粉末冶金的知识简介

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粉末冶金是制取金属粉末，及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成材料和制品的工艺技术。它是冶金和材料科学的一个分支学科。 粉末冶金制品的应用范围十分广泛，从普通机械制造到精密仪器；从五金工具到大型机械；从电子工业到电机制造；从民用工业到军事工业；从一般技术到尖端高技术，均能见到粉末冶金工艺的身影。
粉末冶金技术的作用
材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。所谓新材料，指的是那些新出现或正在发展中的具有传统材料所具备的优异性能的材料。从人类科技发展史中可以看到，近代世界已经历了两次工业革命都是以新材料的发现和应用为先导的。钢铁工业的发展，为18世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界革命奠定了物质基础。本世纪中叶以来，以电子技术，特别是微电子技术的发明和应用为代表的第二次世界革命，硅单晶材料则起着先导和核心作用，加之随后的激光材料和光导纤维的问世，使人类社会进入了“信息时代”，因此，可以预料，谁掌握了新材料，谁就掌握了21世纪高新技术竞争的主动权！
1 新材料技术的发展趋势和特点
纵观国际新材料研究发展的现状，西方主要工业发达国家正集中人力、物力，寻求突破，美国、欧共体、日本和韩国等在他们的最新国家科技计划中，都把新材料及其制备技术列为国家关键技术之一加以重点支持，非常强调新材料对发展国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。
我国对新材料及其制备技术历来非常重视，一直作为一个重要的领域被列入我国自1956年以来的历次国家科技发展规划之中。在我国863高技术中，新技术材料又是七大重点领域之一。经过40余年的努力，已在许多方面取得显著进展，一大批新材料已成功地应用于国防和民用工业领域，有些新材料的研究居国际领先水平，为我国新材料及其制备技术在21世纪初的持续发展奠定了较好的基础。
新材料及其制备技术的研究将对世界经济发展产生重大影响，其发展趋主要体现在：
（1）功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向发展；
% R- ?+ o9 q9 D6 ]* u" L  h8 k（2）结构材料向高性能化、复合化、功能化和低成本化方向发展；
/ p( F$ p: b1 p7 C1 `  B: C7 \（3）薄膜和低维材料研帛发展迅速，生物医用材料异军突起； （4）新材料制品的精加工技术和近净形成形技术受到高度重视；
/ b  V. ?+ [9 |- n（5）材料及其制品与生态环境的协调性倍受重视，以满足社会可持续发展的要求；
0 B: Q7 V6 L4 n# l（6）材料的制备及评价表征技术日受重视，材料制备与评价表征新技术、新装备不断涌现；
% p$ Y7 f& Q* ^& ~/ |) u（7）材料在不同层次（微观、介观和宏观）上的设计发展迅速，已成为发展新材料的重要基础。
. {/ n( S% O7 l. C0 g& \综上所述，当今新材料及其制备技术的发展趋势具有以下几个特点：
; n  [, R( R$ R1 Q' H（1）新材料技术是现代工业和高技术发展中的共性关键技术，材料科学技术已成为当代和下世纪初最重要的、发展最快的科学技术之一。信息、能源、农业和先进制造等技术领域的发展都离不开新材料及其制备技术的发展；
, [1 v/ K7 f- i2 A' a（2）综合利用现代先进科学技术成就，多学科交叉，知识密集，导臻新材料及其制备技术的投资强度大、更新换代快，经济效益和社会效益巨大；
, K1 d( u! m5 V# L4 L& y（3）新材料的制备和质量的提高更加依赖于新技术、新工艺的发展和精确的检测控制技术的应用。对制备技术的重视与投入直线上升，极大地加速了基础材料的发展和传统产业的改造。
（4）对材料基础性、先导性的认识已形成共识。材料的研帛和发展既要与器件的研帛密切配合，又要注意到自身的系统性和超前性，这样才有利于材料实现跨跃发展。
) B6 H: }/ t5 Z2 新材料技术前沿研究领域
进入20世纪90年代以来，材料科学技术的发展异常迅速。材料科学与生命科学、信息科学、认知科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。展望21世纪，基于物理、化学、数学等自然科学与电子、化工、冶金等工程技术最新成就的材料科学技术前沿主要如下：
& h% p4 m6 Q/ r& Q微电子材料 主要是大真径（400mm）硅单晶及片材技术，大直径（200mm）硅片外延技术，150mmGaAs和100mmInP晶片及其以它们为基的III－V族半导体超晶格、量子阱异质结构材料制备技术，GeSi合金和宽禁带半导体材料等。
7 ]) B1 y6 P& K. H新型光子材料 主要是大直径、高光学质量人工晶体制备技术和有机、无机新型非线性光学晶体探索，大功离半导体激光光纤模块及全固态（可调谐）激光技术，有机、无机超高亮度红、绿、兰之基色材料及应用技术，新型红外、兰、紫半导体激光材料以及新型光探测和光存储材料等。
稀土功能材料 主要是高纯稀土材料的制备技术，超高磁能稀土永磁材料大规模生产先进技术，高性能稀土储氢材料及相关技术。
# Z! g& Y* f- ]" Z) y# \生物医用材料高可靠性植入人体内的生物活性材料合成关键技术，生物相容材料，如组织器字替代材料，人造血液，人造皮和透析膜技术，以及生物新材料制品性能、质量的在线监测和评价技术。 先进复合材料 主要是复合材料低成本制备技术，复合材料的界面控制与优化技术，不同尺度不同结构异质材料复合新技术。
$ z- u: R, T2 v新型金属材料 主要是交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制造技术。
先进陶瓷材料主要是信息功能陶瓷的多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷及其复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制备技术。 高温超导材料主要是高温超导体材料（准单晶和织构材料）批量生产技术，可实用化高温超导薄膜及异质结构薄膜制备、集成和微加工技术研究开发等。
