現(xiàn)代粉末冶金材料與技術(shù)的發(fā)展

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1、 現(xiàn)代粉末冶金材料與技術(shù)的發(fā)展 1 概述 粉末冶金是研究金屬、合金、非金屬和化合物的粉末及其材料的性質(zhì)和制造理論與工藝的技術(shù)科學(xué)，是現(xiàn)代材料科學(xué)與工程發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域之一。 近代以來(lái), 粉末冶金有了突破性進(jìn)展，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家更呈現(xiàn)出了加速發(fā)展的勢(shì)態(tài), 一系列新技術(shù)、新工藝大量涌現(xiàn)，例如, 超微粉或納米粉制備技術(shù)、快速冷 凝技術(shù)、機(jī)械合金化、粉末熱等靜壓、溫壓、粉末熱鍛、粉末擠壓、粉末注射形、粉末噴射成形、自蔓延高溫合成、涂層技術(shù)、電火花燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、超固相線燒結(jié)、瞬時(shí)液相燒結(jié)、激光燒結(jié)、微波燒結(jié), 等等。 現(xiàn)代粉末冶金不但保持和發(fā)展了傳統(tǒng)

2、優(yōu)點(diǎn)—實(shí)現(xiàn)少切削、無(wú)切削加工, 實(shí)現(xiàn)少偏析或無(wú)偏析, 低耗、節(jié)能、節(jié)材；易控制產(chǎn)品孔隙度；易實(shí)現(xiàn)金屬一非金屬?gòu)?fù)合、金屬一高分子復(fù)合, 而且新技術(shù)賦予傳統(tǒng)工藝步驟以新的內(nèi)容和含義, 使粉末冶金成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料和極限條件下工作材料的有效途徑。因此, 整個(gè)粉末冶金領(lǐng)域大大拓寬, 并向著縱深方向發(fā)展, 粉末冶金已由二類傳統(tǒng)工藝技術(shù)發(fā)展成為一門新興的技術(shù)科學(xué), 它處于冶金科學(xué)與材料科學(xué)的交匯區(qū), 并且已深入地滲透到幾乎所有的冶金和材料科學(xué)的分支科學(xué)中去了。 由于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有巨大的優(yōu)越性,粉末冶金技術(shù)產(chǎn)品在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用, 對(duì)

3、機(jī)械、電子、化工、能源、航空、航天乃至農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步, 都起到了重要的推動(dòng)作用, 創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富, 帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 2 現(xiàn)代粉末冶金發(fā)展的主要特點(diǎn) （一）新技術(shù)、新工藝大量涌現(xiàn) 新技術(shù)新工藝的應(yīng)用, 使得粉末的制備朝著超微、超細(xì)、速凝、高純、均質(zhì)、成分可調(diào)控、大規(guī)模、多品種方向發(fā)展, 粉末冶金材料的制造朝著復(fù)合、全致密、高性能、高精度、復(fù)雜形狀、大批量系列化方向發(fā)展。 （二）新材料層出不窮 粉末冶金已發(fā)展成為制取各種高性能結(jié)構(gòu)材料和特種功能材料以及極限條件使用材料的有效途徑。這些新材料包括粉末低合金鋼、

4、粉末高溫合金、粉末高速鋼、粉末不銹鋼、快速冷凝鋁合金、快速冷凝欽合金、彌散強(qiáng)化合金、高溫超導(dǎo)材料、欽鐵硼永磁材料、特種陶瓷、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料、納米材料、梯度功能材料、粉末摩擦材料、涂層硬質(zhì)合金,等等。 （三）近凈型成形技術(shù)的崛起加速了粉末冶金的迅速發(fā)展 粉末冶金作為一項(xiàng)典型的近凈型成形制造技術(shù), 以它獨(dú)有的少切削、無(wú)切削及節(jié)材、節(jié)能的技術(shù)特點(diǎn), 在與傳統(tǒng)的熔鑄、機(jī)加工競(jìng)爭(zhēng)中不斷發(fā)展。近幾十年來(lái),許多新的近型成形技術(shù)不斷涌現(xiàn), 如金屬注射成形、粉末噴射成形、粉末熱鍛和粉末熱等靜壓等使得粉末冶金產(chǎn)品更加接近最終產(chǎn)品形狀, 并且拓寬了粉末冶金近型成形產(chǎn)品的范圍。 （四）復(fù)

