粉末冶金的現狀與發(fā)展趨勢

　　粉末冶金的現狀與發(fā)展趨勢【1】

　　【摘 要】粉末冶金是用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結制成金屬材料、復合材料以及各種類(lèi)型制品的工藝過(guò)程。

　　粉末冶金它具有低耗節能、材料利用率高、高效省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一定不足，如金屬粉末和模具費成本高，產(chǎn)品尺寸的大小和形狀受限制，產(chǎn)品韌性較差等。

　　目前粉末冶金廣泛應用在硬質(zhì)合金制作、多孔材料、難熔金屬材料、磁性材料、金屬陶瓷等。

　　【關(guān)鍵詞】粉末冶金歷史 基本工序 粉末冶金優(yōu)勢與不足 趨勢

　　1 粉末冶金的歷史

　　粉末冶金發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段：

　　20世紀初，通過(guò)粉末冶金工藝制得電燈鎢絲，被譽(yù)為現代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的標志。

　　隨后許多難熔金屬材料如鎢、鉭、鈮等都可通過(guò)粉末冶金工藝方法制備。

　　1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的誕生更被譽(yù)為機械加工業(yè)的一次革命;20世紀30年代，粉末冶金工藝成功制得銅基多孔含油軸承。

　　繼而發(fā)展到鐵基機械零件，并且迅速在汽車(chē)、紡織、辦公設備等現代制造領(lǐng)域廣泛應用;20世紀中葉以后，粉末冶金技術(shù)與化工、材料、機械等學(xué)科互相滲透，更高性能的新材料、新工藝發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)粉末冶金發(fā)展。

　　并使得粉末冶金技術(shù)廣泛應用到汽車(chē)、航空航天、軍工、節能環(huán)保等領(lǐng)域。

　　2 粉末冶金的基本工序

　　(1)粉末的制取。

　　目前制粉方法大體可分為兩類(lèi)：機械法和物理化學(xué)法。

　　機械法是將原材料機械地粉碎，化學(xué)成分基本不發(fā)生變化。

　　物理化學(xué)法是借助化學(xué)或物理作用，改變原材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末。

　　目前工業(yè)制粉應用最為廣泛的有霧化法、還原法和電解法;而沉積法(氣相或液相)在特殊應用時(shí)也很重要。

　　(2)粉末成型。

　　成型是使金屬粉末密實(shí)成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度坯塊的工藝過(guò)程。

　　成型分普通模壓成型和特殊成型兩類(lèi)。

　　模壓成型是將金屬粉末或混合料裝在鋼制壓模內，通過(guò)模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內壓出。

　　特殊成型是隨著(zhù)各工業(yè)部門(mén)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對粉末冶金材料性能及制品尺寸和形狀提出更高要求而產(chǎn)生。

　　目前特殊成型分等靜壓成型、連續成型、注射成型、高能成型等。

　　(3)坯塊燒結。

　　燒結是粉末或粉末壓坯，在適當的溫度和氣氛條件下加熱所發(fā)生的現象或過(guò)程。

　　燒結可分單元系燒結和多元系固相燒結。

　　單元系燒結，燒結溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低;多元系固相燒結，燒結溫度一般介于易熔成分和難熔成分的熔點(diǎn)之間。

　　除普通燒結外，還有活化燒結、熱壓燒結等特殊的燒結方法。

　　(4)產(chǎn)品的后處理。

　　根據產(chǎn)品的性能要求不同，一般會(huì )對燒結品再進(jìn)行加工處理。

　　如浸油、精整、切削攻牙、熱處理、電鍍等。

　　3 粉末冶金的優(yōu)勢與不足

　　粉末冶金的優(yōu)勢：粉末冶金燒結是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行，因此目前絕大多數難熔金屬及其化合物都只能用粉末冶金方法制造;粉末冶金壓制的不致密性，有利于通過(guò)控制產(chǎn)品密度和孔隙率制備多孔材料、含有軸承、減摩材料等;粉末冶金壓制產(chǎn)品的尺寸無(wú)限接近最終成品尺寸(不需要機械加工或少量加工)。

　　材料利用率高，故能大大節約金屬，降低產(chǎn)品成本;粉末冶金產(chǎn)品是同一模具壓制生產(chǎn)，工件之間一致性好，適用于大批量零件的生產(chǎn)。

　　特別是齒輪等加工費用高的產(chǎn)品;粉末冶金可以通過(guò)成分的配比保證材料的正確性和均勻性，此外燒結一般在真空或還原氣氛中進(jìn)行，不會(huì )污染或氧化材料，可以制備高純度材料。

