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粉末冶金的意义范文1
【关键词】粉末冶金历史 基本工序 粉末冶金优势与不足 趋势
1 粉末冶金的历史
粉末冶金发展经历三个阶段：
20世纪初，通过粉末冶金工艺制得电灯钨丝，被誉为现代粉末冶金技术发展的标志。随后许多难熔金属材料如钨、钽、铌等都可通过粉末冶金工艺方法制备。1923年粉末冶金硬质合金的诞生更被誉为机械加工业的一次革命；20世纪30年代，粉末冶金工艺成功制得铜基多孔含油轴承。继而发展到铁基机械零件，并且迅速在汽车、纺织、办公设备等现代制造领域广泛应用；20世纪中叶以后，粉末冶金技术与化工、材料、机械等学科互相渗透，更高性能的新材料、新工艺发展进一步促进粉末冶金发展。并使得粉末冶金技术广泛应用到汽车、航空航天、军工、节能环保等领域。
2 粉末冶金的基本工序
（1）粉末的制取。目前制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，化学成分基本不发生变化。物理化学法是借助化学或物理作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。目前工业制粉应用最为广泛的有雾化法、还原法和电解法；而沉积法（气相或液相）在特殊应用时也很重要。
（2）粉末成型。成型是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。成型分普通模压成型和特殊成型两类。模压成型是将金属粉末或混合料装在钢制压模内，通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内压出。特殊成型是随着各工业部门和科学技术的发展，对粉末冶金材料性能及制品尺寸和形状提出更高要求而产生。目前特殊成型分等静压成型、连续成型、注射成型、高能成型等。
（3）坯块烧结。烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。烧结可分单元系烧结和多元系固相烧结。单元系烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；多元系固相烧结，烧结温度一般介于易熔成分和难熔成分的熔点之间。除普通烧结外，还有活化烧结、热压烧结等特殊的烧结方法。
（4）产品的后处理。根据产品的性能要求不同，一般会对烧结品再进行加工处理。如浸油、精整、切削攻牙、热处理、电镀等。
3 粉末冶金的优势与不足
粉末冶金的优势：粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行，因此目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造；粉末冶金压制的不致密性，有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等；粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸（不需要机械加工或少量加工）。材料利用率高，故能大大节约金属，降低产品成本；粉末冶金产品是同一模具压制生产，工件之间一致性好，适用于大批量零件的生产。特别是齿轮等加工费用高的产品；粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性，此外烧结一般在真空或还原气氛中进行，不会污染或氧化材料，可以制备高纯度材料。
粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如锻造和一些铸造零件，如延展性和抗冲击能力等；产品的尺寸精度虽然不错，但是还不如有些精加工产品所得的尺寸精度；零件的不致密特性会对后加工处理产生影响，特别在热处理、电镀等工艺必须考虑这一特性的影响；粉末冶金模具费用高，一般不适用于小批产品生产。
4 国内粉末冶金行业的趋势
随着我国工业化快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。此外，随着全球化采购的产业链形成，带给国内零部件企业商机显而易见。因此，如何把握当前机遇，目前粉末冶金行业应该从以下四方面发展。
（1）进一步提高铁基粉末冶金产品的密度，扩大粉末冶金件对传统锻件的替代范围。当前，铁基粉末冶金零件的密度为7.0-7.2g/cm3，而国内某企业通过技术改进，用传统的粉末烧结和锻造工艺相结合的办法，用较低的成本把铁基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在这种密度前提下，铁基粉末冶金已经可替代机械、汽车等行业的大多数连接件和部分功能件。考虑粉末冶金工艺本身对材料的节省和高效特征，此类铁基粉末冶金件的潜在价值空间可达至千亿元。
（2）提高粉末冶金产品的精度、开发形状更复杂的产品。为机械制造、航天汽车、生活家电等行业的产业结构升级服务。此方向主要以降低机械重量、节能减耗及将设备小型化、普及化为导向。如使用注射成型零件几乎不需要再进行机加工，减少材料的消耗，材料的利用率几乎可以达到100%。
（3）进一步合金化，目标为轻量化和功能化。在铁基粉末中，混入铝、镁及稀土元素等合金粉末，可实现其超薄、轻量化等性能，可广泛地应用电子设备及可穿戴设备等与生活密切相关的领域中。
（4）改善粉末冶金零件的电磁性，目标是对硅钢和铁氧体、磁介质等材料的取代。以取向硅钢材料为例，硅钢的导电原理是加入硅元素后，材料通过减少晶界的方式降低铁损，特别是取向硅钢，导向方向是一个单一粗大的晶粒。相比取向硅钢的一维导电方向，粉末冶金零件可以实现多维导电（各个方向）。目前此技术已被少数企业实现突破，只要不断完善，最终达到工业要求。这种技术将会广泛在电机设备、汽车及机器人智能控制系统等领域应用。
参考文献：
[1]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工业出版社，1997（2006.1重印）.1.
