粉末冶金外文翻译资料

 2022-04-30 10:04

外文原文

Powder metallurgy

Iron powder is commonly used for sintering.Powder metallurgy (PM) is a term covering a wide range of ways in which materials or components are made from metal powders. PM processes can avoid, or greatly reduce, the need to use metal removal processes, thereby drastically reducing yield losses in manufacture and often resulting in lower costs.

Powder metallurgy is also used to make unique materials impossible to get from melting or forming in other ways. A very important product of this type is tungsten carbide (WC). WC is used to cut and form other metals and is made from WC particles bonded with cobalt. It is very widely used in industry for tools of many types and globally ~50,000t/yr is made by PM. Other products include sintered filters, porous oil-impregnated bearings, electrical contacts and diamond tools.

Overview

The PM press and sinter process generally consists of three basic steps: powder blending (pulverisation), die compaction, and sintering. Compaction is generally performed at room temperature, and the elevated-temperature process of sintering is usually conducted at atmospheric pressure and under carefully controlled atmosphere composition. Optional secondary processing such ascoining or heat treatment often follows to obtain special properties or enhanced precision.

One of the older such methods, and still one used to make around 1Mt/yr of structural components of iron-based alloys, is the process of blending fine (lt;180 microns) metal (normally iron) powders with additives such as a lubricant wax, carbon, copper, and/or nickel, pressing them into a die of the desired shape, and then heating the compressed material ('green part') in a controlled atmosphere to bond the material by sintering. This produces precise parts, normally very close to the die dimensions, but with 5-15% porosity, and thus sub-wrought steel properties. There are several other PM processes which have been developed over the last fifty years. These include:

Powder forging. A 'preform' made by the conventional 'press and sinter' method is heated and thenhot forged to full density, resulting in practically as-wrought properties.

Hot isostatic pressing (HIP). Here the powder (normally gas atomized, spherical type) is filled into a mould, normally consisting of a metallic 'can' of suitable shape. The can is vibrated, then evacuated and sealed. It is then placed in a hot isostatic press, where it is heated to ahomologous temperature of around 0.7, and subjected to an external gas pressure of ~100MPa (1000bar, 15,000psi) for 10-100minutes. This results in a shaped part of full density with as-wrought or better, properties. HIP was invented in the 1950-60s and entered tonnage production in the 1970-80s.[citation needed] In 2015, it was used to produce ~25,000t/yr of stainless and tool steels, as well as important parts of superalloys for jet engines.

Metal injection moulding (MIM). Here the powder, normally very fine (lt;25microns) and spherical, is mixed with plastic or wax binder to near the maximum solid loading, typically around 65vol%, and injection moulded to form a 'green' part of complex geometry. This part is then heated or otherwise treated to remove the binder (debinding) to give a 'brown' part. This part is then sintered, and shrinks by ~18% to give a complex and 97-99% dense finished part. Invented in the 1970s, production has increased since 2000 with an estimated global volume in 2014 of 12,000t worth euro;1265millions.

Electric current assisted sintering (ECAS) technologies rely on electric currents to densify powders, with the advantage of reducing production time dramatically (from 15 minutes of the slowest ECAS to a few microseconds of the fastest), not requiring a long furnace heat and allowing near theoretical densities but with the drawback of simple shapes. Powders employed in ECAS can avoid binders thanks to the possibility of direct sintering, without the need of pre-pressing and a green compact. Molds are designed for the final part shape since the powders densify while filling the cavity under an applied pressure thus avoiding the problem of shape variations caused by non isotropic sintering and distortions caused by gravity at high temperatures. The most common of these technologies is hot pressing, which has been under use for the production of the diamond tools employed in the construction industry. Spark plasma sinteringand electro sinter forging are two modern, industrial commercial ECAS technologies.

Additive manufacturing (AM) is a relatively novel family of techniques which use metal powders (among other materials, such as plastics) to make parts by laser sintering or melting. This is a process under rapid development as of 2015, and whether to classify it as a PM process is perhaps uncertain at this stage. Processes include 3D printing, selective laser sintering (SLS),selective laser melting (SLM), and electron beam melting (EBM).

History and capabilities

The history of powder metallurgy and the art of metal and ceramic sintering are intimately related to each other. Sintering involves the production of a hard solid metal or ceramic piece from a starting powder. The ancient Incas made jewelry and other artifacts from precious metal powders, mass manufacturing of PM products did not begin until the mid- or late- 19th century'.[3] In these early manufacturing operations, iron was extracted by hand from metal sponge following reduction and was then reintroduced as a powder for final melting or sintering.

