粉末冶金

粉末冶金研究先進(jìn)設(shè)備-放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)（SPS）

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新型材料特別是新型功能材料的種類和需求量不斷增加，材料新的功能呼喚新的制備技術(shù)。放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS）是制備功能材料的一種全新技術(shù)，它具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等鮮明特點(diǎn)，可用來(lái)制備金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料，也可用來(lái)制備納米塊體材料、非晶塊體材料、梯度材料等。

國(guó)內(nèi)外SPS的發(fā)展與應(yīng)用狀況

SPS技術(shù)是在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)，因此在有的文獻(xiàn)上也被稱為等離子活化燒結(jié)或等離子輔助燒結(jié)（plasmaactivatedsintering-PAS或plasma-assistedsintering-PAS）[1,2]。早在1930年，美國(guó)科學(xué)家就提出了脈沖電流燒結(jié)原理，但是直到1965年，脈沖電流燒結(jié)技術(shù)才在美、日等國(guó)得到應(yīng)用。日本獲得了SPS技術(shù)的專利，但當(dāng)時(shí)未能解決該技術(shù)存在的生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，因此SPS技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

1988年日本研制出第一臺(tái)工業(yè)型SPS裝置，并在新材料研究領(lǐng)域內(nèi)推廣使用。1990年以后，日本推出了可用于工業(yè)生產(chǎn)的SPS第三代產(chǎn)品，具有10～100t 的燒結(jié)壓力和脈沖電流5000～8000A。最近又研制出壓力達(dá)500t，脈沖電流為25000A的大型SPS裝置。由于SPS技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點(diǎn)，近幾年國(guó)外許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都相繼配備了SPS燒結(jié)系統(tǒng)，并利用SPS進(jìn)行新材料的研究和開(kāi)發(fā)[3]。1998年瑞典購(gòu)進(jìn)SPS燒結(jié)系統(tǒng)，對(duì)碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料進(jìn)行了較多的研究工作[4]。

國(guó)內(nèi)近三年也開(kāi)展了用SPS技術(shù)制備新材料的研究工作[1,3]，引進(jìn)了數(shù)臺(tái)SPS燒結(jié)系統(tǒng)，主要用來(lái)燒結(jié)納米材料和陶瓷材料[5～8]。SPS作為一種材料制備的全新技術(shù)，已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。

SPS的燒結(jié)原理

3.1等離子體和等離子加工技術(shù)[9，10]

SPS是利用放電等離子體進(jìn)行燒結(jié)的。等離子體是物質(zhì)在高溫或特定激勵(lì)下的一種物質(zhì)狀態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外，物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體是電離氣體，由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體。

等離子體是解離的高溫導(dǎo)電氣體，可提供反應(yīng)活性高的狀態(tài)。等離子體溫度4000～10999℃，其氣態(tài)分子和原子處在高度活化狀態(tài)，而且等離子氣體內(nèi)離子化程度很高，這些性質(zhì)使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術(shù)。

等離子體加工技術(shù)已得到較多的應(yīng)用，例如等離子體CVD、低溫等離子體PBD以及等離子體和離子束刻蝕等。等離子體多用于氧化物涂層、等離子刻蝕方面，在制備高純碳化物和氮化物粉體上也有一定應(yīng)用。而等離子體的另一個(gè)很有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是在陶瓷材料的燒結(jié)方面[1]。

產(chǎn)成等離子體的方法包括加熱、放電和光激勵(lì)等。放電產(chǎn)生的等離子體包括直流放電、射頻放電和微波放電等離子體。SPS利用的是直流放電等離子體。

SPS裝置和燒結(jié)基本原理

SPS裝置主要包括以下幾個(gè)部分：軸向壓力裝置；水冷沖頭電極；真空腔體；氣氛控制系統(tǒng)（真空、氬氣）；直流脈沖及冷卻水、位移測(cè)量、溫度測(cè)量、和安全等控制單元。

SPS與熱壓（HP）有相似之處，但加熱方式完全不同，它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場(chǎng)擴(kuò)散作用[11]。在SPS燒結(jié)過(guò)程中，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻的自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應(yīng)合成法（SHS）和微波燒結(jié)法類似，SPS是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。SPS燒結(jié)過(guò)程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個(gè)促進(jìn)燒結(jié)的因素外，在SPS技術(shù)中，顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)（如去處表面氧化物等）和吸附的氣體。電場(chǎng)的作用是加快擴(kuò)散過(guò)程[1，9，12]。

SPS的工藝優(yōu)勢(shì)