　　粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如鍛造和一些鑄造零件，如延展性和抗沖擊能力等;產(chǎn)品的尺寸精度雖然不錯，但是還不如有些精加工產(chǎn)品所得的尺寸精度;零件的不致密特性會(huì )對后加工處理產(chǎn)生影響，特別在熱處理、電鍍等工藝必須考慮這一特性的影響;粉末冶金模具費用高，一般不適用于小批產(chǎn)品生產(chǎn)。

　　4 國內粉末冶金行業(yè)的趨勢

　　隨著(zhù)我國工業(yè)化快速發(fā)展，高附加值的零部件需求將加速增長(cháng)。

　　此外，隨著(zhù)全球化采購的產(chǎn)業(yè)鏈形成，帶給國內零部件企業(yè)商機顯而易見(jiàn)。

　　因此，如何把握當前機遇，目前粉末冶金行業(yè)應該從以下四方面發(fā)展。

　　(1)進(jìn)一步提高鐵基粉末冶金產(chǎn)品的密度，擴大粉末冶金件對傳統鍛件的替代范圍。

　　當前，鐵基粉末冶金零件的密度為7.0-7.2g/cm3，而國內某企業(yè)通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，用傳統的粉末燒結和鍛造工藝相結合的辦法，用較低的成本把鐵基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在這種密度前提下，鐵基粉末冶金已經(jīng)可替代機械、汽車(chē)等行業(yè)的大多數連接件和部分功能件。

　　考慮粉末冶金工藝本身對材料的節省和高效特征，此類(lèi)鐵基粉末冶金件的潛在價(jià)值空間可達至千億元。

　　(2)提高粉末冶金產(chǎn)品的精度、開(kāi)發(fā)形狀更復雜的產(chǎn)品。

　　為機械制造、航天汽車(chē)、生活家電等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構升級服務(wù)。

　　此方向主要以降低機械重量、節能減耗及將設備小型化、普及化為導向。

　　如使用注射成型零件幾乎不需要再進(jìn)行機加工，減少材料的消耗，材料的利用率幾乎可以達到100%。

　　(3)進(jìn)一步合金化，目標為輕量化和功能化。

　　在鐵基粉末中，混入鋁、鎂及稀土元素等合金粉末，可實(shí)現其超薄、輕量化等性能，可廣泛地應用電子設備及可穿戴設備等與生活密切相關(guān)的領(lǐng)域中。

　　(4)改善粉末冶金零件的電磁性，目標是對硅鋼和鐵氧體、磁介質(zhì)等材料的取代。

　　以取向硅鋼材料為例，硅鋼的導電原理是加入硅元素后，材料通過(guò)減少晶界的方式降低鐵損，特別是取向硅鋼，導向方向是一個(gè)單一粗大的晶粒。

　　相比取向硅鋼的一維導電方向，粉末冶金零件可以實(shí)現多維導電(各個(gè)方向)。

　　目前此技術(shù)已被少數企業(yè)實(shí)現突破，只要不斷完善，最終達到工業(yè)要求。

　　這種技術(shù)將會(huì )廣泛在電機設備、汽車(chē)及機器人智能控制系統等領(lǐng)域應用。

　　參考文獻：

　　[1]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997(2006.1重印).1.

　　[2]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997(2006.1重印).7.

　　粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展現狀【2】

　　摘 要：粉末冶金工藝是一種優(yōu)質(zhì)的金屬成形工藝，創(chuàng )造出多數擁有特殊用途和性能的新型鋼材料，這項工藝有著(zhù)極大的發(fā)展空間。

　　不過(guò)傳統的粉末冶金工藝所制造生產(chǎn)出來(lái)的材料通常都包含一些孔隙在其中，明顯的影響了材料的使用性能，而且所能夠制造出來(lái)的零件的制式復雜性也受到一定的限制，該文針對粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展進(jìn)行研究，提出全高速工具鋼完全致密化冶金工藝以及粉末注射成形改善粉末冶金零件制式復雜性限制這兩大發(fā)展狀況進(jìn)行簡(jiǎn)述。

　　關(guān)鍵詞：粉末冶金 生產(chǎn)工藝 粉末冶金高速鋼 粉末注射成形

　　粉末冶金具有高效節能、節省材料、保護環(huán)境以及能夠進(jìn)行金屬成形的批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

