世界粉末冶金的發(fā)展現(xiàn)狀

    1.世界粉末冶金工業(yè)概況。2003年全球粉末貨運(yùn)總量約為88萬噸，其中美國占51%，歐洲18%，日本13%，其它國家和地區(qū)18%。鐵粉占整個粉末總量的90%以上。從2001年起，世界鐵粉市場持續(xù)增長，4年時間增加了近20%。 

    汽車行業(yè)仍然是粉末冶金工業(yè)發(fā)展的*大動力和*大用戶。一方面汽車的產(chǎn)量在不斷增加，另一方面粉末冶金零件在單輛汽車上的用量也在不段增加。北美平均每輛汽車粉末冶金零件用量*高，為19.5公斤，歐洲平均為9公斤，日本平均為8公斤。中國由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，擁有巨大的粉末冶金零部件市場前景，已經(jīng)成為眾多國際粉末冶金企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。 

    粉末冶金鐵基零件在汽車上主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、傳送系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置等。汽車發(fā)展的兩大趨勢分別為降低能耗和環(huán)保；主要技術(shù)手段則是采用先進(jìn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和輕量化。 

    歐洲對汽車尾氣過濾為粉末冶金多孔材料又提供了很大的市場。在目前的發(fā)動機(jī)工作條件下，粉末冶金金屬多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。 

    工具材料是粉末冶金工業(yè)另一類重要產(chǎn)品，其中特別重要的是硬質(zhì)合金。目前制造業(yè)的發(fā)展朝著3A方向，即敏捷性（Agility）、適應(yīng)性（Adaptivity）和可預(yù)測性（Anticipativity）。這要求加工工具本身更鋒利、剛性更好、韌性更高；加工材料的范圍擴(kuò)大到呂合、鎂合金、鈦合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；環(huán)境影響要減到*小，干式加工比例更大。這些新要求加快了粉末冶金工具材料的發(fā)展。硬質(zhì)合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂層技術(shù)發(fā)展很快，CVD、PVD、PCVD技術(shù)日益完善，涂層種類也很多，從常用的CVDTiCN/ Al2O3 /TiN到CVD PCBN（聚晶立方BN）以及PVD TiAIN，Al2O3 ，cBN（立方BN）和SiMAlON等，滿足 加工場合的需要。 

    信息行業(yè)的發(fā)展也為粉末冶金工業(yè)提供了新的契機(jī)。日本電子行業(yè)用的粉末冶金產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了每年4.3美元，其中熱沉材料占23%，發(fā)光與點(diǎn)極材料占30%。前者主要包括散熱材料，如Si/SiC，Cu-Mo，Cu-W，Al-SiC，AlN以及Cu/金剛石等材料；后者則主要包括鎢、鉬材料。 

    2.粉末注射成型。粉末注射成形仍然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。粉末注射成形的 材料已經(jīng)從早期的鐵基、硬質(zhì)合金、陶瓷等對雜質(zhì)含量不敏感，性能要求不是非�？量痰捏w系，發(fā)展到了鎳基高溫合金、鈦合金和鈮材料。材料應(yīng)用領(lǐng)域也從結(jié)構(gòu)材料向功能材料發(fā)展、如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金。材料結(jié)構(gòu)也從單一均勻結(jié)構(gòu)向復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展。金屬工注射成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種不同成分的粉末同時成形，因而能夠得到具有三明治形式的復(fù)合結(jié)構(gòu)。例如將316L不銹綱和17-4PH合金復(fù)合，能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)性能的連續(xù)可調(diào)。粉末注射成形的一個重要發(fā)展方向與與微系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)。在與微系統(tǒng)技術(shù)密切相關(guān)。在與微系統(tǒng)相關(guān)的領(lǐng)域中，如電子信息、微化學(xué)、醫(yī)療器械等，器件不斷小型化，功能更加復(fù)合化。而粉末注射成形技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。微注射成形技術(shù)是對傳統(tǒng)注射成形技術(shù)的改進(jìn)。它是針對零件尺寸結(jié)構(gòu)小到1um所開發(fā)的成形技術(shù)，基本工藝與傳統(tǒng)注射成形一致，但原料粉末粒度更小。采用微注射成形技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了表面微結(jié)構(gòu)精度10um的微流體裝置，尺寸為350um~900um的不銹鋼零件；實(shí)現(xiàn)了不同材料成分、復(fù)合結(jié)構(gòu)的共燒結(jié)或共連接，獲得了磁性/非磁性、導(dǎo)體/非導(dǎo)體微型復(fù)合零件。 

