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钢铁/粉末冶金 |
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世界粉末冶金工业概况以及技术现状 |
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| http://cn.newmaker.com
3/18/2007 6:32:00 PM
佳工机电网
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世界粉末冶金工业概况
2003年全球粉末货运总量约为88万吨，其中美国占51%，欧洲18%，日本13%，其它国家和地区18%。铁粉占整个粉末总量的90%以上。从2001年起，世界铁粉市场持续增长，4年时间增加了近20%。
汽车行业仍然是粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方面汽车的产量在不断增加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不段增加。北美平均每辆汽车粉末冶金零件用量最高，为19.5公斤，欧洲平均为9公斤，日本平均为8公斤。中国由于汽车工业的高速发展，拥有巨大的粉末冶金零部件市场前景，已经成为众多国际粉末冶金企业关注的焦点。
粉末冶金铁基零件在汽车上主要应用于发动机、传送系统、ABS系统、点火装置等。汽车发展的两大趋势分别为降低能耗和环保；主要技术手段则是采用先进发动机系统和轻量化。
欧洲对汽车尾气过滤为粉末冶金多孔材料又提供了很大的市场。在目前的发动机工作条件下，粉末冶金金属多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能优势和成本优势。
工具材料是粉末冶金工业另一类重要产品，其中特别重要的是硬质合金。目前制造业的发展朝着3A方向，即敏捷性（Agility）、适应性（Adaptivity）和可预测性（Anticipativity）。这要求加工工具本身更锋利、刚性更好、韧性更高；加工材料的范围扩大到吕合、镁合金、钛合金以及陶瓷等；尺寸精度要求更高；加工成本要求更低；环境影响要减到最小，干式加工比例更大。这些新要求加快了粉末冶金工具材料的发展。硬质合金的晶粒（＜200nm＝和超粗晶粒（＞6um）；涂层技术发展很快，CVD、PVD、PCVD技术日益完善，涂层种类也很多，从常用的CVDTiCN/Al2O3/TiN到CVDPCBN（聚晶立方BN）以及PVDTiAIN，Al2O3，cBN（立方BN）和SiMAlON等，满足加工场合的需要。
信息行业的发展也为粉末冶金工业提供了新的契机。日本电子行业用的粉末冶金产品已经达到了每年4.3美元，其中热沉材料占23%，发光与点极材料占30%。前者主要包括散热材料，如Si/SiC，Cu-Mo，Cu-W，Al-SiC，AlN以及Cu/金刚石等材料；后者则主要包括钨、钼材料。
粉末注射成型
粉末注射成形仍然是当前研究的热点之一。粉末注射成形的材料已经从早期的铁基、硬质合金、陶瓷等对杂质含量不敏感，性能要求不是非常苛刻的体系，发展到了镍基高温合金、钛合金和铌材料。材料应用领域也从结构材料向功能材料发展、如热沉材料、磁性材料和形状记忆合金。材料结构也从单一均匀结构向复合结构发展。金属工注射成形技术可实现多种不同成分的粉末同时成形，因而能够得到具有三明治形式的复合结构。例如将316L不锈纲和17-4PH合金复合，能够实现力学性能的连续可调。粉末注射成形的一个重要发展方向与与微系统技术密切相关。在与微系统技术密切相关。在与微系统相关的领域中，如电子信息、微化学、医疗器械等，器件不断小型化，功能更加复合化。而粉末注射成形技术提供了实现的可能。微注射成形技术是对传统注射成形技术的改进。
