粉末冶金压制方法

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粉末冶金压制方法范文第1篇

【关键词】粉末冶金历史 基本工序 粉末冶金优势与不足 趋势

1 粉末冶金的历史

粉末冶金发展经历三个阶段：

20世纪初，通过粉末冶金工艺制得电灯钨丝，被誉为现代粉末冶金技术发展的标志。随后许多难熔金属材料如钨、钽、铌等都可通过粉末冶金工艺方法制备。1923年粉末冶金硬质合金的诞生更被誉为机械加工业的一次革命；20世纪30年代，粉末冶金工艺成功制得铜基多孔含油轴承。继而发展到铁基机械零件，并且迅速在汽车、纺织、办公设备等现代制造领域广泛应用；20世纪中叶以后，粉末冶金技术与化工、材料、机械等学科互相渗透，更高性能的新材料、新工艺发展进一步促进粉末冶金发展。并使得粉末冶金技术广泛应用到汽车、航空航天、军工、节能环保等领域。

2 粉末冶金的基本工序

（1）粉末的制取。目前制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，化学成分基本不发生变化。物理化学法是借助化学或物理作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。目前工业制粉应用最为广泛的有雾化法、还原法和电解法；而沉积法（气相或液相）在特殊应用时也很重要。

（2）粉末成型。成型是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。成型分普通模压成型和特殊成型两类。模压成型是将金属粉末或混合料装在钢制压模内，通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内压出。特殊成型是随着各工业部门和科学技术的发展，对粉末冶金材料性能及制品尺寸和形状提出更高要求而产生。目前特殊成型分等静压成型、连续成型、注射成型、高能成型等。

（3）坯块烧结。烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。烧结可分单元系烧结和多元系固相烧结。单元系烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；多元系固相烧结，烧结温度一般介于易熔成分和难熔成分的熔点之间。除普通烧结外，还有活化烧结、热压烧结等特殊的烧结方法。

（4）产品的后处理。根据产品的性能要求不同，一般会对烧结品再进行加工处理。如浸油、精整、切削攻牙、热处理、电镀等。

3 粉末冶金的优势与不足

粉末冶金的优势：粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行，因此目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造；粉末冶金压制的不致密性，有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等；粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸（不需要机械加工或少量加工）。材料利用率高，故能大大节约金属，降低产品成本；粉末冶金产品是同一模具压制生产，工件之间一致性好，适用于大批量零件的生产。特别是齿轮等加工费用高的产品；粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性，此外烧结一般在真空或还原气氛中进行，不会污染或氧化材料，可以制备高纯度材料。

粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如锻造和一些铸造零件，如延展性和抗冲击能力等；产品的尺寸精度虽然不错，但是还不如有些精加工产品所得的尺寸精度；零件的不致密特性会对后加工处理产生影响，特别在热处理、电镀等工艺必须考虑这一特性的影响；粉末冶金模具费用高，一般不适用于小批产品生产。

4 国内粉末冶金行业的趋势

随着我国工业化快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。此外，随着全球化采购的产业链形成，带给国内零部件企业商机显而易见。因此，如何把握当前机遇，目前粉末冶金行业应该从以下四方面发展。

（1）进一步提高铁基粉末冶金产品的密度，扩大粉末冶金件对传统锻件的替代范围。当前，铁基粉末冶金零件的密度为7.0-7.2g/cm3，而国内某企业通过技术改进，用传统的粉末烧结和锻造工艺相结合的办法，用较低的成本把铁基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在这种密度前提下，铁基粉末冶金已经可替代机械、汽车等行业的大多数连接件和部分功能件。考虑粉末冶金工艺本身对材料的节省和高效特征，此类铁基粉末冶金件的潜在价值空间可达至千亿元。

（2）提高粉末冶金产品的精度、开发形状更复杂的产品。为机械制造、航天汽车、生活家电等行业的产业结构升级服务。此方向主要以降低机械重量、节能减耗及将设备小型化、普及化为导向。如使用注射成型零件几乎不需要再进行机加工，减少材料的消耗，材料的利用率几乎可以达到100%。

（3）进一步合金化，目标为轻量化和功能化。在铁基粉末中，混入铝、镁及稀土元素等合金粉末，可实现其超薄、轻量化等性能，可广泛地应用电子设备及可穿戴设备等与生活密切相关的领域中。

（4）改善粉末冶金零件的电磁性，目标是对硅钢和铁氧体、磁介质等材料的取代。以取向硅钢材料为例，硅钢的导电原理是加入硅元素后，材料通过减少晶界的方式降低铁损，特别是取向硅钢，导向方向是一个单一粗大的晶粒。相比取向硅钢的一维导电方向，粉末冶金零件可以实现多维导电（各个方向）。目前此技术已被少数企业实现突破，只要不断完善，最终达到工业要求。这种技术将会广泛在电机设备、汽车及机器人智能控制系统等领域应用。

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（2006.1重印）.1.

