现代粉末冶金材料与技术的发展

1、现代粉末冶金材料与技术的发展概述粉末冶金是研究金属、合金、非金属和化合物的粉末及其材料的性质和制造理 论与工艺的技术科学，是现代材料科学与工程发展最为迅猛的领域之一。近代以来 , 粉末冶金有了突破性进展，在西方发达国家更呈现出了加速发展的 势态 , 一系列新技术、新工艺大量涌现，例如 , 超微粉或纳米粉制备技术、快速冷 凝技术、机械合金化、粉末热等静压、温压、粉末热锻、粉末挤压、粉末注射形、 粉末喷射成形、自蔓延高温合成、涂层技术、电火花烧结、反应烧结、超固相线烧 结、瞬时液相烧结、激光烧结、微波烧结 , 等等。现代粉末冶金不但保持和发展了传统优点实现少切削、无切削加工 , 实现少 偏析或无偏

2、析 , 低耗、节能、节材；易控制产品孔隙度；易实现金属一非金属复 合、金属一高分子复合 , 而且新技术赋予传统工艺步骤以新的内容和含义 , 使粉末 冶金成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条件下工作材料的有效途 径。因此 , 整个粉末冶金领域大大拓宽 , 并向着纵深方向发展 , 粉末冶金已由二类 传统工艺技术发展成为一门新兴的技术科学 , 它处于冶金科学与材料科学的交汇区 并且已深入地渗透到几乎所有的冶金和材料科学的分支科学中去了。由于技术上和经济上具有巨大的优越性 ,粉末冶金技术产品在国民经济的各个 部门和国防建设的各个领域都得到了广泛应用 , 对机械、电子、化工、能源、航 空、航

3、天乃至农业、医药、食品等产业的发展以及科技的进步 , 都起到了重要的推 动作用 , 创造了巨大的社会财富 , 带来了巨大的经济效益和社会效益。现代粉末冶金发展的主要特点（一）新技术、新工艺大量涌现新技术新工艺的应用 , 使得粉末的制备朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、 成分可调控、大规模、多品种方向发展 , 粉末冶金材料的制造朝着复合、全致密、 高性能、高精度、复杂形状、大批量系列化方向发展。（二）新材料层出不穷 粉末冶金已发展成为制取各种高性能结构材料和特种功能材料以及极限条件使 用材料的有效途径。这些新材料包括粉末低合金钢、粉末高温合金、粉末高速钢、 粉末不锈钢、快速冷凝铝合金、快速冷凝钦

4、合金、弥散强化合金、高温超导材料、 钦铁硼永磁材料、特种陶瓷、金属基和陶瓷基复合材料、纳米材料、梯度功能材 料、粉末摩擦材料、涂层硬质合金 ,等等。（三）近净型成形技术的崛起加速了粉末冶金的迅速发展 粉末冶金作为一项典型的近净型成形制造技术 , 以它独有的少切削、无切削及 节材、节能的技术特点 , 在与传统的熔铸、机加工竞争中不断发展。近几十年来,许多新的近型成形技术不断涌现 , 如金属注射成形、粉末喷射成形、粉末热锻和粉末 热等静压等使得粉末冶金产品更加接近最终产品形状 , 并且拓宽了粉末冶金近型成 形产品的范围。（四）复合材料及其制造技术的发展为粉末冶金开拓了新的领域 目前 , 复合材料的

5、发展形成由宏观复合形式向微观复合形式发展、由结构复合 材料为主向与功能复合材料并重的局面。粉末冶金以它独有的粉末混合、化学复 合、机械合金化、涂层、骨架熔渗与浸溃、纤维网粉浆浇注、快速冷凝和原位复合 等特长在复合材料制造中充分发挥自己的优势 , 在金属基、陶瓷基复合材料和弥散 强化、颗粒强化及纤维增强复合制造技术中显示鲜明的特色。粉末冶金材料3.1 传统粉末冶金材料（ 1）铁基粉末冶金材料：铁基粉末冶金材料是最重要的粉末冶金材料之一, 特别是汽车行业的快速发展对铁基粉末冶金行业起了很大的推动作用。（2）铜基粉末冶金材料：烧结铜基零件具有较好的耐蚀性、表面光洁及无磁性等 优点。铜基材料主要有烧结

6、青铜 （锡青铜和铝青铜 ） 、烧结黄铜、烧结镍银和烧结 铜镍合金，此外还有弥散强化铜（如Cu2AI2O3 ）、烧结时效强化铜合金（Cu2Be、Cu2Be2C和Cu2C哈金）以及用于减震的烧结Cu2Mn合金（ 3）难熔金属与硬质合金：难熔金属 （钨、钼、钽、铌等 ） 及其合金、 复合材料以其高熔点、高硬度、高强度等独特的物理与力学性能而广泛应用于国防 军工、航空航天、电子信息、能源、防化、冶金和核工业等领域。硬质合金是指以 一种或多种难熔金属的碳化物 （如碳化钨、碳化钛等 ） 作为硬质相 , 用金属粘结剂作 为粘结相 , 经粉末冶金技术制造出来的材料。硬质合金广泛用作切削刀具、矿用刀 片和异型件

