粉末冶金的現狀以及發展趨勢

【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，經過成形和燒結制成金屬材料、復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能、材料利用率高、高效省時等優點，但其也存在一定不足，如金屬粉末和模具費成本高，產品尺寸的大小和形狀受限制，產品韌性較差等。目前粉末冶金廣泛應用在硬質合金制作、多孔材料、難熔金屬材料、磁性材料、金屬陶瓷等。

【關鍵詞】粉末冶金歷史 基本工序 粉末冶金優勢與不足 趨勢

1 粉末冶金的歷史

粉末冶金發展經歷三個階段：

20世紀初，通過粉末冶金工藝制得電燈鎢絲，被譽為現代粉末冶金技術發展的標志。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年粉末冶金硬質合金的誕生更被譽為機械加工業的一次革命；20世紀30年代，粉末冶金工藝成功制得銅基多孔含油軸承。繼而發展到鐵基機械零件，并且迅速在汽車、紡織、辦公設備等現代制造領域廣泛應用；20世紀中葉以后，粉末冶金技術與化工、材料、機械等學科互相滲透，更高性能的新材料、新工藝發展進一步促進粉末冶金發展。并使得粉末冶金技術廣泛應用到汽車、航空航天、軍工、節能環保等領域。

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：機械法和物理化學法。機械法是將原材料機械地粉碎，化學成分基本不發生變化。物理化學法是借助化學或物理作用，改變原材料的化學成分或聚集狀態而獲得粉末。目前工業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）在特殊應用時也很重要。

（2）粉末成型。成型是使金屬粉末密實成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度坯塊的工藝過程。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，通過模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內壓出。特殊成型是隨著各工業部門和科學技術的發展，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生的現象或過程。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）產品的后處理。根據產品的性能要求不同，一般會對燒結品再進行加工處理。如浸油、精整、切削攻牙、熱處理、電鍍等。

3 粉末冶金的優勢與不足

粉末冶金的優勢：粉末冶金燒結是在低于基體金屬的熔點下進行，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，有利于通過控制產品密度和孔隙率制備多孔材料、含有軸承、減摩材料等；粉末冶金壓制產品的尺寸無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，降低產品成本；粉末冶金產品是同一模具壓制生產，工件之間一致性好，適用于大批量零件的生產。特別是齒輪等加工費用高的產品；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，此外燒結一般在真空或還原氣氛中進行，不會污染或氧化材料，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；產品的尺寸精度雖然不錯，但是還不如有些精加工產品所得的尺寸精度；零件的不致密特性會對后加工處理產生影響，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品生產。

4 國內粉末冶金行業的趨勢

隨著我國工業化快速發展，高附加值的零部件需求將加速增長。此外，隨著全球化采購的產業鏈形成，帶給國內零部件企業商機顯而易見。因此，如何把握當前機遇，目前粉末冶金行業應該從以下四方面發展。

（1）進一步提高鐵基粉末冶金產品的密度，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，而國內某企業通過技術改進，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，鐵基粉末冶金已經可替代機械、汽車等行業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，此類鐵基粉末冶金件的潛在價值空間可達至千億元。

（2）提高粉末冶金產品的精度、開發形狀更復雜的產品。為機械制造、航天汽車、生活家電等行業的產業結構升級服務。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的領域中。

（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現多維導電（各個方向）。目前此技術已被少數企業實現突破，只要不斷完善，最終達到工業要求。這種技術將會廣泛在電機設備、汽車及機器人智能控制系統等領域應用。

參考文獻：

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

[2]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業出版社，1997（2006.1重?。?7.

作者簡介：阮志光（1985-） 男，漢，廣東佛山人，本科，畢業于合肥工業大學，主要從事粉末冶金的研發工作。