粉末冶金压制方法范文第2篇

【关键字】有限元；阀板；模具设计；粉末冶金

1 引 言

阀板是安装在压缩机气缸上控制气体进出的重要部件，它与气阀片一起控制着压缩机的吸气、压缩、排气、和膨胀四个过程。阀板上气阀片安装部位的尺寸形位公差，影响着压缩机工作过程的泄露量，对压缩机节能及噪音都有着重大的影响。因此为提高阀板生产精度而进行研究，对压缩机工作中节约能源、降低使用成本等都有重要的意义。粉末冶金成形技术是一种节材、省能、投资少、见效快，而且适合大批量生产的少无切削、高效金属成形工艺。

长期以来，成形工艺的模具的设计以及工艺过程分析注意的依据是积累的实际经验、行业标准和传统理论。但由于实际经验的非确定性，以及传统理论对变形条件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长，次数多。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大，甚至还达不到设计的精度要求。传统的设计方式已远远无法满足要求。随着计算机技术的飞速发展和七十年代有限元理论的发展，许多成形过程中很难求解的为题可以用有限元方法求解。通过建模和合适的边界条件的确定，有限元数值模拟技术可以很直观地得到成形过程中模具受力、模具失效情况、模具变形趋势。这些重要数据的获得，对合理的模具结构设计有着重要的指导意义。

2 实例分析

以下结合实例，介绍Solidworks Simulation有限元分析在改善模具设计中的应用。如图是一款压缩机阀板的图纸。阀板粉末冶金件通过成形模具在高压下，对金属粉末进行压制，再经过烧结、整形、表面处理制成。排气阀与阀片安装面N面高度差0.05～0.10mm，阀面平行度0.02。为保证阀面线精度，成形时需控制高度差及平行度基准面N面的平行度，以确保精整时整个阀面有相同的精整余量。

成形阀面模具三维图。

由于成形模具面型高度及形状不同，导致成形各面密度不同，压制压力不同，导致成形时模具变形不一致，影响产品精度。通常情况下，需要等模具完成，成形出产品后才能对模具作进一步的改善，这样导致产品试制周期长。为了提高模具设计的准确性，缩短产品试制周期，模具设计阶段，我们可利用SolidworksSimulation进行有限元分析，优化模具设计。

3 有限元分析过程

（1）首先，对模具数学模型进行简化，添加约束条件。模具面型复杂，且有限元分析中，小倒角圆角不利于分析，将小圆角、倒角简化，较小的斜面简化成直面，易于加载压力条件。

（2）根据成形产品各面的密度分布，参考赫格纳斯AHC100.29 +0.6%P11压力与密度关系图，确定成形压力。

赫格纳斯AHC100.29+0.6%P11数据

假设粉料松装密度为3.0g/cm3，模具各区域面型受力如下。

区域 压缩比 成形密度（g/cm3） 压力压强(MPa)

① 2.22 6.65 380

② 2.44 7.3 750

③ 1.76 5.26 220

④ 1.82 5.47 240

⑤ 2.116 6.35 320

（3）按区域添加受力条件后，模具模拟变形如下图。

可看出，由于区域③密度高，压制压力大，模冲变形大，导致产品成形出来后N面平行度大，一边高一边低，两边高度差0.03～0.04mm，这样会导致精整时各部位精整余量不一致，导致精整后该面平行度不好，难以控制阀口到N面的高度差0.05～0.10mm，必须将N面变形量差控制在0.02mm以内。

