现代粉末冶金技术概述
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• 微波烧结* • 反应烧结 • 液相烧结 • 超固相线液相烧结 • 电火花烧结 • 快速原位成形
原料：元素粉末、合金粉末
成形：热压（ 热等静压、挤压...） 冷压（模压、冷等静压...）
烧结：真空、气氛、外场 其它制备技术：复压、精整、熔浸...
其它后续处理技术：热处理、机加工...
粉末的基本性质
• VALVE SEAT AND VALVE GUIDE
• CONNECTING RODS
– Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ；Total cost savings of over 20% are reported
School of Materials Science and Engineering
School of Materials Science and Engineering
（一）粉末的化学性能 Chemistry Property
化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition） ● 主要成分（如铁粉中的Fe）含量—对粉末性能有决定 影响； ● 化学组成还包括杂质的种类和含量—对粉末性能也有
响明显。
School of Materials Science and Engineering
化学成分测定
针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃 烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 杂质O含量测定： ● 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原， 计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%
世界粉末冶金大会获奖零件
• Synchronizer Ring with Friction Lining – The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body
晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析
近型成形，原材料利用率高>95%
材料组元可控，利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料
• PM Production of notch segment （槽型 件）for truck transmission
90
95
铸造
38
粉末冶金 28.5
85
冷成形
一、基本概念
（一）名词
粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000 µ m的颗粒的集 合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙） 粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒 一次颗粒（单颗粒）（single particle） 二次颗粒（secondary particle） 颗粒团（particle agglomerates ）：由单颗粒或二次颗粒依靠范 德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（easy to disperse） 团粒：造粒的产物
（二）粉末颗粒的聚集状态
a
二次颗粒示意图 a— 单颗粒 b— 二次颗粒 a2— 一次颗粒 c—晶粒 一次、二次颗粒内部都可能存在孔 隙
粉末体示意图 可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团 颗粒之间存在孔隙
粉末性能简介
（Powder Properties） 一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度
School of Materials Science and Engineering
• 在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS07—8级， 形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但 一般企业约相差2—3级。产品质量不够稳定，产品内 在重量和外观质量均有较大的差距
–工艺装备落后
• 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、 炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专 业生产粉末冶金模具、模架的企业
世界粉末冶金大会获奖零件
• Bevel Gear/Indexing Ratchet
– The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a 63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings
课程结构与内容
• 粉末制备技术
• 雾化制粉* • 还原法 • 机械合金化* • 气相沉积 • 溶胶凝胶 • 自蔓燃反应合成 • 喷雾热解*
• 纳米材料与纳米结构?
• 粉末成形技术
•喷射沉积 •注射成形* •挤压成形 •粉末锻造 •粉末轧制 •温压成形* •冷热等静压及特种固结技术 •爆炸成形
• 粉末烧结技术
–企业技术经济效益与国外同类企业相 比差距较大
日本住友电工（株） 650人，年产粉末冶金零 件24000吨，年销售额近2 亿美元，人均年销售额 255.4万元人民币； 台湾保来得公司 530人，年销售额6210万 美元，人均年销售额97.25 万元人民币。 宁波粉末冶金厂 400人，年销售额1.2亿元，人 均年销售额30万元； 扬州保来得公司 300人，年销售额1.8亿元，人 均年销售额60万元； 国内一般粉末冶金厂 人均年销售2万元。
School of Materials Science and Engineering
● 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能， 对 材料韧性toughness，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。 ● 夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的 形状shape对材料的力学性能影响不同 ● 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影
世界粉末冶金大会获奖零件
• Needle Driver and Distal Clevis
– The parts are made to a density range of 7.687.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strength is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock
现代粉末冶金技术
兰州金川科技园
现代粉末冶金技术概况
• • • • • 粉末冶金技术的特点（优、缺点） 粉末冶金技术发展史 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 粉末冶金技术的主要应用 课程结构与内容
粉末冶金技术的特点
原料粉末 成形 烧结
采用PM技术制备材料/产品的优点：
成形体的致密度可控；多孔材料
– density ： 8.0g/cm3, tensile strength： 234MPa, yield strength：138MPa， hardness ：90HRH. a 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing – stamping and machining
重要影响。
● 主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。
School of Materials Science and Engineering
粉末中的杂质类型
● 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements ）：
Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（电池材料）等。
PM Connecting rod used in BMW engines
• OIL PUMP GEARS
• SYNCHRONISATION SYSTEM
•ROCKER ARMS
• 2000、2005 及2010年国 内粉末冶金 零件的总需 求量,单位/ 吨
项目 汽车 摩托车
2000 年 13000 14000
