粉末冶金材料2014

1、v粉末冶金材料粉末冶金材料v粉末冶金材料现状及发展趋势粉末冶金材料现状及发展趋势概述:粉末冶金材料及其进展 1.1 材料材料l世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。l材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。件、工具、装置等物品的物质。l材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。的生命息息相关。粉末冶金材料：粉末冶金材料：是用粉末冶金技术制得的近全是用粉末冶金技术制得的近全 致密或多孔材料。致密或多孔材料。材料与人类文明材料与人类文明l材料是

2、人类文明、社会进步、科学技术发展的材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。物质基础和技术先导。l材料是当代文明的三大支柱之一。材料是当代文明的三大支柱之一。l材料是全球新技术革命的四大标志之一。材料是全球新技术革命的四大标志之一。材料研究的重要性材料研究的重要性挑战者号挑战者号哥伦比亚号哥伦比亚号1.2 粉末冶金技术粉末冶金技术 粉末冶金技术：是以金属粉末或非金属粉末是以金属粉末或非金属粉末或其混合物为原料，经过成形和烧结，制造金属材或其混合物为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。l能生产用普通熔炼

3、方法无法生产的具有特殊结能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品构和性能的材料和制品，如硬质合金。，如硬质合金。l粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越，相比，性能优越，如粉末高速钢。如粉末高速钢。(a) 高密度钨合金弹芯; (b)高密度钨合金高尔夫球棒(b) (a)(a)(a) 泡沫镍宏观照片; (b)泡沫镍微观结构(b)l公元前3000年以前，古埃及人在一 种风箱中用碳还原氧化铁得到海绵铁，经高温锻造成致密块，再锤打成铁的器件；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（8001000C）；l1930年H

4、oganas公司开始用固相还原法生产海绵铁；粉末冶金发展史1) ) 粉末冶金发展简史粉末冶金发展简史粉末冶金是一项新兴技术，但也是一项古老技术。粉末冶金是一项新兴技术，但也是一项古老技术。海绵铁海绵铁错金书刀错金书刀刘胜墓出土刘胜墓出土印度德里铁柱，材质为纯度高印度德里铁柱，材质为纯度高达达98.72的铁的铁，历时千百年，历时千百年，却却少有锈蚀的痕迹少有锈蚀的痕迹。 l1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；l1914年WC、MoC粉末出现（德国）；l1923年德国人施勒特尔(Kschroter) 用粉末冶金法研制成功钨钴硬质合金； 1927年德国Krupp公司使用

5、该技术生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；l1956年后大量铁基、铜基零件上市；l20世纪80年代后，PM制品，如涡轮引擎零件广泛应用于航空。克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。 钨丝钨丝（钨粉成形、烧结、再锻打拉丝）的制造方法为粉（钨粉成形、烧结、再锻打拉丝）的制造方法为粉末冶金工业迈出了第一步，从而推动了粉末冶金的发展末冶金工业迈出了第一步，从而推动了粉末冶金的发展。 硬质合金硬质合金的出现推动了机械加工工业的发展。的出现推动了机械加工工业的发展。粉末冶金方法生产多孔材料的成功粉末冶金方法生产多孔材料的成功。 1930年用粉末冶金方法制取年用粉末冶金方

6、法制取多孔含油轴承、轴瓦多孔含油轴承、轴瓦取取得成功，这种轴承很快在汽车、纺织、航空等工业得到得成功，这种轴承很快在汽车、纺织、航空等工业得到了广泛的应用。了广泛的应用。 粉末冶金新材料、新技术的发展粉末冶金新材料、新技术的发展。 新型材料如新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料金属陶瓷、弥散强化材料、粉末高速钢、粉末高速钢、粉末超合金等不断出现。新技术如粉末超合金等不断出现。新技术如注射成形、温压成形注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结等、喷射成形、微波烧结等相继出现。相继出现。粉末冶金发展的三个重要标志粉末冶金方法所制备材料的优点 致密度可控，如多孔材料、高密度材料等； 晶粒细小、显微组织均匀