SPS的工藝優(yōu)勢(shì)十分明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的材料，可以燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件[3，11]。與HP和HIP相比，SPS裝置操作簡(jiǎn)單，不需要專門(mén)的熟練技術(shù)。文獻(xiàn)[11]報(bào)道，生產(chǎn)一塊直徑100mm、厚17mm的ZrO2(3Y)/不銹鋼梯度材料（FGM）用的總時(shí)間是58min，其中升溫時(shí)間28min、保溫時(shí)間5min和冷卻時(shí)間25min。與HP相比，SPS技術(shù)的燒結(jié)溫度可降低100～200℃[13]。

SPS在材料制備中的應(yīng)用

在國(guó)外，尤其是日本開(kāi)展了較多用SPS制備新材料的研究，部分產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。SPS可加工的材料種類如表1所示。除了制備材料外，SPS還可進(jìn)行材料連接，如連接MoSi2與石磨[14]，ZrO2/Cermet/Ni等[15]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外用SPS制備新材料的研究主要集中在：陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物，復(fù)合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料，他包括熱電材料[16] 、磁性材料[17] 、功能梯度材料[18] 、復(fù)合功能材料[19]和納米功能材料[20]等。對(duì)SPS制備非晶合金、形狀記憶合金[21] 、金剛石等也作了嘗試，取得了較好的結(jié)果。

梯度材料

功能梯度材料（FGM）的成分是梯度變化的，各層的燒結(jié)溫度不同，利用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以一次燒成。利用CVD、PVD等方法制備梯度材料，成本很高，也很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。采用階梯狀的石磨模具，由于模具上、下兩端的電流密度不同，因此可以產(chǎn)生溫度梯度。利用SPS在石磨模具中產(chǎn)生的梯度溫度場(chǎng)，只需要幾分鐘就可以燒結(jié)好成分配比不同的梯度材料。SPS成功制備的梯度材料有：不銹鋼/ZrO2；Ni/ZrO2；Al/高聚物；Al/植物纖維；PSZ/T等梯度材料。

在自蔓延燃燒合成（SHS）中，電場(chǎng)具有較大激活效應(yīng)和作用，特別是場(chǎng)激活效應(yīng)可以使以前不能合成的材料也能成功合成，擴(kuò)大了成分范圍，并能控制相的成分，不過(guò)得到的是多孔材料，還需要進(jìn)一步加工提高致密度。利用類似于SHS電場(chǎng)激活作用的SPS技術(shù)，對(duì)陶瓷、復(fù)合材料和梯度材料的合成和致密化同時(shí)進(jìn)行，可得到65nm的納米晶，比SHS少了一道致密化工序[22]。利用SPS可制備大尺寸的FGM，SPS制備的尺寸較大的FGM體系是ZrO2(3Y)/不銹鋼圓盤(pán)，尺寸已達(dá)到100mm×17mm[23]。

用普通燒結(jié)和熱壓WC粉末時(shí)必須加入添加劑，而SPS使燒結(jié)純WC成為可能。用SPS制備的WC/Mo梯度材料的維氏硬度（HV）和斷裂韌度分別達(dá)到了24Gpa和6Mpa·m1/2,大大減輕由于WC和Mo的熱膨脹不匹配而導(dǎo)致熱應(yīng)力引起的開(kāi)裂[24]。

熱電材料

由于熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換的高可靠性、無(wú)污染等特點(diǎn)，最近熱電轉(zhuǎn)換器引起了人們的極大興趣，并研究了許多熱電轉(zhuǎn)換材料。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，在SPS制備功能材料的研究中，對(duì)熱電材料的研究較多。

(1)熱電材料的成分梯度化氏提高熱點(diǎn)效率的有效途徑之一。例如，成分梯度的βFeSi2就是一種比較有前途的熱電材料，可用于200～900℃之間進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。βFeSi2沒(méi)有毒性，在空氣中有很好的抗氧化性，并且有較高的電導(dǎo)率和熱電功率。熱點(diǎn)材料的品質(zhì)因數(shù)越高（Z=α2/kρ，其中Z是品質(zhì)因數(shù)，α為Seebeck系數(shù)，k為熱導(dǎo)系數(shù)，ρ為材料的電阻率），其熱電轉(zhuǎn)換效率也越高。試驗(yàn)表明，采用SPS制備的成分梯度的βFeSix(Si含量可變)，比βFeSi2的熱電性能大為提高[25]。這方面的例子還有Cu/Al2O3/Cu[26],MgFeSi2[27], βZn4Sb3[28],鎢硅化物[]29]等。

