粉末冶金的现状与发展趋势
粉末冶金的现状与发展趋势【1】
【摘 要】粉末冶金是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结制成金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。
粉末冶金它具有低耗节能、材料利用率高、高效省时等优点，但其也存在一定不足，如金属粉末和模具费成本高，产品尺寸的大小和形状受限制，产品韧性较差等。
目前粉末冶金广泛应用在硬质合金制作、多孔材料、难熔金属材料、磁性材料、金属陶瓷等。
【关键词】粉末冶金历史 基本工序 粉末冶金优势与不足 趋势
1 粉末冶金的历史
粉末冶金发展经历三个阶段：
20世纪初，通过粉末冶金工艺制得电灯钨丝，被誉为现代粉末冶金技术发展的标志。
随后许多难熔金属材料如钨、钽、铌等都可通过粉末冶金工艺方法制备。
1923年粉末冶金硬质合金的诞生更被誉为机械加工业的一次革命;20世纪30年代，粉末冶金工艺成功制得铜基多孔含油轴承。
继而发展到铁基机械零件，并且迅速在汽车、纺织、办公设备等现代制造领域广泛应用;20世纪中叶以后，粉末冶金技术与化工、材料、机械等学科互相渗透，更高性能的新材料、新工艺发展进一步促进粉末冶金发展。
并使得粉末冶金技术广泛应用到汽车、航空航天、军工、节能环保等领域。
2 粉末冶金的基本工序
(1)粉末的制取。
目前制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。
机械法是将原材料机械地粉碎，化学成分基本不发生变化。
物理化学法是借助化学或物理作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。
目前工业制粉应用最为广泛的有雾化法、还原法和电解法;而沉积法(气相或液相)在特殊应用时也很重要。
(2)粉末成型。
成型是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。
成型分普通模压成型和特殊成型两类。
模压成型是将金属粉末或混合料装在钢制压模内，通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内压出。
特殊成型是随着各工业部门和科学技术的发展，对粉末冶金材料性能及制品尺寸和形状提出更高要求而产生。
目前特殊成型分等静压成型、连续成型、注射成型、高能成型等。
(3)坯块烧结。
烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。
烧结可分单元系烧结和多元系固相烧结。
单元系烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;多元系固相烧结，烧结温度一般介于易熔成分和难熔成分的熔点之间。
除普通烧结外，还有活化烧结、热压烧结等特殊的烧结方法。
(4)产品的后处理。
根据产品的性能要求不同，一般会对烧结品再进行加工处理。
如浸油、精整、切削攻牙、热处理、电镀等。
3 粉末冶金的优势与不足
粉末冶金的优势：粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行，因此目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造;粉末冶金压制的不致密性，有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等;粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸(不需要机械加工或少量加工)。
材料利用率高，故能大大节约金属，降低产品成本;粉末冶金产品是同一模具压制生产，工件之间一致性好，适用于大批量零件的生产。
特别是齿轮等加工费用高的产品;粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性，此外烧结一般在真空或还原气氛中进行，不会污染或氧化材料，可以制备高纯度材料。
粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如锻造和一些铸造零件，如延展性和抗冲击能力等;产品的尺寸精度虽然不错，但是还不如有些精加工产品所得的尺寸精度;零件的不致密特性会对后加工处理产生影响，特别在热处理、电镀等工艺必须考虑这一特性的影响;粉末冶金模具费用高，一般不适用于小批产品生产。
4 国内粉末冶金行业的趋势
随着我国工业化快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。
此外，随着全球化采购的产业链形成，带给国内零部件企业商机显而易见。
因此，如何把握当前机遇，目前粉末冶金行业应该从以下四方面发展。
(1)进一步提高铁基粉末冶金产品的密度，扩大粉末冶金件对传统锻件的替代范围。
当前，铁基粉末冶金零件的密度为7.0-7.2g/cm3，而国内某企业通过技术改进，用传统的粉末烧结和锻造工艺相结合的办法，用较低的成本把铁基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在这种密度前提下，铁基粉末冶金已经可替代机械、汽车等行业的大多数连接件和部分功能件。
考虑粉末冶金工艺本身对材料的节省和高效特征，此类铁基粉末冶金件的潜在价值空间可达至千亿元。
(2)提高粉末冶金产品的精度、开发形状更复杂的产品。
为机械制造、航天汽车、生活家电等行业的产业结构升级服务。
此方向主要以降低机械重量、节能减耗及将设备小型化、普及化为导向。
如使用注射成型零件几乎不需要再进行机加工，减少材料的消耗，材料的利用率几乎可以达到100%。
(3)进一步合金化，目标为轻量化和功能化。
在铁基粉末中，混入铝、镁及稀土元素等合金粉末，可实现其超薄、轻量化等性能，可广泛地应用电子设备及可穿戴设备等与生活密切相关的领域中。
(4)改善粉末冶金零件的电磁性，目标是对硅钢和铁氧体、磁介质等材料的取代。
以取向硅钢材料为例，硅钢的导电原理是加入硅元素后，材料通过减少晶界的方式降低铁损，特别是取向硅钢，导向方向是一个单一粗大的晶粒。
相比取向硅钢的一维导电方向，粉末冶金零件可以实现多维导电(各个方向)。
目前此技术已被少数企业实现突破，只要不断完善，最终达到工业要求。
这种技术将会广泛在电机设备、汽车及机器人智能控制系统等领域应用。
参考文献：
[1]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工业出版社，1997(2006.1重印).1.
