粉末冶金发展现状及趋势

粉末冶金导论课程论文姓 名： 刘磊 班 级： 13932 学 号： 11309030208 专 业： 材料科学与工程 教 师： 张小彬 日 期： 2016.04.18 成 绩： 粉末冶金发展现状及趋势摘要：本篇文章先简单介绍了粉末冶金的发展历程，然后介绍了粉末冶金在各个领域的应用，最后展望了粉末冶金在今后的发展。1引言 粉末冶金是一门既古老又现代的材料制备技术。古代炼块铁技术和陶瓷制备技术是粉末冶金的雏形;18 19 世纪欧洲采用粉末冶金法制铂,是古老粉末冶金技术的复兴和近代粉末冶金技术的开端;20 世纪, 粉末冶金进入蓬勃发展时期,各种新材料和新技术层出不穷。至今, 粉末冶金已成为新材料科学和技术中最具有发展活力的领域之一。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(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, 制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金的发展曾给人类社会带来一些重要变革, 如, 1909 年用粉末冶金制造的钨丝装配成白炽灯, 给人类带来了光明;20 世纪20 年代典型的粉末冶金制品硬质合金问世, 使金属切削效率提高了几十倍, 引起了机械加工的一次革命;含油轴承的普遍使用引起了机械设计和机械制造业的变革和进步。随着全球工业化的蓬勃发展, 粉末冶金行业发展迅速, 粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航天、航空等领域。2 粉末冶金机械零件工业技术现状 进入80 年代后, 我国的一些主要粉末冶金机械零件生产企业, 先后从日本、欧洲及美国引进了高压缩性雾化铁粉成套雾化装备, 铁粉精还原炉, 卧式雾化铜粉装置, 机械式与液压式粉末冶金压机, 网带式、推进式及步移梁式烧结炉, 氮基气氛装置, 水蒸汽处理炉, 连续式双金属带材和C M ( D U )带材生产线, 喷撒法生产铜基摩擦片生产线, 以及铁基结构零件、微型精密铜基含油轴承, 电机车受电弓滑板, 铜基过滤元件,铜基摩擦材料, 双金属带材和C M ( D U ) 带材等的制造技术。通过消化、吸收这些引进技术与设备, 有力地推动了我国粉末冶金机械零件工业的技术进步, 使其生产技术水平有了明显提高。例如:2.1含油轴承 洗衣机、电机用含油轴承1 98 了年以前全部从日本进口, 1 9 8 7年北京粉末冶金工业公司实验厂试制成这种轴承后, 挡住了进口。现在该厂年产量数以百万计, 微型精密含油轴承是音像机器和微小型电机不可替代的关键零件。我国生产这种含油轴承的能力已超过2 亿件/年, 材料有铜基、铁基及铁铜合金等。吸尘器电机用高速铜基含油轴承, 机械部洛阳轴承研究所已试制成功。2.2 结构零件 80 年代后期, 我国家用电冰箱生产发展迅速。电冰箱的心脏是压缩机, 而压缩机的一些主要零件都是用粉末冶金制造的, 诸如往复式压缩机中的连杆、活塞、轴套、阀板,旋转式压缩机中的缸体、缸盖、平衡块、叶片等。现在宁波粉末冶金厂等一些厂家已能批量生产这些零件。这些零件是由易切削铁粉制造的。易切削铁粉的主要添加剂M n S ,国内已研制成功, 并开始小批量生产。宁波粉末冶金厂经过4 年研制, 已试制成功大发车的曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮、平衡块、主动与从动链轮, 止推板等,有的零件已进入批量生产阶段。北京粉末冶金工业公司实验厂试制的大发车发动机中的粉末冶金零件, 有的也已投产。上海粉末冶金厂为上海桑塔纳轿车配套的粉末冶金零件17 种3 件, 已有14 件( 包括二次配套件) 先后投入批量生产。3粉末冶金摩擦材料发展现状3.1材料成份烧结摩擦材料组成分为三类:( l) 构成材料基体的组元, 一般为金属;( 2) 润滑组元, 能减小或完全消除粘结和卡滞, 促使摩擦平稳, 减小表面摩损;( 3) 摩擦组元, 即摩擦添加剂。 为了达到更高的工作温度, 摩擦材料正向更难熔的金属, 更复杂的合金化方向发展。为了提高铜基材料的工作温度和力学强度, 可用铅代替锡使铜合金化或采用钦铜合金代替, 为了提高铁基摩擦材料的强度, 广泛采用了纤维增强材料。为提高、调整和稳定摩擦系数, 在探讨新的摩擦添加剂和润滑剂方面进行了大量的研究。在提高铁基摩擦材料的摩擦系数方面, 加入一些化合物如碳化硼、碳化硅、碳化铬、氮化硼等。铜基材料中则用二氧化硅、石棉、莫来石、氧化铅作为提高摩擦系数的摩擦添加剂。除了铁基与铜基摩擦材料外, 还出现了纸基摩擦材料与碳基摩擦材料。纸基摩擦材料用于湿式工况, 由于其动静摩擦系数接近而适于在滑差离合器中应用, 实现无级调速, 同时由于其摩擦系数高、制动柔和、宜用于中、低载荷的拖拉机离合器中。