粉末冶金的意义范文2
关键词：粉末冶金技术；新能源材料；应用
前言
为了寻求长远的发展，需要重视能源问题。在全球经济以及热口增长的环境下，传统能源彰显匮乏性，无法满足社会发展的实际需求。同时，也无法进行再生。因此，面对严重的资源危机，要对新能源的开发与利用作为项目对待。粉末冶金对传统冶金技术进行了发扬过大，积极融合现代科技，推动信息化建设，实现现代工业的良性运转，也为新能源的开发提供更多的技术保障。
1 对粉末冶金技术特征的分析
粉末冶金技术具有长远的历史，其主要立足传统冶金技术，达到了对诸多学科知识的融会贯通，形成优势突出的新型冶金技术。粉末冶金主要对象是粉末状的矿石。在传统的冶金方法中，矿石的形式为整块，先进行提炼，而后进行冶炼。应用传统技术，块状矿石提炼技术受制于技术和矿石的大小，只能达到80%左右的利用率，产生大量材料的废置。但是，在粉末冶金技术的应用下，资源利用率得以大幅提升，有效降低资源浪费。另外，块状形式的矿石材料长期处于露天堆放，对环境产生不良影响，甚至破坏。由此可见，冶金技术的改善势在必行，要重视冶金技术水平的提升，使得材料各尽所用，发挥不同冶金材料的作用，切实提升使用效率，形成高性能的新材料，达到成本的降低。利用现代粉末冶金技术，能够对废矿石、旧金属材料进行再利用，有效节约资源，极大推动经济效益的获取，对可持续发展意义重大。因此，粉末冶金技术在原材料选择方面相对较为宽松，能够充分利用废旧金属、矿石等，形成不规则的粉末，满足原材料节约和回收的目标。另外，鉴于粉末冶金可塑性以及相关材料的添加，促进性能的增强和平衡。
2 对新能源技术的阐述
在科技的推动下，新能源技术逐渐被科学界重视。在传统能源开发与应用中，出现严重的资源匮乏现象，加之对环境的不良影响，使得新能源问题的出现备受关注。新能源材料需要在开发、存储以及转化方面具有突出优势。由此可见，新能源材料是发展新能源的关键因素。为了更好地实现转化和存储，其在配件、生产要素等方面都极具特色，与传统能源行业的材料截然不同。粉末冶金技术在整个新能源开发应用中占据举足轻重的地位。
3 系统介绍粉末冶金技术的类型
3.1 传统粉末冶金材料
首先，是铁基粉末冶金。这种材料是最传统，也是最为关键的冶金材料，在制造业中应用较为广泛。随着现代科技的不断发展，其应用范围不断拓展。其次，铜基粉末冶金材料。这种材料类型较多，耐腐蚀性突出，在电器领域应用较多。再次，硬质合金材料。这种材料具有较高的熔点，硬度和强度都十分高，其应用的领域主要是高端技术领域，如核武器等。最后，粉末冶金电工材料和摩擦分类，主要应用在电子领域。随着通讯技术的不断发展，粉末冶金材料的需求量增大。另外，粉末冶金材料在真空技术领域也得到推广。摩擦材料耐摩擦性较强，促使物体运动减速，抑或是停止，在摩擦制动领域应用较多。
3.2 对现代先进粉末冶金材料的介绍
首先，信息范畴内的粉末冶金材料。立足信息领域，主要是指粉末冶金软磁材料。具体讲，是指金属类和铁氧体材料。随着对磁性记录材料的研究，在很大程度上推动了粉末冶金软材料的需求。其次，能源领域内的粉末冶金材料。能源材料的研发推动能源发展，其中，主要涉及储能和新能源材料。全球经济的发展使得能源需求量增大，传统能源彰显不足，因此，新能源开发势在必行，尤其是燃料电池和太阳能的开发。再次，生物领域的粉末冶金技术。生物材料技术的发展对整个社会具有不可替代的作用。要将生物技术列入国家发展计划。在生物材料中，主要包含医用和冶金材料两大类，在维护身心健康的同时，加快金属行业的进步。第四，军事领域的粉末冶金材料。在航天领域，材料的强度和硬度是重要指标，稳定性要突出，具有极强的耐高温性。在核军事范畴，粉末冶金技术也具有发展前景，更好地推动整个社会工业技术的进步。另外，新型核反应堆的建设需要具有较高的防辐射标准，而粉末冶金技术的支持下，切实增强核反应堆的安全性与可靠性，有效降低核辐射强度。
4 对粉末冶金技术在新能源材料中的应用的介绍
4.1 粉末冶金技术在风能材料中的应用
风能对我国而言，十分丰富，不存在污染，是新能源的主要类型。在风能发电材料中，粉末冶金技术主要实现对两种材料的制作，即即风电C组的制动片以及永磁钕铁硼材料。这两种材料的制作与整个风力发电关系密切，事关发电过程的安全性与可靠性，影响发电效率的高低。风能发电机制动片在摩擦系数和磨损率方面，要求较高，同时，力学性能必须突出。目前，主要应用的是铜基粉末冶金技术，完成对压制制动片的制作。制动片需要在导热方面十分突出，同时，制动盘具有较小的摩擦。在应对恶劣温度环境的时候，也能够进行有效的使用。对于永磁钕铁硼，系统永磁材料代替了传统的永磁材料，烧结钕铁硼就是加入了稀土粉，利用粉末冶金工艺制备而成。
4.2 粉末冶金技术在太阳能中的应用
太阳能突出的特点是清洁性，是新型能源的一种，被商界所看好，开发价值巨大。当前，在太阳能领域，主要的发展方向为光电太阳能与热电太阳能，形成发展趋势。立足光电太阳能领域。其主导作用的部件为光电池，也就是半导体二极管，依靠光伏效应，促使太阳能有效转化为电能。目前，太阳能光电转化效率较低，对航天事业的发展产生阻碍。在粉末冶金技术的使用下，能够有效进行薄膜太阳能电池的制作，光电转化率得以显著提升。同时，粉末冶金技术也研发了多晶硅薄膜，代替了传统的晶体硅，光电转化率大幅提升。另外，粉末冶金技术与太阳能热电技术也实现了融合。当太阳进行地表照射之后，为了达到对光热技术的有效收集，需要发挥吸收板的功能。而吸收板的制作与粉末冶金技术息息相关，主要应用了其成型技术，发挥粉体在色素和粘结剂方的作用，而后混合，形成涂料，涂于基板之上。这也充分体现了粉末冶金技术在成型技术方面优势更加突出。
5 结束语
综上，通过对粉末冶金技术优势的分析，可以发现，其在新能源材料的开发和应用中极具发展潜力。粉末冶金在创造性方面十分突出，塑造性较强，使得其在新能源材料的发展和应用中占据核心地位。粉末冶金技术的工艺原理使得其在新能源开发中更具经济性与高效性。因此，要大力推进粉末冶金技术在新能源开发应用中的拓展，为新能源的可持续发展提供保障。
参考文献
[1]陈晓华，贾成厂，刘向兵.粉末冶金技术在银基触点材料中的应用[J].粉末冶金工业，2009，04：41-47.
