【正文】 第一篇：粉末冶金技術(shù)論文粉末冶金技術(shù) 劉工藝 200806102 摘要： 粉末冶金(P/M)技術(shù)是一門重要的材料制備與成形技術(shù)，被稱為是解決高科技、新材料問題的鑰匙。高性能、低成本、凈近成形一直以來是粉末冶金工作者重要研究課題之一。粉末冶金法能實現(xiàn)工件的少切削、無切削加工，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、精密、低耗節(jié)能制造零件的先進技術(shù)。關(guān)鍵詞：粉末冶金、基本工序、發(fā)展歷史、應用、相關(guān)技術(shù)、發(fā)展方向、問題及機遇一、世界粉末冶金工業(yè)概況2003年全球粉末貨運總量約為88萬噸，其中美國占51%，歐洲18%，日本13%，其它國家和地區(qū)18%。鐵粉占整個粉末總量的90%以上。從2001年起，世界鐵粉市場持續(xù)增長，4年時間增加了近20%。汽車行業(yè)仍然是粉末冶金工業(yè)發(fā)展的最大動力和最大用戶。一方面汽車的產(chǎn)量在不斷增加，另一方面粉末冶金零件在單輛汽車上的用量也在不段增加。北美平均每輛汽車粉末冶金零件用量最高，歐洲平均為9公斤，日本平均為8公斤。中國由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，擁有巨大的粉末冶金零部件市場前景，已經(jīng)成為眾多國際粉末冶金企業(yè)關(guān)注的焦點。粉末冶金鐵基零件在汽車上主要應用于發(fā)動機、傳送系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、點火裝置等。汽車發(fā)展的兩大趨勢分別為降低能耗和環(huán)保；主要技術(shù)手段則是采用先進發(fā)動機系統(tǒng)和輕量化。歐洲對汽車尾氣過濾為粉末冶金多孔材料又提供了很大的市場。在目前的發(fā)動機工作條件下，粉末冶金金屬多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。工具材料是粉末冶金工業(yè)另一類重要產(chǎn)品，其中特別重要的是硬質(zhì)合金。目前制造業(yè)的發(fā)展朝著3A方向，即敏捷性（Agility）、適應性（Adaptivity）和可預測性（Anticipativity）。這要求加工工具本身更鋒利、剛性更好、韌性更高；加工材料的范圍擴大到呂合、鎂合金、鈦合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；環(huán)境影響要減到最小，干式加工比例更大。這些新要求加快了粉末冶金工具材料的發(fā)展。硬質(zhì)合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂層技術(shù)發(fā)展很快，CVD、PVD、PCVD技術(shù)日益完善，涂層種類也很多，從常用的CVDTiCN/Al2O3/TiN到CVDPCBN（聚晶立方BN）以及PVDTiAIN，Al2O3，cBN（立 方BN）和SiMAlON等，滿足加工場合的需要。信息行業(yè)的發(fā)展也為粉末冶金工業(yè)提供了新的契機。，其中熱沉材料占23%，發(fā)光與點極材料占30%。前者主要包括散熱材料，如Si/SiC，CuMo，CuW，AlSiC，AlN以及Cu/金剛石等材料；后者則主要包括鎢、鉬材料。二、粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù)簡介粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金工藝的第一步是制取原料粉末，第二步是將原料粉末通過成形、燒結(jié)以及燒結(jié)后處理制得成品。典型的粉末冶金產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線如圖111所示。粉末冶金的工藝發(fā)展已遠遠超過此范疇而日趨多樣化，已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。