現代粉末冶金材料與技術進展

楊廷志

（臨沂市工程咨詢院有限公司，山東 臨沂 276000）

粉末冶金是一項歷史悠久且富有生機的優秀材料成形和制備技術，這項技術源自于很久以前的煉鐵方法和制作陶器的做法，推進了人類社會的進步。在十八世紀中期，歐洲出現了粉末冶金制鉑技術，復燃了粉末冶金技術火種。到了十九世紀初期，才開始重點研究這項粉末冶金技術。直至今日，上百年的歷史長河中，粉末冶金法被得到了廣泛的應用，利用這項技術研發了很多新型材料和制品，也是目前我國科學技術中不能缺少的一項工程技術，并在材料科學領域中占領了主要的位置。

粉末冶金是制取金屬粉末或者將金屬粉末作為原材料，通過成形和燒結流程制造金屬材料和復合材料以及不同種類制品的工藝手段。筆者結合多年的工作經驗，在本文中著重講解了幾種粉末冶金材料以及幾種新型成形技術[1-4]。

1 鐵基粉末冶金材料

鐵基粉末冶金材料主要以鐵元素為主，增添多種合金元素制成的一種鋼鐵材料。粉末冶金高合金鋼分為粉末高速鋼和粉末不銹鋼兩種。粉末冶金行業中產量最多的一種材料就是鐵基制品，這種鐵基制品可以展現出整個國家的粉末冶金技術水準。筆者在下面詳細的介紹了鐵基粉末和幾種鐵基制品及其進展概述。

1.1 鐵基粉末

鐵基粉末冶金材料和制品主要用到的粉末有純鐵粉和鐵基復合粉及鐵基預合金粉三種。我國的鋼鐵粉的制備方法在一直進步中，已經研發出了很多制備方法，比如電解法、還原法、水汽聯合霧化等多種方法。這些方法的研發，充實了我國鐵基粉末的種類和品質。為了適應市場的要求，我國已經研發出了高壓縮性鐵粉、磁性材料鐵粉、化學鐵粉、鐵精礦粉生產還原粉等多種鐵基粉末制品。2018年凌鋼集團粉末冶金有限公司建成了年產10萬t的高性能高壓縮性能鐵粉的自動化生產線，致使我國擁有了與國際企業抗衡的實力。我國2010年～2018年鋼鐵粉末的銷量年平均增長速度約為15%，2018年總銷量達69.5萬t，當中年產值超過一萬噸的10家鋼鐵粉末公司的年總產值也已經占全國年總產值的95%，這就說明了鋼鐵粉末生產的規模在快速壯大。但是，當前國內鐵粉行業的產粉量同下游行業的需求量不成正比，檔次偏低的鐵粉產量多大，檔次偏高的鐵粉產量偏低處于稀缺狀態。

1.2 P/M鐵基制品

我國鐵基制品受到了國家機械部的關注，在汽車、機械制造行業的帶領下，鐵基制品快速進步，燒結及熱處理爐和成型壓機以及設計模具和制造模具等有關機械設備的制造能力一直在加強。伴隨中國制造的進步，也對鐵基制品的強度和密度等標準有了更進一步的規范，鐵基材料的告訴壓制技術和微合金化技術很受歡迎。當前，有少數鐵基粉末冶金企業的支撐技術已經把粉末熱鍛、復壓復燒、表面滾壓致密化等應用在很多繁瑣精細零件的制作中。比如，燒結完成后的鐵基齒輪通過反復滾壓密致化操作，與齒部碰觸的面積已經達到重合。提升了齒輪尺寸的精準度，可以替代鍛造齒輪。通過多年的科學技術進步，我國已經成為亞洲規模最大的生產鐵基粉末冶金制品國家，出現了很多的行業龍首企業[5]。

1.3 粉末注射成形鐵基制品

金屬粉末注射成形技術是把金屬粉末作為原材料，借用熟料注射成型工藝來制作繁瑣精細的小型金屬零部件。上世紀末，就已經開始研發金屬粉末注射成形技術，研究出了快速溶劑脫脂技術和環保粘結劑等，這項技術主要應用在制作醫療器械零部件和槍支的零部件中。

我國金屬粉末注射成形技術的形成經過了很長一段時間，最終在研發手機的細小金屬零部件中得到了應用。在2010年開始，金屬粉末注射成形技術取得了快速的成長，據有關數據統計，我國的金屬粉末注射成形開發公司已經有上百家，這些公司主要在一線城市中。2018年我國金屬粉末注射成形行業總產值已經達到60億元。

在粉末注射成形材料方面，當前65%以上運用的材料都是不銹鋼制品，15%以上是低合金鋼制品。82%為3C產品，當中手機67.5%，可穿戴設備7.1%，計算機7.4%。粉末注射成形技術在計算機和手機等行業中，用到的數量在逐年遞增，當前華為、蘋果等手機，戴爾計算機都大批使用粉末注射成形零部件。我國手機的年生產量占全球總年生產量的75%以上，手機的迅速替代更新和超大的年生產量為粉末注射成形技術提供了無限的成長空間。