[2]邱智海，曾维平.粉末冶金技术在航空发动机中的应用[J].科技创新导报，2016，07：10-12.
粉末冶金的意义范文3
【关键字】有限元；阀板；模具设计；粉末冶金
1 引 言
阀板是安装在压缩机气缸上控制气体进出的重要部件，它与气阀片一起控制着压缩机的吸气、压缩、排气、和膨胀四个过程。阀板上气阀片安装部位的尺寸形位公差，影响着压缩机工作过程的泄露量，对压缩机节能及噪音都有着重大的影响。因此为提高阀板生产精度而进行研究，对压缩机工作中节约能源、降低使用成本等都有重要的意义。粉末冶金成形技术是一种节材、省能、投资少、见效快，而且适合大批量生产的少无切削、高效金属成形工艺。
长期以来，成形工艺的模具的设计以及工艺过程分析注意的依据是积累的实际经验、行业标准和传统理论。但由于实际经验的非确定性，以及传统理论对变形条件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长，次数多。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大，甚至还达不到设计的精度要求。传统的设计方式已远远无法满足要求。随着计算机技术的飞速发展和七十年代有限元理论的发展，许多成形过程中很难求解的为题可以用有限元方法求解。通过建模和合适的边界条件的确定，有限元数值模拟技术可以很直观地得到成形过程中模具受力、模具失效情况、模具变形趋势。这些重要数据的获得，对合理的模具结构设计有着重要的指导意义。
2 实例分析
以下结合实例，介绍Solidworks Simulation有限元分析在改善模具设计中的应用。如图是一款压缩机阀板的图纸。阀板粉末冶金件通过成形模具在高压下，对金属粉末进行压制，再经过烧结、整形、表面处理制成。排气阀与阀片安装面N面高度差0.05～0.10mm，阀面平行度0.02。为保证阀面线精度，成形时需控制高度差及平行度基准面N面的平行度，以确保精整时整个阀面有相同的精整余量。
成形阀面模具三维图。
由于成形模具面型高度及形状不同，导致成形各面密度不同，压制压力不同，导致成形时模具变形不一致，影响产品精度。通常情况下，需要等模具完成，成形出产品后才能对模具作进一步的改善，这样导致产品试制周期长。为了提高模具设计的准确性，缩短产品试制周期，模具设计阶段，我们可利用SolidworksSimulation进行有限元分析，优化模具设计。
3 有限元分析过程
（1）首先，对模具数学模型进行简化，添加约束条件。模具面型复杂，且有限元分析中，小倒角圆角不利于分析，将小圆角、倒角简化，较小的斜面简化成直面，易于加载压力条件。
（2）根据成形产品各面的密度分布，参考赫格纳斯AHC100.29 +0.6%P11压力与密度关系图，确定成形压力。
赫格纳斯AHC100.29+0.6%P11数据
假设粉料松装密度为3.0g/cm3，模具各区域面型受力如下。
区域 压缩比 成形密度（g/cm3） 压力压强(MPa)
① 2.22 6.65 380
② 2.44 7.3 750
③ 1.76 5.26 220
④ 1.82 5.47 240
⑤ 2.116 6.35 320
（3）按区域添加受力条件后，模具模拟变形如下图。
可看出，由于区域③密度高，压制压力大，模冲变形大，导致产品成形出来后N面平行度大，一边高一边低，两边高度差0.03～0.04mm，这样会导致精整时各部位精整余量不一致，导致精整后该面平行度不好，难以控制阀口到N面的高度差0.05～0.10mm，必须将N面变形量差控制在0.02mm以内。
（4）改善的方法有两种，一是将面型做成斜面，补偿模具变形量：二是在模冲上增加弹性平衡孔，使得模具两侧变形量增大，从而减少N面变形差异。由于N面较平整，改斜电极是比较方便的做法，而且模具变形小的地方在两侧，若增加弹性平衡孔会导致模具易变形，所以采取将面型做成斜面的方法。成形产品N面平行度控制在0.02mm以内，精整后可保证阀口到N面高度差0.05～0.10mm。通过有限元分析，改进模具结构，控制模具压制变形，从而改善产品N面平行度，使得高度差能够满足客户要求。
4 结语
随着竞争的日益加剧，低成本、高质量和高效率是制造业所追求的目标。在粉末冶金行业中，要提高竞争力，就必须提高设计效率、降低制造成本和提高产品质量，必须对生产过程中影响产品质量的各项工艺参数进行优化。由于粉末冶金压制成形过程中，模具变形是一个十分复杂的问题，传统的设计方法很难满足精度要求。运用有限元分析，不仅可以模拟模具的受力状态。更重要的是，在模具设计阶段，就可以预估成形件压制方向尺寸精度，优化模具结构，减少烧结风险，提高产品精度。随着计算机及有限元理论的不断发展和完善，基于有限元分析的优化设计方法在粉末冶金成形模具设计中的应用将越来越广泛，这是一种必然趋势。
参考文献
[1]申小平.空气压缩机用粉末冶金阀板模具设计及应用[J].粉末冶金工业,1998(03).
