[科普中国]-粉末热挤压

简介

金属粉末挤压是一种以粉末为原料用常规挤压工艺制取型材的一项复合技术，这项技术将粉末冶金与挤压相结合，为制造用其他工艺难以或不能生产的复合材料型材提供了一条新途径。

金属粉末挤压有两种，一为粘结剂辅助挤压，即将粉末与粘结剂和其他流变变性剂相混合，制成挤压料(Feedstock)进行挤压，其生产过程和金属注射成形(MIM)相似。另外一种是金属粉末热挤压1。

金属粉末热挤压方法金属粉末热挤压是将粉末热压与热机械加工相结合，制取全密实粉末冶金制品的一项技术。金属粉末热挤压有三种基本方法。

第一种方法是将粉末松装于热挤压筒中，将粉末直接从挤压模中挤出。

这种工艺已经用于挤压某些镁合金粉末，或者称之为镁合金球粒，其颗粒尺寸相当粗，在70～45肚m范围内。在没有保护气氛的条件下，将装有粉末的挤压筒加热，将粉末加热到规定的温度进行挤压。在15~30 S内就能上升到所需温度。挤压前，必须将挤压头装入挤压筒中。

第二种方法是将粉末先进行冷压，而后热压。工业上用这种方法热挤压铝合金粉末坯料。据文献报道，冷等静压的钼粉压坯，不用装包套，将其加热到挤压温度就可挤压。

大部分金属粉末热挤压都是使用第三种方法。将金属粉末装于金属包套中，加热，及带包套一起挤压。一般说来，装包套工序也是用热等静压与热锻热固结粉末的一部分。用这种方法可处理有毒的、有放射性的、易燃的、或易为气氛污染的粉末。

在粉末热挤压中，可将金属粉末生坯装于包套中，或用适度的压力将粉末冷压于金属包套中。使用充填模可防止包套鼓胀。对用振动可达到高振实密度的球形粉末，不需要预压。将一带抽气管的端面板置于粉末之上，并焊接在包套上，在室温或高温下抽出包套中的气体，然后将抽气管封死，之后再将包套与粉末进行挤压加热。

为防止挤压时发生骚动，要将包套端部作成锥形，并将其装入一带锥形口的挤压模中。为防止因包套中的粉末充填得不很密实发生褶皱，可采用插入式压头。这种压头的头部挤入包套内，在有效地进行挤压之前先将粉末压实。

在挤压温度下，包套材料应尽量具有与被挤压粉末相同的刚性，并且不与粉末发生反应。挤压后，应该很容易用浸蚀或机械剥离等方法将包套清除掉。通常用铜和低碳钢作为包套材料2。

金属粉末热挤压的实际应用金属粉末挤压为制造用其他方法难以制取的 制作无缝管材、线材及用别的方法难以或无法生产型材提供了一种金属加工工艺。一直在用这种方法 的复合材料型材。早期的工作是，在1950年代末，用金属粉末挤压生产具有可控性的，弥散有核燃料的铍材与控制棒材以及弥散强化铝。在挤压技术中

金属粉末挤压占有特殊位置，这是因为：

(1)能够将用铸造或加工难以或不能处理的材料，用挤压成形为型材；

(2)用粉末挤压可细化显微组织和使偏聚最小化，从而可改善材料的性能与特性；

(3)通过挤压粉末混合物，可使一种物质弥散于另外一种物质中；

(4)粉末通过挤压能形成锻轧材料结构，不需要进行烧结或其他热处理；

(5)和挤压铸造的坯料相比，挤压粉末用的压力较小，而且温度与压头速度的范围较宽大。

金属粉末挤压大多采用将粉末装于包套中进行，因此，可将其看作是充填一坯料挤压的一种特殊情况。充填一坯料系指，挤压的坯料或工件内不只包含一种材料。就装包套的粉末来看，至少有两种组分—— 粉末与包套。在下面讨论的较多的典型充填一坯料可能是将两种或多种不同材料以几何形状配置于包套内。对充填一坯料挤压而言，最重要的一点是，各种组分的材料在冶金上要能相容。精心审察他们的力学与物理性能，可避免产生下列严重缺陷：

(1)形成共晶相；

(2)在挤压温度下，热机械性状显著失配；

(3)包套与工件材料间过度相互扩散；

(4)极难除掉包覆在挤压产品上的包套材料。

在加工充填粉末的坯料时，另外一个问题是，对坯料加压时，包套与粉末体的相对变形。倘若包套内的充填材料对加压的抗力比包套的抗弯强度低，则在压缩包套时，包套可能会皱折。皱折造成的重叠将以缺陷的形式存在于挤压的棒材中。

为避免产生皱折，粉末体的密度与包套的壁厚必须平衡。解决这个问题的一个办法是：可采用插人式压头，使其头部挤人包套内，在有效地进行挤压之前，先将粉末体压实。要不然，先将粉末坯料进行预压，或者使用球形粉末，充填时使之振动或摇动，以增高粉末的充填密度。

