粉末冶金

粉末冶金 摘要 本文主要介绍了粉末冶金技术。随着新工艺、新技术新材料的发展和基础理论研究的深入，通过对预合金粉末的制备方法与生产工艺研究，用预合金粉末生产的产品的应用以及在冶金工业中的展望进行综述。我国粉末冶金工业水平与发达国家相差甚远，部分预合金化粉末是用来生产轿车用粉末冶金结构件的基础粉末之一，因此部分预合金钢粉的研究、生产和发展对于我国粉末冶金工业的发展有着极其重要的意义。最后对预合金粉末的应用及发展方向做了总结。

关键词：粉末冶金；预合金粉末；冶金工业 1.绪论 粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制与成形、烧结和必要的后续处理制取金属和制品的科学技术。粉末冶金还是一门制造各种机械零件的重要而又经济的成形技术。粉末冶金是用金属粉末作为原料，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过程[1]。 粉末冶金技术起源于远古，一些国家的考古学资料表明，早在纪元前，人们在原始的炉子里用碳还原铁矿，得到海绵铁块，在进行锤打，制成各种器件。十九世纪初叶，用粉末冶金法制得海绵铂粉，经冷压，再在铂熔点温度的三分之一左右进行加热处理，然后进一步锻打成各种铂制品。以后，随着冶金技术的发展，十九世纪中叶出现了熔炼法制造各种金属材料。由于熔炼法能大批量生产钢铁和有色金属，加上机械加工工业的不断发展，经典的粉末冶金工艺逐渐被熔铸法取代。到了二十世纪初，粉末冶金工艺又 重新受到重视，并且在本世纪得到了十分迅速的发展。 目前，采用粉末冶金工艺可以制造板、带、管、丝等各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮轴套类等各种零件；可以制造重量仅百分之几的小制品，也可以用热等静压法制造近两吨的大型坯料。粉末冶金工艺已成为当今世界各工业发达国家都十分重视的课题。粉末冶金工艺能够生产许多用其他方法所不能生产的材料和制品。如许多难容材料，至今还只能用粉末冶金方法来生产。还有一些特殊性能的材料，如互不溶解的金属或金属与非金属组成的假合金（铜-钨、银-钨、铜-石墨），这种假合金具有高的导电性能和高的抗电蚀稳定性，是制造电器触头制品不可缺少的材料。再如，粉末冶金多孔材料，能够通过控制其空隙度、孔径大小获得优良的使用特性等等。 粉末冶金法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越：（1）高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善；（2）生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例如，钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。从制造机械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切削、无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如，粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等等。但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成型技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等 等。 粉末冶金在解决材料领域问题的范围是很广泛的。就材料成分而言，有铁基粉末冶金、有色金属粉末冶金、稀有金属粉末冶金等。就材料性能而言，既有多孔材料，又有致密材料；既有硬质材料，又有很软的材料；既有重合金，也有很轻的泡沫材料；既有磁性材料，也有其他性能材料。就材料类型而言，既有金属材料，又有复合材料。复合材料广义地说，包括金属和金属复合材料、金属和非金属复合材料、金属陶瓷复合材料、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。 粉末冶金技术具有节材、节能、低成本、可大批量模压成形出具有近终形状和尺寸精度的零件等特点，在机械、航空，特别是汽车、摩托车和家电行业中得到了广泛应用。随着粉末冶金制品企业的大量增加，钢铁粉末产品的品种越来越细化，一个重要发展趋势是，粉末生产企业针对市场对某类/种特定产品的需求或直接按用户设计的材料成分进行粉末的研究和生产，向用户交付预混合粉，用户开箱即可使用。 我国粉末冶金工业是在解放后才发展起来的，经过三十年得努力，硬质合金的生产规模已居世界前沿；钨、钼、铌等难熔金属生产已有一定基础；永磁合金、铁氧体磁性材料、膜材材料等均已具有较大的批量生产能力；测试技术日臻完善。国内为发展这一工艺技术，成立了许多研究机构和学术团体，高等学校设置了专业，每年为国家输送专门技术人才。这一切说明，我国粉末冶金工业从无到有，已经初具规模，成为国民经济的有机组成部分。充分发挥粉末冶金工艺突出的高校，优质、低耗的优势，以及投资生，扩大再生产快，适于研制各种新材料，新产品等特点，我国粉末冶金工业今后将已更快的速度向前发展[2]。 为了满足国民经济对粉末冶金的日益增长的需要，必须进一步扩大粉末冶金材料和制品的生产，改进生产工艺，提高产品质量。同时还必须大力进行实验研究，发展新的技术，解决各种特殊的结构材料、功能材料和复合材料的关键科学技术问题，创造新的材料的要求越来越高。例如，航空、航天和火箭技术对高温材料提出了新的要求。弥散强化粉末超合金、新的纤维强化复合材料都是新时代要求的材料。就像当年硬质合金的出现使机械加工产生了革命性的进展一样，粉末冶金在各种特殊的结构材料、功能性材料和复合材料的应用、改进上将发挥其特有的作用。粉末冶金在今后将大有发展。随着新工艺、新技术新材料的发展和基础理论研究的深入，粉末冶金将呈现出一个新的局面。