（4）改善的方法有两种，一是将面型做成斜面，补偿模具变形量：二是在模冲上增加弹性平衡孔，使得模具两侧变形量增大，从而减少N面变形差异。由于N面较平整，改斜电极是比较方便的做法，而且模具变形小的地方在两侧，若增加弹性平衡孔会导致模具易变形，所以采取将面型做成斜面的方法。成形产品N面平行度控制在0.02mm以内，精整后可保证阀口到N面高度差0.05～0.10mm。通过有限元分析，改进模具结构，控制模具压制变形，从而改善产品N面平行度，使得高度差能够满足客户要求。

4 结语

随着竞争的日益加剧，低成本、高质量和高效率是制造业所追求的目标。在粉末冶金行业中，要提高竞争力，就必须提高设计效率、降低制造成本和提高产品质量，必须对生产过程中影响产品质量的各项工艺参数进行优化。由于粉末冶金压制成形过程中，模具变形是一个十分复杂的问题，传统的设计方法很难满足精度要求。运用有限元分析，不仅可以模拟模具的受力状态。更重要的是，在模具设计阶段，就可以预估成形件压制方向尺寸精度，优化模具结构，减少烧结风险，提高产品精度。随着计算机及有限元理论的不断发展和完善，基于有限元分析的优化设计方法在粉末冶金成形模具设计中的应用将越来越广泛，这是一种必然趋势。

参考文献

[1]申小平.空气压缩机用粉末冶金阀板模具设计及应用[J].粉末冶金工业,1998(03).

[2]杜贵江,赵彦启,李荣洪.压缩机阀板精冲复合成形工艺的研究[J].压力加工,2003(03).

粉末冶金压制方法范文第3篇

•力学强度，特别是疲劳与抗冲击强度( 图 2);

•尺寸精度。

除了通过研发新合金改进外，若能将粉末冶金钢加工到孔隙度为 0 时，粉末冶金钢的力学性能可能会和锻钢的性能相比拟或会超过之。特别是，低密度粉末冶金零件的静态强度相当高，即密度为6. 9g / cm3( 87%理论密度) 时，静态强度约为锻钢强度的 70%，而密度为 7. 4g/cm3( 94% 理论密度) 时，静态强度约为锻钢强度的 95%。可是，孔隙度对疲劳性能有重大影响。一般密度为 7. 1g/cm3的粉末冶金钢的弯曲疲劳强度不大于锻钢的 60%。在许多应用中，负载在零件表面或其附近会产生高应力，因此，并不需要整个零件具有全密度。在这些场合，强化粉末冶金钢最引人注意的加工工艺是选择性表面致密化( Selective Surface Densifica-tion，SSD)［1 －14］。这种工艺形成的表面致密化层厚度为 0. 2 ～ 1. 0mm，而密度梯度的范围从表面的孔隙度接近于 0 到一般零件心部的孔隙度为 10% ( 体积分数)［11 －14］。SSD 是一种加工工艺，已成功地用于使高负载零件表面致密化。PMG 集团开发出了一种拥有专利的SSD 工艺———DensiForm ，是一种采用挤压( DensiForm E) 或横向辗压( DensiForm R) 的冷成形加工工艺。SSD 的最重要应用是负载转矩的零件( 诸加齿轮) 与负载磨耗的链轮。这2 种零件在顶点或其表面稍下都遭受脉动应力，因此，主要是这些部位需要改进强度与耐磨性。本文阐述了手动变速器的螺旋齿轮与无声链条传动装置的直齿链轮的生产，特别是选择性致密化及所制备的材料性能和使用性能的数据。

1 试验

1. 1 链轮与螺旋齿轮的生产

表面致密化齿轮与链轮( 图 3( a) 、( b) ) 都是用批量生产的水雾化钢粉生产的，钢粉是用 1. 50%( 质量分数) Mo 预合金化的，并且预混合了 0. 20%( 质量分数) 的石墨。2 种零件都是按照下列工序生产的:

•压制有余量的零件;

•烧结到约 90%理论密度;

•用横向辗压( DensiForm R) 或挤压 ( Densi-Form E) 分别进行表面致密化;

•去毛刺;

•表面硬化;