1.4 鐵基粉末冶金材料的發展走向

新型的粉末冶金技術也在想粉末復合化和成形精細化及燒結效率高熱化等方面進行技術改良和創新。

（1）P/M鐵基制品的研發方向：研發穩定性極強、性能極好的鋼鐵粉末材料，研發強度高、密度高、精準度高的鐵基制品制作方法，向實現數字化和自動化生產技術及先進設備看齊。

（2）粉末注射成形技術和產品的研發方向：研發尺寸和品質更好的繁瑣零部件生產技術；研發數量超多的粉末注射成形產品；同增材制造技術互補，擴展在醫療和汽車等行業的新型產品，減少開發時長，提升產品精準度，減少投資成本。

（3）在醫療器械和航天航空等高端領域投入大量的鐵基粉末冶金技術的應用，進而提升產品的整體價值。

2 硬質合金

硬質合金是將碳氮化物作為主要原料的粉末冶金硬質材料。因硬質合金具備強度較高、硬度較好、韌性匹配性好的特點。硬質合金主要用于挖掘工具、刀具和耐磨零件等制品中，被普遍的應用到了汽車、數控機床和工程機械以及航天航空等裝備制造領域中。根據歐洲粉末冶金工業協會戰略分析得出，硬質合金是現代制造工業的脊柱。

近些年來，我國硬質合金有關部門等列出了我國硬質合金的產能、企業數量、總出口量和硬質合金的總產量值。因需求量的增加和科學技術的成長，我國硬質合金產業表現出了特別好的一個狀態。我國硬質合金也已形成了很多具有代表性的硬質合金企業上市公司，也有了我國自己的粉末冶金實驗室和技術研發中心。

（1）超粗晶和超細晶硬質合金。我國是鎢資源的大國，我國的硬質合金總產量占世界硬質合金總產量比值的45%以上。在世界整體的硬質合金進展歷史中，我國制造出的具有代表性的技術就是紫鎢制造技術。在上世紀末期，我國硬質合金行業研究出來的紫鎢制備技術是世界的首例。紫鎢制造技術是把紫色的氧化鎢當做原材料來制作制品的工藝手段。利用紫鎢制造手段來制造超細或者碳化鎢粉，具有投資成本低，生產匯報高、產品品質好、可控性強等特性，這項工藝也已經成為了我國制造超細和碳化鎢粉硬質合金的主要工藝。伴隨超細晶硬質合金晶粒的成長壓制機理研究的展示和壓力燒結工藝的推行，超細晶硬質合金的生產技術也健全，當前中國也可以大批量制造超高水準的品質超群細晶硬質合金。根據2017年我國鎢業協會硬質合金部門公布的有關數據表明，27家中國硬質合金企業2017年工生產刀具用晶粒度小于超細晶硬質合金，同比增長了23.52%。

當前，我國高溫碳化制備粗晶粉末的制造技術也得到了推行和運用，我國硬質合金企業制造出的合金晶粒度6μm～11μm的超粗晶硬質合金也得到了普遍的應用。大多應用在了煤業采集、盾構施工等。

（2）粉末冶金磁性材料。粉末冶金磁性材料是利用燒結和粉末成形的技術來制造磁性材料。粉末冶金磁性材料主要分為軟磁材料和粉末冶金永磁材料。粉末冶金永磁材料包含釹-鐵-硼系永磁材料和鐵氧體用磁材料以及釤鈷稀土永磁材料等。粉末冶金軟磁材料包括軟磁復合材料和軟磁氧體材料等。粉末冶金技術制造磁性材料的優點在于，可以制造出超精細的磁性微粒，在壓制操作中，可以控制磁粉的去向，制出合格規范的高磁能體，針對繁瑣加工的硬脆磁性材料來講，粉末冶金技術的特點更為出色。

（3） 粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金是使用鎳作為基礎上加入多種合金元素的一種抗熱腐蝕性強和高溫強度好以及抗疲勞性強等綜合能力強的合金，也是渦輪盤擋板和航空發動機渦輪軸等主要高溫部件的原材料。當前只有少數的幾個發達國家具有粉末冶金高溫合金的研究和開發條件以及生產制造能力。當前，這些發達國家已經開始籌備研發使用溫度高達800℃以上的高溫合金。我國涉足粉末冶金高溫合金領域要相對幾個外國發達國家要晚很多，在施工工藝和主要成分設計研發中，也是借鑒了其他發達國家的經驗。

3 結束語

總之，現今我國粉末冶金材料和技術有了很大的進步，粉末冶金是一項歷史悠久且富有生機的優秀材料成形和制備技術，直至今日，上百年的歷史長河中，粉末冶金法被得到了廣泛的應用，利用這項技術研發了很多新型材料和制品，也是目前我國科學技術中不能缺少的一項工程技術，并在材料科學領域中占領了主要的位置。