中国粉末冶金发展现状

世界粉末冶金工业概述

2003年全球粉体货运量约为88万吨，其中美国占51%，欧洲18%，日本13%，其他国家和地区18%。铁粉占总粉的90%以上。自2001以来，世界铁粉市场持续增长，四年增长近20%。

汽车工业仍然是粉末冶金工业发展的最大推动力和最大用户。一方面汽车的产量在增加，另一方面单辆汽车中粉末冶金零件的消耗量也在增加。北美每辆车粉末冶金零件平均消耗量最高，为19.5 kg，欧洲为9 kg，日本为8 kg。由于汽车工业的快速发展，中国粉末冶金零部件市场前景巨大，成为许多国际粉末冶金企业关注的焦点。

粉末冶金铁基零件主要用于发动机、传动系统、ABS系统、点火装置等。汽车发展的两大趋势分别是降低能耗和保护环境；主要技术手段是采用先进的发动机系统和轻量化。

欧洲汽车尾气的过滤为粉末冶金多孔材料提供了巨大的市场。在目前的发动机工况下，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的另一个重要产品，尤其是硬质合金。目前，制造业的发展正朝着3A的方向发展，即敏捷性、适应性和可预测性。这就要求加工工具本身更锋利、更刚性、更坚韧；加工材料范围扩大到鲁河、镁合金、钛合金、陶瓷。尺寸精度要求较高；加工成本要求较低；对环境的影响要降到最低，干法处理的比例要大一些。这些新要求加速了粉末冶金工具材料的发展。硬质合金的晶粒度(< < 200nm= =和超粗晶粒度(> 6um)；随着涂层技术的快速发展，CVD、PVD和PCVD技术日趋完善，涂层种类繁多，从常用的CVDTiCN/Al2O3 /TiN到CVD PcBN(聚晶立方BN)和CVDTiCN、Al2O3、cBN(立方BN)和SiMAlON等。，满足加工场合的需要。

信息产业的发展也为粉末冶金行业提供了新的机遇。日本电子行业使用的粉末冶金产品已经达到每年4.3美元，其中热沉材料占23%，发光和点电极材料占30%。前者主要包括散热材料，如Si/SiC、Cu-Mo、Cu-W、Al-SiC、AlN、Cu/金刚石等。后者主要包括钨钼材料。

粉末注射成型

粉末注射成型仍然是当前研究的热点之一。粉末注射成形的材料从对杂质含量不敏感、性能要求不高的铁基材料、硬质合金材料、陶瓷发展到镍基高温合金、钛合金、铌材料。材料的应用领域也从结构材料发展到功能材料，如热沉材料、磁性材料、形状记忆合金等。材料结构也从单一的均匀结构发展到复合结构。金属注射成型技术可以实现不同成分粉末的同时成型，从而获得类三明治复合结构。例如，通过复合316L不锈钢和17-4PH合金，可以连续调节力学性能。粉末注射成形的一个重要发展方向与微系统技术密切相关。它与微系统技术密切相关。在与微系统相关的领域，如电子信息、微化学、医疗器械等。器件不断小型化，功能更加复杂。粉末注射成型技术提供了实现的可能性。微注射成型技术是对传统注射成型技术的改进。它是为尺寸和结构小至1um的零件开发的成形技术。基本工艺与传统注塑相同，只是原料粉末粒度更小。利用微注射成型技术研制了表面微结构精度为65438±00um的微流控器件，尺寸为350um~900um的不锈钢零件。实现不同材料成分和复合结构的共烧结或共连接，获得磁性/非磁性、导体/非导体微复合部件。