鉴于密实在很大程度上是在加压阶段完成的，可将装粉末包套的挤压认为是一种具有芯一壳关系的两种材料的同时缩小。为避免塑性流动严重不稳定和壳(包套材料)或芯(密实的粉末工件)可能产生断裂，壳与芯两种材料的相对变形抗力必须均衡3。

用金属粉末挤压加工的材料金属粉末挤压工艺早期的开发工作集中在，研究改进材料的高温特性和开发封装与处理有毒材料的方法。

现在，金属粉末挤压最重要的应用都涉及到装包套材料的挤压。应用主要涉及宇航与工具市场，其中材料有工具钢、高温合金、钛、铜及铝。对由这些材料制造的产品的共同要求是，结构完善与使用性能高。这些特性只能用适当的粉末加工与可控的挤压工艺来得到。

已完全确定粉末颗粒表面的氧化物与其他膜，在发生剪切变形的同时会产生压力断裂，而且颗粒之间会形成有效结合。因此，粉末挤压常用于加工氧化物含量相当高的铝粉。就微小尺寸而言，依据同样机理，挤压“清洁”粉末，例如氧含量小于100×10 的粉末，可形成高度完善的颗粒结合。关于这一点，密封包套内的环境是工艺方法成功与否的关键。

迄今，很少讲到挤压产品的力学性能或显微组织，这是因为可用挤压成形多种用途的各种各样的材料。

在关于改进材料高温性能的研究中，研究过金属与非金属的烧结聚集。这项研发工作起因于1946年，瑞士的Aluminium Industrie AG在用粉末挤压试验制作Al—C线材时，发现其强度比预期的高得多。鉴于每一铝粉颗粒表面的氧化物层都阻碍烧结，因此烧结的产品脆弱。可是，通过挤压变形，却可以破坏这个氧化物层，从而暴露出可实现冶金结合的清洁表面，制成强固的产品。另外，挤压趋向于使氧化物层碎裂与再分布。其后，Irmann报告了大量生产的通称为SAP(Sintered AluminiumProduct)的烧结铝产品。Irmann的SAP的开发鼓励了1950年代与1960年代的进一步研究。深入细致研究过的含有非金属弥散相的金属系统，其中有铜、钴、铁、镍、银、金、铂及铅，使用的弥散体为氧化物、碳化物及氮化物。Zwilsky与Grant将电解铜粉与氧化铝相混合，经压制、烧结及挤压制成了棒材，棒材经旋锻后发现，对其再结晶有显著影响。在一325目(小于45 m)的铜粉中混入氧化铝粉，然后，依照上述方法加工时，发现能够完全抑制再结晶，而且，可将有效硬度保持到温度高达1000℃ 。Cremens与GrantE。 将很细的氧化铝粉与细的羰基镍粉相混合，经压制、烧结及挤压制成的棒材表明，其100 h的断裂应力比纯镍大7倍。在所有这些试验中，挤压都是主要密实工艺。

弥散物相一般都是优先选用铝、镁、钍及稀土(例如钇)的氧化物，这是因为这些氧化物硬，而且在高温下稳定。用氧化钍弥散强化的镍是这些产品早期的一个例子。这些早期研发的材料都已逐渐为近年来经较细致研发和精确控制的弥散强化材料所替代。

当今，生产弥散强化金属的主要方法是机械合金化与化学反应(例如内氧化)。这两种方法都是以粉末冶金作为使细小弥散体均匀分布的方法为基础，而且是以挤压作为主要固结工艺2。

多温度同时挤压技术这种技术是1961年P．Loewenstein等提出的，主要用于制造通常认为难以加工，从而无法制成锻轧件的材料。在用这种工艺固结陶瓷，将其加热到1750—2 000℃再装于加热到700℃ 的较冷的钢包套内一起进行挤压固结。由铬粉用多温度同时挤压制造管材与棒材的工艺过程，分别将装有铬粉的坯料和大型钢包套加热到1300℃与1050℃ ，快速在压机上组合成整体挤压坯料。由于对组件进行加压和挤压时各个零件具有同样刚性，因此可完全成比例地进行缩小与控制尺寸。这种工艺能否成功在很大程度上取决于压机速度和操作人员的技巧。在温度下降与正常热传导产生影响之前，必须快速组装与推压坯料1。

总结金属粉末热挤压是粉末冶金与挤压相结合形成的一种特种金属加工工艺，是生产特种材料，诸如铍材、弥散强化材料的主要手段。充分利用这种工艺的优势，不但能制造出用其他方法难加工的材料，而且由于其制造工艺过程较短，工序较少，只包括熔炼一粉末生产一挤压压坯，还能节约大量能源与提高材料利用率3。