粉末冶金技術(shù)有如下特點：(1)可以直接制備出具有最終形狀和尺寸的零件，是一種無切削、少切削的新工藝，從而可以有效地降低零部件生產(chǎn)的資源和能源消耗；(2)可以容易地實現(xiàn)多種類型的復合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷基復合材料的工藝技術(shù)；(3)可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如多孔含油軸 承、過濾材料、生物材料、分離膜材料、難熔金屬與合金、高性能陶瓷材料等；(4)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料(如AlLi合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等)具有重要的作用；(5)可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和過飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學、磁學、光學和力學性能；(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。粉末冶金工藝的基本工序是：原料粉末的制備。現(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學法。而機械法可分為：機械粉碎及霧化法；物理化學法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應用最多的是模壓成型。坯塊的燒結(jié)。燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。對于單元系和多元系的固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點低；對于多元系的液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點低，而高于易熔成分的熔點。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。產(chǎn)品的后序處理。燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。粉末冶金工藝的優(yōu)點：絕大多數(shù)難熔金屬及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法來制造。由于粉末冶金方法能壓制成最終尺寸的壓坯，而不需要或很少需要隨后的機械加工，故能大大節(jié)約金屬，降低產(chǎn)品成本。用粉末冶金方法制造產(chǎn)品時，金屬的損耗只有15%，而用一般熔鑄方法生產(chǎn)時，金屬的損耗可能會達到80%。由于粉末冶金工藝在材料生產(chǎn)過程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩堝和脫氧劑等帶來的雜質(zhì)，而燒結(jié)一般在真空和還原氣氛中進行，不怕氧化，也不會給材料任何污染，故有可能制取高純度的材料。粉末冶金法能保證材料成分配比的正確性和均勻性。粉末冶金適宜于生產(chǎn)同一形狀而數(shù)量多的產(chǎn)品，特別是齒輪等加工費用高的產(chǎn)品，用粉末冶金法制造能大大降低生產(chǎn)成本。粉末冶金工藝的缺點：在沒有批量的情況下要考慮 、粉末冶金與熔化冶金的區(qū)別產(chǎn)品成分、結(jié)構(gòu)不同粉末冶金最終產(chǎn)品成分未變，只是粉末固結(jié)在一起；熔化冶金最終產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例：開始是兩種金屬，最后是合金。產(chǎn)品性能不同粉末冶金可生產(chǎn)特殊性能產(chǎn)品，例：高熔點金屬、多孔材料、摩擦材料、磁性或電性能材料；熔化冶金只能生產(chǎn)普通產(chǎn)品。生產(chǎn)工藝不同粉末冶金工藝：金屬→化學法、物理法、機械法→不同形狀、粒度的粉 末→混合→壓制→燒結(jié)→制品→后處理：熱固結(jié)——壓制和燒結(jié)同時進行（熱壓、熱擠壓、熱等靜壓、鍛壓等）熔化冶金工藝金屬→熔煉成錠→軋制、拉伸、擠壓、鍛壓、機加工→線材、棒材、型材等不同形狀、不同性能的產(chǎn)品四、粉末冶金的發(fā)展史:海綿鐵粉(sponge iron)時間：公元前3000年前，最早的粉末冶金技術(shù)，生產(chǎn)的粉末是海綿鐵粉。生產(chǎn)方法：較純的鐵礦（Fe3O4）→木炭還原（在木炭爐內(nèi)）→海綿鐵→破碎成細?！