè)應(yīng)積極推廣資源消耗少的綠色工藝技術(shù)，通?？刹扇∫韵戮G色工藝技術(shù)。
2.1.1綠色材料
綠色設(shè)計(jì)與制造所選擇的材料既要有良好的使用性能.又要與環(huán)境有較好的協(xié)調(diào)性。為此，可改善機(jī)電產(chǎn)品的功能.簡化結(jié)構(gòu).減少所用材料的種類：選用易加工的材料、低能耗、少污染的材料，可回收再利用的材料，采用天然可再生材料。
2.1.2少無切削技術(shù)
隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，精鑄、精鍛、擺輾等成型技術(shù)和工程塑料在機(jī)械制造中的應(yīng)用日趨成熟，從近似成型向凈成型方向發(fā)展。有些成型件不需要機(jī)械加工，就可直接使用.不僅可以節(jié)約傳統(tǒng)毛坯制造時(shí)的能耗、物耗，也大大減少了產(chǎn)品的制造周期和生產(chǎn)費(fèi)用。
2.1.3節(jié)水制造技術(shù)
水這種寶貴的資源在機(jī)械制造中起著重要的作用。但由于我國北方缺水，從綠色可持續(xù)發(fā)展的角度，應(yīng)積極探討節(jié)水制造的新工藝。
2.1.4新型刀具材料
減少刀具材料消耗，尤其是復(fù)雜、貴重刀具材料的磨耗是降低物料消耗的另一重要途徑，對此可采用新型刀具材料，發(fā)展涂層刀具。
2.1.5回收利用
綠色設(shè)計(jì)與制造，非?？粗貦C(jī)械產(chǎn)品廢棄后的回收利用，它使傳統(tǒng)的物料運(yùn)行模式從開環(huán)式變?yōu)椴糠珠]環(huán)式。產(chǎn)品生產(chǎn)廠家對回收可再利用的元器件，進(jìn)行選擇、回收和再利用等處理。
2.2節(jié)省能源的工藝技術(shù)
加工過程中要消耗大量的能量，這些能量一部分轉(zhuǎn)化為有用功，而大部分則轉(zhuǎn)化為其他能量形式而消耗掉。消耗掉的能量總是伴隨著各種各樣的有害損失。目前，可采取以下綠色技術(shù)。
技術(shù)節(jié)能。加強(qiáng)技術(shù)改造，提高能源利用率，如采用節(jié)能型電機(jī)，淘汰能耗大的老式設(shè)備。
工藝節(jié)能。改變原來能耗大的機(jī)械加工工藝，采用先進(jìn)的節(jié)能新工藝和綠色新工裝。
管理節(jié)能。加強(qiáng)能源管理，及時(shí)調(diào)整設(shè)備負(fù)荷，消除滴、漏、跑、冒等浪費(fèi)現(xiàn)象，避免設(shè)備空車運(yùn)轉(zhuǎn)等。
適度利用新能源?？稍偕?，無污染的新能源是能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。
綠色設(shè)備和制造裝備將向著低能耗，與環(huán)境相協(xié)調(diào)的綠色設(shè)備方向發(fā)展?，F(xiàn)在已出現(xiàn)了干式切削加工機(jī)床、強(qiáng)冷風(fēng)磨削機(jī)床等。綠色化設(shè)備減少了機(jī)床材料的用量，優(yōu)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床能效，不使用對人和生產(chǎn)環(huán)境有害的工作介質(zhì)。
2.3環(huán)保型工藝技術(shù)
生產(chǎn)過程是一個(gè)輸入輸出系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)輸入所要求的要素時(shí)，系統(tǒng)輸出除最終產(chǎn)品外，還會輸出對環(huán)境、操作者等有影響或危害的物質(zhì)，如廢液、廢氣、廢渣、噪聲等。環(huán)保型工藝技術(shù)就是通過一定的工藝手段，使其盡可能減少或完全消除，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。可從以下方面考慮：
2.3.1減少大氣污染
2.3.2減少水污染
2.3.3減少其他污染
3.綠色制造工藝的開發(fā)策略
由于切削和磨削是目前獲得零件尺寸和形狀的主要手段，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以得到極高的尺寸和形狀精度，以及很小的表面粗糙度，其主要缺點(diǎn)是浪費(fèi)原材料，加工效率低，對零件的表面材料性質(zhì)有一定影響，且能耗大，切（磨）屑難于處理，即使能處理，其處理成本也很高，對環(huán)境又有污染（切、磨削液的用于排放、加工中揮發(fā)的煙霧等）。因此，對綠色機(jī)械加工工藝（干式切削、干式磨削等）的研究既具有理論意義，又具有廣泛的實(shí)際意義。
3.1采用電子技術(shù)改造舊機(jī)床
舊機(jī)床改造的主要目的是：提高機(jī)床的加工精度和效率，減輕操作勞動強(qiáng)度、擴(kuò)大機(jī)床的功能，提高自動化程度和工作可靠性等。通常采用的電子技術(shù)有：數(shù)顯技術(shù).可編程序控制器（PLC）技術(shù)，數(shù)據(jù)技術(shù)，變領(lǐng)調(diào)速技術(shù)等。
3.2干切削技術(shù)
材料切削是常規(guī)的機(jī)械制造工藝，通常是有切削液條件下的濕切削。實(shí)踐證明，使用和清除切削液的費(fèi)用已明顯高于刀具的費(fèi)用，此外還有切削液的環(huán)境污染問題干切削技術(shù)在不使用切削液的條件下進(jìn)行。切削液傳統(tǒng)的排屑、冷卻、作用己逐漸由刀具設(shè)計(jì)與制造及其它方法所代替。
3.3冷輾擴(kuò)技術(shù)
最初的冷輾擴(kuò)技術(shù)只能做到輾擴(kuò)和成型，達(dá)不到精度要求。隨著數(shù)控和比例技術(shù)的發(fā)展以及材料性能的改進(jìn)，冷輾擴(kuò)工藝得到了重視和發(fā)展。
80年代末出現(xiàn)了一種新的機(jī)型。其工作原理是一個(gè)用于生產(chǎn)外輪廓的驅(qū)動的外模具（輾壓輪）和――個(gè)用于生產(chǎn)內(nèi)輪廓的被動的內(nèi)模具（芯軸）在滑座的運(yùn)動下由支撐輪擠壓在一起。套圈壁受輾壓而局部開始向徑向和切向滾動，并最終在整個(gè)直徑上變薄，使得套圈擴(kuò)徑并成型。與傳統(tǒng)方法相比，這一方案不采用壓力控制，而是通過計(jì)算機(jī)數(shù)控根據(jù)輪廓，材料和直徑來控制壁由厚變薄。這一改進(jìn)不僅擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，更提高了加工精度。套圈的圓柱度由原來的0.5毫米縮小到0.04毫米.直徑公差過去為0.2毫米.現(xiàn)在小于0.08毫米?？梢哉f，冷輾擴(kuò)工藝步驟少.節(jié)約原材料。
