淺析粉末冶金材料及冶金技術(shù)的發(fā)展

任朋立

粉末冶金是一項(xiàng)具有悠久歷史的材料冶煉技術(shù)。在古代，人們就已經(jīng)掌握了冶煉生鐵的技術(shù)，這就是現(xiàn)代粉末冶金最原始的表現(xiàn)；18世紀(jì)的歐洲，在制造鉑金過程中的冶煉技術(shù)就是粉末冶金，這標(biāo)志著近代粉末冶金技術(shù)開始得到了發(fā)展；進(jìn)入20世紀(jì)之后，粉末冶金技術(shù)得到了高速的發(fā)展，新型材料不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。目前，粉末冶金已經(jīng)成為材料領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)。

粉末冶金是利用金屬粉末作為生產(chǎn)的原料，經(jīng)過一系列的生產(chǎn)工藝后，可以制造材料以及材料制品的技術(shù)。粉末冶金技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)的變革。例如，1909年科學(xué)家用粉末冶金技術(shù)制造的鎢絲制成白熾燈，極大地改變了人們的生活。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，粉末冶金技術(shù)不斷發(fā)展，粉末冶金技術(shù)應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

一、粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)

粉末冶金制成品具有傳統(tǒng)鑄造技術(shù)不具有的化學(xué)性能，這些特性只能由粉末冶金技術(shù)實(shí)現(xiàn)。利用粉末冶金技術(shù)可以制造一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者精密的零件，如汽車上的小型零件。

粉末冶金技術(shù)可以對(duì)多種材料進(jìn)行復(fù)合加工，對(duì)材料的特性揚(yáng)長避短，最大限度發(fā)揮各種材料具有的優(yōu)良特性，生產(chǎn)出具備高性能的金屬或者陶瓷材料，生產(chǎn)成本卻可以大幅度降低。

不僅如此，利用粉末冶金技術(shù)可以制造出具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊性能的產(chǎn)品（多孔分離膜材料以及功能性陶瓷材料），這是普通的鑄造冶煉技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

利用廢礦石、回收廢舊金屬以及冶煉殘?jiān)鳛橹圃斓脑?，是一種對(duì)材料綜合利用的新型冶煉技術(shù)，可以有效節(jié)約資源。如家庭用的磨刀石等，就是用粉末冶金技術(shù)制成。

二、粉末冶金材料的分類

1.傳統(tǒng)的粉末冶金材料

（1）鐵基粉末冶金材料

在諸多粉末冶金材料中，鐵基粉末冶金材料是最傳統(tǒng)的一種，同時(shí)也是最重要的一種冶金材料，這種材料廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，汽車生產(chǎn)者對(duì)其需求不斷增加，鐵基粉末冶金材料的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多。在一些傳統(tǒng)的機(jī)械加工行業(yè)對(duì)其需求也較多。

（2）銅基粉末冶金材料

銅基粉末冶金材料種類比較多，用銅及銅合金生產(chǎn)的零件具有較好的耐腐蝕性，青銅材料、黃銅材料以及銅合金等因其具有的優(yōu)良特性，在機(jī)械、電器制造行業(yè)中銅基粉末冶金材料被大規(guī)模的應(yīng)用。

（3）難熔金屬材料

難熔金屬材料一般是指熔點(diǎn)高于1 650℃并有一定儲(chǔ)量金屬的材料，這類材料的熔點(diǎn)比較高，因此具有較高的硬度和強(qiáng)度。這一類材料主要用于一些高端技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用在武器裝備、航空航天、核能等領(lǐng)域。

（4）硬質(zhì)合金材料

硬質(zhì)合金材料是由熔點(diǎn)較高的金屬經(jīng)過氧化后形成的一種材料。這種材料的制作過程主要有2個(gè)環(huán)節(jié)，首先利用冶煉技術(shù)對(duì)硬質(zhì)材料進(jìn)行粘結(jié)和融合，之后通過粉末冶金環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的加工制作。硬質(zhì)合金材料具有特殊的性能，如較高的熔點(diǎn)、較強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度等，此種材料大量應(yīng)用在工業(yè)切削領(lǐng)域中。

（5）粉末冶金電工材料

這類材料通常應(yīng)用在電子領(lǐng)域，其中以電器元件居多。另外，一些公司在電極的制造過程中使用粉末冶金電工材料。進(jìn)入21世紀(jì)之后，我國的通訊技術(shù)得到了迅速發(fā)展，這就意味著對(duì)電阻器件的需求量增多，進(jìn)而增加了對(duì)粉末冶金電工材料的需求。另外，電子管在一些涉及到真空技術(shù)的領(lǐng)域中應(yīng)用較多，因此，粉末冶金電工材料在真空領(lǐng)域也具有極其重要的作用。

