專(zhuān)利名稱：金屬、陶瓷粉末精密粘性成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不同材料粉末均勻混合后一步成形的加工方法，特別是熔點(diǎn)不同的金屬與金屬粉末、或金屬與陶瓷粉末的精密粘性成形方法。
背景技術(shù)：
為了取代金屬材料的傳統(tǒng)成形方法，即熔化澆鑄——軋制(或鍛造)——機(jī)加工等多步成形，從1923年出現(xiàn)粉末冶金開(kāi)始，人們進(jìn)行了不懈的努力。傳統(tǒng)的多步成形令有用材料因?yàn)榍蓄^切尾(如鑄錠)、氧化(如鍛造和軋制時(shí)的加熱)和切削(如機(jī)加工)等而大量消耗，使材料的有效利用率低，有的僅一半。
粉末冶金一步成形可極大提高材料利用率，節(jié)省人力、物力、財(cái)力、能源，從而顯著提高了生產(chǎn)率，降低總成本。但因這一技術(shù)是依靠靜壓和燒結(jié)，造成內(nèi)部空隙多而很大地降低了材料的強(qiáng)度和塑韌性，所以只能在很小的應(yīng)用領(lǐng)域中制造形狀簡(jiǎn)單、尺寸不大的工件；不能制造廣泛使用、需承受較大應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，以及復(fù)雜形狀制品和大尺寸工件。
從上世紀(jì)六十年代開(kāi)始，相繼出現(xiàn)了四大一步成形新技術(shù)，已用于汽車(chē)、通訊、計(jì)算機(jī)、航天、娛樂(lè)、民用產(chǎn)品等行業(yè)。
1.流變鑄造在液相和固相共存的溫度，用高速旋轉(zhuǎn)棒將初生樹(shù)枝狀晶破碎，再進(jìn)行壓鑄成形。此技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在鑄態(tài)獲得沒(méi)有柱狀晶，材質(zhì)較均勻且晶粒較細(xì)的近終成形制品。它的最大不足有晶粒仍較粗大，一般為74μm(大于5級(jí)晶粒)，最小為32μm(相當(dāng)于7級(jí))。而一般要求為8-9級(jí)或更細(xì)小的晶粒。而且初晶之間為脆性較大的脆性共晶組織，從而限制了這類(lèi)產(chǎn)品性能的提高。
2.觸變鑄造將上述流變鑄造制成的坯料，重新加熱到固液相共存溫度，使之變成粘性體，再進(jìn)行壓鑄。其優(yōu)缺點(diǎn)與上相同。
3.復(fù)合鑄造將高熔點(diǎn)微粒，如Al2O3、SiC、玻璃、陶瓷、石墨等顆粒采取雙攪拌，加入到熔融的鋁合金中，制成含高硬度顆粒的工件，使其耐磨性提高。缺點(diǎn)是異類(lèi)顆粒在液體中分布不均勻，容易出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”偏聚；而且異類(lèi)顆粒加入量一般為10-20％體積，最多為35％體積。
4.金屬粉末注射成形在金屬或陶瓷粉末中加入40-60％體積的粘結(jié)劑，采用高壓和較高溫成形；然后脫脂，除去粘結(jié)劑；再進(jìn)行燒結(jié)。此法的最大優(yōu)點(diǎn)是克服了傳統(tǒng)粉末冶金不能制造復(fù)雜形狀工件的弊病，較大地?cái)U(kuò)展了粉末冶金的運(yùn)用范圍，目前已在粉末冶金生產(chǎn)中普遍試制和應(yīng)用。它的最大缺點(diǎn)是(1)因采用有機(jī)物作粘結(jié)劑，且用量高達(dá)60％；在去除這些有機(jī)物后，在工件中保留比傳統(tǒng)粉末冶金更多的顯微孔隙。為了減少因脫脂而形成的空隙，提高工件的強(qiáng)度，要求金屬粉末的粒度細(xì)化到2-8μm，致使原料價(jià)格比傳統(tǒng)粉末冶金高很多。(2)正因?yàn)槿绱耍破沸阅懿患皞鹘y(tǒng)粉末冶金。(3)粘結(jié)劑占50％體積的注射工件，其線收縮率高達(dá)20％，使制品只能形狀復(fù)雜，而不能尺寸精密。(4)為了脫脂徹底，成品工件厚度應(yīng)小于5mm，重量不能超過(guò)200克。