4.金屬粉末注射成型工藝
金屬粉末注射成型（MIM―――MetalPowderInjectionMoulding）是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與塑料成型工藝結(jié)合的新型工藝。該工藝的基本過程是：金屬粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合成具有流變性的膏狀混合物，然后在注射機(jī)上注射成型。得到的成型毛坯經(jīng)過脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)，燒結(jié)后的零件進(jìn)行磨光和表面硬化處理。該工藝不僅具有工序少，無切削或少切削、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)粉末冶金工藝材料密度低、材質(zhì)不均勻、機(jī)械性能低、薄壁不易成型和結(jié)構(gòu)件復(fù)雜的缺點(diǎn)。適合于注射成型的材料非常廣泛，如碳鋼、合金鋼、工具鋼、不銹鋼、難熔合金、硬質(zhì)合金、碳化硅、高比重合金、高溫合金等。還可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行材料配方研究，制造任意組分的合金材料。
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第6篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞:梯度功能材料,復(fù)合材料,研究進(jìn)展
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對材料,特別是對高性能材料的認(rèn)識水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國家綜合國力和社會文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動力。
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內(nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評價(jià)。
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時(shí)會出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變增強(qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評價(jià)
功能梯度材料的特征評價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評價(jià)、熱屏蔽性能評價(jià)和熱性能測定、機(jī)械強(qiáng)度測定等四個(gè)方面。這些評價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評價(jià)[8]。目前,日本、美國正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對材料性能進(jìn)行理論預(yù)測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
第7篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞：特種加工；機(jī)械制造；結(jié)構(gòu)工藝性
近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械制造的各個(gè)方面已發(fā)生了深刻的變革。機(jī)械技術(shù)，特別是自動化制造技術(shù)，不但采用了計(jì)算機(jī)控制，并且具有柔性化、集成化、智能化的特點(diǎn)；在超精密加工技術(shù)方面，其加工精度已進(jìn)入納米級（0.001um）表面粗糙度已成功地小于0.005um；在切削速度方面，國外車削鋼通常為200m／min，最高可達(dá)915m／min；對于新興工業(yè)需要的難加工材料、復(fù)雜型面、型腔以及微小深孔，采用了電、超聲波、電子束和激光的加工方法。所以在很大的程度上，尤其是20多年來的改革開放，我國的機(jī)械制造已經(jīng)具有相當(dāng)大的規(guī)模，已經(jīng)形成了品種繁多、門類齊全、布局基本合理的機(jī)械制造工業(yè)體系。
1、 特種加工涵義
特種加工是相對傳統(tǒng)切削加工而言，本質(zhì)上是直接或復(fù)合利用電能、電化學(xué)能、化學(xué)能、光能、物質(zhì)動能等對工件進(jìn)行加工的工藝方法總稱。目前常用的有電火花加工、超聲波加工、激光加工，除此之外還有電化學(xué)加工、電子束加工等。它與傳統(tǒng)切削加工相比具有：加工過程不再主要依靠機(jī)械能，而是直接或復(fù)合利用其它能量完成工件的加工；加工所用工具材料的硬度可大大低于被加工材料硬度，有時(shí)甚至無需使用工具即可完成對工件的加工；加工過程工具與工件間不存在顯著的機(jī)械切削力；加工方法日新月異等特點(diǎn)。
2、 特種加工分類、方法及應(yīng)用
2.1電火花成形（穿孔）加工
該法可加工任何導(dǎo)電材料。它是利用火花放電腐蝕金屬原理，用工具電極（純銅或石墨）對工件進(jìn)行復(fù)制加工的工藝方法，可用于加工型腔模（鍛模、壓鑄模、注塑模等）和型腔零件；加工沖模、粉末冶金模、擠壓模、型孔零件、小異型孔、小深孔等。其中最為典型的應(yīng)用是在YG8（硬質(zhì)合金）工件上，加工一個(gè)直徑1mm深80mm的孔，只需12分鐘；電火花雙軸回轉(zhuǎn)展成法加工凹凸球面、球頭；電火花共軛同步回轉(zhuǎn)可加工精密螺紋、齒輪等復(fù)雜表面；目前已能加工出0.005mm的短微細(xì)軸和0.008mm的淺微細(xì)孔，以及直徑小于1mm的齒輪。
2.2電火花線切割加工
