粉末冶金原理与工艺精选(九篇)

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第1篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词：粉末冶金；汽车零件；金属粉末；高性能

粉末冶金材料是指用若干种金属粉末或是金属粉末与非金属粉末作原料， 通过按比例配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种生产工艺过程也就是粉末冶金法， 它属于一种不同于熔炼和铸造的方法。由于其生产工艺过程与陶瓷制品工艺极为相似， 所以粉末冶金法又被称为金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制造某些具有特殊性能材料的方法， 同时也是一种无切屑或少切屑的加工方法。它具有生产效率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等特点。但其也存在一定的缺陷，如金属粉末和模具费用高， 制品大小和形状受到一定限制， 制品的韧性也较差。粉末冶金法常被用于制作硬质合金材料、结构材料、减磨材料、难熔金属材料、摩擦材料、过滤材料、无偏析高速工具钢、金属陶瓷、耐热材料、磁性材料等。

一、粉末冶金技术的含义及其特点

粉末冶金技术附属于材料制备和成形的加工技术，而作为粉末冶金的雏形就是块炼铁技术，块炼铁技术也是人类最初制取铁器的唯一手段，其对人类社会进步作出了巨大贡献。

1、 粉末冶金技术的含义

粉末冶金的方法其实诞生已久。人类早期通过机械粉碎法来制取金、银、铜和青铜的粉末，用来当作陶器等的装饰涂料。早在200年前，一些欧洲国家，如俄、英等国就曾大规模的制取海绵铂粒，并经过热压、锻和模压、烧结等加工工艺来制造钱币和一些贵重器物。1890 年，美国的库利吉发明用粉末冶金方法制造灯泡用钨丝，从而奠定了现代粉末冶金技术的基础。直到1910年左右，人们已经开始用粉末冶金法来大量制造了钨钼合金制品、青铜含油轴承、硬质合金、集电刷、多孔过滤器等，并逐步形成了一整套粉末冶金相关技术。上世纪30年代，旋涡研磨铁粉和碳还原铁粉技术问世后，从而为粉末冶金法制造铁基机械零件较快的发展机遇。从第二次世界大战后，粉末冶金技术得到了较快的发展，新型的生产工艺和技术装备、新的材料和制品不断出现，开拓出一些能制造特殊材料的领域，成为现代工业中的重要组成部分。

2、 粉末冶金技术的主要作用

由于粉末冶金技术的具有特殊优点，使其已成为解决新材料问题的有效途径，而且在新材料的发展中历程中发挥着举足轻重的作用。

粉末冶金技术由于其可以在最大限度地来减少合金成分发生偏聚，消除粗大且不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土储氢材料、高温超导材料、稀土催化剂、新型金属材料上具有独特的作用。同时还可以制备非晶、纳米晶、准晶、微晶以及超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料由于具有优异的电学、光学、磁学和力学性能。因此可以较容易地实现多种功能类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。

二、粉末冶金技术的发展趋势

随着汽车和飞机零件以及切削和成形工具发展的需要，粉末冶金制造零部件的强度和质量都得到了较好的改善和提高。汽车制造业作为粉末冶金零件的最大用户，1996 年汽车行业占有美国粉末治金零件的市场份额的69%，成为美国粉末冶金零件的最大市场。发展粉末冶金需要制取新技术、新工艺及其过程理论。

1 、向全致密化发展

粉末冶金的重点是超细粉末和纳米粉末的相关制备技术，机械合金化技术，快速冷凝制备非晶、微晶和准晶粉末制备技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术，自蔓延高温合成技术。粉末冶金技术发展的总趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展，从而建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模过程理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。

2 、向高性能化、集成化和低成本等方向发展

粉末冶金制造零部件相关的新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现。目前， 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展；制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金；用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金；制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金；加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。

3 、粉末冶金产业化发展

由于相邻学科和相关技术的相互渗透和结合.更赋予了粉末冶金新的发展活力。粉末冶金新工艺层出不穷。粉末冶金产业化是指这些技术已比较成熟。甚至在一些国家已有生产规模，但主流还处于研究成果向产业化转化的过程之中。其工艺、设备、市场等已为产业化准备了条件，可以产业化，取得社会效益和经济效益。主要是指该技术实现产业化、集群化、模块化发展。其主要应用领域有汽车用粉末冶金零部件，汽车制造业仍是粉末冶金（PM）发展的牵引力；粉末注射成（PowderInjection Molding（PIM））温压成形技术（Warm Compaction）在众多为提高PM 件密度的生产方法中。温压成形技术被认为是最为经济的一种新工艺。本文将重点介绍以下产业化技术：

① 温压技术

温压技术在上世纪90 年代被誉为粉末冶金技术上重大突破，并于1990年取得了第一项采用一次压制烧结工艺制备高密度铁基（P / M）零件的美国专利。该技术可以使烧结钢中的孔隙度降低到6 %左右，而传统技术的孔隙度为10%以上，产品的密度能达到7.3g/cm3或以上，因此较大程度的拓宽了高密度、高强度烧结钢零件在工业上广泛应用的可能性。

② 模壁

模壁和温压是两个平行的提高铁基结构零件密度的方法。近年来，发展最迅速的是干模壁技术，即采用静电的方法，从而将干剂粉末吸附到模壁上进行，从而很好的避免了湿模壁在制备过程中压坯表面易于粘粉的缺点。

③注射成形

金属注射成形（MIM）是一种将塑料注射成形与粉末冶金技术结合而成的近净成形技术，此技术也是国内外公认的21 世纪粉末冶金的主流技术，被称为“第五代加工技术”。而且该技术也最适于用来大批量生产一些三维复杂形状的零件，同时还可以实现自动化连续作业，从而大大提高生产效率。目前，在一些发达国家，MIM技术已经成为一项最具竞争力的金属成形技术，而且开始大量用于不锈钢粉末冶金生产。

三、粉末冶金机械零件的制造现状与挑战

我国粉末冶金技术起步较晚，自1958年诞生以来，一直是处在蹒跚学步的状态中，而且一直不被人们重视，被当做是一个没有前景的小行业来对待。然而从世界粉末冶金行业发展状况来看，粉末冶金行业却是一个最具市场活力，发展速度极快，同时应用范围也是最广的冶金技术，尤其是日本在粉末冶金技术方面发展飞快，每年生产烧结含油轴承十几亿只。直到上世纪80年年代初，在我国体制改革的大潮中，粉末冶金零件行业正式划归当时的“基础件工业局”进行管理，并结束了粉末冶金零件行业自身自灭的状态，从而得到相应的发展机遇。我国自上世纪90年代至今约20多年间，粉末冶金零件得到迅猛发展，同时也经受住了金融危机的不利影响。

表1是我国自2007-2011年间粉末冶金分会53家会员企业的数据进行统计的结果，虽然我国粉末冶金行业目前显示出盎然生机，但也面临着各方面的挑战。现笔者将自己的针对其中的一些问题以及看法和相应的意见提供给大家参考：

四、粉末冶金机械零件制造技术在汽车行业的应用现状与前景

近年来，由于人们生活观念的改变，同时人们的环保意识也不断提高，因而轻量化的汽车也越来越受人们的亲睐，从而汽车工业也开始大量使用轻质合金材料，如铝合金、镁合金来生产汽车零部件。也正是由于粉末冶金能够很好的避免成分偏析，又可以满足具有各种特定性能的零部件一次性成型的要求。

目前粉末冶金汽车零件主要有两个市场，一个为汽车生产商市场，另一个为汽车维修服务点，即维修配件市场。而汽车生产商市场则是粉末冶金零件的主要市场，通常情况下，汽车生产商会与粉末冶金零件制造企业进行定向合作，从而导致其他零件制造企业难以插足获利。而维修配件市场相对来说则要开放的多，而且需求量也较大，但大多都是存在某些质量问题的货物。从表2可知，我国在汽车制造行业中对粉末冶金技术制造的零件的使用量只有日本的2/3左右，但我国的粉末冶金制造的零件的总量却要比日本的多，可见粉末冶金汽车零件的市场潜力是巨大的。

我国目前汽车行业正处于蓬勃发展期，因此也给我国粉末冶金零件制造企业带来了难得市场机遇。同时根据美国一家信息分析中心预测，2020年我国汽车销量将达到2000万辆，届时中国将超过美国成为全球汽车销量第一的国家。而我国粉末冶金汽车零件的主要制造企业有三十多家，且其主要生产的零部件为汽车所使用的一些轴承或者是小配件，总体呈现出还是处于相对来说较为低端的位置，而关于发动机或调速箱等关键部位的零部件则基本上是整体通过国外进口，同时随着全球经济一体化趋势的不断加速，我国粉末冶金企业毕竟面对国际化市场，这对我们来说既是机遇也是挑战。因此就需要我国粉末冶金企业把握机遇，迎难而上，主动积极的溶于国际化市场当中。

参考文献

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[2]杨伏良，甘卫平，陈招科.粉末粒度对高硅铝合金材料组织及性能的影响[J].材料科学与工艺，2006，14（3）：268-271.

