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粉末冶金產品是用銅鐵等金屬粉末按照一定的比例進行混合,用成形機壓縮成形后,用熔點以下的溫度進行燒結而成。合金的機械部品具有可生產性高,高精度,耐磨耗,耐熱等諸多特長。通過合理利用,可以達到減少總成本或成本合理化目的,所以廣泛應用于在汽車和摩托車的發動機部品和產業機器上。 粉末冶金工藝的優點1、可以加工特殊材料。材料粉末冶金的方法可以制造難熔的金屬以及化合物、假合金,多孔材料。2、節約金屬,降低成本。因為粉末冶金可以壓制成最終尺寸的壓坯,不需要再使用機械加工。用這種方法生產金屬的損耗只有1—5%,而一般的加工則會耗損金屬80%。3、制取高純度材料。粉末冶金工藝在材料生產過程中不熔化材料,也就不會混入其他物質帶來的雜質,而燒結又是在真空和還原氣氛中進行的,不怕氧化也不會有任何污染材料。因此制品純度相對較高。4、材料分配正確性。粉末冶金法可以保證材料成分在配比時的正確性和均勻性。5、大批量生產降低成本。粉末冶金適合對統一形狀數量眾多的產品進行生產,例如齒輪等加工費用較高的產品,它可以極大降低生產成本。二、粉末冶金工藝的缺點1、粉末冶金產品強度、韌性差。由于粉末壓制而成的壓坯,其內部的孔隙不能完全消除,因此,粉末冶金的制品在強度和韌性上與相應成分的鑄件、鍛件相比要差。2、粉末冶金不能制成大型產品。由于金屬粉末的流動性比金屬液要差,所以它的形狀和大小會受到一定的限制,重量都不會超過10公斤。3、壓模成本較高。由于壓模制造的成本過高,所以只適合使用在大批量的生產中。三、粉末冶金制品的發展1、高質量的結構零件:粉末冶金有代表性的是鐵基合金,將向大體積的精密制品,高質量結構零件發展。2、高性能合金:粉末冶金制造具有均勻顯微組織結構的、加工困難而完全致密的高性能合金。3、混合相特殊合金:粉末冶金用增強致密過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金。4、復合零部件:加工獨特的和非一般形態或成分的復合零部件。 
       液態金屬制備方法是指金屬基體處于熔融狀態下與固體增強物復合在一起的方法。這一方法的關鍵技術是有效控制高溫下的界面反應及基體的氧化反應,為解決熔融金屬基體與增強物浸潤性差的問題,可采用加壓浸滲。這一方法可用來直接制造復合材料零件,也可用來制造復合絲、復合帶、錠坯等作為二次加工成零件的原料。液態制備方法包括擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、液態金屬浸漬法、液態金屬攪拌鑄造法、共噴沉積法和熱噴涂法等。1.擠壓鑄造法        擠壓鑄造法是液態法中最重要的一種方法。其基本原理是通過施加外壓使液態金屬滲入增強材料的預制件縫隙中制造金屬基復合材料。擠壓鑄造法最主要的工藝參數是:預制件預熱溫度、熔體溫度、壓力大小。壓力一般在70~100MPa,要求模具和預制件都有足夠的強度。在制備預制件時加入少量顆粒可以提高預制件強度,同時還可防止纖維在擠壓過程中發生不均勻位移。該工藝適用于制造SiCP/Al、SiCw/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al等復合材料及其零部件、板材和錠坯等。擠壓鑄造法已成功用于氧化鋁纖維增強鋁基復合材料柴油發動機嵌襯件的制備,與原來采用的耐蝕高鎳鑄鐵相比,減重5%~10%,同時它的耐磨性、耐熱沖擊性、耐蝕性都很強,使用壽命較耐蝕高鎳鑄鐵活塞大為延長,且制造成本降低,如日本出口美國的MMC活塞售價比美國市場的傳統活塞售價低15 %。擠壓鑄造法的優點是:主要用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強鋁、鎂基復合材料的零部件,且制造成本低;由于高壓的作用,可以促進熔體對增強材料的潤濕,增強材料不需進行表面預處理;熔體與增強材料在高溫下接觸的時間短,因此也不必擔心發生嚴重的界面反應。2.