粉末制备技术

粉末雾化一直是高性能粉末的制备技术。热风雾化技术可以延长金属液滴在液相中的时间，使粉末得到第二次粉碎(雾化)，从而大大提高雾化效率，得到更细小的粉末粒度。ASL公司的研究结果表明，如果气体温度提高到330℃。制备相同粒度粉体所需的气体消耗降低了30%，其经济分析和工程研究表明该技术完全可行。粉末雾化技术有了很大的改进。例如，新型自由裸气雾化可以获得更细的工具钢粉末，碳化物分布更均匀，缺陷更少。美国Heglas公司将先进的炼钢技术用于粉末生产，结合了电弧炉技术、ADO技术、高效雾化技术和氢气退火技术，大大提高了粉末质量、生坯密度和强度。在活性粉末雾化方面，为了减少熔炼过程中熔体与坩埚的反应，德国开发了电极感应熔炼气体雾化(EIGA)技术，可以制备钛、锆、TiAl金属间化合物的高活性粉末。机械合金化仍然是一个热门的研究课题，但大部分是实验室工作。值得一提的是，德国Zoz公司利用自己的高能球磨设备研磨电弧熔炼炉的炉渣，然后通过湿法冶金回收金属。这项技术不仅改善了环境，还打开了一个巨大的市场。

粉末压制技术

传统的粉末压制技术在很大程度上依赖于设备的改进和工艺的优化。几家著名的印刷机制造商已经推出了具有更精确的精度控制和更高的自动化程度的新型号。

粉末烧结理论与技术

微波烧结作为一种新型的快速烧结技术，已经充分应用于粉末钢、硬质合金和有色金属等金属粉末材料。微波烧结的产业化可能指日可待，因为无论是设备和技术的成熟度，还是量产能力，都不是太大的问题；主要障碍是厂商的接受度和风险。

放电等离子烧结(SPS)的研究很多，材料体系也从陶瓷扩展到金属材料，尤其是一些超细晶材料，如铝合金、镁合金、自润滑铁基材料等。但由于单件生产的特点，这种方法只能用于一些基础研究。

喷射沉积在制备大晶粒和细晶材料方面具有很大的优势。起初，这项技术主要生产铝合金和铝硅合金。随着冶炼技术的提高，喷射沉积已经被用于制备工具钢和高温合金。德国不来梅大学报道用喷射沉积法制备了单个质量超过100kg，内径40mm，外径500mm，宽100mm的高温合金环。

近年来，快速成型技术引起了许多学者的关注。直接金属激光烧结是粉末冶金领域应用最广泛的方法。目前，该技术已应用于钢铁粉末和钛合金粉末。另一种快速金属成型方法是三维打印。这种方法对于根据不同的结构需要对不同成分的合金进行三维微堆积非常方便，目前还处于概念阶段。但该技术已用于制备一些由金属+粘结剂和梯度功能材料组成的结构。

金属粉末多孔材料

金属粉末多孔材料应用广泛，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机的烟滤。德国弗劳恩霍夫研究所开发了一种制备金属空心球的技术。将金属粉末浆料涂覆在聚合物基体上，然后去除聚合物基体和粘结剂，最后烧结成各种具有中空结构的金属球。球体的直径范围可以从1毫米到8毫米。制备的钢制空心球密度仅为0.3g/cm3。

硬金属

纳米晶和梯度结构是硬质合金的两个重点方向。纳米晶材料包括晶粒生长控制和纳米粉体制备。梯度结构合金方面包括工艺与结构的关系。结合梯度结构的纳米晶可能是一个很好的方向，可以在更微观的层面上实现性能的可调。硬质合金硬度高，可加工性差，用注射成型方法制备形状复杂的中小型零件是一种发展趋势，但其商业化仍受技术成熟度的控制。硬质合金工作的其他方面包括天加稀土和合金元素，断裂韧性和可靠性表征。

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。粉末铝合金可用于汽车的许多部件，但铝硅合金由于其高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和良好的耐磨性，可能是最先广泛用于油泵齿轮的。从工业化的角度来看，优化粉末冶金铝合金的制备工艺更为重要。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)以及新兴的碳纳米管增强铝合金。高强度粉末铝合金与快速凝固技术密切相关。通过成分设计，在纯铝基体中添加金属间化合物，可以制备高强、高韧、高热稳定性的铝合金。该材料室温强度大于600Mpa，延伸率大于65438±00%，400℃热稳定性好，疲劳极限是锻造铝合金的两倍。