•精加工。

这 2 种零件都是在液压式压机上于 600 ～650MPa 下压制的。其中，在齿轮的生产过程中，用变速器从动连接器来旋转阴模零件［10 －12］。烧结是将成形的零件生坯置于陶瓷板上，在标准的带式炉内，于吸热性煤气中 1120℃ 下烧结 30min。要严格控制炉内的碳势，以使零件的含碳量接近初始水平。齿轮与链轮都是以冷却速率约 0. 2K/s，从烧结温度缓慢冷却，以形成铁素体-珠光体的显微组织。二者的烧结态零件的平均密度都很均匀，即心部的密度为 6. 98 ～7. 02g/cm3。烧结后，2 种零件都用 DensiForm 工艺进行了表面致密化。其中，齿轮是在控制圆形力的辗压机( 图 4( a) ) 上进行表面致密化的，而链轮是在精整压机上用挤压型工艺( DensiForm E，图 4( b) ) 进行的表面致密化。前一种加工工艺是将有余量的烧结态齿轮置于 2 个配对的辗压工具轮之间的中心，当工具轮与齿轮接触时，逐渐施加负载，工具轮使齿轮表面致密化，一直进行到达到预定的中心距离，在文献［10 －14］中对这些加工工艺进行过详细说明。链轮的表面致密化是用模具挤压进行的，见图 4( b)［15］。这种加工方法会产生毛刺，可在挤压后除去。2 种零件在表面致密化加工后都要进行表面硬化处理，以使表面含碳量达到 0. 5%( 质量分数) 的水平。由于齿的弹性与回弹，辗压后会产生相当明显的挠曲变形，从而导致在齿的前、后断面产生齿廓与对中误差［10］。这些偏差都可用研磨除去，齿轮最后的品质与形貌和研磨的常规钢齿轮一样。在研的粉末冶金齿轮的品质为 DIN7 或更好。

1. 2 金相

表面致密化层的密度分布非常重要。因此，将齿轮与链轮在砂轮切割机上用专用夹具切割了垂直于齿廓的横断面。关于金相试样制备和致密化层的各种显微结构中孔隙的特征的鉴定方法，即孔隙的体积分数、孔隙的大小与取向可参见文献［14］。

2 显微组织与性能

2. 1 表面致密化的齿轮

图 5( a) 示表面致密化后，螺旋齿轮中的典型孔隙分布。致密化表面层( DSZ) 清晰可见。显然，用辗压工艺形成了实质性的密度梯度。在表面层接近全密度，而在深度约 1mm 处密度逐渐减小到了心部孔隙度的水平。相对密度与深度的关系如图 6( a)所示。辗压形成了一层接近全密度的表面层，即孔隙度 ＜2% ( 体积分数) 的表面层，深度距离约达到300μm。超出这个区域之外，观察到密度逐渐呈 S型减小，在深约 1mm 处开始拉平到心部密度水平，约 90%理论密度。而且，在左、右齿腹之间没有观察到明显差异。沿着对中方向测量了齿轮的表面品质，其和噪声产生关系最密切。研磨后，表面的粗糙度值 Ra ＜1. 8μm，这可与参照的常规钢齿轮相比拟［16］。在每一道加工工序之后，都在 3D-Mohr 齿轮测量机上测量了典型尺寸与齿轮误差。关于每一道加工工序之后齿轮品质的演变见文献［10 －12］。

2. 2 表面致密化的链轮

链条链轮在选择性表面致密化之后齿中的孔隙分布如图 5( b) 所示。和螺旋齿轮一样，挤压会形成相当大的密度梯度，在深度达 0. 3mm 的表面层中密度 ＞98%理论密度，而在深度约 1mm 处密度逐渐减小到了心部孔隙度的水平。相对密度与表面层深度的关系见图 6( b) 。可观察到密度的 S 型减小及孔隙度的分布与表面致密化的齿轮相同。而且，在左、右齿腹之间没有明显差异。用负载 1kg 的 Vickers 压痕仪测定了表面硬化链轮的硬度( 图7( a) ) 。图7( b) 示横穿齿横断面的硬度曲线。在链轮表面层的表观硬度超过了800HV1，这个硬度值相当于含碳量为0.5%( 质量分数) 的全马氏体常规钢的硬度。这个结果是惊人的，因为孔隙度为10% ( 体积分数) 的粉末冶金钢的 Vickers 硬度值很难超过350HV5。显微组织观察表明，在表面层实际上是孔隙度为0 与高含碳量和显微组织全部为马氏体相结合。相反地，心部的硬度在孔隙度为10%( 体积分数)与含碳量为0.2%( 质量分数) 下为300 ～400HV1，这位于常规的未致密化粉末冶金钢的硬度范围之内。