(2)用于熱電制冷的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不僅強(qiáng)度和耐久性差，而且主要采用單相生長(zhǎng)法制備，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高。近年來(lái)有些廠家為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用燒結(jié)法生產(chǎn)半導(dǎo)體致冷材料，雖改善了機(jī)械強(qiáng)度和提高了材料使用率，但是熱電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到單晶半導(dǎo)體的性能，采用SPS生產(chǎn)半導(dǎo)體致冷材料，在幾分鐘內(nèi)就可制備出完整的半導(dǎo)體材料，而晶體生長(zhǎng)卻要十幾個(gè)小時(shí)。SPS制備半導(dǎo)體熱電材料的優(yōu)點(diǎn)是，可直接加工成圓片，不需要單向生長(zhǎng)法那樣的切割加工，節(jié)約了材料，提高了生產(chǎn)效率。

熱壓和冷壓-燒結(jié)的半導(dǎo)體性能低于晶體生長(zhǎng)法制備的性能。現(xiàn)用于熱電致冷的半導(dǎo)體材料的主要成分是Bi,Sb,Te和Se，最高的Z值為3.0×10/K，而用SPS制備的熱電半導(dǎo)體的Z值已達(dá)到2.9～3.0×10/K，幾乎等于單晶半導(dǎo)體的性能[30]。表2是SPS和其他方法生產(chǎn)BiTe材料的比較。

鐵電材料

用SPS燒結(jié)鐵電陶瓷PbTiO3時(shí)，在900～1000℃下燒結(jié)1～3min,燒結(jié)后平均顆粒尺寸<1μm，相對(duì)密度超過(guò)98%。由于陶瓷中孔洞較少[31]，因此在101～106HZ之間介電常數(shù)基本不隨頻率而變化。

用SPS制備鐵電材料Bi4Ti3O12陶瓷時(shí)，在燒結(jié)體晶粒伸長(zhǎng)和粗化的同時(shí)，陶瓷迅速致密化。用SPS容易得到晶粒取向度好的試樣，可觀察到晶粒擇優(yōu)取向的Bi4Ti3O12陶瓷的電性能有強(qiáng)烈的各向異性[32]。

用SPS制備鐵電Li置換IIVI半導(dǎo)體ZnO陶瓷，使鐵電相變溫度Tc提高到470K，而以前冷壓燒結(jié)陶瓷只有330K[34]。

磁性材料

用SPS燒結(jié)Nd Fe B磁性合金，若在較高溫度下燒結(jié)，可以得到高的致密度，但燒結(jié)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)α相和晶粒長(zhǎng)大，磁性能惡化。若在較低溫度下燒結(jié)，雖能保持良好的磁性能，但粉末卻不能完全壓實(shí)，因此要詳細(xì)研究密度與性能的關(guān)系[35] 。

SPS在燒結(jié)磁性材料時(shí)具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短的工藝優(yōu)點(diǎn)。Nd Fe Co V B 在650℃下保溫5min,即可燒結(jié)成接近完全密實(shí)的塊狀磁體，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大[36]。用SPS制備的865Fe6Si4Al35Ni和MgFe2O4的復(fù)合材料（850℃，130MPa），具有高的飽和磁化強(qiáng)度Bs=12T和高的電阻率ρ=1×10Ω·m[37]。

以前用快速凝固法制備的軟磁合金薄帶，雖已達(dá)到幾十納米的細(xì)小晶粒組織，但是不能制備成合金塊體，應(yīng)用受到限制。而采用SPS制備的塊體磁性合金的磁性能已達(dá)到非晶和納米晶組織帶材的軟磁性能[3]。

納米材料

致密納米材料的制備越來(lái)越受到重視。利用傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等方法來(lái)制備納米材料時(shí)，很難保證能同時(shí)達(dá)到納米尺寸的晶粒和完全致密的要求。利用SPS技術(shù)，由于加熱速度快，燒結(jié)時(shí)間短，可顯著抑制晶粒粗化。例如：用平均粒度為5μm的TiN粉經(jīng)SPS燒結(jié)（1963K，196～382MPa，燒結(jié)5min），可得到平均晶粒65nm的TiN密實(shí)體[3]。文獻(xiàn)[3]中引用有關(guān)實(shí)例說(shuō)明了SPS燒結(jié)中晶粒長(zhǎng)大受到最大限度的抑制，所制得燒結(jié)體無(wú)疏松和明顯的晶粒長(zhǎng)大。

在SPS燒結(jié)時(shí)，雖然所加壓力較小，但是除了壓力的作用會(huì)導(dǎo)致活化能力Q降低外，由于存在放電的作用，也會(huì)使晶粒得到活化而使Q值進(jìn)一步減小，從而會(huì)促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，因此從這方面來(lái)說(shuō)，用SPS燒結(jié)制備納米材料有一定的困難。

