现代粉末冶金材料与技术的发展分析

现代粉末冶金材料与技术的发展

1 概述

粉末冶金是研究金属、合金、非金属和化合物的粉末及其材料的性质和制造理论与工艺的技术科学，是现代材料科学与工程发展最为迅猛的领域之一。

近代以来, 粉末冶金有了突破性进展，在西方发达国家更呈现出了加速发展的势态, 一系列新技术、新工艺大量涌现，例如, 超微粉或纳米粉制备技术、快速冷凝技术、机械合金化、粉末热等静压、温压、粉末热锻、粉末挤压、粉末注射形、粉末喷射成形、自蔓延高温合成、涂层技术、电火花烧结、反应烧结、超固相线烧结、瞬时液相烧结、激光烧结、微波烧结, 等等。

现代粉末冶金不但保持和发展了传统优点—实现少切削、无切削加工, 实现少偏析或无偏析, 低耗、节能、节材；易控制产品孔隙度；易实现金属一非金属复合、金属一高分子复合, 而且新技术赋予传统工艺步骤以新的内容和含义, 使粉末冶金成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条件下工作材料的有效途径。因此, 整个粉末冶金领域大大拓宽, 并向着纵深方向发展, 粉末冶金已由二类传统工艺技术发展成为一门新兴的技术科学, 它处于冶金科学与材料科学的交汇区, 并且已深入地渗透到几乎所有的冶金和材料科学的分支科学中去了。

由于技术上和经济上具有巨大的优越性,粉末冶金技术产品在国民经济的各个部门和国防建设的各个领域都得到了广泛应用, 对机械、电子、化工、能源、航空、航天乃至农业、医药、食品等产业的发展以及科技的进步, 都起到了重要的推动作用, 创造了巨大的社会财富, 带来了巨大的经济效益和社会效益。

2 现代粉末冶金发展的主要特点

（一）新技术、新工艺大量涌现

新技术新工艺的应用, 使得粉末的制备朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、成分可调控、大规模、多品种方向发展, 粉末冶金材料的制造朝着复合、全致密、高性能、高精度、复杂形状、大批量系列化方向发展。

（二）新材料层出不穷

粉末冶金已发展成为制取各种高性能结构材料和特种功能材料以及极限条件使用材料的有效途径。这些新材料包括粉末低合金钢、粉末高温合金、粉末高速钢、

粉末不锈钢、快速冷凝铝合金、快速冷凝钦合金、弥散强化合金、高温超导材料、钦铁硼永磁材料、特种陶瓷、金属基和陶瓷基复合材料、纳米材料、梯度功能材料、粉末摩擦材料、涂层硬质合金,等等。

（三）近净型成形技术的崛起加速了粉末冶金的迅速发展

粉末冶金作为一项典型的近净型成形制造技术, 以它独有的少切削、无切削及节材、节能的技术特点, 在与传统的熔铸、机加工竞争中不断发展。近几十年来,许多新的近型成形技术不断涌现, 如金属注射成形、粉末喷射成形、粉末热锻和粉末热等静压等使得粉末冶金产品更加接近最终产品形状, 并且拓宽了粉末冶金近型成形产品的范围。

（四）复合材料及其制造技术的发展为粉末冶金开拓了新的领域

目前, 复合材料的发展形成由宏观复合形式向微观复合形式发展、由结构复合材料为主向与功能复合材料并重的局面。粉末冶金以它独有的粉末混合、化学复合、机械合金化、涂层、骨架熔渗与浸溃、纤维网粉浆浇注、快速冷凝和原位复合等特长在复合材料制造中充分发挥自己的优势, 在金属基、陶瓷基复合材料和弥散强化、颗粒强化及纤维增强复合制造技术中显示鲜明的特色。

3 粉末冶金材料

3.1 传统粉末冶金材料

（1）铁基粉末冶金材料：铁基粉末冶金材料是最重要的粉末冶金材料之一, 特别是汽车行业的快速发展对铁基粉末冶金行业起了很大的推动作用。

（2）铜基粉末冶金材料：烧结铜基零件具有较好的耐蚀性、表面光洁及无磁性等优点。铜基材料主要有烧结青铜(锡青铜和铝青铜) 、烧结黄铜、烧结镍银和烧结铜镍合金, 此外还有弥散强化铜(如Cu2Al2O3 ) 、烧结时效强化铜合金(Cu2Be 、Cu2Be2Co和Cu2Cr合金)以及用于减震的烧结Cu2Mn合金。

（3）难熔金属与硬质合金：难熔金属(钨、钼、钽、铌等) 及其合金、

复合材料以其高熔点、高硬度、高强度等独特的物理与力学性能而广泛应用于国防军工、航空航天、电子信息、能源、防化、冶金和核工业等领域。硬质合金是指以一种或多种难熔金属的碳化物(如碳化钨、碳化钛等) 作为硬质相, 用金属粘结剂作为粘结相, 经粉末冶金技术制造出来的材料。硬质合金广泛用作切削刀具、矿用刀片和异型件, 已成为现代工业部门和新技领域不可缺少的工具材料, 被誉为“现

代工业的牙齿”。

（4）粉末冶金电工材料：在电器、仪表及电工技术中, 广泛应用于各种分断和接通电路的电接触元件、电阻焊用的电极以及电机上用于转换电流的电刷。在无线电技术中, 普遍使用各种难熔化合物制成的各种固定电阻器。在真空技术中使用各种电子管阴极制品、各种电加热元件和热电偶材料。以上这些材料常常采用粉末冶金技术制造, 统称为粉末冶金电工材料。

（5）烧结摩擦与减摩材料：摩擦材料以提高摩擦磨损性能为目的, 用于摩擦离合器与摩擦制动器的摩擦部分的材料称为摩擦材料。烧结减摩材料是用粉末冶金方法制造的、具有低摩擦系数和高耐磨性能的金属材料或金属和非金属的复合材料。

3.2 先进粉末冶金材料

（1）信息领域用粉末冶金材料：粉末冶金软磁材料按材质分类可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料。铁氧体软磁材料出现较早, 是一种只能用粉末冶金烧结方法制造的软磁材料。人们期望烧结软磁材料具有高的磁导率和饱和磁化强度或剩磁以及低的矫顽力,压粉磁芯或磁粉芯属于这一类材料。金属软磁材料主要是铁及其合金, 其中有纯铁、磷铁、硅钢、铁镍金、铁钴合金、铁铝合金和铁铝硅合金等。铁氧体软磁主要有锰锌、镁锌、镍锌铁氧体软磁材料。

（2）能源领域用粉末冶金材料：能源材料是指那些正在发展的、可能支撑新能源体系的建立,满足各种新能源以及节能新技术所要求的一类材料。按使用目的可分为新能源材料、节能材料和储能材料。

（3）生物领域用粉末冶金材料：生物医用材料对于挽救生命、救治伤残、提高人类的生活质量具有重要的意义。生物材料中的一些医用金属和合金, 医用生物陶瓷就属于粉末冶金材料。

（4）军事领域用粉末冶金材料：粉末冶金材料对军事工业作出了巨大的贡献, 在国防建设中有着巨大的潜力和竞争力。粉末冶金材料广泛用于航空航天工业、核工业和兵器工业等军事领域。

4 粉末冶金技术

4.1 粉末制备技术的发展

粉末冶金材料和制品不断增多, 质量不断提高, 要求提供的粉末的种类也越来越多。为了满足对粉末的各种要求, 出现了各种各样生产粉末的新方法。从过程的实质来看, 现有制粉方法大体上可归纳为两大类, 即机械法和物理化学法。从工业