等靜壓技術對粉末冶金材料生產的影響

葛懷文

（云南省石油化工鍋爐壓力容器檢測中心站，云南 昆明 650233）

等靜壓技術對粉末冶金材料生產的影響

葛懷文

（云南省石油化工鍋爐壓力容器檢測中心站，云南 昆明 650233）

粉末冶金作為一種古老的金屬冶煉技術，在資源的利用上具有明顯的優勢。隨著時代的進步，粉末冶金技術也在不斷發展提高。等靜壓技術是現代粉末冶金技術的重要組成，是當前工業上占有重要地位的一種新的材料成形方法。文章在介紹等靜壓技術概念的基礎上，提出了該技術應用于冶金材料生產中的主要手段和積極影響。

等靜壓技術；粉末冶金技術；材料生產；金屬冶煉技術；工業生產

1 概述

隨著科技水平的不斷提高，傳統的粉末冶金技術逐漸難以跟上工業的要求，整個金屬工業都呈現一種低迷的狀態。等靜壓技術是伴隨著技術進步而興起的一種新的材料成形方法，是對傳統的粉末冶金技術的革新，將其應用于粉末冶金中，將大大縮短材料生產的時間，提高粉末材料的生產效率和質量。

2 等靜壓技術的基本概念

等靜壓技術簡單來說就是對表面封閉的物料從各個方向上對其施加相等程度的壓力的一種技術，在粉末冶金中這種技術主要作用于粉料的固結和成型。經過實踐看來，等靜壓技術應用于粉末冶金中具有明顯的技術優勢，首先，這種均一的壓力可以使得粉末冶金材料致密化，使其具有更高的強度；其次，等靜壓技術可以減少甚至消除材料內部的缺陷；最后，這種技術還可以發揮膠粘劑的作用，在高溫的條件下將不同種材料粘接到一起。由于等靜壓技術在粉末冶金領域具有明顯的優勢，因此這種技術已經廣泛應用于材料科學與工程領域。到目前為止，通過等靜壓技術處理的產品已經可以應用到航空航天、礦山機械、人造金剛石、石油化工以及原子能等對材料要求苛刻的行業中。等靜壓技術在一定條件下可以直接成形幾何結構負載的合金部件，而且通過等靜壓粉末冶金技術生產的產品具有更好的物理性能和機械性能。等靜壓技術的應用使得一些粉末冶金材料制品在使用性能和壽命上可以代替熔鑄冶金材料，從而可以減少熔鑄技術的使用，具有一定的環境保護作用。

1913年H.D.Madden等人利用冷等靜壓方法對鎢、鉬坯條進行加工成形，發現這種成形技術能夠解決壓坯的過程中出現的分層、裂縫、強度過低以及性能分布不均勻等問題。到1960年，等靜壓技術已經廣泛應用于冶金、硬質合金和陶瓷等冶煉領域，并取得了不菲的成就。

3 等靜壓技術的分類

等靜壓技術是根據不同的熱量消耗和使用特點進行分類的，分為熱等靜壓、溫等靜壓和冷等靜壓，這三種技術的包裝模具材料、壓力介質材料和應用的相應設備都不同。

3.1 冷等靜壓

靜壓技術是在室溫下進行的，包套的模具和材料一般是以塑料或者橡膠為主，并且還需要一定的物質作為壓力介質，彈性的物質包括橡膠和塑料，非彈性的物質包括液體。冷等靜壓中被稱之為水等靜壓的物質一般是以除銹劑為水介質的，油等靜壓是使用油作為壓力介質。除此之外，厚壁模壓制或者軟模壓制都是使用彈性物質來保持平衡的。預成型的胚料是采用熱等靜壓或者鍛造手段形成的，最后形成的壓制形式為后道燒結。靜壓分為“濕袋模式”或者“干袋模式”，都屬于一種自由模式，將粉狀材料放入模具當中，往往會采用濕袋式的靜壓設備，由于在傳輸的過程中會導致介質與被靜壓物質接觸，就會使包套完全進入介質或者物體中。形狀比較復雜的制件是高壓缸之中的一種，另一種是生產類型非常大的，這兩種的共同特點都是不適合大量生產的，并且還會采取一定的措施進行實驗研究，需要設備的適用性超強，因此需要使用濕袋靜壓機。在高壓缸中會發現能夠永久固定的包套，這種包具往往使用到干袋式的靜壓裝置中。因為自動化生產的要求比較高，因此進行壓制的時候，如果想要大批量的生產就要選擇壓制形式比較簡單的，還能夠自動化生產的設備。壓胚的狀態、壓粉料的性質處理需要使用冷等靜壓的壓力設備。有些形狀比較特殊的機床會根據需要的生坯形狀選擇不同的冷等靜壓過程，有時候難度控制還是比較大的。

3.2 溫等靜壓

溫等靜壓的裝置溫度是有要求的，較低溫度在80℃，較高溫度在120℃，對于溫度稍微高一點的條件也可以，最高溫度能夠達到450℃，但是正常情況下溫度在250℃左右，傳遞的介質一般會設定為油這種物質。需要注意的是降溫過程和升溫過程的控制，需要根據工藝要求設定是否會發熱，條件是在高壓缸內，并且還要在缸內控制溫度，一定條件下對于達不到要求的還要采取加熱措施，油罐是比較常見的加熱工具。傳遞介質的選擇也是比較重要的，通常會選擇與濕袋靜壓機和設備類似的，有時還會選擇溫等靜壓，因為粉料很難成型，并且在室溫的條件下，成型的條件是非常多的，選擇溫等靜壓是最好的選擇。

