粉末冶金
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摘要：粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。粉末冶金材料是指用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种工艺过程成为粉末冶金法，是一种不同于熔炼和铸造的方法。其生产过程与陶瓷制品相类似，所以又称金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法，也是一种无切削或少切削的加工方法。它具有生产率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等优点。但金属粉末和模具费用高，制品大小和形状受到一定限制，制品的韧性较差。粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。
关键词：粉末冶金、基本工序、应用、发展方向、问题及机遇
Abstract: Powder metallurgy is used for preparing metal or metal powder (or metal powder and metal powder mixture) as raw material, after forming and sintering, manufacture of metal materials, composite and various types of products technology.Powder metallurgy method and the production of ceramic have similar place, therefore, a series of new powder metallurgy technologies can also be used for preparing ceramic material.Powder metallurgy materials refers to the use of several kinds of metal powder or metal and non metal powder as raw material, through mixing, preing, sintering proce and made of materials.The proce to become powder metallurgy method, is different from the melting and casting method.Its production proce and ceramic products are similar, so called ceramic metal.Powder metallurgy method not only has some special properties of material preparation method, is also a kind of without cutting or le cutting proceing method.It has high productivity, high material utilization rate, saving machine tools and production area etc..But the metal powder and high mold cost, product size and shape are subject to certain restrictions, flexibility is poor.Powder metallurgy method often used for the production of hard alloy, antifriction material, structural material, friction material, refractory metal materials, filter materials, metal ceramic, no segregation in high speed tool steel, magnetic materials, heat resistant materials.Key words: powder metallurgy, basic proce, application, development trend, problems.
引言：
粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺，它是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金工艺的第一步是制取原料粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理制得成品。典型的粉末冶金产品生产工艺路线。粉末冶金的工艺发展已远远超过此范畴而日趋多样化，已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。
1．粉末冶金的发展史
1、海绵铁粉(sponge iron) 时间：公元前3000年前，最早的粉末冶金技术，生产的粉末是海绵铁粉。
2、锻压铂（wrought platinum)时间：1750~1850年
3、钨丝(tungsten wire)20世纪初开始，1913年获得专利
4、高熔点金属（ refractory metal)时间：1940年前采用粉末冶金方法，1940年后采用真空电弧、电子束
5、自润滑轴承或含油轴承（self-lubricating bearing)时间：20世纪20年代
6、硬质合金(cemented carbides) 时间：20世纪20年代，1925年获得专利
7、结构件(structural parts)时间：20世纪30年代后期
8、热固结：压制与烧结结合起来同时进行的一种技术,时间：20世纪40年代后 所以，对于粉末冶金技术来说，该技术具有着历史的考验，然后一步步不断的完善，当然，就目前而言，粉末冶金技术还在不断的改进与发展中。
2．世界粉末冶金的工业概括
2003年全球粉末货运总量约为88万吨，其中美国占51%，欧洲18%，日本13%，其它国家和地区18%。铁粉占整个粉末总量的90%以上。从2001年起，世界铁粉市场持续增长，4年时间增加了近20%。
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。北美平均每辆汽车粉末冶金零件用量最高，为19.5公斤，欧洲平均为9公斤，日本平均为8公斤。中国由于汽车工业的高速发展，拥有巨大的粉末冶金零部件市场前景，已经成为众多国际粉末冶金企业关注的焦点。
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。目前制造业的发展朝着3A方向，即敏捷性（Agility）、适应性（Adaptivity）和可预测性（Anticipativity）。这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。硬质合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂层技术发展很快，CVD、PVD、PCVD技术日益完善，涂层种类也很多，从常用的CVDTiCN/Al2O3/TiN到CVDPCBN（聚晶立方BN）以及PVDTiAIN，Al2O3，cBN（立方BN）和SiMAlON等，满足加工场合的需要。
信息行业的发展也为粉末冶金工业提供了新的契机。日本电子行业用的粉末冶金产品已经达到了每年4.3亿美元，其中热沉材料占23%，发光与点极材料占30%。前者主要包括散热材料，如Si/SiC，Cu-Mo，Cu-W，Al-SiC，AlN以及Cu/金刚石等材料；后者则主要包括钨、钼材料。
有这些材料的统计可以看出，粉末冶金技术在改革中得到了很大的进步，它有了自己本身的优点，是别的一些技术手段没办法取代的，已经慢慢的渗透到各个方向。
3．粉末冶金工艺的各个程序
3.1粉末的制取方法
还原法：
这是一种应用最广的金属粉末制取方法，是采用氢气、一氧化碳等作为还原剂，使金属
