粉末冶金简述（粉末世界）

材料和材料制备加工技术对人类发展起到重大作用。粉末冶金是一种既古老又充满活力的材料制备和成形技术，是一项制备金属材料和复合材料及其制品的技术。在近代两个世纪中，粉末冶金技术，为满足社会生产和科学技术发展的需求，不断提供各种关键性材料和制品，在人类经历的四次技术革命所形成的产业中广泛应用，为促进工业、农业、国防和科学技术发展起到重要作用。

粉末冶金技术源于自很久以前的炼铁方法和制作陶器的做法。在十八世纪中期，欧洲出现了粉末冶金制铂技术，复燃了粉末冶金技术火种。直到了十九世纪初期，才开始重点研究这项粉末冶金技术。直至今日，上百年的历史长河中，粉末冶金法在全世界范围内被得到了广泛的应用，利用这项技术研发了很多新型材料和制品，也是目前我国科学技术中不能缺少的一项工程技术，并在材料科学领域中占领了主要的位置。

一、粉末冶金的概念

粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)是以金属粉末为原料，通过成形、烧结等加工方法，制造高精度、高强度金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。

粉末冶金制造工程就是研究金属粉末的加工过程，包括粉末的制造、粉末的特征以及金属粉末转变成为有用工程材料或工程部件的过程。它包含了工程材料、成形技术、加工工艺、制造自动化产品质量、成本控制等诸多学科。

粉末冶金工程设计过程包括了材料、零件几何形状、制造工艺等方面的决策，这些决策需要考虑技术和经济性方面的因素。在零件设计阶段，如果PM被作为期望的工艺方法嵌入到设计阶段，成本将会大大降低。

粉末冶金工艺流程图

粉末冶金基本工艺

粉末冶金的基本工艺：

1. 原料粉末的制取和准备，粉末可以是纯金属或者其他合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其他各种化合物；

2. 将粉末制成所需形状的生坯；

3. 将生坯在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使最终材料或者制品具有所需的性能。

二、粉末冶金的特点

粉末冶金技术具有更节能，更省钱等优势，对于制备材料的各种性能也有不同程度的影响，具有传统的熔铸工艺和切削工艺不具备的特点。

1) 应用粉末冶金金属进行合成材料时，可以有效的避免合金过程出现偏聚现象。还可以有效的消除合金制造过程中出现的粗大、不均匀的组织结构。因为粉末冶金技术具有这样的特点，所以在制备高性能稀土材料、稀土发过材料和新型技术材料的过程中都要应用粉末冶金技术，从而提升生产材料的整体性能。

2) 粉末冶金技术能够使制备材料具有更好的导电性能以及物理性能，所以被更多的应用于制备非晶、纳米晶体和微晶等高性能非平衡材料的过程。

3) 粉末冶金技术的应用，在材料制备过程中可以让多种材料有效的复合，并且材料复合后还能够保持多种原材料的独有特性，使复合材料的性能更具多元性，让制备出的复合材料能够被更加广泛的影响提升了复合材料的实用性。

4) 粉末冶金技术与传统的熔炼方法有很大的区别，在新材料的制备过程中，可以使新材料具有新型特殊结构和新性能，所以在多孔生物材料生产过程中，更多的应用新型的粉末冶金技术。

5) 粉末冶金技术能够很大程度上减少生产资源的使用，也降低了生产能源的消耗，可以实现材料自动化批量生产，有着高效率的特点。

6) 粉末冶金技术是一项可以让材料再生的新技术，在材料制备工艺中，可以使用废弃的旧金属作为原料，体现了粉末冶金技术的环保特点。

粉末冶金成型过程

三、粉末冶金工艺/材料的分类

（1）根据工艺方法不同，粉末冶金工艺可分为传统法（PM）、等静压（IP）、金属注射成型（MIM）、金属添加剂制造（MAM）；

①传统法（PM）：在模具中压实合金粉末，通过烧结或加热，在可控熔炉中粘结颗粒进行冶金的方法。传统法应用广泛，采用的金属粉末大于50μm，生产零件重量在1g-2kg之间，相对密度可达86%，致密性高，适用于生产硬质金属、合金材料结构件等；

②等静压（IP）：将被加工物体放置于盛满液体的密闭容器中，通过增压系统对物体各个表面施加相等压力，使其在不改变外观形状的情况下缩小分子间距离，从而增大密度，用来生产所有方向上压力均等的粉末致密部件。等静压生产工艺对生产条件要求高，采用球形干净粉末，产品重量在几千克到10 吨以上不等；

③金属注射成型（MIM）：结合塑料成型复杂性和金属特性，可大量生产无限形状和几何特征的零部件，生产速率高。金属注射成型工艺采用5μm-30μm 微细粉末，产品密度高、形状小、品种多，重量在1g-200g 之间，可快速、大批量、低成本制造复杂形状零件；