       3.粉末制備技術(shù)。粉末霧化一直是高性能粉末的制備技術(shù)。熱氣流霧化技術(shù)能夠延長金屬液滴在液相狀態(tài)的時間，使粉末可以經(jīng)過二次破碎（霧化），因而大大提高了霧化的效率，所得到的粉末粒度更為細(xì)小。ASL公司的研究結(jié)果表明，若將氣體溫度提高到330℃。制備相同粒度粉末所需的氣體消耗量減少30%，其經(jīng)濟(jì)分析和工程化問題研究說明該技術(shù)是完全可行的。粉末霧化方面的技術(shù)有很大的改進(jìn)。例如，采用一種新型自由裸體式氣體霧化，能夠得到更細(xì)的工具鋼粉末，顆粒中碳化物的分布更均勻、缺陷更少。美國赫格拉斯公司將先進(jìn)的煉鋼技術(shù)用于粉末生產(chǎn)中，融合了電弧煉爐（EAF）技術(shù)、氬氧脫碳技術(shù)（ADO）、高性能霧化技術(shù)和氫退火技術(shù)，大大改善了粉末質(zhì)量、粉末壓坯密度和強(qiáng)度得到了提高。在活性粉末霧化方面，為了減少熔煉過程熔體與坩堝的反應(yīng)，德國開發(fā)了電極感應(yīng)熔煉氣霧化（EIGA）技術(shù)，可制備高活性的鈦、鋯以及TiAl金屬間化合物粉末。機(jī)械合金化仍然 研究的熱門，但大多數(shù)是實(shí)驗(yàn)室工作。值得一提的是德國Zoz公司才用自己開發(fā)的高能球磨設(shè)備研磨電弧熔煉爐的爐渣，然后經(jīng)過濕法冶金回收金屬，這一技術(shù)既改善了環(huán)境，有開拓了巨大的市場。 

    4.粉末壓制技術(shù)。傳統(tǒng)粉末壓制技術(shù)在很大程度上依賴于設(shè)備的改良和過程的優(yōu)化。幾家知名的壓機(jī)生產(chǎn)商均推出了精度控制更準(zhǔn)、自動化程度更高的新型號。 

    5.粉末燒結(jié)理論與技術(shù)。微波燒結(jié)作為一種新的快速燒結(jié)技術(shù)，已經(jīng)完全適用于金屬粉末材料，如粉末鋼、硬質(zhì)合金、有色金屬等。微波燒結(jié)的工業(yè)化也許指日可待，因?yàn)椴还苁窃O(shè)備和技術(shù)的成熟度，還是批量化生產(chǎn)能力都沒有太大問題；而主要障礙是生產(chǎn)商的接受程度和風(fēng)險度。 

放電等離子燒結(jié)（SPS）的研究也不少，材料體系也從陶瓷擴(kuò)展到了金屬材料，特別是一些超細(xì)晶材料，如鋁合金、鎂合金和自潤滑鐵基材料等。但是由于其單件生產(chǎn)的特點(diǎn)，該方法恐怕只能用來作一些基礎(chǔ)研究。 

噴射沉積在制備大型、細(xì)晶材料方面非常有優(yōu)勢。該技術(shù)*初主要生產(chǎn)鋁合金和鋁硅合金。隨著熔煉技術(shù)的提高，噴射沉積已可用來制備工具鋼和高溫合金。德國不來梅大學(xué)報導(dǎo)采用噴射沉積制備出了單件質(zhì)量超過100公斤，內(nèi)徑40mm，外徑500mm，寬100mm的高溫合金環(huán)。 