3.3 熱等靜壓

受靜壓制的工藝影響，物料的控制是受影響非常大的，并且因為受作用的外界條件有高壓和高溫，因此在消除鑄件缺陷的時候，會盡可能選擇粘結和擴散兩種方式，壓力傳遞介質的選擇一般也都是惰性氣體，另一種情況比較特殊的會選擇能夠為熱等靜壓制作為傳導介質的，比如固體顆粒和液體金屬，在制備玻璃和金屬的時候，包套常常會選擇包封的待壓物料，這時候靜壓裝置的主要作用就是平衡。冷壁式的結構是當前的熱等靜壓裝置中最常見的，也是達到效果最好的，發熱體往往會選擇石墨等物質，承受的工作壓力最高能夠達到200MPa，最高溫度能夠達到2200℃，正常情況下的工作壓力是1000MPa，并且經過很多的實驗研究可以得知，熱等靜壓的性能是非常好的，不僅能夠達到很好的工藝效果，需要的成本也不是很高。這種工藝手法的具體應用有兩種，可以讓熱等靜壓和燒結裝備一起進行，選擇熱等靜壓一般情況下表面孔狀是封閉的，而且只有當表面的燒結狀態比較特殊的時候才是這種情況，爐子的冷卻狀態是在進行熱等靜壓的前提下進行的。

4 等靜壓技術對粉末冶金材料生產的影響

等靜壓技術應用于粉末冶金材料生產中主要表現在粉末材料的成形過程中，其在生產中的具體作用和對材料性能的影響，主要概括為以下四點：

4.1 對成形工藝的影響

等靜壓技術主要分為冷等靜壓技術和熱等靜壓技術，在利用冷等靜壓技術進行壓制時，粉末會在各個方向上受到均勻的同種強度的力，壓制過程中粉末與設備之間不會有較大的摩擦，因此通過冷等靜壓技術進行成形的金屬粉末比傳統的壓制方法壓制的材料密度高10%左右，壓坯密度的分布也更為均勻，有利于制備成形結構復雜和工藝精細的產品。冷等靜壓技術目前廣泛應用于粉末冶金領域，在粉末冶金技術中占有十分重要的地位，該過程的質量高低在某種程度上直接決定了最終產品的質量，與鋼模壓制成形方法共同成為粉末冶金領域主要成形方法。熱等靜壓技術也是等靜壓技術的主要應用方式，通過這種技術制得的合金毛坯可以達到無孔隙的狀態，而且具有均勻相同的斷裂韌性，物理機械性能提高明顯。用這種技術制得的產品，相對于其他方式來說，壽命要高將近四倍。

4.2 對燒結溫度和組織的影響

一般來說，粉體的燒結溫度和熱壓溫度要高于熱等靜壓所使用的溫度，這是由于熱等靜壓的溫度較低，會防止壓制過程中的粉粒產生晶粒的聚集長大，從而得到產品的晶粒比較細，得到細晶粒結構產品。目前來看，熱等靜壓法的應用十分廣泛，而主要突出的應用是在與硬質合金的加工成型中，而且任何種類的硬質合金都可以采用熱等靜壓技術，利用這種技術得到的產品形狀也不受限制，而且產品的成分和硬度分布均勻，表面的缺陷基本上可以達到完全消失的狀態。

4.3 對材料性能的影響

熱等靜壓技術在進行材料加工過程中能夠消除材料中的大量缺陷和孔隙，使得材料的物理性能和機械強度得到很大的提高。從大量的實驗數據分析來看，通過熱等靜壓技術壓制的產品相對于普通方式生產的產品來說產品的力學強度能提高兩倍以上。以利用熱等壓技術處理的低鈷細晶粒硬質合金為例，這種硬質合金既能夠保持高鈷合金的力學強度，又能著顯著提高耐磨性。

4.4 對環境有污染物料的加工和處理

等靜壓技術對處理加工放射性有毒物料提供了一個有效的途徑，可以通過冷熱等靜壓壓制方法，實現包套內放射性有毒物質的壓制成形，這種方式不僅可以減少對工作人員的身體健康損傷，而且還可以明顯降低對環境的污染。例如利用熱等靜壓法進行壓制混合有毒廢料，將其轉變為致密體，致密體具有穩定的化學性質和極高的強度和硬度，從而可以防止其隨著時間的推移而泄露，起到環境保護目的。

在粉末冶金材料的生產中，主要有兩個方面的影響是最大的：一種是成形的技術；另一種是對于燒結溫度和相關組織的影響。因為一般的冶金材料壽命不是很長，但是經過各項物理機能提高以后，使用壽命得到明顯提高。在進行鋼模板壓制的時候，選擇冷等靜壓裝置能夠形成無孔隙鋼結合的毛坯，除此之外，還要維持熱壓溫度和燒結溫度，因為粉狀的物質溫度都不是很高，需要設置使產生粉粒的晶狀體能夠聚集還能夠長大。

5 結語

隨著科學技術的不斷進步和世界工業化水平的提高，粉末冶金技術在資源能源緊缺的前提下也得到了長足的發展。將等靜壓技術應用于粉末冶金中是冶煉領域一次偉大的嘗試，在某種程度上可以說是粉末冶金技術的有利變革。等靜壓技術在粉末冶金材料生產中的廣泛應用，不僅能夠提高材料的使用率，而且可以降低材料表面缺陷和內部應力，提高材料的物理強度和機械性能，對粉末冶金產品的進一步發展具有十分積極的意義。

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（責任編輯：蔣建華）

TF124

1009-2374（2017）12-0105-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.054

葛懷文（1982-），男，山東壽光人，云南省石油化工鍋爐壓力容器檢測中心站工程師，研究方向：材料學。

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