[3]印红羽，张华诚.粉末冶金模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]李祖德，李松林，赵慕岳.20世纪中、后期的粉末冶金新技术和新材料（1）――新工艺开发的回顾[J].粉末冶金材料科学与工程，2006，11（5）：315-322.

[5]刘文海.铝合金新材料的发展动向[J].机械工业杂志，2007，291：160-162.

[6]黄培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，1997.

第2篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词：线切割；粉末冶金；压销；组配

1 概述

近年来，随着粉末冶金技术的飞速发展，粉末冶金材料能够充分满足零件的使用要求，大大降低了生产成本，国内外电动工具厂纷纷使用粉末冶金齿轮等零件，我厂也在手枪钻、冲击钻、电动螺丝批等系列电动工具进行了大批量生产，产品成熟稳定，客户反映良好。粉末冶金的高速发展也促进了快走丝线切割技术的发展和运用，例如：粉末冶金模具的制作、产品特殊部位切割方便检测、大型零件设计机加工无法批量加工等。而电动工具的生产一般是成套的，存在某些产品组配的工序，最常见的就是行星架和行星齿轮的压销组配，本文介绍的就是在这道工序中线切割的应用，具体就是用线切割切割组配工装中的压销垫，用于固定压销钉，确保行星齿轮与行星架的配合完好。

2 线切割的工作原理

电火花线切割简称线切割，线切割是一种电加工机床，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。主要用于加工各种形状复杂、材料特殊、精密细小的工件等。目前已经广泛应用于生产中。

根据电极丝移动速度的大小分为高速走丝线切割和低速走丝线切割。我国普遍采用高速走丝线切割。高速走丝时，线电极采用高强度钼丝，加工过程中钼丝可重复使用。低速走丝时，多采用铜丝，电极丝只能一次性使用。

电极丝与工件之间的相对运动一般采用自动控制，现在已全部采用数字程序控制，即电火花数控线切割。

工作液起绝缘、冷却和冲走屑末的作用。工作液一般采用皂化液。

3 压销垫制作实例

3.1 压销垫材料选择与制作

根据实际要求我们选择45#钢为原材料，并且经过调质处理使其硬度达到HRC28-32，这样能基本保证生产过程中的使用周期和组配质量的基本要求。

压销垫一般尺寸为Φ40，M8的螺纹孔和Φ30，M6的螺纹孔两种，这是根据我厂的产品特性制作出来的，其他尺寸需根据情况调整。

3.2 下料

本文我采用我厂生产较成熟产品为例作说明，组配的两个产品分别为（图2）：

根据两个产品的尺寸要求O计压销工艺，如下（图3）：

并提出如下技术要求：销钉中心距、高度符合图纸要求，销钉与孔配合牢固，每只销钉脱拔力？芏1kN，注意检查压销钉时，孔口不允许开裂。

根据产品特性及压销工艺我们确定了压销垫的高度，然后将制作好的压销垫材料固定于线切割机床上，通过打火花的方式确定销垫材料是否垂直，保证切下来的材料保持很好的平面度，可适当放大材料高度，便于后道工序的加工，材料固定好后，利用电脑编程直接切割直线即可。

粗糙的材料准备好后，需要经过磨床的平磨方可得到需要的尺寸，经过平磨的材料平面度必须达到要求，否则压销过程中会出现相关问题。

3.3 编程

目前我所采用的是CAXA xp软件对产品加工轨迹进行编程，首先根据产品的尺寸绘制加工轨迹如下（图4）：

轨迹的设置需要根据压销垫材料的内孔径的大小、销钉的直径等因素综合考虑，根据实际经验我们一般设置的加工轨迹的偏移量是向内部的，这样能保证销钉能充分完好的配合，避免冲压时造成销钉倾斜甚至崩掉，这主要由销钉的直径大小这一关键因素决定的。

3.4 线切割加工

将生成好的3B代码导入电脑，并将准备好的压销垫材料平整的放在待加工区，穿好电极丝，这里要保证电极丝不能抖动，在X和Y轴方向的垂直度很好，调整好脉冲宽度及脉冲间隙，打开运丝筒电机和水泵电机开始加工。

3.5 组配

加工好的压销垫开始装机，利用压销垫M8的螺纹孔固定在底座上，将销钉放入孔内，再将行星架对准销钉，利用压销机的压力将销钉与行星架配合在一起，如图5所示：

这一步的关键是销钉与行星架的配合度，销钉不易过松，会脱落；也不易过紧，会造成行星架边缘开裂；销钉冲入行星架的深度也有一定标准，不可露头太多或太少，不然影响装配。这些因素都直接影响产品后期组配情况：噪音、使用持久度等。

销钉与行星架组配完成后，与行星齿轮的组配效果如下（图6）：

4 装机效果

实际装车后，这一整套电动工具组配安装调试结果良好，各项性能均符合要求，使用效果良好，现已大批量生产。

参考文献

[1]周作平，申小平.粉末冶金机械零件实用技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]王卫兵.CAXA线切割应用案例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]伍端阳，梁庆.数控电火花线切割加工实用教程[M].北京：化学工业出版社，2015.

第3篇：粉末冶金原理与工艺范文

（吉林省教育学院人事处，吉林长春130022）

摘要：目前，工业中常用的聚合物减摩自材料有聚酰亚胺、聚甲醛、聚乙烯、聚四氟乙烯等。其中，尤以聚四氟乙烯的摩擦系数最低，静摩擦系数仅为0.04。但由于聚合物机械力学性能比较差，耐热散热导热性能差，大大缩小了其适用范围，只能应用于常规工况中，例如高载荷、高速、高温等工况奈件下，使用聚合物材料反而起不到应有的作用。

关键词 ：铜基复合材料；摩擦磨损；材料成型；摩擦系数

中图分类号：TC7 文献标识码：A 文章编号：I671-1580(2014)10-0153-02

由于复合材料中基体与填人物都是以自身形态独立存在，因此，为了满足其性能要求，当成分配比适合时，制备所用的工艺对材料最终的性能起决定性作用。在这一前提下，在铜基复合材料的制备过程中需要考虑以下几个方面：基体铜与填人物的结合方式。复合材料中的结合主要有两种，一种是化学结合，一种是机械结合。铜基体与填人物在制备过程中界面的形成过程。如果界面之间是物理结合，则只需要考虑基体在制备过程中的变化；如果界面之间是化学结合，在考虑基体变化的过程中，还需要分析界面处的反应，以及生成新相的性能。填人物的分布会影响到铜基复合材料的整体性能。这时需要考虑到基体与填人物的初始形态以及密度等因素。若基体与填人物初始形态相同（如均为粉末），二者之间可以均匀混合；若基体与填人物初始形态不同（如基体为粉末，填人物为纤维），需要注意是否均匀混合。若填人物为连续纤维，不仅要考虑纤维的分布，同时纤维的取向与纤维的完整性也需考虑。制备工艺的确定和参数的优化。有时铜基复合材料需要采用液态法制备。在这一过程中，基体铜或填人物都会转化成液态。此时，由于两者之间密度的差异，会导致分层现象。密度大的向下扩散，密度小的向上偏聚，最后影响铜基复合材料的整体性能。

表1列出了目前常用的铜基体复合材料的制备方法。由此可见，铜基复合材料的制备方法是多种多样的。

一、扩散结合成型法

采用扩散结合工艺制备铜基复合材料，由于工艺复杂，对工艺参数的控制要求严格，因此，对于设备的精确度要求极高，很难适用于工业化生产。但由于连续纤维在铜基体中的分布均匀和完整性要求，扩散结合则成为连续纤维增强铜基复合材料的唯一可行工艺。

二、粉末冶金成型法

与同类制备技术相比较，采用粉末冶金工艺制备铜基复合材料具有以下特点：将铜基体熔化成液态，然后采用压铸或半固态复合铸造等工艺，制备铜基复合材料的方法被统称为液态法，亦称熔铸法。

