粉末熱擠壓

金屬粉末擠壓是一種以粉末為原料用常規擠壓工藝製取型材的一項複合技術，這項技術將粉末冶金與擠壓相結合，為製造用其他工藝難以或不能生產的複合材料型材提供了一條新途徑。

金屬粉末擠壓有兩種，一為粘結劑輔助擠壓，即將粉末與粘結劑和其他流變變性劑相混合，製成擠壓料(Feedstock)進行擠壓，其生產過程和金屬注射成形(MIM)相似。另外一種是金屬粉末熱擠壓 ^[1]  。

金屬粉末熱擠壓是將粉末熱壓與熱機械加工相結合，製取全密實粉末冶金製品的一項技術。金屬粉末熱擠壓有三種基本方法。

第一種方法是將粉末松裝於熱擠壓筒中，將粉末直接從擠壓模中擠出。

這種工藝已經用於擠壓某些鎂合金粉末，或者稱之為鎂合金球粒，其顆粒尺寸相當粗，在70～45肚m範圍內。在沒有保護氣氛的條件下，將裝有粉末的擠壓筒加熱，將粉末加熱到規定的温度進行擠壓。在15~30 S內就能上升到所需温度。擠壓前，必須將擠壓頭裝入擠壓筒中。

第二種方法是將粉末先進行冷壓，而後熱壓。工業上用這種方法熱擠壓鋁合金粉末坯料。據文獻報道，冷等靜壓的鉬粉壓坯，不用裝包套，將其加熱到擠壓温度就可擠壓。

大部分金屬粉末熱擠壓都是使用第三種方法。將金屬粉末裝於金屬包套中，加熱，及帶包套一起擠壓。一般説來，裝包套工序也是用熱等靜壓與熱鍛熱固結粉末的一部分。用這種方法可處理有毒的、有放射性的、易燃的、或易為氣氛污染的粉末。

在粉末熱擠壓中，可將金屬粉末生坯裝於包套中，或用適度的壓力將粉末冷壓於金屬包套中。使用充填模可防止包套鼓脹。對用振動可達到高振實密度的球形粉末，不需要預壓。將一帶抽氣管的端面板置於粉末之上，並焊接在包套上，在室温或高温下抽出包套中的氣體，然後將抽氣管封死，之後再將包套與粉末進行擠壓加熱。

為防止擠壓時發生騷動，要將包套端部作成錐形，並將其裝入一帶錐形口的擠壓模中。為防止因包套中的粉末充填得不很密實發生褶皺，可採用插入式壓頭。這種壓頭的頭部擠入包套內，在有效地進行擠壓之前先將粉末壓實。

在擠壓温度下，包套材料應儘量具有與被擠壓粉末相同的剛性，並且不與粉末發生反應。擠壓後，應該很容易用浸蝕或機械剝離等方法將包套清除掉。通常用銅和低碳鋼作為包套材料 ^[2]  。

金屬粉末擠壓為製造用其他方法難以製取的 製作無縫管材、線材及用別的方法難以或無法生產型材提供了一種金屬加工工藝。一直在用這種方法 的複合材料型材。早期的工作是，在1950年代末，用金屬粉末擠壓生產具有可控性的，彌散有核燃料的鈹材與控制棒材以及彌散強化鋁。在擠壓技術中

金屬粉末擠壓佔有特殊位置，這是因為：

(1)能夠將用鑄造或加工難以或不能處理的材料，用擠壓成形為型材；

(2)用粉末擠壓可細化顯微組織和使偏聚最小化，從而可改善材料的性能與特性；

(3)通過擠壓粉末混合物，可使一種物質彌散於另外一種物質中；

(4)粉末通過擠壓能形成鍛軋材料結構，不需要進行燒結或其他熱處理；

(5)和擠壓鑄造的坯料相比，擠壓粉末用的壓力較小，而且温度與壓頭速度的範圍較寬大。

金屬粉末擠壓大多采用將粉末裝於包套中進行，因此，可將其看作是充填一坯料擠壓的一種特殊情況。充填一坯料係指，擠壓的坯料或工件內不只包含一種材料。就裝包套的粉末來看，至少有兩種組分—— 粉末與包套。在下面討論的較多的典型充填一坯料可能是將兩種或多種不同材料以幾何形狀配置於包套內。對充填一坯料擠壓而言，最重要的一點是，各種組分的材料在冶金上要能相容。精心審察他們的力學與物理性能，可避免產生下列嚴重缺陷：

(1)形成共晶相；

(2)在擠壓温度下，熱機械性狀顯著失配；

(3)包套與工件材料間過度相互擴散；

(4)極難除掉包覆在擠壓產品上的包套材料。

在加工充填粉末的坯料時，另外一個問題是，對坯料加壓時，包套與粉末體的相對變形。倘若包套內的充填材料對加壓的抗力比包套的抗彎強度低，則在壓縮包套時，包套可能會皺摺。皺摺造成的重疊將以缺陷的形式存在於擠壓的棒材中。

