日本下一代粉末冶金技术简介

第３１卷第２期　２０１３年４月　粉末冶金技术　

Ｐｏｗｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．２０１３　

日本下一代粉末冶金技术简介　贾成厂　（北京科技大学新材料技术研究院，北京１０００８３）　

摘要：　针对金砖四国的经济显著增长，为了保持制造技术的优势，创新科技的发展，日本对传统的技术进　行改进，推动技术的进步与产业的创新，提出了创新性粉末冶金技术，主要包括：净成形技术、无模成形技术、　节能烧结技术以及与其他加工技术的融合。应解决的技术问题主要有：制造高品质、高附加值材料的技术，先　进的技术设计和制造工艺，应对社会需求和制约因素的技术，支撑材料创新的技术基础等。具体地，例如实现　新功能的新材料技术，能够进行先进生产的技术，实现高品质、高附加值的新工艺，与新用户领域相对应的新　材料、新制品，优化设计、制造工序的智能化、信息化技术，支撑高品质、新功能的评价技术，人才培养，产学研　结合等。有些值得我们借鉴。　关键词：粉末冶金；技术；创新性　

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｎｅｘｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ　

Ｊｉａ　Ｃｈｅｎｇｃｈａｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ａｌｌｕｓｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｇｒｏｗｔｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＢＲＩＣｓ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｎｅａｒ　ｎｅｔ　ｓｈａｐｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｍｏｌｄ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｓｏｌｖｅｄ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｖａｌｕｅ　ａｄｄｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｐｉｎｇ　ｓｏｃｉａｌ　ｎｅｅｄｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｂａｓｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ．Ｆｏｒ　ｉｎｓｔａｎｃｅ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｎｅｗ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎｅｗ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｖａｌｕｅ　ａｄｄｅｄ，ｎｅｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｎｅｗ　ｕｓｅｒｓ，　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉ２ａｔｉ０ｎ　ｆｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｎｅｗ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ　ｔｒａｉｎｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｕｎｉｔｓ　ｅｔｃ．Ｓｏｍｅ　ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ａｂｏｖｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　

粉末冶金技术是指使用金属或非金属粉末为原　料，混合添加剂后填充模具，经压制成形（粉末压　坯），并烧结而得到制品的技术。在粉末冶金领域，　新的技术与新材料不断涌现。粉末冶金技术生产的　零部件产品广泛地应用于汽车、信息设备以及家电　

等领域，具有一系列的优点，有些是其他加工方法所　不能实现的。近年来，高性能、多功能、高强度、复杂　形状的零部件的批量生产在快速发展。制造业原本　是日本的一个强项，但近年来，经济显著增长的金砖　四国（巴西、俄罗斯、印度、中国）的制造技术已经取　

贾成厂（１９４９一），男，博士，教授，博士生导师。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｃｈｃ＠１２６．ｃｏｍ　收稿日期：２０１２—０９—２７　粉末冶金技术　２０１３年４月　得了迅速发展。　在这种形势下，为了保持制造技术的优势，创新科　ｌ　下一代粉末冶金新技术　技的发展，就有必要对传统的技术进行改进，以推动技术　日本下一代创新性粉末冶金技术如图１所　的进步与产业的创新　。创建一个体现粉末冶金未来　示　。　的路线图，说明日本下一代的创新性粉末冶金技术。　

用户需求　（Ｉ）能够与金砖四国相竞争的低价格，　超越欧美的高可靠陛、高精度产品　

但）高强度、复杂形状、多功能性　生　墅　金属资源的价格嗽、环境的对应、人　的培养、技术的传承、工序的缩短　

将来的技术　（１）净成形技术；（２）无模成形技术；　（３）节能烧结技术；（４）与其他材料加工技术的融合　

图１　日本下一代创新性粉末＞台金技术　Ｆｉｇ．１　Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｎｅｘｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ　

１．１净成形技术　粉末冶金工艺能够制备其他加工方法所不能得　到的材料与制品，粉末的形状控制与复合化技术无　疑是十分重要的。成形模具中表面处理技术的提　高、高智能化的模具设计、充分利用数据库的模拟、　均匀填充状态的验证、烧结工序中温度与气氛的模　拟及测量控制等，都是获得复杂形状、薄壁轻量、高　性能制品的重要因素。　１．２无模成形技术　不使用模具的成形，例如根据三维ＣＡＤ／ＣＡＭ　数据的光造型、粉末板片的叠层、快速原型技术、喷　墨成形技术等，有望在多品种、小批量的生产中得到　应用，也有助于缩短交货时间与节约资源。　１．３节能烧结技术　烧结时间的缩短是十分重要且必要的。对高速　烧结工艺，如高频加热、通电加热、毫米波加热等进　行了研究，已实现了短时间烧结。今后，高效率化与　连续化仍是需要研究的课题。　烧结技术与余热转换直接供电的技术相组合也　是很重要的。为此，期待着比已有材料更好的高效　率热电转换材料与器件的开发。　１．４与其他加工技术的融合　与其他加工技术以及这些加工技术所制造的材　料进行融合，获得新的功能，进一步提高制品的形状　复杂程度、精度与性能。　