2.完全预合金粉简介 该种粉末的生产是将合金元素(镍、铝、铜、铬、锰等)在钢水冶炼过程或雾化前与铁熔融，采用高压水雾化技术生产而成。它的主要优点是：1）能更有效地利用合金元素；2）粉末颗粒组成中合金元素分布及显微结构均匀，具有高的强度和好的耐磨性。用预合金钢粉生产的材料比用扩散型合金钢粉或无偏析混合粉生产的材料显微结构均匀，具有更高的硬度和尺寸稳定性。 在预合金钢粉生产中所加合金主要是为了提高材料机械性能。添加Ni能提高粉末冶金材料强度，如添加1.5% Ni能提高材料的抗拉强度150 N/mm2；镍含量增加，其材料抗拉强度会更高；添加Mo能有效提高铁基粉末性能，因Mo在钢水冶炼过程中能更有效地溶入铁中进行合金化，因此在生产高压缩性预合金钢粉时Mo被作为首选合金元素。其代表产品有含0.85% Mo、1.5% Mo的预合金钢粉。该种粉末美国赫格纳斯公司和瑞典赫格纳斯公司均大批量生产，其牌号分别为Ancorsteel 85 HP和Astaloy 85 Mo、Ancorsteel 150 HP和Astaloy Mo。Ancorsteel 85 HP和Ancorsteel l50 HP水雾化预合金钢粉添加4.0% Ni、1.0% Cu和石墨(使烧结后 碳含量约0.5%) ，在600 MPa压力下压制压坯，1120℃时烧结，冷速l ℃/sec时烧结密度可达7.15 g/cm3，烧结材料抗拉强度可达950 N/mm2；在1316℃烧结时，密度增加0.1 g/cm3，强度达到1100 N/mm2。 过去预合金钢粉生产主要以添加Ni、Mo合金为主，这是因为Ni、Mo合金与氧的亲和力小且不易氧化，但是Ni、Mo是贵重金属，价格高，Cr、Mn虽然价格低，用少量的Cr、Mn合金就能达到改进烧结坯机械性能的目的，但是Cr、Mn与氧的亲和力大，在水雾化过程中易氧化且在氢气条件下很难还原，由此限制了Cr、Mn合金在预合金粉生产中的应用。 对于含Cr、Mn预合金钢粉的生产，粉末氧化是必须首先解决的大问题。起初Sumitomo metal用油作为雾化介质，虽能解决这一问题，但生产成本高，产品价格没有竞争力。川崎制铁是用水雾化真空退火工艺生产Fe-Cr-Mn预合金钢粉，该种类型粉末氧含量低，如KIP4100VS就是用这种工艺生产的，其粉末含0.001% N、0．10% O、0.02% C；在690 MPa压制压力下生坯密度可达7.15 g/cm3，烧结件抗拉强度824 MPa，再经过热处理后，抗拉强度可达1270 MPa。目前川崎制铁用真空退火工艺生产的水雾化预合金钢粉主要有Fe-Cr-Mn、Fe-Cr-Mo系列产品，年产量超过2000吨。 合金元素能以不同的组合来提高烧结钢材料的淬透性，如，锰对淬透性的影响效果最显著，其次是钼、铬、镍。采用淬透性系数较高而且价格低廉的锰和铬代替一定量的钼和镍是烧结硬化工艺用合金钢粉研究的新方向，加拿大魁北克金属粉末公司开发的水雾化预合金钢粉ATOMET-4701粉含0.45% Mn、1.0% Mo、0.9% Ni、0.45% Cr，是专为烧结硬化工艺设计的[3]。

