浅析粉末冶金材料及冶金技术的发展

任朋立

粉末冶金是一项具有悠久历史的材料冶炼技术。在古代，人们就已经掌握了冶炼生铁的技术，这就是现代粉末冶金最原始的表现；18世纪的欧洲，在制造铂金过程中的冶炼技术就是粉末冶金，这标志着近代粉末冶金技术开始得到了发展；进入20世纪之后，粉末冶金技术得到了高速的发展，新型材料不断涌现，应用范围逐步扩大。目前，粉末冶金已经成为材料领域不可或缺的技术。

粉末冶金是利用金属粉末作为生产的原料，经过一系列的生产工艺后，可以制造材料以及材料制品的技术。粉末冶金技术的发展促进了社会的变革。例如，1909年科学家用粉末冶金技术制造的钨丝制成白炽灯，极大地改变了人们的生活。随着经济的迅速发展，粉末冶金技术不断发展，粉末冶金技术应用范围也不断扩大。

一、粉末冶金技术的特点

粉末冶金制成品具有传统铸造技术不具有的化学性能，这些特性只能由粉末冶金技术实现。利用粉末冶金技术可以制造一些结构复杂或者精密的零件，如汽车上的小型零件。

粉末冶金技术可以对多种材料进行复合加工，对材料的特性扬长避短，最大限度发挥各种材料具有的优良特性，生产出具备高性能的金属或者陶瓷材料，生产成本却可以大幅度降低。

不仅如此，利用粉末冶金技术可以制造出具有特殊结构和特殊性能的产品（多孔分离膜材料以及功能性陶瓷材料），这是普通的铸造冶炼技术无法实现的。

利用废矿石、回收废旧金属以及冶炼残渣作为制造的原料，是一种对材料综合利用的新型冶炼技术，可以有效节约资源。如家庭用的磨刀石等，就是用粉末冶金技术制成。

二、粉末冶金材料的分类

1.传统的粉末冶金材料

（1）铁基粉末冶金材料

在诸多粉末冶金材料中，铁基粉末冶金材料是最传统的一种，同时也是最重要的一种冶金材料，这种材料广泛应用于汽车制造行业。随着现代经济技术的快速发展，汽车生产的规模不断扩大，汽车生产者对其需求不断增加，铁基粉末冶金材料的应用领域也越来越多。在一些传统的机械加工行业对其需求也较多。

（2）铜基粉末冶金材料

铜基粉末冶金材料种类比较多，用铜及铜合金生产的零件具有较好的耐腐蚀性，青铜材料、黄铜材料以及铜合金等因其具有的优良特性，在机械、电器制造行业中铜基粉末冶金材料被大规模的应用。

（3）难熔金属材料

难熔金属材料一般是指熔点高于1 650℃并有一定储量金属的材料，这类材料的熔点比较高，因此具有较高的硬度和强度。这一类材料主要用于一些高端技术领域，主要应用在武器装备、航空航天、核能等领域。

（4）硬质合金材料

硬质合金材料是由熔点较高的金属经过氧化后形成的一种材料。这种材料的制作过程主要有2个环节，首先利用冶炼技术对硬质材料进行粘结和融合，之后通过粉末冶金环节进行相应的加工制作。硬质合金材料具有特殊的性能，如较高的熔点、较强的硬度和强度等，此种材料大量应用在工业切削领域中。

（5）粉末冶金电工材料

这类材料通常应用在电子领域，其中以电器元件居多。另外，一些公司在电极的制造过程中使用粉末冶金电工材料。进入21世纪之后，我国的通讯技术得到了迅速发展，这就意味着对电阻器件的需求量增多，进而增加了对粉末冶金电工材料的需求。另外，电子管在一些涉及到真空技术的领域中应用较多，因此，粉末冶金电工材料在真空领域也具有极其重要的作用。

（6）摩擦材料

摩擦材料顾名思义，本身具有极强的耐摩擦性，这类材料主要应用在一些易于产生摩擦的机械零部件中，例如汽车的摩擦离合器和摩擦制动器等。这些零件的制造利用了其耐摩擦、耐磨损的特点，能够使运动的物体减速甚至停止等。

2.现代先进粉末冶金材料

（1）信息领域的粉末冶金材料

信息领域的粉末冶金材料主要是指粉末冶金软磁材料，软磁材料具体可以分为金属类材料和铁氧体材料2种。其中，出现时间比较早的是铁氧体磁性材料，这种材料的制造技术极为有限，现阶段只能通过粉末冶金技术进行制造。在金属中，铁以及铁的合金是制作金屬软磁材料的主要来源，例如硅钢、磷铁和铁钴合金等。

