1粉末冶金歷史

粉末冶金是一門古老的冶金技術(shù)。在2500多年前就已用海綿鐵鍛造法制造鐵器了。19世紀(jì)后期至20世紀(jì)初，用粉末冶金方法制取了鉬、鉭、鈮等難熔金屬。20世紀(jì)初，用粉末冶金技術(shù)研制成功了硬質(zhì)合金、多孔性金屬含油軸承、鎢-銅、鎢-銅-鎳復(fù)合材料等。隨著20世紀(jì)40年代，歐洲開始工業(yè)生產(chǎn)鐵粉。含油軸承的發(fā)明、硬質(zhì)合金的生產(chǎn)推動了粉末冶金在機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。

2.粉末冶金原理

粉末成形是指將金屬粉末或非金屬粉末(或混合粉末)通。生產(chǎn)金屬粉末和用金屬粉末（也包括非金屬粉末）作為原料經(jīng)過過壓制、燒結(jié)，制成具有一定形狀、尺寸、強(qiáng)度的金屬材料、復(fù)合材料和各種類型制品的冶金工程與材料科學(xué)和機(jī)械零件制造技術(shù)。

粉末冶金技術(shù)具有如下特點：

·某些特殊性能材料的唯一制造方法；

·可直接制出尺寸準(zhǔn)確，表面光潔的零件；

·能夠大量節(jié)約材料、無切削、少切削，普通鑄造合金切削量在30-50%，粉末冶金產(chǎn)品可少于5%；

·節(jié)約材料和加工工時，成本低；

·制品強(qiáng)度較低；流動性較差，形狀受限制；

·壓制成形的壓強(qiáng)較高，制品尺寸較小；

·壓模成本較高。

粉末冶金技術(shù)主要包括原始粉末制備、成型和燒結(jié)等幾個主要工序，如圖1所示。

圖1 粉末冶金技術(shù)流程圖

2.1 粉末制備

①機(jī)械法：通過機(jī)械破碎、研磨或氣流研磨方法將大塊材料或粗大顆粒細(xì)化的方法；

②物理法：采用蒸發(fā)凝聚成粉或液體霧化的方法使材料的聚集狀態(tài)發(fā)生改變，獲得粉末；

③化學(xué)法：依靠化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)過程，生成新的粉態(tài)物質(zhì)。

2.2 成型技術(shù)

粉末成形技術(shù)是粉末冶金工藝的重要步驟，其粉末成形的目的是制得具有一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的壓坯。粉末冶金技術(shù)常用的成形方法如圖2所示。其中模壓成型四最基本的方法。

圖2 粉末冶金技術(shù)主要成型方法

2.3 燒結(jié)技術(shù)

粉末燒結(jié)是將壓坯置于基體金屬熔點以下溫度（約0.7~0.8T，單位K）加熱保溫，粉末顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強(qiáng)化；依靠熱激活作用，原子發(fā)生遷移，粉末顆粒形成冶金結(jié)合，最終獲得所需材料。

燒結(jié)技術(shù)和成型技術(shù)是粉末冶金技術(shù)的二個關(guān)鍵步驟。

粉末燒結(jié)技術(shù)定義：壓坯置于基體金屬熔點以下溫度（約0.7~0.8T，單位K）加熱保溫，粉末顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強(qiáng)化，這一過程稱為燒結(jié)；

粉末冶金技術(shù)目的：依靠熱激活作用，原子發(fā)生遷移，粉末顆粒形成冶金結(jié)合；提高燒結(jié)體的強(qiáng)度；

粉末冶金技術(shù)原理：粉末在熱激活狀態(tài)下，表面能降低，導(dǎo)致空隙減小，密度增大，強(qiáng)度增加；

粉末冶金技術(shù)影響因素：燒結(jié)溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度。

2.4 后處理技術(shù)

后處理技術(shù)是對粉末冶金工藝獲得的零部件進(jìn)行如精整、浸油、機(jī)加工、熱處理及電鍍處理，從而獲得滿足實際要求的粉末冶金零部件。目前主流的后處理技術(shù)包括熱處理、熔滲及浸漬工藝等。

3. 金屬粉末3D打印

3D打印技術(shù)，就是在計算機(jī)中將3D CAD模型分成若干層，通過3D打印設(shè)備在一個平面上按照3D CAD層圖形，將塑料、金屬甚至生物組織活性細(xì)胞等材料燒結(jié)或者黏合在一起，然后再一層一層的疊加起來。通過每一層不同的圖形的累積，最后形成一個三維物體金屬零件3D打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。

金屬粉末3D打印技術(shù)具有如下技術(shù)特點：

·數(shù)字制造：由零件數(shù)字模型直接驅(qū)動材料的堆積過程，可快速、高效和精確地再現(xiàn)三維模型；

·降維制造（分層制造）：在三維空間中進(jìn)行二維加工、三維堆疊，加工柔性極高、可加工極為復(fù)雜的零件；

·堆積制造：零件所有部分都通過材料的受控堆積成形，可對各個位置的材料和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；

·直接制造：材料的制備過程可與零件的成形過程一體化，可解決難加工材料的成形問題；

·快速制造：省去了鑄錠、開坯、鍛造、初加工等傳統(tǒng)工序，快速獲得近凈成形的零件。

圖3為采用金屬粉末3D打印技術(shù)制備的金屬材料零部件。

圖3金屬粉末3D打印技術(shù)制備的金屬材料零部件

4.粉末冶金工藝的應(yīng)用

4.1 機(jī)械零部件

粉末冶金工藝制備的機(jī)械零部件主要包括：

·減磨材料：多孔含油軸承、金屬塑料減磨材料、致密減磨材料；

·機(jī)械零件：鐵基機(jī)械零件、有色金屬機(jī)械零件；

·摩擦材料：鐵基摩擦材料、銅基摩擦材料；

·多孔材料：過濾器、流體分布元件、多孔電極、發(fā)散發(fā)汗材料、吸音材料、密封材料

圖4 粉末冶金工藝制備的發(fā)動機(jī)零部件

4.2 工具材料

粉末冶金工藝制備的工具材料主要包括：

·硬質(zhì)合金：含鎢硬質(zhì)合金、無鎢硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金；

·超硬材料：立方氮化硼、金剛石工具；

·陶瓷工具材料：

·粉末高速鋼。

圖5 硬質(zhì)合金刀具

4.3磁性材料和電工材料

粉末冶金工藝制備的磁性材料和電工材料主要包括：

·磁性材料：軟磁材料、硬磁材料、高溫磁性材料、矩磁鐵氧體、旋磁鐵氧體；

·電接觸材料：電觸頭材料；

·電熱材料：

圖6 磁性電工材料元器件

4.4 耐熱材料

粉末冶金工藝制備的耐熱材料主要包括：

·粉末超合金：

·難熔金屬及其合金：

·金屬陶瓷：高溫金屬陶瓷、高溫涂層；

·彌散強(qiáng)化材料：

·纖維強(qiáng)化材料：

圖7 粉末冶金工藝制備的耐熱材料

4.5原子能工程材料

粉末冶金工藝制備的原子能工程材料主要包括：

·核燃料元件：

·其他原子能工程材料；

圖8 粉末冶金工藝制備的核壓水堆的外壁壓力容器

參考文獻(xiàn)

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作者：小龍