3 使用性能结果

3. 1 表面致密化齿轮

粉末冶金齿轮和参照的常规钢齿轮的承载能力的研究都是在亚琛工业大学的 WZL( 机床与工具试验室) 的三轴总成的成对试验台架上进行的( 图 8( a) ) 。用可变中心距离进行控制，这种台架是在2 500rpm 下运行的。转矩是用扭转连接器和一加载杠杆施加的，将驱动转矩传输到固定有粉末冶金齿轮的中间轴。试验是在 60℃下，于 Castrol BOT 328 油中进行的。当发生损坏( 通过噪声级监控) 或运行 50× 106周( 于2 500rpm 下运行167h) 时试验终止。试验结果汇总于图 8( b) 。表面致密化与研磨后的粉末冶金齿轮的承载能力和形状相同的常规钢齿轮位于同一范围之内。例如，施加的转矩为 340N•m( 相当于齿根应力为 700MPa) 时，齿轮因在 10× 106～ 50 × 106周之间齿根断裂而失效( 参见图 8( b) ) ，而齿腹未损坏和无点蚀痕迹，即在这个负载图中，齿轮是由于齿根的疲劳裂纹扩展，而不是因点蚀而失效。在变速器的工况下，在用户的试验台架上用研磨的粉末冶金齿轮与常规钢齿轮进行了补充试验［16］。采用的试验条件如下: 在 2 500rpm 下输入的转矩为 212N•m。粉末冶金齿轮和常规钢齿轮都顺利地通过了这种负载试验而没有失效。

3. 2 表面致密化链轮

将经过表面硬化处理的表面致密化链轮和未经表面致密化加工的参照零件，安装在用户的拥有专利权的链条驱动试验装置中，用无声链条进行了试验。在预定的时间间隔内中断，然后检验链与链条的磨耗性状。如图9( a) 所示，未经致密化加工的链轮磨耗非常严重，仅只经过预计的试验时间的 25%之后，就将所有的齿都磨没有了; 另一方面，经过表面致密化加工的链轮，在预计的试验时间间隔以内仍保持完好，齿腹的磨损几乎可忽略不计( 图9( b) ) 。

粉末冶金压制方法范文第4篇

冷冲压模具：一种金属制品生产中最为常见的模具类型，主要是对以金属板材、带材和型材等材料为原料进行加工成型各种金属制品的模具，包括用来完成冲裁、弯曲、À深、成形等各种变形加工工艺。按照加工工艺过程包括单工序模、多工序复合模、级进模、精冲模等。金属冷冲压成型模具对应的加工设备是各种类型的压力机，如曲柄压力机、À深压力机、精冲压力机等。冷冲模具的一些部件已经标准化，包括常用的凹模板、模板、模柄、凹模、推杆及模架等，常用制造材料主要为碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢等。冷冲加工成型模具用于生产的金属制品可以从小到玩具、生活日用品，大到各类的机械设备、电器、汽车、船舶等的零部件方面。冷冲压模具在《税则》中属于冲压工具商品范围，应归入税则号列8207.3000。

挤压模具：是用挤压方法在挤压机上生产金属材料制品时所用的一种专用模具。挤压是指对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模具孔中流出，从而获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。按照挤压温度有冷挤压和热挤压模具之分，按照模具结构有平模、锥模、分流模、带穿孔针模等类型。金属挤压模具所对应的加工设备就是挤压机，挤压加工主要是以金属坯料为原料在挤压机上通过挤压模具来生产棒材、管材、型材、异型材等连续产品或单制品。挤压模具要求具有良好耐磨，通常安装一些硬质材料的工作部件，其结构一般为拼装模或组合模的形式。金属挤压模具属于税目8207.20项下具体列名商品。需要注意，挤压模具按照是否带有硬质工作部件而区分归入不同的子目，对于带有天然或合成金刚石、立方氮化硼制的工作部件的挤压模具应归入税则号列8207.2010，其他的挤压模具应归入税则号列8207.2090，是否带这些硬质工作部件在申报时应该给予明确。