3.部分预合金钢粉简介 部分预合金化粉末是将高压缩性的水雾化铁粉或还原铁粉与微细的合金元素粉末均匀混合在高温还原气氛中扩散处理后，使后者粘接到铁粉颗粒表面上，并在接触面上产生一层薄的扩散层。由于各种合金元素仅是部分预合金化，所以保持了铁粉的高压缩性，又使合金元素和组织结构的分布更加均匀，改善了材料的力学性能，从而获得具有最好冲击、拉伸和疲劳性能的烧结材料，可用来制造高强度的烧结钢结构件，同时在价格上也要比水雾化预合金钢粉便宜。该粉末在以后的储运和加工中还可以减少合金元素的偏析和沉积，使制造出的零件之间有稳定的尺寸变化，从而遇有高的尺寸精度。这对烧结后不能进行整形的中、高强度结构钢零件尤为重要[4]。 由于历史原因，我国在生产中、高强度结构钢零件方面不如发达国家[5]，我国许多从外国引进汽车上用的粉末冶金机械结构钢零件都是外国生产的。我国引进汽车上的粉末冶金结构件急待国产化。 部分预合金化粉末是用来生产中、高密度铁基结构件的一种基础粉末，故该粉末的研究、生产和发展无疑是解决我国引进汽车用粉末冶金结构件国产化问题的一条途径，对于我国争取与外国汽车工业同步发展具有十分重要的意义 预合金粉末具有混合粉末所不具备的优越性能，在金刚石工具制造业及粉末冶金业的应用越来越广泛。目前，世界上大多数金刚石锯片、取芯钻头及其它天然石材和建材加工工具的制造商在产品制造过程中，除纯钴外，均使用相当比例的预合金粉末[6]。

4无偏析混合粉末 无偏析混合粉是用粘结化处理混粉工艺生产的。该种混粉工艺是20世纪80年代研究开发出的一种制备高性能待压混合粉的新工艺。混粉时加入一种特定的粘结剂，可使混合粉中的各种添加元素均匀分散且固定在基体铁粉上，减少粉末污染和成份偏析，少或无碳损失，提高粉末流动性、模具填充性、质量控制能力和粉末压缩性及生坯强度等；减少零件的尺寸变化程度和减少待压粉末化学成分的波动，从而减少了粉末冶金零件内部和零件之间的物理性能差异。 粘结化处理混粉工艺不同的企业采用的粘结剂和技术工艺是不同的，但其目的是一致的。如美国赫格纳斯公司采用的是粘结剂ANCORBOND商标混粉技术；瑞典赫格纳斯公司的粘结化处理混合粉命名为STARMIX；日本神户制钢使用粘结化处理混合粉命名为Segregation-lesspowder；加拿大魁北克粉末公司使用粘结化处理混合粉命名为FLOMET-Powder。 粘结化处理混合粉中的添加剂，特别是润滑剂也是近几年研究的重点。新开发的具有增强润滑作用的润滑剂取代传统的硬脂酸锌，不仅增加了润滑效果，降低了润滑剂的添加量，提高压缩性和压坯强度，降低脱模力，而且烧结环境比用硬脂酸锌要洁净的多。 Fe-C、Fe-Cu-C、Fe-Ni-Mo-Cu-C系无偏析混合粉，是针对国内制品厂近年的发展需要而研制出来的开包即用型粉末。铜、石墨和硬脂酸锌含量根据用户的要求进行配比，采用无偏析混合技术混合，用户开包即用，并且在使用过程不产生偏析和石墨的飞扬。