[2]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工业出版社，1997(2006.1重印).7.
粉末冶金生产工艺的发展现状【2】
摘 要：粉末冶金工艺是一种优质的金属成形工艺，创造出多数拥有特殊用途和性能的新型钢材料，这项工艺有着极大的发展空间。
不过传统的粉末冶金工艺所制造生产出来的材料通常都包含一些孔隙在其中，明显的影响了材料的使用性能，而且所能够制造出来的零件的制式复杂性也受到一定的限制，该文针对粉末冶金生产工艺的发展进行研究，提出全高速工具钢完全致密化冶金工艺以及粉末注射成形改善粉末冶金零件制式复杂性限制这两大发展状况进行简述。
关键词：粉末冶金 生产工艺 粉末冶金高速钢 粉末注射成形
粉末冶金具有高效节能、节省材料、保护环境以及能够进行金属成形的批量生产等特点。
而粉末冶金的工艺步骤主要是先制取粉末，然后将粉末原料的配量进行混合，最后将其成形并凝固。
粉末冶金可以根据材料所具有的性能要求以及零件所需使用的性能要求，在一定的'范围当中对材料的成分进行混合[1]。
粉末冶金产业当中所制造生产出来的产品基本上都铁基方面的机械零件。
根据粉末冶金工艺的工艺特点来看，粉末冶金还可以将其制成高熔点的金属，就比如钨和钼这两种高熔点金属，同时也可制成金属陶瓷的材料，像一些质地坚硬的合金以及一些高温材料。
还有多孔材料、假合金、过滤材料、摩擦材料等一系列的材料，这些材料的生产和制造只能够使用粉末冶金的工艺来进行制备和生产，因此粉末冶金工艺完全具有跨越传统冶金工艺的可能性。
在粉末冶金高速工具钢和粉末注射成型这两大冶金工艺发展最为突出。
1 粉末冶金高速钢
粉末冶金新工艺，气雾化的高速钢粉末颗粒进行冷却的速度通常都比较高，而且这些高速钢的粉末颗粒当中也已经不存在偏析的粉末用热情况，和铸锻形成的高速钢相比，具有无偏析、颗粒小、分布均匀;热加工方面的性能较好;可磨性较高;在热处理方面变形比较小;力学性能优异;提升了刀具切削的寿命，真正扩大了其使用的领域和范围等一系列优质的性能。
对粉末冶金高速钢的研究最早起始于20世纪70年代的美国和瑞典的两家著名工业工厂，当时的主要工艺路线使用的是气雾化制粉以及热等静压等相关的技术。
如今粉末高速钢的产量已经占据铸锻高速钢全部产量的10%～15%，国外目前所拥有的，具有代表性的粉末冶金高速钢的生产企业至少有5家，主要有美国、乌克兰、瑞典、法国、奥地利以及日本等国，其中美国在高速钢方面的用量以及远远的超出了普通容量的高速钢[2]。
如今，国外工业企业内的粉末冶金高速钢的产量发展以及达到了第三代的技术水平，此前第一代为20世纪70年代美国和瑞典内的两家企业所投入生产的高速工具钢，而第二代则为1994年，法国高速钢公司以及瑞典的工业企业改进了制备气雾化前钢液的熔炼工艺，这种改进工艺所生产出的产品即为第二代。
第三代就是2000年，由Bohler-Uddeholm集团，进行全线投产，且质量比起第二代还有所加强的高速钢。
在对生产线的钢熔炼工艺方面，对喷粉设备加以改进，同时对由氮气雾化后的粉末颗粒的尺寸进行细化。
正是粉末颗粒尺寸的细化，促使第三代的高速钢在抗弯强度方面比起第二代还要提高到20%以上。
所以，第三代的高速钢在生产工艺方面主要是以微小纯净为主。
2 粉末冶金工具钢
2.1 高钒冷作模具钢
这种钢的类型主要是利用粉末冶金的工艺特点来对冷作工具钢进行开发，其中最主要的区别就是增加合金当的钒含量来提升合金的耐磨性，而第一个被作为高性能耐磨钢材的是CPM 10V，这一类型的钢材在CPM系列的粉末冶金高钒冷作模具钢当中是一种最具代表性的钢材。