三、压铸成型法

首先将铜基体熔成液态，然后通过施加压力(70 - 100MPa)，将液态铜基体以一定的速率压注填入模型腔体或基体中填人物构成的预制体孔隙中，最后快速冷却凝固制备铜基复合材料的工艺被称为压铸。

在压铸工艺中，需要研究的工艺参数有压力、加压速率、温度和模具预热速度。为了制备致密的铜基复合材料，通常选用高于50 MPa的压力。加压速率则由模型腔体或者填人物构成的预制体的强度而定，以其不变形为最佳加压速率，一般选择13c m/s。模具或填人物预制体的温度控制在与熔融态铜基体的温度同步，这样可以进行能量互补。当熔融态铜基体温度较低时，可以升高模具或填人物预制体的温度，反之亦然。

利用压铸工艺制备的铜基复合材料，组织细密、无空隙，比之一般金属铸件的性能要好一些。与固态法中的扩散结合和粉末冶金法相比，设备简单，成本低廉，产品质量稳定，效率高，易于工业化大规模生产。

四、半固态复合铸造成型法

将铜基体熔融至半固态，然后将填人物加入半固态铜基体中，通过搅拌的方式使填人物在铜基体中均匀分布，然后浇注在模具腔体中成型，这种工艺被称为半固态复合铸造法。

在使用半固态复合铸造法制备铜基复合材料的过程中，为了使得填人物均匀分布在铜基体中，会对半固态铜基体进行强烈搅拌，在搅拌的过程中则会引入气体，导致基体被氧化。当填人物与铜基体之间的润湿性较差时，由于一直在搅拌，两相之间更难形成稳定的界面，最终影响到铜基复合材料的整体性能。

将铜基体熔化成液体，然后在压力作用下注入雾化器，雾化器中通入高速惰性气体流，在高速气体流的作用下，液态基体铜被分散成极细小的液滴，同时通过其他喷嘴向雾化铜基体中注入填人物，使之与雾化铜基体在基板（收集器）上凝固沉积，进而形成颗粒增强铜基复合材料，这种工艺被称为喷射沉积，大约是在20世纪80年代逐渐成型。其结合了粉末冶金和金属凝固两种成型技术的原理和工艺。

制备复合材料是集两种性能不同的材料于一体的一种技术手段，而基体与填人物之间的润湿是成型的关键。润湿性不仅对铜基复合材料的高温制备过程有影响，同时还决定着成型复合材料的性能稳定性，甚至是高温性能稳定性。上述无论是液态成型法还是固态成型法，填人物与基体界面之间都会发生化学反应。如果填人物能够在基体铜相界处直接（即原位）生成，则成型关键问题界面润湿迎刃而解。因为原位形成的填人物与基体之间结合效果是其他工艺制备的界面结合难以比拟的，其中既不存在界面化学反应，也无需考虑形成新相的热力学问题。这种工艺即被称为原位复合成型。目前，这种方法已在陶瓷基复合材料和金属间化合物基复合材料的制备中得到了推广和应用。

粘着磨损通常被称为咬合磨损或者胶合磨损，是两物体接触表面相对滑动时在法向载荷作用下所产生的磨损。其本质是两个摩擦副之间原子键形成（显微熔接）和分离过程，通常产生小颗粒状的磨损产物，并且从一物体表面转移到另一物体表面。然后由于表面层发生断裂，转移到另一表面上的颗粒又反转移到原来的表面上。在这种转移与反转移过程中，颗粒通常会以自由磨屑的状态脱落下来。

霍姆从微观方面人手分析粘着磨损机理，推导出了粘着磨损量V(mm3)的表达式1-1：

式中，K为磨损系数，P为载荷，H为材料硬度，L为摩擦距离。

粘着磨损过程一般可分为三个阶段。第一阶段称为跑合阶段，也称磨合阶段或磨合磨损阶段，第二阶段称为稳定磨损阶段，第三阶段称为急剧磨损阶段，也称为破坏磨损阶段。

磨料磨损又称磨粒磨损，是指摩擦副的基础件被配对件的表面粗糙凸峰或中间物质里的硬颗粒划伤或微切削的过程。凸峰或硬颗粒一般为摩擦所产生的非金属材料或落入摩擦副间的金属屑。磨料磨损通常是多种机制共同作用的结果，在发生磨料磨损时，作用在质点上的力可分解为垂直分力与水平分力，垂直分力将硬质点压人材料表面，水平分力促使硬质点与表面之间产生相对位移。它们之间相互作用的结果是被磨损表面产生犁皱或切屑，形成磨料磨损或在材料表面留下沟槽。

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参考文献]

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第4篇：粉末冶金原理与工艺范文

昆钢粉末冶金科技厂为缓解昆钢铁不保钢和废钢铁资源紧张的矛盾，与一家民营企业合作，建设的年产7.5万t直接还原铁的隧道窑生产线于2008年3月开始生产，产出的合格产品正式应用于炼钢生产。隧道窑生产直接还原铁工艺是将铁原料、还原剂、脱硫剂按工艺要求加工好，按照一定的比例和装料方法，分别装入还原罐中，放在台车推入隧道窑中，通入煤气点燃，料管中的原料经预热，在1000～1200℃的温度条件下还原，在保持足够的还原时间和冷却时间后，得到直接还原铁。主要流程为:配料———混料———干燥———装料———补料———拔料(翻转)———放料———粗碎———筛分———细碎———料仓。干燥工序主要设备为铁鳞干燥窑和焦末干燥窑，窑尾烟气温度＜100℃，进窑物料含水分为13%～15%，干燥后物料水分为3%～5%。铁鳞干燥窑原有布袋除尘器约为200m2，离心通风机风量为19430～25745m3/h，3270～4840Pa，电机为30kW。由于原料含水分较大，焦末含有焦油，烟气温度低于露点，烟尘在布袋除尘器内结垢糊袋，除尘效果不好，生产后期，干燥窑烟气直接排放，不再进入除尘器。2010年，昆钢粉末冶金科技厂直接还原作业区采用塑烧板除尘器对铁鳞干燥窑进行改造，运行近1a，除尘效果良好，达到设计指标。

2传统的除尘方法

我国回转干燥窑的除尘法常用的是湿式除尘器、静电除尘器和袋式过滤器。湿式除尘器产生大量污水，造成二次污染。静电除尘器在粉尘高湿度条件下电晕控制难度大，腐蚀问题难以处理，运行费用高。目前常用的除尘方法多数采用分散式负压吸风的布袋除尘工艺，最致命的缺点是捕集含有一定水分、油分或有机体(如松香)的粉体，会出现堵塞管道、粘接布袋的现象，布袋除尘器最终会“瘫痪”不能使用。

3新型的除尘方法

随着现代化技术的发展，20世纪80年代德国、日本出现了新型的塑烧板过滤材料，逐步应用于电力、建材、冶金、化工、制药、食品加工及烟草等行业，取得较好的除尘效果。经过多年的摸索，目前我国已经可以自主生产，将其投资成本大幅度降低。除了有耐常温、耐温110℃及耐温160℃以外，还有耐酸型、耐碱型、防爆型、抗静电型及抗油气型等产品，使用寿命＞10a。塑烧板除尘器的工作原理和普通袋式除尘器基本相同，区别在于两者的过滤材质不一样。布袋除尘器主要靠滤布上粘附粉尘的二次过滤吸附微粒，采用振打及反吹进行清灰，清灰时滤布纤维被拉伸变形，并形成二次尘雾，瞬时排放浓度增大。塑烧板除尘器主要依靠塑烧板进行过滤，塑烧板的表面过滤主要是筛分效应，光滑的表面使粉尘极难透过与停留，清灰过程完全靠气流反吹把粉尘层从塑烧板逆流洗下来，没有塑烧板的变形或振动，粉尘层呈片状落下，而不是分散飞扬，不需要控制反吹气流速度。塑烧板过滤片是根据不同的气流成分和不同的粉尘粒度特制的，由多种高分子化合物粉体、易导电物质及结合剂等经铸型、烧结等工艺形成的波浪式多孔母体，厚度约为5mm，其波浪型外表及内部空腔间的筋板，具备足够的强度保持自己的形状，无需钢制骨架的支撑。在母体表面的空隙里填充一层氟化树脂，母体内部孔隙直径40～80μm，表面孔隙为1～2μm，也可以根据不同的粉尘粒度控制表面的孔隙，最小的表面孔隙可以控制到0.07μm。母体基材具有完全的疏水性，不会像纤维织物滤袋因吸湿形成水膜，不会引起阻力上升，压力损失稳定，可以处理含油雾、含水汽的含尘气体。使用寿命长达10a以上。宝钢热轧厂第一代使用的塑烧板除尘器，其外壳因锈蚀更换过一次，后历经16a之久，其塑烧板没有更换。塑烧板过滤片表面为褶皱型，过滤表面积大，塑烧板除尘器结构紧凑，外形体积仅为传统布袋除尘器的1/3。具有占地小、除尘效率高、设备阻力小的特点。