[2]杜贵江,赵彦启,李荣洪.压缩机阀板精冲复合成形工艺的研究[J].压力加工,2003(03).
粉末冶金的意义范文4
【关键词】 纳米增强 制备方法 优缺点
随着科技进步，各个领域对于相关材料的性能要求日益提高。纳米增强技术是改善材料性能的重要方法之一，其在金属材料领域尤其应用广泛。在电子、汽车、船舶、航天和冶金等行业对高性能复合材料需求迫切， 选用最佳制备方法制备出性能更优良的纳米材料是当前复合材料发展的迫切要求。
1 纳米增强技术概述
纳米相增强金属材料是由纳米相分散在金属单质或合金基体中而形成的。由于纳米弥散相具有较大的表面积和强的界面相互作用，纳米相增强金属复合材料在力学、电学、热学、光学和磁学性能方面不同于一般复合材料，其强度、导电性、导热性、耐磨性能等方面均有大幅度的提高[1]。
1.1 机械合金化法
机械合金化法（MA）是一种制备纳米颗粒增强金属复合材料的有效方法。通过长时间在高能球磨机中对不同的金属粉末和纳米弥散颗粒进行球磨，粉末经磨球不断的碰撞、挤压、焊合，最后使原料达到原子级的紧密结合的状态，同时将颗粒增强相嵌入金属颗粒中。由于在球磨过程中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷， 互扩散加强，激活能降低，复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程，能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。
1.2 内氧化法
内氧化法（Internal oxidation）是使合金雾化粉末在高温氧化气氛中发生内氧化，使增强颗粒转化为氧化物，之后在高温氢气气氛中将氧化的金属基体还原出来形成金属基与增强颗粒的混合体，最后在一定的压力下烧结成型。因将材料进行内氧化处理，氧化物在增强颗粒处形核、长大，提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度，这样可以提高材料的致密化程度，且可以改善相界面的结合程度，使复合材料的综合力学性能得到提高。
1.3 大塑性变形法
大塑性变形法（Severe plastic deformation）是一种独特的纳米粒子金属及金属合金材料制备工艺。较低的温度环境中， 大的外部压力作用下，金属材料发生严重塑性变形， 使材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。大塑性变形法有两种方法：等槽角压法（ECA）和大扭转塑性变形法（SPTS）。
1.4 粉末冶金法
粉末冶金法（PM）是最早制备金属基复合材料的方法，技术相对比较成熟。其工艺为：按一定比例将金属粉末和纳米增强颗粒混和均匀、压制成型后进行烧结。
1.5 液态金属原位生成法
原位反应生成技术[2]（In-situ synthesis）是近年来作为一种突破性的金属基复合材料合成技术而受到国内外学者的普遍重视。其增强的基本原理是在金属液体中加入或通入能生成第二相的形核素，在一定温度下在金属基体中发生原位反应，形成原位复合材料。
除上述几种常用的纳米增强制备方法外，还有真空混合铸造法、纳米复合镀法等[3]。
2 纳米增强制备工艺优缺点比较
对以上几种纳米增强制备技术在工艺及质量性能方面的优缺点进行分析：
2.1 工艺复杂性及成本和产量方面
机械合金法：制备成本低、产量高、工艺简单易行，但是能耗高；内氧化法：制备工艺简单、有利于规模生产，但是生产成本高；大塑性变形法：制备工艺简单、成本低、不可规模生产；粉末冶金法：制备工艺复杂但成熟、生产成本高、效率低；原位生成法：工艺性差、制备成本高、不适于规模化生产。
2.2 制备材料质量和性能
机械合金法：各项性能良好，硬度提高明显，能制备常规条件难以制备的亚稳态复合材料，但增强粒子不够细化，粒径分布宽，易混入杂质；内氧化法：提高增强粒子的体积分数，改善相界面结合程度，综合力学性能得到提高，但内部氧化剂难以消除，易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷；大塑性变形法：组织晶粒显著细化，无残留孔洞和夹杂，粒度可控性好，但粒度不均匀，增强粒子产生范围小；粉末冶金法：材料性能好，增强相含量可调，增强相分布均匀，组织细密，但材料界面易受污染；原位生成法：材料热力学稳定，力学性能优良，且界面无杂质污染，但增强颗粒限于特定基体中，增强相颗粒大小、形状受形核、长大过程影响。