（6）摩擦材料

摩擦材料顧名思義，本身具有極強(qiáng)的耐摩擦性，這類材料主要應(yīng)用在一些易于產(chǎn)生摩擦的機(jī)械零部件中，例如汽車的摩擦離合器和摩擦制動(dòng)器等。這些零件的制造利用了其耐摩擦、耐磨損的特點(diǎn)，能夠使運(yùn)動(dòng)的物體減速甚至停止等。

2.現(xiàn)代先進(jìn)粉末冶金材料

（1）信息領(lǐng)域的粉末冶金材料

信息領(lǐng)域的粉末冶金材料主要是指粉末冶金軟磁材料，軟磁材料具體可以分為金屬類材料和鐵氧體材料2種。其中，出現(xiàn)時(shí)間比較早的是鐵氧體磁性材料，這種材料的制造技術(shù)極為有限，現(xiàn)階段只能通過粉末冶金技術(shù)進(jìn)行制造。在金屬中，鐵以及鐵的合金是制作金屬軟磁材料的主要來源，例如硅鋼、磷鐵和鐵鈷合金等。

在20世紀(jì)初，人們已經(jīng)開始用磁性材料記錄信息。1941年，人們開始用磁粉用作記錄的媒介材料。20世紀(jì)80年代以來，人們不斷對(duì)磁性記錄材料進(jìn)行研究，擴(kuò)充了新型磁記錄材料的種類，也大大促進(jìn)了磁記錄技術(shù)的發(fā)展，滋生了磁性材料市場，市場對(duì)磁帶以及計(jì)算機(jī)的磁性記錄信息存儲(chǔ)器的需求不斷增加。這些磁性材料與傳統(tǒng)的磁性材料有很大的不同，其主要的存在形式是：以粒子的形式存在于有機(jī)介質(zhì)中；將磁粉沉積成為磁膜的狀態(tài)后使用。另外，磁粉還大量用于生產(chǎn)磁頭，磁頭的主要功能是對(duì)現(xiàn)有的信息進(jìn)行加工處理，具體表現(xiàn)為：第一，記錄音頻、視頻、文字資料；第二，對(duì)信息進(jìn)行重讀，根據(jù)需要進(jìn)行回放；第三，可以抹除原有的信息，尤其是沒有利用價(jià)值的信息。目前，鋁硅鐵合金和鋁鐵合金是制作磁頭材料的主要磁性合金；另外，鐵的氧化物也可以用作磁頭材料。

目前，在制造高性能稀土永磁材料過程中，粉末冶金技術(shù)占據(jù)著重要的地位，利用這種技術(shù)可以制造出高性能釹鐵硼，這種化合物在市場上大受歡迎，不管是軍用還是民用市場都有極大的需求量。

（2）能源領(lǐng)域的粉末冶金材料

能源材料是在能源領(lǐng)域具有重大作用的材料，可以對(duì)能源的發(fā)展有促進(jìn)作用，對(duì)建立新能源體系有關(guān)鍵作用，能夠滿足節(jié)能新技術(shù)所需的一系列材料。這些材料按照一定的標(biāo)準(zhǔn)，可以分為儲(chǔ)能材料、新能源材料2大類。

氫能的應(yīng)用基礎(chǔ)就是氫能的貯存和運(yùn)輸。在20世紀(jì)90年代，很多國家積極對(duì)儲(chǔ)氫材料進(jìn)行研制。如美國儲(chǔ)氫技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)占全部氫能研究經(jīng)費(fèi)一半以上，日本一次性的投資了50億美元用于“新陽光計(jì)劃”中氫能發(fā)電技術(shù)的研發(fā)?，F(xiàn)階段，儲(chǔ)氫合金材料的種類較多，主要有稀土類、鎂鎳類以及鈦鐵類等。

隨著化石燃料開采量的不斷增加，地球能源日益枯竭，這就迫切需要新型的替代能源。其中，核能是比較理想的清潔能源，其發(fā)展?jié)摿薮?，各國在核能領(lǐng)域都不甘落后，紛紛加大研發(fā)力度，都想在世界能源市場上占據(jù)一席之地。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)：截至目前，核能的發(fā)電量已經(jīng)占世界總發(fā)電量的20%左右?，F(xiàn)在，世界核能技術(shù)日益成熟，用于發(fā)電的核電堆是熱中子堆，這類反應(yīng)堆在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生二次輻射污染，并且隨著使用量的增加，生產(chǎn)成本大幅度降低，價(jià)格也就較為低廉，成為不少具備核能開發(fā)技術(shù)的國家競相追捧的清潔能源技術(shù)之一。

