粉末冶金技术论文

第一篇：粉末冶金技术论文

粉末冶金

作者姓名

班级： 学号：

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。粉末冶金材料是指用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种工艺过程成为粉末冶金法，是一种不同于熔炼和铸造的方法。其生产过程与陶瓷制品相类似，所以又称金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法，也是一种无切削或少切削的加工方法。它具有生产率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等优点。但金属粉末和模具费用高，制品大小和形状受到一定限制，制品的韧性较差。粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

关键词：粉末冶金、基本工序、应用、发展方向、问题及机遇

Abstract: Powder metallurgy is used for preparing metal or metal powder(or metal powder and metal powder mixture)as raw material, after forming and sintering, manufacture of metal materials, composite and various types of products technology.Powder metallurgy method and the production of ceramic have similar place, therefore, a series of new powder metallurgy technologies can also be used for preparing ceramic material.Powder metallurgy materials refers to the use of several kinds of metal powder or metal and non metal powder as raw material, through mixing, pressing, sintering process and made of materials.The process to become powder metallurgy method, is different from the melting and casting method.Its production process and ceramic products are similar, so called ceramic metal.Powder metallurgy method not only has some special properties of material preparation method, is also a kind of without cutting or less cutting processing method.It has high productivity, high material utilization rate, saving machine tools and production area etc..But the metal powder and high mold cost, product size and shape are subject to certain restrictions, flexibility is poor.Powder metallurgy method often used for the production of hard alloy, antifriction material, structural material, friction material, refractory metal materials, filter materials, metal ceramic, no segregation in high speed tool steel, magnetic materials, heat resistant materials.Key words: powder metallurgy, basic process, application, development trend, problems.引言：

粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺，它是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。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。粉末冶金工艺的第一步是制取原料粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理制得成品。典型的粉末冶金产品生产工艺路线。粉末冶金的工艺发展已远远超过此范畴而日趋多样化，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。

1．粉末冶金的发展史

1、海绵铁粉(sponge iron)时间：公元前3000年前，最早的粉末冶金技术，生产的粉末是海绵铁粉。

2、锻压铂（wrought platinum)时间：1750~1850年

3、钨丝(tungsten wire)20世纪初开始，1913年获得专利

4、高熔点金属（refractory metal)时间：1940年前采用粉末冶金方法，1940年后采用真空电弧、电子束

5、自润滑轴承或含油轴承（self-lubricating bearing)时间：20世纪20年代

6、硬质合金(cemented carbides)时间：20世纪20年代，1925年获得专利

7、结构件(structural parts)时间：20世纪30年代后期

8、热固结：压制与烧结结合起来同时进行的一种技术,时间：20世纪40年代后 所以，对于粉末冶金技术来说，该技术具有着历史的考验，然后一步步不断的完善，当然，就目前而言，粉末冶金技术还在不断的改进与发展中。

2．世界粉末冶金的工业概括

2003年全球粉末货运总量约为88万吨，其中美国占51%，欧洲18%，日本13%，其它国家和地区18%。铁粉占整个粉末总量的90%以上。从2001年起，世界铁粉市场持续增长，4年时间增加了近20%。

汽车行业仍然是粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方面汽车的产量在不断增

加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不段增加。北美平均每辆汽车粉末冶金零件用量最高，为19.5公斤，欧洲平均为9公斤，日本平均为8公斤。中国由于汽车工业的高速发展，拥有巨大的粉末冶金零部件市场前景，已经成为众多国际粉末冶金企业关注的焦点。

粉末冶金铁基零件在汽车上主要应用于发动机、传送系统、ABS系统、点火装置等。汽车发展的两大趋势分别为降低能耗和环保；主要技术手段则是采用先进发动机系统和轻量化。

欧洲对汽车尾气过滤为粉末冶金多孔材料又提供了很大的市场。在目前的发动机工作条件下，粉末冶金金属多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能优势和成本优势。

工具材料是粉末冶金工业另一类重要产品，其中特别重要的是硬质合金。目前制造业的发展朝着3A方向，即敏捷性（Agility）、适应性（Adaptivity）和可预测性（Anticipativity）。这要求加工工具本身更锋利、刚性更好、韧性更高；加工材料的范围扩大到吕合、镁合金、钛合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；环境影响要减到最小，干式加工比例更大。这些新要求加快了粉末冶金工具材料的发展。硬质合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂层技术发展很快，CVD、PVD、PCVD技术日益完善，涂层种类也很多，从常用的CVDTiCN/Al2O3/TiN到CVDPCBN（聚晶立方BN）以及PVDTiAIN，Al2O3，cBN（立方BN）和SiMAlON等，满足加工场合的需要。

信息行业的发展也为粉末冶金工业提供了新的契机。日本电子行业用的粉末冶金产品已经达到了每年4.3亿美元，其中热沉材料占23%，发光与点极材料占30%。前者主要包括散热材料，如Si/SiC，Cu-Mo，Cu-W，Al-SiC，AlN以及Cu/金刚石等材料；后者则主要包括钨、钼材料。

有这些材料的统计可以看出，粉末冶金技术在改革中得到了很大的进步，它有了自己本身的优点，是别的一些技术手段没办法取代的，已经慢慢的渗透到各个方向。

3．粉末冶金工艺的各个程序

3.1粉末的制取方法

还原法：

这是一种应用最广的金属粉末制取方法，是采用氢气、一氧化碳等作为还原剂，使金属

氧化物或氧化物矿石在高温下与之反应，制得金属粉末。这种粉末多呈多面体形，其成形性与烧结性良好。粉末粒度可由原料的粒度及还原条件的不同任意调整并均匀化。目前，粉末成形使用的铁粉大部分由还原法产生；难熔化合物粉末（如硬质合金）的制取也用此类方法。雾化法：

这是一种生产效率较高、成本较低、易于制得高纯度粉末的生产方法。它利用高压惰性气体或高速旋转的叶片将从小孔喷嘴中熔融的金属扩散成雾状液滴并迅速使之冷却成金属微粒的制粉方法。雾化粉末的颗粒形状因雾化条件而异。金属液的温度越高，球化的倾向越显著。其缺点是易产生偏析和不易制得超细粉末。

电解沉积法：

在金属熔盐或金属盐的水溶液中通入直流电，使金属离子重新获得外层电子，变成金属粉末。电解沉积法制取的粉末纯度高，颗粒成树枝状或针状，成形性和烧结性都很好，但生产率低，成本较高，仅适用于制造要求纯度高、密度高的粉末材料和制品。机械粉碎法：

利用机械，通过压碎、击碎和磨削等作用，使金属块、合金或化合物机械地粉碎成粉末。这种方法生产效率低，动力消耗大，成本较高。

由于人类的智慧集成，人们不断的考虑着去完善这项技术的各个方面，在人们的努力中，研发出原料粉末的制取方法，为粉末冶金的发展提供了不可或缺的条件。

3.2粉末冶金的基本工序

粉末成型为所需形状的坯块:成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。

坯块的烧结:成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。

产品的后序处理:烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。

4.粉末冶金技术的特点及发展趋势

4.1粉末冶金技术的特点

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、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。

5.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。

4.2粉末冶金的发展趋势

粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。

粉末冶金技术的优点所在，也就导致了粉末冶金技术会迅速发展的必然趋势。在我看来一个技术的成型与发展，在于各个方面的完善。首先，人们看到了粉末冶金的优点，这样人们就会为该技术去寻找完善的方法，就这样得到不断的改进。

5.粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比较与优点的体现

5.1粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比较

1.粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品，比如金属与非金属组成的摩擦材料等，控制制品的孔隙率和孔隙大小，可生产各种多孔性才材料和多孔含油轴承。

2.提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。

3.利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。

5.2粉末冶金工艺的优点：

1.绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。2.由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。

3.由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。

4.粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

5.粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。

6.粉末冶金的应用

1.金属粉末多孔材料的应用非常广泛，如轻质结构材料、高温过滤装置、分离膜等。目前最大的市场可能是柴油发动机的烟尘过滤装置。德国的Fraunhofer研究所开发了一种金属空心球制备技 术，在聚合物基体上涂覆金属粉末料浆，然后通过脱涂聚合物基体和粘结剂，最后烧结成各种具有空心结构的金属球体。球体的直径可丛1mm至8mm。所制备的钢空心球的密度仅0.3g/cm3。

2.纳米晶和梯度结构是硬质合金的两个重点方向。纳米晶材料方面包括晶粒长大控制和纳米粉末制备。梯度结构合金方面包括工艺与结构的关系。将纳米晶和梯度结构结合起来可能是一个很好的方向，能够在更微观层次上实现性能的可调。硬质合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制备复杂形状中小型零件是发展趋势，但是其商用化仍然受技术成熟度的控制。硬质合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、断裂韧性和可靠性表征等。车轻量化为铝、镁、钛等轻金属材料提供了广阔的应用前景。粉末铝合金在汽车上可应用的部位非常多，但Al-Si合金由于高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和耐磨性好，有可能率先在油泵齿轮方面大规模应用。从工业化角度来看，对粉末冶金铝合金制备过程的优化研究更为重要。

在之前，就得到了一些现今工业的概括，随着各个方面的发展和需求，就需要有好的技术相辅，就在这时，粉末冶金技术得到了比较完善的发展，所以也就有了机会开始渗透这些行业。

