粉末冶金是一門(mén)新興的材料制備技術(shù)。近代粉末冶金興起于19世紀(jì)末20世紀(jì)初。至20世紀(jì)30年代，粉末冶金整套技術(shù)逐步形成，工業(yè)生產(chǎn)初具規(guī)模，對(duì)工藝過(guò)程及其機(jī)理的研究也取得了一定成果。20世紀(jì)中期，粉末冶金生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，成為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。并在此基礎(chǔ)上，為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展對(duì)材料性能和成形技術(shù)提出的更高要求，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)粉末冶金新工藝，包括：熱等靜壓、燃燒合成、快速凝固、噴射成形、機(jī)械合金化、粉末注射成形、溫壓成形、快速全向壓制、粉末鍛造、熱擠壓、爆炸固結(jié)、大氣壓力燒結(jié)、微波燒結(jié)，等等。本文擬首先對(duì)其中幾種重要新工藝的歷史沿革和發(fā)展現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)要介紹。這些工藝有的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，有的正處于實(shí)用化階段，應(yīng)用前景看好。
1 粉末冶金新工藝
1．1 粉末鍛造(Powder Forging，PF} H20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的粉末鍛造，是對(duì)鐵基粉末冶金材料和零件制造技術(shù)的重大突破。它將粉末冶金工藝與精密鍛造相結(jié)合，使機(jī)械零件達(dá)到全致密和獲得高性能成為可能，適合制造力學(xué)性能高的鐵基結(jié)構(gòu)零件，因而增加了粉末冶金機(jī)械零件的品種，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。粉末鍛造過(guò)程中，被加熱到鍛造溫度的粉末壓坯產(chǎn)生物質(zhì)流動(dòng)，填充陰模模腔，可成形具有較復(fù)雜形狀的零件。粉末鍛造產(chǎn)品密度可達(dá)到7．8 g／cm。(相對(duì)密度99．6 9／6)，密度和組織分布均勻，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能特別是動(dòng)態(tài)力學(xué)性能好。例如，粉末鍛造軸承外環(huán)的疲勞壽命是優(yōu)質(zhì)鍛鋼外環(huán)的3．5～4倍，且消除了常規(guī)鑄造材料的各向異性。粉末鍛造產(chǎn)品尺寸精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，精加工量小。粉末鍛造工藝節(jié)材、節(jié)能、工序少、生產(chǎn)成本低，例如，汽車傳動(dòng)定子凸輪成形工序由切削加工的7道減少到粉末鍛造的1道；與機(jī)械加工方法相比，粉末鍛造軸承外環(huán)和錐形滾柱節(jié)約材料5O 9／6；粉末鍛造機(jī)槍加速裝置零件成本降低5O 9／6以上。粉末鍛造溫度比常規(guī)鍛造低100~200℃ ，可節(jié)能和延長(zhǎng)模具壽命。其生產(chǎn)過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。粉末鍛造*初見(jiàn)于1941年，當(dāng)時(shí)以海綿鐵粉壓坯通過(guò)熱鍛制成高射炮的彈藥供給棘爪，其密度為7．8 g／cm。。
但此后20年間，這項(xiàng)技術(shù)無(wú)甚進(jìn)展。直到1968年，美國(guó)GM 汽車公司研制成功粉末鍛造后橋差速器齒輪，并于1970年與Cincinnati公司合作建立世界上*條粉末鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線，粉末鍛造才重新興起。但是，在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，由于受粉末質(zhì)量、模具壽命、缺乏專用設(shè)備等條件的制約，以及主機(jī)廠對(duì)粉末鍛造零件能否承受繁重負(fù)荷懷有疑慮，延緩了粉末鍛造的發(fā)展。至8O年代中期，全球汽車工業(yè)的高速發(fā)展為粉末熱鍛技術(shù)提供了機(jī)遇，而且上述問(wèn)題也逐一得到解決，才使粉末鍛造零件生產(chǎn)規(guī)模明顯擴(kuò)大。Cincin—nati公司至1985年共生產(chǎn)定子凸輪2 000萬(wàn)件以上。盡管此零件表面要承受高頻應(yīng)力載荷，但使用中從未有過(guò)事故。1981年，日本豐田汽車公司全自動(dòng)粉末鍛造生產(chǎn)線投產(chǎn)，生產(chǎn)連桿和離合器外圈，連桿月生產(chǎn)能力14萬(wàn)件。至1992年，年生產(chǎn)連桿250萬(wàn)件，并在當(dāng)時(shí)先進(jìn)車型Lexus上大量裝車使用。1986年，美國(guó)Ford公司開(kāi)始生產(chǎn)粉末鍛造連桿，供2種車型的1．9 L四缸發(fā)動(dòng)機(jī)使用，以后陸續(xù)擴(kuò)大到其他型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)。至1991年，該公司采用的粉末鍛造連桿不少于1 000萬(wàn)件，耗用鐵粉1 000 t以上。據(jù)1990年報(bào)道，美國(guó)Ceracon公司制造的粉末鍛造4601鋼下孔鉆頭(用于鉆井氣動(dòng)機(jī)構(gòu))，重22．6 kg。