　　而粉末冶金的工藝步驟主要是先制取粉末，然后將粉末原料的配量進(jìn)行混合，最后將其成形并凝固。

　　粉末冶金可以根據材料所具有的性能要求以及零件所需使用的性能要求，在一定的范圍當中對材料的成分進(jìn)行混合[1]。

　　粉末冶金產(chǎn)業(yè)當中所制造生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品基本上都鐵基方面的機械零件。

　　根據粉末冶金工藝的工藝特點(diǎn)來(lái)看，粉末冶金還可以將其制成高熔點(diǎn)的金屬，就比如鎢和鉬這兩種高熔點(diǎn)金屬，同時(shí)也可制成金屬陶瓷的材料，像一些質(zhì)地堅硬的合金以及一些高溫材料。

　　還有多孔材料、假合金、過(guò)濾材料、摩擦材料等一系列的材料，這些材料的生產(chǎn)和制造只能夠使用粉末冶金的工藝來(lái)進(jìn)行制備和生產(chǎn)，因此粉末冶金工藝完全具有跨越傳統冶金工藝的可能性。

　　在粉末冶金高速工具鋼和粉末注射成型這兩大冶金工藝發(fā)展最為突出。

　　1 粉末冶金高速鋼

　　粉末冶金新工藝，氣霧化的高速鋼粉末顆粒進(jìn)行冷卻的速度通常都比較高，而且這些高速鋼的粉末顆粒當中也已經(jīng)不存在偏析的粉末用熱情況，和鑄鍛形成的高速鋼相比，具有無(wú)偏析、顆粒小、分布均勻;熱加工方面的性能較好;可磨性較高;在熱處理方面變形比較小;力學(xué)性能優(yōu)異;提升了刀具切削的壽命，真正擴大了其使用的領(lǐng)域和范圍等一系列優(yōu)質(zhì)的性能。

　　對粉末冶金高速鋼的研究最早起始于20世紀70年代的美國和瑞典的兩家著(zhù)名工業(yè)工廠(chǎng)，當時(shí)的主要工藝路線(xiàn)使用的是氣霧化制粉以及熱等靜壓等相關(guān)的技術(shù)。

　　如今粉末高速鋼的產(chǎn)量已經(jīng)占據鑄鍛高速鋼全部產(chǎn)量的10%～15%，國外目前所擁有的，具有代表性的粉末冶金高速鋼的生產(chǎn)企業(yè)至少有5家，主要有美國、烏克蘭、瑞典、法國、奧地利以及日本等國，其中美國在高速鋼方面的用量以及遠遠的超出了普通容量的高速鋼[2]。

　　如今，國外工業(yè)企業(yè)內的粉末冶金高速鋼的產(chǎn)量發(fā)展以及達到了第三代的技術(shù)水平，此前第一代為20世紀70年代美國和瑞典內的兩家企業(yè)所投入生產(chǎn)的高速工具鋼，而第二代則為1994年，法國高速鋼公司以及瑞典的工業(yè)企業(yè)改進(jìn)了制備氣霧化前鋼液的熔煉工藝，這種改進(jìn)工藝所生產(chǎn)出的產(chǎn)品即為第二代。

　　第三代就是2000年，由Bohler-Uddeholm集團，進(jìn)行全線(xiàn)投產(chǎn)，且質(zhì)量比起第二代還有所加強的高速鋼。

　　在對生產(chǎn)線(xiàn)的鋼熔煉工藝方面，對噴粉設備加以改進(jìn)，同時(shí)對由氮氣霧化后的粉末顆粒的尺寸進(jìn)行細化。

　　正是粉末顆粒尺寸的細化，促使第三代的高速鋼在抗彎強度方面比起第二代還要提高到20%以上。

　　所以，第三代的高速鋼在生產(chǎn)工藝方面主要是以微小純凈為主。

　　2 粉末冶金工具鋼

　　2.1 高釩冷作模具鋼

　　這種鋼的類(lèi)型主要是利用粉末冶金的工藝特點(diǎn)來(lái)對冷作工具鋼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中最主要的區別就是增加合金當的釩含量來(lái)提升合金的耐磨性，而第一個(gè)被作為高性能耐磨鋼材的是CPM 10V，這一類(lèi)型的鋼材在CPM系列的粉末冶金高釩冷作模具鋼當中是一種最具代表性的鋼材。

　　在Crucible 集團當中也逐漸形成了含釩高達1%～18%的耐磨工具鋼[3]。

　　這類(lèi)性能較高的工具鋼開(kāi)始廣泛的應用于冷作沖頭以及在模具方面，主要適用于耐磨損的方面。

　　由北京安泰科技公司研發(fā)的AHP9VNb2在成本方面對比Microclean K390要低很多，不過(guò)在硬度上卻和AHP10V相差不多，而抗彎性卻提高了10%左右。