5、合材料及其制造技術(shù)的發(fā)展為粉末冶金開(kāi)拓了新的領(lǐng)域 目前, 復(fù)合材料的發(fā)展形成由宏觀復(fù)合形式向微觀復(fù)合形式發(fā)展、由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為主向與功能復(fù)合材料并重的局面。粉末冶金以它獨(dú)有的粉末混合、化學(xué)復(fù)合、機(jī)械合金化、涂層、骨架熔滲與浸潰、纖維網(wǎng)粉漿澆注、快速冷凝和原位復(fù)合等特長(zhǎng)在復(fù)合材料制造中充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì), 在金屬基、陶瓷基復(fù)合材料和彌散強(qiáng)化、顆粒強(qiáng)化及纖維增強(qiáng)復(fù)合制造技術(shù)中顯示鮮明的特色。 3 粉末冶金材料 3.1 傳統(tǒng)粉末冶金材料 （1）鐵基粉末冶金材料：鐵基粉末冶金材料是最重要的粉末冶金材料之一, 特別是汽車行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)鐵基粉末冶金行業(yè)起了很大的推動(dòng)作用。 （2

6、）銅基粉末冶金材料：燒結(jié)銅基零件具有較好的耐蝕性、表面光潔及無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)。銅基材料主要有燒結(jié)青銅(錫青銅和鋁青銅) 、燒結(jié)黃銅、燒結(jié)鎳銀和燒結(jié)銅鎳合金, 此外還有彌散強(qiáng)化銅(如Cu2Al2O3 ) 、燒結(jié)時(shí)效強(qiáng)化銅合金(Cu2Be 、Cu2Be2Co和Cu2Cr合金)以及用于減震的燒結(jié)Cu2Mn合金。 （3）難熔金屬與硬質(zhì)合金：難熔金屬(鎢、鉬、鉭、鈮等) 及其合金、 復(fù)合材料以其高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度等獨(dú)特的物理與力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、電子信息、能源、防化、冶金和核工業(yè)等領(lǐng)域。硬質(zhì)合金是指以一種或多種難熔金屬的碳化物(如碳化鎢、碳化鈦等) 作為硬質(zhì)相, 用金屬粘結(jié)劑作為

7、粘結(jié)相, 經(jīng)粉末冶金技術(shù)制造出來(lái)的材料。硬質(zhì)合金廣泛用作切削刀具、礦用刀片和異型件, 已成為現(xiàn)代工業(yè)部門和新技領(lǐng)域不可缺少的工具材料, 被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)的牙齒”。 （4）粉末冶金電工材料：在電器、儀表及電工技術(shù)中, 廣泛應(yīng)用于各種分?jǐn)嗪徒油娐返碾娊佑|元件、電阻焊用的電極以及電機(jī)上用于轉(zhuǎn)換電流的電刷。在無(wú)線電技術(shù)中, 普遍使用各種難熔化合物制成的各種固定電阻器。在真空技術(shù)中使用各種電子管陰極制品、各種電加熱元件和熱電偶材料。以上這些材料常常采用粉末冶金技術(shù)制造, 統(tǒng)稱為粉末冶金電工材料。 （5）燒結(jié)摩擦與減摩材料：摩擦材料以提高摩擦磨損性能為目的, 用于摩擦離合器與摩擦制動(dòng)器的摩擦部分的材

