1粉末冶金歷史

粉末冶金是一門古老的冶金技術。在2500多年前就已用海綿鐵鍛造法制造鐵器了。19世紀后期至20世紀初，用粉末冶金方法制取了鉬、鉭、鈮等難熔金屬。20世紀初，用粉末冶金技術研制成功了硬質合金、多孔性金屬含油軸承、鎢-銅、鎢-銅-鎳復合材料等。隨著20世紀40年代，歐洲開始工業生產鐵粉。含油軸承的發明、硬質合金的生產推動了粉末冶金在機械制造業的發展。

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。生產金屬粉末和用金屬粉末（也包括非金屬粉末）作為原料經過過壓制、燒結，制成具有一定形狀、尺寸、強度的金屬材料、復合材料和各種類型制品的冶金工程與材料科學和機械零件制造技術。

粉末冶金技術具有如下特點：

·某些特殊性能材料的唯一制造方法；

·可直接制出尺寸準確，表面光潔的零件；

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

·節約材料和加工工時，成本低；

·制品強度較低；流動性較差，形狀受限制；

·壓制成形的壓強較高，制品尺寸較小；

·壓模成本較高。

粉末冶金技術主要包括原始粉末制備、成型和燒結等幾個主要工序，如圖1所示。

圖1 粉末冶金技術流程圖

2.1 粉末制備

①機械法：通過機械破碎、研磨或氣流研磨方法將大塊材料或粗大顆粒細化的方法；

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

③化學法：依靠化學反應或電化學反應過程，生成新的粉態物質。

2.2 成型技術

粉末成形技術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、密度和強度的壓坯。粉末冶金技術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 粉末冶金技術主要成型方法

2.3 燒結技術

粉末燒結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，粉末顆粒之間產生原子擴散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強化；依靠熱激活作用，原子發生遷移，粉末顆粒形成冶金結合，最終獲得所需材料。

燒結技術和成型技術是粉末冶金技術的二個關鍵步驟。

粉末燒結技術定義：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，粉末顆粒之間產生原子擴散、固溶、化合和熔接，致使壓坯收縮并強化，這一過程稱為燒結；

粉末冶金技術目的：依靠熱激活作用，原子發生遷移，粉末顆粒形成冶金結合；提高燒結體的強度；

粉末冶金技術原理：粉末在熱激活狀態下，表面能降低，導致空隙減小，密度增大，強度增加；

粉末冶金技術影響因素：燒結溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度。

2.4 后處理技術

后處理技術是對粉末冶金工藝獲得的零部件進行如精整、浸油、機加工、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，就是在計算機中將3D CAD模型分成若干層，通過3D打印設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胞等材料燒結或者黏合在一起，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打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。

金屬粉末3D打印技術具有如下技術特點：

·數字制造：由零件數字模型直接驅動材料的堆積過程，可快速、高效和精確地再現三維模型；

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

·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構進行控制；

·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打印技術制備的金屬材料零部件。

圖3金屬粉末3D打印技術制備的金屬材料零部件

4.粉末冶金工藝的應用

4.1 機械零部件

粉末冶金工藝制備的機械零部件主要包括：

·減磨材料：多孔含油軸承、金屬塑料減磨材料、致密減磨材料；

·機械零件：鐵基機械零件、有色金屬機械零件；

·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、發散發汗材料、吸音材料、密封材料

圖4 粉末冶金工藝制備的發動機零部件

4.2 工具材料

粉末冶金工藝制備的工具材料主要包括：

·硬質合金：含鎢硬質合金、無鎢硬質合金、鋼結硬質合金；

·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；

·彌散強化材料：

·纖維強化材料：

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

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作者：小龍