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有一步成形技術(shù)的弊病，本發(fā)明提供一種將金屬與金屬粉末、或金屬與陶瓷粉末從微觀緊密熔合在一起的精密粘性成形方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能、大尺寸、形狀復(fù)雜、尺寸精密的金屬粉末構(gòu)件的一步成形；并開(kāi)創(chuàng)用簡(jiǎn)易方法直接生產(chǎn)超細(xì)晶粒和納米級(jí)晶粒材料，以及用韌性陶瓷(命名為陶瓷金屬)取代金屬材料的新途徑；從而可顯著降低材料的制造成本，提高工件的使用性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種金屬、陶瓷粉末精密粘性成形方法，它是一種采用不同材料粉末直接制造形狀復(fù)雜、尺寸精密零件的方法。其特征在于(1)將兩種或兩種以上熔點(diǎn)不同的金屬與金屬粉末、或金屬與陶瓷粉末預(yù)先在室溫下混合均勻；(2)將混合粉末放在加熱容器中，加熱到其中熔點(diǎn)較低粉末的熔化溫度，生成約10-30％體積的液相；(3)在存在應(yīng)力梯度的壓力場(chǎng)中對(duì)上述固液混合體加壓、壓實(shí)，擠出顆粒之間的空隙和部分液體，使之變成固液相緊密結(jié)合、且有優(yōu)良成形性能的粘性流體；(4)將上述過(guò)程形成的粘性流體注射到工件型腔中，制成近終成形工件。
本發(fā)明與現(xiàn)有成形技術(shù)的區(qū)別在于1)與傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相比，取消了燒結(jié)工序，依靠低熔點(diǎn)金屬凝固來(lái)熔結(jié)金屬整體，它比依靠燒結(jié)反應(yīng)結(jié)合更牢固，顯微空隙可基本消除；同時(shí)，能鑄壓成各種形狀復(fù)雜、尺寸精確的工件。
2)與流變鑄造和觸變鑄造技術(shù)相比，可一次獲得顯著細(xì)小的晶粒。因?yàn)橛杀景l(fā)明獲得的晶粒大小主要取決于固相顆粒的直徑。因此，完全能保證工件的晶粒度在8級(jí)以上，甚至制成超細(xì)晶粒和納米級(jí)晶粒。不像流變和觸變鑄造，是依靠攪棒在高溫下破碎柱狀晶和通過(guò)急冷凝固來(lái)細(xì)化共晶組織。
3)與復(fù)合鑄造技術(shù)相比，可確保高熔點(diǎn)顆粒在顯微組織中均勻分布，且根除了高熔點(diǎn)顆粒的偏聚和結(jié)團(tuán)。因?yàn)楸景l(fā)明的多種粉末是在室溫進(jìn)行機(jī)械均勻混合，而不像復(fù)合鑄造是依靠在高溫液體中通過(guò)攪拌來(lái)使兩者混合，因比重不同，極難使高熔點(diǎn)顆粒在液體中攪拌均勻。
4)與金屬粉末注射技術(shù)相比，取消了40-60％體積的有機(jī)物粘結(jié)劑，從而免除了脫脂工序、因去除粘結(jié)劑而在顯微組織中留下的大量顯微空隙、以及引起產(chǎn)品出現(xiàn)20％以上的線收縮。同時(shí)，本發(fā)明所制造工件可遠(yuǎn)大于200克，基本不受尺寸的限制。
5)與現(xiàn)有的金屬陶瓷成形技術(shù)相比，采用本發(fā)明制造的韌性陶瓷(命名為陶瓷金屬，與金屬陶瓷相區(qū)別)與它的主要不同之處有三(a)前者是先將工件壓成固定的形狀，然后再進(jìn)行燒結(jié)；而本發(fā)明是熔化和成形同步進(jìn)行，一次完成。(b)前者是依靠在燒結(jié)過(guò)程中的固相反應(yīng)，如再結(jié)晶、擴(kuò)散和界面反應(yīng)來(lái)粘結(jié)陶瓷粉末，且時(shí)間較長(zhǎng)；而本發(fā)明是依靠部分金屬熔化凝固來(lái)粘結(jié)陶瓷粉末，避免了前者依靠非金屬化合物熔結(jié)而導(dǎo)致的高脆性，且時(shí)間很短；(c)前者只能制造重量在200克以下、細(xì)小的復(fù)雜形狀工件，而本發(fā)明可做成管材、板材和各種大小的容器以取代原有的金屬制品，可大量節(jié)省不銹鋼、耐熱鋼、鎳及其合金、鉻及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鋁及其合金等等。


金屬、陶瓷粉末精密粘性成形裝置示意圖。
