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摘要：粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体,节能、节材、高效、最终成形、少污染的先进制造技术,在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和作用,已经进入当代材料科学的发展前沿。本文仅就几个方面简介近几年出现的某些新技术,以期反映粉末冶金在高技术领域所起的重要作用。
关键词：粉末冶金；新技术；材料科学
粉末冶金是一门既古老又现代的材料制备技术。古代炼块铁技术和陶瓷制备技术是粉末冶金的雏形; 18~19世纪欧洲采用粉末冶金法制铂是古老粉末冶金技术的复兴和近代粉末冶金技术的开端; 20世纪,粉末冶金进入蓬勃发展时期,各种新材料和新技术层出不穷。至今,粉末冶金已成为新材料科学和技术中最具有发展活力的领域之一[1]。
1、粉末冶金高速压制技术
粉末冶金高速压制技术（简称HVC）通过强烈的冲击波进行压制，使 P/M 零件达到高密度，它不仅可以使零件高致密化，而且可以使其密度均匀化 [2]。与传统压制相比，HVC 技术可使压坯密度提高 0.3 g/cm3以上，将高速压制与其它工艺相结合，可使粉末压坯密度更高。HVC 与传统压制在生产工艺上有很多相似性，先将混合粉末装入锥形送料斗中，通过送粉靴自动填充模腔，压制成形后的压坯被顶出再转入烧结工序。由于采用液压控制，安全性能较高。通过合适的液压控制，可以避免非轴向反弹引起的压坯的微观缺陷。重锤的质量和冲击速度决定高速压制瞬间冲击能量和材料致密化程度。传统压制在一次压制后接着进行复压所得压坯密度不会显著增加，而 HVC 可以进行多重压制，即通过附加间隔0.3 s的高频冲击波使密度不断提高。总之，该技术具有成本低,生产率高,可经济成型大型零件，弹性后效低,脱模压力小，综合性能优异等优点。
2、温压技术
1994年,国际上出现了高密度粉末冶金铁基零件的生产新技术——温压技术。所谓温压就是指采用特殊的粉末加温、粉末输送和模具加热系统,将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具加热至130~150℃[3-4],同时为保证良好的粉末流动性和粉末充填行为,将温度波动控制在±2.5℃以内,然后按传统粉末压制工艺进行压制的一项新型粉末冶金生产技术。该技术主要有以下几个方面的特点:能以较低的成本制造出高性能的铁基等粉末冶金零部件;提高零部件生坯密度;产品具有高强度;便于制造形状复杂以及要求精密的零部件;密度均匀等。温压工艺自问世至今,短短的十年时间获得了快速发展。并且不断有新的改进的工艺出现,如采用模壁润滑代替部分添加润滑剂、流动温压、高压温压等,这些改进工艺的出现使得温压有了快速和长远发展的基础和条件,也大大地扩大了温压的应用范围。由于温压产品的性能价格比既优于其它粉末冶金工艺,也优于现有锻钢工艺,因而温压技术被认为是进入20世纪90年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步,并于1995年获得美国粉末冶金协会的新技术新发展功勋奖。
3、喷射成形技术
喷射成形是英国Swansea大学的A.R.E.Singer教授于1968年首先提出的。目前在众多文献中,喷射成形还没有统一的称谓,有的称喷射铸造(Spray Casting),也有称喷射沉积(Spray De-position)的,它们实质上都是一种用快速凝固方法制备大块致密金属材料的高新技术,而且它们兼有半固态成形、近终型成形和快速凝固成形等特点,因此喷射成形理论提出之后,立刻赢得世界工业发达国家的注目,大学、科研院所和著名公司投入大量财力物力争相研究,目前已在铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、高温合金、钢铁及复合材料制备方面得到了广泛的应用。由于冷却速度快,使沉积材料的固溶度得到提高且形成了一些亚稳相,在随后的热处理中合理控制析出相的析出行为可得到最佳的力学性能。由于凝固过程仅为几毫秒,几乎是原位凝固,合金元素的宏观迁移局限在晶粒范围内,因此喷射成形材料几乎没有宏观偏析。喷射技术在铝合金民品领域突出的例子是Al-Si系合金在汽车工业上的应用。喷射成形过共晶Al-Si合金Si颗粒可细化到5μm,这样不仅易于机加工,而且其耐磨性能也很好。该技术还需继续完善工艺工程技术,达到提高质量降低成本的目的。具体包括:在控制坯件形状,尺寸公差,减少坯件内部显微疏松和改善表面质量以及提高金属收得率等方面进一步提高,使其潜在的优势得以充分发挥。
4粉末冶金烧结技术