À拔模具：又称À伸模具，是À伸金属制品的一种工具。其工作原理是在À伸（拔）机器上对金属坯料施以À力、使之通过模孔，以获得与模孔尺寸、形状相同状态截面制品的塑性加工方法。À伸工艺按照温度不同有冷À、热À之分。À伸模具主要用来生产金属管材、棒材、线材及型材制品方面。所对应加工设备主要有管棒À伸机、À线机（拔丝机）等。À伸模具也要求具有良好耐磨性，通常安装有金刚石、硬质合金等硬质材料的工作部件，如硬质合金À伸模、天然金刚石À伸模等。金属À拔模具也属于税目8207.20项下具体列名商品，也需注意，À拔模具按照是否带有硬质工作部件而区分归入不同的子目，对于带有天然或合成金刚石、立方氮化硼制的工作部件的À拔模具应归入税则号列8207.2010，其他À拔模具应归入税则号列8207.2090，是否带有硬质工作部件在申报时应该给予明确。

热模锻模具：俗称锻模，是用模锻设备和工艺来对金属材料成型加工的一类模具。锻模通常按其所安装的设备来分类，常见的有锤上锻模、机械压力机上锻模、螺旋压力机上锻模、平锻机上锻模等类型。热模锻工艺是对加热到一定温度的固态金属料坯在一定压力下通过模具进行成型加工使之成为所需形状产品的过程，通常用于生产各种机械零件加工所需的初级粗锻毛坯件产品方面，如常见的用热模锻工艺来生产钢铁齿轮粗锻毛坯、曲轴粗锻毛坯、传动轴粗锻毛坯等所用的模具均属于模锻模具。热模锻常用设备有锤类（如蒸汽£空气模锻锤）、螺旋压力机类（如摩擦螺旋压力机、液压螺旋锤）、曲柄压力机类（如曲柄压力机、平锻机、精压机）、液压机类（如模锻水压机、油压机）等。模锻模具在《税则》商品中属于锻压工具范围，应归入税则号列8207.3000。

压铸模具：是指将金属溶液（熔融金属）在压力下浇注到其中进行成型而得到所需形状金属制品的一种模具。用压铸成型工艺生产金属制品其原理类似于用塑料注射机注塑工艺生产塑料制品的过程，金属压铸模具结构原理也类似于塑料注射模具结构，包括浇注系统、型腔、排溢系统、抽芯机构、导向机构、推出复位机构、支撑固定部件、加热与冷却系统部分组成等。压铸加工所采用的设备为压铸机，根据压射室特点，压铸机通常分为冷室压铸机和热室压铸机两种类型。压铸工艺成型的制品通常还需要进一步的精加工，压铸模具一般用于Í、铝、锌、镁、锡等有色金属及其合金铸件的生产方面。金属压铸模具属于税则税目84.80项下金属用型模的范围，应归入税则号列8480.4100。

粉末冶金压制方法范文第5篇

【关键词】 纳米增强 制备方法 优缺点

随着科技进步，各个领域对于相关材料的性能要求日益提高。纳米增强技术是改善材料性能的重要方法之一，其在金属材料领域尤其应用广泛。在电子、汽车、船舶、航天和冶金等行业对高性能复合材料需求迫切， 选用最佳制备方法制备出性能更优良的纳米材料是当前复合材料发展的迫切要求。

1 纳米增强技术概述

纳米相增强金属材料是由纳米相分散在金属单质或合金基体中而形成的。由于纳米弥散相具有较大的表面积和强的界面相互作用，纳米相增强金属复合材料在力学、电学、热学、光学和磁学性能方面不同于一般复合材料，其强度、导电性、导热性、耐磨性能等方面均有大幅度的提高[1]。

1.1 机械合金化法

机械合金化法（MA）是一种制备纳米颗粒增强金属复合材料的有效方法。通过长时间在高能球磨机中对不同的金属粉末和纳米弥散颗粒进行球磨，粉末经磨球不断的碰撞、挤压、焊合，最后使原料达到原子级的紧密结合的状态，同时将颗粒增强相嵌入金属颗粒中。由于在球磨过程中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷， 互扩散加强，激活能降低，复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程，能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。

1.2 内氧化法

内氧化法（Internal oxidation）是使合金雾化粉末在高温氧化气氛中发生内氧化，使增强颗粒转化为氧化物，之后在高温氢气气氛中将氧化的金属基体还原出来形成金属基与增强颗粒的混合体，最后在一定的压力下烧结成型。因将材料进行内氧化处理，氧化物在增强颗粒处形核、长大，提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度，这样可以提高材料的致密化程度，且可以改善相界面的结合程度，使复合材料的综合力学性能得到提高。