它是利用移動的細(xì)金屬絲（銅絲或鉬絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電腐蝕，實(shí)現(xiàn)切割成形的加工方法。它同樣可以加工任何導(dǎo)電材料；加工各種形狀的沖模、切割電火花成形加工用的電極、切割零件等。典型的應(yīng)用例如：試制切割特殊微電機(jī)硅鋼片定轉(zhuǎn)子鐵心芯；切割斜度錐面、上下異形面工件；工件傾斜數(shù)控回轉(zhuǎn)切割加工雙曲面零件；數(shù)控三軸聯(lián)動加分度切割加工扭轉(zhuǎn)四方錐臺。
2.3超聲波加工
它是利用加工工具的超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種成形方法。超聲波加工的尺寸精度可達(dá)0.05～0.01mm，表面粗糟度Ra值可達(dá)0.8～0.1μm，它適宜加工任何脆硬材料，可加工各種孔和型腔，也可進(jìn)行套料、切割、開槽和雕刻等。由于超聲波加工的生產(chǎn)效率比電火花加工低，而加工精度和表面粗糟度相對較好，所以常用于對工件的拋磨和光整加工。
2.4激光加工
是利用經(jīng)過透鏡聚焦的能量密度極高的激光焦點(diǎn)（高溫和沖擊波），使工件材料被熔化或蒸發(fā)去除的加工方法。合理選用激光參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)激光切割、打孔、焊接，激光打標(biāo)、激光表面處理，還可用于電子元器件的封裝等。激光表面處理是結(jié)合高功率激光技術(shù)及粉末冶金技術(shù)，對工件進(jìn)行表面加工處理，從而改變工件表面組織結(jié)構(gòu)、成分及特性，提高其物理性能，使其恢復(fù)或超過原技術(shù)性能和應(yīng)用價(jià)值的工藝技術(shù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。激光法（應(yīng)用激光）還是制造納米材料的重要手段。
2.5電化學(xué)加工
該法包括從工件去除金屬的陽極電解蝕除加工和向工件上沉積金屬的陰極電鍍沉積加工兩大類。它可以加工復(fù)雜成型模具和零件，例如汽車、拖拉機(jī)連桿等各種型腔鍛模，航空、航天發(fā)動機(jī)的扭曲葉片等。電鍍、電鑄可以復(fù)制復(fù)雜、精細(xì)的表面。刷鍍可修復(fù)磨損的零件，改變原表面的物理性能，有很大實(shí)用價(jià)值。
3、 特種加工對機(jī)械制造結(jié)構(gòu)工藝性的影響
由特種加工的特點(diǎn)并結(jié)合使用特種加工方法的實(shí)踐，特種加工對機(jī)械制造和結(jié)構(gòu)工藝性具有重大影響，主要包括以下幾點(diǎn)：
3.1改變了零件的典型工藝路線
工藝人員都知道：除磨削外，其它切削加工、成型加工等都應(yīng)在淬火熱處理之前加工完畢。但特種加工的出現(xiàn)，改變了這種定型的程序格式。因?yàn)樘胤N加工基本上不受工件硬度的影響，而且為免除加工后淬火熱處理的變形，一般都先淬火后加工。例如電火花線切割加工、電火花成型加工和電解加工等都是在淬火后進(jìn)行的。
3.2縮短了新產(chǎn)品的試制周期
在新產(chǎn)品試制時(shí)，如采用光電、數(shù)控電火花線切割，便可直接加工出各種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)直齒輪（包括非圓齒輪、非漸開線齒輪）、微電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子硅鋼片，各種變壓器鐵心，各種特殊、復(fù)雜的二次曲面體零件，從而省去設(shè)計(jì)和制造相應(yīng)的刀、夾、量具、模具及二次工具，大大地縮短了試制周期。
3.3影響產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
例如花鍵孔、軸的齒根部分，為了減少應(yīng)力集中應(yīng)設(shè)計(jì)和制成小圓角。但拉削加工時(shí)刀齒做成圓角對切削和排屑不利，容易磨損，只能設(shè)計(jì)與制成清棱清角的齒根。而用電解加工時(shí)由于存在尖角變圓現(xiàn)象，非采用圓角的齒根不可。
3.4重新衡量傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝性的好壞
由于特種加工的應(yīng)用而需要重新衡量過去對方孔、小孔、彎孔和窄縫等被認(rèn)為是工藝性很壞，在結(jié)構(gòu)上盡量避免的典型。特種加工的采用改變了這種現(xiàn)象。對于電火花穿孔、電火花線切割工藝來說，加工方孔和加工圓孔的難易程度是一樣的。噴油嘴小孔、噴絲頭小異形孔，渦輪葉片大量的小冷卻深孔、窄縫，靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌的內(nèi)油囊型腔，采用電加工后由難變易了。
綜上，特種加工技術(shù)在機(jī)械制造中發(fā)揮著重要作用，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)不可分割的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特種加工必將不斷完善和迅速發(fā)展，反過來又必將推動科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，并發(fā)揮愈來愈重要的作用。
參考文獻(xiàn)：
第8篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞： 快速成形 模具制造 CAD/CAM 快速模具制造
隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為市場競爭的主要矛盾。在這種情況下，自主快速產(chǎn)品開發(fā)（快速設(shè)計(jì)和快速工模具制造）的能力（成本和周期），成為制造業(yè)全球競爭的實(shí)力基礎(chǔ)。同時(shí)，制造業(yè)為滿足日益?zhèn)€性化的市場需求，又要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，能夠在不增加產(chǎn)品的成本的前提下，以小批量甚至單件組織生產(chǎn)。因此，產(chǎn)品開發(fā)的速度和制造技術(shù)的柔性就變得十分關(guān)鍵了。正是在這種社會背景下，快速成形制造技術(shù)（RPM－Rapid Prototyping Manufacturing）于20世紀(jì)80年代后期產(chǎn)生于美國，并迅速擴(kuò)展到歐洲及日本，被認(rèn)為是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。