从现代复合材料技术的理论来看,粉末冶金复合技术从微观上改变了单一材料的性能,依靠扩散流动使物质发生迁移,同时原材料的晶体组织发生变化,最终“优育”出高性能的复合材料。而烧结作为粉末冶金生产过程中最重要的工序,一直以来是人们研究的重点,各种促进烧结的方法不断涌现,对改进烧结工艺,提高粉末冶金制品的力学性能,降低物质与能源消耗,起了积极的作用。粉末冶金烧结是指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。烧结工艺是决定粉末冶金制品性能的重要环节,一直是人们研究的重点;各种促进烧结的方法不断涌现,如微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等。粉末冶金烧结技术,实现了复杂形状零件的高精度、批量化生产,其成品率高、加工能耗少;其使用范围广,常用于汽车、电机、机床、家用电器中。通过许多粉末冶金厂家先后从国外引进设备及技术,采取相应革新措施,使汽车行业的整体水平得到了提高,开发和生产引进汽车上一批高强度、高性能化、高精度低成本的“三高一低”和“三耐”较复杂结构零件取得了重大进展,粉末冶金烧结零件在汽车上的应用量迅速增长。
5结语
粉末冶金是提高材料性能和发展新材料的重要手段,已经成为当代材料科学发展的前沿领域。我相信，随着时代的进步，科技的发展，粉末冶金应用领域定能不断扩大,新技术更将层出不穷。
参考文献：
[1]韩凤麟,马福康,曹勇家.中国材料工程大典—粉末冶金材料工程[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[2]邓三才, 肖志瑜, 陈进等. 粉末冶金高速压制技术的研究现状及展望[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2009,14(4):213-217.
[3] Capus J, PickeringS, Weaver A. Hoeganaes offers higher density at lower cost [J]. Metal Powder Report, 1994, 49 (7/8): 22~24.
[4] Rutz H G, Hanejko F G. High density processing of high performance ferrous materials [J]. The International of Powder Metallurgy, 1995, 31 (1): 9~17.
作者简介：潘海涛（1972.7-），男，吉林省长春人，中国钢研科技集团吉林工程技术有限公司高级工程师。
关键词：粉末冶金；新技术；材料科学
粉末冶金是一门既古老又现代的材料制备技术。古代炼块铁技术和陶瓷制备技术是粉末冶金的雏形; 18~19世纪欧洲采用粉末冶金法制铂是古老粉末冶金技术的复兴和近代粉末冶金技术的开端; 20世纪,粉末冶金进入蓬勃发展时期,各种新材料和新技术层出不穷。至今,粉末冶金已成为新材料科学和技术中最具有发展活力的领域之一[1]。
1、粉末冶金高速压制技术
粉末冶金高速压制技术（简称HVC）通过强烈的冲击波进行压制，使 P/M 零件达到高密度，它不仅可以使零件高致密化，而且可以使其密度均匀化 [2]。与传统压制相比，HVC 技术可使压坯密度提高 0.3 g/cm3以上，将高速压制与其它工艺相结合，可使粉末压坯密度更高。HVC 与传统压制在生产工艺上有很多相似性，先将混合粉末装入锥形送料斗中，通过送粉靴自动填充模腔，压制成形后的压坯被顶出再转入烧结工序。由于采用液压控制，安全性能较高。通过合适的液压控制，可以避免非轴向反弹引起的压坯的微观缺陷。重锤的质量和冲击速度决定高速压制瞬间冲击能量和材料致密化程度。传统压制在一次压制后接着进行复压所得压坯密度不会显著增加，而 HVC 可以进行多重压制，即通过附加间隔0.3 s的高频冲击波使密度不断提高。总之，该技术具有成本低,生产率高,可经济成型大型零件，弹性后效低,脱模压力小，综合性能优异等优点。
2、温压技术
1994年,国际上出现了高密度粉末冶金铁基零件的生产新技术——温压技术。所谓温压就是指采用特殊的粉末加温、粉末输送和模具加热系统,将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具加热至130~150℃[3-4],同时为保证良好的粉末流动性和粉末充填行为,将温度波动控制在±2.5℃以内,然后按传统粉末压制工艺进行压制的一项新型粉末冶金生产技术。该技术主要有以下几个方面的特点:能以较低的成本制造出高性能的铁基等粉末冶金零部件;提高零部件生坯密度;产品具有高强度;便于制造形状复杂以及要求精密的零部件;密度均匀等。温压工艺自问世至今,短短的十年时间获得了快速发展。并且不断有新的改进的工艺出现,如采用模壁润滑代替部分添加润滑剂、流动温压、高压温压等,这些改进工艺的出现使得温压有了快速和长远发展的基础和条件,也大大地扩大了温压的应用范围。由于温压产品的性能价格比既优于其它粉末冶金工艺,也优于现有锻钢工艺,因而温压技术被认为是进入20世纪90年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步,并于1995年获得美国粉末冶金协会的新技术新发展功勋奖。