7.我国粉末冶金的发展与机遇

随着我国汽车工业快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。与此同时，汽车产业链全球化的采购系已经形成，带给国内零部件企业商机显而易见。然而,我们是否能够握当前机遇，不仅是我国汽车零部行业突破当前困局的机遇，更是产业升级的契机。因此,充分利用自身势，扬长补短是产业突破困局的必手段。

虽然，当前我国的粉末冶金技术水平相对国外发达国家依然有着不小的距离。但由于我国拥有原料供给的区域优势，作为产业竞争力提升的基础，依然有较强的竞争力。

与此同时，自上世纪90年代开始，我国粉末冶金制品行业也呈加速发展（主要集中在东部及沿海地区），东部和沿海地区的年产量增长幅度均在10％以上。以山东为例，该省的生产企业由于引进了国外先进设备技术，生产高强度、高精度粉末冶金零件，把粉末冶金制品的质量、技术提高到一个新的水平；粉末注射成型、粉末锻造、纳米技术、精细陶瓷等新技术的开发应用提高了行业整体技术水平，构成了一个完整的行业体系。据不完全统计，目前全省已有各类粉末冶金企业40多家，产品应用各个领域。

对目前的中国而言，我们所拥有的粉末冶金技术不是很完善，而且应用的不多，这样就希望我国可以认清粉末冶金技术的优点，同时可以与其他技术相辅相成，更好的为我们的工业以及各个行业服务。

小结：

第一次接触到粉末冶金是在一堂课中，在那堂课上，老师只是简单的提到几句，说了一些关于粉末冶金的优点，也没有进行很具体的介绍，在那个时候我就开始有了对这个技术的兴趣，想去好好的了解一番，若是以后可以接触到这方面的东西，也算是有了一些的准备了。由于粉末冶金技术对绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料都可以实现加工，而且可以实现少切割或不切割等一些优点，有着很大的发展空间。在对这篇论文的整理中，我对粉末冶金技术有了初步的了解与认识，这是一次很好的总结过程，同时也希望有机会可以真正的接触到粉末冶金技术。

对现在的中国而言，我了解到，粉末冶金技术没有得到非常好的发展，虽然粉末冶金技术已经开始渗透到各行各业中，但是规模和数量还是很少，我真切地希望该技术可以在中国得到发展，而且可以造福中国的工业以及各个行业中。

【参考文献】

【1】王盘鑫.粉末冶金学[M].冶金工业出版社,2011.【2】黄伯云, 易健宏.现代粉末冶金材料和技术发展现状

（一）[J],上海金属,2007年第3期.【3】黄伯云,易健宏.现代粉末冶金材料和技术发展现状

（二）[J],上海金属,2007年第4期.【4】刘咏,黄伯云.世界粉末冶金的发展现状[J],中国有色金属,2006年第1期.【5】黄伯云.粉末冶金标准手册[D],中南大学出版社,2000.【6】刘道春.汽车零部件的粉末材料技术及其发展[M].柴油机设计与制造,2011年第1期.【7】李祖德，李松林，赵慕岳.20世纪中、后期的粉末冶金新技术和新材料（1)[M],第11卷第5期.【8】周洪强,陈志强.钛及钛合金的粉末冶金新技术材料导报[N],2006 1.【9】王浩.粉末冶金多孔材料性能研究.导弹与航天运载技术[M],2006.4.【10】周洪强,陈志强.钛及钛合金的粉末冶金新技术[M], 2006.1.【11】亓家钟（摘择）.粉末冶金文摘[C],2006.2.【12】廖怀平.数控机床编程与操作[M].北京：机械工业出版社，2007.【13】赵在军.机电一体化概论[M].北京：科学出版社，2001 【14】王信义.机电一体化手册（上册）[M].北京：机械工业出版社，1999.【15】张慧玲.浅淡数字电路的抗干扰技术[J].中国信息技术.2006.【16】张威.PLC与变频器项目教程[M].北京：机械工程出版社.2010

第二篇：粉末冶金技术论文

粉末冶金技术 刘工艺 200806102 摘要： 粉末冶金(P/M)技术是一门重要的材料制备与成形技术，被称为是解决高科技、新材料问题的钥匙。高性能、低成本、净近成形一直以来是粉末冶金工作者重要研究课题之一。粉末冶金法能实现工件的少切削、无切削加工，是一种高效、优质、精密、低耗节能制造零件的先进技术。

关键词：粉末冶金、基本工序、发展历史、应用、相关技术、发展方向、问题及机遇

一、世界粉末冶金工业概况

2003年全球粉末货运总量约为88万吨，其中美国占51%，欧洲18%，日本13%，其它国家和地区18%。铁粉占整个粉末总量的90%以上。从2001年起，世界铁粉市场持续增长，4年时间增加了近20%。

汽车行业仍然是粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方面汽车的产量在不断增加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不段增加。北美平均每辆汽车粉末冶金零件用量最高，为19.5公斤，欧洲平均为9公斤，日本平均为8公斤。中国由于汽车工业的高速发展，拥有巨大的粉末冶金零部件市场前景，已经成为众多国际粉末冶金企业关注的焦点。

粉末冶金铁基零件在汽车上主要应用于发动机、传送系统、ABS系统、点火装置等。汽车发展的两大趋势分别为降低能耗和环保；主要技术手段则是采用先进发动机系统和轻量化。

欧洲对汽车尾气过滤为粉末冶金多孔材料又提供了很大的市场。在目前的发动机工作条件下，粉末冶金金属多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能优势和成本优势。

工具材料是粉末冶金工业另一类重要产品，其中特别重要的是硬质合金。目前制造业的发展朝着3A方向，即敏捷性（Agility）、适应性（Adaptivity）和可预测性（Anticipativity）。这要求加工工具本身更锋利、刚性更好、韧性更高；加工材料的范围扩大到吕合、镁合金、钛合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；环境影响要减到最小，干式加工比例更大。这些新要求加快了粉末冶金工具材料的发展。硬质合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂层技术发展很快，CVD、PVD、PCVD技术日益完善，涂层种类也很多，从常用的CVDTiCN/Al2O3/TiN到CVDPCBN（聚晶立方BN）以及PVDTiAIN，Al2O3，cBN（立 方BN）和SiMAlON等，满足加工场合的需要。

信息行业的发展也为粉末冶金工业提供了新的契机。日本电子行业用的粉末冶金产品已经达到了每年4.3亿美元，其中热沉材料占23%，发光与点极材料占30%。前者主要包括散热材料，如Si/SiC，Cu-Mo，Cu-W，Al-SiC，AlN以及Cu/金刚石等材料；后者则主要包括钨、钼材料。

二、粉末冶金技术

粉末冶金技术简介

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。粉末冶金工艺的第一步是制取原料粉末，第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理制得成品。典型的粉末冶金产品生产工艺路线如图11-1所示。粉末冶金的工艺发展已远远超过此范畴而日趋多样化，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。

粉末冶金技术有如下特点：

(1)可以直接制备出具有最终形状和尺寸的零件，是一种无切削、少切削的新工艺，从而可以有效地降低零部件生产的资源和能源消耗；

(2)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基复合材料的工艺技术；

(3)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，如多孔含油轴 承、过滤材料、生物材料、分离膜材料、难熔金属与合金、高性能陶瓷材料等；

(4)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；

(5)可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过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；

(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。

粉末冶金工艺的基本工序是：

1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。

2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。

3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。

4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。

粉末冶金工艺的优点：

1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。

2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。

3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。

4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。

粉末冶金工艺的缺点：

1、在没有批量的情况下要考虑 零件的大小.2、模具费用相对来说要高出铸造模具.三、粉末冶金与熔化冶金的区别

1、产品成分、结构不同

粉末冶金最终产品成分未变，只是粉末固结在一起；

熔化冶金最终产品组织结构发生变化，例：开始是两种金属，最后是合金。产品性能不同

粉末冶金可生产特殊性能产品，例：高熔点金属、多孔材料、摩擦材料、磁性或电性能材料；

熔化冶金只能生产普通产品。

2、生产工艺不同

粉末冶金工艺

a.传统方法：金属→化学法、物理法、机械法→不同形状、粒度的粉 末→混合→压制→烧结→制品→后处理

b.先进技术：热固结——压制和烧结同时进行（热压、热挤压、热等静压、锻压等）

熔化冶金工艺

金属→熔炼成锭→轧制、拉伸、挤压、锻压、机加工→线材、棒材、型材等不同形状、不同性能的产品

四、粉末冶金的发展史:

1、海绵铁粉(sponge iron)时间：公元前3000年前，最早的粉末冶金技术，生产的粉末是海绵铁粉。

生产方法：较纯的铁矿（Fe3O4）→木炭还原（在木炭炉内）→海绵铁→破碎成细粒→清洗干净→拣出脉石和渣→压制→烧结（或松散状态烧结）→锻压→产品

2、锻压铂（wrought platinum)时间：1750~1850年

生产方法：自然铂→清洗干净→压制成形→烧结→热锻→ 锻压铂

生产国家：西班牙、英国、前苏联

发展状况：随着科技的发展，合适的炉子和耐火材料出现。P.M生产锻压铂的工艺消失，现在采用F.M法。

3、钨丝(tungsten wire)时间：20世纪初开始，1913年获得专利

生产方法：WO3→氢还原→W粉→烧结→低压高密度电流再烧结→ 密度90%的固态W →模锻 →钨丝

还原反应： WO3+3H2= W+3H2O 烧结温度： 1200℃； 模锻温度： 2000℃

4、高熔点金属（refractory metal)Mo、Nb、Ti、Ta、Zr 时间：1940年前采用粉末冶金方法，1940年后采用真空电弧、电子束

5、自润滑轴承或含油轴承（self-lubricating bearing)时间：20世纪20年代

特征：孔的体积占轴承体积的15~30%，润滑剂贮存在孔内

材料：90%Cu粉，10%锡粉，无机物粉

生产方法：Cu粉+锡粉+无机物粉→混合→压制成轴承形状→烧结→多孔轴承→浸渍（油）→含油轴承

与自润滑轴承相关的产品：多孔过滤器、金属电刷（Cu粉和石墨粉）、摩擦材料等。

6、硬质合金(cemented carbides)时间：20世纪20年代，1925年获得专利

特征：硬度高、耐磨损，作为切割工具、模具或轧辊等

材料：金属碳化物（TiC、TaC、WC）、金属粘结剂

生产方法： WC粉+Co粉→混合→→烧结→硬质合金

烧结温度：1400 ℃；

烧结气氛：氢气

微观结构：粘结剂基体中弥散着碳化物颗粒

7、结构件(structural parts)时间：20世纪30年代后期

最早的结构件：油泵齿轮，由铁粉和石墨粉混合烧结而成，基体为共析合金钢，有25%孔，性能类似于铸铁

结构件种类：铁基零件、低碳钢、不锈钢、铜、青铜、黄铜、镍、铝、钛、银等

特点：数量大、用途广，自动压制、连续烧结炉烧结。

生产方法：传统方法→再加工（浸渍、热锻、淬火和回火、渗碳、渗碳氮）→结构件 最先进的技术——热固结（hot consolidation)

8、热固结：压制与烧结结合起来同时进行的一种技术

时间：20世纪40年代后

热固结方法：热压、热等静压、热挤压、热锻等

热固结产品：工具钢、超合金、钛合金等

产品特征：全密产品

五、粉末冶金应用举例

金属粉末多孔材料

金属粉末多孔材料的应用非常广泛，如轻质结构材料、高温过滤装置、分离膜等。目前最大的市场可能是柴油发动机的烟尘过滤装置。德国的Fraunhofer研究所开发了一种金属空心球制备技术，在聚合物基体上涂覆金属粉末料浆，然后通过脱涂聚合物基体和粘结剂，最后烧结成各种具有空心结构的金属球体。球体的直径可丛1mm至8mm。所制备的钢空心球的密度仅0.3g/cm3。

硬质合金

纳米晶和梯度结构是硬质合金的两个重点方向。纳米晶材料方面包括晶粒长大控制和纳米粉末制备。梯度结构合金方面包括工艺与结构的关系。将纳米晶和梯度结构结合起来可能是一个很好的方向，能够在更微观层次上实现性能的可调。硬质合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制备复杂形状中小型零件是发展趋势，但是其商用化仍然受技术成熟度的控制。硬质合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、断裂韧性和可靠性表征等。

粉末轻金属合金

汽车轻量化为铝、镁、钛等轻金属材料提供了广阔的应用前景。粉末铝合金在汽车上可应用的部位非常多，但Al-Si合金由于高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和耐磨性好，有可能率先在油泵齿轮方面大规模应用。从工业化角度来看，对粉末冶金铝合金制备过程的优化研究更为重要。铝合金的另一个研究热点是复合材料，包括传统的Al/SiC，Al/C，Al/BN，Al/Ti（C，N）以及新出现的纳米碳管增强铝合金。高强粉末铝合金与快速凝固技术密切相关。通过成分设计，在纯铝基体中加入金属间化合物行成组元，可以制备高强度、高韧性、高热稳定性兼顾的铝合金。该材料的室温强度大于600Mpa，延伸率超过10%，在400℃还有很好的热稳定，疲劳极限是锻造铝合金的2倍。

镁合金的密度更小，其应用前景可能更好，但目前仍处于研究状态。采用快速凝固方法也是制备高性能粉末镁合金的重要手段。目前该技术在安全性方面已经没有太大的问题，所制备出的材料性能也远远高于铸造合金。

钛合金在汽车上的应用主要是成本问题，而粉末钛合金的主要障碍在于高性能低成本钛粉。英国QinetiQLtd开发了一种店脱氧技术（EDO），可批量生产钛粉。该技术与传统的以海绵钛为原料的氢化脱氢过程完全不同。它是一种类似于熔盐电解的方法，以TiO2为阴极，石墨为阳极，在电解过程中TiO2的阳极迁移，并消耗阳极的炭形成CO，在阴极得到钛粉。钛粉的氧含量在0.035%~0.4%之间。采用这一技术还可方便地制备各种钛合金粉末。由于对气氛和杂质的敏感性，粉末钛合金的烧结也是工艺难点，通常与要热等静压或后续热加工。通过添加共晶形成组元和稀土元素能够明显改善粉末钛合金的烧结致密度，其力学性能也能达到锻造钛合金水平。这一系列工作将大大推动钛合金在汽车机关键部件上的应用。

六、粉末冶金相关技术

1、粉末注射成型

粉末注射成形仍然是当前研究的热点之一。粉末注射成形的材料已经从早期的铁基、硬质合金、陶瓷等对杂质含量不敏感，性能要求不是非常苛刻的体系，发展到了镍基高温合金、钛合金和铌材料。材料应用领域也从结构材料向功能材料发展、如热沉材料、磁性材料和形状记忆合金。材料结构也从单一均匀结构向复合结构发展。金属工注射成形技术可实现多种不同成分的粉末同时成形，因而能够得到具有三明治形式的复合结构。例如将316L不锈纲和17-4PH合金复合，能够实现力学性能的连续可调。粉末注射成形的一个重要发展方向与与微系统技术密切相关。在与微系统技术密切相关。在与微系统相关的领域中，如电子信息、微化学、医疗器械等，器件不断小型化，功能更加复合化。而粉末注射成形技术提供了实现的可能。微注射成形技术是对传统注射成形技术的改进。它是针对零件尺寸结构小到1um所开发的成形技术，基本工艺与传统注射成形一致，但原料粉末粒度更小。采用微注射成形技术已经开发出了表面微结构精度10um的微流体装置，尺寸为350um~900um的不锈钢零件；实现了不同材料成分、复合结构的共烧结或共连接，获得了磁性/非磁性、导体/非导体微型复合零件。

2、粉末制备技术

粉末雾化一直是高性能粉末的制备技术。热气流雾化技术能够延长金属液滴在液相状态的时间，使粉末可以经过二次破碎（雾化），因而大大提高了雾化的效率，所得到的粉末粒度更为细小。ASL公司的研究结果表明，若将气体温度提高到330℃。制备相同粒度粉末所需的气体消耗量减少30%，其经济分析和工程化问题研究说明该技术是完全可行的。粉末雾化方面的技术有很大的改进。例如，采用一种新型自由裸体式气体雾化，能够得到更细的工具钢粉末，颗粒中碳化物的分布更均匀、缺陷更少。美国赫格拉斯公司将先进的炼钢技术用于粉末生产中，融合了电弧炼炉（EAF）技术、氩氧脱碳技术（ADO）、高性能雾化技术和氢退火技术，大大改善了粉末质量、粉末压坯密度和强度得到了提高。在活性粉末雾化方面，为了减少熔炼过程熔体与坩埚的反应，德国开发了电极感应熔炼气雾化（EIGA）技术，可制备高活性的钛、锆以及TiAl金属间化合物粉末。机械合金化仍然是研究的热门，但大多数是实验室工作。值得一提的是德国Zoz公司才用自己开发的高能球磨设备研磨电弧熔炼炉的炉渣，然后经过湿法冶金回收金属，这一技术既改善了环境，有开拓了巨大的市场。

3、粉末烧结理论与技术

微波烧结作为一种新的快速烧结技术，已经完全适用于金属粉末材料，如粉末钢、硬质合金、有色金属等。微波烧结的工业化也许指日可待因为不管是设备和技术的成熟度，还是批量化生产能力都没有太大问题而主要障碍是生产商的接受程度和风险度。

放电等离子烧结（SPS）的研究也不少，材料体系也从陶瓷扩展到了金属材料，特别是一些超细晶材料，如铝合金、镁合金和自润滑铁基材料等。但是由于其单件生产的特点，该方法恐怕只能用来作一些基础研究。

喷射沉积在制备大型、细晶材料方面非常有优势。该技术最初主要生产铝合金和铝硅合金。随着熔炼技术的提高，喷射沉积已可用来制备工具钢和高温合金。德国不来梅大学报导采用喷射沉积制备出了单件质量超过100公斤，内径40mm，外径500mm，宽100mm的高温合金环。

快速成形技术近年来引起了很多学者的关注。在粉末冶金领域应用最多的是直接金属激光烧结。目前该技术已用于钢铁粉末和钛合金粉末等。另一种金属快速成形方法是三维印刷。该方法非常方便用于各种不同成分合金按照不同结构需要进行三维微观堆积，目前尚处于概念阶段。但该技术已用来制备了一些由金属+粘结剂组成的结构，以及梯度功能材料。

