現(xiàn)代粉末冶金材料與技術(shù)進展

楊廷志

（臨沂市工程咨詢院有限公司，山東 臨沂 276000）

粉末冶金是一項歷史悠久且富有生機的優(yōu)秀材料成形和制備技術(shù)，這項技術(shù)源自于很久以前的煉鐵方法和制作陶器的做法，推進了人類社會的進步。在十八世紀(jì)中期，歐洲出現(xiàn)了粉末冶金制鉑技術(shù)，復(fù)燃了粉末冶金技術(shù)火種。到了十九世紀(jì)初期，才開始重點研究這項粉末冶金技術(shù)。直至今日，上百年的歷史長河中，粉末冶金法被得到了廣泛的應(yīng)用，利用這項技術(shù)研發(fā)了很多新型材料和制品，也是目前我國科學(xué)技術(shù)中不能缺少的一項工程技術(shù)，并在材料科學(xué)領(lǐng)域中占領(lǐng)了主要的位置。

粉末冶金是制取金屬粉末或者將金屬粉末作為原材料，通過成形和燒結(jié)流程制造金屬材料和復(fù)合材料以及不同種類制品的工藝手段。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，在本文中著重講解了幾種粉末冶金材料以及幾種新型成形技術(shù)[1-4]。

1 鐵基粉末冶金材料

鐵基粉末冶金材料主要以鐵元素為主，增添多種合金元素制成的一種鋼鐵材料。粉末冶金高合金鋼分為粉末高速鋼和粉末不銹鋼兩種。粉末冶金行業(yè)中產(chǎn)量最多的一種材料就是鐵基制品，這種鐵基制品可以展現(xiàn)出整個國家的粉末冶金技術(shù)水準(zhǔn)。筆者在下面詳細(xì)的介紹了鐵基粉末和幾種鐵基制品及其進展概述。

1.1 鐵基粉末

鐵基粉末冶金材料和制品主要用到的粉末有純鐵粉和鐵基復(fù)合粉及鐵基預(yù)合金粉三種。我國的鋼鐵粉的制備方法在一直進步中，已經(jīng)研發(fā)出了很多制備方法，比如電解法、還原法、水汽聯(lián)合霧化等多種方法。這些方法的研發(fā)，充實了我國鐵基粉末的種類和品質(zhì)。為了適應(yīng)市場的要求，我國已經(jīng)研發(fā)出了高壓縮性鐵粉、磁性材料鐵粉、化學(xué)鐵粉、鐵精礦粉生產(chǎn)還原粉等多種鐵基粉末制品。2018年凌鋼集團粉末冶金有限公司建成了年產(chǎn)10萬t的高性能高壓縮性能鐵粉的自動化生產(chǎn)線，致使我國擁有了與國際企業(yè)抗衡的實力。我國2010年～2018年鋼鐵粉末的銷量年平均增長速度約為15%，2018年總銷量達69.5萬t，當(dāng)中年產(chǎn)值超過一萬噸的10家鋼鐵粉末公司的年總產(chǎn)值也已經(jīng)占全國年總產(chǎn)值的95%，這就說明了鋼鐵粉末生產(chǎn)的規(guī)模在快速壯大。但是，當(dāng)前國內(nèi)鐵粉行業(yè)的產(chǎn)粉量同下游行業(yè)的需求量不成正比，檔次偏低的鐵粉產(chǎn)量多大，檔次偏高的鐵粉產(chǎn)量偏低處于稀缺狀態(tài)。

1.2 P/M鐵基制品

我國鐵基制品受到了國家機械部的關(guān)注，在汽車、機械制造行業(yè)的帶領(lǐng)下，鐵基制品快速進步，燒結(jié)及熱處理爐和成型壓機以及設(shè)計模具和制造模具等有關(guān)機械設(shè)備的制造能力一直在加強。伴隨中國制造的進步，也對鐵基制品的強度和密度等標(biāo)準(zhǔn)有了更進一步的規(guī)范，鐵基材料的告訴壓制技術(shù)和微合金化技術(shù)很受歡迎。當(dāng)前，有少數(shù)鐵基粉末冶金企業(yè)的支撐技術(shù)已經(jīng)把粉末熱鍛、復(fù)壓復(fù)燒、表面滾壓致密化等應(yīng)用在很多繁瑣精細(xì)零件的制作中。比如，燒結(jié)完成后的鐵基齒輪通過反復(fù)滾壓密致化操作，與齒部碰觸的面積已經(jīng)達到重合。提升了齒輪尺寸的精準(zhǔn)度，可以替代鍛造齒輪。通過多年的科學(xué)技術(shù)進步，我國已經(jīng)成為亞洲規(guī)模最大的生產(chǎn)鐵基粉末冶金制品國家，出現(xiàn)了很多的行業(yè)龍首企業(yè)[5]。