4应用实例

昆钢粉末冶金科技厂直接还原作业区铁鳞干燥窑，处理介质为铁磷片状，窑内温度为800～1100℃，含少量油，含水16.00%。粉尘堆积比重约为1.4t/m3;除尘器入口粉尘浓度5g/Nm3。采用1台塑烧板滤芯式除尘器，型号为H1500－60塑烧板除尘器;塑烧板片数为40片，装配在箱体检修平台上不需拆除喷吹管、电磁阀就可装卸。电磁阀数量为40套，设置在除尘器箱体两侧外部，便于排除故障和观察其工作状态。塑烧板滤芯式除尘器性能技术参数:处理风量:15000m3/h;除尘介质:铁磷粉;总过滤面积:360m2;过滤风速:0.8～1.3m/min;入口含尘浓度:50g/Nm3;排放浓度:≤20mg/Nm3;漏风率:≤2%;设备阻力:1700～2200Pa;设备耐压:－7000Pa;塑烧板运行工作温度:≤110℃;塑烧板规格:1040mm×62mm×1550mm;每块塑烧板过滤面积:9m2;清灰压缩空气耗量:0.32Nm3/min。此项目中采用白色梯型塑烧板。在原有配方的基础上增加了特殊的涂层配方，可耐温110℃，进一步强化了抗金属细粉堵塞的能力与优良的耐油耐水性。塑烧板表面更为光滑，阻力低、除尘效率高、使用寿命长。塑烧板为一次烧结成型无粘合剂粘结的“梯”形凹槽板。垂直安装，凹槽与反吹方向和落灰方向一致，更便于清除表面积灰。除尘器采用耐水、耐油专用弹力密封胶带进行面密封，并保证密封胶带能在长时间内保持弹力。除尘风机主要技术参数:风机类型:9－26－4;额定流量:18012m3/h;风机全压:4343Pa;电动机功率:30kW;转速:1450rpm/min。塑烧板除尘器于2010年12月开始试运行，除尘效果好，运行期间未进行任何维护操作。除尘器出口气体含尘浓度≤20mg/Nm3。

5对比分析

塑烧板除尘器设置在车间内部，避免冬季管道冷却积聚大量冷凝水，粉尘成糊状;除尘器下部采用水封，避免粉尘在灰仓内板结，便于卸灰。塑烧板立式放置，不会出现上一层粉尘落入下一层的情况。反吹的压缩空气压力必须足够，保证足够的反吹能力。与传统的袋式除尘器相比，塑烧板除尘器可用于含油、粘结、潮湿、粉尘细的环境，不会板结，压力损失稳定，好操作，耐油耐湿性强，使用寿命长，维护保养方便。与传统的湿法电除尘器相比，塑烧板除尘器粉尘捕集率高，除尘器结构紧凑、体积小，投资高出约20%，但运行费用低，耗电量小，约3～5a就可将投资补差收回，长期运行效益更加明显。

第5篇：粉末冶金原理与工艺范文

【关键词】绿色制造；机械制造工艺；开发策略

中图分类号：S220.6

1.绿色制造概述

1.1概念

绿色制造.又被称为环境意识制造或面向环境的制造，是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的目标是使得产品从设计、制造、包装、运输.使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小.资源效率最高.并使企业经济效益和社会效益协调优化。这里的环境包含了自然生态环境.社会系统和人类健康等因素。

1.2绿色制造的结构体系

绿色制造的核心内容是产品制造过程中，使用绿色材料和清洁能源，通过绿色设计.生产绿色产品.最终建立具有可持续性的产品生产和消费模式。绿色制造主要由三大部分组成：绿色设计.清洁生产和绿色再制造。

2.绿色机械制造工艺的类型

2.1节约资源的工艺技术

原材料（尤其是一些不可再生的金属材料）的大量消耗.将不利于全社会的可持续发展.因此.机械工业应积极推广资源消耗少的绿色工艺技术，通常可采取以下绿色工艺技术。

2.1.1绿色材料

绿色设计与制造所选择的材料既要有良好的使用性能.又要与环境有较好的协调性。为此，可改善机电产品的功能.简化结构.减少所用材料的种类：选用易加工的材料、低能耗、少污染的材料，可回收再利用的材料，采用天然可再生材料。

2.1.2少无切削技术

随着新技术、新工艺的发展，精铸、精锻、摆辗等成型技术和工程塑料在机械制造中的应用日趋成熟，从近似成型向净成型方向发展。有些成型件不需要机械加工，就可直接使用.不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，也大大减少了产品的制造周期和生产费用。

2.1.3节水制造技术

水这种宝贵的资源在机械制造中起着重要的作用。但由于我国北方缺水，从绿色可持续发展的角度，应积极探讨节水制造的新工艺。

2.1.4新型刀具材料

减少刀具材料消耗，尤其是复杂、贵重刀具材料的磨耗是降低物料消耗的另一重要途径，对此可采用新型刀具材料，发展涂层刀具。

2.1.5回收利用

绿色设计与制造，非常看重机械产品废弃后的回收利用，它使传统的物料运行模式从开环式变为部分闭环式。产品生产厂家对回收可再利用的元器件，进行选择、回收和再利用等处理。

2.2节省能源的工艺技术

加工过程中要消耗大量的能量，这些能量一部分转化为有用功，而大部分则转化为其他能量形式而消耗掉。消耗掉的能量总是伴随着各种各样的有害损失。目前，可采取以下绿色技术。

技术节能。加强技术改造，提高能源利用率，如采用节能型电机，淘汰能耗大的老式设备。

工艺节能。改变原来能耗大的机械加工工艺，采用先进的节能新工艺和绿色新工装。

管理节能。加强能源管理，及时调整设备负荷，消除滴、漏、跑、冒等浪费现象，避免设备空车运转等。

适度利用新能源。可再生利用，无污染的新能源是能源发展的一个重要方向。

绿色设备和制造装备将向着低能耗，与环境相协调的绿色设备方向发展。现在已出现了干式切削加工机床、强冷风磨削机床等。绿色化设备减少了机床材料的用量，优化了机床结构，提高了机床能效，不使用对人和生产环境有害的工作介质。

2.3环保型工艺技术

生产过程是一个输入输出系统，当系统输入所要求的要素时，系统输出除最终产品外，还会输出对环境、操作者等有影响或危害的物质，如废液、废气、废渣、噪声等。环保型工艺技术就是通过一定的工艺手段，使其尽可能减少或完全消除，提高系统运行效率。可从以下方面考虑：

2.3.1减少大气污染

2.3.2减少水污染

2.3.3减少其他污染

3.绿色制造工艺的开发策略

由于切削和磨削是目前获得零件尺寸和形状的主要手段，其主要优点是可以得到极高的尺寸和形状精度，以及很小的表面粗糙度，其主要缺点是浪费原材料，加工效率低，对零件的表面材料性质有一定影响，且能耗大，切（磨）屑难于处理，即使能处理，其处理成本也很高，对环境又有污染（切、磨削液的用于排放、加工中挥发的烟雾等）。因此，对绿色机械加工工艺（干式切削、干式磨削等）的研究既具有理论意义，又具有广泛的实际意义。

3.1采用电子技术改造旧机床

旧机床改造的主要目的是：提高机床的加工精度和效率，减轻操作劳动强度、扩大机床的功能，提高自动化程度和工作可靠性等。通常采用的电子技术有：数显技术.可编程序控制器（PLC）技术，数据技术，变领调速技术等。

3.2干切削技术

材料切削是常规的机械制造工艺，通常是有切削液条件下的湿切削。实践证明，使用和清除切削液的费用已明显高于刀具的费用，此外还有切削液的环境污染问题干切削技术在不使用切削液的条件下进行。切削液传统的排屑、冷却、作用己逐渐由刀具设计与制造及其它方法所代替。