1.3 大塑性变形法

大塑性变形法（Severe plastic deformation）是一种独特的纳米粒子金属及金属合金材料制备工艺。较低的温度环境中， 大的外部压力作用下，金属材料发生严重塑性变形， 使材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。大塑性变形法有两种方法：等槽角压法（ECA）和大扭转塑性变形法（SPTS）。

1.4 粉末冶金法

粉末冶金法（PM）是最早制备金属基复合材料的方法，技术相对比较成熟。其工艺为：按一定比例将金属粉末和纳米增强颗粒混和均匀、压制成型后进行烧结。

1.5 液态金属原位生成法

原位反应生成技术[2]（In-situ synthesis）是近年来作为一种突破性的金属基复合材料合成技术而受到国内外学者的普遍重视。其增强的基本原理是在金属液体中加入或通入能生成第二相的形核素，在一定温度下在金属基体中发生原位反应，形成原位复合材料。

除上述几种常用的纳米增强制备方法外，还有真空混合铸造法、纳米复合镀法等[3]。

2 纳米增强制备工艺优缺点比较

对以上几种纳米增强制备技术在工艺及质量性能方面的优缺点进行分析：

2.1 工艺复杂性及成本和产量方面

机械合金法：制备成本低、产量高、工艺简单易行，但是能耗高；内氧化法：制备工艺简单、有利于规模生产，但是生产成本高；大塑性变形法：制备工艺简单、成本低、不可规模生产；粉末冶金法：制备工艺复杂但成熟、生产成本高、效率低；原位生成法：工艺性差、制备成本高、不适于规模化生产。

2.2 制备材料质量和性能

机械合金法：各项性能良好，硬度提高明显，能制备常规条件难以制备的亚稳态复合材料，但增强粒子不够细化，粒径分布宽，易混入杂质；内氧化法：提高增强粒子的体积分数，改善相界面结合程度，综合力学性能得到提高，但内部氧化剂难以消除，易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷；大塑性变形法：组织晶粒显著细化，无残留孔洞和夹杂，粒度可控性好，但粒度不均匀，增强粒子产生范围小；粉末冶金法：材料性能好，增强相含量可调，增强相分布均匀，组织细密，但材料界面易受污染；原位生成法：材料热力学稳定，力学性能优良，且界面无杂质污染，但增强颗粒限于特定基体中，增强相颗粒大小、形状受形核、长大过程影响。

上述分析可以得出，粉末冶金法技术最为成熟，机械合金法工艺最为简单易行，内氧化法有利于大规模生产，金属液态原位生成法最具有发展前景。王自东[4]等人应用金属液态原位生成纳米增强技术，使得金属材料强度大幅度提高的同时，塑性也能大幅度提高，解决了增强同时增韧或增强同时塑性不下降这一世界难题。以锡青铜为例：强度从270Mpa提高至535Mpa，延伸率从12%提高至38%，冲击韧性从14提高至39。这项技术成果独立于国外，优于国外，为我国原创。

3 结语

纳米增强金属材料在工程方面具有广泛应用领域和前景，例如：我国目前建筑用钢约4亿吨，如采用该技术，至少可节约10%的用量，在节约资源，节能减排，提高效率等方面意义重大！其它主要应用领域有：铁路应用的高铁输电电缆、高铁车轴、轨道、车辆走行部分、车钩等需要满足强度要求又需满足如导电性、韧性、耐疲劳性、减轻结构重量等特殊要求的领域。船舶中大量的铜合金泵、阀和管材，材料大幅增强、增韧后可减少用材10%-20%。轧制低于8μm的铜箔用于柔性印刷电路板的覆铜，减少用铜、减轻重量、降低成本等。武器装备中装甲用钢、舰船壳体钢、飞机起落架用钢，以及航空、航天等领域都有着广泛的应用前景。

我们要继续开发新型的具有高性能价格比、工艺简单、适于大规模生产且符合我国工业现状的纳米增强制备技术。

参考文献：

[1]郝保红，喻强，等.颗粒增强金属基复合材料的研究（一）.北京石油化工学院学报，2003.

[2]王庆平，姚明，陈刚.反应生成金属基复合材料制备方法的研究进展[J].江苏大学学报，2003.