上述分析可以得出，粉末冶金法技术最为成熟，机械合金法工艺最为简单易行，内氧化法有利于大规模生产，金属液态原位生成法最具有发展前景。王自东[4]等人应用金属液态原位生成纳米增强技术，使得金属材料强度大幅度提高的同时，塑性也能大幅度提高，解决了增强同时增韧或增强同时塑性不下降这一世界难题。以锡青铜为例：强度从270Mpa提高至535Mpa，延伸率从12%提高至38%，冲击韧性从14提高至39。这项技术成果独立于国外，优于国外，为我国原创。
3 结语
纳米增强金属材料在工程方面具有广泛应用领域和前景，例如：我国目前建筑用钢约4亿吨，如采用该技术，至少可节约10%的用量，在节约资源，节能减排，提高效率等方面意义重大！其它主要应用领域有：铁路应用的高铁输电电缆、高铁车轴、轨道、车辆走行部分、车钩等需要满足强度要求又需满足如导电性、韧性、耐疲劳性、减轻结构重量等特殊要求的领域。船舶中大量的铜合金泵、阀和管材，材料大幅增强、增韧后可减少用材10%-20%。轧制低于8μm的铜箔用于柔性印刷电路板的覆铜，减少用铜、减轻重量、降低成本等。武器装备中装甲用钢、舰船壳体钢、飞机起落架用钢，以及航空、航天等领域都有着广泛的应用前景。
我们要继续开发新型的具有高性能价格比、工艺简单、适于大规模生产且符合我国工业现状的纳米增强制备技术。
参考文献：
[1]郝保红，喻强，等.颗粒增强金属基复合材料的研究（一）.北京石油化工学院学报，2003.
[2]王庆平，姚明，陈刚.反应生成金属基复合材料制备方法的研究进展[J].江苏大学学报，2003.
粉末冶金的意义范文5
关键词：新型金属材料；成型加工；加工技术创新
1概述
随着科学技术的发展，新型的金属材料在现代化工业中得到了全面的推广与应用，与普通金属材料相比，新型金属材料具有更为优异的性能与质量，已经成为很多领域中重要的工程材料，尤其是在能源开发、零部件制作、交通运输机械轻量化等方面[1]。在采用新型金属材料作为工程材料时，涉及到很多繁复的成型加工技术与工作，在现代化工业飞速发展的今天，如何不断发展与完善新型金属材料的成型加工技术，更好地发挥新型金属材料的特性，已经成为各领域中材料工程师们的研究重心。
2新型金属材料及其加工特性
金属材料是由金属元素或金属元素为主所构成的具有金属特性的材料。金属材料通常具有较好的延展性。新型金属材料都属于合金，其种类较多，性能与质量较普通金属材料都有很大的突破，目前在市场上广泛使用的新型金属材料有高温合金、形状记忆合金、非晶态合金等。新型金属材料的二次成型加工过程通常包括焊接、挤压、铸造、超塑成型等等复杂的加工技术。新型金属材料的加工特性如下[2]：
2.1铸造性
新型金属材料都属于合金，因此其熔点一般比较高，导致金属材料的流动性较低，收缩性较低，便于新型金属材料的锻造与二次成型加工。
2.2锻压性
锻压性是新型金属材料的基本特性之一，该特性可以提高新型金属材料的可塑性，时成型加工的金属材料能够具有更高的性能优势。
2.3焊接性
原始金属材料通常需要经过焊接后二次成型再进行后续的工程应用，因此新型金属材料成型加工的基础特性就是焊接性，其需要有良好的焊接性与高导热性能，才能在成型加工过程中保证材料不会产生气孔与裂缝等。
3新型金属材料成型加工的原则
新型金属材料通过会在工程施工、机械设备、航空航天等方面广泛使用，一般具有良好的耐磨性与较高的硬度，以满足各类工程建设与机械化生产的质量需求。但是新型金属材料的这一特性也给其在成型加工方面增加了一定程度的困难，例如金属材料的硬度较高会导致其在普通的锻造环境下很难发生变形，使得很难将其塑造成一定形状或尺寸的工业零部件[3]。不同的金属材料具有不同的特性，市场对金属材料成型加工后的质量与性能也有不同的要求，因此通常会根据金属材料不同的特性采取不同的成型加工技术。例如，某些特殊的金属材料只有通过纤维性增强才能实现其二次成型加工。因此在实际对新型金属材料进行成型加工时，需要针对材料的特性采取相应的技术手段，切实推进新型金属材料成型加工工作的开展。新型金属材料的二次成型加工过程是一个非常复杂且细致的过程，其涉及的技术通常包括焊接、挤压、铸造、超塑成型等等复杂的加工技术，在实际的成型加工工作流中，一旦由于操作人员的操作不当而出现即使是小型的失误，都会给加工的金属成品带来无法磨灭的负面影响。例如，在铸造工艺中，如果没有对铸型的尺寸、大小等参数进行详细周密的把控，会导致成型加工之后的金属成品不符合零部件要求的质量与规格，不仅会给加工单位带来极大的成本损耗，还会影响工程的施工进度或机械设备的制造进度，延长施工或制造周期。因此，在对新型金属材料进行成型加工之前，加工人员需要对金属材料的物理与化学特性进行透彻的分析与掌握，才能够具体问题具体分析、因地制宜地针对不同的金属材料进行成型加工。