但是實(shí)際上已有成功制備平均粒度為65nm的TiN密實(shí)體的實(shí)例。在文獻(xiàn)[38]中，非晶粉末用SPS燒結(jié)制備出20～30nm的Fe90Zr7B3納米磁性材料。另外，還已發(fā)現(xiàn)晶粒隨SPS燒結(jié)溫度變化比較緩慢[7]，因此SPS制備納米材料的機(jī)理和對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響還需要做進(jìn)一步的研究。

非晶合金的制備

在非晶合金的制備中，要選擇合金成分以保證合金具有極低的非晶形成臨界冷卻速度，從而獲得極高的非晶形成能力。在制備工藝方面主要有金屬澆鑄法和水淬法，其關(guān)鍵是快速冷卻和控制非均勻形核。由于制備非晶合金粉末的技術(shù)相對(duì)成熟，因此多年來(lái)，采用非晶粉末在低于其晶化溫度下進(jìn)行溫?cái)D壓、溫軋、沖擊（爆炸）固化和等靜壓燒結(jié)等方法來(lái)制備大塊非晶合金，但存在不少技術(shù)難題，如非晶粉末的硬度總高于靜態(tài)粉末，因而壓制性能欠佳，其綜合性能與旋淬法制備的非晶薄帶相近，難以作為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料使用[39]?？梢?jiàn)用普通粉末冶金法制備大塊非晶材料存在不少技術(shù)難題。

SPS作為新一代燒結(jié)技術(shù)有望在這方面取得進(jìn)展，文獻(xiàn)[40]中利用SPS燒結(jié)由機(jī)械合金化制取的非晶Al基粉末得到了塊狀圓片試樣（10mm×2mm），磁非晶合金是在375MPa下503K時(shí)保溫20min制備的，含有非晶相和結(jié)晶相以及殘余的Sn相。其非晶相的結(jié)晶溫度是533K。文獻(xiàn)[41]中用脈沖電流在423K和500MPa下制備了Mg80Ni10Y5B5塊狀非晶合金，經(jīng)分析其中主要是非晶相。非晶Mg合金比A291D合金和純鎂有較高的腐蝕電位和較低的腐蝕電流密度，非晶化改善了鎂合金的抗腐蝕抗力。從實(shí)踐來(lái)看，可以采用SPS燒結(jié)法制備塊狀非晶合金。因此利用先進(jìn)的SPS技術(shù)進(jìn)行大塊非晶合金的制備研究很有必要。

放電等離子燒結(jié)（SPS）是一種低溫、短時(shí)的快速燒結(jié)法，可用來(lái)制備金屬、陶瓷、納米材料、非晶材料、復(fù)合材料、梯度材料等。SPS的推廣應(yīng)用將在新材料的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

SPS的基礎(chǔ)理論尚不完全清楚，需要進(jìn)行大量實(shí)踐與理論研究來(lái)完善，SPS需要增加設(shè)備的多功能性和脈沖電流的容量，以便做尺寸更大的產(chǎn)品；特別需要發(fā)展全自動(dòng)化的SPS生產(chǎn)系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜形狀、高性能的產(chǎn)品和三維梯度功能材料的生產(chǎn)需要[42]。

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，需要發(fā)展適合SPS技術(shù)的粉末材料，也需要研制比使用的模具材料（石墨）強(qiáng)度更高、重復(fù)使用率更好的新型模具材料，以提高模具的承載能力和降低模具費(fèi)用。

在工藝方面，需要建立模具溫度和工件實(shí)際溫度的溫差關(guān)系，以便更好的控制產(chǎn)品質(zhì)量。在SPS產(chǎn)品的性能測(cè)試方面，需要建立與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和方法。

國(guó)內(nèi)需求

根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，34家國(guó)內(nèi)大中型粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)（占53 家企業(yè)數(shù)量的64%）的累計(jì)產(chǎn)量長(zhǎng)期占53家企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量的占比高達(dá)85%，其中大多數(shù)汽車粉末冶金零部件生產(chǎn)商集中在這34 家企業(yè)中。過(guò)去十年，受益于汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)，汽車用粉末冶金零部件需求也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。未來(lái)，除了汽車行業(yè)本身的增長(zhǎng)，粉末冶金零件需求也將受益于進(jìn)口替代和對(duì)機(jī)加工零件替代的雙重替代，單車的粉末冶金用量將明顯提升，保障傳統(tǒng)汽車粉末冶金零部件的需求將保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。