1.3 粉末注射成形鐵基制品

金屬粉末注射成形技術(shù)是把金屬粉末作為原材料，借用熟料注射成型工藝來制作繁瑣精細(xì)的小型金屬零部件。上世紀(jì)末，就已經(jīng)開始研發(fā)金屬粉末注射成形技術(shù)，研究出了快速溶劑脫脂技術(shù)和環(huán)保粘結(jié)劑等，這項技術(shù)主要應(yīng)用在制作醫(yī)療器械零部件和槍支的零部件中。

我國金屬粉末注射成形技術(shù)的形成經(jīng)過了很長一段時間，最終在研發(fā)手機的細(xì)小金屬零部件中得到了應(yīng)用。在2010年開始，金屬粉末注射成形技術(shù)取得了快速的成長，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國的金屬粉末注射成形開發(fā)公司已經(jīng)有上百家，這些公司主要在一線城市中。2018年我國金屬粉末注射成形行業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)達到60億元。

在粉末注射成形材料方面，當(dāng)前65%以上運用的材料都是不銹鋼制品，15%以上是低合金鋼制品。82%為3C產(chǎn)品，當(dāng)中手機67.5%，可穿戴設(shè)備7.1%，計算機7.4%。粉末注射成形技術(shù)在計算機和手機等行業(yè)中，用到的數(shù)量在逐年遞增，當(dāng)前華為、蘋果等手機，戴爾計算機都大批使用粉末注射成形零部件。我國手機的年生產(chǎn)量占全球總年生產(chǎn)量的75%以上，手機的迅速替代更新和超大的年生產(chǎn)量為粉末注射成形技術(shù)提供了無限的成長空間。

1.4 鐵基粉末冶金材料的發(fā)展走向

新型的粉末冶金技術(shù)也在想粉末復(fù)合化和成形精細(xì)化及燒結(jié)效率高熱化等方面進行技術(shù)改良和創(chuàng)新。

（1）P/M鐵基制品的研發(fā)方向：研發(fā)穩(wěn)定性極強、性能極好的鋼鐵粉末材料，研發(fā)強度高、密度高、精準(zhǔn)度高的鐵基制品制作方法，向?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化和自動化生產(chǎn)技術(shù)及先進設(shè)備看齊。

（2）粉末注射成形技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)方向：研發(fā)尺寸和品質(zhì)更好的繁瑣零部件生產(chǎn)技術(shù)；研發(fā)數(shù)量超多的粉末注射成形產(chǎn)品；同增材制造技術(shù)互補，擴展在醫(yī)療和汽車等行業(yè)的新型產(chǎn)品，減少開發(fā)時長，提升產(chǎn)品精準(zhǔn)度，減少投資成本。

（3）在醫(yī)療器械和航天航空等高端領(lǐng)域投入大量的鐵基粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用，進而提升產(chǎn)品的整體價值。

2 硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是將碳氮化物作為主要原料的粉末冶金硬質(zhì)材料。因硬質(zhì)合金具備強度較高、硬度較好、韌性匹配性好的特點。硬質(zhì)合金主要用于挖掘工具、刀具和耐磨零件等制品中，被普遍的應(yīng)用到了汽車、數(shù)控機床和工程機械以及航天航空等裝備制造領(lǐng)域中。根據(jù)歐洲粉末冶金工業(yè)協(xié)會戰(zhàn)略分析得出，硬質(zhì)合金是現(xiàn)代制造工業(yè)的脊柱。

近些年來，我國硬質(zhì)合金有關(guān)部門等列出了我國硬質(zhì)合金的產(chǎn)能、企業(yè)數(shù)量、總出口量和硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量值。因需求量的增加和科學(xué)技術(shù)的成長，我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出了特別好的一個狀態(tài)。我國硬質(zhì)合金也已形成了很多具有代表性的硬質(zhì)合金企業(yè)上市公司，也有了我國自己的粉末冶金實驗室和技術(shù)研發(fā)中心。