A much wider range of products can be obtained from powder processes than from direct alloying of fused materials. In melting operations the 'phase rule' applies to all pure and combined elements and strictly dictates the distribution of liquid and solid phases which can exist for specific c

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附录A 外文译文

粉末冶金

粉末冶金（PM）是涵盖从金属粉末制成材料或部件的各种方式的术语。粉末冶金工艺可以避免或大大减少使用金属去除工艺的需要，从而大大降低制造过程中的材料损失，并且降低成本。

粉末冶金不同于其它方式使独特的材料熔化或成型。这种非常重要的产品是碳化钨（WC）。碳化钨用于切割和形成其他金属，并由与钴结合的碳化钨颗粒制成。它在工业上被广泛应用于许多类型的工具，全球约50,000吨 /年由粉末冶金制造。其他产品包括烧结过滤器，多孔含油轴承，电触点和金刚石工具。

概况

粉末冶金压制和烧结过程通常由粉末混合（粉碎）、模具压实和烧结三个基本步骤组成。压实通常在室温下进行，烧结的高温过程通常在大气压力和精心控制的气氛组成下进行。通常可以进行二次加工，例如加热或热处理，以获得特殊性能或提高精度。

除了这种方法，还有一种用于制造大约1公吨 /年的铁基合金的结构组分的方法是将细金属（lt;180微米）（通常为铁）粉末与添加剂（如润滑剂）共混的方法。碳、铜或镍，将它们压入所需形状的模具中，然后在受控气氛中加热压缩材料，通过烧结来使粉末粘合。这样生产精确的零件，通常非常接近模具的实际尺寸，但具有（5~15）％的孔隙率，因此需要二次压制而获得性能。在过去五十年中已经开发出了几个其他粉末冶金制造过程。这些包括：

粉末锻造。通过常规的“压制和烧结”方法制成的“粉末压坯”被加热，然后将其锻造成全密度，从而实际上具有锻造性能。

热等静压（HIP）。这里将粉末（通常为气体雾化的球形）填充到模具中，通常由合适形状的金属“罐”组成。将罐振动，然后抽成真空并密封。然后将其放入热等静压机中，在其中加热至约0.7的异温度，并进行100MPa的外部气体压力施压（10~100）分钟。这种方法具有锻造更好性能的全密度。 HIP是在20世纪50~60年代发明的，并在（1970 ~1980）年代进入了生产。2015年，它用于生产约25,000吨/年的不锈钢和工具钢，以及超高性能合金的喷射发动机重要部件。

金属注射成型（MIM）。在这里，通常非常细（lt;25微米）和球形的粉末与塑料或蜡粘合剂混合到接近最大固体负载（通常约体积的65％），并注射成型以形成复杂几何形状的“绿色”部分。然后将该部分加热或以其他方式处理以除去粘合剂（脱脂），得到“棕色”部分。然后将该部分烧结，并收缩18％，得到复合材料（97~99）％的致密部件。发明于20世纪70年代，自2000年以来，产量增加，2014年全球销量估计为12,000吨，价值12.65亿欧元。

电流辅助烧结（ECAS）技术依靠电流来致密化粉末，具有显着缩短生产时间（从最慢ECAS的15分钟到最快的几微秒）的优点，不需要长的炉子热量和允许接近理论密度，但具有简单形状。在ECAS中使用的粉末可以避免粘合剂，这是由于直接烧结所引起的，而且不需要预压和绿色压实。模具设计用于最终部件形状，因为粉末在施加的压力下使粉末致密化，从而避免由非各向同性烧结引起的形状变化和由高温引起的重力引起的变形的问题。这些技术中最常见的技术是热压技术，已被用于生产建筑行业所用金刚石工具。火花等离子体烧结和电烧结锻造是两种现代化的工业商业ECAS技术。

添加剂制造（AM）是一种相对较新的技术，它们使用金属粉末（包括其他材料，如塑料）通过激光烧结或熔化制造零件。这是2015年以来快速发展的进程，是否将其归为PM进程，在这个阶段也许是不确定的。

历史背景及意义

粉末冶金的历史和金属及陶瓷烧结的艺术彼此密切相关。最初，烧结就涉及粉末生产硬固体金属或陶瓷件。古代印加人从贵金属粉末制造首饰和其他文物，粉末冶金产品的批量生产直到19世纪中叶至19世纪末才开始。在这些早期的制造业中，手工从金属海绵中提取铁然后再次引入作为最终熔融或烧结的粉末。