8、料稱為摩擦材料。燒結(jié)減摩材料是用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系數(shù)和高耐磨性能的金屬材料或金屬和非金屬的復(fù)合材料。 3.2 先進(jìn)粉末冶金材料 （1） 信息領(lǐng)域用粉末冶金材料：粉末冶金軟磁材料按材質(zhì)分類 可分為金屬軟磁材料和鐵氧體軟磁材料。鐵氧體軟磁材料出現(xiàn)較早, 是一種只能用粉末冶金燒結(jié)方法制造的軟磁材料。人們期望燒結(jié)軟磁材料具有高的磁導(dǎo)率和飽和磁化強(qiáng)度或剩磁以及低的矯頑力,壓粉磁芯或磁粉芯屬于這一類材料。金屬軟磁材料主要是鐵及其合金, 其中有純鐵、磷鐵、硅鋼、鐵鎳金、鐵鈷合金、鐵鋁合金和鐵鋁硅合金等。鐵氧體軟磁主要有錳鋅、鎂鋅、鎳鋅鐵氧體軟磁材料。 （2） 能源領(lǐng)域用粉末冶金材料：

9、能源材料是指那些正在發(fā)展的、可能支撐新能源體系的建立,滿足各種新能源以及節(jié)能新技術(shù)所要求的一類材料。按使用目的可分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)能材料。 （3） 生物領(lǐng)域用粉末冶金材料：生物醫(yī)用材料對(duì)于挽救生命、救治傷殘、提高人類的生活質(zhì)量具有重要的意義。生物材料中的一些醫(yī)用金屬和合金, 醫(yī)用生物陶瓷就屬于粉末冶金材料。 （4） 軍事領(lǐng)域用粉末冶金材料：粉末冶金材料對(duì)軍事工業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn), 在國(guó)防建設(shè)中有著巨大的潛力和競(jìng)爭(zhēng)力。粉末冶金材料廣泛用于航空航天工業(yè)、核工業(yè)和兵器工業(yè)等軍事領(lǐng)域。 4 粉末冶金技術(shù) 4.1 粉末制備技術(shù)的發(fā)展 粉末冶金材料和制品不斷增多, 質(zhì)量

10、不斷提高, 要求提供的粉末的種類也越來(lái)越多。為了滿足對(duì)粉末的各種要求, 出現(xiàn)了各種各樣生產(chǎn)粉末的新方法。從過(guò)程的實(shí)質(zhì)來(lái)看, 現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納為兩大類, 即機(jī)械法和物理化學(xué)法。從工業(yè)規(guī)模而言, 應(yīng)用最廣泛的是還原法、霧化法和電解法。但隨著科技的發(fā)展, 越來(lái)越多的新技術(shù)在粉末的制備過(guò)程中正起著越來(lái)越重要的作用。 (1）機(jī)械合金化：機(jī)械合金化是由Benjamin 等提出的一種制備合金粉末的高能球磨技術(shù)。它是在高能球磨條件下, 利用金屬粉末混合物的反復(fù)變形、斷裂、焊合、原子間相互擴(kuò)散或發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成合金粉末。機(jī)械合金化是在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金化, 不經(jīng)過(guò)氣相、液相,不受物質(zhì)的蒸氣壓、熔點(diǎn)等物理

11、特性因素的制約, 使過(guò)去用傳統(tǒng)熔煉工藝難以實(shí)現(xiàn)的某些物質(zhì)的合金化和遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)及新物質(zhì)的合成成為可能, 因此機(jī)械合金化的理論和應(yīng)用方面的研究均顯示出十分誘人的前景。 （2） 噴霧干燥：噴霧干燥是指用霧化器將一定濃度的原料液噴射成霧狀液滴, 并用熱空氣(或其它氣體) 與霧滴直接接觸的方式使之迅速干燥, 從而獲得粉粒狀產(chǎn)品的一種粉末制備過(guò)程。采用噴霧干燥可以制備出質(zhì)量均一、重復(fù)性良好的粉料, 并且縮短粉料的制備過(guò)程, 有利于自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn), 是大規(guī)模制備優(yōu)良超微粉的有效方法。 4.1 粉末冶金成型技術(shù)的發(fā)展 目前, 粉末冶金技術(shù)正向著高致密化、高性能化、集