此外,铝基摩擦材料, 由于重量大大减轻, 正受到人们的重视。但是, 铝基材料因制造工艺复杂、费用昂贵, 未能普遍推广, 这种材料主要用于航空、宇航的摩擦材料部件。镍基摩擦材料也在发展中, 主要用于高温工况, 如原子反应堆内。另一种介于铜基与铁基之间的摩擦材料目前也在研究中, 这种材料就是铜一铁基摩擦材料, 它兼顾铁基摩擦材料的高摩擦系数和铜基摩擦材料的耐磨性的优点, 在湿式和干式情况下均能使用。3.2制造工艺3.2.1无压烧结 传统的摩擦材料采用加压烧结的办法将摩擦面与钢背结合起来。这种方法生产的摩擦材料孔隙率低, 摩擦系数不高。采用喷撤法无压烧结能提高材料孔隙率, 尤其是湿式工况下使用的摩擦材料, 在相同的材料配方下, 传统压烧法生产的湿式铜基摩擦材料,摩擦系数0.04 一0.08 之间, 而采用喷撒法摩擦系数可达0.08 以上。3.2.2模制摩擦材料 将钢背安放在模架上, 模子与模架之间形成模腔, 将摩擦材料粉末装入模腔内, 再启动超声波发生器对摩擦材料粉末施加超声波振动, 同时使之软化。通过模子和模架的运动进行压制, 将摩擦材料与钢背压在一起, 最终摩擦材料牢固地粘结在钢背上。具有简单、省时的优点。3.2.3具有减震层的摩擦材料 在铜基摩擦面与钢背之间, 夹有一层减震层, 减震层的厚度为1 5 mm。这种材料用于盘式制动片, 能消除噪声。 目前摩擦材料的研制出现一个动向, 那就是其工艺的发展已朝着生产功能性材料方面发展。例如, 为了解决大直径摩擦盘内外圈线速度相差的问题, 采用了变密度的配方以解决疲劳裂纹的产生。为了消除制动噪声, 采用具有控震层的摩擦材料, 等等。在烧结工艺方面, 尽量采用低温烧结法或直接采用有机材料粘结的方法, 从而降低生产成本并提高生产率。非金属和有机材料的大量应用, 使粉末冶金摩擦材料朝着多学科, 互相渗透的方向发展。4粉末冶金在汽车工业中的应用 汽车工业作为社会经济的支柱性产业, 在发达国家中, 一直保持着较快的增长速度, 表1列出北美、欧洲1 9 9 3 1 9 9 5 年的Fe 粉产量, 表2 列出了1 9 9 5 年北美有色金属粉末的产量。汽车制造是一个巨大的产业, 仅美国1 9 9 4 年轻型车产量就达1 5 10 万辆。在世界汽车市场竞争越来越激烈的情况下, 轿车及轻型车向着减轻重量、降低成本、提高性能的方向发展。粉末冶金零件以其机加工量少, 节约原材料、降低能耗、提高生产率、降低成本、提高性能等优点, 在汽车工业中具有得天独厚的优势, 特别是对于大批量、规模化生产, 粉末冶金工艺更具竞争力.以典型结构零件 汽车连杆为例, 与用普通热锻一机械加工制造的连杆相比, 技术经济效益显著, 可节约材料约40 %, 可节约能源50 肠左右; 粉末冶金预成形坯只需锻打一次, 而普通锻件需二次粗锻和一次精锻, 生产成本可减少10 % ; 其疲劳性能也优于模锻钢。另外, 粉末冶金排气门阀座耐磨性比高铬合金铸铁阀座耐磨性提高2 倍以上, 可使油燃烧完全, 减少废气污染, 降低耗油量, 并为汽车使用无铅汽油提供先决条件。随着世界粉末冶金工艺技术的不断进步和日趋成熟, 粉末冶金热锻、热等静压、粉末注射成形、液相烧结、高温烧结、组合烧结、复合、连接及镶嵌和热处理及后续处理工艺等相继用于批量生产。 因而汽车上使用的粉末冶金材料种类也不断拓宽, 除原有的烧结钢F e 一C u ,F e 一P一C,Fe一Ni 一C 等系列外, 粉末冶金已迅速渗透到一系列合金钢, 包括合金结构钢、不锈钢、工具钢和高速钢领域, 导致材料性能改善和成本降低。 再加上成形工艺的进步, 将为汽车工业提供越来越多的形状复杂、高精度、高密度、高强度的粉末冶金零件。 汽车工业与粉末冶金的发展休戚相关, 相辅相成。目前, 全世界汽车工业采用的粉末冶金零件占烧结粉末冶金零件总量的70 % 80 %,1 9 9 5 年北美该百分比为“ 66.5%, 从发动机和齿轮箱部件到车镜支撑架和安全带锁扣, 品种多达1 0 0 多种, 并且越来越多的粉末冶金零件应用于发动机、传动和自锁刹车装置中。据报道, 居美国三大汽车制造厂之二的For d 公司目前生产的每辆车中有17 k g 的粉末冶金零件, 预计算到2 000年将增至23 k g , 欧洲、日本产车型中也有相当重量的粉末冶金零件。我国自80 年代以来, 汽车工业及粉末冶金的发展有了长足的进步, 但与工业发达国家相比, 差距仍较大, 尤其在粉末冶金复杂结构零件生产、工艺装备、模具及模架制造和主机应用水平等方面落后。95 年我国F e 粉产量大约是5 万t a/ 的规模, 铜及其合金粉约为5 000t/ a 的规模, 汽车用粉末冶金零件仅占铁基烧结产品总产量的46 %, 且绝大多数是衬套类零件和一般中、低强度结构件, 而技术含量高的中、高强度结构件则很少, 国产每辆车用10 35 种粉冶件, 总重量仅3 5 kg , 这些都严重制约了我国引进车型的国产化, 影响了汽车工业的发展, 因此, 我们必须大力发展粉末冶金, 争取与民族汽车工业同步发展, 追赶国际先进水平。