从熔融材料的直接合金化可以从粉末工艺获得更广泛的产品。在熔化操作中，“相规则”适用于所有纯组合元素，并严格规定了可用于特定组合物的液相和固相的分布。此外，原料的全身熔化需要合金化，从而对制造造成不受欢迎的化学，热和遏制制约。不幸的是，铝铁粉的处理造成了重大问题。与大气中的氧特别反应的其他物质，如钛，可在特殊气氛或临时涂层中烧结。

在粉末冶金或陶瓷中，可以制造会分解或不会分解的组分。固液相的所有需要考虑的因素都可以忽略，因此粉末工艺比铸造，挤压或锻造技术更加灵活。使用各种粉末技术制备的产品的可控特性包括诸如多孔固体，聚集体和金属间化合物等材料的机械，磁性[6]和其他非常规性能。还可以严格控制制造加工的竞争特征（例如，工具磨损，复杂性或供应商选项）。

粉末生产技术

任何易熔材料均可雾化。已经开发了几种技术，其允许粉末颗粒的大的生产速率，通常对最终谷物种群的尺寸范围有相当大的控制。粉末可以通过粉碎，研磨，化学反应或电解沉积来制备。

钛、钒、钍、铌、钽、钙和铀元素的粉末已经通过相应的氮化物和碳化物在高温条件下还原产生。通过还原金属草酸盐和甲酸盐获得铁、镍、铀和铍亚微米粉末。通过引导熔融金属流通过高温等离子体射流或火焰，使材料雾化，也制备了超细颗粒。部分采用各种化学和火焰相关的粉化工艺，以防止颗粒表面受到大气氧的严重降解。

按吨位计算，用于粉末冶金结构部件生产的铁粉与所有有色金属粉末的生产相结合。几乎所有的铁粉都是通过以下两种方法之一生产的：海绵铁工艺或水雾化。

海绵铁工艺

这些工艺中最长的是海绵铁工艺，这是一个涉及氧化物固态还原的工艺幻雪反映的主要例子。 在此过程中，选择的磁铁矿（Fe3O4）矿石与焦炭和石灰混合并置于碳化硅蒸馏器中。 然后将填充的蒸馏器在窑中加热，其中还原过程留下铁“饼”和炉渣。 在随后的步骤中，将蒸馏物倒空，将还原的铁海绵与炉渣分离并被粉碎和退火。

所得粉末的颗粒形状非常不规则，因此确保良好的“绿色强度”，使得压制成型体在烧结前易于处理，并且每个颗粒含有内部孔（因此称为“海绵”），使得良好的强度可以在低密度密度下获得。

海绵铁为所有铁基自润滑轴承提供原料，仍占粉末冶金结构件铁粉使用量的30％左右。

喷雾

通过在适当的压力下迫使熔融金属流通过孔口来实现雾化。在离开喷嘴之前将气体引入金属流中，用于当夹带的气体膨胀（由于加热）而产生湍流并且在孔的外部离开到大的收集容积中。收集体积充满气体以促进熔融金属射流的进一步湍流。使用重力或气旋分离将空气和粉末流分离。大多数雾化粉末进行退火，这有助于减少氧化物和碳含量。水雾化颗粒更小，更清洁，无孔，尺寸更大，可以更好的压实。通过该方法制备的颗粒通常为球形或梨形。通常，它们还带有一层氧化物。

雾化有三种类型：液体雾化、气体雾化和离心雾化。

可以使用简单的雾化技术，其中液态金属以足够高的速度被迫穿过孔口以确保湍流。使用的通常性能指标是雷诺数，

R = fvd / n

其中 f =流体密度；

v =出口流速；

d =开口直径；

n =绝对粘度；

在低R时，液体射流振荡，但是在较高的速度下，流速变成湍流并且破裂成液滴。泵送能量以非常低的效率（大约1％）施加到液滴形成，并且控制所生产的金属颗粒的尺寸分布相当差。喷嘴振动或者喷嘴不对称，并且多次撞击流或熔融金属注入环境气体等其他技术都可用于提高雾化效率，产生更细的颗粒并缩小粒度分布。不幸的是，难以通过直径小于几毫米的孔排出金属，这实际上将粉末颗粒的最小尺寸限制在大约10微米。雾化还产生广谱的粒度，需要通过筛选和重熔大部分晶界来进行下游分类。

离心分解

熔融颗粒的离心分解提供了解决这些问题的一种方法。铁，钢和铝有广泛的经验。要粉化的金属被形成为通过快速旋转的心轴引入腔室的杆。主轴尖端相对的是一个电极，由该电极构成加热金属棒的电弧。当尖端材料熔断时，快速的杆旋转会抛出在撞击室壁之前固化的微小熔体液滴。循环气体从室中扫除颗粒。类似的技术可以在空间或月球上使用。室壁可以旋转以迫使新的粉末进入远程收集容器，并且电极可以被聚焦在杆端部的太阳镜替代。