3.3冷辗扩技术

最初的冷辗扩技术只能做到辗扩和成型，达不到精度要求。随着数控和比例技术的发展以及材料性能的改进，冷辗扩工艺得到了重视和发展。

80年代末出现了一种新的机型。其工作原理是一个用于生产外轮廓的驱动的外模具（辗压轮）和――个用于生产内轮廓的被动的内模具（芯轴）在滑座的运动下由支撑轮挤压在一起。套圈壁受辗压而局部开始向径向和切向滚动，并最终在整个直径上变薄，使得套圈扩径并成型。与传统方法相比，这一方案不采用压力控制，而是通过计算机数控根据轮廓，材料和直径来控制壁由厚变薄。这一改进不仅扩大了应用范围，更提高了加工精度。套圈的圆柱度由原来的0.5毫米缩小到0.04毫米.直径公差过去为0.2毫米.现在小于0.08毫米。可以说，冷辗扩工艺步骤少.节约原材料。

4.金属粉末注射成型工艺

金属粉末注射成型（MIM―――MetalPowderInjectionMoulding）是传统粉末冶金工艺与塑料成型工艺结合的新型工艺。该工艺的基本过程是：金属粉末与有机粘结剂均匀混合成具有流变性的膏状混合物，然后在注射机上注射成型。得到的成型毛坯经过脱除粘结剂和烧结，烧结后的零件进行磨光和表面硬化处理。该工艺不仅具有工序少，无切削或少切削、经济效益高等优点，而且克服了传统粉末冶金工艺材料密度低、材质不均匀、机械性能低、薄壁不易成型和结构件复杂的缺点。适合于注射成型的材料非常广泛，如碳钢、合金钢、工具钢、不锈钢、难熔合金、硬质合金、碳化硅、高比重合金、高温合金等。还可根据用户的要求进行材料配方研究，制造任意组分的合金材料。

【参考文献】：

【1】王江慧.绿色制造技术在机械加工中的应用【J】.硅谷，2009，（05）

【2】孙建彪.发展绿色制造势在必行明【J】宁夏机械，2006，（02）.

第6篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展

Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.

Keywords:FGM；composite；theAdvance

0引言

信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。

近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。

1FGM概念的提出

当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3]。

随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。

2FGM的特性和分类

2.1FGM的特殊性能

由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

2.2FGM的分类

根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。

3FGM的应用

FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。

功能

应用领域材料组合

缓和热应

力功能及

结合功能

航天飞机的超耐热材料

陶瓷引擎

耐磨耗损性机械部件

耐热性机械部件

耐蚀性机械部件

加工工具

运动用具:建材陶瓷金属

陶瓷金属

塑料金属

异种金属

异种陶瓷

金刚石金属

碳纤维金属塑料

核功能

原子炉构造材料

核融合炉内壁材料

放射性遮避材料轻元素高强度材料

耐热材料遮避材料

耐热材料遮避材料

生物相溶性

及医学功能

人工牙齿牙根

人工骨

人工关节

人工内脏器官:人工血管

补助感觉器官

生命科学磷灰石氧化铝

磷灰石金属

磷灰石塑料

异种塑料

硅芯片塑料

电磁功能

电磁功能陶瓷过滤器

超声波振动子

IC

磁盘

磁头

电磁铁

长寿命加热器

超导材料

电磁屏避材料

高密度封装基板压电陶瓷塑料

压电陶瓷塑料

硅化合物半导体

多层磁性薄膜

金属铁磁体

金属铁磁体

金属陶瓷

金属超导陶瓷

塑料导电性材料

陶瓷陶瓷

光学功能防反射膜

光纤;透镜;波选择器

多色发光元件

玻璃激光透明材料玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半导体

稀土类元素玻璃

能源转化功能

MHD发电

电极;池内壁

热电变换发电

燃料电池

地热发电

太阳电池陶瓷高熔点金属

金属陶瓷

金属硅化物

陶瓷固体电解质

金属陶瓷

电池硅、锗及其化合物

4FGM的研究

FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。

4.1FGM设计

FGM设计是一个逆向设计过程[7]。

首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。

FGM设计主要构成要素有三:

1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;

2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;

3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。

FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。

4.2FGM的制备

FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。

4.2.1粉末冶金法(PM)

PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。

4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)

SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：

SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4.2.3喷涂法

喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4.2.3.1等离子喷涂法(PS)

PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2激光熔覆法

激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。

4.2.3.3热喷射沉积[10]

与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。

4.2.3.4电沉积法

电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5气相沉积法

气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。

化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。

物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]

4.2.4形变与马氏体相变[8]

通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。

4.3FGM的特性评价

功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。

5FGM的研究发展方向

5.1存在的问题

作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；

2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；

3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；

4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;

6)成本高。

5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]

1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；

2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；

3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；

4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。

5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]

有必要从以下5个方面进行研究：

1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；

2）热绝缘性能；

3）热疲劳、热冲击和抗震性；

4）抗极端环境变化能力；

5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等

第7篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词：特种加工；机械制造；结构工艺性

近年来，随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术、电子计算机技术的迅猛发展，机械制造的各个方面已发生了深刻的变革。机械技术，特别是自动化制造技术，不但采用了计算机控制，并且具有柔性化、集成化、智能化的特点；在超精密加工技术方面，其加工精度已进入纳米级（0.001um）表面粗糙度已成功地小于0.005um；在切削速度方面，国外车削钢通常为200m／min，最高可达915m／min；对于新兴工业需要的难加工材料、复杂型面、型腔以及微小深孔，采用了电、超声波、电子束和激光的加工方法。所以在很大的程度上，尤其是20多年来的改革开放，我国的机械制造已经具有相当大的规模，已经形成了品种繁多、门类齐全、布局基本合理的机械制造工业体系。

1、 特种加工涵义

特种加工是相对传统切削加工而言，本质上是直接或复合利用电能、电化学能、化学能、光能、物质动能等对工件进行加工的工艺方法总称。目前常用的有电火花加工、超声波加工、激光加工，除此之外还有电化学加工、电子束加工等。它与传统切削加工相比具有：加工过程不再主要依靠机械能，而是直接或复合利用其它能量完成工件的加工；加工所用工具材料的硬度可大大低于被加工材料硬度，有时甚至无需使用工具即可完成对工件的加工；加工过程工具与工件间不存在显著的机械切削力；加工方法日新月异等特点。

2、 特种加工分类、方法及应用

2.1电火花成形（穿孔）加工

该法可加工任何导电材料。它是利用火花放电腐蚀金属原理，用工具电极（纯铜或石墨）对工件进行复制加工的工艺方法，可用于加工型腔模（锻模、压铸模、注塑模等）和型腔零件；加工冲模、粉末冶金模、挤压模、型孔零件、小异型孔、小深孔等。其中最为典型的应用是在YG8（硬质合金）工件上，加工一个直径1mm深80mm的孔，只需12分钟；电火花双轴回转展成法加工凹凸球面、球头；电火花共轭同步回转可加工精密螺纹、齿轮等复杂表面；目前已能加工出0.005mm的短微细轴和0.008mm的浅微细孔，以及直径小于1mm的齿轮。

2.2电火花线切割加工

它是利用移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电腐蚀，实现切割成形的加工方法。它同样可以加工任何导电材料；加工各种形状的冲模、切割电火花成形加工用的电极、切割零件等。典型的应用例如：试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心芯；切割斜度锥面、上下异形面工件；工件倾斜数控回转切割加工双曲面零件；数控三轴联动加分度切割加工扭转四方锥台。

2.3超声波加工

它是利用加工工具的超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成形方法。超声波加工的尺寸精度可达0.05～0.01mm，表面粗糟度Ra值可达0.8～0.1μm，它适宜加工任何脆硬材料，可加工各种孔和型腔，也可进行套料、切割、开槽和雕刻等。由于超声波加工的生产效率比电火花加工低，而加工精度和表面粗糟度相对较好，所以常用于对工件的抛磨和光整加工。

2.4激光加工

是利用经过透镜聚焦的能量密度极高的激光焦点（高温和冲击波），使工件材料被熔化或蒸发去除的加工方法。合理选用激光参数，可实现激光切割、打孔、焊接，激光打标、激光表面处理，还可用于电子元器件的封装等。激光表面处理是结合高功率激光技术及粉末冶金技术，对工件进行表面加工处理，从而改变工件表面组织结构、成分及特性，提高其物理性能，使其恢复或超过原技术性能和应用价值的工艺技术，具有较高的实用价值。激光法（应用激光）还是制造纳米材料的重要手段。

2.5电化学加工

该法包括从工件去除金属的阳极电解蚀除加工和向工件上沉积金属的阴极电镀沉积加工两大类。它可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。刷镀可修复磨损的零件，改变原表面的物理性能，有很大实用价值。