4新型金属材料成型加工技术
4.1粉末冶金技术
粉末冶金技术是以金属粉末为原料，通过不断的烧结与塑形，形成金属材料、新型金属复合材料等的工业技术。粉末冶金技术是早期使用最为广泛的新型金属材料成型加工技术，在增强晶须的功能等方面具有独特的优势。现阶段，粉末冶金技术主要应用于制造小尺寸且形状粗糙、不复杂的精密零部件，其通过不断地对金属粉末进行烧结与塑形，可以精密控制并提高金属材料中的金属含量，因此在小型零部件制作中拥有广泛的市场前景[4]。
4.2电切割技术
电切割技术是通过在介电流中插入移动的电极线，然后利用局部的高温对金属材料进行几何形状切割，这样的方式也可以充分高效地利用冲洗液体的压力对零部件与负极之间的间隙进行冲刷，因此较传统的放电方式具有一定的优势。在采用电切割法进行新型金属材料的成型加工时，通常会由于放电效果较差等原因导新型金属符合材料的切割速度变慢，从而产生切割的切口不光滑等问题。
4.3铸造成型技术
铸造成型技术是将液态的金属浇注到与零件尺寸、形状相匹配的铸型中，待液态的金属冷却凝固之后，将固态的金属材料取出，即可获得与铸型形状一致的毛坯或零件。在铸造成型技术的应用过程中，铸型的有效性检验是非常重要的环节，其形状、尺寸等质量的把控直接关系到零部件的质量与性能。
4.4焊接技术
原始金属材料通常需要经过焊接后二次成型再进行后续的工程应用，焊接技术是在高温或者高压的环境下，采用焊接材料，例如焊条或者焊丝，将多个待焊接的金属材料连接成一个整体技术，该技术被广泛应用于航天航空、机械制造等领域。需要注意的是，在新型金属材料的焊接过程中，在金属与增强物二者之间常常会发生化学反应，会影响焊接的速度，在遇到这一问题时，通常可以对金属或者增强物进行轴对称旋转，然后将焊接接头置于高温下，使其达到熔化状态[5]。
4.5模锻塑型技术
对于一些硬性较大的新型金属材料，一般的锻造环境无法使其加工塑形，以钛合金、镁合金等为例，这些金属材料由于锻造温度范围窄，可塑性较差，因此在变形时会产生极大的抗力，很难将其塑造成一定形状或尺寸的工业零部件，为了解决这一问题，模锻塑型技术应运而生。模锻塑型技术包含超速成型、模锻与挤压等方法，在对金属材料进行挤压时需要保持甚至提高锻造环境的温度，以提高金属材料的可塑性，同时需要在模具的表面涂上剂，降低模具表面的摩擦力，从而进一步降低模锻塑型的难度。通过模锻塑型技术进行金属材料的成型加工，可以使得生产出来的零部件具有较高的质量与性能，其组织也更为严密，已经成为金属材料成型加工中使用最为普遍的技术手段。
5结束语
与普通金属材料相比，新型金属材料具有更高的铸造性、高铸压性、良好的焊接性与高导热性等性能优势，已经成为很多领域中非常重要的工程材料。本文对现有的金属材料成型加工技术进行了详细的阐述，如粉末冶金技术、电切割技术、模锻塑型技术等，并对这些技术中的问题与关键技术点进行分析，对发展与完善新型金属材料的成型加工技术具有重要的促进作用。
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粉末冶金的意义范文6
（1．太原理工大学轻纺工程学院，山西太原030600；
2．太原理工大学机械工程学院，山西太原030024）
【摘要】因进口新型纺织机械上出现多种磁滞张力控制器件，为解决国产化过程中遇到的许多问题，结合前期实践，在综述现代磁学理论相关知识点基础上，探讨磁滞转化能的物理本质。磁滞卷绕张力器属于被动磁能耗磁力机械，其磁滞环在永磁场将机械能转化成热能是形成阻尼张力的物理基础。通过实践证明选矫顽力大、易制成形的粘结永磁Nd－Fe－B做永磁环可提供足够磁场；选加工易磁能积大的粉末冶金Fe－Cr－Co做磁滞环比较合理。
关键词 磁滞张力器；粘结Nd－Fe－B；粉末冶金Fe－Cr－Co；磁滞机理
Doi:10.3969/j.issn.2095-0101.2015.04.009
中图分类号：TS103．1文献标识码：A文章编号：2095-0101（2015）04-0028-05
1永磁磁滞阻尼卷绕张力器选题背景和意义
