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粉末冶金的现状以及发展趋势

2015-07-03阮志光佛山市常捷粉末冶金科技有限公司广东佛山528300

中国科技纵横 2015年12期
关键词:金属粉末硅钢粉末冶金

阮志光(佛山市常捷粉末冶金科技有限公司,广东佛山 528300)

粉末冶金的现状以及发展趋势

阮志光
(佛山市常捷粉末冶金科技有限公司,广东佛山 528300)

粉末冶金是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过成形和烧结制成金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金它具有低耗节能、材料利用率高、高效省时等优点,但其也存在一定不足,如金属粉末和模具费成本高,产品尺寸的大小和形状受限制,产品韧性较差等。目前粉末冶金广泛应用在硬质合金制作、多孔材料、难熔金属材料、磁性材料、金属陶瓷等。

粉末冶金历史 基本工序 粉末冶金优势与不足 趋势

1 粉末冶金的历史

粉末冶金发展经历三个阶段:

20世纪初,通过粉末冶金工艺制得电灯钨丝,被誉为现代粉末冶金技术发展的标志。随后许多难熔金属材料如钨、钽、铌等都可通过粉末冶金工艺方法制备。1923年粉末冶金硬质合金的诞生更被誉为机械加工业的一次革命;20世纪30年代,粉末冶金工艺成功制得铜基多孔含油轴承。继而发展到铁基机械零件,并且迅速在汽车、纺织、办公设备等现代制造领域广泛应用;20世纪中叶以后,粉末冶金技术与化工、材料、机械等学科互相渗透,更高性能的新材料、新工艺发展进一步促进粉末冶金发展。并使得粉末冶金技术广泛应用到汽车、航空航天、军工、节能环保等领域。

2 粉末冶金的基本工序

(1)粉末的制取。目前制粉方法大体可分为两类:机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎,化学成分基本不发生变化。物理化学法是借助化学或物理作用,改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。目前工业制粉应用最为广泛的有雾化法、还原法和电解法;而沉积法(气相或液相)在特殊应用时也很重要。

(2)粉末成型。成型是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。成型分普通模压成型和特殊成型两类。模压成型是将金属粉末或混合料装在钢制压模内,通过模冲对粉末加压,卸压后,压坯从阴模内压出。特殊成型是随着各工业部门和科学技术的发展,对粉末冶金材料性能及制品尺寸和形状提出更高要求而产生。目前特殊成型分等静压成型、连续成型、注射成型、高能成型等。

(3)坯块烧结。烧结是粉末或粉末压坯,在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。烧结可分单元系烧结和多元系固相烧结。单元系烧结,烧结温度比所用的金属及合金的熔点低;多元系固相烧结,烧结温度一般介于易熔成分和难熔成分的熔点之间。除普通烧结外,还有活化烧结、热压烧结等特殊的烧结方法。

(4)产品的后处理。根据产品的性能要求不同,一般会对烧结品再进行加工处理。如浸油、精整、切削攻牙、热处理、电镀等。

3 粉末冶金的优势与不足

粉末冶金的优势:粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行,因此目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造;粉末冶金压制的不致密性,有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等;粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸(不需要机械加工或少量加工)。材料利用率高,故能大大节约金属,降低产品成本;粉末冶金产品是同一模具压制生产,工件之间一致性好,适用于大批量零件的生产。特别是齿轮等加工费用高的产品;粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性,此外烧结一般在真空或还原气氛中进行,不会污染或氧化材料,可以制备高纯度材料。

粉末冶金的不足:粉末冶金零件部分性能不如锻造和一些铸造零件,如延展性和抗冲击能力等;产品的尺寸精度虽然不错,但是还不如有些精加工产品所得的尺寸精度;零件的不致密特性会对后加工处理产生影响,特别在热处理、电镀等工艺必须考虑这一特性的影响;粉末冶金模具费用高,一般不适用于小批产品生产。

4 国内粉末冶金行业的趋势

随着我国工业化快速发展,高附加值的零部件需求将加速增长。此外,随着全球化采购的产业链形成,带给国内零部件企业商机显而易见。因此,如何把握当前机遇,目前粉末冶金行业应该从以下四方面发展。

(1)进一步提高铁基粉末冶金产品的密度,扩大粉末冶金件对传统锻件的替代范围。当前,铁基粉末冶金零件的密度为7.0-7.2g/cm3,而国内某企业通过技术改进,用传统的粉末烧结和锻造工艺相结合的办法,用较低的成本把铁基粉末冶金零件密度提高至7.6g/cm3,在这种密度前提下,铁基粉末冶金已经可替代机械、汽车等行业的大多数连接件和部分功能件。考虑粉末冶金工艺本身对材料的节省和高效特征,此类铁基粉末冶金件的潜在价值空间可达至千亿元。

(2)提高粉末冶金产品的精度、开发形状更复杂的产品。为机械制造、航天汽车、生活家电等行业的产业结构升级服务。此方向主要以降低机械重量、节能减耗及将设备小型化、普及化为导向。如使用注射成型零件几乎不需要再进行机加工,减少材料的消耗,材料的利用率几乎可以达到100%。

(3)进一步合金化,目标为轻量化和功能化。在铁基粉末中,混入铝、镁及稀土元素等合金粉末,可实现其超薄、轻量化等性能,可广泛地应用电子设备及可穿戴设备等与生活密切相关的领域中。

(4)改善粉末冶金零件的电磁性,目标是对硅钢和铁氧体、磁介质等材料的取代。以取向硅钢材料为例,硅钢的导电原理是加入硅元素后,材料通过减少晶界的方式降低铁损,特别是取向硅钢,导向方向是一个单一粗大的晶粒。相比取向硅钢的一维导电方向,粉末冶金零件可以实现多维导电(各个方向)。目前此技术已被少数企业实现突破,只要不断完善,最终达到工业要求。这种技术将会广泛在电机设备、汽车及机器人智能控制系统等领域应用。

[1]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京:冶金工业出版社,1997(2006.1重印).1.

[2]黄培云.粉末冶金原理.[M].北京:冶金工业出版社,1997(2006.1重印).7.

阮志光(1985-),男,汉,广东佛山人,本科,毕业于合肥工业大学,主要从事粉末冶金的研发工作。

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