粉末冶金材料的应用与发展

粉末冶金材料的应用与发展

粉末冶金材料(powder metallurgy material)是指用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能，如材料的孔隙度可控，材料组织均匀、无宏观偏析（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现象），可一次成型等。

通常，粉末冶金材料按用途可分为7类：

①粉末冶金减摩材料，又称烧结减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。材料表面间的摩擦系数小，在有限润滑油条件下，使用寿命长、可靠性高；在干摩擦条件下，依靠自身或表层含有的润滑剂，即具有自润滑效果。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。

②粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

③粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。由于材料内部有残余孔隙存在，其延展性和冲击值比化学成分相同的铸锻件低，从而使其应用范围受限。

④粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材料。由基体金属（铜、铁或其他合金）、润滑组元（铅、石墨、二硫化钼等）、摩擦组元（二氧化硅、石棉等）3部分组成。其摩擦系数高，能很快吸收动能，制动、传动速度快、磨损小；强度高，耐高温，导热性好；抗咬合性好，耐腐蚀，受油脂、潮湿影响小。主要用于制造离合器和制动器。

⑤粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。

⑥粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。电工材料中，用作电能头材料的有金、银、铂等贵金属的粉末冶金材料和以银、铜为基体添加钨、镍、铁、碳化钨、石墨等制成的粉末冶金材料；用作电极的有钨铜、钨镍铜等粉末冶金材料；用作电刷的有金属-石墨粉末冶金材料；用作电热合金和热电偶的有钼、钽、钨等粉末冶金材料。磁性材料分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料有磁性粉末、磁粉芯、软磁铁氧体、矩磁铁氧体、压磁铁氧体、微波铁氧体、正铁氧体和粉末硅钢等；硬磁材料有硬磁铁氧体、稀土钴硬磁、磁记录材料、微粉硬磁、磁性塑料等。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。

⑦粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。其中，典型的弥散强化材料有:(1)烧结铝粉(SAP)：用表面氧化法制造。SAP有很高的高温强度和抗蠕变性能，使用温度达500℃，远优于一般铝合金。它主要用于：反应堆中的核燃料包套，飞机机翼和机身，压气机叶轮，高温活塞等。(2)弥散强化铜：弥散质点一般为Al2O3，常用内氧化法制造。经弥散强化后，铜的强度、硬度得到很大的提高，导电性降低不多。它常用作电阻焊的电极，白炽灯灯丝引线，电子管零件和电子工业中的其他材料。(3)弥散强化高温合金：最早的弥散强化镍基合金是ThO2(2％)强化镍(TD-Ni)。一般用共沉淀法制得。机械合金化法出现之后，又发展了一系列镍基、铁基和钴基合金。已经使用的有10多种。MA754的性质优于ThO2-Ni-Cr，已成功地用作喷气发动机叶片。MA956E是以Fe-Cr-Al为基的材料，有优越的抗氧化性和抗腐蚀性。

MA6000E合金，1000h的断裂应力在800OC以上远优于TD-Ni和IN792。1100℃时，TD-Ni和IN792的1000h断裂应力只有20～30MPa，而

MA6000E还有160MPa。因此MA6000E是一种好的叶片材料。(4)其他：弥散强化铅(DS-Pb)，是惟一类似于SAP的例子，弥散相为PbO，主要用于声音衰减、化工器具、放射屏蔽和电池；含铝、锆的镁合金(铝和锆均溶于镁，但溶解后析出A1Zr4弥散相)；金属间化合物FeAl3、FeNiAl9强化的Al-Fe合金等。

总的来说，飞机和发动机上的刹车片、离合器摩擦片、松孔过滤器、多孔发汗材料、含油轴承、磁铁芯、电触点、高比重合金、硬质合金和超硬耐磨零件等因含有大量非金属成分或含有连通孔隙，都不能用普通铸、锻工艺制造，只能以粉末为原料经冷压、烧结等粉末冶金工艺来制造。航空航天工业中使用的粉末冶金材料比较重要的有刹车片材料、松孔材料和高强度粉末合金三类。刹车片材料，刹车片是飞机机轮刹车装置的核心。绝大多数军用飞机和民用机都采用粉末冶金刹车片。因为每次刹车都会发生磨损，100～500次后就需要更换刹车片，所以它是飞机上用量最大的粉末冶金材料制件。松孔材料，即多孔渗透性粉末冶金材料。涡轮发动机润滑系统和飞行器液压操纵系统中使用的青铜或不锈钢过滤器，是防止微粒堵塞和卡滞的重要部件。金属纤维松孔材料的强度和塑性较好，可用于高温部位，如涡轮喷气发动机叶尖密封环用的高温合金毡带和火箭发动机喷注器面板、燃烧室内壁和喉部用的发汗冷却松孔材料。高强度粉末合金，是经粉末热成形的完全致密的高温合金、铝合金和钛合金。一些现代飞机的发动机已使用了锻造的粉末高温合金涡轮盘和压气机盘。粉末铝合金主要用作飞行器和发动机结构材料。

汽车行业仍然是粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方面汽车的产量在不断增加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不段增加。粉末冶金铁基零件在汽车上主要应用于发动机、传送系统、ABS系统、点火装置等。汽车发展的两大趋势分别为降低能耗和环保；主要技术手段则是采用先进发动机系统和轻量化。欧洲对汽车尾气过滤为粉末冶金多孔材料又提供了很大的市场。在目前的发动机工作条件下，粉末冶金金属多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能优势和成本优势。

工具材料是粉末冶金工业另一类重要产品，其中特别重要的是硬质合金。加工作业要求加工工具本身更锋利、刚性更好、韧性更高；加工材料的范围扩大到吕合、镁合金、钛合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；环境影响要减到最小，干式加工比例更大。这些新要求加快了粉末冶金工具材料的发展。