圖中1.送料施壓螺桿，2.料斗，3.料筒，4.加熱元件，5.抑流口，6.粘性體加壓室，7.壓力控制閥，8.工件型腔，9.卸料塊，10.工件，11.旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，12.冷卻水噴嘴。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明結(jié)合具體實(shí)施例在三個(gè)主要領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步說(shuō)明如下(一)機(jī)械零件的制造凡是合金在鑄造凝固時(shí)都會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶先后不同，以樹(shù)枝狀晶之間或晶界上的熔點(diǎn)最低，最后凝固。將所有合金工件的鑄造材料制成一定粒度的粉末，在金屬粉末精密粘性成形裝置(參見(jiàn)附圖)中，金屬粉末輸送的同時(shí)一邊加壓，一邊升溫；當(dāng)溫度達(dá)到該合金最低熔點(diǎn)時(shí)，由晶界或樹(shù)枝狀晶之間的物質(zhì)加工成的粉末便熔化成液體，形成固液共存的粘性體；在加壓室內(nèi)的不等值應(yīng)力場(chǎng)中加壓變成致密的固液混合體，再注射到工件型腔中，急冷，制成近終成形產(chǎn)品。
凡是鋼鐵、有色金屬合金制品，都可采用這種方法，一步加工成符合原設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，省去鍛軋和各種機(jī)加工。
(二)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金被稱作機(jī)械工業(yè)的牙齒，機(jī)加工主要依靠它來(lái)完成對(duì)工件的加工成形。目前，世界硬質(zhì)合金在1998年的產(chǎn)量達(dá)34000余噸，產(chǎn)值約110-150億美元。至今，大部分硬質(zhì)合金是WC-Co類(lèi)，缺W的國(guó)家改用TiC；為進(jìn)一步提高性能而用TiN、BN、TiB2、金剛石；為降低成本，用Ni或Ni+Mo取代Co。采用本發(fā)明，可以制造出下列兩種新型硬質(zhì)合金。
1)用鉻鐵和鉬鐵粉末取代金屬鈷或金屬鎳鉬。
冶煉用的鐵合金，價(jià)格很低，例如高碳鉻鐵粉每公斤5元，鉬鐵粉為25元/公斤，而金屬鈷則約為700元/公斤。在燒結(jié)反應(yīng)中，Co與WC的濕潤(rùn)性很好；但是，本發(fā)明是采用熔融結(jié)合。在熔融狀態(tài)下，F(xiàn)e與WC的濕潤(rùn)性是高的，因?yàn)樵诟咚黉撝?，WC可從Fe中析出。因此，采用WC粉和15％體積的鉻鐵粉+5％體積的鉬鐵粉混合，在鐵合金熔化溫度加熱，施加不均勻高壓，便可制造出各種復(fù)雜形狀的刀具和模具，顯著降低成本。
2)用高熔點(diǎn)氧化物(如Al2O3、SiO2)、氮化物(如TiN、BN等)，硼化物(如TiB2、CrB2等)和鐵合金制造低成本或高性能的硬質(zhì)合金。
目前采用燒結(jié)方法制造金屬陶瓷硬質(zhì)合金需要用金屬Ti、Ni、Cr、Co、Mo、W等作粘結(jié)劑，造價(jià)都不低。例如Al2O3是用金屬Cr、或Cr-Mo作粘結(jié)劑，現(xiàn)改成鉻鐵+鉬鐵粉，成本可降至非常低。
(三)陶瓷金屬人類(lèi)使用陶瓷已有四千年的歷史，但由于它是用非金屬化合物作粘結(jié)劑，脆性極大，而大大限制了它在工業(yè)中的運(yùn)用，主要作民用日常生活物品。改用金屬作粘結(jié)劑的金屬陶瓷的應(yīng)用也不多，原因是在燒結(jié)時(shí)，金屬和陶瓷之間的濕潤(rùn)性不夠好，因而強(qiáng)度和韌性都不高。采用本發(fā)明，用熔融粘結(jié)代替燒結(jié)粘結(jié)，可大大提高金屬和陶瓷的濕潤(rùn)性，增大強(qiáng)度，特別是將極大的改善韌性，生產(chǎn)出韌性陶瓷。為了與燒結(jié)金屬陶瓷相區(qū)別，現(xiàn)將它命名為陶瓷金屬。