5粉末冶金技术在燃料电池材料中的应用 燃料电池是一种将燃料气体（或液、固燃料气化后的气体）的化学能直接转换为电能的大规模、大功率、新型而清洁的发电装置，它是除水力发电、热能发电和核能发电之外的第四种发电技术，它不但具备高的能量转换效率，同时是一种清洁的能源。根据电池中所用的电解质不同，目前已发展出了五大类型：（）碱性燃料电池（）；（）磷酸型燃料电池（）；（）熔融碳酸盐燃料电池（）；（）固体氧化物燃料电池（）；（）质子交换膜型燃料电池（）。固体氧化物燃料电池（，简称）属于第三代燃料电池，是在中高温运行条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效率、环境友好地转化成电能的全固态发电装置。从可持续发展角度来看，极具发展前景，被普遍认为是在未来会得到广泛应用的一种燃料电池。 中涉及到的关键材料主要包括阴极、电解质、阳极、连接体和密封等部件的材料。 在中，阳极是燃料气体（或碳氢化合物）的氧化反应发生的场所，因此用于制备阳极的材料需满足一定要求：（）阳极的主要功能是作为电催化剂，催化通过电解质传递过来的氧离子与燃料之间发生的氧化反应，电化学反应所产生和消耗的电子通过外部电路进行输送，从而产生电流，因此阳极材料必须具备对于某些具体反应的较高电催化性能。（）必须有足够的电子电导率，以降低有效电阻。（）由于要经受热循环，因此阳极材料须在高温还原气氛中保持化学稳定、物相稳定和微观结构稳定，包括不与电解质、集电器发生相互作用，保持一定孔隙率以降低浓差极化电阻，保持良好的表面形貌以减小与其它组元的接触电阻。（）其热膨胀系数应与其他材料的热膨胀系数相匹配，从而保证接触界面的稳定。（）直接氧化阳极需要具有耐碳性和耐硫性。（）对于阳极支撑的，则要考察其机械强度。（）在开发新材料的时候，除了以上要求外，还要考虑其性能的可重复性、成本等因素。满足以上条件的材料主要包括金属、金属陶瓷和混合导体。 纯金属阳极不能传导，燃料的电化学反应只能在阳极和电解质的界面处发生。不仅如此，金属阳极同电解质的热膨胀匹配性不好，多次加热冷却的循环后，容易在界面处产生裂痕导致电极剥落。另外，金属阳极在高温下易烧结、气化，这些都会严重影响电池的工作性能。 由于出色的电化学性能，目前金属陶瓷阳极是以氢为燃料的的首选，。金属因其便宜的价格及较高的稳定性，常与电解质氧化钇稳定的氧化锆（，）混合制成多孔金属陶瓷，是目前应用最广泛的阳极材料。金属陶瓷阳极是将具有催化活性的金属粉分散到电解质材料基体中经烧结而形成的复合材料。的作用是提供承载粒子的骨架和阻止在运行过程中粒子团聚，使阳极保持多孔的微观构造，增大三相界面，并且使阳极的热膨胀系数与其他组元相匹配。综合考虑电导率和热膨胀系数，一般采用占，这样既保持阳极层的电子电导率，又可降低与其他电池元件的热膨胀系数失配率。 燃料电池阴极材料为多孔的锶掺杂的锰酸镧（），多孔材料的制备只能采用粉末冶金技术。电解质材料为烧结掺杂的粉末制备而成。6粉末冶金技术的发展趋势 随着汽车和飞机零件以及切削和成形工具的发展，粉末冶金的强度和质量都得到了改善和提高。汽车制造业是粉末冶金件的最大用户，1996 年它占有美国粉末治金件的最大市场份额达69%。发展粉末冶金需要制取新技术、新工艺及其过程理论。6.1向全致密化发展 粉末冶金的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。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。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。6.2向高性能化、集成化和低成本等方向发展 粉末冶金新的成形技术层出不穷，如：粉末注射成形、温压成形、流动温压成形、喷射成形、高速压制成形等新技术不断涌现。近目前, 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。有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展；制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金；用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金；制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金；加工独特的和非一般形态或成分