在20世纪初，人们已经开始用磁性材料记录信息。1941年，人们开始用磁粉用作记录的媒介材料。20世纪80年代以来，人们不断对磁性记录材料进行研究，扩充了新型磁记录材料的种类，也大大促进了磁记录技术的发展，滋生了磁性材料市场，市场对磁带以及计算机的磁性记录信息存储器的需求不断增加。这些磁性材料与传统的磁性材料有很大的不同，其主要的存在形式是：以粒子的形式存在于有机介质中；将磁粉沉积成为磁膜的状态后使用。另外，磁粉还大量用于生产磁头，磁头的主要功能是对现有的信息进行加工处理，具体表现为：第一，记录音频、视频、文字资料；第二，对信息进行重读，根据需要进行回放；第三，可以抹除原有的信息，尤其是没有利用价值的信息。目前，铝硅铁合金和铝铁合金是制作磁头材料的主要磁性合金；另外，铁的氧化物也可以用作磁头材料。

目前，在制造高性能稀土永磁材料过程中，粉末冶金技术占据着重要的地位，利用这种技术可以制造出高性能钕铁硼，这种化合物在市场上大受欢迎，不管是军用还是民用市场都有极大的需求量。

（2）能源领域的粉末冶金材料

能源材料是在能源领域具有重大作用的材料，可以对能源的发展有促进作用，对建立新能源体系有关键作用，能够满足节能新技术所需的一系列材料。这些材料按照一定的标准，可以分为储能材料、新能源材料2大类。

氢能的应用基础就是氢能的贮存和运输。在20世纪90年代，很多国家积极对储氢材料进行研制。如美国储氢技术的研发经费占全部氢能研究经费一半以上，日本一次性的投资了50亿美元用于“新阳光计划”中氢能发电技术的研发。现阶段，储氢合金材料的种类较多，主要有稀土类、镁镍类以及钛铁类等。

随着化石燃料开采量的不断增加，地球能源日益枯竭，这就迫切需要新型的替代能源。其中，核能是比较理想的清洁能源，其发展潜力巨大，各国在核能领域都不甘落后，纷纷加大研发力度，都想在世界能源市场上占据一席之地。据有关部门统计：截至目前，核能的发电量已经占世界总发电量的20%左右。现在，世界核能技术日益成熟，用于发电的核电堆是热中子堆，这类反应堆在运转过程中不会产生二次辐射污染，并且随着使用量的增加，生产成本大幅度降低，价格也就较为低廉，成为不少具备核能开发技术的国家竞相追捧的清洁能源技术之一。

新能源材料对于新能源领域的发展具有至关重要的作用，新能源材料的开发和利用能够促进燃料电池和太阳能电池的研发及推广。现阶段，新能源材料主要有硅类太阳能电池、核能等清洁能源，粉末冶金技术对于新能源材料的生产具有重要的作用。

（3）生物领域的粉末冶金材料

生物材料的研究对社会有着巨大的作用，生物技术在高新技术中占有很大比例。我国已将生物材料列入国家战略计划，生物材料是未来主要的研究对象。有些生物材料可以修复生物体的功能或者结构，这些材料就是生物医用材料。生物医用材料对于人类的身心健康有着重要的作用。在生物材料中，有一大批金属合金或者化合物就是粉末冶金材料。

从20世纪初，人们就开始用金属及合金作为医用生物材料，其中应用比较广泛的是利用生物材料代替人类骨骼。如人工关节和人造牙齿等，在外科手术中具有特殊的作用。不锈钢、钛和钛合金是在医学中应用比较多的金属材料，其中钛合金与人类骨骼具有生物相似性，具有相似的弹性，耐磨损以及耐腐蚀，是应用最多的1种金属材料。

生物陶瓷具有某些与人体相似的生理特征，因此，这种材料常被用来制成人造骨骼和牙齿，用这种材料部分或者整体代替人体的某些器官，增强身体的机能。生物陶瓷所具有的特殊生理行为就是其具有以下的特性：第一，与原有的生物机体具有相似性，因此可以相融合，对生物体不会产生损害和刺激，其基本性能和被替换的组织相匹配，具有较好的组织亲和性；第二，生物陶瓷不会引起机体的病变；第三，生物陶瓷有良好的化学性能，有一定的强度和硬度，还要有较好的柔韧性和弹性，可以起到原有生物体的作用。根据生物陶瓷所发生的化学反应不同，其具体可以分为3类， 第一类是具有生物惰性的生物陶瓷，这类主要有氧化铝和氧化锆等氧化物陶瓷，主要可以作为人造关节和负重骨骼使用；第二类是表面具有活性的生物陶瓷，这一类主要如生物活性微晶玻璃；第三类是可降解的生物陶瓷，这一类有石膏陶瓷和铝酸钙陶瓷等，在失效后不会对环境产生影响。