④金属添加剂制造（MAM）：即3D 打印技术，无需模具，以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，可充分利用废弃材料，大幅度缩减制造时间和费用。采用的粉末在5μm-60μm 之间，适用于生产单个小尺寸组件。

（2）根据制品不同，粉末冶金工艺可分为铁基结构件、铜基结构件、难熔金属材料、硬质合金、摩擦材料、减摩材料。

①铁基结构件：以铁粉或合金钢粉为主要原料，采用粉末冶金工艺制造的结构零件，包括碳钢和低合金粉末、铁-铬-硅系合金粉末、铁-铬-硼-硅系合金粉末，具有高致密性、耐磨性和结合强度，可取代镍基合金粉末，广泛应用于汽车行业；

②铜基结构件：采用铜基材料烧结后的冶金品，由烧结的黄铜、铜镍合金、青铜材质构成，具有抗腐蚀性、无磁性干扰等特征，适用于电工器件、机械零件制造等领域；

③难熔金属材料：包括合金复合式材料、难熔性金属等，其熔点、强度与硬度高，采用粉末冶金制法制成的合金材料成分均匀、能耗低且晶粒尺寸小，主要用于航空航天、能源、国防等领域；

④硬质合金：由难熔金属硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，强度高，具有耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性，适用于砂轮磨削、电加工等工业切削领域；

⑤摩擦材料：具有摩擦磨损性的材料，适用于摩擦离合器制作以及制动器摩擦部分，以实现元件动力阻断、传递。摩擦材料由基本、辅助单元组成，基本组元主要保证耐磨性、热稳定性及承载能力，辅助组元主要完善基本性能；

⑥减摩材料：由金属或非金属材质与金属基体、减摩润滑剂制成，是制动或传动装置上关键性部件，主要功能是通过摩擦来吸收或传递动力，粉末冶金技术可改善材料基体，调整减摩成分，以达到自润滑性能等方面的要求，适用于塑料减摩材料、铸造金属等领域。

四、粉末冶金的发展趋势

粉末冶金技术以其诸多优点，在许多领域得到了广泛的应用，与此同时，粉末冶金技术也随着应用不断发展，产生了许多粉末制备、成型和烧结新工艺，使得粉末冶金技术不断取得突破性进展。

粉末制备新工艺：雾化制粉技术、机械合金化（MA）制粉技术、纳米粉末技术。

粉末成形新工艺：温压成形、等静压成形、增材制造技术（3D打印技术）、粉末注射成形技术（PIM）、高速压制技术（HVC）。除以上几种粉末冶金成形工艺外，还有喷射成形、激光快速成形、热压成形、动磁压制技术、爆炸压制技术等新兴粉末成形技术。

粉末烧结新工艺：微波烧结、放电等离子烧结。此外，还有一系列新的烧结技术大量涌现并得以应用，如金属粉末选择性激光烧结技术、电场活化烧结技术、热振荡活化烧结技术、自蔓延高温合成技术等，均已得到很好的发展和应用。

五、粉末冶金的应用

粉末冶金材料种类繁多，可以应用于诸多领域，例如汽车行业、装备制造业、金属行业、航空航天、军事工业、仪器仪表、五金工具、电子家电等领域的零配件生产和研究，相关原料、辅料生产，各类粉末制备设备、烧结设备制造。产品包括轴承、齿轮、硬质合金刀具、模具、摩擦制品等等。军工企业中，重型的武器装备如穿甲弹，鱼雷等，飞机坦克等刹车副均需采用粉末冶金技术生产。粉末冶金汽车零件近年来已成为为中国粉末冶金行业最大的市场，约50%的汽车零部件为粉末冶金零部件。

应用分类：

粉末冶金烧结结构零件与材料：烧结结构零件、减摩材料、摩擦材料；

粉末冶金多孔材料：粉末冶金多孔材料组织特征是内部含有大量的孔隙，具有质量轻、比表面积大、能力吸收性好、热导率低、换热散热能力高、吸声性好、渗透性好、电磁波吸收性优异、阻焰性好、使用温度高、抗热震性好、再生与加工性能好等一系列与致密材料不同的性能，可用于制作过滤器、热交换材料、多孔电机、吸音、减震、密封和隔音材料等；

粉末冶金电触头材料：电触头是各种电力设备、自动化仪表和控制装置中使用的一种关键金属原件，通过其接通或分段，达到保护电器、传递、承受和控制电流的目的。电触头材料按使用条件分为高压电触头材料、低压电触头材料和真空电触头材料; 按主要成分则可分为钨基、银基、铜基和其他材料。粉末冶金法提高了触头材料的耐电磨损性，使航空电器的安全有了很大程度的保证。CuCr合金触头具有优异的综合性能，目前已成为各国公认的最佳中压真空断路器的触头材料。随着粉末冶金新工艺、新设备的出现和应用，电触头材料的性能不断提高；