【文章內(nèi)容簡介】 J],上海金屬,2007年第4期.【4】劉詠,[J],中國有色金屬,2006年第1期.【5】[D],中南大學(xué)出版社,2000.【6】[M].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2011年第1期.【7】李祖德，李松林，、后期的粉末冶金新技術(shù)和新材料（1)[M],第11卷第5期.【8】周洪強(qiáng),[N],2006 1.【9】[M],.【10】周洪強(qiáng),[M], .【11】亓家鐘（摘擇）.粉末冶金文摘[C],.【12】[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.【13】[M].北京：科學(xué)出版社，2001 【14】（上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.【15】[J]..【16】[M].北京：第三篇：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(shí)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(jìn)技術(shù)。關(guān)鍵詞：粉末冶金、基本工序、發(fā)展歷史、應(yīng)用、相關(guān)技術(shù)、發(fā)展方向、問題及機(jī)遇一、世界粉末冶金工業(yè)概況2003年全球粉末貨運(yùn)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(gè)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(shí)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(dòng)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(diǎn)。粉末冶金鐵基零件在汽車上主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳送系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、點(diǎn)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(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(yīng)性（Adaptivity）和可預(yù)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(kuò)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(jī)。，其中熱沉材料占23%，發(fā)光與點(diǎn)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(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)：(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(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)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(fù)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(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)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(zhǔn)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(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)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(jìn)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?，F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。而機(jī)械法可分為：機(jī)械粉碎及霧化法；物理化學(xué)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(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)低，而高于易熔成分的熔點(diǎn)。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(jī)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(yīng)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(diǎn)：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(jī)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(shí)，金屬的損耗只有15%，而用一般熔鑄方法生產(chǎn)時(shí)，金屬的損耗可能會(huì)達(dá)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(jìn)行，不怕氧化，也不會(huì)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(fèi)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(diǎn)：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(diǎn)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(xué)法、物理法、機(jī)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(shí)進(jìn)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(jī)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(shí)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(xì)?！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(shí)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?fàn)顩r：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(shí)間：20世紀(jì)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(yīng)： WO3+3H2= W+3H2O 燒結(jié)溫度： 1200℃； 模鍛溫度： 2000℃高熔點(diǎn)金屬（refractory metal)Mo、Nb、Ti、Ta、Zr 時(shí)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(shí)間：20世紀(jì)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(jī)物粉生產(chǎn)方法：Cu粉+錫粉+無機(jī)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(shí)間：20世紀(jì)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(shí)間：20世紀(jì)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(diǎn)：數(shù)量大、用途廣，自動(dòng)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(jìn)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(shí)進(jìn)行的一種技術(shù)時(shí)間：20世紀(jì)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(yīng)用舉例金屬粉末多孔材料金屬粉末多孔材料的應(yīng)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(dòng)機(jī)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(gè)重點(diǎn)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(gè)很好的方向，能夠在更微觀層次上實(shí)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(fù)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(yīng)用前景。粉末鋁合金在汽車上可應(yīng)用的部位非常多，但AlSi合金由于高比強(qiáng)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(yīng)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(gè)研究熱點(diǎn)是復(fù)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(qiáng)鋁合金。高強(qiáng)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(jì)，在純鋁基體中加入金屬間化合物行成組元，可以制備高強(qiáng)度、高韌性、高熱穩(wěn)定性兼顧的鋁合金。該材料的室溫強(qiáng)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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造合金。鈦合金在汽車上的應(yīng)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(diǎn)，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(xué)性能也能達(dá)到鍛造鈦合金水平。這一系列工作將大大推動(dòng)鈦合金在汽車機(jī)關(guān)鍵部件上的應(yīng)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)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(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展。金屬工注射成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種不同成分的粉末同時(shí)成形，因而能夠得到具有三明治形式的復(fù)合結(jié)構(gòu)。例如將316L不銹綱和174PH合金復(fù)合，能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)性能的連續(xù)可調(diào)。粉末注射成形的一個(gè)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(xué)、醫(yī)療器械等，器件不斷小型化，功能更加復(fù)合化。而粉末注射成形技術(shù)提供了實(shí)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(jìn)。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