1.概述
1.1快速成形制造技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。
快速成形（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，是用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出零件的一種快速制造方法，又稱為快速出樣件技術(shù)或快速原型法。它與虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing）一起，被稱為未來制造業(yè)的兩大支柱技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)對縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用具有極其重要的意義，有人稱快速成形技術(shù)是繼NC技術(shù)后制造業(yè)的又一次革命。RP技術(shù)現(xiàn)今迅速地向快速成形制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）方向發(fā)展。
快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展也將推動相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，比較成熟的制造工藝有數(shù)十種。典型的有SLA立體光刻、LOM分層實(shí)體制造、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、FDM熔融沉積制造和3DP三維印刷等?？焖俪尚沃圃旒夹g(shù)是采用分層的思想來制作三維物體，根據(jù)構(gòu)成物體的方式不同，有以下幾種成形方式：添加成形、去除成形、受迫成形。
1.2快速成形制造技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)。
1.2.1 RPM的基本原理
RPM技術(shù)是綜合CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子技術(shù)和激光技術(shù)等于一體的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體成形制造的一體化系統(tǒng)技術(shù)，采用軟件離散-材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形過程，其原理如圖1所示。
RPM是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱，即利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成形機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。在計(jì)算機(jī)控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看，零件可視為逐點(diǎn)、線、面的疊加而成，從CAD模型中離散得到點(diǎn)、線、面的幾何信息，再與快速成形的工藝參數(shù)信息結(jié)合，控制材料有規(guī)律地、精確地由點(diǎn)、線到面，由面到體地逐步堆積成零件。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息，控制三維的自動化成形設(shè)備，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成成形或零件，其工藝流程如圖2所示。
1.2.2 RPM的特點(diǎn)
RPM技術(shù)的特點(diǎn)主要有：高速柔性化，技術(shù)高度集成化，產(chǎn)品開發(fā)快速化，設(shè)計(jì)制造一體化，制造自由成形化，材料使用廣泛性。
1.3快速成形制造技術(shù)的分類與工藝方法。
1.3.1 RPM的分類
RPM技術(shù)在“分層制造”思想基礎(chǔ)上，根據(jù)分類的方法通?？煞譃榘床捎玫脑牧线M(jìn)行分類和按制造工藝原理進(jìn)行分類。
1.3.1.1按成形所采用的原材料分類
①液體的光、熱聚合與固化。液體聚合物的特性使其在激光、紫外光或其他熱源的照射線能迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。采用這種方式的快速成形制造技術(shù)有立體印刷、全息干涉固化、光催化固化與光刻、激光束相干固化、熱聚合等。
②固態(tài)膜、片材的熔化。采用固體的膜或片材，用粘結(jié)劑或其他方法將切割下來的材料粘結(jié)而成形。常用的工藝方法有層合實(shí)體制造、膜聚合等。
③固體粉末的燒結(jié)與粘結(jié)。通過激光燒結(jié)或用粘結(jié)劑粘結(jié)將固體粉末聯(lián)接起來，未被照射的區(qū)域仍是粉末。采用這種制造工藝的有選擇性激光燒結(jié)、三維噴涂粘結(jié)等。
④固態(tài)絲、線材的熔化。采用固態(tài)的線材或絲材，通過加熱使其熔化成半流動狀，同時(shí)噴頭按要求的軌跡運(yùn)動，將材料沉積下來，堆積成所需的形狀，冷卻后凝固成固體而成形。常見的工藝方法有熔融沉積造型、焊接成形等。
1.3.1.2按制造工藝原理分類
①層合實(shí)體造型（LOM）。LOM工藝采用薄片材料，用激光束在剛粘結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓。
②立體光刻（SLA）。SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。
③選擇性激光燒結(jié)（SLS）。SLS工藝是采用粉末狀材料成形的。
④三維噴涂粘結(jié)（3DPG）。3DPG工藝采用粉末材料成形。其原理類似于噴墨打印機(jī)，因此又稱3D印刷。
⑤熔融沉積造型（FDM）。FDM工藝一般采用熱塑性材料。
1.3.2 RPM的工藝方法
1.3.2.1紙層疊法――薄形材料選擇性切割（LOM法）