它是针对零件尺寸结构小到1um所开发的成形技术，基本工艺与传统注射成形一致，但原料粉末粒度更小。采用微注射成形技术已经开发出了表面微结构精度10um的微流体装置，尺寸为350um~900um的不锈钢零件；实现了不同材料成分、复合结构的共烧结或共连接，获得了磁性/非磁性、导体/非导体微型复合零件。
粉末制备技术
粉末雾化一直是高性能粉末的制备技术。热气流雾化技术能够延长金属液滴在液相状态的时间，使粉末可以经过二次破碎（雾化），因而大大提高了雾化的效率，所得到的粉末粒度更为细小。ASL公司的研究结果表明，若将气体温度提高到330℃。制备相同粒度粉末所需的气体消耗量减少30%，其经济分析和工程化问题研究说明该技术是完全可行的。粉末雾化方面的技术有很大的改进。例如，采用一种新型自由裸体式气体雾化，能够得到更细的工具钢粉末，颗粒中碳化物的分布更均匀、缺陷更少。美国赫格拉斯公司将先进的炼钢技术用于粉末生产中，融合了电弧炼炉（EAF）技术、氩氧脱碳技术（ADO）、高性能雾化技术和氢退火技术，大大改善了粉末质量、粉末压坯密度和强度得到了提高。在活性粉末雾化方面，为了减少熔炼过程熔体与坩埚的反应，德国开发了电极感应熔炼气雾化（EIGA）技术，可制备高活性的钛、锆以及TiAl金属间化合物粉末。机械合金化仍然是研究的热门，但大多数是实验室工作。值得一提的是德国Zoz公司才用自己开发的高能球磨设备研磨电弧熔炼炉的炉渣，然后经过湿法冶金回收金属，这一技术既改善了环境，有开拓了巨大的市场。
粉末压制技术
传统粉末压制技术在很大程度上依赖于设备的改良和过程的优化。几家知名的压机生产商均推出了精度控制更准、自动化程度更高的新型号。
粉末烧结理论与技术
微波烧结作为一种新的快速烧结技术，已经完全适用于金属粉末材料，如粉末钢、硬质合金、有色金属等。微波烧结的工业化也许指日可待，因为不管是设备和技术的成熟度，还是批量化生产能力都没有太大问题；而主要障碍是生产商的接受程度和风险度。
放电等离子烧结（SPS）的研究也不少，材料体系也从陶瓷扩展到了金属材料，特别是一些超细晶材料，如铝合金、镁合金和自润滑铁基材料等。但是由于其单件生产的特点，该方法恐怕只能用来作一些基础研究。
喷射沉积在制备大型、细晶材料方面非常有优势。该技术最初主要生产铝合金和铝硅合金。随着熔炼技术的提高，喷射沉积已可用来制备工具钢和高温合金。德国不来梅大学报导采用喷射沉积制备出了单件质量超过100公斤，内径40mm，外径500mm，宽100mm的高温合金环。
快速成形技术近年来引起了很多学者的关注。在粉末冶金领域应用最多的是直接金属激光烧结。目前该技术已用于钢铁粉末和钛合金粉末等。另一种金属快速成形方法是三维印刷。该方法非常方便用于各种不同成分合金按照不同结构需要进行三维微观堆积，目前尚处于概念阶段。但该技术已用来制备了一些由金属+粘结剂组成的结构，以及梯度功能材料。
金属粉末多孔材料
金属粉末多孔材料的应用非常广泛，如轻质结构材料、高温过滤装置、分离膜等。目前最大的市场可能是柴油发动机的烟尘过滤装置。德国的Fraunhofer研究所开发了一种金属空心球制备技术，在聚合物基体上涂覆金属粉末料浆，然后通过脱涂聚合物基体和粘结剂，最后烧结成各种具有空心结构的金属球体。球体的直径可丛1mm至8mm。所制备的钢空心球的密度仅0.3g/cm3。
硬质合金
纳米晶和梯度结构是硬质合金的两个重点方向。纳米晶材料方面包括晶粒长大控制和纳米粉末制备。梯度结构合金方面包括工艺与结构的关系。将纳米晶和梯度结构结合起来可能是一个很好的方向，能够在更微观层次上实现性能的可调。硬质合金的硬度高，可加工性差，因此采用注射成形制备复杂形状中小型零件是发展趋势，但是其商用化仍然受技术成熟度的控制。硬质合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、断裂韧性和可靠性表征等。
粉末轻金属合金