7、 , 已成为现代工业部门和新技领域不可缺少的工具材料 , 被誉为“现代 工业的牙齿”。（ 4）粉末冶金电工材料：在电器、仪表及电工技术中 , 广泛应用于各种分断和接 通电路的电接触元件、电阻焊用的电极以及电机上用于转换电流的电刷。在无线电 技术中 , 普遍使用各种难熔化合物制成的各种固定电阻器。在真空技术中使用各种 电子管阴极制品、各种电加热元件和热电偶材料。以上这些材料常常采用粉末冶金 技术制造 , 统称为粉末冶金电工材料。（ 5）烧结摩擦与减摩材料：摩擦材料以提高摩擦磨损性能为目的, 用于摩擦离合器与摩擦制动器的摩擦部分的材料称为摩擦材料。烧结减摩材料是用粉末冶金方法 制造的、具有低摩擦系

8、数和高耐磨性能的金属材料或金属和非金属的复合材料。3.2 先进粉末冶金材料（ 1） 信息领域用粉末冶金材料：粉末冶金软磁材料按材质分类可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料。铁氧体软磁材料出现较早 , 是一种只能用粉末冶金烧结方法 制造的软磁材料。人们期望烧结软磁材料具有高的磁导率和饱和磁化强度或剩磁以 及低的矫顽力 ,压粉磁芯或磁粉芯属于这一类材料。金属软磁材料主要是铁及其合 金 , 其中有纯铁、磷铁、硅钢、铁镍金、铁钴合金、铁铝合金和铁铝硅合金等。铁 氧体软磁主要有锰锌、镁锌、镍锌铁氧体软磁材料。（2）能源领域用粉末冶金材料：能源材料是指那些正在发展的、可能支撑新能源 体系的建立 ,满足各种新

9、能源以及节能新技术所要求的一类材料。按使用目的可分 为新能源材料、节能材料和储能材料。（3）生物领域用粉末冶金材料：生物医用材料对于挽救生命、救治伤残、提高人 类的生活质量具有重要的意义。生物材料中的一些医用金属和合金 , 医用生物陶瓷 就属于粉末冶金材料。（ 4） 军事领域用粉末冶金材料：粉末冶金材料对军事工业作出了巨大的贡献, 在国防建设中有着巨大的潜力和竞争力。粉末冶金材料广泛用于航空航天工业、核工 业和兵器工业等军事领域。粉末冶金技术粉末制备技术的发展粉末冶金材料和制品不断增多 , 质量不断提高 , 要求提供的粉末的种类也越来 越多。为了满足对粉末的各种要求 , 出现了各种各样生产粉末

10、的新方法。从过程的 实质来看 , 现有制粉方法大体上可归纳为两大类 , 即机械法和物理化学法。从工业 规模而言 , 应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法。但随着科技的发展 , 越来越 多的新技术在粉末的制备过程中正起着越来越重要的作用。（1）机械合金化：机械合金化是由 Benjamin 等提出的一种制备合金粉末的高能球磨 技术。它是在高能球磨条件下 , 利用金属粉末混合物的反复变形、断裂、焊合、原 子间相互扩散或发生固态反应形成合金粉末。机械合金化是在固态下实现合金化 , 不经过气相、液相 ,不受物质的蒸气压、熔点等物理特性因素的制约 , 使过去用传统 熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化和远离

11、热力学平衡的准稳态、非平衡态及新 物质的合成成为可能 , 因此机械合金化的理论和应用方面的研究均显示出十分诱人 的前景。（ 2）喷雾干燥：喷雾干燥是指用雾化器将一定浓度的原料液喷射成雾状液滴, 并用热空气 （或其它气体 ） 与雾滴直接接触的方式使之迅速干燥 , 从而获得粉粒状产品 的一种粉末制备过程。采用喷雾干燥可以制备出质量均一、重复性良好的粉料 , 并 且缩短粉料的制备过程 , 有利于自动化、连续化生产 , 是大规模制备优良超微粉的 有效方法。粉末冶金成型技术的发展目前 , 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发 展。近年来 , 一系列粉末冶金新的成形技术层出不穷 ,

12、 并呈现出加速发展态势 , 粉 末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌 现 , 使得粉末高致密化成形技术得到了很大的发展。(1)粉末注射成型：粉末注射成形是传统粉末冶金技术和先进塑料注射成形相结 合而发展形成的一门新型粉末冶金近净成形技术。它的基本工艺过程是 : 首先将金 属或陶瓷粉末与有机粘结剂均匀混合 , 用注射成形机成形 , 然后将成形坯中的粘结 剂脱离 , 最后经烧结致密化得到最终产品。粉末注射成形的材料已经从早期的铁 基、硬质合金、陶瓷等对杂质含量不敏感、性能要求不是非常苛刻的体系 , 发展到 了镍基高温合金、钛合金和铌材料。材料应用领域也从结构材料

