粉末冶金的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)

【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)過成形和燒結(jié)制成金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝過程。粉末冶金它具有低耗節(jié)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(fèi)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(yīng)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(shì)與不足 趨勢(shì)

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(jì)初，通過粉末冶金工藝制得電燈鎢絲，被譽(yù)為現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。隨后許多難熔金屬材料如鎢、鉭、鈮等都可通過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(jī)械加工業(yè)的一次革命；20世紀(jì)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(jī)械零件，并且迅速在汽車、紡織、辦公設(shè)備等現(xiàn)代制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；20世紀(jì)中葉以后，粉末冶金技術(shù)與化工、材料、機(jī)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(yīng)用到汽車、航空航天、軍工、節(jié)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：機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法是將原材料機(jī)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?cè)牧系幕瘜W(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末。目前工業(yè)制粉應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度坯塊的工藝過程。成型分普通模壓成型和特殊成型兩類。模壓成型是將金屬粉末或混合料裝在鋼制壓模內(nèi)，通過模沖對(duì)粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內(nèi)壓出。特殊成型是隨著各工業(yè)部門和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(xù)成型、注射成型、高能成型等。

（3）坯塊燒結(jié)。燒結(jié)是粉末或粉末壓坯，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥諚l件下加熱所發(fā)生的現(xiàn)象或過程。燒結(jié)可分單元系燒結(jié)和多元系固相燒結(jié)。單元系燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低；多元系固相燒結(jié)，燒結(jié)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(jié)外，還有活化燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等特殊的燒結(jié)方法。

（4）產(chǎn)品的后處理。根據(jù)產(chǎn)品的性能要求不同，一般會(huì)對(duì)燒結(jié)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(shì)與不足

粉末冶金的優(yōu)勢(shì)：粉末冶金燒結(jié)是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行，因此目前絕大多數(shù)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(jī)械加工或少量加工）。材料利用率高，故能大大節(jié)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(fèi)用高的產(chǎn)品；粉末冶金可以通過成分的配比保證材料的正確性和均勻性，此外燒結(jié)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(cuò)，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(duì)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(fèi)用高，一般不適用于小批產(chǎn)品生產(chǎn)。

4 國(guó)內(nèi)粉末冶金行業(yè)的趨勢(shì)

隨著我國(guó)工業(yè)化快速發(fā)展，高附加值的零部件需求將加速增長(zhǎng)。此外，隨著全球化采購(gòu)的產(chǎn)業(yè)鏈形成，帶給國(guó)內(nèi)零部件企業(yè)商機(jī)顯而易見。因此，如何把握當(dāng)前機(jī)遇，目前粉末冶金行業(yè)應(yīng)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(kuò)大粉末冶金件對(duì)傳統(tǒng)鍛件的替代范圍。當(dāng)前，鐵基粉末冶金零件的密度為7.0-7.2g/cm3，而國(guó)內(nèi)某企業(yè)通過技術(shù)改進(jìn)，用傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)和鍛造工藝相結(jié)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(jī)械、汽車等行業(yè)的大多數(shù)連接件和部分功能件?？紤]粉末冶金工藝本身對(duì)材料的節(jié)省和高效特征，此類鐵基粉末冶金件的潛在價(jià)值空間可達(dá)至千億元。

（2）提高粉末冶金產(chǎn)品的精度、開發(fā)形狀更復(fù)雜的產(chǎn)品。為機(jī)械制造、航天汽車、生活家電等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)服務(wù)。此方向主要以降低機(jī)械重量、節(jié)能減耗及將設(shè)備小型化、普及化為導(dǎo)向。如使用注射成型零件幾乎不需要再進(jìn)行機(jī)加工，減少材料的消耗，材料的利用率幾乎可以達(dá)到100%。

（3）進(jìn)一步合金化，目標(biāo)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(xiàn)其超薄、輕量化等性能，可廣泛地應(yīng)用電子設(shè)備及可穿戴設(shè)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(biāo)是對(duì)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(dǎo)電原理是加入硅元素后，材料通過減少晶界的方式降低鐵損，特別是取向硅鋼，導(dǎo)向方向是一個(gè)單一粗大的晶粒。相比取向硅鋼的一維導(dǎo)電方向，粉末冶金零件可以實(shí)現(xiàn)多維導(dǎo)電（各個(gè)方向）。目前此技術(shù)已被少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)突破，只要不斷完善，最終達(dá)到工業(yè)要求。這種技術(shù)將會(huì)廣泛在電機(jī)設(shè)備、汽車及機(jī)器人智能控制系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[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?。?7.

作者簡(jiǎn)介：阮志光（1985-） 男，漢，廣東佛山人，本科，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，主要從事粉末冶金的研發(fā)工作。