計(jì)算機(jī)控制的CO2激光束按三維實(shí)體模型每個(gè)截面輪廓線對薄形材料（如底面涂膠的卷狀紙、或正在研制的金屬薄形材料等）進(jìn)行切割，逐步得到各個(gè)輪廓，并將其粘結(jié)形成快速原型。用此法可以制作鑄造母模或用于“失紙精密鑄造”。
1.3.2.2激光立體制模法――液態(tài)光敏樹脂選擇性固化（SLA法）
液槽盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在計(jì)算機(jī)控制的激光束（按照三維模型每個(gè)截面的輪廓線）照射下會很快固化形成一層輪廓，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至成形完畢，即形成快速原型。而新推出的光照成形機(jī)（如3D Systems公司出產(chǎn)的SLA-300成形機(jī)）采用了Zephyr再涂層技術(shù)，最上面待成形樹脂用真空吸附式刮板結(jié)構(gòu)涂布供給，不需要沉入液態(tài)樹脂中，提高了速度，在制作的原型中不再有液態(tài)樹脂。用來制作塑料模、在熔模精密鑄造中替代蠟?zāi)！?/p>
1.3.2.3燒結(jié)法――粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SLS法）
粉末材料可以是塑料、蠟、陶瓷、金屬或它們復(fù)合物的粉體、覆膜砂等。粉末材料薄薄地鋪一層在工作臺上，按截面輪廓的信息，CO2激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，逐層掃描燒結(jié)最終形成快速原型。用此法可以直接制作精鑄蠟?zāi)?、?shí)型鑄造用消失模、用陶瓷制作鑄造型殼和型芯、用覆膜砂制作鑄型及鑄造用母模等。
2.快速模具制造技術(shù)（RT，Rapid Tooling）
目前，快速成形制造技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為RP成形間接制模（Indirect Rapid Tooling，IRT）和RP成形直接制模（Direct Rapid Tooling，DRT），主要用于制造注塑類模具、沖壓類模具和鑄造類模具等。通過將精密鑄造、中間軟模過渡法以及金屬噴涂、電火花加工、研磨等先進(jìn)模具制造技術(shù)與快速成形制造相結(jié)合，就可以快速地制造出各種金屬型模具來。如圖3所示為各種基于快速成形的RT工藝路線。
2.1直接制模技術(shù)DRT。
較好地解決模具加工成本高、周期長的方法就是采用快速成形直接制造模具。直接制模技術(shù)DRT是指利用RP技術(shù)直接制造出最終的零件或模具，然后對其進(jìn)行一些必要的后處理即可達(dá)到所要求的力學(xué)性能、尺寸精度和表面質(zhì)量。直接制模具有制造周期短、節(jié)省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本的特點(diǎn)。但它在模具精度和性能控制等方面比較困難，特殊的后處理設(shè)備與工藝使成形尺寸受到較大的限制。
2.2間接制模技術(shù)IRT。
間接指模技術(shù)IRT是指利用RPM技術(shù)首先制造模芯，然后用此模芯復(fù)制軟質(zhì)模具，或制作金屬硬模具，或者制作加工硬模具的工具。它通常以非金屬型為主，大多數(shù)情況下，非金屬成形無法直接作為模具使用，需要以RP成形作母模，通過各種工藝轉(zhuǎn)換來制造金屬模具。相對于直接制模來說，間接制模技術(shù)比較成熟。目前，制造業(yè)多數(shù)采用金屬模具間接制造工藝。
3.基于RPM的快速模具制造方法
3.1用快速成形件作母模，復(fù)制軟模具（Soft tooling）。
用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構(gòu)成軟模具，或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模（即蠟?zāi)５膲盒停?，再澆注蠟?zāi)?。其中，蠟?zāi)？捎糜谌勰ｈT造，而硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等可用作試制用注塑?；虻腿埸c(diǎn)合金鑄造模。
3.2用快速成形件作母模，復(fù)制硬模具（Iron tooling）。
用快速成形件作母模，或根據(jù)其復(fù)制的軟模具，可澆注（或涂覆）石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬，構(gòu)成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５膲盒?、拉伸模），從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機(jī)械加工性能，可進(jìn)行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲?cè)肭秹K、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。用金屬基合成材料澆注成的蠟?zāi)５膲盒?，其模具壽命可達(dá)1000―10000件。
3.3用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機(jī)床用電極。
用快速成型件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。
4.結(jié)語
快速成形制造技術(shù)及其為基礎(chǔ)的快速制造技術(shù)在企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中起著重要作用。它可以極大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)階段的成本，避免開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。它開創(chuàng)了模具快速制造的新時(shí)代，發(fā)展前景廣闊。
參考文獻(xiàn)：
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［2］朱曉春.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
第9篇：粉末冶金原理與工藝范文
關(guān)鍵詞：石墨-銅復(fù)合材料； 化學(xué)鍍； 電鍍
