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中南大学

粉末冶金原理综述

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2015年11月12日

粉末冶金原理综述

一、前言

粉末冶金是一门制造金属粉末，并以金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）为原料，经过混合成形和烧结生产金属材料、复合材料和各种类型制品的冶金工程与材料科学和机械零件制造技术。它包括两部分内容：制造金属粉末（也包括合金粉末，以下统称“金属粉末”）；用金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）作原料，经过混合、成形和烧结，制造材料（称为“粉末冶金材料”）或制品（称为“粉末冶金制品”）。近些年来,由于一些新技术的兴起,如机械合金化、粉末注射成形、温压成形、喷射成形、微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等,使得粉末冶金材料和技术得到了各国的普遍重视,其应用也越来越广泛。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。

粉末冶金最突出的优点有两个：一是能够制造目前使用其他工艺无法制造或难于制造的材料和制品，如多孔、发汗、减震、隔音等材料和制品，钨、钼、钛等难熔金属材料和制品，金属-塑料、双金属等复合材料及制品。二是能够直接制造出合乎或者接近成品尺寸要求的制品，从而减少或取消机械加工，其材料利用率可以高达95%以上，它还能在一些制品中以铁代铜，做到了“省材、节能”。

二、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。

由于粉末的制取方法不同，其颗粒形状也不同。大体有不规则状、片状、多面体状、树枝状、粒状、球状、滴状、纤维状。粉末的粒度范围是指在两个规定的粒度之间变动的粉末颗粒的粒度。如果某粉末的粒度范围为-80+150目，就是说这些粉末的粒度等于或小于80目，而大于150目。换句话说就是，这些粉末通过了80目筛，而却通不过150目筛。

四、世界粉末冶金的发展现状

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%。现粉末冶金机械零件生产企业，西欧约100家，北美约140家(含内制厂30家)，日本约45家。

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。现状汽车上使用的粉末冶金零部件日趋增多，它可分为两类，一类是只能用粉末冶金法，而不能用其他方法制造的，如含油轴承、摩擦零件、多孔性金属制品、硬质合金及难熔金属制品等；另一类是烧结机械结构零件，虽可用铸造、锻造、冲压、机械加工等传统工艺制造，但采用粉末冶金法制造比较经济合理。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。尽竹我国的汽车产量居世界第4位，但汽车行业对粉末冶金制品的使用和发达国家相比有很大差距。

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。

特殊的粉末成形方法主要有以下五种：等静压成形；连续成形；无压成形；高能成形；注射成形。通过混粉，可使性能不同的粉末组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结，保证制品的材料均匀，性能稳定。混粉时间须根据对于粉料的具体要求和设备情况而定。时间过短，混合不均匀；而时间过长则会产生许多不利因素，如铁、铜等金属粉末会产生加工硬化，也会使颗粒形状和粒度分布发生变化。

制造粉末冶金模具主要零件要根据其具体使用情况，对材料的耐磨性、加工性、成本等项因素，进行综合考虑，合理选择。其硬度必须达到HRC55以上。选用碳素工具钢、合金工具钢和硬质合金等，均能满足硬度和强度方面的要求。

阴模和芯棒可采用碳素工具钢（T10A、T12A等）、合金工具钢（GCr15、Cr12、9CrSi、Cr12Mo、Cr12W、Cr12MoV、CrWMn、CrW5），高速钢（W18Cr4V、W9Cr4V、W12Cr4V4Mo），硬质合金（钢结硬质合金、YG15、YG8）；冲头可采用碳素工具钢（T8A、