7、、无成分偏析； 近净成形，原材料利用率高95%，能耗低； 少无切削，切削加工仅4050%； 材料组元可控，利于制备复合材料； 利于难熔金属、陶瓷材料与核材料的制备。粉末冶金技术的不足：讨论类别类别材料材料举例举例机械零件机械零件和结构材料和结构材料摩擦材料摩擦材料铁基摩擦材料、铜基摩擦材料铁基摩擦材料、铜基摩擦材料减摩材料减摩材料铁基多孔含油轴承、铜基多孔含油轴承、铝基多孔含油轴承铁基多孔含油轴承、铜基多孔含油轴承、铝基多孔含油轴承机械零件机械零件铁基机械零件、有色金属机械零件铁基机械零件、有色金属机械零件多孔材料多孔材料过滤器、多孔电极、发汗材料、吸音材料、密封材料过滤器、多孔电极、发汗材料

8、、吸音材料、密封材料工具材料工具材料硬质合金硬质合金WC-Co硬质合金、硬质合金、WC-TiC-Co硬质合金、碳化钛基硬质合金硬质合金、碳化钛基硬质合金超硬材料超硬材料立方氮化硼、金刚石立方氮化硼、金刚石陶瓷工具材料陶瓷工具材料粉末高速钢粉末高速钢磁性材料磁性材料和电工合金和电工合金磁性材料磁性材料软磁材料、硬磁材料、高温磁性材料、旋磁铁氧体软磁材料、硬磁材料、高温磁性材料、旋磁铁氧体电触头材料电触头材料金属金属-金属触头、金属金属触头、金属-石墨触头、金属石墨触头、金属-金属氧化物触头金属氧化物触头电热材料电热材料金属电热材料、难熔金属化合物电热材料金属电热材料、难熔金属化合物电热材料耐热材

9、料耐热材料粉末超合金粉末超合金粉末镍基超合金、粉末钴基超合金粉末镍基超合金、粉末钴基超合金难熔金属及其合金难熔金属及其合金金属陶瓷金属陶瓷氧化物基金属陶瓷、碳化钛基金属陶瓷、高温涂层氧化物基金属陶瓷、碳化钛基金属陶瓷、高温涂层弥散强化材料弥散强化材料氧化物、碳化物、硼化物、氮化物弥散强化材料氧化物、碳化物、硼化物、氮化物弥散强化材料纤维强化材料纤维强化材料粉末冶金材料的主要应用工业部门工业部门应用举例应用举例采矿采矿硬质合金，金刚石硬质合金，金刚石-金属组合材料金属组合材料机械加工机械加工硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车制造汽车制造机械零件，摩擦材料，多孔含油轴

10、承，过滤器机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机车、机床制造机车、机床制造机械零件，多孔含油轴承机械零件，多孔含油轴承纺织机械、冶金矿山机械纺织机械、冶金矿山机械机械零件，多孔含油轴承机械零件，多孔含油轴承造船造船摩擦材料，油漆用铝粉摩擦材料，油漆用铝粉电机制造电机制造多孔含油轴承，铜多孔含油轴承，铜-石墨电刷石墨电刷精密仪器精密仪器仪表零件，软磁材料，硬磁材料仪表零件，软磁材料，硬磁材料电气和电子工业电气和电子工业电触头材料，真空电极材料电触头材料，真空电极材料无线电和电视无线电和电视磁性材料磁性材料计算机工业计算机工业记忆元件记忆元件化学工业化学工业过滤器，防腐零件，催化剂过滤器，防腐

11、零件，催化剂石油工业石油工业过滤器过滤器军工军工穿甲弹头，军械零件穿甲弹头，军械零件航空航空摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金航天和火箭航天和火箭发汗材料，难熔金属及合金，纤维强化材料发汗材料，难熔金属及合金，纤维强化材料原子能工程原子能工程核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料粉末冶金连杆油泵齿轮原子弹氢弹粉末冶金技术是现代工业进步的基础核反应堆粉末冶金高温合金涡轮盘：航空发动机的关键部件粉末冶金高温合金涡轮盘：航空发动机的关键部件图图154 (俄俄)苏苏-27 (俄俄)波音波音737-800歼七歼击机歼七歼

