等静压技术对粉末冶金材料生产的影响

葛怀文

（云南省石油化工锅炉压力容器检测中心站，云南 昆明 650233）

等静压技术对粉末冶金材料生产的影响

葛怀文

（云南省石油化工锅炉压力容器检测中心站，云南 昆明 650233）

粉末冶金作为一种古老的金属冶炼技术，在资源的利用上具有明显的优势。随着时代的进步，粉末冶金技术也在不断发展提高。等静压技术是现代粉末冶金技术的重要组成，是当前工业上占有重要地位的一种新的材料成形方法。文章在介绍等静压技术概念的基础上，提出了该技术应用于冶金材料生产中的主要手段和积极影响。

等静压技术；粉末冶金技术；材料生产；金属冶炼技术；工业生产

1 概述

随着科技水平的不断提高，传统的粉末冶金技术逐渐难以跟上工业的要求，整个金属工业都呈现一种低迷的状态。等静压技术是伴随着技术进步而兴起的一种新的材料成形方法，是对传统的粉末冶金技术的革新，将其应用于粉末冶金中，将大大缩短材料生产的时间，提高粉末材料的生产效率和质量。

2 等静压技术的基本概念

等静压技术简单来说就是对表面封闭的物料从各个方向上对其施加相等程度的压力的一种技术，在粉末冶金中这种技术主要作用于粉料的固结和成型。经过实践看来，等静压技术应用于粉末冶金中具有明显的技术优势，首先，这种均一的压力可以使得粉末冶金材料致密化，使其具有更高的强度；其次，等静压技术可以减少甚至消除材料内部的缺陷；最后，这种技术还可以发挥胶粘剂的作用，在高温的条件下将不同种材料粘接到一起。由于等静压技术在粉末冶金领域具有明显的优势，因此这种技术已经广泛应用于材料科学与工程领域。到目前为止，通过等静压技术处理的产品已经可以应用到航空航天、矿山机械、人造金刚石、石油化工以及原子能等对材料要求苛刻的行业中。等静压技术在一定条件下可以直接成形几何结构负载的合金部件，而且通过等静压粉末冶金技术生产的产品具有更好的物理性能和机械性能。等静压技术的应用使得一些粉末冶金材料制品在使用性能和寿命上可以代替熔铸冶金材料，从而可以减少熔铸技术的使用，具有一定的环境保护作用。

1913年H.D.Madden等人利用冷等静压方法对钨、钼坯条进行加工成形，发现这种成形技术能够解决压坯的过程中出现的分层、裂缝、强度过低以及性能分布不均匀等问题。到1960年，等静压技术已经广泛应用于冶金、硬质合金和陶瓷等冶炼领域，并取得了不菲的成就。

3 等静压技术的分类

等静压技术是根据不同的热量消耗和使用特点进行分类的，分为热等静压、温等静压和冷等静压，这三种技术的包装模具材料、压力介质材料和应用的相应设备都不同。

3.1 冷等静压

静压技术是在室温下进行的，包套的模具和材料一般是以塑料或者橡胶为主，并且还需要一定的物质作为压力介质，弹性的物质包括橡胶和塑料，非弹性的物质包括液体。冷等静压中被称之为水等静压的物质一般是以除锈剂为水介质的，油等静压是使用油作为压力介质。除此之外，厚壁模压制或者软模压制都是使用弹性物质来保持平衡的。预成型的胚料是采用热等静压或者锻造手段形成的，最后形成的压制形式为后道烧结。静压分为“湿袋模式”或者“干袋模式”，都属于一种自由模式，将粉状材料放入模具当中，往往会采用湿袋式的静压设备，由于在传输的过程中会导致介质与被静压物质接触，就会使包套完全进入介质或者物体中。形状比较复杂的制件是高压缸之中的一种，另一种是生产类型非常大的，这两种的共同特点都是不适合大量生产的，并且还会采取一定的措施进行实验研究，需要设备的适用性超强，因此需要使用湿袋静压机。在高压缸中会发现能够永久固定的包套，这种包具往往使用到干袋式的静压装置中。因为自动化生产的要求比较高，因此进行压制的时候，如果想要大批量的生产就要选择压制形式比较简单的，还能够自动化生产的设备。压胚的状态、压粉料的性质处理需要使用冷等静压的压力设备。有些形状比较特殊的机床会根据需要的生坯形状选择不同的冷等静压过程，有时候难度控制还是比较大的。

3.2 温等静压

温等静压的装置温度是有要求的，较低温度在80℃，较高温度在120℃，对于温度稍微高一点的条件也可以，最高温度能够达到450℃，但是正常情况下温度在250℃左右，传递的介质一般会设定为油这种物质。需要注意的是降温过程和升温过程的控制，需要根据工艺要求设定是否会发热，条件是在高压缸内，并且还要在缸内控制温度，一定条件下对于达不到要求的还要采取加热措施，油罐是比较常见的加热工具。传递介质的选择也是比较重要的，通常会选择与湿袋静压机和设备类似的，有时还会选择温等静压，因为粉料很难成型，并且在室温的条件下，成型的条件是非常多的，选择温等静压是最好的选择。