逑锤蓛簟鷴雒}石和渣→壓制→燒結(jié)（或松散狀態(tài)燒結(jié)）→鍛壓→產(chǎn)品鍛壓鉑（wrought platinum)時間：1750~1850年生產(chǎn)方法：自然鉑→清洗干凈→壓制成形→燒結(jié)→熱鍛→ 鍛壓鉑生產(chǎn)國家：西班牙、英國、前蘇聯(lián)發(fā)展狀況：隨著科技的發(fā)展，合適的爐子和耐火材料出現(xiàn)。鎢絲(tungsten wire)時間：20世紀初開始，1913年獲得專利生產(chǎn)方法：WO3→氫還原→W粉→燒結(jié)→低壓高密度電流再燒結(jié)→ 密度90%的固態(tài)W →模鍛 →鎢絲還原反應： WO3+3H2= W+3H2O 燒結(jié)溫度： 1200℃； 模鍛溫度： 2000℃高熔點金屬（refractory metal)Mo、Nb、Ti、Ta、Zr 時間：1940年前采用粉末冶金方法，1940年后采用真空電弧、電子束自潤滑軸承或含油軸承（selflubricating bearing)時間：20世紀20年代特征：孔的體積占軸承體積的15~30%，潤滑劑貯存在孔內(nèi)材料：90%Cu粉，10%錫粉，無機物粉生產(chǎn)方法：Cu粉+錫粉+無機物粉→混合→壓制成軸承形狀→燒結(jié)→多孔軸承→浸漬（油）→含油軸承與自潤滑軸承相關(guān)的產(chǎn)品：多孔過濾器、金屬電刷（Cu粉和石墨粉）、摩擦材料等。硬質(zhì)合金(cemented carbides)時間：20世紀20年代，1925年獲得專利特征：硬度高、耐磨損，作為切割工具、模具或軋輥等材料：金屬碳化物（TiC、TaC、WC）、金屬粘結(jié)劑生產(chǎn)方法： WC粉+Co粉→混合→→燒結(jié)→硬質(zhì)合金燒結(jié)溫度：1400 ℃；燒結(jié)氣氛：氫氣微觀結(jié)構(gòu)：粘結(jié)劑基體中彌散著碳化物顆粒結(jié)構(gòu)件(structural parts)時間：20世紀30年代后期最早的結(jié)構(gòu)件：油泵齒輪，由鐵粉和石墨粉混合燒結(jié)而成，基體為共析合金鋼，有25%孔，性能類似于鑄鐵結(jié)構(gòu)件種類：鐵基零件、低碳鋼、不銹鋼、銅、青銅、黃銅、鎳、鋁、鈦、銀等特點：數(shù)量大、用途廣，自動壓制、連續(xù)燒結(jié)爐燒結(jié)。生產(chǎn)方法：傳統(tǒng)方法→再加工（浸漬、熱鍛、淬火和回火、滲碳、滲碳氮）→結(jié)構(gòu)件 最先進的技術(shù)——熱固結(jié)（hot consolidation)熱固結(jié)：壓制與燒結(jié)結(jié)合起來同時進行的一種技術(shù)時間：20世紀40年代后熱固結(jié)方法：熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱鍛等熱固結(jié)產(chǎn)品：工具鋼、超合金、鈦合金等產(chǎn)品特征：全密產(chǎn)品五、粉末冶金應用舉例金屬粉末多孔材料金屬粉末多孔材料的應用非常廣泛，如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、高溫過濾裝置、分離膜等。目前最大的市場可能是柴油發(fā)動機的煙塵過濾裝置。德國的Fraunhofer研究所開發(fā)了一種金屬空心球制備技術(shù)，在聚合物基體上涂覆金屬粉末料漿，然后通過脫涂聚合物基體和粘結(jié)劑，最后燒結(jié)成各種具有空心結(jié)構(gòu)的金屬球體。球體的直徑可叢1mm至8mm。硬質(zhì)合金納米晶和梯度結(jié)構(gòu)是硬質(zhì)合金的兩個重點方向。納米晶材料方面包括晶粒長大控制和納米粉末制備。梯度結(jié)構(gòu)合金方面包括工藝與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。將納米晶和梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合起來可能是一個很好的方向，能夠在更微觀層次上實現(xiàn)性能的可調(diào)。硬質(zhì)合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制備復雜形狀中小型零件是發(fā)展趨勢，但是其商用化仍然受技術(shù)成熟度的控制。硬質(zhì)合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、斷裂韌性和可靠性表征等。粉末輕金屬合金汽車輕量化為鋁、鎂、鈦等輕金屬材料提供了廣闊的應用前景。