12、击机航空制动用粉航空制动用粉末冶金材料末冶金材料日本新干线日本新干线法国法国TVG德国的德国的ICE最高时速达到最高时速达到574.8公里公里/小时小时l20092009年欧洲粉末冶金零件产量约为年欧洲粉末冶金零件产量约为1590001590000 0吨，其中铁基零部吨，其中铁基零部件占据主要部分。件占据主要部分。lEPMAEPMA主席主席Ingo CremerIngo Cremer指出：中国汽车进口量快速增长，拉动指出：中国汽车进口量快速增长，拉动了欧洲粉末冶金市场，免受经济危机更大的影响。了欧洲粉末冶金市场，免受经济危机更大的影响。 欧洲粉末冶金制品的主要用途(wt%)(来源：2010世界

13、粉末冶金大会)2007-2010年中国汽车进口量（来源：海关总署）年各区域粉末冶金发展特点各区域粉末冶金发展特点 北美钢铁粉末销售量（吨） 北美铜及铜基粉末销售量（吨） l北美地区的粉末冶金制品市场继续保持增长。北美地区的粉末冶金制品市场继续保持增长。20102010年铁粉年铁粉销售量销售量同比增长同比增长35%35%，达到了，达到了409159409159吨吨，铜和铜基粉总的，铜和铜基粉总的销售量在销售量在20102010增长增长约约80%80%，达到，达到1700017000吨。吨。（Michael E. Lutheran, president of MPIF at PowderMet20

14、11）吨吨年年亚洲粉末冶金制品的产量分布情况（来源：2010世界粉末冶金大会）中国、日本粉末冶金零件产量和销售额（来源：JPMA）万万美美元元l中国、日本、韩国、印度占亚洲市场的中国、日本、韩国、印度占亚洲市场的8686。l20092009年和年和20102010年，中国的粉末冶金制品的产量超过日本，年，中国的粉末冶金制品的产量超过日本， 成为亚洲第一。但总销售额只有日本的成为亚洲第一。但总销售额只有日本的1/31/3，每公斤粉末冶，每公斤粉末冶金零件的价格约为日本的金零件的价格约为日本的1/51/5。年2.1 2.1 中国中国1997 1998 19992000 2001 20022003

15、2004 20052006 2007 20082009 2010 2011l1515年来中国硬质合金的总产量和出口量持续增长；年来中国硬质合金的总产量和出口量持续增长；l目前中国硬质合金总产量占世界硬质合金总产量的目前中国硬质合金总产量占世界硬质合金总产量的40%40%以上以上 单位：吨总产量总产量2 硬质合金现状及发展趋势硬质合金现状及发展趋势1997 1998 19992000 2001 20022003 2004 20052006 2007 20082009 2010 2011l20112011年度中国硬质合金出口量占硬质合金总产量的年度中国硬质合金出口量占硬质合金总产量的20%20%单

16、位：吨出口量出口量近十五年中国硬质合金工业销售收入销售收入销售收入l我国硬质合金产品在附加值与世界先进水平相比较大差距：我国硬质合金产品在附加值与世界先进水平相比较大差距： 我国我国20201111年硬质合金总销售收入年硬质合金总销售收入150150亿元，硬质合金产量亿元，硬质合金产量2424000000吨；吨； SandvikSandvik公司公司20112011年硬质合金及系列配套产品销售收入近年硬质合金及系列配套产品销售收入近10001000亿元。亿元。产品结构产品结构 我国附加值最高的切削刀片产量只有我国附加值最高的切削刀片产量只有 3000 余吨，只占余吨，只占 20%。高端硬质合金

17、刀片刀具高端硬质合金刀片刀具 90%依赖进口。因此，单从现有市场容量依赖进口。因此，单从现有市场容量来看，高端硬质合金国产化实现进口替代空间巨大。此外，从将来看，高端硬质合金国产化实现进口替代空间巨大。此外，从将来市场容量来看，我国已经进入制造业升级阶段，而且此次将高来市场容量来看，我国已经进入制造业升级阶段，而且此次将高端设备制造以及信息产业列入国民经济的支柱性产业，这将极大端设备制造以及信息产业列入国民经济的支柱性产业，这将极大的带动硬质合金刀片刀具、钻头等一系列需求，前景不可估量。的带动硬质合金刀片刀具、钻头等一系列需求，前景不可估量。高端应用高端应用 按照按照 Prismark 估计，