氧化物或氧化物矿石在高温下与之反应，制得金属粉末。这种粉末多呈多面体形，其成形性与烧结性良好。粉末粒度可由原料的粒度及还原条件的不同任意调整并均匀化。目前，粉末成形使用的铁粉大部分由还原法产生；难熔化合物粉末（如硬质合金）的制取也用此类方法。 雾化法：
这是一种生产效率较高、成本较低、易于制得高纯度粉末的生产方法。它利用高压惰性气体或高速旋转的叶片将从小孔喷嘴中熔融的金属扩散成雾状液滴并迅速使之冷却成金属微粒的制粉方法。雾化粉末的颗粒形状因雾化条件而异。金属液的温度越高，球化的倾向越显著。其缺点是易产生偏析和不易制得超细粉末。
电解沉积法：
在金属熔盐或金属盐的水溶液中通入直流电，使金属离子重新获得外层电子，变成金属粉末。电解沉积法制取的粉末纯度高，颗粒成树枝状或针状，成形性和烧结性都很好，但生产率低，成本较高，仅适用于制造要求纯度高、密度高的粉末材料和制品。 机械粉碎法：
利用机械，通过压碎、击碎和磨削等作用，使金属块、合金或化合物机械地粉碎成粉末。这种方法生产效率低，动力消耗大，成本较高。
由于人类的智慧集成，人们不断的考虑着去完善这项技术的各个方面，在人们的努力中，研发出原料粉末的制取方法，为粉末冶金的发展提供了不可或缺的条件。
3.2粉末冶金的基本工序
粉末成型为所需形状的坯块:成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。
坯块的烧结:成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。
产品的后序处理:烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。
4.粉末冶金技术的特点及发展趋势
4.1粉末冶金技术的特点
1.粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料具有重要的作用。
2.可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。
3.可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。
4.可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。
5.可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
4.2粉末冶金的发展趋势
粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。
粉末冶金技术的优点所在，也就导致了粉末冶金技术会迅速发展的必然趋势。在我看来一个技术的成型与发展，在于各个方面的完善。首先，人们看到了粉末冶金的优点，这样人们就会为该技术去寻找完善的方法，就这样得到不断的改进。
5.粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比较与优点的体现
5.1粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比较
1.粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品，比如金属与非金属组成的摩擦材料等，控制制品的孔隙率和孔隙大小，可生产各种多孔性才材料和多孔含油轴承。
2.提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。
3.利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。
5.2粉末冶金工艺的优点：
1.绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2.由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。
3.由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。
4.粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。
5.粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。
6.粉末冶金的应用
1.金属粉末多孔材料的应用非常广泛，如轻质结构材料、高温过滤装置、分离膜等。目前最大的市场可能是柴油发动机的烟尘过滤装置。德国的Fraunhofer研究所开发了一种金属空心球制备技 术，在聚合物基体上涂覆金属粉末料浆，然后通过脱涂聚合物基体和粘结剂，最后烧结成各种具有空心结构的金属球体。球体的直径可丛1mm至8mm。所制备的钢空心球的密度仅0.3g/cm3。
2.纳米晶和梯度结构是硬质合金的两个重点方向。纳米晶材料方面包括晶粒长大控制和纳米粉末制备。梯度结构合金方面包括工艺与结构的关系。将纳米晶和梯度结构结合起来可能是一个很好的方向，能够在更微观层次上实现性能的可调。硬质合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制备复杂形状中小型零件是发展趋势，但是其商用化仍然受技术成熟度的控制。硬质合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、断裂韧性和可靠性表征等。
3 车轻量化为铝、镁、钛等轻金属材料提供了广阔的应用前景。粉末铝合金在汽车上可应用的部位非常多，但Al-Si合金由于高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和耐磨性好，有可能率先在油泵齿轮方面大规模应用。从工业化角度来看，对粉末冶金铝合金制备过程的优化研究更为重要。
在之前，就得到了一些现今工业的概括，随着各个方面的发展和需求，就需要有好的技术相辅，就在这时，粉末冶金技术得到了比较完善的发展，所以也就有了机会开始渗透这些行业。
7.我国粉末冶金的发展与机遇
随着我国汽车工业快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。与此同时，汽车产业链全球化的采购系已经形成，带给国内零部件企业商机显而易见。然而,我们是否能够握当前机遇，不仅是我国汽车零部行业突破当前困局的机遇，更是产业升级的契机。因此,充分利用自身势，扬长补短是产业突破困局的必手段。
虽然，当前我国的粉末冶金技术水平相对国外发达国家依然有着不小的距离。但由于我国拥有原料供给的区域优势，作为产业竞争力提升的基础，依然有较强的竞争力。
与此同时，自上世纪90年代开始，我国粉末冶金制品行业也呈加速发展（主要集中在东部及沿海地区），东部和沿海地区的年产量增长幅度均在10％以上。以山东为例，该省的生产企业由于引进了国外先进设备技术，生产高强度、高精度粉末冶金零件，把粉末冶金制品的质量、技术提高到一个新的水平；粉末注射成型、粉末锻造、纳米技术、精细陶瓷等新技术的开发应用提高了行业整体技术水平，构成了一个完整的行业体系。据不完全统计，目前全省已有各类粉末冶金企业40多家，产品应用各个领域。
对目前的中国而言，我们所拥有的粉末冶金技术不是很完善，而且应用的不多，这样就希望我国可以认清粉末冶金技术的优点，同时可以与其他技术相辅相成，更好的为我们的工业以及各个行业服务。
小结：
第一次接触到粉末冶金是在一堂课中，在那堂课上，老师只是简单的提到几句，说了一些关于粉末冶金的优点，也没有进行很具体的介绍，在那个时候我就开始有了对这个技术的兴趣，想去好好的了解一番，若是以后可以接触到这方面的东西，也算是有了一些的准备了。由于粉末冶金技术对绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料都可以实现加工，而且可以实现少切割或不切割等一些优点，有着很大的发展空间。在对这篇论文的整理中，我对粉末冶金技术有了初步的了解与认识，这是一次很好的总结过程，同时也希望有机会可以真正的接触到粉末冶金技术。
对现在的中国而言，我了解到，粉末冶金技术没有得到非常好的发展，虽然粉末冶金技术已经开始渗透到各行各业中，但是规模和数量还是很少，我真切地希望该技术可以在中国得到发展，而且可以造福中国的工业以及各个行业中。
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