现代粉末冶金材料与技术进展

蔡 麟

摘要：粉末冶金是一项历史悠久且富有生机的优秀材料成形和制备技术,这项技术源自于很久以前的炼铁方法和制作陶器的做法,推进了人类社会的进步。在十八世纪中期,欧洲出现了粉末冶金制铂技术,复燃了粉末冶金技术火种。到了十九世纪初期,才开始重点研究这项粉末冶金技术。直至今日,上百年的历史长河中,粉末冶金法被得到了广泛的应用,利用这项技术研发了很多新型材料和制品,也是目前我国科学技术中不能缺少的一项工程技术,并在材料科学领域中占领了主要的位置。

关键词：粉末冶金；材料；技术

1铁基粉末冶金材料

1.1铁基粉末

粉末冶金铁基材料和制品所使用的粉末主要包括纯铁粉、铁基复合粉末、铁基预合金粉末等。我国钢铁粉末的制备技术不断发展，现已开发出还原法、羰基法、电解法、超高压水雾化、热气体雾化、水汽联合雾化、粘结扩散、预合金化、预混合等制备技术。这些技术的开发丰富了我国铁基粉末品种和质量。我国已开发出应用铁精矿粉生产还原粉、高压缩性铁粉(600MPa压制密度达到7.24g/cm3)、无偏析混合粉、水雾化预合金钢粉(Fe-Mo等)、扩散型合金钢粉(Fe-Ni-Mo-Cu等)、易切削钢粉(添加MnS)、烧结贝氏体钢粉、电焊条粉、磁性材料用铁粉、冶金炉料用铁粉、化工行业用铁粉等多种产品，满足了市场需求。2017年莱钢集团粉末冶金有限公司建成了年产9万t高性能水雾化铁粉的自动化生产线，我国已具备了在一定区域内与国际企业竞争的实力。我国2010~2018年钢铁粉末销量年平均增速约为10%(见表1)，2018年销量达59.5万t，其中年产超万吨的11家钢铁粉末公司的总产量已占国内总产量的93%，说明钢铁粉末生产的规模化优势正在显现。然而，目前国内铁粉行业的生产与下游行业需求处于不平衡的状态，低档次铁粉产量大于需求，而高档铁粉却依然处于供不应求的局面，其中预混合钢粉、预合金钢粉和扩散型合金钢粉等仍主要依赖进口，钢铁粉末的质量、品种及稳定性等仍与国外知名生产企业(如瑞典Höganäs公司、加拿大魁北克金属粉末公司(QMP)、美国Höeganäes公司、日本JFE公司、日本神户制钢公司等)存在一定的差距。

1.2 P/M铁基制品

我国铁基制品受到了国家机械部的关注,在汽车、机械制造行业的带领下,铁基制品快速进步,烧结及热处理炉和成型压机以及设计模具和制造模具等有关机械设备的制造能力一直在加强。伴随中国制造的进步,也对铁基制品的强度和密度等标准有了更进一步的规范,铁基材料的告诉压制技术和微合金化技术很受欢迎。当前,有少数铁基粉末冶金企业的支撑技术已经把粉末热锻、复压复烧、表面滚压致密化等应用在很多繁琐精细零件的制作中。比如,烧结完成后的铁基齿轮通过反复滚压密致化操作,与齿部碰触的面积已经达到重合。提升了齿轮尺寸的精准度,可以替代锻造齿轮。通过多年的科学技术进步,我国已经成为亚洲规模最大的生产铁基粉末冶金制品国家,出现了很多的行业龙首企业。