3、 特种加工对机械制造结构工艺性的影响

由特种加工的特点并结合使用特种加工方法的实践，特种加工对机械制造和结构工艺性具有重大影响，主要包括以下几点：

3.1改变了零件的典型工艺路线

工艺人员都知道：除磨削外，其它切削加工、成型加工等都应在淬火热处理之前加工完毕。但特种加工的出现，改变了这种定型的程序格式。因为特种加工基本上不受工件硬度的影响，而且为免除加工后淬火热处理的变形，一般都先淬火后加工。例如电火花线切割加工、电火花成型加工和电解加工等都是在淬火后进行的。

3.2缩短了新产品的试制周期

在新产品试制时，如采用光电、数控电火花线切割，便可直接加工出各种标准和非标准直齿轮（包括非圆齿轮、非渐开线齿轮）、微电机定子、转子硅钢片，各种变压器铁心，各种特殊、复杂的二次曲面体零件，从而省去设计和制造相应的刀、夹、量具、模具及二次工具，大大地缩短了试制周期。

3.3影响产品零件的结构设计

例如花键孔、轴的齿根部分，为了减少应力集中应设计和制成小圆角。但拉削加工时刀齿做成圆角对切削和排屑不利，容易磨损，只能设计与制成清棱清角的齿根。而用电解加工时由于存在尖角变圆现象，非采用圆角的齿根不可。

3.4重新衡量传统结构工艺性的好坏

由于特种加工的应用而需要重新衡量过去对方孔、小孔、弯孔和窄缝等被认为是工艺性很坏，在结构上尽量避免的典型。特种加工的采用改变了这种现象。对于电火花穿孔、电火花线切割工艺来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。喷油嘴小孔、喷丝头小异形孔，涡轮叶片大量的小冷却深孔、窄缝，静压轴承、静压导轨的内油囊型腔，采用电加工后由难变易了。

综上，特种加工技术在机械制造中发挥着重要作用，已成为现代制造技术不可分割的重要组成部分。随着科学技术和现代工业的发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。

参考文献：

第8篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词： 快速成形 模具制造 CAD/CAM 快速模具制造

随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发（快速设计和快速工模具制造）的能力（成本和周期），成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益个性化的市场需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够在不增加产品的成本的前提下，以小批量甚至单件组织生产。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键了。正是在这种社会背景下，快速成形制造技术（RPM－Rapid Prototyping Manufacturing）于20世纪80年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲及日本，被认为是近年来制造技术领域的一项重大突破。

1.概述

1.1快速成形制造技术的产生与发展。

快速成形（Rapid Prototyping，RP）技术作为一种先进制造技术，是用材料逐层或逐点堆积出零件的一种快速制造方法，又称为快速出样件技术或快速原型法。它与虚拟制造技术（Virtual Manufacturing）一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。快速成形技术对缩短新产品开发周期、降低开发费用具有极其重要的意义，有人称快速成形技术是继NC技术后制造业的又一次革命。RP技术现今迅速地向快速成形制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）方向发展。

快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展也将推动相关技术、产业的发展。目前，比较成熟的制造工艺有数十种。典型的有SLA立体光刻、LOM分层实体制造、SLS选区激光烧结、FDM熔融沉积制造和3DP三维印刷等。快速成形制造技术是采用分层的思想来制作三维物体，根据构成物体的方式不同，有以下几种成形方式：添加成形、去除成形、受迫成形。

1.2快速成形制造技术的基本原理与特点。

1.2.1 RPM的基本原理

RPM技术是综合CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术等于一体的技术，是实现从零件设计到三维实体成形制造的一体化系统技术，采用软件离散-材料堆积的原理实现零件的成形过程，其原理如图1所示。

RPM是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术总称，即利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。在计算机控制下，基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成，从CAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成成形或零件，其工艺流程如图2所示。

1.2.2 RPM的特点

RPM技术的特点主要有：高速柔性化，技术高度集成化，产品开发快速化，设计制造一体化，制造自由成形化，材料使用广泛性。

1.3快速成形制造技术的分类与工艺方法。

1.3.1 RPM的分类

RPM技术在“分层制造”思想基础上，根据分类的方法通常可分为按采用的原材料进行分类和按制造工艺原理进行分类。

1.3.1.1按成形所采用的原材料分类

①液体的光、热聚合与固化。液体聚合物的特性使其在激光、紫外光或其他热源的照射线能迅速从液态转为固态。采用这种方式的快速成形制造技术有立体印刷、全息干涉固化、光催化固化与光刻、激光束相干固化、热聚合等。

②固态膜、片材的熔化。采用固体的膜或片材，用粘结剂或其他方法将切割下来的材料粘结而成形。常用的工艺方法有层合实体制造、膜聚合等。

③固体粉末的烧结与粘结。通过激光烧结或用粘结剂粘结将固体粉末联接起来，未被照射的区域仍是粉末。采用这种制造工艺的有选择性激光烧结、三维喷涂粘结等。

④固态丝、线材的熔化。采用固态的线材或丝材，通过加热使其熔化成半流动状，同时喷头按要求的轨迹运动，将材料沉积下来，堆积成所需的形状，冷却后凝固成固体而成形。常见的工艺方法有熔融沉积造型、焊接成形等。

1.3.1.2按制造工艺原理分类

①层合实体造型（LOM）。LOM工艺采用薄片材料，用激光束在刚粘结的新层上切割出零件截面轮廓。

②立体光刻（SLA）。SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。

③选择性激光烧结（SLS）。SLS工艺是采用粉末状材料成形的。

④三维喷涂粘结（3DPG）。3DPG工艺采用粉末材料成形。其原理类似于喷墨打印机，因此又称3D印刷。

⑤熔融沉积造型（FDM）。FDM工艺一般采用热塑性材料。

1.3.2 RPM的工艺方法

1.3.2.1纸层叠法――薄形材料选择性切割（LOM法）

计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材料（如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等）进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

1.3.2.2激光立体制模法――液态光敏树脂选择性固化（SLA法）

液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束（按照三维模型每个截面的轮廓线）照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即形成快速原型。而新推出的光照成形机（如3D Systems公司出产的SLA-300成形机）采用了Zephyr再涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再有液态树脂。用来制作塑料模、在熔模精密铸造中替代蜡模。

1.3.2.3烧结法――粉末材料选择性激光烧结（SLS法）

粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型及铸造用母模等。

2.快速模具制造技术（RT，Rapid Tooling）

目前，快速成形制造技术在模具制造方面的应用可分为RP成形间接制模（Indirect Rapid Tooling，IRT）和RP成形直接制模（Direct Rapid Tooling，DRT），主要用于制造注塑类模具、冲压类模具和铸造类模具等。通过将精密铸造、中间软模过渡法以及金属喷涂、电火花加工、研磨等先进模具制造技术与快速成形制造相结合，就可以快速地制造出各种金属型模具来。如图3所示为各种基于快速成形的RT工艺路线。

2.1直接制模技术DRT。

较好地解决模具加工成本高、周期长的方法就是采用快速成形直接制造模具。直接制模技术DRT是指利用RP技术直接制造出最终的零件或模具，然后对其进行一些必要的后处理即可达到所要求的力学性能、尺寸精度和表面质量。直接制模具有制造周期短、节省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本的特点。但它在模具精度和性能控制等方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成形尺寸受到较大的限制。

2.2间接制模技术IRT。

间接指模技术IRT是指利用RPM技术首先制造模芯，然后用此模芯复制软质模具，或制作金属硬模具，或者制作加工硬模具的工具。它通常以非金属型为主，大多数情况下，非金属成形无法直接作为模具使用，需要以RP成形作母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。相对于直接制模来说，间接制模技术比较成熟。目前，制造业多数采用金属模具间接制造工艺。

3.基于RPM的快速模具制造方法

3.1用快速成形件作母模，复制软模具（Soft tooling）。

用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模（即蜡模的压型），再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。

3.2用快速成形件作母模，复制硬模具（Iron tooling）。

用快速成形件作母模，或根据其复制的软模具，可浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模），从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000―10000件。

3.3用快速成形系统制作电脉冲机床用电极。

用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。

4.结语

快速成形制造技术及其为基础的快速制造技术在企业新产品开发中起着重要作用。它可以极大缩短新产品的开发周期，降低开发阶段的成本，避免开发风险。它开创了模具快速制造的新时代，发展前景广阔。

参考文献：

［1］陈子银.模具数控加工技术.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］朱晓春.先进制造技术.北京：机械工业出版社，2004.