新能源材料對(duì)于新能源領(lǐng)域的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，新能源材料的開發(fā)和利用能夠促進(jìn)燃料電池和太陽能電池的研發(fā)及推廣?，F(xiàn)階段，新能源材料主要有硅類太陽能電池、核能等清潔能源，粉末冶金技術(shù)對(duì)于新能源材料的生產(chǎn)具有重要的作用。

（3）生物領(lǐng)域的粉末冶金材料

生物材料的研究對(duì)社會(huì)有著巨大的作用，生物技術(shù)在高新技術(shù)中占有很大比例。我國已將生物材料列入國家戰(zhàn)略計(jì)劃，生物材料是未來主要的研究對(duì)象。有些生物材料可以修復(fù)生物體的功能或者結(jié)構(gòu)，這些材料就是生物醫(yī)用材料。生物醫(yī)用材料對(duì)于人類的身心健康有著重要的作用。在生物材料中，有一大批金屬合金或者化合物就是粉末冶金材料。

從20世紀(jì)初，人們就開始用金屬及合金作為醫(yī)用生物材料，其中應(yīng)用比較廣泛的是利用生物材料代替人類骨骼。如人工關(guān)節(jié)和人造牙齒等，在外科手術(shù)中具有特殊的作用。不銹鋼、鈦和鈦合金是在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用比較多的金屬材料，其中鈦合金與人類骨骼具有生物相似性，具有相似的彈性，耐磨損以及耐腐蝕，是應(yīng)用最多的1種金屬材料。

生物陶瓷具有某些與人體相似的生理特征，因此，這種材料常被用來制成人造骨骼和牙齒，用這種材料部分或者整體代替人體的某些器官，增強(qiáng)身體的機(jī)能。生物陶瓷所具有的特殊生理行為就是其具有以下的特性：第一，與原有的生物機(jī)體具有相似性，因此可以相融合，對(duì)生物體不會(huì)產(chǎn)生損害和刺激，其基本性能和被替換的組織相匹配，具有較好的組織親和性；第二，生物陶瓷不會(huì)引起機(jī)體的病變；第三，生物陶瓷有良好的化學(xué)性能，有一定的強(qiáng)度和硬度，還要有較好的柔韌性和彈性，可以起到原有生物體的作用。根據(jù)生物陶瓷所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不同，其具體可以分為3類， 第一類是具有生物惰性的生物陶瓷，這類主要有氧化鋁和氧化鋯等氧化物陶瓷，主要可以作為人造關(guān)節(jié)和負(fù)重骨骼使用；第二類是表面具有活性的生物陶瓷，這一類主要如生物活性微晶玻璃；第三類是可降解的生物陶瓷，這一類有石膏陶瓷和鋁酸鈣陶瓷等，在失效后不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。

（4）軍事領(lǐng)域用粉末冶金材料

在軍事工業(yè)中粉末冶金材料也具有重要的作用，能夠大幅度提高武器裝備的性能，因此，其在航空航天、兵器制造等軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

首先，航空航天工業(yè)對(duì)材料性能有著非常嚴(yán)格的要求，不僅要求材料具有相應(yīng)的強(qiáng)度和硬度，還要求材料具有較高的穩(wěn)定性，甚至對(duì)其耐高溫、耐腐蝕性能也有嚴(yán)格要求，這就要求材料必須要有較高的綜合性能。在航空工業(yè)中，使用了大量的粉末冶金材料。這些粉末冶金材料主要有2種。第一種是以減磨材料、防輻射材料等為代表的特殊功能材料，這類材料主要用在飛機(jī)及其他航天器的儀表和機(jī)載設(shè)備上；另一種材料是高溫、高強(qiáng)度材料，這種材料主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和性能。

20世紀(jì)70年代，美國利用粉末冶金技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，制造技術(shù)比較成熟。1973年，美國在其F-104戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了粉末渦輪盤等13個(gè)零件，對(duì)于飛機(jī)尤其是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，應(yīng)用粉末冶金渦輪盤和凝固渦輪葉片無疑是一種巨大的技術(shù)突破，使得F-104戰(zhàn)斗機(jī)達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平。20世紀(jì)末，美國普惠公司采用粉末冶金技術(shù)制造出了雙性能粉末，并將其在美國的第5代戰(zhàn)斗機(jī)F22的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，大大提高了戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