1.3粉末注射成形(MIM)铁基制品

金属粉末注射成型（MIM）是以金属粉末为原料，通过塑料注射成型，制造形状复杂的小型金属零件的技术。上世纪90年代，中南大学等单位在国家高技术研究开发计划的支持下，开始了MIM材料与工艺的研究。他们发明了环保型粘结剂和快速溶剂脱脂技术，发展了指导饲料设计的流变学理论，并在此基础上相继开发了MIM材料和技术，将铁镍、不锈钢等铁基材料的注射成型技术用于枪械制造，医疗器械和其他零件。国内MIM产业的发展经历了十多年的艰辛探索，最终在手机产业的应用上取得了重要突破。2010年以后，MIM产业得到了快速发展。据中钢协粉末冶金分会不完全统计，目前我国MIM企业有140多家，主要分布在珠三角、长三角和京津地区。2017年，国内MIM产业产值达到54亿元，江苏精研科技股份有限公司2017年成功在新三板挂牌，年产值约10亿元。至于MIM材料，70%的材料是不锈钢，20%是低合金钢。76%的产品是3C产品，其中手机占65.7%，电脑占4.9%，可穿戴设备占6.9%。MIM技术在手机、计算机等行业的应用逐年增加。目前，MIM零件广泛应用于苹果、三星、华为、vivo、oppo、联想电脑等手机。中国的手机产量约占世界总产量的80%。巨大的年产量和手机的快速升级为MIM技术提供了巨大的发展空间。随着手机超薄化、智能化、大屏幕化的发展，MIM技术将有着广阔的发展前景。

2铁基粉末冶金材料的发展趋势

粉末冶金新技术在粉末复合、成形精细、烧结效率高等方面也得到了改进和创新。（1）粉末冶金铁基产品的研发方向：研发稳定性强、性能优良的钢铁粉末材料，研发高强度、高密度、高精度的铁基产品制造方法，符合实现数字化和自动化的生产技术和先进设备。（2）粉末注射成型技术及产品的研发方向：研究开发尺寸和质量更好的复杂零件生产技术；研究开发数量过多的粉末注射成型产品；补充添加剂制造技术，在医疗和汽车行业拓展新产品，缩短开发时间，提高产品精度，降低投资成本。（3）大量铁基粉末冶金技术投入医疗器械、航空航天等高端领域，提升产品整体价值。

3硬质合金

3.1超粗晶和超细晶硬质合金

我国是钨资源大国，我国硬质合金总产量占世界硬质合金总产量的45%以上。在世界硬质合金发展史上，中国制造的代表性技术是紫罗兰钨制造技术。上世纪末，我国硬质合金工业开发的紫罗兰钨制备技术在世界上尚属首创。紫钨制造技术是以紫钨氧化物为原料制造产品的过程。采用紫钨制造法生产超细或碳化钨粉末具有投资成本低、生产报告率高、产品质量好、可控性强等特点。该工艺已成为我国生产超细硬质合金和碳化钨粉末硬质合金的主要工艺。随着超细晶硬质合金晶粒的长大、压制机理的论证和压力烧结工艺的实施，超细晶硬质合金的生产技术也日趋完善。目前，我国还可以大量生产超优质超细晶硬质合金。根据中国钨工业协会硬质合金部2017年发布的相关数据，2017年我国27家硬质合金企业晶粒度小于超细晶硬质合金，同比增长23.52%。

目前，高温碳化法制备粗晶粉体的制造技术已在我国得到推广应用。我国硬质合金企业生产的晶粒度为6μm～11μm的超粗晶硬质合金也得到了广泛的应用。它们大多用于煤矿开采、盾构施工等。

3.2 PM磁性材料

粉末冶金磁性材料是通过烧结和粉末成形技术制成的。永磁材料主要分为软磁材料和永磁材料。永磁材料包括Nd-Fe-B永磁材料、铁氧体永磁材料和钐钴稀土永磁材料。粉末冶金软磁材料包括软磁复合材料和软磁铁氧体材料。粉末冶金技术在制造磁性材料方面的优势在于可以制备出超细磁性粒子。在压制过程中，可以控制磁粉的方向，生产出合格的高磁能体。对于硬脆磁性材料的复杂加工，粉末冶金技术的特点更为突出。

结论

总之，我国粉末冶金材料和技术有了很大的进步。粉末冶金是一种优良的材料成形和制备技术，具有悠久的历史和生命力。迄今为止，在几百年的漫长历史中，粉末冶金方法得到了广泛的应用，并由此开发出许多新材料和新产品，是我国科学技术中不可缺少的工程技术，在材料科学领域占有重要地位。

参考文献：

[1]吴云.现代粉末冶金技术发展现状[J].农家参谋,2018(03):206.

[2]寇充满,安春辉.粉末冶金材料的热处理工艺[J].智能城市,2018,4(17):161-162.