當(dāng)前位置:首頁(yè)>行業(yè)資訊>粉末冶金:將“散沙”凝聚成“工業(yè)力量”
發(fā)布日期:2024-9-23 來(lái)源:羊城派
如何將“一盤散沙”凝聚起來(lái),形成一種造福人類的“力量”?
近日,由廣州市科學(xué)技術(shù)局主辦,廣東科學(xué)中心和羊城晚報(bào)社聯(lián)合承辦的珠江科學(xué)大講堂第128講,邀請(qǐng)了廣東省科學(xué)院新材料研究所副所長(zhǎng)劉辛走進(jìn)了廣州科學(xué)城中學(xué),為師生們作《凝聚粉末的力量》的科普講座。
可用不同的方式制備金屬粉末
劉辛說(shuō),本質(zhì)上來(lái)說(shuō),沙子是粉末的一種表現(xiàn)形式,而在科學(xué)上,對(duì)于粉末的定義是:尺寸小于1毫米的離散顆粒的集合體。在日常生活中,粉末是無(wú)處不在。譬如說(shuō)面粉、奶粉、藥物等。而在工業(yè)領(lǐng)域,金屬粉末可是一類極其重要的工業(yè)原材料。根據(jù)統(tǒng)計(jì),70%以上的工業(yè)成品或者中間品是以顆粒形式存在的。
無(wú)論是哪種粉末,在其堆積的狀態(tài)時(shí)都呈現(xiàn)為松散的圓錐體,通過(guò)微觀觀察可以發(fā)現(xiàn),不同的粉末顆粒有各種各樣的形狀,譬如球形、圓柱形、針狀等。
在工業(yè)應(yīng)用上,可以用不同的方式去制備金屬粉末。
劉辛介紹說(shuō),*種簡(jiǎn)單而“粗暴”——就是用機(jī)械的方式進(jìn)行粉碎,將一塊整體的金屬材料變成不規(guī)則的粉末,用這樣的方式來(lái)制備粉末產(chǎn)量大,成本也較低,但是問(wèn)題就在于形狀不規(guī)則。
第二種方式則是化學(xué)的方法,利用還原劑將金屬氧化物和金屬鹽類還原。而這一方法也是目前工業(yè)生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的方法。*后一種方式則采用了物理的方法,如工業(yè)上經(jīng)常使用二流霧化法去制備球形粉末,所謂的“二流”是指用高壓水或者氣體擊碎金屬的液流,得到球形的粉末。
劉辛說(shuō),目前,金屬粉末呈現(xiàn)了高純化發(fā)展的趨勢(shì),對(duì)于粉末的純度要求越來(lái)越高,其中*大的挑戰(zhàn)就是要在控制其中的氧含量。
此外,粉末的尺寸也在變得超細(xì)化(納米化)。對(duì)此,劉辛進(jìn)一步解釋道,納米粉末在未來(lái)會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,譬如在芯片中就會(huì)用到納米鎳粉或者納米銀粉。
“納米粉末能夠極大提升材料或者器件的性能。并且,科學(xué)家們也在不斷探索將粉末進(jìn)行復(fù)合化。”劉辛說(shuō),復(fù)合化就是用兩種以上的材料復(fù)合在一起,帶來(lái)更多功能化的作用。譬如,在碳化鎢粉末的表面包裹上一層鎳粉,可以提升材料的耐磨性,因此在鉆頭等耐磨材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
用粉末冶金技術(shù)凝聚成可用材料
雖然通過(guò)各種方式得到了金屬粉末,但是畢竟“一盤散沙”依然沒(méi)法使用,那么, 如何將粉末變成具有一定強(qiáng)度和性能的工業(yè)零部件?劉辛說(shuō),這就需要用到粉末冶金技術(shù)。
劉辛說(shuō),傳統(tǒng)的制造工藝往往是以金屬錠為原料,通過(guò)熔煉、鑄造、鍛造、機(jī)械加工等手段來(lái)制造出所需要的零部件。但這樣的方法整個(gè)流程很長(zhǎng),而且許多原材料被浪費(fèi)了,其浪費(fèi)的成本甚至可以達(dá)到總成本的80%以上。而通過(guò)粉末冶金技術(shù),將作為原料的金屬粉末,經(jīng)過(guò)成形燒結(jié)后,制造出金屬零部件。這樣的方式,大大節(jié)約了原材料,而且生產(chǎn)流程也大大縮短,同時(shí)還能制造出一些結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的零部件。