德國(guó)Krebsoge公司于1992年建立了全自動(dòng)粉末鍛造生產(chǎn)線，連桿的生產(chǎn)率為5 s／件，當(dāng)年粉末鍛造連桿的使用量達(dá)到65萬(wàn)件。該公司采用粉末鍛造連桿“斷開(kāi)工藝”，可減少切削加工工序，降低生產(chǎn)成本，提高連桿負(fù)載能力。Kreb—soge公司開(kāi)發(fā)的Fe—Mo合金鋼，是較為理想的粉末鍛造材料。其合金元素含量低(合金中Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．85 9／6～1．05 9／6)，降低了原料成本，而材料性能很好，熱處理態(tài)極限拉伸強(qiáng)度達(dá)1 600MPa，伸長(zhǎng)率接近1O 。粉末鍛造主要用于生產(chǎn)汽車零件，如：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、變速器凸輪、軸承圈、同步器齒環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)閥座、離合器轂、鏈鋸鏈輪、棘輪、手動(dòng)扳手，以及各種齒輪，等等。汽車連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受強(qiáng)烈沖擊和高動(dòng)態(tài)應(yīng)力的典型零件，粉末鍛造連桿可靠性高，已在大量使用中得到證明。粉末鍛造技術(shù)由于其產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景令人樂(lè)觀。
1976年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與沈陽(yáng)汽車齒輪廠合作，用Fe-Mo共還原粉末研制成粉末鍛造汽車行星齒輪，并投入生產(chǎn)。1977年，中南工業(yè)大學(xué)與益陽(yáng)粉末冶金研究所合作，用霧化Cu—Mo低合金鋼粉制成拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪，并投入生產(chǎn)。同年，武漢鋼鐵公司粉末冶金廠與武漢工學(xué)院用粉末鍛造制成25 kg的大型傘齒輪。1979年，益陽(yáng)粉末冶金研究所建成拖拉機(jī)粉末鍛造密封環(huán)生產(chǎn)線。
1．2 熱等靜壓(Hot Isostatic Press。HIP)E ]熱等靜壓是在冷等靜壓(CIP)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。冷等靜壓又稱液靜壓或水靜壓，出現(xiàn)較早。1913年，MADDEN獲冷等靜壓技術(shù)的專利。1936年，美國(guó)應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造鎢鉬條材，1942年用于制造鎢鉬管材。此后不久，德國(guó)應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)制造大型鎢制品。1935年以后陶瓷工業(yè)在廣泛應(yīng)用冷等靜壓技術(shù)生產(chǎn)火花塞的瓷絕緣子和壓電陶瓷等特殊陶瓷制品。前西德在2O世紀(jì)7O年代用冷等靜壓制造出d 300 mm×1 400 mm、質(zhì)量為140kg的異形不銹鋼過(guò)濾器，以及超大型絕緣電瓷。冷等靜壓能夠成形凹形、空心和長(zhǎng)細(xì)比大等復(fù)雜形狀坯件，坯件密度均勻，強(qiáng)度較高，在粉末冶金成形工藝中占有重要地位。我國(guó)在2O世紀(jì)5O年代末建立了冷等靜壓實(shí)驗(yàn)裝置。如果說(shuō)冷等靜壓是粉末成形的一種特殊方法，那么，熱等靜壓技術(shù)則在開(kāi)發(fā)新材料和改進(jìn)現(xiàn)有材料方面大顯神威。已用熱等靜壓制造和處理的材料有：工具鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金、稀土永磁、彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化鋁合金、鈦合金、鈹、難熔金屬、復(fù)合材料，等等。此外，熱等靜壓技術(shù)還用來(lái)消除鑄錠內(nèi)部缺陷和修復(fù)貴重部件。
熱等靜壓技術(shù)始于1955年，當(dāng)時(shí)美國(guó)BatteleColumbus實(shí)驗(yàn)室的DAYTON R等4名科學(xué)家，為了解決核燃料元件制造中鋯包覆鋯鈾合金的問(wèn)題，提出了“氣壓連接”的設(shè)想，建立了*臺(tái)實(shí)驗(yàn)室用熱等靜壓機(jī)。其壓力缸以304不銹鋼鍛成，以氦為工作介質(zhì)，樣件置于缸體容器中，施加的等靜壓力使包套與芯棒緊密接觸，在840～900℃保溫24~36 h，通過(guò)擴(kuò)散使界面連接。至1960年該所采用氣壓連接技術(shù)成功制造了350根核燃料元件。