中圖分類號：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Abstract：The graphite-copper composites combine the advantages of graphite （self-lubricity， high-temperature resistance， corrosion resistant etc.） and copper which are used widely in the composite material fields. But the wettability of copper and graphite is not good， in order to improve the wettability of copper and graphite， plating copper on the surface of graphite powders becomes a research focus at present. The method of plating copper on the surface of graphite powders divide into electroless copper plating method and electroplating method. Electroless copper plating method is divided into formaldehyde method， iron powder method and zinc powder method. Electroplating method is divided into ordinary electroplating method and ultrasonic flow electroplating copper method. This paper reviewed the research progress of these two kinds of copper plating methods and the properties of composites prepared by copper coated graphite powders.
Key Words： Graphite-copper composites； Electroless plating； Electroplating
0 引言
石墨-銅復(fù)合材料是一類廣泛使用的電刷和電觸頭材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、性以及高的機(jī)械強(qiáng)度。這種材料是在銅的基體中均勻分布著石墨顆粒，石墨在銅基體中起到和抗熔焊作用。制備石墨-銅復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法是粉末冶金法，首先把銅粉與石墨粉配料，然后進(jìn)行混合、壓制、燒結(jié)；雖然已經(jīng)得到工業(yè)應(yīng)用，但是銅與石墨的潤濕性不好，石墨-銅復(fù)合材料的界面只能通過機(jī)械互鎖連接在一起，界面之間的結(jié)合強(qiáng)度低，材料在承受載荷時(shí)，往往造成石墨增強(qiáng)體的拔出、剝離或脫落。要想得到性能良好的石墨-銅復(fù)合材料，關(guān)鍵是解決銅和石墨的結(jié)合問題，也就是改善石墨與銅的潤濕性。行之有效的方法之一就是在石墨粉表面鍍銅，然后再將鍍銅石墨粉與銅混合制成金屬-石墨復(fù)合材料。這樣使材料由原來的石墨-金屬接觸變?yōu)榻饘?金屬接觸，從而改善了石墨與銅的潤濕性。本文綜述了石墨粉鍍銅的研究進(jìn)展，主要包括化學(xué)鍍和電鍍。
1 化學(xué)鍍
上世紀(jì)七十年代初，在蘇聯(lián)、美國出現(xiàn)了有關(guān)鍍銅石墨粉的研究，初期實(shí)驗(yàn)僅在粒度為100～160μm的大顆粒石墨表面才可獲得完整鍍層，八十年代初，美國的pang-kais Lee應(yīng)用化學(xué)鍍工藝使粒徑大于38μm的石墨粉體完全被銅或銀包裹，并將燒結(jié)金屬鍍覆石墨用做高電流電刷材料[1]。
石墨粉化學(xué)鍍Cu前一般要經(jīng)過鍍前預(yù)處理（親水化表面粗化敏化活化還原烘干）化學(xué)鍍鈍化烘干等步驟。親水化是因?yàn)槭塾兄举|(zhì)滑膩感，親油疏水，利用堿液可去除其表面污物，如在20%NaOH 溶液中煮沸一段時(shí)間，再用蒸餾水沖洗至中性可去除其表面污物；粗化是利用硝酸的氧化侵蝕改變石墨表面微觀幾何形狀，增強(qiáng)其與鍍層的結(jié)合力，如在20%HNO3溶液中煮沸一段時(shí)間，蒸餾水沖洗至中性可達(dá)到粗化的目的；敏化的目的是使石墨表面吸附一層易于氧化的Sn2+離子。敏化工藝為：20ml/L HCl+20g/L SnCl2中煮沸15min蒸餾水沖洗至中性?；罨哪康氖鞘够罨褐械腜d2+離子被石墨表面的 Sn2+離子還原成金屬鈀微粒，并緊附石墨粉表面，形成具有催化活性的金屬層?；罨に嚍椋?0ml/L HCl +0.5g/L PdCl2 溶液中煮沸15min蒸餾水沖洗至中性。使用 PdCl2作為活化劑，其價(jià)格昂貴，可改用 AgNO3作活化劑，并且不需隨后的還原步驟[2-4]，如將敏化后的石墨粉放入1% AgNO3溶液中并不斷攪拌，進(jìn)行活化，4min后取出[2]。經(jīng)敏化活化后的石墨表面殘余有活化劑，也可能吸附了一些 Sn2+或水解的氫氧化錫，利用次亞磷酸鈉可將PdCl2還原，以防帶入鍍液降低其穩(wěn)定性；同時(shí)將氫氧化錫還原為可溶的Sn2+而除去，顯露出活性鈀位置。還原工藝為：40g/L NaH2PO2?H2O溶液中室溫下攪拌15min真空抽濾，石墨處理量為50g/L。不同研究者預(yù)處理工藝和鍍液配方差別稍有差別[5-9]，鍍液一般包括銅鹽、還原劑、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑和其他添加劑。因?yàn)殄円号浞嚼锖屑兹?，故稱為甲醛法。較典型的鍍液配方如：CuSO4?5H2O 20g/L，HCHO（37%） 25ml/L，Na2EDTA?2H2O 25g/L，C4O6H4KNa?4H2O 14g/L，2-2’聯(lián)吡啶20mg/L，溫度：50℃，裝載量為5g/L，pH值為12，攪拌方式為電磁攪拌[9]?；瘜W(xué)鍍后的鍍銅石墨粉容易在空氣中氧化，因此需要鈍化處理，較常用的鈍化劑是苯駢三氮唑，如：用0.5%的苯并三氮唑（BTA）作鈍化劑進(jìn)行鈍化，溫度50～60℃，時(shí)間5～6 min[10]。用酒精溶解苯并三氮唑，能提高鈍化效果[11]。也有采用其它鍍液配方的，如硫酸銅100g/L，丙三醇100g/L，氫氧化鈉100g/L，碳酸鈉30g/L，還原液40g/L，溫度25℃左右，pH值12左右[12]。化學(xué)鍍所用的石墨粉顆粒有大小75 μm[5， 6， 8]，45μm的天然鱗片石墨[7]，6μm的天然鱗片石墨[9]，尺寸小于38μm的顆粒[12]。王貴青等[6]鍍銅以后銅含量為35%，其它文獻(xiàn)則未說明。