13、向功能材料发展 , 如热沉材料、磁性材料和形状记忆合金。材料结构也从单一均匀结构向复合结构发 展。温压成型：温压成形是从 20 世纪 90 年代新发展起来的一项新技术。它是采 用特制的粉末加热、粉末输送和模具系统 , 将加有特殊润滑剂的混合粉末和模具加 热至130150 C温度进行刚性模压,最后采用传统的烧结工艺进行致密化的技 术。利用该工艺可成形形状非常复杂的零件,如垂直于压制方向上的凹槽、孔以及螺纹孔等 ,而不需要后续二次机械加工。( 3)喷射成型：喷射成形 (Spray Forming) 技术 , 也称为喷射沉积 ( SprayDeposition) 或喷射铸造 ( Spray Cast

14、ing ) 技术, 这是20 世纪80 年代以来工业发达国家在传统快 速凝固P粉末冶金(RSPPM)工艺基础上发展起来的一种全新的先进材料制备与成形 技术。高速压制成型：高速压制技术是瑞典H -oganas AB公司在2001年推介的一种新技术。高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同 ; 混合粉末加进 送料斗中 , 粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形之后 , 零件被顶出并转入烧结工 序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高5001000 倍, 压机锤头速度高达230mPs ,液压驱动的锤头质量达51200kg ,粉末在0.02s之内通过高能量冲击 进行压制 , 压制时产生强烈的冲击

15、波。通过附加间隔 0.3s 的多重冲击能达到更高的 密度。与传统压制相比 , 高速压制的铁基零件密度可提高 0.3gPcm3 左右, 因而抗拉 强度和屈服强度能相应地提高 20 %25 %。高速压制压坯的径向弹性后效很小 , 故 脱模压力较小 , 并且压坯密度均匀 , 其偏差小于 0.01gPcm3 。该技术可以制得质量 达5kg以上的大型压坯以及高径比达到3的压坯。同时,HVC技术还具有高生产率 和低成本等特点。粉末冶金烧结技术的发展粉末冶金烧结是指粉末或粉末压坯在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现 象或过程。烧结工艺是决定粉末冶金制品性能的重要环节 , 一直是人们研究的重点 ; 各种促进

16、烧结的方法不断涌现 , 如微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、 烧结硬化等。( 1)微波烧结：微波烧结是一种利用微波加热来对材料进行烧结的方法, 它始于20 世纪 70 年代。烧结中微波不仅仅只是作为一种加热能源 , 其本身也是一种活化 烧结过程。微波烧结技术是利用材料吸收微波能转化为内部分子的动能和热能 , 使 得材料整体均匀加热至一定温度而实现致密化烧结的一种方法 , 是快速制备高质量 的新材料和制备具有新的性能的传统材料的重要技术手段。(2)放电等离子体烧结 (SPS) 也称作等离子体活化烧结 (Plasma Activated Sintering , PAS) 或脉冲电流热压烧结

17、 ( Pulse Current Pressure Sintering) 是, 20 世纪90 年代以来 国外开始广泛研究的一种快速烧结新工艺。它最早源于 1930 年美国科学家提出的 脉冲电流烧结原理，但直到日本于1988年研制出第一台工业型SPS装置，该技术才真 正引起世人的关注。由于它融等离子体活化、热压、电阻加热为一体 , 具有烧结时 间短、温度控制准确、易自动化、烧结样品组织均匀、致密度高等优点 , 仅在几分 钟之内就使烧结产品的相对理论密度接近 100 % , 而且能抑制样品颗粒的长大 , 提 高材料的各种性能。自蔓延高温合成：自蔓延高温合成(SHS),也称燃烧合成(Combust

18、ion Synthesis, CS) , 它是一种利用化学反应自身放热使反应持续进行 , 最终合成所需材 料或制品的新技术。自 1967 年苏联科学家发现并提出自蔓延高温合成的概念以来 , 自蔓延高温合成在世界范围内得到了广泛的研究和开发 , 并在工业生产中得到应 用。展望粉末冶金是提高材料性能和发展新材料的重要手段 , 已经成为当代材料科学发 展的前沿领域。粉末冶金新材料、新技术、新工艺的不断出现 , 必将促进高技术产 业和国防工业的快速发展 , 也必将带给材料工程和制造技术光明的前景。近年来 我国粉末冶金行业得到了快速发展 , 技术水平和工艺装备均比以前有了很大的提高 但与国外先进技术水平相比仍存在较大差距。因此 , 大力开展粉末冶金新材料、新