行業(yè)集中度高，粉末冶金零部件需求穩(wěn)定

從行業(yè)趨勢(shì)來(lái)看，進(jìn)入2008 年以后，由于價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，世界粉末冶金的生產(chǎn)重心逐步往中國(guó)轉(zhuǎn)移，日本本土的產(chǎn)量出現(xiàn)了明顯的下降。根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，以34 家粉末冶金企業(yè)產(chǎn)量為基數(shù)，2009/2010/2011 車用粉末冶金的單車用量分別為3.1/3.6/3.76kg/輛，用量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，在經(jīng)歷了2012 年短暫的下滑后，2013年又重回3.71kg/輛的水平。產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)認(rèn)為，考慮到車輛節(jié)能、輕量化及產(chǎn)品精度化的訴求，伴隨未來(lái)中國(guó)粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模做大，技術(shù)加強(qiáng)和依舊強(qiáng)勁的成本優(yōu)勢(shì)，車用粉末冶金零件進(jìn)口替代趨勢(shì)下的需求增長(zhǎng)仍將持續(xù)發(fā)生。

根據(jù)調(diào)研的結(jié)果，中國(guó)2013 年平均單車汽車粉末冶金制品的用量至少有6kg，這其中2.3kg 的差額就是未有統(tǒng)計(jì)在內(nèi)來(lái)自國(guó)外的粉末冶金用量（發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口或部分組裝零件進(jìn)口），這部分進(jìn)口替代需求構(gòu)成了未來(lái)粉末冶金零部件需求增長(zhǎng)的一部分。我們保守估計(jì)，未來(lái)車用粉末冶金國(guó)產(chǎn)化的替代率占據(jù)單車用量的6%-7%。

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制取金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工業(yè)技術(shù)。粉末冶金技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通、機(jī)械、電子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工業(yè)等領(lǐng)域，成為新材料科學(xué)中最具發(fā)展活力的分支之一。粉末冶金技術(shù)具備顯著節(jié)能、省材、性能優(yōu)異、產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合于大批量生產(chǎn)。另外，部分用傳統(tǒng)鑄造方法和機(jī)械加工方法無(wú)法制備的材料和復(fù)雜零件也可用粉末冶金技術(shù)制造，因而備受工業(yè)界的重視。

廣義的粉末冶金制品業(yè)涵括了鐵石刀具、硬質(zhì)合金、磁性材料以及粉末冶金制品等。狹義的粉末冶金制品業(yè)僅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件(占絕大部分)、含油軸承和金屬射出成型制品等。

（1）生產(chǎn)粉末。粉末的生產(chǎn)過(guò)程包括粉末的制取、粉料的混合等步驟。為改善粉末的成型性和可塑性通常加入機(jī)油、橡膠或石蠟等增塑劑。

（2）壓制成型。粉末在15-600MPa壓力下，壓成所需形狀。

（3）燒結(jié)。在保護(hù)氣氛的高溫爐或真空爐中進(jìn)行。燒結(jié)不同于金屬熔化，燒結(jié)時(shí)至少有一種元素仍處于固態(tài)。燒結(jié)過(guò)程中粉末顆粒間通過(guò)擴(kuò)散、再結(jié)晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學(xué)過(guò)程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。

（4）后處理。一般情況下，燒結(jié)好的制件可直接使用。但對(duì)于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進(jìn)行燒結(jié)后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。

粉末的制取方法

制取粉末是粉末冶金的第一步。粉末冶金材料和制品不斷的增多，其質(zhì)量不斷提高，要求提供的粉末的種類愈來(lái)愈多。例如，從材質(zhì)范圍來(lái)看，不僅使用金屬粉末，也使用合金粉末，金屬化合物粉末等；從粉末外形來(lái)看，要求使用各種形狀的粉末，如產(chǎn)生過(guò)濾器時(shí)，就要求形成粉末；從粉末粒度來(lái)看，要求各種粒度的粉末，粗粉末粒度有500~1000微米超細(xì)粉末粒度小于0.5微米等等。

為了滿足對(duì)粉末的各種要求，也就要有各種各樣生產(chǎn)粉末的方法這些方法不外乎使金屬、合金或者金屬化合物呈固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)轉(zhuǎn)變成粉末狀態(tài)。制取粉末的各種方法以及各種方法制的粉末。

呈固態(tài)使金屬與合金或者金屬化合物轉(zhuǎn)變成粉末的方法包括：

（1）從固態(tài)金屬與合金制取金屬與合金粉末的有機(jī)械粉碎法和電化腐蝕法：

（2）從固態(tài)金屬氧化物及鹽類制取金屬與合金粉末的還原法從金屬和合金粉末、金屬氧化物和非金屬粉末制取金屬化合物粉末的還原-化合法

呈液態(tài)使金屬與合金或者金屬化合物轉(zhuǎn)變成粉末方法包括：

（1）從液態(tài)金屬與合金制取與合金粉末的有霧化法

（2）從金屬鹽溶液置換和還原制取金屬合金以及包覆粉末的有置換法、溶液氫還原法；從金屬熔鹽中沉淀制取金屬粉末的有熔鹽陳定法；從輔助金屬浴中析出制取金屬化合物粉末的有金屬浴法。