（4）军事领域用粉末冶金材料

在军事工业中粉末冶金材料也具有重要的作用，能够大幅度提高武器装备的性能，因此，其在航空航天、兵器制造等军事领域被广泛应用。

首先，航空航天工业对材料性能有着非常严格的要求，不仅要求材料具有相应的强度和硬度，还要求材料具有较高的稳定性，甚至对其耐高温、耐腐蚀性能也有严格要求，这就要求材料必须要有较高的综合性能。在航空工业中，使用了大量的粉末冶金材料。这些粉末冶金材料主要有2种。第一种是以减磨材料、防辐射材料等为代表的特殊功能材料，这类材料主要用在飞机及其他航天器的仪表和机载设备上；另一种材料是高温、高强度材料，这种材料主要用在发动机上，可以提高发动机的寿命和性能。

20世纪70年代，美国利用粉末冶金技术制造的发动机零件，制造技术比较成熟。1973年，美国在其F-104战斗机发动机上使用了粉末涡轮盘等13个零件，对于飞机尤其是战斗机发动机来说，应用粉末冶金涡轮盘和凝固涡轮叶片无疑是一种巨大的技术突破，使得F-104战斗机达到了世界领先的水平。20世纪末，美国普惠公司采用粉末冶金技术制造出了双性能粉末，并将其在美国的第5代战斗机F22的发动机上使用，大大提高了战斗机的机动性和灵活性。

其次，核军工业本身的特性就导致了对核材料有着特殊的要求，有些金属特性只有粉末冶金技术才能实现，或者在采用粉末冶金技术后，材料的性能进一步提高。所以说，粉末冶金材料在核军工业中是1种不可或缺的材料。

对于新型的核反应堆，更需要加强其和安全，从源头上防止核辐射和核泄漏，这对核能的储能装置提出了更高的要求，采用粉末冶金技术制造储能装置，可以增强核反应堆的安全性，可以在事故发生后，在不需要任何动力的支撑下对反应堆冷却循环约5min，可以为处理事故提供宝贵的时间，甚至还可以有效地降低核辐射的严重程度。

三、粉末冶金技术的发展前景

进入21世纪之后，粉末冶金技术得到了快速的发展，这与其他技术的发展密切相关。现阶段，粉末注射成形、温压成形和喷射成形等技术也得到了飞速的发展，随着这些技术的不断融合，粉末冶金技术不断向前发展，在未来粉末冶金技术会有更进一步的发展。

从现阶段看，粉末冶金技术正向着高精度化、高性能化以及低成本化的方向发展。粉末冶金的新工艺随着時间的发展日益多样化，并有着飞速发展的势头。

1.粉末注射成形技术

粉末注射成形的材料经过很长时间的发展历程，传统的材料主要是铁基和陶瓷为主，这类材料中极易产生杂质，总体性能不是很完美，逐渐不适应社会的发展需要。现在粉末注射成形的材料主要有钛合金和高温合金材料。成形材料的结构发生了很大变化，从单一的结构向复杂、精细的结构发展。

2.温压成形技术

最近几年，科学家研制出流动温压工艺。这种工艺是在温压工艺基础上，通过与注射成形工艺的优点相结合后形成。这种技术在生产中的主要环节是：将粗粉和细粉按照一定的比例进行融合，之后采用普通的温压工艺，对其进行有效的加工，最后经过烧结就可以制得。在制造过程中最主要的技术是如何增强混合粉末的流动性，提高制成品的性能。这种技术较传统技术有很多优势，例如可以制造出复杂形状和具有高密度的金属部件，大大降低了生产成本。

3.微波烧结技术

未来一段时期内，市场将需要综合性能更好的产品，这就需要提高材料的性能，而微波烧结制成的产品具有高密度、高强度的特点。经过微波烧结后，材料内部分布均匀，因此具有较好的韧性。微波加热的速度比较高，1min内就可以使温度达到1 600℃，有些材料甚至还可以在1min内达到2 200℃。在烧制过程中，微波对陶瓷材料的烧制效果更好，因为可以用微波均匀地穿透陶瓷材料，制造出的部件性能更为优异，在烧制过程中，零部件受热均匀，不会产生受热不均的现象。同时，因为烧结时间的大大缩短，不仅可以降低生产成本，还提高了材料的化学性能。今后，微波烧结技术将会成为加工陶瓷材料极为有效的方法。

4.烧结硬化技术

烧结硬化技术是一种新的粉末冶金新工艺，主要的原理是：在烧结过程中，快速的冷却，进而可以大幅度提高产品的质量，提高材料强度。这种工艺不仅可以有效地避免传统工艺导致的产品变形的缺陷，还可以省去冷却环节。经过此种工艺生产的零部件更能适应未来工业的发展需要。