第9篇：粉末冶金原理与工艺范文

关键词：石墨-铜复合材料； 化学镀； 电镀

中图分类号：TB333 文献标识码：A

Abstract：The graphite-copper composites combine the advantages of graphite （self-lubricity， high-temperature resistance， corrosion resistant etc.） and copper which are used widely in the composite material fields. But the wettability of copper and graphite is not good， in order to improve the wettability of copper and graphite， plating copper on the surface of graphite powders becomes a research focus at present. The method of plating copper on the surface of graphite powders divide into electroless copper plating method and electroplating method. Electroless copper plating method is divided into formaldehyde method， iron powder method and zinc powder method. Electroplating method is divided into ordinary electroplating method and ultrasonic flow electroplating copper method. This paper reviewed the research progress of these two kinds of copper plating methods and the properties of composites prepared by copper coated graphite powders.

Key Words： Graphite-copper composites； Electroless plating； Electroplating

0 引言

石墨-铜复合材料是一类广泛使用的电刷和电触头材料，具有良好的导电性、导热性、性以及高的机械强度。这种材料是在铜的基体中均匀分布着石墨颗粒，石墨在铜基体中起到和抗熔焊作用。制备石墨-铜复合材料的传统方法是粉末冶金法，首先把铜粉与石墨粉配料，然后进行混合、压制、烧结；虽然已经得到工业应用，但是铜与石墨的润湿性不好，石墨-铜复合材料的界面只能通过机械互锁连接在一起，界面之间的结合强度低，材料在承受载荷时，往往造成石墨增强体的拔出、剥离或脱落。要想得到性能良好的石墨-铜复合材料，关键是解决铜和石墨的结合问题，也就是改善石墨与铜的润湿性。行之有效的方法之一就是在石墨粉表面镀铜，然后再将镀铜石墨粉与铜混合制成金属-石墨复合材料。这样使材料由原来的石墨-金属接触变为金属-金属接触，从而改善了石墨与铜的润湿性。本文综述了石墨粉镀铜的研究进展，主要包括化学镀和电镀。

1 化学镀

上世纪七十年代初，在苏联、美国出现了有关镀铜石墨粉的研究，初期实验仅在粒度为100～160μm的大颗粒石墨表面才可获得完整镀层，八十年代初，美国的pang-kais Lee应用化学镀工艺使粒径大于38μm的石墨粉体完全被铜或银包裹，并将烧结金属镀覆石墨用做高电流电刷材料[1]。

石墨粉化学镀Cu前一般要经过镀前预处理（亲水化表面粗化敏化活化还原烘干）化学镀钝化烘干等步骤。亲水化是因为石墨粉有脂肪质滑腻感，亲油疏水，利用碱液可去除其表面污物，如在20%NaOH 溶液中煮沸一段时间，再用蒸馏水冲洗至中性可去除其表面污物；粗化是利用硝酸的氧化侵蚀改变石墨表面微观几何形状，增强其与镀层的结合力，如在20%HNO3溶液中煮沸一段时间，蒸馏水冲洗至中性可达到粗化的目的；敏化的目的是使石墨表面吸附一层易于氧化的Sn2+离子。敏化工艺为：20ml/L HCl+20g/L SnCl2中煮沸15min蒸馏水冲洗至中性。活化的目的是使活化液中的Pd2+离子被石墨表面的 Sn2+离子还原成金属钯微粒，并紧附石墨粉表面，形成具有催化活性的金属层。活化工艺为：20ml/L HCl +0.5g/L PdCl2 溶液中煮沸15min蒸馏水冲洗至中性。使用 PdCl2作为活化剂，其价格昂贵，可改用 AgNO3作活化剂，并且不需随后的还原步骤[2-4]，如将敏化后的石墨粉放入1% AgNO3溶液中并不断搅拌，进行活化，4min后取出[2]。经敏化活化后的石墨表面残余有活化剂，也可能吸附了一些 Sn2+或水解的氢氧化锡，利用次亚磷酸钠可将PdCl2还原，以防带入镀液降低其稳定性；同时将氢氧化锡还原为可溶的Sn2+而除去，显露出活性钯位置。还原工艺为：40g/L NaH2PO2・H2O溶液中室温下搅拌15min真空抽滤，石墨处理量为50g/L。不同研究者预处理工艺和镀液配方差别稍有差别[5-9]，镀液一般包括铜盐、还原剂、络合剂、稳定剂和其他添加剂。因为镀液配方里含有甲醛，故称为甲醛法。较典型的镀液配方如：CuSO4・5H2O 20g/L，HCHO（37%） 25ml/L，Na2EDTA・2H2O 25g/L，C4O6H4KNa・4H2O 14g/L，2-2’联吡啶20mg/L，温度：50℃，装载量为5g/L，pH值为12，搅拌方式为电磁搅拌[9]。化学镀后的镀铜石墨粉容易在空气中氧化，因此需要钝化处理，较常用的钝化剂是苯骈三氮唑，如：用0.5%的苯并三氮唑（BTA）作钝化剂进行钝化，温度50～60℃，时间5～6 min[10]。用酒精溶解苯并三氮唑，能提高钝化效果[11]。也有采用其它镀液配方的，如硫酸铜100g/L，丙三醇100g/L，氢氧化钠100g/L，碳酸钠30g/L，还原液40g/L，温度25℃左右，pH值12左右[12]。化学镀所用的石墨粉颗粒有大小75 μm[5， 6， 8]，45μm的天然鳞片石墨[7]，6μm的天然鳞片石墨[9]，尺寸小于38μm的颗粒[12]。王贵青等[6]镀铜以后铜含量为35%，其它文献则未说明。

基态碳原子的电子结构是1s22s22p2，石墨成键方式为 sp2杂化形成3个δ键和1个Π键，Π电子是离域的，可以自由运动，从而使石墨具备独特的可导电性，其单晶沿层电阻为10-4Ω・cm，这可能有利于反应中电子的转移过程，并且石墨晶体中碳原子的上下电子密度大，使石墨晶体中碳原子具有特别的化学活性。石墨粉碎制取粉体的过程中，经过剧烈的破碎，石墨晶体的完整遭到破坏，从而产生大量活性中心。因此，无需敏化、活化等工艺，可直接在石墨表面进行化学镀铜[13]。如：使用粒径小于40μm的鳞片石墨进行实验。利用 10%NaOH水溶液将石墨粉煮沸 10min，然后用蒸馏水冲洗至中性，除去石墨表面的杂质。采用的镀铜液配方：CuSO4・5H2O 15g/L，Na2EDTA 30g/L，NaOH 7g/L，CH2O（37%）12mI/L，C5H4N2 0.1g/L。pH 12.5～13，温度65～70℃，装载量5g/L，电磁搅拌方式[1， 13]。镀铜石墨粉铜含量在45%-50%时可以通过一次镀覆来完成，高于此含量则需多次重镀，而低于此含量则本试验的工艺难以镀覆获得完整镀层[1]。

锌粉还原剂法。Zn做还原剂的化学置换法镀铜，其原理为：Zn+2Cu2+Zn2++2Cu+，2Cu+Cu2++CuO，铜原子被活化过的石墨粉末表面吸附，从而生成铜层。镀液配方为：CuSO 15% 200mL，Zn粉 13.0g，石墨粉5.0g，pH=4.0，温度28℃，十二烷基脂肪酸盐+醋酸钠为1.0 ～2.0%。试验流程为：硫酸铜溶液+石墨粉+还原剂（锌粉）+添加剂化学镀铜钝化清洗烘干[2]。类似的配方如：主盐硫酸铜60 g/L，锌粉24 g/L，冰乙酸14～18 mL/L，镀覆时间40 min，温度35℃。这种条件下的镀铜石墨粉被铜均匀的包覆，界面呈锯齿状结合，结合紧密[14]。50 g/L CuSO4，13 g/L锌粉，醋酸与石墨粉加入比率为1.0 mL/g，施镀温度35～45℃，施镀时间30～40 min[3， 4]。与甲醛化学镀铜体系相比，Zn粉做还原剂镀铜工艺具有镀液成分简单、废液容易处理、反应温度较低和避免了甲醛对环境的污染等优点。所用的石墨粉颗粒大小有61μm[2]，75～96μm[3， 4]。镀铜后密度变为3.19 g/cm3[2]，镀铜石墨粉真密度上升到2.58 g/cm3，粉末电阻率为2μΩ・m[3， 4]。

