粉末冶金技术

摘要：粉末冶金是制取金属或用金属粉末（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，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。关键词：粉末、金属、sps正文：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业技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。一、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）可以实现近净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。我们常见的机加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技术制造的。二、粉末冶金制备2.1流程（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机油、橡胶或石蜡等增塑剂。（2）压制成型。粉末在15-600MPa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。制取粉末是粉末冶金的第一步。粉末冶金材料和制品不断的增多，其质量不断提高，要求提供的粉末的种类愈来愈多。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呈固态、液态或气态转变成粉末状态。制取粉末的各种方法以及各种方法制的粉末。

2.2呈固态使金属与合金或者金属化合物转变成粉末的方法包括：（1）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：（2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的还原法从金属和合金粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的还原-化合法

呈液态使金属与合金或者金属化合物转变成粉末方法包括：（1）从液态金属与合金制取与合金粉末的有雾化法（2）从金属盐溶液置换和还原制取金属合金以及包覆粉末的有置换法、溶液氢还原法；从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐陈定法；从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有金属浴法。（3）从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的有水溶液电解法；从金属熔盐点解制取金属和金属化合物粉末的有熔盐电解法。

2.3呈气态使金属或者金属化合物转变成粉末的方法：（1）从金属蒸汽冷凝制取金属粉末的有蒸汽冷凝法；（2）从气态金属碳基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的有碳基物热离解法（3）从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法；从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的有化学气相沉积法。

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的粉碎，而化学成分基本上不发生变化的工艺过程；物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程，粉末的生产方法很多从工业规模而言，应用最广泛的汉斯还原法、雾化法和电解法有些方法如气相沉积法和夜相沉积法在特殊应用时亦很重要。三、冶金粉末主要研究部门国内系统的研究粉末冶金的高校较少。中南大学粉末冶金研究院（此研究院在国内招本硕博）是国内最为知名的粉末冶金研究机构。中国粉末冶金学科奠基人黄培云曾长期坐镇。粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程检测中心也坐落如此。其他比较知名的有北科大粉末冶金研究所、北京有色金属研究总院、株洲硬质合金集团有限公司（国家“一五”重点建设的156个项目之一）、四川自贡硬质合金有限公司（从株洲分出的）、赣州章源钨业、宁波东睦、杭州粉末冶金研究所等单位。如果扩大到粉末冶金研究方向，全国各大高校材料学院及研究院所都或多或少有涉及。四、主要产品粉末冶金研究先进设备-放电等离子烧结系统（SPS）随着高新技术产业的发展，新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加，材料新的功能呼唤新的制备技术。放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，简称SPS）是制备功能材料的一种全新技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。五、国内外SPS的发展与应用状况SPS技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，因此在有的文献上也被称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结。早在1930年，美国科学家就提出了脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了SPS技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。1988年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广使用。1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10～100t的烧结压力和脉冲电流5000～8000A。最近又研制出压力达500t，脉冲电流为25000A的大型SPS装置。由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，并利用SPS进行新材料的研究和开发。1998年瑞典购进SPS烧结系统，对碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料进行了较多的研究工作。国内近三年也开展了用SPS技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS烧结系统，主要用来烧结纳米材料和陶瓷材料。SPS作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重视。六、发展前景我国粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投入缺乏与困扰。(5)工艺装备、配套设施落后。(6)产品出口少，贸易渠道不畅。随着我国加入WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。据《2013-2017年中国粉末冶金制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示，目前，中国粉末冶金零件及含油轴承总产值超过55亿元，占全球市场比重较小，发展空间也较为广阔。根据中国机协粉末冶金专业协会对53家企业统计数据显示，2010年中国粉末冶金零件行业实现主营业务收入48.41亿元，同比增长39.75%;利润总额为3.76亿元，较上年增加了一倍。在产值方面，粉末冶金零件行业实现工业总产值50.57亿元，其中新产品产值6.28亿元，新产品率(新产品产值/工业总产值)为12.37%;工业销售产值49.73亿元，其中出口交货值6.28亿元，出口率(出口交货值/工业销售产值)为16.62%。从产销规模来看，根据中国机协粉末冶金专业协会对53家企业统计数据显示，2010年中国粉末冶金零件行业实现产量为16.36万吨，同比增长39.40%;销量为16.17万吨，同比增长43.15%。通过不断引进国外先进技术与自主开发创新相结合，中国粉末冶金产业和技术都呈现出高速发展的态势，是中国机械通用零部件行业中增长最快的行业之一，每年全国粉末冶金行业的产值以35%的速度递增。全球制造业正加速向中国转移，汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。另外，粉末冶金产业被