（1）超粗晶和超細(xì)晶硬質(zhì)合金。我國是鎢資源的大國，我國的硬質(zhì)合金總產(chǎn)量占世界硬質(zhì)合金總產(chǎn)量比值的45%以上。在世界整體的硬質(zhì)合金進展歷史中，我國制造出的具有代表性的技術(shù)就是紫鎢制造技術(shù)。在上世紀(jì)末期，我國硬質(zhì)合金行業(yè)研究出來的紫鎢制備技術(shù)是世界的首例。紫鎢制造技術(shù)是把紫色的氧化鎢當(dāng)做原材料來制作制品的工藝手段。利用紫鎢制造手段來制造超細(xì)或者碳化鎢粉，具有投資成本低，生產(chǎn)匯報高、產(chǎn)品品質(zhì)好、可控性強等特性，這項工藝也已經(jīng)成為了我國制造超細(xì)和碳化鎢粉硬質(zhì)合金的主要工藝。伴隨超細(xì)晶硬質(zhì)合金晶粒的成長壓制機理研究的展示和壓力燒結(jié)工藝的推行，超細(xì)晶硬質(zhì)合金的生產(chǎn)技術(shù)也健全，當(dāng)前中國也可以大批量制造超高水準(zhǔn)的品質(zhì)超群細(xì)晶硬質(zhì)合金。根據(jù)2017年我國鎢業(yè)協(xié)會硬質(zhì)合金部門公布的有關(guān)數(shù)據(jù)表明，27家中國硬質(zhì)合金企業(yè)2017年工生產(chǎn)刀具用晶粒度小于超細(xì)晶硬質(zhì)合金，同比增長了23.52%。

當(dāng)前，我國高溫碳化制備粗晶粉末的制造技術(shù)也得到了推行和運用，我國硬質(zhì)合金企業(yè)制造出的合金晶粒度6μm～11μm的超粗晶硬質(zhì)合金也得到了普遍的應(yīng)用。大多應(yīng)用在了煤業(yè)采集、盾構(gòu)施工等。

（2）粉末冶金磁性材料。粉末冶金磁性材料是利用燒結(jié)和粉末成形的技術(shù)來制造磁性材料。粉末冶金磁性材料主要分為軟磁材料和粉末冶金永磁材料。粉末冶金永磁材料包含釹-鐵-硼系永磁材料和鐵氧體用磁材料以及釤鈷稀土永磁材料等。粉末冶金軟磁材料包括軟磁復(fù)合材料和軟磁氧體材料等。粉末冶金技術(shù)制造磁性材料的優(yōu)點在于，可以制造出超精細(xì)的磁性微粒，在壓制操作中，可以控制磁粉的去向，制出合格規(guī)范的高磁能體，針對繁瑣加工的硬脆磁性材料來講，粉末冶金技術(shù)的特點更為出色。

（3） 粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金是使用鎳作為基礎(chǔ)上加入多種合金元素的一種抗熱腐蝕性強和高溫強度好以及抗疲勞性強等綜合能力強的合金，也是渦輪盤擋板和航空發(fā)動機渦輪軸等主要高溫部件的原材料。當(dāng)前只有少數(shù)的幾個發(fā)達國家具有粉末冶金高溫合金的研究和開發(fā)條件以及生產(chǎn)制造能力。當(dāng)前，這些發(fā)達國家已經(jīng)開始籌備研發(fā)使用溫度高達800℃以上的高溫合金。我國涉足粉末冶金高溫合金領(lǐng)域要相對幾個外國發(fā)達國家要晚很多，在施工工藝和主要成分設(shè)計研發(fā)中，也是借鑒了其他發(fā)達國家的經(jīng)驗。

3 結(jié)束語

總之，現(xiàn)今我國粉末冶金材料和技術(shù)有了很大的進步，粉末冶金是一項歷史悠久且富有生機的優(yōu)秀材料成形和制備技術(shù)，直至今日，上百年的歷史長河中，粉末冶金法被得到了廣泛的應(yīng)用，利用這項技術(shù)研發(fā)了很多新型材料和制品，也是目前我國科學(xué)技術(shù)中不能缺少的一項工程技術(shù)，并在材料科學(xué)領(lǐng)域中占領(lǐng)了主要的位置。