近几年，在进口高档纺织机械中出现多种新型磁滞卷绕张力器。这类永磁磁滞阻尼机械具有结构简单、易于单独控制、节能环保和运行平稳等优点，在纺织工程、金属和非金属线缆制造等领域应用前景广阔［1］。但其基础研究尚不成熟，客观上增加了设计制造的难度，总体上也导致目前此类器件在性价比上并无明显优势。究其原因，许多厂家在盲目试制过程中出现磁性材料选材不当、价格高、工艺不成熟、成品率低、受控张力松劲波动性大、性能一致性差或标定困难、产品寿命不长及预期又不可修复等情况，导致产品全寿命周期的功能价格比倒挂，使得这类貌似简单适用的张力控制器件难以在张力控制很多工序批量使用。
现结合开发磁滞卷绕张力器［2］过程所遇知识点，综合国内外磁滞阻尼器件有关理论、应用研究成果，以已研发的特种磁滞卷绕张力器［3］选材试制过程所遇到的一系列问题为主线，论述磁性材料在其中相互作用机理，并就工程问题提出相应建议和解决办法［4］。
2永磁磁滞阻尼卷绕张力器的磁性器件属性［5~7］
磁力机械都是以磁场为媒介将能量进行转换。从动力输入方式分类，可以分为两类，第一类是磁力驱动机械，主动力来源是永磁能，再转换成机械能［8］，例如永磁电机等；另一类是磁滞阻尼从动机械，主动力来源是外部机械能，经磁能转换成热能，例如永磁刹车制动器和永磁磁滞阻尼卷绕张力器。现研究的是专属此类被动消耗机械能，将卷绕主动力矩通过磁能转换热能生成阻力矩（卷绕张力矩）的磁力机械。这两类在结构上有很多共同点，区别在于，前者定子绕组、转子磁件都充磁，后者定子磁环转子磁环只有一个充磁，另一环随动感应生磁；因此，磁耦合机理不同。为此建立涉及磁性材料学、机械学等多学科的磁滞阻尼器件基础理论，系统研究磁滞阻尼机械的设计理论和方法，对磁滞阻尼机械的应用与发展是很有必要的。
3永磁磁滞阻尼卷绕张力器典型结构
永磁磁滞阻尼张力器典型结构组成简图如图1所示。
磁滞阻尼张力器器结构组成有转轴1、轴承2、端盖3、卷绕张力轮4、外转子永磁环5、内定子磁滞环6（或磁滞环5、永磁环6）、调节盘7、多头调节螺杆轴8、支架9和紧定螺钉10。永磁环磁N/S极对相间圆周排布及随动内转子磁滞环如图2所示。
4永磁环材料选择主要参数及其原则问题［9~10］
磁滞环、永磁环作为耗能磁性器件的核心元件，永磁环利用磁性材料的内禀性质如饱和磁化强度、居里温度和磁各向同性等影响外磁场，磁滞环磁性材料的阻尼特性如磁导率、矫顽力、剩磁、矩形比和磁能损耗等是此类器件应用的基本条件。
磁性材料品种繁多、技术更新很快［11］，而磁性材料一般选择原则：能保证永磁环和磁滞环之间气隙磁场强度足够强大；满足工作环境条件温度时保证必要的磁稳定性、耐蚀性和良好的制备工艺性；可满足制造几何精度；全寿命周期经济性合理性。
4．1粘结Nd－Fe－B材料特点分析
根据上述原则，在国内现有条件下，考虑器件形状尺寸及制备工艺，永磁环材料建议选择粘结Nd－Fe－B［12］，图3为永磁环实物粘结Nd－Fe－B微观形貌图。粘结钕铁硼永磁材料是近几年发展出来的新产品。习惯上将粘结钕铁硼永磁分为3个类型，I型为模压成型的环氧树脂粘结各向同性磁体；Ⅱ型为热压的各向同性磁体；Ⅲ型为热变形的各向异性磁体。其特点如下［13］：容易制成形状复杂的磁体或薄壁环状磁体，还能嵌入其他零件一起成形；尺寸精度高，不需二次加工；磁性能分散性小，适于大批量生产；机械强度高；易于实现多极充磁；材料利用率高，废品等经退磁就能简单地再生使用；对于多极转子或多极定子，可以简化磁力机制造工艺［14］。磁滞卷绕张力器工作在常温下，居里温度高的Nd－Fe－B牌号，可致磁性更稳定。
4．2永磁环矫顽力机理
磁场相对转动时，只要磁滞环反向激磁的磁场小于永磁环矫顽力，就不会发生明显的退磁现象，见图4所示的I型粘结Nd－Fe－B磁化曲线及退磁曲线图。
退磁曲线的两个极限位置是表征永磁材料磁性能的剩磁密度和矫顽力。张力器运转过程中，为避免发生退磁现象，永磁环选用高矫顽力的Nd－Fe－B材料。研究表明，矫顽力由均匀畴璧钉扎机理决定的磁体，畴璧被钉扎在缺陷或晶粒边界处，因此畴璧的移动比较困难，初始磁导率很低，当磁化场达到一个与矫顽力相当的临界值时，剩磁和矫顽力急剧上升，而且矫顽力的上升比剩磁的上升快［15］。
4．3永磁环制作主要技术要点
4．3．1粘结钕铁硼永磁材料制备工艺
