粉末冶金技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

1、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。

2、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。

3、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。

表面硬化是提高粉末冶金齿轮的重要手段。虽然铁基零件的密度已可达到7.4g/cm3，但在齿根和接触面仍需进一步提高密度和硬度。采用径向轧制已成为了一种重要手段，目前，各大铁基零件厂家对高性能粉末冶金齿轮的生产和应用都有表现出极大的关注。

第二节 产品工艺特点或流程

粉末冶金产品工艺特点：不需要或只需极少量切削加工；材料利用率可高达 97 %；零件尺寸的制造公差较小且具有再现性；材料成分可调；零件表面光洁度较好；可通过热处理提高硬度和耐磨性；对于自润滑或过滤用，可提供具有可控孔隙度的材料或制品；可制造其他金属成形工艺不能制造的，形状复杂或奇特的零件；适于中等至大批量零件生产。

粉末冶金产品工艺流程图

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

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。近年来，一系列粉末冶金新的成形技术层出不穷，并呈现出加速发展态势。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、烧结硬化粉末注射成形等技术将成为日后技术发展的主流方向。

1、粉末注射成型技术

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、喷射成形技术

喷射成形是快速凝固技术的最新发展，它将快速凝固及金属材料的直接成形有机的结合起来，具有如下优点：首先，具有最短时和更直接地将熔融金属制成最终产品的优点，提供了节省大量能源的可能；第二、具有快速凝固技术的优点，得到的材料与传统材料相比晶粒组织细小，无宏观偏析，并具有较高的机械性能；第三、同粉末冶金技术相比，工艺简单，金属的氧化程度小，生产成本降低40%，并可得到粉末冶金的益处。正是由于这些优点，喷射成形技术在国内外受到了广泛的重视，被普遍认为是继连续铸造工艺之后金属材料制备技术的最重要发展，显示了巨大的潜力。此技术主要用于制备汽车轴瓦材料，修复轧辊和制备高硅电工钢片等。

3、放电等离子烧结技术

放电等离子烧结(SPS)是新一代的快速烧结法。放电等离子烧结简称SPS，是利用放电等离子体进行烧结。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，是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的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工具。

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PVD 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、等离子腐蚀方面，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等材料的烧结方面。目前等离子体多用于氧化物涂层、等离子腐蚀方面，在制备高纯碳化物和氮化物粉体上也有一定应用。产生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利用的是放电等离子体。

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