1)陶瓷金屬在工農(nóng)業(yè)上的運(yùn)用陶瓷材料的最大特點(diǎn)是高硬度，耐蝕、熱、磨，導(dǎo)熱性低等等，將它與相應(yīng)的金屬配合在一起，即可出現(xiàn)一種高性能、廉價(jià)的新材料，取代全金屬材料。一般說(shuō)來(lái)，目前所有的金屬材料制品都可用相應(yīng)的陶瓷金屬代替。
例如，不銹鋼廣泛用于腐蝕的環(huán)境中，工業(yè)和民用很多。在Al2O3或SiO2粉中加入10-20％體積的不銹鋼粉末，采用本發(fā)明的方法，即可制造出陶瓷不銹鋼。其耐蝕性不變，甚至在某些條件下還提高，用它來(lái)取代全不銹鋼管材、棒材、板料，用于工農(nóng)業(yè)，其經(jīng)濟(jì)效果將會(huì)相當(dāng)可觀。就是民用的家具、上下水管道、城市中的柵欄等，都可用它制造，以取代金屬桌椅柜、水管、鐵絲網(wǎng)、鐵欄桿等等，這樣可以省去每年的油漆防銹費(fèi)用和麻煩。用本陶瓷不銹鋼管比塑料管好，因?yàn)槭褂檬嗄旰螅芰瞎芤蚶匣兇?，必須全部更換，而陶瓷不銹鋼管可長(zhǎng)年使用下去。
所有用作耐蝕、耐熱、耐磨的金屬材料，如銅及其合金、鋁及其合金、鎳及其合金、鉻及其合金、鈦及其合金等等制工件都可以采用陶瓷銅、陶瓷鋁、陶瓷鎳、陶瓷鉻、陶瓷鈦等等取代，將節(jié)約大量金屬，特別是貴金屬(如鈦、鎳、鉻等)的消耗，顯著降低產(chǎn)品成本。
2)陶瓷金屬在民間的運(yùn)用陶瓷大部分作民用器具，但有不少已成為裝飾品。對(duì)陶瓷裝飾品，采用合金作粘結(jié)劑，將取得意想不到的效果。
如將仿金粉、銀粉、不銹鋼、黃銅和熒光粉等摻入陶瓷粉中制成各種裝飾和陳列器皿，打磨亮后，可晶瑩閃光；因混合的粒度不同，所出現(xiàn)的效果將各異。
又如將玻璃粉與金屬粉末混合，靠玻璃熔接，用本發(fā)明的方法制成玻璃金屬，集透明和閃光于一體，將成為藝術(shù)品珍藏中的一枝獨(dú)秀。
實(shí)施例1首先將硬鋁鑄件制成顆粒直徑為5-10μm的粉末，在640℃加熱，形成約15％體積的液體，通過(guò)金屬粉末精密粘性成形裝置(參見(jiàn)附圖)，注射成螺釘，形狀優(yōu)良，尺寸達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。
實(shí)施例2在Al2O3+SiO2各半的陶瓷粉末中，加入15％體積的鉻鐵粉+5％體積的鉬鐵粉，在1350℃通過(guò)金屬、陶瓷粉末精密粘性成形裝置(參見(jiàn)附圖)，注射成火焰噴嘴。耐熱性和壽命提高三倍以上。
實(shí)施例3在Al2O3或SiO2陶瓷粉末中，加入20％體積的黃銅(含錫)粉末，在920℃通過(guò)金屬、陶瓷粉末精密粘性成形裝置(參見(jiàn)附圖)，注射成直徑50mm、厚度4mm的圓管，取代海軍用黃銅管，用于軍艦。
從本發(fā)明與現(xiàn)有成形技術(shù)的上述對(duì)比中，可以看出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，即本發(fā)明提供了一項(xiàng)新的一步成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高性能、大尺寸、復(fù)雜工件的一步成形。同時(shí)，也為幾千年來(lái)廣泛使用的陶瓷產(chǎn)品克服其特有脆性提供了一條有效的途徑，并創(chuàng)立了一種新型陶瓷材料陶瓷金屬。
本發(fā)明制造的工件還具有高致密度、尺寸精確的優(yōu)點(diǎn)，這是現(xiàn)有粉末冶金技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，解釋如下1)之所以傳統(tǒng)粉末冶金產(chǎn)品中存在大量顯微空隙，一方面是因?yàn)楸粔嚎s的都是固體粉末，當(dāng)固體顆粒相碰之后，棱角處一定會(huì)存在空隙；另一方面，在加壓后期，形成不存在應(yīng)力梯度的等壓場(chǎng)，粉末不能移動(dòng)，致使其中的顯微空隙無(wú)法再排除。而從附圖中可以看出，送料施壓螺桿(1)不斷地將新粘性體由抑流口(5)壓入加壓室(6)，使加壓室(6)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力不均勻分布的壓力場(chǎng)，頂部入口處的應(yīng)力最高，其它地方逐漸變小。粘性體在這種具有應(yīng)力梯度的壓力場(chǎng)中，將因內(nèi)部存在顯微氣體空隙而產(chǎn)生粘性流動(dòng)，將氣體排出，并使液體壓入固體顆粒之間的自然空隙之中，最后變成一個(gè)沒(méi)有氣體空隙的固液實(shí)體；從而確保工件具有與傳統(tǒng)多步成形產(chǎn)品相同的致密度。