粉末鋁合金在汽車上可應用的部位非常多，但AlSi合金由于高比強度、高比剛度、低熱膨脹系數(shù)和耐磨性好，有可能率先在油泵齒輪方面大規(guī)模應用。從工業(yè)化角度來看，對粉末冶金鋁合金制備過程的優(yōu)化研究更為重要。鋁合金的另一個研究熱點是復合材料，包括傳統(tǒng)的Al/SiC，Al/C，Al/BN，Al/Ti（C，N）以及新出現(xiàn)的納米碳管增強鋁合金。高強粉末鋁合金與快速凝固技術(shù)密切相關(guān)。通過成分設(shè)計，在純鋁基體中加入金屬間化合物行成組元，可以制備高強度、高韌性、高熱穩(wěn)定性兼顧的鋁合金。該材料的室溫強度大于600Mpa，延伸率超過10%，在400℃還有很好的熱穩(wěn)定，疲勞極限是鍛造鋁合金的2倍。鎂合金的密度更小，其應用前景可能更好，但目前仍處于研究狀態(tài)。采用快速凝固方法也是制備高性能粉末鎂合金的重要手段。目前該技術(shù)在安全性方面已經(jīng)沒有太大的問題，所制備出的材料性能也遠遠高于鑄造合金。鈦合金在汽車上的應用主要是成本問題，而粉末鈦合金的主要障礙在于高性能低成本鈦粉。英國QinetiQLtd開發(fā)了一種店脫氧技術(shù)（EDO），可批量生產(chǎn)鈦粉。該技術(shù)與傳統(tǒng)的以海綿鈦為原料的氫化脫氫過程完全不同。它是一種類似于熔鹽電解的方法，以TiO2為陰極，石墨為陽極，在電解過程中TiO2的陽極遷移，并消耗陽極的炭形成CO，在陰極得到鈦粉。%~%之間。采用這一技術(shù)還可方便地制備各種鈦合金粉末。由于對氣氛和雜質(zhì)的敏感性，粉末鈦合金的燒結(jié)也是工藝難點，通常與要熱等靜壓或后續(xù)熱加工。通過添加共晶形成組元和稀土元素能夠明顯改善粉末鈦合金的燒結(jié)致密度，其力學性能也能達到鍛造鈦合金水平。這一系列工作將大大推動鈦合金在汽車機關(guān)鍵部件上的應用。六、粉末冶金相關(guān)技術(shù)粉末注射成型粉末注射成形仍然是當前研究的熱點之一。粉末注射成形的材料已經(jīng)從早期的鐵基、硬質(zhì)合金、陶瓷等對雜質(zhì)含量不敏感，性能要求不是非常苛刻的體系，發(fā)展到了鎳基高溫合金、鈦合金和鈮材料。材料應用領(lǐng)域也從結(jié)構(gòu)材料向功能材料發(fā)展、如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金。材料結(jié)構(gòu)也從單一均勻結(jié)構(gòu)向復合結(jié)構(gòu)發(fā)展。金屬工注射成形技術(shù)可實現(xiàn)多種不同成分的粉末同時成形，因而能夠得到具有三明治形式的復合結(jié)構(gòu)。例如將316L不銹綱和174PH合金復合，能夠?qū)崿F(xiàn)力學性能的連續(xù)可調(diào)。粉末注射成形的一個重要發(fā)展方向與與微系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)。在與微系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)。在與微系統(tǒng)相關(guān)的領(lǐng)域中，如電子信息、微化學、醫(yī)療器械等，器件不斷小型化，功能更加復合化。而粉末注射成形技術(shù)提供了實現(xiàn)的可能。微注射成形技術(shù)是對傳統(tǒng)注射成形技術(shù)的改進。它是針對零件尺寸結(jié)構(gòu)小到1um所開發(fā)的成形技術(shù)，基本工藝與傳統(tǒng)注射成形一致，但原料粉末粒度更小。采用微注射成形技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了表面微結(jié)構(gòu)精度10um的微流體裝置，尺寸為350um~900um的不銹鋼零件；實現(xiàn)了不同材料成分、復合結(jié)構(gòu)的共燒結(jié)或共連接，獲得了磁性/非磁性、導體/非導體微型復合零件。粉末制備技術(shù)粉末霧化一直是高性能粉末的制備技術(shù)。熱氣流霧化技術(shù)能夠延長金屬液滴在液相狀態(tài)的時間，使粉末可以經(jīng)過二次破碎（霧化），因而大大提高了霧化的效率，所得到的粉末粒度更為細小。ASL公司的研究結(jié)果表明，若將氣體溫度提高到330℃。制備相同粒度粉末所需的氣體消耗量減少30%，其經(jīng)濟分析和工程化問題研究說明該技術(shù)是完全可行的。粉末霧化方面的技術(shù)有很大的改進。例如，采用一種新型自由裸體式氣體霧化，能夠得到更細的工具鋼粉末，顆粒中碳化物的分布更均勻、缺陷更少。美