2O世紀(jì)6O年代，熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，向高材料制備和加工的方向發(fā)展，并逐漸進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。1965年，美國(guó)Kennametal公司與Battelle研究所合作，對(duì)硬質(zhì)合金件進(jìn)行致密化處理。1967年建立年產(chǎn)50t硬質(zhì)合金的熱等靜壓生產(chǎn)線，所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金品種約占公司全部品種的一半，產(chǎn)品強(qiáng)度和使用壽命大幅度提高，還生產(chǎn)了許多用常規(guī)工藝難以制造的制品。1969年，瑞典ASEA公司建立了*臺(tái)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的Quintus冷熱等靜壓設(shè)備，成為以后等靜壓設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)形式。2O世紀(jì)6O年代末7O年代初，美國(guó)坩鍋公司和瑞典通用電氣公司采用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)粉末高速鋼，消除了合金元素的偏析，大幅度提高了合金元素的含量。7O年代，熱等靜壓技術(shù)被用于制造粉末冶金高溫合金渦輪盤(pán)和粉末冶金鈦合金結(jié)構(gòu)件。俄羅斯采用熱等靜壓技術(shù)制備了尺寸為90 cm×115 cm，質(zhì)量為300 kg的高溫合金件，其強(qiáng)度達(dá)1 600 MPa。
1978年，日本住友特殊金屬公司采用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)鐵氧體，獲得高密度、細(xì)晶粒Mn—Zn鐵氧體，將維氏硬度和抗彎強(qiáng)度都提高了15 。將熱等靜壓與快速凝固、機(jī)械合金化、燃燒合成等新技術(shù)結(jié)合，是制取粉末冶金新材料的有效途徑。據(jù)1999年北京國(guó)際熱等靜壓會(huì)議報(bào)道，美、俄對(duì)機(jī)械合金化Ti一47．5Al一3Cr納米粉進(jìn)行熱等靜壓，所獲材料保持納米晶粒，具有超塑性。日本將熱等靜壓與燃燒合成相結(jié)合，制取了致密梯度材料和陶瓷材料。熱等靜壓技術(shù)發(fā)展很快。1976年，全世界擁有熱等靜壓設(shè)備99臺(tái)，1980年為188臺(tái)，1988年猛增到800臺(tái)。隨著熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益提出了更高要求，促使一些大型化設(shè)備相繼建成并投入使用。瑞典ABB公司制造的大型熱等靜壓機(jī)的工作室尺寸為d 1 600 mm×2 500 mm、*高工作壓力105 MPa、*高工作溫度1 260℃ 。
我國(guó)熱等靜壓技術(shù)的開(kāi)發(fā)始于2O世紀(jì)6O年代。1966年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所*采用螺旋式熱等靜壓機(jī)制備稀有金屬材料和連接核材料。1979年，*臺(tái)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式熱等靜壓設(shè)備在冶金部鋼鐵研究總院投產(chǎn)，有效缸體尺寸d 270mmX 700 mm。1990年，由川西機(jī)器廠與冶金部鋼鐵研究總院聯(lián)合設(shè)計(jì)、川西機(jī)器廠制造的“雙2000”小型熱等靜壓機(jī)面市，該機(jī)工作壓力200 MPa，工作溫度2 000℃ 。同期，鋼鐵研究總院*出El熱等靜壓機(jī)，其熱區(qū)工作尺寸為d 450 mm×1 000mm。1988年全國(guó)擁有熱等靜壓設(shè)備25臺(tái)，1998年達(dá)63臺(tái)。我國(guó)對(duì)熱等靜壓技術(shù)在粉末固結(jié)、擴(kuò)散連接、燒結(jié)制品和鑄件致密化等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研制了高性能結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、高溫超導(dǎo)材料、金屬間化合物、功能陶瓷材料、生物陶瓷等新材料，制訂了硬質(zhì)合金、粉末冶金高溫合金、稀貴金屬致密化處理的熱等靜壓生產(chǎn)工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
1．3 快速凝固(Rapid Solidification。RS) lJ快速凝固技術(shù)是通過(guò)將金屬和合金熔體快速冷卻凝固制備材料的一種方法，金屬和合金在快速凝固過(guò)程中，其組織結(jié)構(gòu)和固溶能力發(fā)生很大變化。快速凝固技術(shù)是細(xì)化組織、消除偏析、提高合金固溶度，及制取非晶態(tài)粉末材料、微晶級(jí)和納米晶級(jí)合金材料的有效手段。