18、估计，2011 年我国年我国 PCB 产值规模达到产值规模达到 184.61 亿美元，亿美元，2013 年我国年我国 PCB 规模将达到规模将达到 228.2 亿美元。亿美元。而每销售而每销售 10 亿美元亿美元PCB 板，带动钻头的消费在板，带动钻头的消费在 0.25 亿美元。亿美元。2013 年我国年我国 230 亿美元亿美元 PCB 规模计算，规模计算，PCB 钻头的市场在钻头的市场在 5.75 亿美元，折合人民币约亿美元，折合人民币约 38 亿元。亿元。新型工具材料新型工具材料 金属陶瓷、非金属陶瓷和超硬工具材料尽管不属于硬质合金属陶瓷、非金属陶瓷和超硬工具材料尽管不属于硬质合金范畴，

19、但由于具有极其优异的性能，尤其是在某些方面金范畴，但由于具有极其优异的性能，尤其是在某些方面（如高速精加工）明显优于硬质合金，因此这些材料的发（如高速精加工）明显优于硬质合金，因此这些材料的发展将有利于硬质合金工具材料的延伸，和钨、钴、钽等重展将有利于硬质合金工具材料的延伸，和钨、钴、钽等重要战略资源的合理使用。目前金属陶瓷、非金属陶瓷刀具要战略资源的合理使用。目前金属陶瓷、非金属陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石和金刚石涂层刀具等在国外已、立方氮化硼、聚晶金刚石和金刚石涂层刀具等在国外已经得到快速发展和应用。研究正朝着超细纳米结构、晶须经得到快速发展和应用。研究正朝着超细纳米结构、晶须（纤维）

20、增韧复合陶瓷等方面发展。据报导，日本金属陶（纤维）增韧复合陶瓷等方面发展。据报导，日本金属陶瓷刀具已占可转位刀具的三分之一。陶瓷刀具材料不用钴瓷刀具已占可转位刀具的三分之一。陶瓷刀具材料不用钴或少用钴，这对钴资源相对贫乏的我国，无疑也是应该加或少用钴，这对钴资源相对贫乏的我国，无疑也是应该加大力度研究开发的一个方向。大力度研究开发的一个方向。 Co分布硬度分布梯度结构硬质合金梯度结构硬质合金30 瑞典山特维克凿岩工具公司开发出凿岩工具用功能梯度结构硬质合金（DP合金），其耐磨性和韧性均明显优于标准硬质合金。 存在问题：芯部含有相，在一定程度上影响的其韧性。 发展方向：芯部不含有相的梯度结构硬质

21、合金。 主要应用：已经越来越多地应用于凿岩工具、顶锤、涂层刀片基体。硬质合金废料回收及其高端应用 Sandvik公司是钨精深加工技术与应用技术高度集成的国际公司是钨精深加工技术与应用技术高度集成的国际典范，其实也是钨回收资源高效利用的国际典范，目前该公司典范，其实也是钨回收资源高效利用的国际典范，目前该公司大约大约40%的硬质合金生产用钨原料来源于钨的回收资源，而众的硬质合金生产用钨原料来源于钨的回收资源，而众所周知，所周知，Sandvik公司的刀片与刀具属国际王牌产品，这说明公司的刀片与刀具属国际王牌产品，这说明钨回收资源原料同样可实现其高值化利用。钨回收资源原料同样可实现其高值化利用。 趋

22、势：趋势：l 低能耗（高效）低能耗（高效）l 低污染（环境友好）低污染（环境友好）l高端应用（优异的制品性能）高端应用（优异的制品性能）页岩气开发是粉末冶金产业的新机遇页岩气开发是粉末冶金产业的新机遇l 2011年底，页岩被正式批准为中国第年底，页岩被正式批准为中国第172个独立矿种；个独立矿种；l 2012年全国两会期间，温家宝总理在政府工作报告中明年全国两会期间，温家宝总理在政府工作报告中明确提出确提出“加快页岩气勘查、开发攻关加快页岩气勘查、开发攻关”；l “十二五十二五”规划也明确要求：规划也明确要求：“推进页岩气等非常规油气推进页岩气等非常规油气资源开发利用资源开发利用”，提出，提出2015年达到年达到65亿立方米的产量目亿立方米的产量目标；标；l 根据国土资源部页岩气探矿权投标意向调查公告，这根据国土资源部页岩气探矿权投标意向调查公告，这一领域将对民资开放，可以预见