真空壓力浸漬法 真空壓力浸漬法基本原理是在真空中和高壓惰性氣體共同作用下,將液態金屬壓入增強材料中制成預制件,再制備金屬基復合材料制品,兼備真空吸鑄和壓力鑄造的優點。所用的設備是既能對預制件和熔化金屬基體分別控制加熱,又能抽真空和充惰性氣體加壓的密閉爐體。真空壓力浸漬的主要工藝參數有:預制件溫度、金屬基體溫度、浸漬壓力和冷卻速度。預制件的制作方法有干法和濕法兩種。       真空壓力浸漬法的優點是:適用面廣,可用于多種金屬基體和連續纖維、短纖維、晶須和顆粒等增強材料的復合,增強材料的形狀、尺寸、含量基本上不受限制,也可用來制造混雜復合材料;可直接制成復合零件,特別是形狀復雜的零件,基本上無需進行后繼加工;浸漬在真空中進行,并在壓力下凝固,無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷,組織致密,材料性能好;工藝簡單,參數易于控制,可根據增強材料和基體金屬的物理化學特性,嚴格控制溫度、壓力等參數,避免嚴重的界面反應。缺點主要是設備比較復雜,工藝周期長,制造大尺寸的零件要求大型設備。該工藝適于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCw+ SiCp/Al等復合材料零部件、板材、錠坯等。3.液態金屬浸漬法 液態金屬浸漬法的基本原理是用液態金屬連續浸漬長纖維得到預制復合帶、絲,也稱連鑄法。為了改善熔融金屬對纖維的潤濕性,需要對纖維表面進行涂覆處理,如用化學氣相沉積法在碳(石墨)纖維表面涂覆Ti-B、金屬鈉(或鉀)。碳纖維表面的金屬和化合物涂層還可用電鍍、化學鍍、超聲振動、溶膠,凝膠等方法得到。4.液態金屬攪拌鑄造法       液態金屬攪拌鑄造法是一種適合于工業規模生產顆粒增強金屬基復合材料的主要方法,工藝簡單,制造成本低廉。基本原理是將顆粒直接加入到基體金屬熔體中,通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在金屬熔體中,然后澆鑄成錠坯、鑄件等。液態金屬攪拌法制造顆粒增強金屬基復合材料的主要困難有:①加入的顆粒尺寸細小,一般在10~ 30μm,與金屬液體的浸潤性差,不易進入和均勻分散在金屬熔體中,易產生團聚;②強烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大量吸人空氣。因此必須采取不同的工藝措施和裝置來改善金屬熔液的潤濕復合,防止金屬的氧化和吸氣等。主要的工藝措施有:①在金屬熔體中添加合金元素改善浸潤性:在鋁熔體中加入鈣、鎂、鋰等元素,可有效減小熔體表面張力,增加與陶瓷顆粒的浸潤性;②對顆粒增強物進行表面處理:在復合前,去除顆粒表面的有害吸附物,比較簡單的方法是對顆粒進行加熱處理,使有害物質在高溫下揮發,同時在表面形成極薄的氧化層,也可在顆粒表面涂覆鎳、銅等金屬,但不經濟;③控制復合過程的氣氛:一般采用真空或惰性氣體保護以及其他有效措施來防止復合過程中氣體的吸入和金屬熔體的氧化;④有效的機械攪拌:可通過高速旋轉機械攪拌或超聲波攪拌來完成有效的攪拌復合,改善金屬熔體與增強顆粒之間的浸潤。根據工藝特點和設備不同,可將液態金屬攪拌鑄造法分為旋渦法、Dura-con法及復合鑄造法。5.共噴沉積法       共噴沉積法是制造各種顆粒增強金屬基復合材料的有效方法,可以用來制造鋁、銅、鎳、鐵、金屬間化合物基復合材料。 共噴沉積法的裝置主要由熔煉室、霧化沉積室、顆粒加入器、氣源、控制臺組成。共噴沉積工藝過程包括基體金屬熔化、液態金屬霧化、顆粒加入及與金屬霧化流的混合、沉積和凝固等工序。液態金屬基體通過特殊的噴嘴在惰性氣體氣流的作用下霧化成細小的液態金屬流,同時將顆粒加入,共同噴向成型模具的襯底上,凝固形成金屬基復合材料。共噴沉積的產品有圓錠、板帶和管子等。 共噴沉積法的優點有:適用面廣,適用于各種基體、顆粒和產品形狀;生產工藝簡單,效率高;能快速成型,霧化速率可達25~200kg/min,沉積凝固迅速;冷卻速度大(金屬液滴的冷卻速度達103~106K/S),所得復合材料基體金屬的組織與快速凝固相近,晶粒細,無宏觀偏析,組織均勻;復合材料中的氣孔率較高,為20/0~5%,但經后續的擠壓或軋制處理后可消除氣孔。