粉末冶金的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

時間：2022-10-07 12:59:47 大專畢業(yè)論文我要投稿

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　　粉末冶金的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢【1】

　　【摘要】粉末冶金是用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)制成金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝過程。

　　粉末冶金它具有低耗節(jié)能、材料利用率高、高效省時等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一定不足，如金屬粉末和模具費(fèi)成本高，產(chǎn)品尺寸的大小和形狀受限制，產(chǎn)品韌性較差等。

　　目前粉末冶金廣泛應(yīng)用在硬質(zhì)合金制作、多孔材料、難熔金屬材料、磁性材料、金屬陶瓷等。

　　【關(guān)鍵詞】粉末冶金歷史基本工序粉末冶金優(yōu)勢與不足趨勢

　　1 粉末冶金的歷史

　　粉末冶金發(fā)展經(jīng)歷三個階段：

　　20世紀(jì)初，通過粉末冶金工藝制得電燈鎢絲，被譽(yù)為現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。

　　隨后許多難熔金屬材料如鎢、鉭、鈮等都可通過粉末冶金工藝方法制備。

　　1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的誕生更被譽(yù)為機(jī)械加工業(yè)的一次革命;20世紀(jì)30年代，粉末冶金工藝成功制得銅基多孔含油軸承。

　　繼而發(fā)展到鐵基機(jī)械零件，并且迅速在汽車、紡織、辦公設(shè)備等現(xiàn)代制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用;20世紀(jì)中葉以后，粉末冶金技術(shù)與化工、材料、機(jī)械等學(xué)科互相滲透，更高性能的新材料、新工藝發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)粉末冶金發(fā)展。

　　并使得粉末冶金技術(shù)廣泛應(yīng)用到汽車、航空航天、軍工、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域。

　　2 粉末冶金的基本工序

　　(1)粉末的制取。

　　目前制粉方法大體可分為兩類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。

　　機(jī)械法是將原材料機(jī)械地粉碎，化學(xué)成分基本不發(fā)生變化。

　　物理化學(xué)法是借助化學(xué)或物理作用，改變原材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末。

　　目前工業(yè)制粉應(yīng)用最為廣泛的有霧化法、還原法和電解法;而沉積法(氣相或液相)在特殊應(yīng)用時也很重要。

　　(2)粉末成型。

　　成型是使金屬粉末密實(shí)成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強(qiáng)度坯塊的工藝過程。

　　成型分普通模壓成型和特殊成型兩類。

　　模壓成型是將金屬粉末或混合料裝在鋼制壓模內(nèi)，通過模沖對粉末加壓，卸壓后，壓坯從陰模內(nèi)壓出。

　　特殊成型是隨著各工業(yè)部門和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對粉末冶金材料性能及制品尺寸和形狀提出更高要求而產(chǎn)生。

　　目前特殊成型分等靜壓成型、連續(xù)成型、注射成型、高能成型等。

　　(3)坯塊燒結(jié)。

　　燒結(jié)是粉末或粉末壓坯，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥諚l件下加熱所發(fā)生的現(xiàn)象或過程。

　　燒結(jié)可分單元系燒結(jié)和多元系固相燒結(jié)。

　　單元系燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低;多元系固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般介于易熔成分和難熔成分的熔點(diǎn)之間。

　　除普通燒結(jié)外，還有活化燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等特殊的燒結(jié)方法。

　　(4)產(chǎn)品的后處理。

　　根據(jù)產(chǎn)品的性能要求不同，一般會對燒結(jié)品再進(jìn)行加工處理。

　　如浸油、精整、切削攻牙、熱處理、電鍍等。

　　3 粉末冶金的優(yōu)勢與不足

　　粉末冶金的優(yōu)勢：粉末冶金燒結(jié)是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行，因此目前絕大多數(shù)難熔金屬及其化合物都只能用粉末冶金方法制造;粉末冶金壓制的不致密性，有利于通過控制產(chǎn)品密度和孔隙率制備多孔材料、含有軸承、減摩材料等;粉末冶金壓制產(chǎn)品的尺寸無限接近最終成品尺寸(不需要機(jī)械加工或少量加工)。

　　材料利用率高，故能大大節(jié)約金屬，降低產(chǎn)品成本;粉末冶金產(chǎn)品是同一模具壓制生產(chǎn)，工件之間一致性好，適用于大批量零件的生產(chǎn)。

　　特別是齒輪等加工費(fèi)用高的產(chǎn)品;粉末冶金可以通過成分的配比保證材料的正確性和均勻性，此外燒結(jié)一般在真空或還原氣氛中進(jìn)行，不會污染或氧化材料，可以制備高純度材料。