铁粉还原剂法。使用十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠和磷酸钠混合表面活性剂对石墨粉（38～75μm）清洗、润湿和活化预处理后，用铁粉作还原剂、饱和硫酸铜溶液作镀液，在pH值为1.5～2.0、40～60℃温度下，搅拌施镀15～20 min，C6H5N3钝化后在红外干燥箱内48-50℃干燥可得含铜25%～75%镀覆效果起好的镀铜石墨粉末[15， 16]。李春林等[11]用铁粉还原剂法在颗粒大小约46μm的石墨粉成功镀铜，用镀铜石墨粉制作的烧结材料，铜分布较为均匀连续，能形成三维网状结构。采用铁粉做还原剂时，镀液pH值3左右，搅拌速率40～60r/min，温度60℃左右；可在球形石墨（平均直径2μm）表面均匀的包覆铜微粒[17]。铁粉法具有镀覆效果好、工艺简单、无毒、成本低等优点。

Mo可以改善石墨和铜之间的润湿性。利用溶胶凝胶法在石墨表面涂覆α-Mo2C-Mo润湿性涂层，然后在有润湿性涂层的石墨表面再进行化学镀或电镀铜[18]。

化学镀可以在直径为5μm的石墨粉上面成功镀上Cu层[19]。含不同质量分数的镀铜石墨的铜-镀铜石墨复合材料，随镀铜石墨含量的增加，铜-镀铜石墨复合材料的密度和导电性降低，但其组织中石墨分布更均匀，并且铜有利于构成三维网状，使该复合材料具有更好的导电性[20]。在相同烧结温度条件下，铜-未镀铜石墨复合材料的磨损率高于铜-镀铜石墨复合材料，而且二者的磨损率均在 850℃达到最小值[21]。粉末冶金法制备的Cu-镀铜石墨复合材料比Cu-石墨机械混合物具有更好的耐磨性，镀铜石墨的含量越高，摩擦系数越小，但镀铜石墨粉含量存在一个临界值，超过此值，摩擦系数又增大[22， 23]。镀Cu的石墨比未镀Cu的石墨， 能明显提高摩擦材料的强度[24]。以镀铜石墨粉为原料制作铜/石墨复合碳刷可以使铜形成连续的三维网络结构；在铜含量相同的条件下，铜-镀铜石墨复合碳刷在密度、电阻率、耐磨性能等方面优于石墨粉与铜粉直接混合制备的铜/石墨复合碳刷[25]。用石墨粉末粒度大于350目进行化学镀，结果表明含铜量为75%的镀铜石墨试样的导电性能优于含铜量为85%的传统铜石墨材料。当铜含量大于55%时，镀铜石墨粉试样的电导率与铜的体积分数有简单线性关系，而且此线性关系外推至铜含量为100%时仍适用[26]。采用化学镀铜工艺在粒度约 150 μm 的鳞片石墨粉上镀铜，镀铜石墨粉在高于 250℃ 的空气中镀覆层首先被氧化，高于500 ℃时被包覆的石墨氧化。当镀铜石墨铜基复合材料真空热处理温度高于 800 ℃时，镀覆层球化现象显著[27]。石墨颗粒表面铜镀层有利于改善铜基石墨复合材料的界面结合，使复合材料力学性能提高；处理温度较高时，表面铜镀层有熔融球化的趋势，当复合材料烧结温度超过石墨镀铜层的完全球化温度时，镀铜石墨粉改善界面结合的效果逐渐降低，直至消失[28]。

石墨表而经过化学镀铜，从而明最的增强了石墨-铁基间界面结合强度，改善了铁基复合材料的组织结构，使复合材料的摩擦系数有所降低，同时使得摩擦磨损性能提高了20%～30%[29]。通过对石墨粉化学镀铜，石墨粉与铝熔体的接触角由135°降低到27°，具有良好的润湿性，有利于石墨增强铝基复合材料的制备。并且镀铜石墨粉在铝基复合材料中分布均匀，没有团聚现象[30]。

石墨表面铜、镍镀层改善了石墨和铜合金基体界面结合，摩擦过程中所形成的膜与基体粘附性好，显示出更好的减摩效果.摩擦副摩擦因数由0.24降低到0.20。磨损率降低约50%；实验条件下，6%（质量分数）石墨铜基复合材料经历轻微磨损、中等磨损和严重磨损3个磨损过程；而6%镀铜、镀镍石墨铜基复合材料只经历轻微磨损和中等磨损两个磨损过程[31]。化学镀铜后再镀银的石墨粉镀层包覆程度高，晶粒尺寸均匀、致密，球磨后没有发生明显的镀层剥离现象。含该镀银石墨粉的导电油墨的膜电阻率为1.36×10-4Ω・cm[32]。用化学镀方法对粒度

二硫化钼-铜-镀铜石墨复台材料的导电性、抗弯强度、硬度比二硫化钼-铜-石墨复合材料好得多[35]。在石墨粉表面化学镀一层均匀致密的铜、镍镀层，再将其与铜合金粉以及微量SiO2增强颗粒充分混合，采用复压复烧粉末冶金方法制备的铜基石墨自复合材料界面结合好、相对密度高[36]。

2 电镀

电镀法。通过电镀法可以在预处理（除油、粗化、表面活性剂浸泡等）过的微米级鳞片（43μm）石墨粉表面成功镀覆一层均匀致密的铜。其最佳工艺配方：在800ml蒸馏水中加入8g CuSO4・5H2O和20ml浓硫酸配制成电镀液，加入5g预处理过的石墨粉，搅拌间隔时间 10min，控制电流密度为 9A/dm2和电镀时间60min，含铜量可达70%[10， 37]。用镀铜石墨粉-铜粉制备的电刷电阻率随镀铜石墨粉含量的增加而降低，体密度和硬度则增加[38]。

超声流动电镀法。石墨粉（35μm）表面前处理的合适条件为：在400℃下灼烧60 min；浓硝酸中超声粗化30 min。经过高温灼烧、粗化处理后，石墨表面出现很多台阶，且台阶整齐排列，有利于铜粒子的沉积。电沉积制备铜包石墨粉体的最佳镀液配方和工艺参数为：CuSO4 25g・dm-3，NaH2PO2・H2O10 g・dm-3，浓H2SO4 10 cm3・dm-3，CH3COOH 10 cm3・dm-3，十二烷基苯磺酸钠100 mg・dm-3。石墨粉15 g・dm-3，阴极电流密度30 A・dm-2，超声频率20 kHz，镀液温度60℃，电解液的流速12 dm3・min-1。在此条件下能够制备镀层均匀、致密、结合力良好的铜包石墨粉。以铜包石墨粉为原料制备的铜包石墨电刷材料中，形成了连续的三维网状结构，使其拥有低的电阻率和更好的耐磨损性能；增强了铜、石墨间的界面结合力，降低了材料的孔隙度，提高了材料的抗弯强度[39]。另一个超声流动电镀法参数。在微米级（35μm）鳞片石墨上，石墨粉电镀铜的最佳反应条件为：CuSO4 15 g・dm-3，浓H2SO4 10 cm3・dm-3，NaH2PO2 10 g・dm-3，石墨粉15 g・dm-3，镀液温度55℃，阴极电流密度30 A・dm-2，pH值为2。在该工艺条件下，能够得到包覆状况较为良好的复合粉体，包覆率可以达到70%左右。SEM扫描结果显示，铜原子首先里点状沉积，然后逐渐扩展成片状镀层；EDX和XRD结果均显示复合粉体中无其它杂质，表面的铜镀层以晶态形式存在利。用该复合粉体制备了铜-石墨电刷，其导电和磨损性能明显优于石墨粉与铜粉直接混合制备的电刷[40-43]。

3 结束语

综上可知，石墨粉镀铜一般有化学镀铜法和电镀法；化学镀铜法又分为甲醛法、锌粉还原剂法、铁粉还原剂法；电镀法分为一般电镀法和超声流动电镀法。石墨粉镀铜前要进行预处理，但不必活化和敏化。镀铜所用的石墨粉直径一般都在几十微米左右，一般都用天然鳞片石墨。镀铜以后，要进行钝化处理。化学镀铜法研究较多，但石墨前处理工艺复杂，镀液成分复杂，制备成本高，废液难处理等。电镀有很多化学镀不可比拟的优点，如沉积速度快、镀液稳定性好、成本低廉等。电镀法比化学镀法最终铜含量要高，化学镀可以达到50%，而电镀可以达到70%。用镀铜石墨粉制备而成的复合材料相对于铜-石墨机械混合制备的材料而言，导电性、耐磨性和强度都有较大的提高。

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