12、成化和低成本等方向發(fā)展。近年來(lái), 一系列粉末冶金新的成形技術(shù)層出不窮, 并呈現(xiàn)出加速發(fā)展態(tài)勢(shì), 粉末注射成形、溫壓成形、流動(dòng)溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技術(shù)不斷涌現(xiàn), 使得粉末高致密化成形技術(shù)得到了很大的發(fā)展。 （1） 粉末注射成型：粉末注射成形是傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)和先進(jìn)塑料注射成形相結(jié)合而發(fā)展形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術(shù)。它的基本工藝過(guò)程是: 首先將金屬或陶瓷粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合, 用注射成形機(jī)成形, 然后將成形坯中的粘結(jié)劑脫離, 最后經(jīng)燒結(jié)致密化得到最終產(chǎn)品。粉末注射成形的材料已經(jīng)從早期的鐵基、硬質(zhì)合金、陶瓷等對(duì)雜質(zhì)含量不敏感、性能要求不是非?？量痰捏w系, 發(fā)展到了鎳基高

13、溫合金、鈦合金和鈮材料。材料應(yīng)用領(lǐng)域也從結(jié)構(gòu)材料向功能材料發(fā)展, 如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金。材料結(jié)構(gòu)也從單一均勻結(jié)構(gòu)向復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展。 （2）溫壓成型：溫壓成形是從20 世紀(jì)90 年代新發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是采用特制的粉末加熱、粉末輸送和模具系統(tǒng), 將加有特殊潤(rùn)滑劑的混合粉末和模具加熱至130～150 ℃溫度進(jìn)行剛性模壓, 最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行致密化的技術(shù)。利用該工藝可成形形狀非常復(fù)雜的零件,如垂直于壓制方向上的凹槽、孔以及螺紋孔等,而不需要后續(xù)二次機(jī)械加工。 （3）噴射成型：噴射成形(Spray Forming) 技術(shù), 也稱為噴射沉積( Spray Depositio

14、n) 或噴射鑄造( Spray Casting ) 技術(shù), 這是20 世紀(jì)80 年代以來(lái)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在傳統(tǒng)快速凝固P粉末冶金(RSPPM) 工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)。 （4）高速壓制成型：高速壓制技術(shù)是瑞典Hoganas AB 公司在2001 年推介的一種新技術(shù)。高速壓制生產(chǎn)零件的過(guò)程和傳統(tǒng)的壓制過(guò)程工序相同; 混合粉末加進(jìn)送料斗中, 粉末通過(guò)送粉靴自動(dòng)填充模腔壓制成形之后, 零件被頂出并轉(zhuǎn)入燒結(jié)工序。所不同的是高速壓制的壓制速度比傳統(tǒng)壓制高500～1000 倍, 壓機(jī)錘頭速度高達(dá)2～30mPs , 液壓驅(qū)動(dòng)的錘頭質(zhì)量達(dá)5～1200kg , 粉末在0.02s 之內(nèi)

15、通過(guò)高能量沖擊進(jìn)行壓制, 壓制時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。通過(guò)附加間隔0.3s 的多重沖擊能達(dá)到更高的密度。與傳統(tǒng)壓制相比, 高速壓制的鐵基零件密度可提高0.3gPcm3 左右, 因而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度能相應(yīng)地提高20 %～25 %。高速壓制壓坯的徑向彈性后效很小, 故脫模壓力較小, 并且壓坯密度均勻, 其偏差小于0.01gPcm3 。該技術(shù)可以制得質(zhì)量達(dá)5kg 以上的大型壓坯以及高徑比達(dá)到3 的壓坯。同時(shí), HVC 技術(shù)還具有高生產(chǎn)率和低成本等特點(diǎn)。 4.1 粉末冶金燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展 粉末冶金燒結(jié)是指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(guò)程。燒結(jié)工藝是決定粉末冶金制