粘结钕铁硼永磁材料化学成分如图5所示。可用粘结剂，在160℃下稳压成形制备Nd－Fe－B磁体零件，温度再高磁性能会随着固化温度升高而降低。虽然尼龙粘结Nd－Fe－B磁体的剩磁和磁能积比环氧树脂和酚醛树脂两种粘结磁体低，但其粘结磁体的内禀矫顽力比其另外两种粘结剂制备的磁体高［17］。作为永磁环粘结磁体零件的力学性能可以满足要求，但表面必须喷粉烤漆作防氧化处理。
4．3．2永磁环充磁方法
永磁环被作为磁能源的永磁体，经过径向充磁，使磁体内部的磁畴由混乱排列转变为朝单一特定方向的排列，从而对外显示出其强磁性。对于永磁环径向辐射状充磁，得出以下规律性要点［18~19］：在线圈总匝数相同时，尽量在较小电压、电流的情况下使磁体达到饱和充磁；增加磁轭可减小所充磁体磁性能峰值大小，但采用纯铁磁轭可增加峰值宽度，更好地满足磁阻尼力偶矩形波的要求；在永磁体对面添加纯铁磁轭可以增加磁力线的穿透率，减少在内部形成回路的磁力线个数。径向辐射充磁磁力线图如图6所示。
5磁滞环选Fe－Cr－Co阻尼材料特点
推荐用作磁滞转子的永磁合金材料是Fe－Cr系阻尼合金。这类合金的应用研究始于20世纪80年代的美国［16］。除磁阻尼特性优良外，首先其具有一般金属材料的力学性能，且是矫顽力在10~250Oe之间的磁性材料。铁铬钴系永磁合金，以铁、铬、钴元素为主要成分，烧结Fe－Cr－Co化学成分能谱图如图7所示。相对其它永磁材料，其显著特点是加工性能好，可进行冷热塑性变形和切削加工，且可通过塑性变形和热处理改善磁性能。抗氧化性能优异，无需表面处理。
5．2磁滞环选Fe－Cr－Co材料磁性特点分析
磁滞环利用这类材料是应用其全部磁滞回线，需要有适当高的矫顽力和高滞磁比，既保持其稳定工作状态又能磁化和反磁化［20］，其转矩与磁滞损失Eh成正比。整体磁滞环转子特别推荐低Co低价的2J21，2J23，在中高磁场下具有良好的磁滞特性；小微型磁滞转子零件可用2J83，2J84，2J85铁铬钴变形永磁合金，加工性能优越［21］。
5．3磁滞环制作主要技术要点
磁滞环制作建议由Fe－Cr－Co金属粉末颗粒，采用粉末冶金技术制造，粉末冶金Fe－Cr－Co微观形貌图如图8所示［22］。一步压制成簿壁环形的或碗形零件，具有良好的各向同性磁性能。对于大批量生产，这种材料在压制过程不仅简单而且没有边角料浪费，所以成本将大幅减少。磁滞合金Fe－Cr－Co热处理炉内温度调控在400～650℃范围内，控制精度应达到±2℃，否则导致磁性能不一致，使卷绕张力器张力大小个体间相差不一致，会批量报废。
5．4磁滞环涡流损耗分析［23］
由于卷绕张力器工作转速不高，磁滞环处在低频动态磁场中，磁滞损耗是相对涡流损耗更主要的损耗形式［24］。磁滞环在交变磁场作用下产生的涡流，它受磁场分布及温升影响大。卷绕阻尼张力器工作时，气隙磁场的磁通密度是非线性的，且各处的磁通密度不同，而磁滞环损耗又与磁通密度幅值呈非线性关系［25］，对于此类损耗的计算是比较困难的。磁滞张力器中的损耗由交变和旋转磁通产生。所以张力器设计时可忽略涡流效应和磁后效应等的影响。
6磁滞力耦作用机理分析
磁滞是磁性材料受外磁场作用在磁不平衡状态下的现象。据微磁学理论［26］，磁滞环的磁性主要来自于电子轨道角动量矩与电子自旋角动量矩相结合的磁矩。在永磁环产生的气隙磁场的作用下，相当于产生了感应电流。依照楞次定律，磁滞环感应的磁场与永磁环作用的磁场方向相反，即磁滞环在外磁场的作用下电子轨道动量矩的微小改变，随动所产生的轨道磁矩和永磁环外磁场的方向相反。
6．1磁滞环磁能损耗做功
在机械外力作用下磁滞环与永磁环相对转动，即利用原动机来拉动转子旋转，通过内外永磁体磁场之间的磁滞耦合作用，使磁滞环在交变磁场中会被磁化而储能，材料从交变磁场中吸收并以热的形式磁能损耗做功［27］［28］。微观磁畴发生的移动和转动或按最低总能量原则重新排列，在此过程中克服磁畴壁之间的摩擦产生热量而消耗掉，这就是磁滞损耗［29］。在高的磁通密度下可能导致高的磁滞损耗，原因是在高磁通密度下有更多的畴壁发生位移，阻碍畴壁的位移就可能产生高的磁滞损耗［30］。磁滞是不可逆的热效应。
7结语
研发的特种磁滞卷绕张力器在选材及试制有下列特点。
7．1磁滞卷绕张力器属于被动磁能耗磁力机械。
7．2选粘结永磁Nd－Fe－B可提供足够磁场，矫顽力大，易制成形，表面需防氧化。
7．3磁滞阻尼材料选粉末冶金Fe－Cr－Co磁能积大，加工易，成本低，热处理须严格控温。
7．4磁滞环在永磁场将机械能转化成热能是形成阻尼张力的物理基础。
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