● 原料机械夹杂 （mechanical impurities） ： 主要wk.baidu.com非金属类机械夹杂物no-metallic impurities： Si、Al
氧化物、硅酸盐等。
● 表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）： 水，氧，空气 ● 制粉过程中带进的杂质 电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等
41
80
锻造
49
50 100 材料利用率/％ 0
机械加工
82
0 100 零件的能耗/MJ· kg-1
各种生产工艺的材料的利用率与能耗
• 采用PM技术制备材料/产品的缺点：
• 原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）； • 成形模具成本高；靠产量规模降低费用； • 烧结制品残余孔隙影响性能； • 氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困 难；
粉末冶金技术发展史
公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁； 公元前2300年左右出现块炼铁技术：固 相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过 高温锻焊成各种器件。如公元300年左右 印度的Dehli Piller, 重6吨；我国西汉 （公元前113年）的刘胜墓出土的错金书 刀等。 1930年Hoganas公司开始用固相还原法生 产海绵铁。
块炼铁技术
• 随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年)、Pt 粉及Pt块(1800年）； • 1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末 冶金的基础； • 1914年WC、MoC粉末出现（德国）； • 1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金 属切削技术的革命； • 1956年后大量铁基、铝基零件上市； • 1969年机械合金化技术出现 • 20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛 应用于航空。
2005 年 21000 20000 14300 20030 1500 2400 8000 8713 94179
2010 年 39000 35000 14700
家用运输车 13000 压缩机 洗衣机 电风扇 电动工具 拖拉机 合计 14050 1300 2400 6000 6970 68112
• 国外市场 –世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约 占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约 为12个。 • 国内与国外差距 –产品水平低
现代粉末冶金技术特征与 发展趋势
• 技术特征： • 技术多样性 粉末制备、成形、烧结技术多选择 • 工艺复杂性 • 手段先进性 压机、烧结炉等设备与最新科技结合 • 性能优异性 • 零件复杂性 • 规模扩大性；成本低廉性
世界粉末冶金大会获奖零件
• Nickel Silver Gears, Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box
• 发展趋势
• 辐射领域越来越广 材料、应用 • 工艺过程的变异 粉末直接成形 • 多学科交叉点 技术手段、应用领域 • 朝特异性能、规模化、低成本方向 发展
粉末冶金技术的主要应用
粉末冶金零件市场
汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场
• 典型的汽车用粉末冶金零部件 • Main Bearing Cap Set
原料：元素粉末、合金粉末
成形：热压（ 热等静压、挤压...） 冷压（模压、冷等静压...）
烧结：真空、气氛、外场 其它制备技术：复压、精整、熔浸...
其它后续处理技术：热处理、机加工...
粉末的基本性质
• VALVE SEAT AND VALVE GUIDE
• CONNECTING RODS
– Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ；Total cost savings of over 20% are reported
School of Materials Science and Engineering
School of Materials Science and Engineering
（一）粉末的化学性能 Chemistry Property
化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition） ● 主要成分（如铁粉中的Fe）含量—对粉末性能有决定 影响； ● 化学组成还包括杂质的种类和含量—对粉末性能也有
响明显。
School of Materials Science and Engineering
化学成分测定
针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃 烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 杂质O含量测定： ● 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原， 计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%
世界粉末冶金大会获奖零件
• Synchronizer Ring with Friction Lining – The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body
晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析
近型成形，原材料利用率高>95%
材料组元可控，利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料
• PM Production of notch segment （槽型 件）for truck transmission
90
95
铸造
38
粉末冶金 28.5
85
冷成形
一、基本概念
（一）名词
粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000 µ m的颗粒的集 合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙） 粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒 一次颗粒（单颗粒）（single particle） 二次颗粒（secondary particle） 颗粒团（particle agglomerates ）：由单颗粒或二次颗粒依靠范 德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（easy to disperse） 团粒：造粒的产物
（二）粉末颗粒的聚集状态
a
二次颗粒示意图 a— 单颗粒 b— 二次颗粒 a2— 一次颗粒 c—晶粒 一次、二次颗粒内部都可能存在孔 隙
粉末体示意图 可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团 颗粒之间存在孔隙
粉末性能简介
（Powder Properties） 一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度
School of Materials Science and Engineering
• 在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS07—8级， 形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但 一般企业约相差2—3级。产品质量不够稳定，产品内 在重量和外观质量均有较大的差距
–工艺装备落后
• 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、 炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专 业生产粉末冶金模具、模架的企业
世界粉末冶金大会获奖零件
• Bevel Gear/Indexing Ratchet
– The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a 63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings
课程结构与内容
• 粉末制备技术
• 雾化制粉* • 还原法 • 机械合金化* • 气相沉积 • 溶胶凝胶 • 自蔓燃反应合成 • 喷雾热解*
• 纳米材料与纳米结构?