2)本發(fā)明所述的粘性體，是固相顆粒與10-30％體積的液相相混合。在觸變鑄造中，當(dāng)固相大于60％體積后，金屬固液共存體就可保持固定的外形，進(jìn)行運(yùn)送和壓力加工。因此本發(fā)明中的固液共存粘性體更易于保持固態(tài)外形，達(dá)到精確尺寸。
本發(fā)明還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是所有廢舊產(chǎn)品的回收再利用很容易進(jìn)行。只需將廢舊工件制成粉，再適當(dāng)補(bǔ)充一點(diǎn)新的低熔點(diǎn)金屬粉末就可制造成新產(chǎn)品或與原來(lái)完全相同的工件。依靠燒結(jié)相來(lái)粘結(jié)的金屬陶瓷就不太好回收。因?yàn)楹茈y將燒結(jié)相分離出來(lái)。
綜上所述，本發(fā)明全面克服了當(dāng)前各種成形技術(shù)的弊病，開(kāi)辟了一條技術(shù)完善，所得產(chǎn)品性能甚至超過(guò)傳統(tǒng)多步成形產(chǎn)品的道路，很可能引起今后材料制造和性能上的一次革新。本發(fā)明方法簡(jiǎn)易，既節(jié)省了人力、物力、財(cái)力和能源，又提高了成材的利用率，從而顯著提高生產(chǎn)率和降低成本。
權(quán)利要求
1.一種金屬、陶瓷粉末精密粘性成形方法，它是一種采用不同材料粉末直接制造形狀復(fù)雜、尺寸精密零件的方法。其特征在于(1)將兩種或兩種以上熔點(diǎn)不同的金屬與金屬粉末、或金屬與陶瓷粉末預(yù)先在室溫下均勻混合；(2)將混合粉末放在加熱容器中，加熱到其中熔點(diǎn)較低粉末的熔化溫度，生成約10-30％體積的液相；(3)在存在應(yīng)力梯度的壓力場(chǎng)中對(duì)上述固液混合體加壓、壓實(shí)，擠出顆粒之間的空隙和部分液體，使之變成固液相緊密結(jié)合、且有優(yōu)良成形性能的粘性流體；(4)將上述過(guò)程形成的粘性流體注射到工件型腔中，制成近終成形工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬、陶瓷粉末精密粘性成形方法，其特征在于工件的晶粒尺寸主要通過(guò)原料粉末的粒度來(lái)控制。
全文摘要
金屬、陶瓷粉末精密粘性成形方法是一種采用不同材料粉末直接制造形狀復(fù)雜、尺寸精密零件的技術(shù)。它是將兩種或更多種熔點(diǎn)不同的金屬與金屬粉末、或金屬與陶瓷粉末，預(yù)先在室溫下均勻混合，加熱到熔點(diǎn)較低粉末的熔化溫度，生成約10－30％體積的液相，同時(shí)加壓，變成固液相緊密結(jié)合的粘性體，然后注射到工件型腔中，迅速冷卻而制成近終成形工件。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)將不同材料從微觀緊密熔合在一起，而且其原始晶粒大小、均質(zhì)性、致密度、機(jī)械性能均可達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)多步成形的產(chǎn)品；開(kāi)創(chuàng)了用簡(jiǎn)易方法直接生產(chǎn)超細(xì)晶粒和納米級(jí)晶粒材料，以及用韌性陶瓷(命名為陶瓷金屬)取代金屬材料的新途徑；并可較大地降低硬質(zhì)合金、航天科技等所需特殊材料的成本。
文檔編號(hào)B22F3/22GK1557586SQ20041002288
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者劉躍軍, 譚曼玲, 曾新 申請(qǐng)人:劉躍軍