( n- z8 K: K7 g1 C) [- U0 g- O# |环境材料 主要是材料的环境协调性评价技术，材料的延寿、再生与综合利用新技术，降低材料生产资源和能源消耗新技术。
纳米材料及技术 主要是纳米材料制备与应用关键技术，固态量了器件的制备及纳米加工技术。
$ i8 p8 J8 D; B- [智能材料 主要是智能材料与智能系统的设计、制备及应用技术。
材料的制备与评价技术 主要是材料精密制备、近净形成形技术与智能加工技术，材料表面改性技术的低成本化途径与批量生产技术，材料微观结构的模型化技术、智能化控制及动态实时监测分析技术，不同层次的设计、性能预测和评价表征新技术。
% v* c, f3 S& T  o3 粉末冶金技术的特点及其在新材料研究中的作用
粉末冶金是制取金属或用金属粉末（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，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。
) ^5 X7 t. w7 j2 g, a8 m0 R4 c4 p（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。
7 k8 L3 u+ u% G5 `% b! D（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。
1 u1 V3 k' d8 m( t1 \6 L# H（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。
（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。
1 I7 l$ ?* `7 [+ C/ b3 {; _（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。
（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
4 粉末冶金学科优先发展方向
2 w( d5 m% l' [2 k, G: U& c* ^（1）发展粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。重点是超细粉末和纳米粉的制备技术，快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术，机械合金化技术，自蔓延高温合成技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。（2）建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模过程理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。
) u7 x& r5 F, x7 c% K9 {5 @& D（3）建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。如热等静压、拟热等静压、烧结－热等静压、微波烧结、高能成形等。
（4）粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的孔隙特性、界面问题及强韧化机理的研究。
粉末冶金材料和制品的今后发展方向
+ ~- w7 p' u  I2 y1 {1、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。
2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。
3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。
4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。
5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。
5 z* \  b0 N7 D/ N- G. B8 j粉末冶金工艺的基本工序
1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。
2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。
3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。
4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。
粉末冶金工艺的优点

1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。 % z% l, B- i0 x" Q$ u2 a( y0 y3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。 3 g7 }  Z! B8 ^, e, x4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成． % S" Z  G5 S) L. V' @  P, [. q

粉末冶金发展史
粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方法实质上采用的就是粉末冶金方法。而现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：
1、克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。
  B* z& I6 t1 g# h2、三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。
3、向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料，六十年代末至七十年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。