4、粉末零件后续处理技术

后续处理对粉末冶金零件的性能至关重要。烧结硬化将烧结和热处理融为一体，合金成分和冷却条件对材料性能的影响很大。Miba公司采用钻孔技术对零件可加工性进行了评价。神户钢铁公司在烧结钢中添加一种复杂钙氧化物，代替通常用的MnS，明显改善了零件的可加工性，而不损害其力学性能。此外随着应用的扩大粉末铝及复合材料的切削多孔材料的线切割也受到了关注。

七、粉末冶金材料和制品的今后发展方向：

粉末冶金制品的应用范围十分广泛，从普通机械制造到精密仪器；从五金工具到大型机械；从电子工业到电机制造；从民用工业到军事工业；从一般技术到尖端高技术，均能见到粉末冶金工艺的身影。

粉末冶金材料和制品的今后发展方向：

1、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。

2、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。

3、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。

4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。

5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。

八、粉末冶金技术国内与国外差距

1、产品水平低

在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS07—8级，形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但一般企业约相差2—3级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距

2、工艺装备落后

多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业

3、企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大

日本住友电工（株）: 650人，年产粉末冶金零件24000吨，年销售额近2亿美元，人均年销售额255.4万元人民币；

台湾保来得公司 : 530人，年销售额6210万美元，人均年销售额97.25万元人民币。宁波粉末冶金厂 : 400人，年销售额1.2亿元，人均年销售额30万元； 扬州保来得公司 : 300人，年销售额1.8亿元，人均年销售额60万元； 国内一般粉末冶金厂 : 人均年销售2万元。

九、国内粉末冶金技术面临的问题及机遇

大力发展粉末冶金技术，积极培养核心竞争力

当前我国汽车零部件企业不仅面临着跨国企业的猛烈冲击和国内企业间同质化的激烈竞争，还有上游原料成本的挤压以及下游主机及经销商不断提高的产品质量标准。而我国大多数汽车零部件企业的现状却是专业化水平低，产品开发能力弱。绝大多数零部件企业不具备产品开发能力，产品开发主要依靠主机厂，难以适应整车更新换代的要求，企业自身核心竞争力较低。由此，使得企业在不断上涨的成本压力下并不能有效的得到传导，迫使企业收益水平不断下降。面临当前困境，积极培养自身核心竞争力便成为目前企业亟需解决的问题。我们知道汽车核心零部件中，附加值较高的主要有：发动机的进排气门、发动机连杆、变速箱齿轮中的同步器锥环和油泵主从动齿轮等。而这些零部件中，主流的核心技术，便是粉末冶金技术。如：连杆是发动机上的重要零件，许多引进车型图纸上都规定有连杆的疲劳试验负荷，并要求在该负荷下的疲劳周次达到500万以上。而国内汽车发动机连杆大多采用的锻钢连杆和铸造连杆疲劳周次要达到50万以上是很困难的，因为连杆的工字筋部位均不经切削加工，细小的缺陷对连杆的疲劳寿命影响较大。而国外主流连杆主要采用粉末锻造，如：美国通用汽车公司的别克轿车，德国宝马公司BMW、GNK Sintermetals公司制造的甚至连杆达到了抗拉强度1041MPa。因此，要想培养自身的核心竞争力，当务之急必须谋动粉末冶金技术发展，以此为突破点增强国内零部件业已衰弱的竞争力。随着我国汽车市场加速增长，粉末冶金技术市场潜力凸现

近几年，中国汽车业一直保持高速发展。据中国汽车工业协会的统计数据，2007年上半年，中国汽车累计产销量分别为445.67万辆和437.38万辆，同比增长22.36％和23.3％。中国已经成为世界第二大汽车消费国，第三大汽车生产国，第一大汽车潜在市场。伴随着中国汽车工业的蓬勃发展，带动了零部件市场的快速发展。2006年，中国汽车零部件企业销售收入达4035亿元。据预计，到2010年中国汽车零部件国内产值将达到7000亿元左右。

与此同时，我国粉末冶金工业由于长期缺乏数量较大和附加值较高的零件需求，没有机会让粉末冶金行业发挥它特有的优势提供了良好的机遇。因此在20世纪90年代中期，用于汽车和摩托车工业的粉末冶金零件按质量计算在10年间几乎翻了一番。而用于附加值较低的农机工业粉末冶金零件则几乎减少一半。可见，高附加值的粉末冶金零件正逐步向汽车领域转移。据中国通用机械零部件协会粉末冶金分会报告，2006年中国粉末冶金零件及制品的产量增加了17.5％，达到约88000t。统计的产品类别包括铁铜基粉末冶金零件、含油轴承以及摩擦材料。其中汽车市场粉末冶金零件用量约为32000t，占37％，增长了28％；电动工具市场增长29％。

未来我国汽车粉末冶金零件产品市场潜力将呈井喷增长。据资料显示，发达国家汽车制造业粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品总产量的绝大多数，如美国占90％，欧洲为80％，而我国目前尚不足40％。欧洲平均每辆汽车的粉末冶金制品使用量是14kg，日本为16kg，美国已达到19.5kg以上，预计未来几年可能达到22kg，而我国目前平均每辆汽车粉末冶金制品的用量却只有5kg左右。如果按年产500万辆车计算，我国全年汽车零件用钢铁粉末约2.5万吨左右，如果我国每辆汽车粉末冶金制品的用量达到欧洲水平，加上保有量汽 车粉末冶金零件的更换，那么仅此一项的钢铁粉末就需要近10万吨，是当前粉末冶金总需求量的1.25倍。

把握机遇，利用自身优势突破我国汽车零部件困局

随着我国汽车工业快速发展，高附加值的零部件需求将加速增长。与此同时，汽车产业链全球化的采购系已经形成，带给国内零部件企业商机显而易见。然而，我们是否能够握当前机遇，不仅是我国汽车零部行业突破当前困局的机遇，更是产业升级的契机。因此，充分利用自身势，扬长补短是产业突破困局的必手段。

虽然，当前我国的粉末冶金技术水平相对国外发达国家依然有着不小的距离。但由于我国拥有原料供给的区域优势，作为产业竞争力提升的基础，依然有较强的竞争力。

与此同时，自上世纪90年代开始，我国粉末冶金制品行业也呈加速发展（主要集中在东部及沿海地区），东部和沿海地区的年产量增长幅度均在10％以上。以山东为例，该省的生产企业由于引进了国外先进设备技术，生产高强度、高精度粉末冶金零件，把粉末冶金制品的质量、技术提高到一个新的水平；粉末注射成型、粉末锻造、纳米技术、精细陶瓷等新技术的开发应用提高了行业整体技术水平，构成了一个完整的行业体系。据不完全统计，目前全省已有各类粉末冶金企业40多家，产品应用各个领域。

最后在拥有区域优势的同时，建立产业基地，形成基地集群效应，从而实现市场和效益最大化、成本最小化。同时，在行业内部合理分工，逐步形成分工明确的纵向多层次有机整体，依托国内市场发展制造能力，再通过国际合作迅速提升竞争力、获取竞争优势，并且通过国际合作所获得的企业在未来发展中的资本、技术、产品和管理的支撑，进入国际合作伙伴的配套体系和融人全球采购体系，突破当前产业困局。

参考文献：

【1】粉末冶金新技术与新装备

刘文胜 马运柱...矿冶工程 2007 5 【2】现代粉末冶金材料和技术发展现状

（一）黄伯云 易健宏 上海金属 2007 3 【3】现代粉末冶金材料和技术发展现状

（二）黄伯云 易健宏 上海金属 2007 4 【4】钛及钛合金的粉末冶金新技术

周洪强 陈志强 材料导报：网络版 2006 1 【5】世界粉末冶金的发展现状

刘咏 黄伯云...中国有色金属 2006 1 【6】粉末冶金多孔材料性能研究

孙纪国 王浩...导弹与航天运载技术 2006 4 【7】粉末冶金文摘

亓家钟（摘择）粉末冶金技术 2006 2

第三篇：粉末冶金技术论文

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。粉末冶金材料是指用几种金属粉末或金属与非金属粉末作原料，通过配料、压制成形、烧结等工艺过程而制成的材料。这种工艺过程成为粉末冶金法，是一种不同于熔炼和铸造的方法。其生产过程与陶瓷制品相类似，所以又称金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法，也是一种无切削或少切削的加工方法。它具有生产率高、材料利用率高、节省机床和生产占地面积等优点。但金属粉末和模具费用高，制品大小和形状受到一定限制，制品的韧性较差。粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材料、难熔金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

关键词：粉末冶金、基本工序、应用、发展方向、问题及机遇

Powder metallurgy technology

(11 grade material class two)Abstract: Powder metallurgy is used for preparing metal or metal powder(or metal powder and metal powder mixture)as raw material, after forming and sintering, manufacture of metal materials, composite and various types of products technology.Powder metallurgy method and the production of ceramic have similar place, therefore, a series of new powder metallurgy technologies can also be used for preparing ceramic material.Powder metallurgy materials refers to the use of several kinds of metal powder or metal and non metal powder as raw material, through mixing, pressing, sintering process and made of materials.The process to become powder metallurgy method, is different from the melting and casting method.Its production process and ceramic products are similar, so called ceramic metal.Powder metallurgy method not only has some special properties of material preparation method, is also a kind of without cutting or less cutting processing method.It has high productivity, high material utilization rate, saving machine tools and production area etc..But the metal powder and high mold cost, product size and shape are subject to certain restrictions, flexibility is poor.Powder metallurgy method often used for the production of hard alloy, antifriction material, structural material, friction material, refractory metal materials, filter materials, metal ceramic, no segregation in high speed tool steel, magnetic materials, heat resistant materials.Key words: powder metallurgy, basic process, application, development trend, problems and opportunities