（3）從金屬鹽溶液電解制取金屬與合金粉末的有水溶液電解法；從金屬熔鹽電解制取金屬和金屬化合物粉末的有熔鹽電解法。

呈氣態(tài)使金屬或者金屬化合物轉(zhuǎn)變成粉末的方法：

（1）從金屬蒸汽冷凝制取金屬粉末的有蒸汽冷凝法；

（2）從氣態(tài)金屬碳基物離解制取金屬、合金以及包覆粉末的有碳基物熱離解法

（3）從氣態(tài)金屬鹵化物氣相還原制取金屬、合金粉末以及金屬、合金涂層的有氣相氫還原法；從氣態(tài)金屬鹵化物沉積制取金屬化合物粉末以及涂層的有化學(xué)氣相沉積法。

但是，從過(guò)程的實(shí)質(zhì)來(lái)看，現(xiàn)有制粉方法大體上可歸納為兩大類，即機(jī)械法和物理化學(xué)法。機(jī)械法是將原材料機(jī)械的粉碎，而化學(xué)成分基本上不發(fā)生變化的工藝過(guò)程；物理化學(xué)法是借助化學(xué)的或物理的作用，改變?cè)系幕瘜W(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的工藝過(guò)程，粉末的生產(chǎn)方法很多從工業(yè)規(guī)模而言，應(yīng)用最廣泛的漢斯還原法、霧化法和電解法有些方法如氣相沉積法和液相沉積法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要。

粉末冶金工藝的基本工序是：

1、原料粉末的制備?，F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。而機(jī)械法可分為：機(jī)械粉碎及霧化法；物理化學(xué)法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應(yīng)用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。

2、粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強(qiáng)度。成型的方法基本上分為加壓成型和無(wú)壓成型。加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型。此外還可使用3D打印技術(shù)進(jìn)行胚塊的制作。

3、坯塊的燒結(jié)。燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過(guò)燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機(jī)械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。對(duì)于單元系和多元系的固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低；對(duì)于多元系的液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點(diǎn)低，而高于易熔成分的熔點(diǎn)。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。

4、產(chǎn)品的后序處理。燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機(jī)加工、熱處理及電鍍。此外，近年來(lái)一些新工藝如軋制、鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。

粉末性能(property of powder)

粉末所有性能的總稱。它包括：粉末的幾何性能(粒度、比表面、孔徑和形狀等)；粉末的化學(xué)性能(化學(xué)成分、純度、氧含量和酸不溶物等)；粉體的力學(xué)特性(松裝密度、流動(dòng)性、成形性、壓縮性、堆積角和剪切角等)；粉末的物理性能和表面特性(真密度、光澤、吸波性、表面活性、ze—ta(?)電位和磁性等)。粉末性能往往在很大程度上決定了粉末冶金產(chǎn)品的性能。

幾何性能最基本的是粉末的粒度和形狀。

(1)粒度。它影響粉末的加工成形、燒結(jié)時(shí)收縮和產(chǎn)品的最終性能。某些粉末冶金制品的性能幾乎和粒度直接相關(guān)，例如，過(guò)濾材料的過(guò)濾精度在經(jīng)驗(yàn)上可由原始粉末顆粒的平均粒度除以10求得；硬質(zhì)合金產(chǎn)品的性能與wc相的晶粒有很大關(guān)系，要得到較細(xì)晶粒度的硬質(zhì)合金，惟有采用較細(xì)粒度的wc原料才有可能。生產(chǎn)實(shí)踐中使用的粉末，其粒度范圍從幾百個(gè)納米到幾百個(gè)微米。粒度越小，活性越大，表面就越容易氧化和吸水。當(dāng)小到幾百個(gè)納米時(shí)，粉末的儲(chǔ)存和輸運(yùn)很不容易，而且當(dāng)小到一定程度時(shí)量子效應(yīng)開(kāi)始起作用，其物理性能會(huì)發(fā)生巨大變化，如鐵磁性粉會(huì)變成超順磁性粉，熔點(diǎn)也隨著粒度減小而降低。