在粉末冶金流程中,有一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)“燒結(jié)頸”,通過(guò),在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)了粉末顆粒之間的相互緊密連接,凝聚成堅(jiān)固可用的材料。
劉辛說(shuō),其實(shí)粉末冶金技術(shù)的歷史非常悠久,3000年前的古埃及人就曾經(jīng)用碳還原鐵的方法制備出了海綿鐵。在20世紀(jì)初,發(fā)明家愛(ài)迪生采用了粉末冶金技術(shù)制造出了電燈的鎢絲后,才將人類帶入了電氣照明的時(shí)代。
應(yīng)用:*大的應(yīng)用市場(chǎng)在汽車領(lǐng)域
劉辛說(shuō),粉末冶金技術(shù)*大的應(yīng)用市場(chǎng)其實(shí)是在汽車領(lǐng)域,在汽車的零部件中,超過(guò)半數(shù)都是利用粉末冶金技術(shù)制造出來(lái)的。有數(shù)據(jù)顯示,美國(guó)生產(chǎn)的一輛普通的轎車中,至少要使用230種、近750個(gè)粉末冶金的零件。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,粉末冶金鈦合金構(gòu)件也已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)在了汽車生產(chǎn)中,相比起鋼質(zhì)構(gòu)件,這種鈦合金構(gòu)件的重量可以減輕55%,而強(qiáng)度更大,堪稱“超級(jí)鋼”。如果了解電動(dòng)汽車,會(huì)聽(tīng)到“永磁電機(jī)”的概念,劉辛說(shuō),這個(gè)“永磁”材料的學(xué)名叫鋁鐵硼,同樣是用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的原材料。
近十年來(lái),3D打印技術(shù)成為一項(xiàng)非常熱門的領(lǐng)域,并被認(rèn)為是推動(dòng)人類第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)。劉辛說(shuō),3D打印技術(shù)的原理是以數(shù)字模型為基礎(chǔ),通過(guò)逐層堆積的方式,將二維材料“堆”出三維的材料。
將這一技術(shù)與粉末冶金技術(shù)相結(jié)合,形成金屬粉末3D打印技術(shù),在工業(yè)領(lǐng)域大顯身手。
劉辛說(shuō),這一技術(shù)已經(jīng)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、人體植入物等多方面得到了應(yīng)用。
“在商業(yè)航天領(lǐng)域,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的很多零部件都可以用3D打印技術(shù)來(lái)制造。相比起傳統(tǒng)生產(chǎn)流程,其效率是驚人地提升。”劉辛說(shuō),在2003年,美國(guó)的一家公司成功發(fā)射了一艘箭體均由3D打印而成的火箭。而根據(jù)統(tǒng)計(jì),3D打印技術(shù)可以使零件的質(zhì)量和成本降低30%。
劉辛還介紹說(shuō),其所在單位和醫(yī)院合作,以鉭合金粉為原材料,利用3D打印技術(shù)打印出人體的髖關(guān)節(jié),并完成了國(guó)內(nèi)首例的置換手術(shù)。鉭比鈦合金對(duì)人體的生物相容性更好,被認(rèn)為是人體*親和金屬。
劉辛還特別提到,除了3D打印技術(shù)外,還有一項(xiàng)被稱為“粉末注射成形”的技術(shù),也特別適合制作一些復(fù)雜的零部件。
“華為剛剛推出了三折疊手機(jī),這部折疊手機(jī)的轉(zhuǎn)軸,其實(shí)就是用了粉末注射成形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這一技術(shù)比3D打印技術(shù)的效率更高,產(chǎn)量更大,而且成本更低!
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