镁合金的密度更小，应用前景可能更好，但目前还处于研究状态。快速凝固法也是制备高性能粉末镁合金的重要手段。目前这项技术的安全性没有大问题，制备的材料性能也远高于铸造合金。

钛合金在汽车上的应用主要是成本问题，粉末钛合金的主要障碍在于高性能低成本的钛粉。英国QinetiQ Ltd公司开发了店内脱氧技术(EDO)，可以批量生产钛粉。该技术完全不同于传统的以海绵钛为原料的加氢脱氢工艺。它是一种类似熔盐电解的方法，以TiO _ 2为阴极，石墨为阳极。电解过程中，TiO _ 2阳极迁移并消耗阳极的碳生成CO，阴极得到钛粉。钛粉的氧含量在0.035%至0.4%之间。该技术还可以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一个技术难点，通常与热等静压或后续热加工有关。通过添加共晶成分和稀土元素，可以明显提高粉末钛合金的烧结密度，其力学性能也可以达到锻造钛合金的水平。这一系列工作将极大地推动钛合金在汽车机械关键零部件上的应用。

粉末零件的后续加工技术

后续处理对粉末冶金零件的性能至关重要。烧结硬化结合了烧结和热处理，合金成分和冷却条件对材料的性能影响很大。Miba公司使用钻孔技术来评估零件的可加工性。神户制钢公司在烧结钢中添加了一种复合氧化钙来代替常用的MnS，在不损害零件机械性能的情况下，明显改善了零件的可加工性。此外，随着应用范围的扩大，铝粉和复合材料的切割以及多孔材料的线切割也引起了人们的关注。

表面硬化是改善粉末冶金齿轮的重要手段。虽然铁基零件的密度已经达到7.4g/cm3，但齿根和接触面处的密度和硬度仍需进一步提高。径向轧制已成为一种重要的手段。目前，各大铁基零件制造商对高性能粉末冶金齿轮的生产和应用表现出极大的关注。

粉末冶金过程的模拟和标准化

欧洲已经启动了两个程序(PM Modnet和PM Dienet)，首先针对铁基零件生产过程的模拟，然后试图将其推广到其他材料体系，目前已经取得了很多成果。英国也启动了大规模的研究计划，包括7个研究小组和23家企业，主要研究各种材料压制过程的过程控制。因此，粉末压制过程的模拟已成为研究热点。相对而言，致密化方程、本构方程等基础理论著作较少，更多的是采用有限元等数值模拟方法。当然，压制过程的模拟还包括摩擦、脱模、充模和压制毛坯的性能模拟。

粉末冶金过程的动态观察和产品质量控制与日常生产密切相关。利用X射线CT方法，可以方便地动态观察粉末烧结过程中的三维密度、孔隙率、粒度分布以及烧结颈的生长情况。高温IET还可以测量材料的刚度和内耗，结合其他手段可以方便地描述微观结构和力学性能的动态演变。动态热成像技术可以快速发现注射坯中的裂纹。目前，声学方法在生产线上的应用最为广泛，各大粉末冶金公司都利用这种无损检测技术及时发现缺陷产品或预测产品性能，包括德国的GKN、日本的日产汽车和西班牙的艾姆斯公司。然而，这种定量分析是一项系统的工作，包括多元统计、图像分析、物理化学理论和数值模拟等。，而且只有多学科的工作者才能共同努力实现准确的表征。

粉末冶金对于制备某些特殊功能材料是非常有利的。例如，纳米结构的MgB2超导材料和CuNb磁体可以通过机械合金化来制备。粉末功能材料最大的市场是磁性材料。就NbFeB材料而言，采用雾化粉末来提高密度和性能是最重要的方向。这种粉末适合注射成型，因此对于中小型异形磁性材料零件的制备具有重要意义。软磁复合材料(SMC)是铁粉的复合结构，在电机中有非常大的应用市场。因此，这方面的研究很多，包括市场和应用分析、结构设计和优化、生产和过程控制、疲劳性能等。