(2)粉末的顆粒形狀。它取決于制粉方法，如電解法制得的粉末，顆粒呈樹(shù)枝狀；還原法制得的鐵粉顆粒呈海綿片狀；氣體霧化法制得的基本上是球狀粉。此外，有些粉末呈卵狀、盤(pán)狀、針狀、洋蔥頭狀等。粉末顆粒的形狀會(huì)影響到粉末的流動(dòng)性和松裝密度，由于顆粒間機(jī)械嚙合，不規(guī)則粉的壓坯強(qiáng)度也大，特別是樹(shù)枝狀粉其壓制坯強(qiáng)度最大。但對(duì)于多孔材料，采用球狀粉最好。

力學(xué)特性粉末的力學(xué)性能即粉末的工藝性能，它是粉末冶金成形工藝中的重要工藝參數(shù)。粉末的松裝密度是壓制時(shí)用容積法稱量的依據(jù)；粉末的流動(dòng)性決定著粉末對(duì)壓模的充填速度和壓機(jī)的生產(chǎn)能力；粉末的壓縮性決定壓制過(guò)程的難易和施加壓力的高低；而粉末的成形性則決定坯的強(qiáng)度。

化學(xué)性能主要取決于原材料的化學(xué)純度及制粉方法。較高的氧含量會(huì)降低壓制性能、壓坯強(qiáng)度和燒結(jié)制品的力學(xué)性能，因此粉末冶金大部分技術(shù)條件中對(duì)此都有一定規(guī)定。例如，粉末的允許氧含量為0.2%～1.5%，這相當(dāng)于氧化物含量為1%～10%。

我國(guó)粉末冶金行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近10年的高速發(fā)展，但與國(guó)外的同行業(yè)仍存在以下幾方面的差距：(1)企業(yè)多，規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益與國(guó)外企業(yè)相差很大。(2)產(chǎn)品交叉，企業(yè)相互壓價(jià)，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。(3)多數(shù)企業(yè)缺乏技術(shù)支持，研發(fā)能力落后，產(chǎn)品檔次低，難以與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)。(4)再投入缺乏與困擾。(5)工藝裝備、配套設(shè)施落后。(6)產(chǎn)品出口少，貿(mào)易渠道不暢。

隨著我國(guó)加入WTO以后，以上種種不足和弱點(diǎn)將改善，這是因?yàn)榧尤隬TO后，市場(chǎng)逐漸國(guó)際化，粉末冶金市場(chǎng)將得到進(jìn)一步擴(kuò)大的機(jī)會(huì)；而同時(shí)隨著國(guó)外資金和技術(shù)的進(jìn)入，粉末冶金及相關(guān)的技術(shù)水平也必將得到提高和發(fā)展。

據(jù)《2013-2017年中國(guó)粉末冶金制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)粉末冶金零件及含油軸承總產(chǎn)值超過(guò)55億元，占全球市場(chǎng)比重較小，發(fā)展空間也較為廣闊。根據(jù)中國(guó)機(jī)協(xié)粉末冶金專業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)53家企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年中國(guó)粉末冶金零件行業(yè)實(shí)現(xiàn)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入48.41億元，同比增長(zhǎng)39.75%;利潤(rùn)總額為3.76億元，較上年增加了一倍。在產(chǎn)值方面，粉末冶金零件行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值50.57億元，其中新產(chǎn)品產(chǎn)值6.28億元，新產(chǎn)品率(新產(chǎn)品產(chǎn)值/工業(yè)總產(chǎn)值)為12.37%;工業(yè)銷售產(chǎn)值49.73億元，其中出口交貨值6.28億元，出口率(出口交貨值/工業(yè)銷售產(chǎn)值)為16.62%。

從產(chǎn)銷規(guī)模來(lái)看，根據(jù)中國(guó)機(jī)協(xié)粉末冶金專業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)53家企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年中國(guó)粉末冶金零件行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量為16.36萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)39.40%;銷量為16.17萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)43.15%。

通過(guò)不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新相結(jié)合，中國(guó)粉末冶金產(chǎn)業(yè)和技術(shù)都呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，是中國(guó)機(jī)械通用零部件行業(yè)中增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一，每年全國(guó)粉末冶金行業(yè)的產(chǎn)值以35%的速度遞增。

全球制造業(yè)正加速向中國(guó)轉(zhuǎn)移，汽車行業(yè)、機(jī)械制造、金屬行業(yè)、航空航天、儀器儀表、五金工具、工程機(jī)械、電子家電及高科技產(chǎn)業(yè)等迅猛發(fā)展，為粉末冶金行業(yè)帶來(lái)了不可多得的發(fā)展機(jī)遇和巨大的市場(chǎng)空間。另外，粉末冶金產(chǎn)業(yè)被中國(guó)列入優(yōu)先發(fā)展和鼓勵(lì)外商投資項(xiàng)目，發(fā)展前景十分廣闊。