• 粉末成形技术
•喷射沉积 •注射成形* •挤压成形 •粉末锻造 •粉末轧制 •温压成形* •冷热等静压及特种固结技术 •爆炸成形
• 粉末烧结技术
–企业技术经济效益与国外同类企业相 比差距较大
日本住友电工（株） 650人，年产粉末冶金零 件24000吨，年销售额近2 亿美元，人均年销售额 255.4万元人民币； 台湾保来得公司 530人，年销售额6210万 美元，人均年销售额97.25 万元人民币。 宁波粉末冶金厂 400人，年销售额1.2亿元，人 均年销售额30万元； 扬州保来得公司 300人，年销售额1.8亿元，人 均年销售额60万元； 国内一般粉末冶金厂 人均年销售2万元。
School of Materials Science and Engineering
● 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能， 对 材料韧性toughness，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。 ● 夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的 形状shape对材料的力学性能影响不同 ● 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影
世界粉末冶金大会获奖零件
• Needle Driver and Distal Clevis
– The parts are made to a density range of 7.687.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strength is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock
现代粉末冶金技术
兰州金川科技园
现代粉末冶金技术概况
• • • • • 粉末冶金技术的特点（优、缺点） 粉末冶金技术发展史 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 粉末冶金技术的主要应用 课程结构与内容
粉末冶金技术的特点
原料粉末 成形 烧结
采用PM技术制备材料/产品的优点：
成形体的致密度可控；多孔材料
– density ： 8.0g/cm3, tensile strength： 234MPa, yield strength：138MPa， hardness ：90HRH. a 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing – stamping and machining
重要影响。
● 主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。
School of Materials Science and Engineering
粉末中的杂质类型
● 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements ）：
Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（电池材料）等。
PM Connecting rod used in BMW engines
• OIL PUMP GEARS
• SYNCHRONISATION SYSTEM
•ROCKER ARMS
• 2000、2005 及2010年国 内粉末冶金 零件的总需 求量,单位/ 吨
项目 汽车 摩托车
2000 年 13000 14000
● 原料机械夹杂 （mechanical impurities） ： 主要wk.baidu.com非金属类机械夹杂物no-metallic impurities： Si、Al
氧化物、硅酸盐等。
● 表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）： 水，氧，空气 ● 制粉过程中带进的杂质 电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等
41
80
锻造
49
50 100 材料利用率/％ 0
机械加工
82
0 100 零件的能耗/MJ· kg-1
各种生产工艺的材料的利用率与能耗
• 采用PM技术制备材料/产品的缺点：
• 原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）； • 成形模具成本高；靠产量规模降低费用； • 烧结制品残余孔隙影响性能； • 氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困 难；
粉末冶金技术发展史
公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁； 公元前2300年左右出现块炼铁技术：固 相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过 高温锻焊成各种器件。如公元300年左右 印度的Dehli Piller, 重6吨；我国西汉 （公元前113年）的刘胜墓出土的错金书 刀等。 1930年Hoganas公司开始用固相还原法生 产海绵铁。
块炼铁技术
• 随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年)、Pt 粉及Pt块(1800年）； • 1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末 冶金的基础； • 1914年WC、MoC粉末出现（德国）； • 1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金 属切削技术的革命； • 1956年后大量铁基、铝基零件上市； • 1969年机械合金化技术出现 • 20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛 应用于航空。
2005 年 21000 20000 14300 20030 1500 2400 8000 8713 94179
2010 年 39000 35000 14700
家用运输车 13000 压缩机 洗衣机 电风扇 电动工具 拖拉机 合计 14050 1300 2400 6000 6970 68112
• 国外市场 –世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约 占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约 为12个。 • 国内与国外差距 –产品水平低
现代粉末冶金技术特征与 发展趋势
• 技术特征： • 技术多样性 粉末制备、成形、烧结技术多选择 • 工艺复杂性 • 手段先进性 压机、烧结炉等设备与最新科技结合 • 性能优异性 • 零件复杂性 • 规模扩大性；成本低廉性
世界粉末冶金大会获奖零件
• Nickel Silver Gears, Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box
• 发展趋势
• 辐射领域越来越广 材料、应用 • 工艺过程的变异 粉末直接成形 • 多学科交叉点 技术手段、应用领域 • 朝特异性能、规模化、低成本方向 发展
粉末冶金技术的主要应用
粉末冶金零件市场
汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场
• 典型的汽车用粉末冶金零部件 • Main Bearing Cap Set