粉末冶金原理综述

中南大学

粉末冶金原理综述

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2015年11 月12日

粉末冶金原理综述

一、前言

粉末冶金是一门制造金属粉末，并以金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）为原料，经过混合成形和烧结生产金属材料、复合材料和各种类型制品的冶金工程与材料科学和机械零件制造技术。它包括两部分内容：制造金属粉末（也包括合金粉末，以下统称“金属粉末”）；用金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）作原料，经过混合、成形和烧结，制造材料（称为“粉末冶金材料”）或制品（称为“粉末冶金制品”）。近些年来, 由于一些新技术的兴起, 如机械合金化、粉末注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等, 使得粉末冶金材料和技术得到了各国的普遍重视, 其应用也越来越广泛。目前, 粉末冶金技术正向着高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向发展。

粉末冶金最突出的优点有两个：一是能够制造目前使用其他工艺无法制造或难于制造的材料和制品，如多孔、发汗、减震、隔音等材料和制品，钨、钼、钛等难熔金属材料和制品，金属-塑料、双金属

等复合材料及制品。二是能够直接制造出合乎或者接近成品尺寸要求的制品，从而减少或取消机械加工，其材料利用率可以高达95%以上，它还能在一些制品中以铁代铜，做到了“省材、节能”。

二、粉末冶金特点

粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。

（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（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）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、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。

（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效

地降低生产的资源和能源消耗。

（6）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。三、粉末冶金的生产过程

（1）生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合

等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。

（2）压制成型。粉末在500~600MPa压力下，压成所需形状。

（3）烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于

金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。

（4）后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于

某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。

粉末制造方法主要有物理化学法和机械粉碎法两大类。前者包括还原法、电解法和羰基法等；后者包括研磨法和雾化法。还原法是用还原剂把金属氧化物中的氧夺取出来，从而得到金属粉末的一种方法。还原剂是指能够夺取氧化物中氧的物质。制取金属粉末所用的还原剂，是指能够除掉金属氧化物中氧的物质。就金属氧化物而言，凡是与其

中氧的亲合力大于这种金属与氧的亲合力的物质，都称其为这种金属氧化物的还原剂。粉末还原退火的目的主要有以下三个方面：去除金属粉末颗粒表面的氧化膜；除掉颗粒表面吸附的气体和水分等异物；消除颗粒的加工硬化。

为了满足对粉末的各种要求，也就要有各种各样生产粉末的方法，这些方法不外乎使金属、合金或者金属化合物从固态、液态或气态转变成粉末状态。在固态下制备粉末的方法包括从固态金属与合金制取金属与合金粉末的有机械粉碎法和电化腐蚀法从固态金属氧化物及

盐类制取金属与合金粉末的有还原法，从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的有还原化合法。。在液态下制备粉末的方法包括：从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法；从金属盐溶液臵换和还原制金属、合金以及包覆粉末的臵换法、溶液氢还原法；从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法；从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法；从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法；从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法。在气态下制备粉末的方法包括：从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法；从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法；从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法；从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法。

但是，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。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。用于粉末冶金的粉末性能测定一般有三项：化学成分、物理性能和工艺性能。用于粉末冶金的粉末物理性能主要包括以下三项：粉末的颗粒形状；粉末的粒度和粒度组成；粉末的比表面。用于粉末冶金的粉末工艺性能主要包括以

下五项：松装密度；振实密度：流动性；压缩性；成形性。

由于粉末的制取方法不同，其颗粒形状也不同。大体有不规则状、片状、多面体状、树枝状、粒状、球状、滴状、纤维状。粉末的粒度范围是指在两个规定的粒度之间变动的粉末颗粒的粒度。如果某粉末的粒度范围为-80+150目，就是说这些粉末的粒度等于或小于80目，而大于150目。换句话说就是，这些粉末通过了80目筛，而却通不过150目筛。

四、世界粉末冶金的发展现状

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%。现粉末冶金机械零件生产企业，西欧约100家，北美约140家(含内制厂30家)，日本约45家。

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。现状汽车上使用的粉末冶金零部件日趋增多，它可分为两类，一类是只能用粉末冶金法，而不能用其他方法制造的，如含油轴承、摩擦零件、多孔性金属制品、硬质合金及难熔金属制品等；另一类是烧结机械结构零件，虽可用铸造、锻造、冲压、机械加工等传统工艺制造，但采用粉末冶金法制造比较经济合理。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。尽竹我国的汽车产量居世界第4位，但汽车行业对粉末冶金制品的使用和发达国家相比有很大差距。