3.3 热等静压

受静压制的工艺影响，物料的控制是受影响非常大的，并且因为受作用的外界条件有高压和高温，因此在消除铸件缺陷的时候，会尽可能选择粘结和扩散两种方式，压力传递介质的选择一般也都是惰性气体，另一种情况比较特殊的会选择能够为热等静压制作为传导介质的，比如固体颗粒和液体金属，在制备玻璃和金属的时候，包套常常会选择包封的待压物料，这时候静压装置的主要作用就是平衡。冷壁式的结构是当前的热等静压装置中最常见的，也是达到效果最好的，发热体往往会选择石墨等物质，承受的工作压力最高能够达到200MPa，最高温度能够达到2200℃，正常情况下的工作压力是1000MPa，并且经过很多的实验研究可以得知，热等静压的性能是非常好的，不仅能够达到很好的工艺效果，需要的成本也不是很高。这种工艺手法的具体应用有两种，可以让热等静压和烧结装备一起进行，选择热等静压一般情况下表面孔状是封闭的，而且只有当表面的烧结状态比较特殊的时候才是这种情况，炉子的冷却状态是在进行热等静压的前提下进行的。

4 等静压技术对粉末冶金材料生产的影响

等静压技术应用于粉末冶金材料生产中主要表现在粉末材料的成形过程中，其在生产中的具体作用和对材料性能的影响，主要概括为以下四点：

4.1 对成形工艺的影响

等静压技术主要分为冷等静压技术和热等静压技术，在利用冷等静压技术进行压制时，粉末会在各个方向上受到均匀的同种强度的力，压制过程中粉末与设备之间不会有较大的摩擦，因此通过冷等静压技术进行成形的金属粉末比传统的压制方法压制的材料密度高10%左右，压坯密度的分布也更为均匀，有利于制备成形结构复杂和工艺精细的产品。冷等静压技术目前广泛应用于粉末冶金领域，在粉末冶金技术中占有十分重要的地位，该过程的质量高低在某种程度上直接决定了最终产品的质量，与钢模压制成形方法共同成为粉末冶金领域主要成形方法。热等静压技术也是等静压技术的主要应用方式，通过这种技术制得的合金毛坯可以达到无孔隙的状态，而且具有均匀相同的断裂韧性，物理机械性能提高明显。用这种技术制得的产品，相对于其他方式来说，寿命要高将近四倍。

4.2 对烧结温度和组织的影响

一般来说，粉体的烧结温度和热压温度要高于热等静压所使用的温度，这是由于热等静压的温度较低，会防止压制过程中的粉粒产生晶粒的聚集长大，从而得到产品的晶粒比较细，得到细晶粒结构产品。目前来看，热等静压法的应用十分广泛，而主要突出的应用是在与硬质合金的加工成型中，而且任何种类的硬质合金都可以采用热等静压技术，利用这种技术得到的产品形状也不受限制，而且产品的成分和硬度分布均匀，表面的缺陷基本上可以达到完全消失的状态。

4.3 对材料性能的影响

热等静压技术在进行材料加工过程中能够消除材料中的大量缺陷和孔隙，使得材料的物理性能和机械强度得到很大的提高。从大量的实验数据分析来看，通过热等静压技术压制的产品相对于普通方式生产的产品来说产品的力学强度能提高两倍以上。以利用热等压技术处理的低钴细晶粒硬质合金为例，这种硬质合金既能够保持高钴合金的力学强度，又能着显著提高耐磨性。

4.4 对环境有污染物料的加工和处理

等静压技术对处理加工放射性有毒物料提供了一个有效的途径，可以通过冷热等静压压制方法，实现包套内放射性有毒物质的压制成形，这种方式不仅可以减少对工作人员的身体健康损伤，而且还可以明显降低对环境的污染。例如利用热等静压法进行压制混合有毒废料，将其转变为致密体，致密体具有稳定的化学性质和极高的强度和硬度，从而可以防止其随着时间的推移而泄露，起到环境保护目的。

在粉末冶金材料的生产中，主要有两个方面的影响是最大的：一种是成形的技术；另一种是对于烧结温度和相关组织的影响。因为一般的冶金材料寿命不是很长，但是经过各项物理机能提高以后，使用寿命得到明显提高。在进行钢模板压制的时候，选择冷等静压装置能够形成无孔隙钢结合的毛坯，除此之外，还要维持热压温度和烧结温度，因为粉状的物质温度都不是很高，需要设置使产生粉粒的晶状体能够聚集还能够长大。

5 结语

随着科学技术的不断进步和世界工业化水平的提高，粉末冶金技术在资源能源紧缺的前提下也得到了长足的发展。将等静压技术应用于粉末冶金中是冶炼领域一次伟大的尝试，在某种程度上可以说是粉末冶金技术的有利变革。等静压技术在粉末冶金材料生产中的广泛应用，不仅能够提高材料的使用率，而且可以降低材料表面缺陷和内部应力，提高材料的物理强度和机械性能，对粉末冶金产品的进一步发展具有十分积极的意义。

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（责任编辑：蒋建华）

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1009-2374（2017）12-0105-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.054

葛怀文（1982-），男，山东寿光人，云南省石油化工锅炉压力容器检测中心站工程师，研究方向：材料学。

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