汽车轻量化为铝、镁、钛等轻金属材料提供了广阔的应用前景。粉末铝合金在汽车上可应用的部位非常多，但Al-Si合金由于高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和耐磨性好，有可能率先在油泵齿轮方面大规模应用。从工业化角度来看，对粉末冶金铝合金制备过程的优化研究更为重要。铝合金的另一个研究热点是复合材料，包括传统的Al/SiC，Al/C，Al/BN，Al/Ti（C，N）以及新出现的纳米碳管增强铝合金。高强粉末铝合金与快速凝固技术密切相关。通过成分设计，在纯铝基体中加入金属间化合物行成组元，可以制备高强度、高韧性、高热稳定性兼顾的铝合金。该材料的室温强度大于600Mpa，延伸率超过10%，在400℃还有很好的热稳定，疲劳极限是锻造铝合金的2倍。
镁合金的密度更小，其应用前景可能更好，但目前仍处于研究状态。采用快速凝固方法也是制备高性能粉末镁合金的重要手段。目前该技术在安全性方面已经没有太大的问题，所制备出的材料性能也远远高于铸造合金。
钛合金在汽车上的应用主要是成本问题，而粉末钛合金的主要障碍在于高性能低成本钛粉。英国QinetiQLtd开发了一种店脱氧技术（EDO），可批量生产钛粉。该技术与传统的以海绵钛为原料的氢化脱氢过程完全不同。它是一种类似于熔盐电解的方法，以TiO2为阴极，石墨为阳极，在电解过程中TiO2的阳极迁移，并消耗阳极的炭形成CO，在阴极得到钛粉。钛粉的氧含量在0.035%~0.4%之间。采用这一技术还可方便地制备各种钛合金粉末。由于对气氛和杂质的敏感性，粉末钛合金的烧结也是工艺难点，通常与要热等静压或后续热加工。通过添加共晶形成组元和稀土元素能够明显改善粉末钛合金的烧结致密度，其力学性能也能达到锻造钛合金水平。这一系列工作将大大推动钛合金在汽车机关键部件上的应用。
粉末零件后续处理技术
后续处理对粉末冶金零件的性能至关重要。烧结硬化将烧结和热处理融为一体，合金成分和冷却条件对材料性能的影响很大。Miba公司采用钻孔技术对零件可加工性进行了评价。神户钢铁公司在烧结钢中添加一种复杂钙氧化物，代替通常用的MnS，明显改善了零件的可加工性，而不损害其力学性能。此外随着应用的扩大，粉末铝及复合材料的切削、多孔材料的线切割也受到了关注。
表面硬化是提高粉末冶金齿轮的重要手段。虽然铁基零件的密度已可达到7.4g/cm3，但在齿根和接触面仍需进一步提高密度和硬度。采用径向轧制已成为了一种重要手段，目前，各大铁基零件厂家对高性能粉末冶金齿轮的生产和应用都有表现出极大的关注。
粉末冶金过程模拟和标准化
欧洲启动了两个计划（PMModnet和PMDienet），首先针对铁基零件生产过程的模拟，随后力图扩展到其他材料体系，目前已取得了许多成果。英国也启动了大型研究计划，包括7个研究组和23个企业，主要研究各种材料压制工艺的过程控制。因此，粉末压制过程的模拟工作已成为研究热点，相对而言，基础理论的工作，如致密化方程和本构方程方面的工作较少，而采用有限元方法和其它数值模拟方法的多。当然，压制过程模拟还包括摩擦、脱模、充模以及压坯性能模拟。
粉末冶金过程动态观察和产品质量控制与日常生产密切相关。采用X射线CT方法，能够很方便地动态观察粉末烧结过程的三维密度、孔隙度、颗粒尺寸分布和烧结颈的长大情况。采用高温IET还能测定材料的刚度和内耗，与其他手段相结合，能够方便地描述显微组织和力学性能的动态演化。采用动态热成像技术可以很快发现注射坯中的裂纹。目前在生产线上应用最多的是声学手段，各大粉末冶金公司都运用了这种无损探伤技术及时发现有缺陷产品或预测产品性能，这包括德国GKN、日本NissanMotor、西班牙AMES等。但是，这种定量分析是一个系统工作，包括多变量统计、图象分析、物理和化学理论以及数值模拟等，只有多学科的工作者一起努力才能实现精确表征。
粉末冶金方法对某些特殊功能材料的制备非常有优势，如采用机械合金化能够制备纳米结构的MgB2超导材料和CuNb磁体。粉末功能材料的最大市场是磁性材料。在NbFeB材料方面，采用雾化粉提高密度和性能是最重要方向。该种粉末适用于注射成形，因而对中小型异型磁性材料零件的制备非常有意义。软磁复合材料（SMC）是将具有复合结构的铁粉固结起来的，在电动马达上的应用市场非常大。因而这方面的研究也很多，包括市场与应用分析、结构设计与优化、生产与工艺控制、疲劳性能等。
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