快速成形技術(shù)近年來引起了很多學(xué)者的關(guān)注。在粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用*多的是直接金屬激光燒結(jié)。目前該技術(shù)已用于鋼鐵粉末和鈦合金粉末等。另一種金屬快速成形方法是三維印刷。該方法非常方便用于各種不同成分合金按照不同結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行三維微觀堆積，目前尚處于概念階段。但該技術(shù)已用來制備了一些由金屬+粘結(jié)劑組成的結(jié)構(gòu)，以及梯度功能材料。 

    6.金屬粉末多孔材料。金屬粉末多孔材料的應(yīng)用非常廣泛，如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、高溫過濾裝置、分離膜等。目前*大的市場可能是柴油發(fā)動機(jī)的煙塵過濾裝置。德國的Fraunhofer研究所開發(fā)了一種金屬空心球制備技術(shù)，在聚合物基體上涂覆金屬粉末料漿，然后通過脫涂聚合物基體和粘結(jié)劑，*后燒結(jié)成各種具有空心結(jié)構(gòu)的金屬球體。球體的直徑可叢1mm至8mm。所制備的鋼空心球的密度僅0.3g/cm3 。 

    7.硬質(zhì)合金。納米晶和梯度結(jié)構(gòu)是硬質(zhì)合金的兩個重點(diǎn)方向。納米晶材料方面包括晶粒長大控制和納米粉末制備。梯度結(jié)構(gòu)合金方面包括工藝與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。將納米晶和梯度結(jié)構(gòu)結(jié)合起來可能是一個很好的方向，能夠在更微觀層次上實(shí)現(xiàn)性能的可調(diào)。硬質(zhì)合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制備復(fù)雜形狀中小型零件是發(fā)展趨勢，但是其商用化仍然受技術(shù)成熟度的控制。硬質(zhì)合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、斷裂韌性和可靠性表征等。 

    8.粉末輕金屬合金。汽車輕量化為鋁、鎂、鈦等輕金屬材料提供了廣闊的應(yīng)用前景。粉末鋁合金在汽車上可應(yīng)用的部位非常多，但Al-Si合金由于高比強(qiáng)度、高比剛度、低熱膨脹系數(shù)和耐磨性好，有可能率先在油泵齒輪方面大規(guī)模應(yīng)用。從工業(yè)化角度來看，對粉末冶金鋁合金制備過程的優(yōu)化研究更為重要。鋁合金的另一個研究熱點(diǎn)是復(fù)合材料，包括傳統(tǒng)的Al/SiC，Al/C，Al/BN，Al/Ti（C，N）以及新出現(xiàn)的納米碳管增強(qiáng)鋁合金。高強(qiáng)粉末鋁合金與快速凝固技術(shù)密切相關(guān)。通過成分設(shè)計(jì)，在純鋁基體中加入金屬間化合物行成組元，可以制備高強(qiáng)度、高韌性、高熱穩(wěn)定性兼顧的鋁合金。該材料的室溫強(qiáng)度大于600Mpa，延伸率超過10%，在400℃還有很好的熱穩(wěn)定，疲勞極限是鍛造鋁合金的2倍。 

    鎂合金的密度更小，其應(yīng)用前景可能更好，但目前仍處于研究狀態(tài)。采用快速凝固方法也是制備高性能粉末鎂合金的重要手段。目前該技術(shù)在安全性方面已經(jīng)沒有太大的問題，所制備出的材料性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造合金。 

    鈦合金在汽車上的應(yīng)用主要是成本問題，而粉末鈦合金的主要障礙在于高性能低成本鈦粉。英國QinetiQ Ltd開發(fā)了一種店脫氧技術(shù)（EDO），可批量生產(chǎn)鈦粉。該技術(shù)與傳統(tǒng)的以海綿鈦為原料的氫化脫氫過程完全不同。它是一種類似于熔鹽電解的方法，以TiO2 為陰極，石墨為陽極，在電解過程中TiO2  的陽極遷移，并消耗陽極的炭形成CO，在陰極得到鈦粉。鈦粉的氧含量在0.035%~0.4%之間。采用這一技術(shù)還可方便地制備各種鈦合金粉末。由于對氣氛和雜質(zhì)的敏感性，粉末鈦合金的燒結(jié)也是工藝難點(diǎn)，通常與要熱等靜壓或后續(xù)熱加工。通過添加共晶形成組元和稀土元素能夠明顯改善粉末鈦合金的燒結(jié)致密度，其力學(xué)性能也能達(dá)到鍛造鈦合金水平。這一系列工作將大大推動鈦合金在汽車機(jī)關(guān)鍵部件上的應(yīng)用。