一基本简介

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、复合以及各种类型制品的工艺技术。

二发展前景

近年来，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，粉末冶金产业被中国列入优先发展和鼓励外商投资项目，发展前景广阔。

七、粉末冶金研究先进设备-放电等离子烧结系统（SPS）

前言

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（Spark Plasma Sintering，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。

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（plasmaactivatedsintering-PAS或plasma-assistedsintering-PAS）[1,2]。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[3]。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[4]。

国内近三年也开展了用SPS技术制备新材料的研究工作[1,3]，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[5～8]。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。

SPS的烧结原理

3.1等离子体和等离子加工技术[9，10]

SPS是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是电离气体，由大量正负带电粒子和中性粒子组成，并表现出集体行为的一种准中性气体。

等离子体是解离的高温导电气体，可提供反应活性高的状态。等离子体温度4000～10999℃，其气态分子和原子处在高度活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。

等离子体加工技术已得到较多的应用，例如等离子体CVD、低温等离子体PBD以及等离子体和离子束刻蚀等。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子刻蚀方面，在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。而等离子体的另一个很有潜力的应用领域是在陶瓷材料的烧结方面[1]。

产成等离子体的方法包括加热、放电和光激励等。放电产生的等离子体包括直流放电、射频放电和微波放电等离子体。SPS利用的是直流放电等离子体。

3.2SPS装置和烧结基本原理

SPS装置主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统（真空、氩气）；直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量、和安全等控制单元。SPS的基本结构如图1所示。

SPS与热压（HP）有相似之处，但加热方式完全不同，它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用[11]。SPS烧结时脉冲电流通过粉末颗粒如图2所示。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法（SHS）和微波烧结法类似，SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质（如去处表面氧化物等）和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程[1，9，12]。

SPS的工艺优势

SPS的工艺优势十分明显：加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以烧结梯度材料以及复杂工件[3，11]。与HP和HIP相比，SPS装置操作简单，不需要专门的熟练技术。文献[11]报道，生产一块直径100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不锈钢梯度材料（FGM）用的总时间是58min，其中升温时间28min、保温时间5min和冷却时间25min。与HP相比，SPS技术的烧结温度可降低100～200℃[13]。

SPS在材料制备中的应用

目前在国外，尤其是日本开展了较多用SPS制备新材料的研究，部分产品已投入生产。SPS可加工的材料种类如表1所示。除了制备材料外，SPS还可进行材料连接，如连接MoSi2与石磨[14]，ZrO2/Cermet/Ni等[15]。

近几年，国内外用SPS制备新材料的研究主要集中在：陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物，复合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料，他包括热电材料[16]、磁性材料[17]、功能梯度材料[18]、复合功能材料[19]和纳米功能材料[20]等。对SPS制备非晶合金、形状记忆合金[21]、金刚石等也作了尝试，取得了较好的结果。

5.1功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）的成分是梯度变化的，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用CVD、PVD等方法制备梯度材料，成本很高，也很难实现工业化。采用阶梯状的石磨模具，由于模具上、下两端的电流密度不同，因此可以产生温度梯度。利用SPS在石磨模具中产生的梯度温度场，只需要几分钟就可以烧结好成分配比不同的梯度材料。目前SPS成功制备的梯度材料有：不锈钢/ZrO2；Ni/ZrO2；Al/高聚物；Al/植物纤维；PSZ/T等梯度材料。

在自蔓延燃烧合成（SHS）中，电场具有较大激活效应和作用，特别是场激活效应可以使以前不能合成的材料也能成功合成，扩大了成分范围，并能控制相的成分，不过得到的是多孔材料，还需要进一步加工提高致密度。利用类似于SHS电场激活作用的SPS技术，对陶瓷、复合材料和梯度材料的合成和致密化同时进行，可得到65nm的纳米晶，比SHS少了一道致密化工序[22]。利用SPS可制备大尺寸的FGM，目前SPS制备的尺寸较大的FGM体系是ZrO2(3Y)/不锈钢圆盘，尺寸已达到100mm×17mm[23]。

用普通烧结和热压WC粉末时必须加入添加剂，而SPS使烧结纯WC成为可能。用SPS制备的WC/Mo梯度材料的维氏硬度（HV）和断裂韧度分别达到了24Gpa和6Mpa·m1/2,大大减轻由于WC和Mo的热膨胀不匹配而导致热应力引起的开裂[24]。

5.2 热电材料

由于热点转换的高可靠性、无污染等特点，最近热电转换器引起了人们的极大兴趣，并研究了许多热电转换材料。经文献检索发现，在SPS制备功能材料的研究中，对热电材料的研究较多。

(1)热电材料的成分梯度化氏目前提高热点效率的有效途径之一。例如，成分梯度的βFeSi2就是一种比较有前途的热电材料，可用于200～900℃之间进行热电转换。βFeSi2没有毒性，在空气中有很好的抗氧化性，并且有较高的电导率和热电功率。热点材料的品质因数越高（Z=α2/kρ，其中Z是品质因数，α为Seebeck系数，k为热导系数，ρ为材料的电阻率），其热电转换效率也越高。试验表明，采用SPS制备的成分梯度的βFeSix(Si含量可变)，比βFeSi2的热电性能大为提高[25]。这方面的例子还有Cu/Al2O3/Cu[26],MgFeSi2[27], βZn4Sb3[28],钨硅化物[]29]等。

(2)用于热电制冷的传统半导体材料不仅强度和耐久性差，而且主要采用单相生长法制备，生产周期长、成本高。近年来有些厂家为了解决这个问题，采用烧结法生产半导体致冷材料，虽改善了机械强度和提高了材料使用率，但是热电性能远远达不到单晶半导体的性能，现在采用SPS生产半导体致冷材料，在几分钟内就可制备出完整的半导体材料，而晶体生长却要十几个小时。SPS制备半导体热电材料的优点是，可直接加工成圆片，不需要单向生长法那样的切割加工，节约了材料，提高了生产效率。

热压和冷压-烧结的半导体性能低于晶体生长法制备的性能。现用于热电致冷的半导体材料的主要成分是Bi,Sb,Te和Se，目前最高的Z值为3.0×10/K，而用SPS制备的热电半导体的Z值已达到2.9～3.0×10/K，几乎等于单晶半导体的性能[30]。表2是SPS和其他方法生产BiTe材料的比较。

5.3 铁电材料

用SPS烧结铁电陶瓷PbTiO3时，在900～1000℃下烧结1～3min,烧结后平均颗粒尺寸<1μm，相对密度超过98%。由于陶瓷中孔洞较少[31]，因此在101～106HZ之间介电常数基本不随频率而变化。

用SPS制备铁电材料Bi4Ti3O12陶瓷时，在烧结体晶粒伸长和粗化的同时，陶瓷迅速致密化。用SPS容易得到晶粒取向度好的试样，可观察到晶粒择优取向的Bi4Ti3O12陶瓷的电性能有强烈的各向异性[32]。

用SPS制备铁电Li置换IIVI半导体ZnO陶瓷，使铁电相变温度Tc提高到470K，而以前冷压烧结陶瓷只有330K[34]。

5.4 磁性材料

用SPS烧结Nd Fe B磁性合金，若在较高温度下烧结，可以得到高的致密度，但烧结温度过高会导致出现温度过高会导致出现α相和晶粒长大，磁性能恶化。若在较低温度下烧结，虽能保持良好的磁性能，但粉末却不能完全压实，因此要详细研究密度与性能的关系[35]。

SPS在烧结磁性材料时具有烧结温度低、保温时间短的工艺优点。Nd Fe Co V B 在650℃下保温5min,即可烧结成接近完全密实的块状磁体，没有发现晶粒长大[36]。用SPS制备的865Fe6Si4Al35Ni和MgFe2O4的复合材料（850℃，130MPa），具有高的饱和磁化强度Bs=12T和高的电阻率ρ=1×10Ω·m[37]。

以前用快速凝固法制备的软磁合金薄带，虽已达到几十纳米的细小晶粒组织，但是不能制备成合金块体，应用受到限制。而现在采用SPS制备的块体磁性合金的磁性能已达到非晶和纳米晶组织带材的软磁性能[3]。.5 纳米材料

致密纳米材料的制备越来越受到重视。利用传统的热压烧结和热等静压烧结等方法来制备纳米材料时，很难保证能同时达到纳米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用SPS技术，由于加热速度快，烧结时间短，可显著抑制晶粒粗化。例如：用平均粒度为5μm的TiN粉经SPS烧结（1963K，196～382MPa，烧结5min），可得到平均晶粒65nm的TiN密实体[3]。文献[3]中引用有关实例说明了SPS烧结中晶粒长大受到最大限度的抑制，所制得烧结体无疏松和明显的晶粒长大。

在SPS烧结时，虽然所加压力较小，但是除了压力的作用会导致活化能力Q降低外，由于存在放电的作用，也会使晶粒得到活化而使Q值进一步减小，从而会促进晶粒长大，因此从这方面来说，用SPS烧结制备纳米材料有一定的困难。