3、喷射成形技术
喷射成形是英国Swansea大学的A.R.E.Singer教授于1968年首先提出的。目前在众多文献中,喷射成形还没有统一的称谓,有的称喷射铸造(Spray Casting),也有称喷射沉积(Spray De-position)的,它们实质上都是一种用快速凝固方法制备大块致密金属材料的高新技术,而且它们兼有半固态成形、近终型成形和快速凝固成形等特点,因此喷射成形理论提出之后,立刻赢得世界工业发达国家的注目,大学、科研院所和著名公司投入大量财力物力争相研究,目前已在铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、高温合金、钢铁及复合材料制备方面得到了广泛的应用。由于冷却速度快,使沉积材料的固溶度得到提高且形成了一些亚稳相,在随后的热处理中合理控制析出相的析出行为可得到最佳的力学性能。由于凝固过程仅为几毫秒,几乎是原位凝固,合金元素的宏观迁移局限在晶粒范围内,因此喷射成形材料几乎没有宏观偏析。喷射技术在铝合金民品领域突出的例子是Al-Si系合金在汽车工业上的应用。喷射成形过共晶Al-Si合金Si颗粒可细化到5μm,这样不仅易于机加工,而且其耐磨性能也很好。该技术还需继续完善工艺工程技术,达到提高质量降低成本的目的。具体包括:在控制坯件形状,尺寸公差,减少坯件内部显微疏松和改善表面质量以及提高金属收得率等方面进一步提高,使其潜在的优势得以充分发挥。
4粉末冶金烧结技术
从现代复合材料技术的理论来看,粉末冶金复合技术从微观上改变了单一材料的性能,依靠扩散流动使物质发生迁移,同时原材料的晶体组织发生变化,最终“优育”出高性能的复合材料。而烧结作为粉末冶金生产过程中最重要的工序,一直以来是人们研究的重点,各种促进烧结的方法不断涌现,对改进烧结工艺,提高粉末冶金制品的力学性能,降低物质与能源消耗,起了积极的作用。粉末冶金烧结是指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。烧结工艺是决定粉末冶金制品性能的重要环节,一直是人们研究的重点;各种促进烧结的方法不断涌现,如微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、烧结硬化等。粉末冶金烧结技术,实现了复杂形状零件的高精度、批量化生产,其成品率高、加工能耗少;其使用范围广,常用于汽车、电机、机床、家用电器中。通过许多粉末冶金厂家先后从国外引进设备及技术,采取相应革新措施,使汽车行业的整体水平得到了提高,开发和生产引进汽车上一批高强度、高性能化、高精度低成本的“三高一低”和“三耐”较复杂结构零件取得了重大进展,粉末冶金烧结零件在汽车上的应用量迅速增长。
5结语
粉末冶金是提高材料性能和发展新材料的重要手段,已经成为当代材料科学发展的前沿领域。我相信，随着时代的进步，科技的发展，粉末冶金应用领域定能不断扩大,新技术更将层出不穷。
参考文献：
[1]韩凤麟,马福康,曹勇家.中国材料工程大典—粉末冶金材料工程[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[2]邓三才, 肖志瑜, 陈进等. 粉末冶金高速压制技术的研究现状及展望[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2009,14(4):213-217.
[3] Capus J, PickeringS, Weaver A. Hoeganaes offers higher density at lower cost [J]. Metal Powder Report, 1994, 49 (7/8): 22~24.
[4] Rutz H G, Hanejko F G. High density processing of high performance ferrous materials [J]. The International of Powder Metallurgy, 1995, 31 (1): 9~17.
作者简介：潘海涛（1972.7-），男，吉林省长春人，中国钢研科技集团吉林工程技术有限公司高级工程师。