２应解决的技术问题　２．１　制造高品质、高附加值材料的技术　２．１．１　实现新功能的新材料技术　首先，从原料粉末着眼，需要开发高熔点、超微　第３１卷第２期　贾成厂：日本下一代粉末冶金技术简介　１４７　细、非平衡、超高纯粉末的制造技术，对粉末表面的　修饰、表面处理及复合化技术。例如，为了开发具有　优异的磁性能、耐蚀性、耐热性的部件，降低烧结温　度，控制烧结体的微观组织结构，采用非晶、非平衡　的原料粉末是十分重要的。　２．１．２能够进行先进生产的技术　对于高速成形，伴随着更高的精度，原料粉末必　须能够高速填充模具，需要开发提高粉末流动性及　促使模具内空气顺利排出、提高置换空气速度的技　术。因此，能够承受高速成形的模具设计、考虑了空　气逸出间隙的高精度设计、润滑剂的开发、模具的温　度管理等，都是十分重要的。而且，还必须有原料粉　末供给方式的方案与高速成形压机。　高速烧结与现在的对应于大量生产的常规烧结　技术不同，是能够对应于少量生产的烧结技术，需要　快速加热，且连续、高效率。　２．１．３　实现高品质、高附加值的新工艺　数控压制技术作为复杂形状零件的成形技术，　其中原料粉末的填充、成形精度的自动校正等，是非　常重要的。今后，希望有已有技术的提升与新技术　的开发。对于小型复杂形状的零部件，已经有了金　属粉末注射成形（ＭＩＭ）与快速原型技术等。　此外，在烧结方面，开发了除了施加温度之外，　还施加压力、磁场、电流、电磁波等进行烧结的新工　艺。由于能够降低烧结温度，所以期待着在高熔点　材料与难烧结材料领域有大的发展。　２．１．４与新用户领域相对应的新材料、新制品　粉末冶金零部件已经在汽车、信息　机械、家电　等领域得到广泛应用。今后，需要进一步提高性能，　并向小型化迈进，追求低成本、高质量、且高速生产　的技术。例如，注射成形领域的微注射成形技术。　另一方面，为了使粉末治金工艺适用于轧辊、模具、　轴承等更为广泛的材料的制造工序，需要开发大型　材料的烧结技术。　２．２先进的技术设计和制造工艺　２．２．１　优化设计、制造工序的智能化、信息化技术　对成形工序中原料粉末颗粒的行为进行模拟，　探明影响致密化、密度均匀性的因素，由此决定最佳　成形条件。另一方面，由计算机预测成形、烧结工序　中所发生的变化，能够在短时间内获得最佳工艺参　数，制备出无缺陷的制品。　２．２．２设计数据的即时制品化技术　如１．２一节中记述的无模具成形技术。　２．２．３支撑高品质、新功能的评价技术　粉末冶金的干燥、预烧、烧结等制造工序中，发　生的变形与裂纹是我们所不希望的。通常是通过原　料粉体的粒度调整、粘结剂与烧结助剂等原料的选　择与用量调整，预先从研究与开发单元得到不产生　裂纹等缺陷的工艺条件。　２．３应对社会需求和制约因素的技术　通常，在汽车发动机部件、驱动系统部件、信息　设备以及家电等制品，硬质合金、稀土永磁等粉末冶　金零件中使用ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ以及Ｎｄ等稀有金　属。少量稀有金属的添加能够大幅度提高材料的性　能，在合金材料中应用广泛。但是，稀有金属的资源　相对短缺、分布不均匀、需求量在增加，所以，将来可　能会是不稳定资源。作为对策，有必要开发充分利　用资源相对丰富的Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ等，取代稀有金　属的技术。还有，应该尽量延长含稀有金属材料的　使用寿命，且对已经报废的含稀有金属材料，要进行　稀有金属的分离与回收。从合金设计的观点，就应　该有所考虑。　作为环境对策，还急需开发不使用Ｐｂ、Ｈｇ、Ｃｄ、　Ｃｒ”等的材料。　此外，在粉末冶金的干燥、脱脂、烧结等工序中，　大量消耗着电力与热能。为了降低能耗，必须开发　节能技术。　２．４支撑材料创新的技术基础　２．４．１规格化、标准化　粉末冶金领域追求高致密化、高强度、多功能材　料的开发，但与此同时，压坯的特性评价、烧结体的　面压疲劳强度、磁性能等评价方法的确立，以及基于　这些评价方法的基本数据的收集、数据的规格化等，　都是十分必要的。　金属粉末注射成形能够对应多种材料，其应用　领域也有希望进一步扩大。但是，由于是比较新的　产业，所以其基础材料特性的标准化等尚不完善，这　也在一定程度上影响了其对市场的进入。为了确保　ＭＩＭ制品的可靠性，有必要确立对ＭＩＭ材料的冲击　强度、疲劳强度、耐蚀性、磁性等的评价方法，以及基　于这些评价方法的基本数据的收集。　而且，今后粉末冶金制品对应全球供应的可能　性越来越高，作为高质量制品供给源的日本，其作用　也越来越重要。从这种意义上讲，粉末冶金制品不