但是实际上已有成功制备平均粒度为65nm的TiN密实体的实例。在文献[38]中，非晶粉末用SPS烧结制备出20～30nm的Fe90Zr7B3纳米磁性材料。另外，还已发现晶粒随SPS烧结温度变化比较缓慢[7]，因此SPS制备纳米材料的机理和对晶粒长大的影响还需要做进一步的研究。

5.6 非晶合金的制备

在非晶合金的制备中，要选择合金成分以保证合金具有极低的非晶形成临界冷却速度，从而获得极高的非晶形成能力。在制备工艺方面主要有金属浇铸法和水淬法，其关键是快速冷却和控制非均匀形核。由于制备非晶合金粉末的技术相对成熟，因此多年来，采用非晶粉末在低于其晶化温度下进行温挤压、温轧、冲击（爆炸）固化和等静压烧结等方法来制备大块非晶合金，但存在不少技术难题，如非晶粉末的硬度总高于静态粉末，因而压制性能欠佳，其综合性能与旋淬法制备的非晶薄带相近，难以作为高强度结构材料使用[39]。可见用普通粉末冶金法制备大块非晶材料存在不少技术难题。

SPS作为新一代烧结技术有望在这方面取得进展，文献[40]中利用SPS烧结由机械合金化制取的非晶Al基粉末得到了块状圆片试样（10mm×2mm），磁非晶合金是在375MPa下503K时保温20min制备的，含有非晶相和结晶相以及残余的Sn相。其非晶相的结晶温度是533K。文献[41]中用脉冲电流在423K和500MPa下制备了Mg80Ni10Y5B5块状非晶合金，经分析其中主要是非晶相。非晶Mg合金比A291D合金和纯镁有较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度，非晶化改善了镁合金的抗腐蚀抗力。从实践来看，可以采用SPS烧结法制备块状非晶合金。因此利用先进的SPS技术进行大块非晶合金的制备研究很有必要。

6总结与展望

放电等离子烧结（SPS）是一种低温、短时的快速烧结法，可用来制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料、复合材料、梯度材料等。SPS的推广应用将在新材料的研究和生产领域中发挥重要作用。

SPS的基础理论目前尚不完全清楚，需要进行大量实践与理论研究来完善，SPS需要增加设备的多功能性和脉冲电流的容量，以便做尺寸更大的产品；特别需要发展全自动化的SPS生产系统，以满足复杂形状、高性能的产品和三维梯度功能材料的生产需要[42]。

对实际生产来说，需要发展适合SPS技术的粉末材料，也需要研制比目前使用的模具材料（石墨）强度更高、重复使用率更好的新型模具材料，以提高模具的承载能力和降低模具费用。

在工艺方面，需要建立模具温度和工件实际温度的温差关系，以便更好的控制产品质量。在SPS产品的性能测试方面，需要建立与之相适应的标准和方法。

三 主要特点

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。

四 应用分类

（1）应用：（汽车、摩托车、纺织机械、工业缝纫机、电动工具、五金工具。电器.工程机械等）各种粉末冶金（铁铜基）零件。[1]

（2）分类：粉末冶金多孔材料、粉末冶金减摩材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金结构零件、粉末冶金工模具材料、和粉末冶金电磁材料和粉末冶金高温材料等。五生产过程

（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。[2]

（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。六工艺性能

等静压成型粉末冶金

金属喷射成型粉末冶金

粉末锻造粉末冶金

压力烧结粉末冶金

粉末性能(property of powder)

粉末所有性能的总称。它包括：粉末的几何性能(粒度、比表面、孔径和形状等)；粉末的化学性能(化学成分、纯度、氧含量和酸不溶物等)；粉体的力学特性(松装密度、流动性、成形性、压缩性、堆积角和剪切角等)；粉末的物理性能和表面特性(真密度、光泽、吸波性、表面活性、ze%26mdash;ta(%26ccedil;)电位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上决定了粉末冶金产品的性能。

几何性能最基本的是粉末的粒度和形状。

(1)粒度。它影响粉末的加工成形、烧结时收缩和产品的最终性能。某些粉末冶金制品的性能几乎和粒度直接相关，例如，过滤材料的过滤精度在经验上可由原始粉末颗粒的平均粒度除以10求得；硬质合金产品的性能与wc相的晶粒有很大关系，要得到较细晶粒度的硬质合金，惟有采用较细粒度的wc原料才有可能。生产实践中使用的粉末，其粒度范围从几百个纳米到几百个微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易氧化和吸水。当小到几百个纳米时，粉末的储存和输运很不容易，而且当小到一定程度时量子效应开始起作用，其物理性能会发生巨大变化，如铁磁性粉会变成超顺磁性粉，熔点也随着粒度减小而降低。

(2)粉末的颗粒形状。它取决于制粉方法，如电解法制得的粉末，颗粒呈树枝状；还原法制得的铁粉颗粒呈海绵片状；气体雾化法制得的基本上是球状粉。此外，有些粉末呈卵状、盘状、针状、洋葱头状等。粉末颗粒的形状会影响到粉末的流动性和松装密度，由于颗粒间机械啮合，不规则粉的压坯强度也大，特别是树枝状粉其压制坯强度最大。但对于多孔材料，采用球状粉最好。

力学特性粉末的力学性能即粉末的工艺性能，它是粉末冶金成形工艺中的重要工艺参数。粉末的松装密度是压制时用容积法称量的依据；粉末的流动性决定着粉末对压模的充填速度和压机的生产能力；粉末的压缩性决定压制过程的难易和施加压力的高低；而粉末的成形性则决定坯的强度。

化学性能主要取决于原材料的化学纯度及制粉方法。较高的氧含量会降低压制性能、压坯强度和烧结制品的力学性能，因此粉末冶金大部分技术条件中对此都有一定规定。例如，粉末的允许氧含量为0.2%～1.5%，这相当于氧化物含量为1%～10%。参考文献：

【1】粉末冶金新技术与新装备

刘文胜 马运柱...矿冶工程 2007 5 【2】现代粉末冶金材料和技术发展现状

（一）黄伯云 易健宏 上海金属 2007 3 【3】现代粉末冶金材料和技术发展现状

（二）黄伯云 易健宏 上海金属 2007 4 【4】钛及钛合金的粉末冶金新技术

周洪强 陈志强 材料导报：网络版 2006 1 【5】世界粉末冶金的发展现状 刘咏 黄伯云 中国有色金属2006 1 【6】粉末冶金多孔材料性能研究

孙纪国 王浩...导弹与航天运载技术 2006 4 【7】粉末冶金文摘

亓家钟（摘择）粉末冶金技术 2006 2 【8】German R M.Powder Inject ion Molding [ M].MPIF: Princeton,1990.61~ 95.【9】Capus J, Pickering S, Weaver A.Hoeganaes offers higher density atlower cost [ J].Metal Powder Report, 1994, 49(78): 22~ 24.【10】 Rutz H G, Hanejko F G.High density processing of high performance ferrous mat erials [ J ].The Internat ional of PowderMetallurgy, 1995, 31(1): 9~ 17.

第四篇：粉末冶金技术简介

姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

粉末冶金的技术简介

摘要：本文对近几十年以来发展的粉末冶金过程中应用到的各种技术，包括制粉技术、成形技术和烧结技术作了一个简单的介绍。并介绍了粉末冶金的特点、粉末冶金材料以及在各行业的应用。

关键字：粉末冶金 制粉技术

粉末成形技术 引言

粉末冶金是一门古老又现代的材料制备技术。古代炼块技术和陶瓷制备技术都是粉末冶金技术的雏形。18至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。现代最早出现粉末冶金技术的国家是美国，其在1870年通过粉末冶金技术合成了铜铅轴承，利用其多孔性实现了轴承的自润滑。20世纪起，粉末冶金进入了高速发展的时期。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。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[1]。粉末冶金的特点

粉末冶金是指把制取的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，经过必要的后处理得到金属材料、复合材料和各种类型制品的工艺技术。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油和熔渗等。粉末工艺的主要过程包括：制粉→原材料的混合→成形→烧结→后处理。

粉末冶金制品的主要特征之一是多孔，制得的粉末冶金制品多是半致密或致密的。利用多孔性可以在制品内加入润滑介质，形成微型自润滑系统，减轻零件磨损程度，提高其使用寿命；利用多孔性在制品内部加入催化剂，可以提高物质的接触面积，提高反应速度和催化效果；也可以利用多孔性制成多样过滤层。此外，多孔性还有利于减轻产品的重量[2]。然而制品的孔隙，不仅能影响制品的物理、化学、力学和工艺性能，还会对精密成形造成一定难度。所以，现在有很多生产高致密、高性能的粉末冶金制品的技术被研究了出来。

粉末冶金还具有其他特点。如：粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏距，消除粗大、不均匀的铸造组织；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；可以实现多种类型的复合，发挥各种材料的特性；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、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料[3]。除此之外，粉末冶金还具有加工工艺流程短而简单，产品质量好，精度高，原材料利用率高，加工



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

效率高，节能节时等优点。粉末冶金的工艺技术 3.1制粉

3.1.1粉末冶金材料类型

粉末冶金材料是用粉末冶金工艺将金属粉末与非金属粉末混合，经成形、烧结后制得多孔、半致密或全致密的材料[4]。粉末冶金材料主要可以分为传统的粉末冶金材料和现代先进粉末冶金材料[5]。1)传统粉末冶金材料