國(guó)內(nèi)系統(tǒng)的研究粉末冶金的高校較少。中南大學(xué)粉末冶金研究院（此研究院在國(guó)內(nèi)招本碩博）是國(guó)內(nèi)最為知名的粉末冶金研究機(jī)構(gòu)。中國(guó)粉末冶金學(xué)科奠基人黃培云曾長(zhǎng)期坐鎮(zhèn)。粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和粉末冶金國(guó)家工程檢測(cè)中心也坐落如此。其他比較知名的有北科大粉末冶金研究所、鋼鐵研究總院、北京有色金屬研究總院、株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司（國(guó)家“一五”重點(diǎn)建設(shè)的156個(gè)項(xiàng)目之一）、四川自貢硬質(zhì)合金有限公司（從株洲分出的）、贛州章源鎢業(yè)、寧波東睦、杭州粉末冶金研究所等單位。如果擴(kuò)大到粉末冶金研究方向，全國(guó)各大高校材料學(xué)院及研究院所都或多或少有涉及。

粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無(wú)法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無(wú)切削工藝。

（1）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。

（2）可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。

（3）可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。

（4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無(wú)法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。

（5）可以實(shí)現(xiàn)近凈形成和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。

（6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。

我們常見(jiàn)的機(jī)加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技術(shù)制造的。

粉末冶金相關(guān)企業(yè)主要是適用于汽車行業(yè)、裝備制造業(yè)、金屬行業(yè)、航空航天、軍事工業(yè)、儀器儀表、五金工具、電子家電等領(lǐng)域的零配件生產(chǎn)和研究，相關(guān)原料、輔料生產(chǎn)，各類粉末制備設(shè)備、燒結(jié)設(shè)備制造。產(chǎn)品包括軸承、齒輪、硬質(zhì)合金刀具、模具、摩擦制品等等。軍工企業(yè)中，重型的武器裝備如穿甲彈，魚(yú)雷等，飛機(jī)坦克等剎車副均需采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)。粉末冶金汽車零件近年來(lái)已成為為中國(guó)粉末冶金行業(yè)最大的市場(chǎng)，約50%的汽車零部件為粉末冶金零部件。

（1）應(yīng)用：（汽車、摩托車、紡織機(jī)械、工業(yè)縫紉機(jī)、電動(dòng)工具、五金工具。電器.工程機(jī)械等）各種粉末冶金（鐵銅基）零件。

（2）分類：粉末冶金多孔材料、粉末冶金減摩材料、粉末冶金摩擦材料、粉末冶金結(jié)構(gòu)零件、粉末冶金工模具材料、和粉末冶金電磁材料和粉末冶金高溫材料等。

粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造鐵的第一個(gè)方法實(shí)質(zhì)上采用的就是粉末冶金方法。而現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的發(fā)展中共有三個(gè)重要標(biāo)志：

1、克服了難熔金屬熔鑄過(guò)程中產(chǎn)生的困難。1909年制造電燈鎢絲，推動(dòng)了粉末冶金的發(fā)展；1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的出現(xiàn)被譽(yù)為機(jī)械加工中的革命。

2、 三十年代成功制取多孔含油軸承；繼而粉末冶金鐵基機(jī)械零件的發(fā)展，充分發(fā)揮了粉末冶金少切削甚至無(wú)切削的優(yōu)點(diǎn)。

3、向更高級(jí)的新材料、新工藝發(fā)展。四十年代，出現(xiàn)金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化等材料，六十年代末至七十年代初，粉末高速鋼、粉末高溫合金相繼出現(xiàn)；利用粉末冶金鍛造及熱等靜壓已能制造高強(qiáng)度的零件。

粉末冶金是大有發(fā)展前途的科學(xué)技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和材料科學(xué)中有著重要的作用。為了材料科學(xué)人才的培養(yǎng)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有必要編寫(xiě)一些粉末冶金的教科書(shū)和參考書(shū)。本書(shū)是根據(jù)《粉末冶金原理》教學(xué)大綱編寫(xiě)的，可作為高等院校專業(yè)課教科書(shū)，也可供粉末冶金工程技術(shù)人員和研究人員參考。

本書(shū)共分八章，與過(guò)去國(guó)內(nèi)外粉末冶金教科書(shū)相比，除了粉末的制取、粉末性能及其測(cè)定、成形、特殊成形、燒結(jié)等基本章節(jié)外，增寫(xiě)了粉末冶金鍛造和粉末冶金材料的孔隙性能與復(fù)合強(qiáng)化兩章外；此外，編寫(xiě)了一章粉末冶金材料和制品，是按產(chǎn)品系統(tǒng)而寫(xiě)的，不計(jì)入教學(xué)時(shí)數(shù)，只作為參考資料。