基態(tài)碳原子的電子結(jié)構(gòu)是1s22s22p2，石墨成鍵方式為 sp2雜化形成3個(gè)δ鍵和1個(gè)Π鍵，Π電子是離域的，可以自由運(yùn)動，從而使石墨具備獨(dú)特的可導(dǎo)電性，其單晶沿層電阻為10-4Ω?cm，這可能有利于反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移過程，并且石墨晶體中碳原子的上下電子密度大，使石墨晶體中碳原子具有特別的化學(xué)活性。石墨粉碎制取粉體的過程中，經(jīng)過劇烈的破碎，石墨晶體的完整遭到破壞，從而產(chǎn)生大量活性中心。因此，無需敏化、活化等工藝，可直接在石墨表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅[13]。如：使用粒徑小于40μm的鱗片石墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用 10%NaOH水溶液將石墨粉煮沸 10min，然后用蒸餾水沖洗至中性，除去石墨表面的雜質(zhì)。采用的鍍銅液配方：CuSO4?5H2O 15g/L，Na2EDTA 30g/L，NaOH 7g/L，CH2O（37%）12mI/L，C5H4N2 0.1g/L。pH 12.5～13，溫度65～70℃，裝載量5g/L，電磁攪拌方式[1， 13]。鍍銅石墨粉銅含量在45%-50%時(shí)可以通過一次鍍覆來完成，高于此含量則需多次重鍍，而低于此含量則本試驗(yàn)的工藝難以鍍覆獲得完整鍍層[1]。
鋅粉還原劑法。Zn做還原劑的化學(xué)置換法鍍銅，其原理為：Zn+2Cu2+Zn2++2Cu+，2Cu+Cu2++CuO，銅原子被活化過的石墨粉末表面吸附，從而生成銅層。鍍液配方為：CuSO 15% 200mL，Zn粉 13.0g，石墨粉5.0g，pH=4.0，溫度28℃，十二烷基脂肪酸鹽+醋酸鈉為1.0 ～2.0%。試驗(yàn)流程為：硫酸銅溶液+石墨粉+還原劑（鋅粉）+添加劑化學(xué)鍍銅鈍化清洗烘干[2]。類似的配方如：主鹽硫酸銅60 g/L，鋅粉24 g/L，冰乙酸14～18 mL/L，鍍覆時(shí)間40 min，溫度35℃。這種條件下的鍍銅石墨粉被銅均勻的包覆，界面呈鋸齒狀結(jié)合，結(jié)合緊密[14]。50 g/L CuSO4，13 g/L鋅粉，醋酸與石墨粉加入比率為1.0 mL/g，施鍍溫度35～45℃，施鍍時(shí)間30～40 min[3， 4]。與甲醛化學(xué)鍍銅體系相比，Zn粉做還原劑鍍銅工藝具有鍍液成分簡單、廢液容易處理、反應(yīng)溫度較低和避免了甲醛對環(huán)境的污染等優(yōu)點(diǎn)。所用的石墨粉顆粒大小有61μm[2]，75～96μm[3， 4]。鍍銅后密度變?yōu)?.19 g/cm3[2]，鍍銅石墨粉真密度上升到2.58 g/cm3，粉末電阻率為2μΩ?m[3， 4]。
鐵粉還原劑法。使用十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉和磷酸鈉混合表面活性劑對石墨粉（38～75μm）清洗、潤濕和活化預(yù)處理后，用鐵粉作還原劑、飽和硫酸銅溶液作鍍液，在pH值為1.5～2.0、40～60℃溫度下，攪拌施鍍15～20 min，C6H5N3鈍化后在紅外干燥箱內(nèi)48-50℃干燥可得含銅25%～75%鍍覆效果起好的鍍銅石墨粉末[15， 16]。李春林等[11]用鐵粉還原劑法在顆粒大小約46μm的石墨粉成功鍍銅，用鍍銅石墨粉制作的燒結(jié)材料，銅分布較為均勻連續(xù)，能形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用鐵粉做還原劑時(shí)，鍍液pH值3左右，攪拌速率40～60r/min，溫度60℃左右；可在球形石墨（平均直徑2μm）表面均勻的包覆銅微粒[17]。鐵粉法具有鍍覆效果好、工藝簡單、無毒、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
Mo可以改善石墨和銅之間的潤濕性。利用溶膠凝膠法在石墨表面涂覆α-Mo2C-Mo潤濕性涂層，然后在有潤濕性涂層的石墨表面再進(jìn)行化學(xué)鍍或電鍍銅[18]。
化學(xué)鍍可以在直徑為5μm的石墨粉上面成功鍍上Cu層[19]。含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鍍銅石墨的銅-鍍銅石墨復(fù)合材料，隨鍍銅石墨含量的增加，銅-鍍銅石墨復(fù)合材料的密度和導(dǎo)電性降低，但其組織中石墨分布更均勻，并且銅有利于構(gòu)成三維網(wǎng)狀，使該復(fù)合材料具有更好的導(dǎo)電性[20]。在相同燒結(jié)溫度條件下，銅-未鍍銅石墨復(fù)合材料的磨損率高于銅-鍍銅石墨復(fù)合材料，而且二者的磨損率均在 850℃達(dá)到最小值[21]。粉末冶金法制備的Cu-鍍銅石墨復(fù)合材料比Cu-石墨機(jī)械混合物具有更好的耐磨性，鍍銅石墨的含量越高，摩擦系數(shù)越小，但鍍銅石墨粉含量存在一個(gè)臨界值，超過此值，摩擦系數(shù)又增大[22， 23]。鍍Cu的石墨比未鍍Cu的石墨， 能明顯提高摩擦材料的強(qiáng)度[24]。以鍍銅石墨粉為原料制作銅/石墨復(fù)合碳刷可以使銅形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在銅含量相同的條件下，銅-鍍銅石墨復(fù)合碳刷在密度、電阻率、耐磨性能等方面優(yōu)于石墨粉與銅粉直接混合制備的銅/石墨復(fù)合碳刷[25]。用石墨粉末粒度大于350目進(jìn)行化學(xué)鍍，結(jié)果表明含銅量為75%的鍍銅石墨試樣的導(dǎo)電性能優(yōu)于含銅量為85%的傳統(tǒng)銅石墨材料。當(dāng)銅含量大于55%時(shí)，鍍銅石墨粉試樣的電導(dǎo)率與銅的體積分?jǐn)?shù)有簡單線性關(guān)系，而且此線性關(guān)系外推至銅含量為100%時(shí)仍適用[26]。采用化學(xué)鍍銅工藝在粒度約 150 μm 的鱗片石墨粉上鍍銅，鍍銅石墨粉在高于 250℃ 的空氣中鍍覆層首先被氧化，高于500 ℃時(shí)被包覆的石墨氧化。當(dāng)鍍銅石墨銅基復(fù)合材料真空熱處理溫度高于 800 ℃時(shí)，鍍覆層球化現(xiàn)象顯著[27]。石墨顆粒表面銅鍍層有利于改善銅基石墨復(fù)合材料的界面結(jié)合，使復(fù)合材料力學(xué)性能提高；處理溫度較高時(shí)，表面銅鍍層有熔融球化的趨勢，當(dāng)復(fù)合材料燒結(jié)溫度超過石墨鍍銅層的完全球化溫度時(shí)，鍍銅石墨粉改善界面結(jié)合的效果逐漸降低，直至消失[28]。