　　粉末冶金的不足：粉末冶金零件部分性能不如鍛造和一些鑄造零件，如延展性和抗沖擊能力等;產(chǎn)品的尺寸精度雖然不錯，但是還不如有些精加工產(chǎn)品所得的尺寸精度;零件的不致密特性會對后加工處理產(chǎn)生影響，特別在熱處理、電鍍等工藝必須考慮這一特性的影響;粉末冶金模具費(fèi)用高，一般不適用于小批產(chǎn)品生產(chǎn)。

　　4 國內(nèi)粉末冶金行業(yè)的趨勢

　　隨著我國工業(yè)化快速發(fā)展，高附加值的零部件需求將加速增長。

　　此外，隨著全球化采購的產(chǎn)業(yè)鏈形成，帶給國內(nèi)零部件企業(yè)商機(jī)顯而易見。

　　因此，如何把握當(dāng)前機(jī)遇，目前粉末冶金行業(yè)應(yīng)該從以下四方面發(fā)展。

　　(1)進(jìn)一步提高鐵基粉末冶金產(chǎn)品的密度，擴(kuò)大粉末冶金件對傳統(tǒng)鍛件的替代范圍。

　　當(dāng)前，鐵基粉末冶金零件的密度為7.0-7.2g/cm3，而國內(nèi)某企業(yè)通過技術(shù)改進(jìn)，用傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)和鍛造工藝相結(jié)合的辦法，用較低的成本把鐵基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3，在這種密度前提下，鐵基粉末冶金已經(jīng)可替代機(jī)械、汽車等行業(yè)的大多數(shù)連接件和部分功能件。

　　考慮粉末冶金工藝本身對材料的節(jié)省和高效特征，此類鐵基粉末冶金件的潛在價值空間可達(dá)至千億元。

　　(2)提高粉末冶金產(chǎn)品的精度、開發(fā)形狀更復(fù)雜的產(chǎn)品。

　　為機(jī)械制造、航天汽車、生活家電等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級服務(wù)。

　　此方向主要以降低機(jī)械重量、節(jié)能減耗及將設(shè)備小型化、普及化為導(dǎo)向。

　　如使用注射成型零件幾乎不需要再進(jìn)行機(jī)加工，減少材料的消耗，材料的利用率幾乎可以達(dá)到100%。

　　(3)進(jìn)一步合金化，目標(biāo)為輕量化和功能化。

　　在鐵基粉末中，混入鋁、鎂及稀土元素等合金粉末，可實(shí)現(xiàn)其超薄、輕量化等性能，可廣泛地應(yīng)用電子設(shè)備及可穿戴設(shè)備等與生活密切相關(guān)的領(lǐng)域中。

　　(4)改善粉末冶金零件的電磁性，目標(biāo)是對硅鋼和鐵氧體、磁介質(zhì)等材料的取代。

　　以取向硅鋼材料為例，硅鋼的導(dǎo)電原理是加入硅元素后，材料通過減少晶界的方式降低鐵損，特別是取向硅鋼，導(dǎo)向方向是一個單一粗大的晶粒。

　　相比取向硅鋼的一維導(dǎo)電方向，粉末冶金零件可以實(shí)現(xiàn)多維導(dǎo)電(各個方向)。

　　目前此技術(shù)已被少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)突破，只要不斷完善，最終達(dá)到工業(yè)要求。

　　這種技術(shù)將會廣泛在電機(jī)設(shè)備、汽車及機(jī)器人智能控制系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997(2006.1重印).1.

　　[2]黃培云.粉末冶金原理.[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997(2006.1重印).7.

　　粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展現(xiàn)狀【2】

　　摘要：粉末冶金工藝是一種優(yōu)質(zhì)的金屬成形工藝，創(chuàng)造出多數(shù)擁有特殊用途和性能的新型鋼材料，這項工藝有著極大的發(fā)展空間。

　　不過傳統(tǒng)的粉末冶金工藝所制造生產(chǎn)出來的材料通常都包含一些孔隙在其中，明顯的影響了材料的使用性能，而且所能夠制造出來的零件的制式復(fù)雜性也受到一定的限制，該文針對粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展進(jìn)行研究，提出全高速工具鋼完全致密化冶金工藝以及粉末注射成形改善粉末冶金零件制式復(fù)雜性限制這兩大發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行簡述。

　　關(guān)鍵詞：粉末冶金生產(chǎn)工藝粉末冶金高速鋼粉末注射成形

　　粉末冶金具有高效節(jié)能、節(jié)省材料、保護(hù)環(huán)境以及能夠進(jìn)行金屬成形的批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