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。

特殊的粉末成形方法主要有以下五种：等静压成形；连续成形；无压成形；高能成形；注射成形。通过混粉，可使性能不同的粉末组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结，保证制品的材料均匀，性能稳定。混粉时间须根据对于粉料的具体要求和设备情况而定。时间

过短，混合不均匀；而时间过长则会产生许多不利因素，如铁、铜等金属粉末会产生加工硬化，也会使颗粒形状和粒度分布发生变化。

制造粉末冶金模具主要零件要根据其具体使用情况，对材料的耐磨性、加工性、成本等项因素，进行综合考虑，合理选择。其硬度必须达到HRC55以上。选用碳素工具钢、合金工具钢和硬质合金等，均能满足硬度和强度方面的要求。

阴模和芯棒可采用碳素工具钢（T10A、T12A等）、合金工具钢（GCr15、Cr12、9CrSi、Cr12Mo、Cr12W、Cr12MoV、CrWMn、CrW5），高速钢（W18Cr4V、W9Cr4V、W12Cr4V4Mo），硬质合金（钢结硬质合金、YG15、YG8）；冲头可采用碳素工具钢（T8A、T10A），合金工具钢（GCr15、Cr12、9CrSi、Cr12Mo、CrWMn、CrW5）；压套可采用合金工具钢（GCr15、9CrSi、Cr12、Cr12Mo、CrWMn、CrW5）。

压制批量大的压件，须采用耐磨性好的材料，如高速钢、硬质合金等；压制批量小的压件，可采用碳素工具钢等廉价材料。压制形状复杂的压件，要用合金工具钢等易加工且热处理变形小的材料；压制铜、铅等软金属粉末，宜用碳素工具钢或合金工具钢；压制钨、钼等硬金属粉末材料，以及硬质合金、摩擦材料，须采用硬质合金材料。压制高密度压件，应采用耐磨性好的材料；对于高精度压制模，宜选用耐磨材料，且要尽可能选用硬质合金。粉末冶金压制模各主要零件的处理硬度是：阴模，要求钢件为HRC60-63，钢结硬质合金HRC64-72，硬质合金件为HRA88-90；芯棒，要求为HRC60-63，细长芯棒硬度可适当降低，机动芯棒连接处局部硬度为HRC35-40；冲头，要求为HRC56-60；压套，要求为HRC53-57。保护套，不进行热处理；或进行调质处理，硬度为HRC28-32。

烧结是粉末冶金的主要工序之一。一般是把粉末或压坯加热到其主要成分熔点的2/3～4/5的温度，使其颗粒间发生粘结等物理化学过程而成为具有所要求的材料或制品的工艺过程。烧结保护气氛一般为还原性或中性气体，如氢气、分解氨、一氧化碳、氮气和真空等。

多孔是粉末冶金材料的重要特点之一。利用这一特点，可以：制造发汗材料。即在普通粉末冶金材料孔隙中含浸低熔点物质，在高温工作时，含浸物熔化渗出，使材料“发汗”散热。这样即可用普通材

料替代昂贵的耐热合金，又进一步提高耐热零件的使用温度；制造过滤材料。用以滤气、滤液和滤毒等；含浸减磨剂，制造含油和无油润滑轴承；含浸香料，制造含香工艺品等；在某些情况下用铁来代替铜、铅等有色金属。；制造减振、消音、绝热等材料；增加材料比表面，用其充当物质的载体（如携带催化剂等）。

五、粉末冶金发展趋势、

（1）发展粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。重点是超细

粉末和纳米粉的制备技术，快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术，机械合金化技术，自蔓延高温合成技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。

（2）建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及

其过程模过程理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。

（3）建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程

模拟技术。如热等静压、拟热等静压、烧结－热等静压、微波烧结、高能成形等。

（4）粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的

孔隙特性、界面问题及强韧化机理的研究。

现阶段我们发展现代粉末冶金具有重大的战略意义。在节能节材、提高性能和提高劳动生产率和环保等方面可以发挥巨大作用，同时作为特殊材料和高性能材料的制备技术促进了国防工业和技术产业的

发展；在传统材料界可能会引起一系列工艺过程的革命；它的出现和发展将赋于材料科学和冶金科学更丰富、更深刻的内涵。