石墨表而經(jīng)過化學(xué)鍍銅，從而明最的增強(qiáng)了石墨-鐵基間界面結(jié)合強(qiáng)度，改善了鐵基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料的摩擦系數(shù)有所降低，同時(shí)使得摩擦磨損性能提高了20%～30%[29]。通過對石墨粉化學(xué)鍍銅，石墨粉與鋁熔體的接觸角由135°降低到27°，具有良好的潤濕性，有利于石墨增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備。并且鍍銅石墨粉在鋁基復(fù)合材料中分布均勻，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象[30]。
石墨表面銅、鎳鍍層改善了石墨和銅合金基體界面結(jié)合，摩擦過程中所形成的膜與基體粘附性好，顯示出更好的減摩效果.摩擦副摩擦因數(shù)由0.24降低到0.20。磨損率降低約50%；實(shí)驗(yàn)條件下，6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）石墨銅基復(fù)合材料經(jīng)歷輕微磨損、中等磨損和嚴(yán)重磨損3個(gè)磨損過程；而6%鍍銅、鍍鎳石墨銅基復(fù)合材料只經(jīng)歷輕微磨損和中等磨損兩個(gè)磨損過程[31]。化學(xué)鍍銅后再鍍銀的石墨粉鍍層包覆程度高，晶粒尺寸均勻、致密，球磨后沒有發(fā)生明顯的鍍層剝離現(xiàn)象。含該鍍銀石墨粉的導(dǎo)電油墨的膜電阻率為1.36×10-4Ω?cm[32]。用化學(xué)鍍方法對粒度
二硫化鉬-銅-鍍銅石墨復(fù)臺材料的導(dǎo)電性、抗彎強(qiáng)度、硬度比二硫化鉬-銅-石墨復(fù)合材料好得多[35]。在石墨粉表面化學(xué)鍍一層均勻致密的銅、鎳鍍層，再將其與銅合金粉以及微量SiO2增強(qiáng)顆粒充分混合，采用復(fù)壓復(fù)燒粉末冶金方法制備的銅基石墨自復(fù)合材料界面結(jié)合好、相對密度高[36]。
2 電鍍
電鍍法。通過電鍍法可以在預(yù)處理（除油、粗化、表面活性劑浸泡等）過的微米級鱗片（43μm）石墨粉表面成功鍍覆一層均勻致密的銅。其最佳工藝配方：在800ml蒸餾水中加入8g CuSO4?5H2O和20ml濃硫酸配制成電鍍液，加入5g預(yù)處理過的石墨粉，攪拌間隔時(shí)間 10min，控制電流密度為 9A/dm2和電鍍時(shí)間60min，含銅量可達(dá)70%[10， 37]。用鍍銅石墨粉-銅粉制備的電刷電阻率隨鍍銅石墨粉含量的增加而降低，體密度和硬度則增加[38]。
超聲流動電鍍法。石墨粉（35μm）表面前處理的合適條件為：在400℃下灼燒60 min；濃硝酸中超聲粗化30 min。經(jīng)過高溫灼燒、粗化處理后，石墨表面出現(xiàn)很多臺階，且臺階整齊排列，有利于銅粒子的沉積。電沉積制備銅包石墨粉體的最佳鍍液配方和工藝參數(shù)為：CuSO4 25g?dm-3，NaH2PO2?H2O10 g?dm-3，濃H2SO4 10 cm3?dm-3，CH3COOH 10 cm3?dm-3，十二烷基苯磺酸鈉100 mg?dm-3。石墨粉15 g?dm-3，陰極電流密度30 A?dm-2，超聲頻率20 kHz，鍍液溫度60℃，電解液的流速12 dm3?min-1。在此條件下能夠制備鍍層均勻、致密、結(jié)合力良好的銅包石墨粉。以銅包石墨粉為原料制備的銅包石墨電刷材料中，形成了連續(xù)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其擁有低的電阻率和更好的耐磨損性能；增強(qiáng)了銅、石墨間的界面結(jié)合力，降低了材料的孔隙度，提高了材料的抗彎強(qiáng)度[39]。另一個(gè)超聲流動電鍍法參數(shù)。在微米級（35μm）鱗片石墨上，石墨粉電鍍銅的最佳反應(yīng)條件為：CuSO4 15 g?dm-3，濃H2SO4 10 cm3?dm-3，NaH2PO2 10 g?dm-3，石墨粉15 g?dm-3，鍍液溫度55℃，陰極電流密度30 A?dm-2，pH值為2。在該工藝條件下，能夠得到包覆狀況較為良好的復(fù)合粉體，包覆率可以達(dá)到70%左右。SEM掃描結(jié)果顯示，銅原子首先里點(diǎn)狀沉積，然后逐漸擴(kuò)展成片狀鍍層；EDX和XRD結(jié)果均顯示復(fù)合粉體中無其它雜質(zhì)，表面的銅鍍層以晶態(tài)形式存在利。用該復(fù)合粉體制備了銅-石墨電刷，其導(dǎo)電和磨損性能明顯優(yōu)于石墨粉與銅粉直接混合制備的電刷[40-43]。
3 結(jié)束語
綜上可知，石墨粉鍍銅一般有化學(xué)鍍銅法和電鍍法；化學(xué)鍍銅法又分為甲醛法、鋅粉還原劑法、鐵粉還原劑法；電鍍法分為一般電鍍法和超聲流動電鍍法。石墨粉鍍銅前要進(jìn)行預(yù)處理，但不必活化和敏化。鍍銅所用的石墨粉直徑一般都在幾十微米左右，一般都用天然鱗片石墨。鍍銅以后，要進(jìn)行鈍化處理。化學(xué)鍍銅法研究較多，但石墨前處理工藝復(fù)雜，鍍液成分復(fù)雜，制備成本高，廢液難處理等。電鍍有很多化學(xué)鍍不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如沉積速度快、鍍液穩(wěn)定性好、成本低廉等。電鍍法比化學(xué)鍍法最終銅含量要高，化學(xué)鍍可以達(dá)到50%，而電鍍可以達(dá)到70%。用鍍銅石墨粉制備而成的復(fù)合材料相對于銅-石墨機(jī)械混合制備的材料而言，導(dǎo)電性、耐磨性和強(qiáng)度都有較大的提高。
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