16、品性能的重要環(huán)節(jié), 一直是人們研究的重點(diǎn); 各種促進(jìn)燒結(jié)的方法不斷涌現(xiàn), 如微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成、燒結(jié)硬化等。 （1） 微波燒結(jié)：微波燒結(jié)是一種利用微波加熱來(lái)對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)的方法, 它始于20 世紀(jì)70 年代。燒結(jié)中微波不僅僅只是作為一種加熱能源, 其本身也是一種活化燒結(jié)過(guò)程。微波燒結(jié)技術(shù)是利用材料吸收微波能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子的動(dòng)能和熱能, 使得材料整體均勻加熱至一定溫度而實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)的一種方法, 是快速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。 （2） 放電等離子體燒結(jié)(SPS) 也稱作等離子體活化燒結(jié)(Plasma Activated Sinter

17、ing , PAS) 或脈沖電流熱壓燒結(jié)( Pulse Current Pressure Sintering) , 是20 世紀(jì)90 年代以來(lái)國(guó)外開(kāi)始廣泛研究的一種快速燒結(jié)新工藝。它最早源于1930 年美國(guó)科學(xué)家提出的脈沖電流燒結(jié)原理,但直到日本于1988 年研制出第一臺(tái)工業(yè)型SPS裝置, 該技術(shù)才真正引起世人的關(guān)注。由于它融等離子體活化、熱壓、電阻加熱為一體, 具有燒結(jié)時(shí)間短、溫度控制準(zhǔn)確、易自動(dòng)化、燒結(jié)樣品組織均勻、致密度高等優(yōu)點(diǎn), 僅在幾分鐘之內(nèi)就使燒結(jié)產(chǎn)品的相對(duì)理論密度接近100 % , 而且能抑制樣品顆粒的長(zhǎng)大, 提高材料的各種性能。 （3） 自蔓延高溫合成：自蔓延高溫合成( SH

18、S) , 也稱燃燒合成(Combustion Synthesis , CS) , 它是一種利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行, 最終合成所需材料或制品的新技術(shù)。自1967 年蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并提出自蔓延高溫合成的概念以來(lái), 自蔓延高溫合成在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究和開(kāi)發(fā), 并在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。 5 展望 粉末冶金是提高材料性能和發(fā)展新材料的重要手段, 已經(jīng)成為當(dāng)代材料科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域。粉末冶金新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn), 必將促進(jìn)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展, 也必將帶給材料工程和制造技術(shù)光明的前景。近年來(lái), 我國(guó)粉末冶金行業(yè)得到了快速發(fā)展, 技術(shù)水平和工藝裝備均比以前有

19、了很大的提高, 但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平相比仍存在較大差距。因此, 大力開(kāi)展粉末冶金新材料、新技術(shù)新工藝的研究, 對(duì)提高我國(guó)粉末冶金產(chǎn)品的檔次和技術(shù)水平, 縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距具有非常重要的意義。 6 參考文獻(xiàn) [1] 黃伯云,易健宏. 現(xiàn)代粉末冶金材料和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(一)[J]. 上海金屬. 200 7(03) [2] 黃伯云,易健宏. 現(xiàn)代粉末冶金材料和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(二)[J]. 上海金屬. 200 7(04) [3] 鄒志強(qiáng), 黃伯云, 楊兵. 粉末冶金在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的作用( Ⅱ) [J]. 粉末冶金材料科學(xué)與 工程, 1997 , 2(3) : 184～187. [4] 李益民, 黃伯云, 曲選輝. 金屬注射成形技術(shù)進(jìn)展[J ] .稀有金屬材料與工程, 1996 , 25 (1) : 1～4.