為避免產生皺摺，粉末體的密度與包套的壁厚必須平衡。解決這個問題的一個辦法是：可採用插人式壓頭，使其頭部擠人包套內，在有效地進行擠壓之前，先將粉末體壓實。要不然，先將粉末坯料進行預壓，或者使用球形粉末，充填時使之振動或搖動，以增高粉末的充填密度。

鑑於密實在很大程度上是在加壓階段完成的，可將裝粉末包套的擠壓認為是一種具有芯一殼關係的兩種材料的同時縮小。為避免塑性流動嚴重不穩定和殼(包套材料)或芯(密實的粉末工件)可能產生斷裂，殼與芯兩種材料的相對變形抗力必須均衡 ^[3]  。

金屬粉末擠壓工藝早期的開發工作集中在，研究改進材料的高温特性和開發封裝與處理有毒材料的方法。

現在，金屬粉末擠壓最重要的應用都涉及到裝包套材料的擠壓。應用主要涉及宇航與工具市場，其中材料有工具鋼、高温合金、鈦、銅及鋁。對由這些材料製造的產品的共同要求是，結構完善與使用性能高。這些特性只能用適當的粉末加工與可控的擠壓工藝來得到。

已完全確定粉末顆粒表面的氧化物與其他膜，在發生剪切變形的同時會產生壓力斷裂，而且顆粒之間會形成有效結合。因此，粉末擠壓常用於加工氧化物含量相當高的鋁粉。就微小尺寸而言，依據同樣機理，擠壓“清潔”粉末，例如氧含量小於100×10 的粉末，可形成高度完善的顆粒結合。關於這一點，密封包套內的環境是工藝方法成功與否的關鍵。

迄今，很少講到擠壓產品的力學性能或顯微組織，這是因為可用擠壓成形多種用途的各種各樣的材料。

在關於改進材料高温性能的研究中，研究過金屬與非金屬的燒結聚集。這項研發工作起因於1946年，瑞士的Aluminium Industrie AG在用粉末擠壓試驗製作Al—C線材時，發現其強度比預期的高得多。鑑於每一鋁粉顆粒表面的氧化物層都阻礙燒結，因此燒結的產品脆弱。可是，通過擠壓變形，卻可以破壞這個氧化物層，從而暴露出可實現冶金結合的清潔表面，製成強固的產品。另外，擠壓趨向於使氧化物層碎裂與再分佈。其後，Irmann報告了大量生產的通稱為SAP(Sintered AluminiumProduct)的燒結鋁產品。Irmann的SAP的開發鼓勵了1950年代與1960年代的進一步研究。深入細緻研究過的含有非金屬彌散相的金屬系統，其中有銅、鈷、鐵、鎳、銀、金、鉑及鉛，使用的彌散體為氧化物、碳化物及氮化物。Zwilsky與Grant將電解銅粉與氧化鋁相混合，經壓制、燒結及擠壓制成了棒材，棒材經旋鍛後發現，對其再結晶有顯著影響。在一325目(小於45 m)的銅粉中混入氧化鋁粉，然後，依照上述方法加工時，發現能夠完全抑制再結晶，而且，可將有效硬度保持到温度高達1000℃ 。Cremens與GrantE。 將很細的氧化鋁粉與細的羰基鎳粉相混合，經壓制、燒結及擠壓制成的棒材表明，其100 h的斷裂應力比純鎳大7倍。在所有這些試驗中，擠壓都是主要密實工藝。

彌散物相一般都是優先選用鋁、鎂、釷及稀土(例如釔)的氧化物，這是因為這些氧化物硬，而且在高温下穩定。用氧化釷彌散強化的鎳是這些產品早期的一個例子。這些早期研發的材料都已逐漸為近年來經較細緻研發和精確控制的彌散強化材料所替代。

當今，生產彌散強化金屬的主要方法是機械合金化與化學反應(例如內氧化)。這兩種方法都是以粉末冶金作為使細小彌散體均勻分佈的方法為基礎，而且是以擠壓作為主要固結工藝 ^[2]  。

這種技術是1961年P．Loewenstein等提出的，主要用於製造通常認為難以加工，從而無法制成鍛軋件的材料。在用這種工藝固結陶瓷，將其加熱到1750—2 000℃再裝於加熱到700℃ 的較冷的鋼包套內一起進行擠壓固結。由鉻粉用多温度同時擠壓制造管材與棒材的工藝過程，分別將裝有鉻粉的坯料和大型鋼包套加熱到1300℃與1050℃ ，快速在壓機上組合成整體擠壓坯料。由於對組件進行加壓和擠壓時各個零件具有同樣剛性，因此可完全成比例地進行縮小與控制尺寸。這種工藝能否成功在很大程度上取決於壓機速度和操作人員的技巧。在温度下降與正常熱傳導產生影響之前，必須快速組裝與推壓坯料 ^[1]  。

金屬粉末熱擠壓是粉末冶金與擠壓相結合形成的一種特種金屬加工工藝，是生產特種材料，諸如鈹材、彌散強化材料的主要手段。充分利用這種工藝的優勢，不但能製造出用其他方法難加工的材料，而且由於其製造工藝過程較短，工序較少，只包括熔鍊一粉末生產一擠壓壓坯，還能節約大量能源與提高材料利用率 ^[3]  。