① 铁基粉末冶金材料：作为重要的粉末冶金材料，被广泛的应用于汽车行业。此外，还广泛应用于家用电器、电动工具、农业机械、文体休闲器材。

② 铜基粉末材料：主要有烧结青铜（锡青铜和铝青铜）、烧结黄铜、烧结镍银和烧结铜镍合金和弥散强化铜、时效强化铜合金以及减震铜合金。主要应用于含油轴承，此外，还在摩擦材料、电刷、过滤器、机械结构零件、电工零件等有应用。

③ 硬质合金材料：主要由一种或者多种难溶金属经过碳化形成的一种硬质材料。这种材料是通过金属粘结剂进行粘结，然后经过粉末冶金技术进行制作。主要应用于切削领域。

④ 难溶金属材料：这种材料主要有难溶的金属构成，其熔点高、强度和硬度也相对较高。该材料主要用于航空航天、国防、能源和核研究领域。

⑤ 电工材料：这种材料主要用于电气和仪表领域，如电阻器件、电力管等。⑥ 摩擦材料:这种材料是依靠摩擦力来实现制动和传动功能的部件材料，主要应用在摩擦离合器和摩擦制动器中。

⑦ 减摩材料：这种材料具有低的摩擦系数和好的耐磨性，具有好的自润滑性能，主要应用于动力机械、汽车、拖拉机、飞机等领域。2)现代粉末冶金材料

① 软磁材料：可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料。后者比前者出现的早，其特点是只能通过粉末冶金的方法获得。这种材料具有较高的导磁率和较强的饱和磁化强度，被各个磁行业广泛应用。

② 能源材料：指在发展过程中，能促进新能源建立和发展的材料。主要发展方向是电池、氢能和太阳能。主要应用于能源开发领域。如采用粉末冶金技术制作锂电池正负极材料、储氢合金、燃料电池的阳极材料、太阳能光电、光热材料、风能中的机械制动材料、核结构



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

材料等[6]。

③ 生物材料：这种方法主要应用于医学领域，应用钛合金被多次研究，诸如李元元等用粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[7]。3.1.2制粉技术

制粉按其过程实质分为两类：机械法和物理法。机械法是将原材料粉碎，但是其化学成分基本不发生变化；物理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。

1)机械法主要有机械粉碎法和雾化法。

①

机械粉碎法主要的方法是球磨法。它是将金属、金属化合物及合金放入球磨机内，在碾磨球强烈的搅动下，受到冲击力、碾磨力、剪切力和压力的不断作用，使之发生变形、破碎和冷焊接的一种粉末制造技术。现在应用较广的机械合金化技术中采用了高能球磨技术，其特点是能制造出超细材料。在球磨过程中，金属和非金属混合物会发生严重的晶格畸变，得到高密度的缺陷和纳米级的精细结构。目前，高能球磨法被广泛应用于合金、磁性材料、超导材料、金属间化合物、过饱和固溶体材料以及非晶、准晶纳米晶等亚稳态材料的制备[8]。② 雾化法。快速凝固雾化制粉技术是直接击碎液体金属或合金并快速冷凝而制得粉末的方法，此种方法可以有效减少合金成分的偏析，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶、或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。

按照击碎的方式不用，雾化法又可以分为气体雾化、高压水雾化和离心雾化。气体雾化法所用的雾化压力一般为2-8MPa，制得的粒径一般为50-100mm，多为表面光滑的球形。近年发展起来的一种新的紧耦合气体雾化喷枪，可以极大的提高细分率，粒径为30-40mm,粉末占75%左右，粉末的冷凝速度也相应有了提高。高压水雾法是20世纪60年代中期建立起来的技术，其采用密度较高的水作为雾化媒介，其冷凝速度比一般气体雾化要高上许多，一般是提高一个数量级，但是其产生的粉末颗粒形状多为不规则。离心雾化法是利用机械旋转造成的离心力使得金属溶液克服表面张力，以细小的液滴甩出，然后再飞行过程中被冷凝、球化的过程。离心雾化法几乎适用所有金属和合金粉末的制取，还可以制取难溶化合物（如氧化物、碳化物）粉末，也是目前制取高纯、无污染难溶金属和化合物球形粉末最理想的方法，但是其生产过程的自动化产业还未成熟，生产能力低，价格高[9]。

2)物理法。物理法有还原法、化学沉淀法、合金分解法和电解法等。其中应用最大的是还原法和电解法。还原法是用还原剂在一定条件下将金属氧化物或金属盐类等进行还原而制取粉末的一种方法；化学沉淀法是用一种或者多种金属盐溶液，通过化学反应形成沉淀物，然



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

后脱除溶剂和加热分解的制粉方法；合金分解法是选择一种溶剂，只溶解合金中某一成份，再将不溶解的成分分离出来获得金属粉末；电解法是电解金属盐的水溶液使得金属阳离子在阴极上沉积或进行熔融盐电解而获得金属粉末[10]。

3.2成形

成形的目的是将粉末制成具有一定形状和尺寸的坯料，制得的坯料具有一定的强度和密度。目前，粉末成形的方法有很多，归纳起来可以分为有压成形和无压成形。无压成形是指粉末在不受压力的作用而得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，又称作粉浆浇注成形法，利用毛细管原理让石膏模具吸收浆料（粉末与液体（水、甘油、酒精等）的混合）中的液体，使得粉末在模具中固化成形的过程。有压成形是指粉末在压力作用下得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，如注射成形技术、温压成形技术、热压成形技术、等静压成形技术和高速压制成形技术等。3.2.1注射成形技术

粉末注射成形技术（powder injection molding，简称PIM）是将塑料注射成形的思路和方法应用到粉末成形上的一门新技术。粉末成形技术的基本工艺过程是：将粉末与粘结剂混合后，在一定温度下使得粘结剂熔融，然后进一步混合均匀，在注射剂压力作用下，从注射剂喷嘴射入模具，经冷却脱模后得到生坯，实现粉末成形。粉末微成形注射技术的原理与传统的粉末注射成形是一致的，只是最后得到的生坯的尺寸是在微米级，且其粉末粒径亦为微米级别，加大了的制粉的难度，此外，其模具需采用微加工技术加工。北京科技大学自行研制开发了具有自主知识产权的粉末微注射成形用模具，并成功注射成形出齿顶圆直径小于1mm的微型齿轮[11]。

粉末注射成形可以获得组织结构均匀，力学性能优异的净成形零部件，制造比传统的工艺要低，且通过注射成形的零件一般都不需要在经过机械加工，而且能加工出传统粉末冶金方法不能制造的各种形状复杂的零件。现在粉末注射成形生产已实现一体化，自动化程度高。3.2.2温压成形技术

温压成形技术于1994年国际粉末冶金和隔离材料会议上，由美国Hoeganaes公司公布，被国际粉末冶金界誉为“导致粉末冶金技术革命”的新成形技术[12]。粉末温压技术，顾名思义其加压温度介于室温和热压温度之间，一般为100-150℃，在压力作用下混合粉末（粉末加高温润滑剂）在预热的封闭钢模中被加压成形。其特点是：制造铁基粉末冶金零部件的成本低；能使生坯致密；制品强度高；可以制造复杂形状零件；密度均匀等。3.2.3热压成形技术



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

热压成形过程中，将成形与烧结两个工序一并完成，它是对装有粉末的模腔加压并加热，温度达到正常烧结温度或更低一些，在短时间内完成烧结得到致密均匀的制品。热压成形按照加热方式可以分为电阻间接加热、电阻直接加热和感应加热三种。第一种方式是采用碳管发热，对模具和粉末同时加热；第二种方式是采用压横材料发热，使得模具成形部位的温度要高于其他部位。第三种方式由于粉末坯料中的涡流大小与密度相关，而坯料密度在热压成形过程中会变大，造成电阻降低，涡流发热减小，所以感应加热的温度是不好控制的。热压成形的优点是可以制成全致密的材料。但是，热压成形中温度的均匀性和稳定性不好把握。3.2.4等静压成形技术

等静压成形过程的基本原理是将混合粉末经过真空吸粉，气动填料输入等静压成形机的模具（橡胶模具或塑料模具）中，在通过介质（水或油或气体）向各向施加均等的压力，压制成致密、结实的制品。等静压成形又可分为冷等静压和热等静压，前者传递压力的介质是水或油；后者传递压力的介质是气体。等静压成形的特点是能制成形状复杂的零件；制品密度均匀，强度高；成本低廉；在较低温度下可以值得接近完全致密的材料。然而，其制品表面精度和光洁度比钢模压制法低；生产率低；模具寿命短。3.2.5高速压制成形技术

高速压制成形的基本原理是通过高速运动的垂头产出强烈的冲击应力波，在很短时间内（0.02s）将冲击能量通过压模传递粉末进行致密化，通过附加间隔（0.3s）的高频冲击应力波可以进一步提高材料的密度，从而使得制品性能更加优异。具有密度高，分布均匀，径向弹性后效小容易脱模、生产率高、成本低等特点。高速压制成形技术近几年来成为了研究热点，各种研究成果得到了证实，华南理工大学肖志瑜教授等人提出了一种高速压制和温压相结合的温高速压制的技术思路，通过一系列实验表明，该方法能否获得更高的压坯密度，取决于粉末的种类和特性；华南理工大学邵明教授等人，自行设计和制造了一种基于机械弹簧蓄能的粉末冶金高速压制压力机，并用于基础探索研究[13]。