    9.粉末零件后續(xù)處理技術(shù)。后續(xù)處理對粉末冶金零件的性能至關(guān)重要。燒結(jié)硬化將燒結(jié)和熱處理融為一體，合金成分和冷卻條件對材料性能的影響很大。Miba公司采用鉆孔技術(shù)對零件可加工性進(jìn)行了評價。神戶鋼鐵公司在燒結(jié)鋼中添加一種復(fù)雜鈣氧化物，代替通常用的MnS，明顯改善了零件的可加工性，而不損害其力學(xué)性能。此外隨著應(yīng)用的擴(kuò)大，粉末鋁及復(fù)合材料的切削、多孔材料的線切割也受到了關(guān)注。 

    表面硬化是提高粉末冶金齒輪的重要手段。雖然鐵基零件的密度已可達(dá)到7.4g/cm3 ，但在齒根和接觸面仍需進(jìn)一步提高密度和硬度。采用徑向軋制已成為了一種重要手段，目前，各大鐵基零件廠家對高性能粉末冶金齒輪的生產(chǎn)和應(yīng)用都有表現(xiàn)出極大的關(guān)注。 

    10.粉末冶金過程模擬和標(biāo)準(zhǔn)化。歐洲啟動了兩個計(jì)劃（PM Modnet和PM Dienet），首先針對鐵基零件生產(chǎn)過程的模擬，隨后力圖擴(kuò)展到其他材料體系，目前已取得了許多成果。英國也啟動了大型研究計(jì)劃，包括7個研究組和23個企業(yè)，主要研究各種材料壓制工藝的過程控制。因此，粉末壓制過程的模擬工作已成為研究熱點(diǎn)，相對而言，基礎(chǔ)理論的工作，如致密化方程和本構(gòu)方程方面的工作較少，而采用有限元方法和其它數(shù)值模擬方法的多。當(dāng)然，壓制過程模擬還包括摩擦、脫模、充模以及壓坯性能模擬。 

    粉末冶金過程動態(tài)觀察和產(chǎn)品質(zhì)量控制與日常生產(chǎn)密切相關(guān)。采用X射線CT方法，能夠很方便地動態(tài)觀察粉末燒結(jié)過程的三維密度、孔隙度、顆粒尺寸分布和燒結(jié)頸的長大情況。采用高溫IET還能測定材料的剛度和內(nèi)耗，與其他手段相結(jié)合，能夠方便地描述顯微組織和力學(xué)性能的動態(tài)演化。采用動態(tài)熱成像技術(shù)可以很快發(fā)現(xiàn)注射坯中的裂紋。目前在生產(chǎn)線上應(yīng)用*多的是聲學(xué)手段，各大粉末冶金公司都運(yùn)用了這種無損探傷技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)有缺陷產(chǎn)品或預(yù)測產(chǎn)品性能，這包括德國GKN、日本Nissan Motor、西班牙AMES等。但是，這種定量分析是一個系統(tǒng)工作，包括多變量統(tǒng)計(jì)、圖象分析、物理和化學(xué)理論以及數(shù)值模擬等，只有多學(xué)科的工作者一起努力才能實(shí)現(xiàn)*表征。 

    粉末冶金方法對某些特殊功能材料的制備非常有優(yōu)勢，如采用機(jī)械合金化能夠制備納米結(jié)構(gòu)的MgB2超導(dǎo)材料和CuNb磁體。粉末功能材料的*大市場是磁性材料。在NbFeB材料方面，采用霧化粉提高密度和性能是*重要方向。該種粉末適用于注射成形，因而對中小型異型磁性材料零件的制備非常有意義。軟磁復(fù)合材料（SMC）是將具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鐵粉固結(jié)起來的，在電動馬達(dá)上的應(yīng)用市場非常大。因而這方面的研究也很多，包括市場與應(yīng)用分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、生產(chǎn)與工藝控制、疲勞性能等。