在Crucible 集团当中也逐渐形成了含钒高达1%～18%的耐磨工具钢[3]。
这类性能较高的工具钢开始广泛的应用于冷作冲头以及在模具方面，主要适用于耐磨损的方面。
由北京安泰科技公司研发的AHP9VNb2在成本方面对比Microclean K390要低很多，不过在硬度上却和AHP10V相差不多，而抗弯性却提高了10%左右。
2.2 耐蚀耐磨工具钢
在众多制造操作当中，通常工具和其耐磨的部件在承受运动部件或者是其他的一些工作介质的研磨颗粒的接触而出现的磨损情况，一般很容易受到潮湿、酸或者是其他的一些腐蚀性的作用等。
所以，针对这些工作就需要研发出一些高性能的耐磨耐蚀的粉末冶金工具钢。
如表1所示，粉末冶金耐磨耐蚀材料含有约14%～24%Cr，约3%～15%V，约1%～3%Mo，这些材料总和大约117%～3175%C。
2.3 粉末冶金易切削工具钢
粉末冶金的发展主要是为了能够有效的提高工具模材料的可磨削性能，以及降低工具模在加工方面的成本。
通常需要采用添加硫含量的形式来对可磨削性能进行提升，不过如果采用的是传统的铸锻生产法的话，则较高的硫就可能会增加材料的热脆，促使其韧性开始下降的风险出现，针对这些问题，只需使用粉末冶金工艺就能获得很好的解决。
3 粉末注射成型的发展
3.1 粉末注射成型的发展现状
技术注射所生产出的元器件通常应用的领域范围比较广，像在IT、医疗、机械汽车以及通信方面等，都对这类元器件有所应用。
这个不同于MIM在市场产品当中的份额是因地域而异，其中汽车行业在欧洲方面的市场份额大约占据着50%以上，形成了一种主导性的地位，而在北美洲地域应用占据主导的行业则是医疗以及牙科方面的应用。
通过对这些资料的分析，可以看出在汽车方面的应用在往后必将有着相当可观的增长值，主要是在PIM高温汽油和柴油引擎的涡轮减压器等方面。
3.2 粉末微注射成形新工艺
随着工业技术的不断发展，全球对于精细及结构复杂的零部件需求越来越大，因此粉末微注射技术开始推出，其所制备出来的微型零件的质量几乎以毫克来进行统计，同时还保留了传统方面的PIM，所以粉末微注射技术有着批量生产精细复杂形状的微型零部件的重要潜力。
而微注射技术的主要应用领域具体有：(1)化学工具，粉末微注射技术在微化学当中主要制备出作用于微反应器、混合器以及交换器等微流体的装置等[4]。
(2)在医学方面的应用，在医学上主要是用于制备微型的人骨结构、微型的外科仪器组件以及牙科微型元件等等医疗方面的器具。
(3)共注射成型方面，可用于共注射成形领域。
可以将磁性材料和非磁性材料以及硬性、软性材料、导电和绝缘材料等有效的结合起来。
(4)微型零部件，主要是一些微型的机械零件，像一些小齿轮、叶轮或者是拉伸部件等。
4 结语
综上所述，粉末冶金生产工艺的发展主要分为粉末冶金高速工具钢和粉末注射成型这两大冶金工艺发展类别，这两种冶金工艺发展类型经过多年的探索和研究，如今已经趋于完善，并广泛的运用在各个行业领域当中。
参考文献
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[3] 皮自强，路新，贾成厂，等.喷射成形高速钢的研究进展[J].粉末冶金技术，2013(5)：379-384.
[4] 孙世清.T15M粉末高速钢的深冷处理[J].材料热处理学报，2013(1)：108-111.
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