　　2.2 耐蝕耐磨工具鋼

　　在眾多制造操作當中，通常工具和其耐磨的部件在承受運動(dòng)部件或者是其他的一些工作介質(zhì)的研磨顆粒的接觸而出現的磨損情況，一般很容易受到潮濕、酸或者是其他的一些腐蝕性的作用等。

　　所以，針對這些工作就需要研發(fā)出一些高性能的耐磨耐蝕的粉末冶金工具鋼。

　　如表1所示，粉末冶金耐磨耐蝕材料含有約14%～24%Cr，約3%～15%V，約1%～3%Mo，這些材料總和大約117%～3175%C。

　　2.3 粉末冶金易切削工具鋼

　　粉末冶金的發(fā)展主要是為了能夠有效的提高工具模材料的可磨削性能，以及降低工具模在加工方面的成本。

　　通常需要采用添加硫含量的形式來(lái)對可磨削性能進(jìn)行提升，不過(guò)如果采用的是傳統的鑄鍛生產(chǎn)法的話(huà)，則較高的硫就可能會(huì )增加材料的熱脆，促使其韌性開(kāi)始下降的風(fēng)險出現，針對這些問(wèn)題，只需使用粉末冶金工藝就能獲得很好的解決。

　　3 粉末注射成型的發(fā)展

　　3.1 粉末注射成型的發(fā)展現狀

　　技術(shù)注射所生產(chǎn)出的元器件通常應用的領(lǐng)域范圍比較廣，像在IT、醫療、機械汽車(chē)以及通信方面等，都對這類(lèi)元器件有所應用。

　　這個(gè)不同于MIM在市場(chǎng)產(chǎn)品當中的份額是因地域而異，其中汽車(chē)行業(yè)在歐洲方面的市場(chǎng)份額大約占據著(zhù)50%以上，形成了一種主導性的地位，而在北美洲地域應用占據主導的行業(yè)則是醫療以及牙科方面的應用。

　　通過(guò)對這些資料的分析，可以看出在汽車(chē)方面的應用在往后必將有著(zhù)相當可觀(guān)的增長(cháng)值，主要是在PIM高溫汽油和柴油引擎的渦輪減壓器等方面。

　　3.2 粉末微注射成形新工藝

　　隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球對于精細及結構復雜的零部件需求越來(lái)越大，因此粉末微注射技術(shù)開(kāi)始推出，其所制備出來(lái)的微型零件的質(zhì)量幾乎以毫克來(lái)進(jìn)行統計，同時(shí)還保留了傳統方面的PIM，所以粉末微注射技術(shù)有著(zhù)批量生產(chǎn)精細復雜形狀的微型零部件的重要潛力。

　　而微注射技術(shù)的主要應用領(lǐng)域具體有：(1)化學(xué)工具，粉末微注射技術(shù)在微化學(xué)當中主要制備出作用于微反應器、混合器以及交換器等微流體的裝置等[4]。

　　(2)在醫學(xué)方面的應用，在醫學(xué)上主要是用于制備微型的人骨結構、微型的外科儀器組件以及牙科微型元件等等醫療方面的器具。

　　(3)共注射成型方面，可用于共注射成形領(lǐng)域。

　　可以將磁性材料和非磁性材料以及硬性、軟性材料、導電和絕緣材料等有效的結合起來(lái)。

　　(4)微型零部件，主要是一些微型的機械零件，像一些小齒輪、葉輪或者是拉伸部件等。

　　4 結語(yǔ)

　　綜上所述，粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展主要分為粉末冶金高速工具鋼和粉末注射成型這兩大冶金工藝發(fā)展類(lèi)別，這兩種冶金工藝發(fā)展類(lèi)型經(jīng)過(guò)多年的探索和研究，如今已經(jīng)趨于完善，并廣泛的運用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當中。

　　參考文獻

　　[1] 任朋立.淺析粉末冶金材料及冶金技術(shù)的發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014(9)：17-20.

　　[2] 徐堅，王文焱，張豪胤，等.元素Cr對粉末冶金Ti-6Al-4V合金組織與性能的影響[J].粉末冶金工業(yè)，2014(6)：11-15.

　　[3] 皮自強，路新，賈成廠(chǎng)，等.噴射成形高速鋼的研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù)，2013(5)：379-384.

　　[4] 孫世清.T15M粉末高速鋼的深冷處理[J].材料熱處理學(xué)報，2013(1)：108-111.

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