能够产生非常窄的颗粒尺寸分布但具有低产量的替代方法包括加热到远高于待粉化材料的熔点的快速纺丝碗。液体金属，被引入到靠近中心的流体表面，流速被调节以允许薄金属薄膜均匀地在壁上和边缘上均匀地分散，分成液滴，每个大约是薄膜的厚度。

其他技术

另一种粉末生产技术涉及液体金属的薄射流，与高速雾化水流相交，将喷射液喷射成液滴，并在粉末到达料仓底部之前冷却粉末。在随后的操作中粉末被干燥，这被称为水雾化。水雾化的优点是金属比气体雾化更快地固化，因为水的热容量比气体高一些。由于凝固速率与粒径成反比，因此可以使用水雾化形成较小的粒子。颗粒越小，微结构越均匀。注意，颗粒将具有更不规则的形状，并且粒度分布将更宽。此外，通过氧化还原反应可能会发生一些表面污染。可以通过某种预固化处理（例如用于制造陶瓷工具的退火）来减少粉末。

粉末压制

粉末压实是通过应用高压压制模具中的金属粉末的过程。通常，工具被保持在垂直取向，冲孔工具形成腔的底部。然后将粉末压实成压坯，然后从模腔排出。在许多这些应用中，这些部件可能需要很少的附加工作用于其预期用途;使制造成本非常高。

压实粉末的密度随着施加的压力的量而增加。典型的压力范围为80磅至1000磅（0.5MPa至7MPa）。压力为150~700MPa范围时，通常用于金属粉末压实。为了在具有多于一个水平或高度的部件上获得相同的压缩比，需要使用多个下冲头。圆柱形工件由单级工具制成。通常的多级工具可以形成更复杂的形状。

每分钟（15~30）个产品的生产率是常见的。

有四大类工具样式：单作用压实，用于薄，扁平组件；相反的双重动作与两个打孔运动，可容纳更厚的组件、浮动模具双向压制和双向压制提取模具。双向压制类比单向压制提供更好的密度分布。模具必须设计成能承受极端压力而不会变形或弯曲。工具必须由抛光和耐磨的材料制成。

更好的工件材料可以通过压制和再烧结获得。

模具压制

在吨数和生产的零件数量方面，从粉末材料成型产品的主要技术是压模。市场上有机械伺服电机和液压机，其中最大的粉末产量由液压机加工。该成形技术涉及生产周期，包括：

用已知体积的粉末原料填充模腔，从装粉靴输送。

用冲头压实模具内的粉末，形成紧凑型。通常，压实压力通过来自工具组两端的冲头施加压力以减小压实体内的密度梯度的水平。

使下冲头从模腔提出，进行脱模。

使用下一个循环的填充阶段的填充靴或、自动化系统或机器人从模具的上表面去除压实体。

该循环提供了一个高自动化和高生产率的过程。

设计考虑

可能最基本的考虑是能够在挤压之后从模具中移除部件，同时避免设计中的尖角。 建议最大表面积低于20平方英寸（0.013平方米），高度与直径之比低于7：1。 同时具有厚于0.08英寸（2.0mm）的壁并保持相邻的壁厚比低于2.5：1。

该过程的主要优点之一是其生产复杂几何形状的能力。 具有底切和螺纹的零件需要二次加工操作。 典型的零件尺寸范围为0.1平方英寸（0.65）至20平方英寸（130）。 长度为0.1至4英寸（0.25~10.16cm）。 然而，可以生产小于0.1平方英寸（0.65）和大于25平方英寸（160）的部件。 （2.5cm）至约8英寸（20cm）的长度。

等静压

在一些压制操作中，例如热等静压（HIP）压实形成和烧结同时发生。该方法与爆炸驱动的压缩技术一起广泛用于生产高温和高强度部件，如喷气发动机的涡轮叶片。在粉末冶金的大多数应用中，压坯被热压，加热到高于该温度的材料不能保持加工硬化的温度。热压降低了降低孔隙率并加速焊接和晶粒变形过程所需的压力。它还允许对产品进行更好的尺寸控制，降低对起始材料的物理特性的敏感性，并且允许粉末被压缩到比使用冷压更高的密度，导致更高的强度。热压的不利因素包括较短的模具寿命，由于粉末加热而产生的生产速度较慢，以及在成型和冷却阶段中经常需要保护气氛

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