　　而粉末冶金的工藝步驟主要是先制取粉末，然后將粉末原料的配量進(jìn)行混合，最后將其成形并凝固。

　　粉末冶金可以根據(jù)材料所具有的性能要求以及零件所需使用的性能要求，在一定的范圍當(dāng)中對材料的成分進(jìn)行混合[1]。

　　粉末冶金產(chǎn)業(yè)當(dāng)中所制造生產(chǎn)出來的產(chǎn)品基本上都鐵基方面的機(jī)械零件。

　　根據(jù)粉末冶金工藝的工藝特點(diǎn)來看，粉末冶金還可以將其制成高熔點(diǎn)的金屬，就比如鎢和鉬這兩種高熔點(diǎn)金屬，同時也可制成金屬陶瓷的材料，像一些質(zhì)地堅硬的合金以及一些高溫材料。

　　還有多孔材料、假合金、過濾材料、摩擦材料等一系列的材料，這些材料的生產(chǎn)和制造只能夠使用粉末冶金的工藝來進(jìn)行制備和生產(chǎn)，因此粉末冶金工藝完全具有跨越傳統(tǒng)冶金工藝的可能性。

　　在粉末冶金高速工具鋼和粉末注射成型這兩大冶金工藝發(fā)展最為突出。

　　1 粉末冶金高速鋼

　　粉末冶金新工藝，氣霧化的高速鋼粉末顆粒進(jìn)行冷卻的速度通常都比較高，而且這些高速鋼的粉末顆粒當(dāng)中也已經(jīng)不存在偏析的粉末用熱情況，和鑄鍛形成的高速鋼相比，具有無偏析、顆粒小、分布均勻;熱加工方面的性能較好;可磨性較高;在熱處理方面變形比較小;力學(xué)性能優(yōu)異;提升了刀具切削的壽命，真正擴(kuò)大了其使用的領(lǐng)域和范圍等一系列優(yōu)質(zhì)的性能。

　　對粉末冶金高速鋼的研究最早起始于20世紀(jì)70年代的美國和瑞典的兩家著名工業(yè)工廠，當(dāng)時的主要工藝路線使用的是氣霧化制粉以及熱等靜壓等相關(guān)的技術(shù)。

　　如今粉末高速鋼的產(chǎn)量已經(jīng)占據(jù)鑄鍛高速鋼全部產(chǎn)量的10%～15%，國外目前所擁有的，具有代表性的粉末冶金高速鋼的生產(chǎn)企業(yè)至少有5家，主要有美國、烏克蘭、瑞典、法國、奧地利以及日本等國，其中美國在高速鋼方面的用量以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了普通容量的高速鋼[2]。

　　如今，國外工業(yè)企業(yè)內(nèi)的粉末冶金高速鋼的產(chǎn)量發(fā)展以及達(dá)到了第三代的技術(shù)水平，此前第一代為20世紀(jì)70年代美國和瑞典內(nèi)的兩家企業(yè)所投入生產(chǎn)的高速工具鋼，而第二代則為1994年，法國高速鋼公司以及瑞典的工業(yè)企業(yè)改進(jìn)了制備氣霧化前鋼液的熔煉工藝，這種改進(jìn)工藝所生產(chǎn)出的產(chǎn)品即為第二代。

　　第三代就是2000年，由Bohler-Uddeholm集團(tuán)，進(jìn)行全線投產(chǎn)，且質(zhì)量比起第二代還有所加強(qiáng)的高速鋼。

　　在對生產(chǎn)線的鋼熔煉工藝方面，對噴粉設(shè)備加以改進(jìn)，同時對由氮?dú)忪F化后的粉末顆粒的尺寸進(jìn)行細(xì)化。

　　正是粉末顆粒尺寸的細(xì)化，促使第三代的高速鋼在抗彎強(qiáng)度方面比起第二代還要提高到20%以上。

　　所以，第三代的高速鋼在生產(chǎn)工藝方面主要是以微小純凈為主。

　　2 粉末冶金工具鋼

　　2.1 高釩冷作模具鋼

　　這種鋼的類型主要是利用粉末冶金的工藝特點(diǎn)來對冷作工具鋼進(jìn)行開發(fā)，其中最主要的區(qū)別就是增加合金當(dāng)?shù)拟C含量來提升合金的耐磨性，而第一個被作為高性能耐磨鋼材的是CPM 10V，這一類型的鋼材在CPM系列的粉末冶金高釩冷作模具鋼當(dāng)中是一種最具代表性的鋼材。