3.3烧结

烧结作为粉末冶金过程中最重要的工序，一直以来是人们研究的重点。一个好的烧结工艺，不仅能提高粉末冶金制品的力学性能，还能降低物质和能源消耗。

3.3.1放电等离子体烧结（SPS）

放电等离子体烧结，是将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上，在粉末颗粒间会产出等离子体放电，能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体，并加速物质高速度的扩散和迁移，导致粉末的净化、活化和均化。它是一种集等离子体活化、热压、电阻加热



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

为一体的加工工艺，具有烧结时间段、温度控制准确、烧结样品颗粒均匀、致密性好等优点。王兴华等[14]采用机械合金化技术制备的Fe75Zr3Si13B9粉体，通过放电等离子体烧结技术在不用温度下将非晶合金粉体制备成了d20 mm×7 mm的块状非晶纳米晶合金。研究表明，在500MPa烧结压力下，随着烧结温度的升高，非晶相开始晶化形成非晶纳米晶双相结构。同时，样品的致密度、抗压强度、微观硬度、饱和磁化强度显著提高。最后在500MPa的烧结压力和863.15 K的烧结温度下,获得密度6.9325 g/cm3、抗压强度1140.28MPa、饱和磁化强度1.28 T的非晶纳米晶磁性材料。3.3.2选择性激光烧结成形（SLS）

选择性激光烧结成形（SLS）是将三维数值模型分解成一系列二维层片结构后，由计算机控制激光束移动，进行逐层烧结，最后形成三维实体。在SLS过程由三个部分组成，分别是激光源、粉末摊铺系统和气氛控制系统。激光源发射的激光束功率、扫描速度和方式对烧结精度有重要影响。粉末摊铺密度、厚度对粉末烧结致密性有影响，一般是粉末摊铺密度越大、厚度越薄，烧结得到的制品越致密，精度越高。气氛的作用是防止粉末在烧结过程中被氧化，通常有氮气、氩气等。

选择性激光烧结成形的特点是无需模具就能直接烧成近净形致密零件，成形灵活性强、周期短、原料广泛，适合制造不同材料和复杂形状的零件。在汽车、造船、机械、航空与航天领域得到广泛应用[15]。3.3.3场活化烧结技术

场活化烧结技术是利用外场的活化作用实现低温快速烧结致密化的一种烧结技术。在烧结的初始阶段施加一个脉冲电流，使得粉末颗粒间产生电火花或等离子弧，在其作用下粉末表面的氧化膜和杂质被清除，粉末颗粒直接接触并发生烧结形成烧结颈，戒指同时施加大电流和一定压力，使得粉体致密化。与传统的烧结方法比，烧结时间短，烧结过程对粉末微观组织影响小，制品纯度高。在日本已应用于工业化生产软磁和硬磁材料以及切削工具[16]。结束语

随着新材料的不断开发研究，粉末冶金技术越来越多应用到各种新材料的加工制造中，粉末冶金制品的应用领域不断扩大，对粉末冶金技术的改进技术不断被开发提出。我国的粉末冶金技术与发达国家比还尚有差距，因此，我们要及时开发具有自主知识产权的粉末冶金新技术。



姓名：张丹

学号：11309010 指导老师：张自强

参考文献

[1]黄伯云,易键宏.现代粉末冶金材料和技术发展现状

（一）[J].上海金属, 2007, 29(3):1-7.[2]现代粉末冶金技术简介[J].金属世界, 2010,(3):1-7.[3]韩明刚.关于粉末冶金技术的发展趋势研究[J].现代企业教育, 2008,(18):108.[4]焦健,彭芳.浅析粉末冶金材料[J].内蒙古石油化工, 2013,(5):63-64.[5]魏建华.粉末冶金材料的分类及应用分析[J].科技与企业, 2013,(23):359.[6]郭志猛,杨薇薇,曹慧钦.粉末冶粉末冶金技术在新能源材料中的应用[J].粉末冶金工业, 2013, 23(3):10-20.[7]李元元,邹黎明,杨超.粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[J].华南理工法学学报, 2012, 40(10):43-50.[8]袁慎坡,陈萌莉.高能球磨法细化合金钢粉末工艺的研究[J].新技术新工艺, 2007,(6):84-86.[9]郭菁.粉末冶金技术的发展概述[J].新疆有色金属, 2013,(1):151-153.[10]郭青蔚.粉末冶金工艺发展现状[J].世界有色金属, 1998,(1)：8-9.[11]潘豪.微成形技术的研究概述[J].电子世界, 2013,(18):171-172.[12]周洪强,陈志强.粉末冶金温压成形技术的研究现状[J].钛工业进展, 2007, 24(5):5-8.[13]马春宇,肖志瑜,李超杰等.粉末冶粉末冶金高速压制成形技术最新研究进展[J].粉末冶金工业, 2012, 22(2):55-59.[14] Xing-hua WANG，Ge WANG，Yu-ying ZHU.Fe75Zr3Si13B9 Magnetic Materials Prepared by Spark Plasma Sintering[J].Science Direct, 2014,(24):712-717.[15]余文焘,欧阳鸿武,杨家林等.粉末选区激光烧结—一种新型粉末冶金成形技术[J].稀有金属, 2006, 30(12):80-83.[16]全球五金网.场活化烧结技术.[EB/OL].[2012-12-11].http://cn.made-in-china.m/info/article-4401684.html.

第五篇：粉末冶金技术简介

Xx大学本科生专业选修课

粉末冶金技术 结课论文

论文名称：

学生：

院系名称： 授课教师：

专业班级：

学 号：

联系电话：

电子邮箱：

粉末冶金技术简介

摘要：本文对近几十年以来发展的粉末冶金过程中应用到的各种技术，包括制粉技术、成形技术和烧结技术作了一个简单的介绍。并介绍了粉末冶金的特点、粉末冶金材料以及在各行业的应用。

关键字：粉末冶金制粉技术粉末成形技术

1.引言

粉末冶金是一门古老又现代的材料制备技术。古代炼块技术和陶瓷制备技术都是粉末冶金技术的雏形。18至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。现代最早出现粉末冶金技术的国家是美国，其在1870年通过粉末冶金技术合成了铜铅轴承，利用其多孔性实现了轴承的自润滑。20世纪起，粉末冶金进入了高速发展的时期。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。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[1]。

2.粉末冶金的特点

粉末冶金是指把制取的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，经过必要的后处理得到金属材料、复合材料和各种类型制品的工艺技术。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油和熔渗等。粉末工艺的主要过程包括：制粉→原材料的混合→成形→烧结→后处理[2]。

3.粉末冶金的工艺技术

3.1制粉材料

粉末冶金材料是用粉末冶金工艺将金属粉末与非金属粉末混合，经成形、烧结后制得多孔、半致密或全致密的材料[3]。粉末冶金材料主要可以分为传统的粉末冶金材料和现代先进粉末冶金材料[4]。

3.2成形

成形的目的是将粉末制成具有一定形状和尺寸的坯料，制得的坯料具有一定的强度和密度。目前，粉末成形的方法有很多，归纳起来可以分为有压成形和无压成形。无压成形是指粉末在不受压力的作用而得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，又称作粉浆浇注成形法，利用毛细管原理让石膏模具吸收浆料（粉末与液体（水、甘油、酒精等）的混合）中的液体，使得粉末在模具中固化成形的过程[5]。有压成形是指粉末在压力作用下得到一定尺寸和形状坯料的成形方法，如注射成形技术、温压成形技术、热压成形技术、等静压成形技术和高速压制成形技术等。

3.3烧结

烧结作为粉末冶金过程中最重要的工序，一直以来是人们研究的重点。一个好的烧结工艺，不仅能提高粉末冶金制品的力学性能，还能降低物质和能源消耗[6]。

4.结束语

随着新材料的不断开发研究，粉末冶金技术越来越多应用到各种新材料的加工制造中，粉末冶金制品的应用领域不断扩大，对粉末冶金技术的改进技术不断被开发提出。我国的粉末冶金技术与发达国家比还尚有差距，因此，我们要及时开发具有自主知识产权的粉末冶金新技术[7]。

参考文献

[1]黄伯云,易键宏.现代粉末冶金材料和技术发展现状

（一）[J].上海金属, 2007, 29(3):1-7.[2]焦健,彭芳.浅析粉末冶金材料[J].内蒙古石油化工, 2013,(5):63-64.[3]魏建华.粉末冶金材料的分类及应用分析[J].科技与企业, 2013,(23):359.[4]郭志猛,杨薇薇,曹慧钦.粉末冶粉末冶金技术在新能源材料中的应用[J].粉末冶金工业, 2013, 23(3):10-20.[5]李元元,邹黎明,杨超.粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[J].华南理工法学学报, 2012, 40(10):43-50.[6]袁慎坡,陈萌莉.高能球磨法细化合金钢粉末工艺的研究[J].新技术新工艺, 2007,(6):84-86.[7]郭青蔚.粉末冶金工艺发展现状[J].世界有色金属, 1998,(1)：8-9.