其次，核軍工業(yè)本身的特性就導(dǎo)致了對(duì)核材料有著特殊的要求，有些金屬特性只有粉末冶金技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，或者在采用粉末冶金技術(shù)后，材料的性能進(jìn)一步提高。所以說，粉末冶金材料在核軍工業(yè)中是1種不可或缺的材料。

對(duì)于新型的核反應(yīng)堆，更需要加強(qiáng)其和安全，從源頭上防止核輻射和核泄漏，這對(duì)核能的儲(chǔ)能裝置提出了更高的要求，采用粉末冶金技術(shù)制造儲(chǔ)能裝置，可以增強(qiáng)核反應(yīng)堆的安全性，可以在事故發(fā)生后，在不需要任何動(dòng)力的支撐下對(duì)反應(yīng)堆冷卻循環(huán)約5min，可以為處理事故提供寶貴的時(shí)間，甚至還可以有效地降低核輻射的嚴(yán)重程度。

三、粉末冶金技術(shù)的發(fā)展前景

進(jìn)入21世紀(jì)之后，粉末冶金技術(shù)得到了快速的發(fā)展，這與其他技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)?，F(xiàn)階段，粉末注射成形、溫壓成形和噴射成形等技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，隨著這些技術(shù)的不斷融合，粉末冶金技術(shù)不斷向前發(fā)展，在未來粉末冶金技術(shù)會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。

從現(xiàn)階段看，粉末冶金技術(shù)正向著高精度化、高性能化以及低成本化的方向發(fā)展。粉末冶金的新工藝隨著時(shí)間的發(fā)展日益多樣化，并有著飛速發(fā)展的勢頭。

1.粉末注射成形技術(shù)

粉末注射成形的材料經(jīng)過很長時(shí)間的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)的材料主要是鐵基和陶瓷為主，這類材料中極易產(chǎn)生雜質(zhì)，總體性能不是很完美，逐漸不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需要。現(xiàn)在粉末注射成形的材料主要有鈦合金和高溫合金材料。成形材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，從單一的結(jié)構(gòu)向復(fù)雜、精細(xì)的結(jié)構(gòu)發(fā)展。

2.溫壓成形技術(shù)

最近幾年，科學(xué)家研制出流動(dòng)溫壓工藝。這種工藝是在溫壓工藝基礎(chǔ)上，通過與注射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合后形成。這種技術(shù)在生產(chǎn)中的主要環(huán)節(jié)是：將粗粉和細(xì)粉按照一定的比例進(jìn)行融合，之后采用普通的溫壓工藝，對(duì)其進(jìn)行有效的加工，最后經(jīng)過燒結(jié)就可以制得。在制造過程中最主要的技術(shù)是如何增強(qiáng)混合粉末的流動(dòng)性，提高制成品的性能。這種技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)有很多優(yōu)勢，例如可以制造出復(fù)雜形狀和具有高密度的金屬部件，大大降低了生產(chǎn)成本。

3.微波燒結(jié)技術(shù)

未來一段時(shí)期內(nèi)，市場將需要綜合性能更好的產(chǎn)品，這就需要提高材料的性能，而微波燒結(jié)制成的產(chǎn)品具有高密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。經(jīng)過微波燒結(jié)后，材料內(nèi)部分布均勻，因此具有較好的韌性。微波加熱的速度比較高，1min內(nèi)就可以使溫度達(dá)到1 600℃，有些材料甚至還可以在1min內(nèi)達(dá)到2 200℃。在燒制過程中，微波對(duì)陶瓷材料的燒制效果更好，因?yàn)榭梢杂梦⒉ň鶆虻卮┩柑沾刹牧?，制造出的部件性能更為?yōu)異，在燒制過程中，零部件受熱均勻，不會(huì)產(chǎn)生受熱不均的現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)闊Y(jié)時(shí)間的大大縮短，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還提高了材料的化學(xué)性能。今后，微波燒結(jié)技術(shù)將會(huì)成為加工陶瓷材料極為有效的方法。

4.燒結(jié)硬化技術(shù)

燒結(jié)硬化技術(shù)是一種新的粉末冶金新工藝，主要的原理是：在燒結(jié)過程中，快速的冷卻，進(jìn)而可以大幅度提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高材料強(qiáng)度。這種工藝不僅可以有效地避免傳統(tǒng)工藝導(dǎo)致的產(chǎn)品變形的缺陷，還可以省去冷卻環(huán)節(jié)。經(jīng)過此種工藝生產(chǎn)的零部件更能適應(yīng)未來工業(yè)的發(fā)展需要。