　　在Crucible 集團(tuán)當(dāng)中也逐漸形成了含釩高達(dá)1%～18%的耐磨工具鋼[3]。

　　這類性能較高的工具鋼開始廣泛的應(yīng)用于冷作沖頭以及在模具方面，主要適用于耐磨損的方面。

　　由北京安泰科技公司研發(fā)的AHP9VNb2在成本方面對比Microclean K390要低很多，不過在硬度上卻和AHP10V相差不多，而抗彎性卻提高了10%左右。

　　2.2 耐蝕耐磨工具鋼

　　在眾多制造操作當(dāng)中，通常工具和其耐磨的部件在承受運(yùn)動部件或者是其他的一些工作介質(zhì)的研磨顆粒的接觸而出現(xiàn)的磨損情況，一般很容易受到潮濕、酸或者是其他的一些腐蝕性的作用等。

　　所以，針對這些工作就需要研發(fā)出一些高性能的耐磨耐蝕的粉末冶金工具鋼。

　　如表1所示，粉末冶金耐磨耐蝕材料含有約14%～24%Cr，約3%～15%V，約1%～3%Mo，這些材料總和大約117%～3175%C。

　　2.3 粉末冶金易切削工具鋼

　　粉末冶金的發(fā)展主要是為了能夠有效的提高工具模材料的可磨削性能，以及降低工具模在加工方面的成本。

　　通常需要采用添加硫含量的形式來對可磨削性能進(jìn)行提升，不過如果采用的是傳統(tǒng)的鑄鍛生產(chǎn)法的話，則較高的硫就可能會增加材料的熱脆，促使其韌性開始下降的風(fēng)險出現(xiàn)，針對這些問題，只需使用粉末冶金工藝就能獲得很好的解決。

　　3 粉末注射成型的發(fā)展

　　3.1 粉末注射成型的發(fā)展現(xiàn)狀

　　技術(shù)注射所生產(chǎn)出的元器件通常應(yīng)用的領(lǐng)域范圍比較廣，像在IT、醫(yī)療、機(jī)械汽車以及通信方面等，都對這類元器件有所應(yīng)用。

　　這個不同于MIM在市場產(chǎn)品當(dāng)中的份額是因地域而異，其中汽車行業(yè)在歐洲方面的市場份額大約占據(jù)著50%以上，形成了一種主導(dǎo)性的地位，而在北美洲地域應(yīng)用占據(jù)主導(dǎo)的行業(yè)則是醫(yī)療以及牙科方面的應(yīng)用。

　　通過對這些資料的分析，可以看出在汽車方面的應(yīng)用在往后必將有著相當(dāng)可觀的增長值，主要是在PIM高溫汽油和柴油引擎的渦輪減壓器等方面。

　　3.2 粉末微注射成形新工藝

　　隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球?qū)τ诰?xì)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件需求越來越大，因此粉末微注射技術(shù)開始推出，其所制備出來的微型零件的質(zhì)量幾乎以毫克來進(jìn)行統(tǒng)計，同時還保留了傳統(tǒng)方面的PIM，所以粉末微注射技術(shù)有著批量生產(chǎn)精細(xì)復(fù)雜形狀的微型零部件的重要潛力。

　　而微注射技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域具體有：(1)化學(xué)工具，粉末微注射技術(shù)在微化學(xué)當(dāng)中主要制備出作用于微反應(yīng)器、混合器以及交換器等微流體的裝置等[4]。

　　(2)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)上主要是用于制備微型的人骨結(jié)構(gòu)、微型的外科儀器組件以及牙科微型元件等等醫(yī)療方面的器具。

　　(3)共注射成型方面，可用于共注射成形領(lǐng)域。

　　可以將磁性材料和非磁性材料以及硬性、軟性材料、導(dǎo)電和絕緣材料等有效的結(jié)合起來。

　　(4)微型零部件，主要是一些微型的機(jī)械零件，像一些小齒輪、葉輪或者是拉伸部件等。

　　4 結(jié)語

　　綜上所述，粉末冶金生產(chǎn)工藝的發(fā)展主要分為粉末冶金高速工具鋼和粉末注射成型這兩大冶金工藝發(fā)展類別，這兩種冶金工藝發(fā)展類型經(jīng)過多年的探索和研究，如今已經(jīng)趨于完善，并廣泛的運(yùn)用在各個行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 徐堅，王文焱，張豪胤，等.元素Cr對粉末冶金Ti-6Al-4V合金組織與性能的影響[J].粉末冶金工業(yè)，2014(6)：11-15.

　　[3] 皮自強(qiáng)，路新，賈成廠，等.噴射成形高速鋼的研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù)，2013(5)：379-384.

　　[4] 孫世清.T15M粉末高速鋼的深冷處理[J].材料熱處理學(xué)報，2013(1)：108-111.