6.熱噴涂法 按照加熱源分類,熱噴涂可分為等離子噴涂和氧乙炔焰噴涂,制造金屬基復合材料主要采用等離子噴涂法。這種方法是利用微波、燈絲、射頻等激勵等離子體產生等離子弧的高溫將金屬粉末熔化后噴射到基體上,冷卻并沉積下來的一種復合方法。具體過程是先將纖維纏繞在包有基體金屬箔的圓筒上,纖維之間保持一定的間隔,然后放在噴涂室中噴涂;噴涂結束后剪開取下,得到復合材料預制片,經熱壓或熱等靜壓等二次處理,最終得到型材或零件。 噴涂過程的關鍵是得到致密的、與纖維粘接良好的基體涂層以及避免基體的氧化。噴涂用的基體原料為粉末狀,減小粉末的粒度能提高涂層的致密性,但會降低粉末的流動性。因此粉末的直徑不小于2μm,一般為10~45μm。向氬氣中添加5%~10%的氦氣,可提高功率,增加等離子體發生區域的溫度,保證噴涂在較高溫度下進行,進而提高涂層的致密性和與纖維的粘接強度。涂層的狀態還與真空度或保護氣氛的壓力與流量、噴槍與纖維的距離以及粉末的供給速度密切相關。       等離子噴涂法適用于直徑較粗的纖維單絲,例如用化學氣相沉積法得到的硼纖維和碳化硅纖維,它是制造這兩種纖維增強鋁、鈦基復合材料預制片的大規模生產方法。美國和原蘇聯在航天飛機上使用的、也是最早使用的金屬基復合材料——硼/鋁復合材料,以及美國的碳化硅/鈦復合材料,就是用等離子噴涂法制得預制片,然后用熱壓或熱等靜壓法加工而成的。對于纖維束絲,需先使纖維松散,鋪成纖維層作基底,厚度為纖維直徑的數倍左右。       等離子噴涂法不能直接制成復合材料零件,只能制造預制片,且組織不夠致密,必須進行二次加工。 
       燒結是將壓坯按一定的規范加熱到規定溫度并保溫一段時間,使壓坯獲得一定的物理及力學性能的工序,是粉末冶金的關鍵工序之一。       粉末體的燒結過程十分復雜,其機理是:粉末的表面能大,結構缺陷多,處于活性狀態的原子也多,它們力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫,為粉末原子所儲存的能量釋放創造了條件,由此引起粉末物質的遷移,使粉末體的接觸面積增大,導致孔隙減少,密度增高,強度增加,形成了燒結。       如果燒結發生在低于其組成成分熔點的溫度,則產生固相燒結;如果燒結發生在兩種組成成分熔點之間,則產生液相燒結。固相燒結用于結構件,液相燒結用于特殊的產品。       普通鐵基粉末冶金軸承燒結時不出現液相,屬于固相燒結;而硬質合金與金屬陶瓷制品的燒結過程將出現液相,屬于液相燒結。液相燒結時,在液相表面張力的作用下,顆粒相互靠緊,故燒結  速度快、制品強度高,此時,液、固兩相間的比例以及濕潤性對制品的性能有著重要影響。例如,硬質合金中的鈷(粘結劑),在燒結溫度時要熔化,它對硬質相金屬鍵的碳化鎢有最好的濕潤      性,所以鎢鈷類硬質合金既有高硬度,又有較好的強度;而鈷對非金屬鍵的氧化鋁、氮化硼之類的濕潤性很差,所以目前金屬陶瓷的硬度雖高于硬質合金,而強度卻低于硬質合金。燒結時最主要的因素是燒結溫度、燒結時間和大氣環境,此外,燒結制品的性能也受粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等因素的影響。       燒結時為了防止壓坯氧化,通常是在保護氣氛或真空的連續式燒結爐內燒結。常用粉末冶金制品的燒結溫度與燒結氣氛見表19-2。燒結過程中,燒結溫度和燒結時間必須嚴格控制。燒結溫度過高或時間過長,都會使壓坯歪曲和變形,其晶粒亦大,產生所謂“過燒”的廢品;如燒結溫度過低或時間過短,則產品的結合強度等性能達不到要求,產生所謂“欠燒”的廢品。通常,鐵基粉末冶金制品的燒結溫度為1000℃~1200℃,燒結時間為0.5~2h。表19-2    常用粉末冶金制品的燒結溫度與燒結氣氛
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