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世界粉末冶金發展現狀

發布時間: 2016-12-3 | 來源:山東鼎成新材料有限公司 |  本文被閱讀 3020 次


  2003年全球粉末貨運總量約為88萬噸,其中美國占51%,歐洲18%,日本13%,其它國家和地區18%。鐵粉占整個粉末總量的90%以上。從2001年起,世界鐵粉市場持續增長,4年時間增加了近20%。
  汽車行業仍然是粉末冶金工業發展的最大動力和最大用戶。一方面汽車的產量在不斷增加,另一方面粉末冶金零件在單輛汽車上的用量也在不段增加。北美平均每輛汽車粉末冶金零件用量最高,為19.5公斤,歐洲平均為9公斤,日本平均為8公斤。中國由于汽車工業的高速發展,擁有巨大的粉末冶金零部件市場前景,已經成為眾多國際粉末冶金企業關注的焦點。
  粉末冶金鐵基零件在汽車上主要應用于發動機、傳送系統、ABS系統、點火裝置等。汽車發展的兩大趨勢分別為降低能耗和環保;主要技術手段則是采用先進發動機系統和輕量化。
  歐洲對汽車尾氣過濾為粉末冶金多孔材料又提供了很大的市場。在目前的發動機工作條件下,粉末冶金金屬多孔材料比陶瓷材料具有更好的性能優勢和成本優勢。
  工具材料是粉末冶金工業另一類重要產品,其中特別重要的是硬質合金。目前制造業的發展朝著3A方向,即敏捷性(Agility)、適應性(Adaptivity)和可預測性(Anticipativity)。這要求加工工具本身更鋒利、剛性更好、韌性更高;加工材料的范圍擴大到呂合、鎂合金、鈦合金以及陶瓷等;尺寸精度要求更高;加工成本要求更低;環境影響要減到最小,干式加工比例更大。這些新要求加快了粉末冶金工具材料的發展。硬質合金的晶粒(<200nm=和超粗晶粒(>6um);涂層技術發展很快,CVD、PVD、PCVD技術日益完善,涂層種類也很多,從常用的CVDTiCN/Al2O3 /TiN到CVD PCBN(聚晶立方BN)以及PVD TiAIN,Al2O3,cBN(立方BN)和SiMAlON等,滿足 加工場合的需要。
  信息行業的發展也為粉末冶金工業提供了新的契機。日本電子行業用的粉末冶金產品已經達到了每年4.3美元,其中熱沉材料占23%,發光與點極材料占30%。前者主要包括散熱材料,如Si/SiC,Cu-Mo,Cu-W,Al-SiC,AlN以及Cu/金剛石等材料;后者則主要包括鎢、鉬材料。
粉末注射成型
  粉末注射成形仍然是當前研究的熱點之一。粉末注射成形的材料已經從早期的鐵基、硬質合金、陶瓷等對雜質含量不敏感,性能要求不是非??量痰奶逑?,發展到了鎳基高溫合金、鈦合金和鈮材料。材料應用領域也從結構材料向功能材料發展、如熱沉材料、磁性材料和形狀記憶合金。材料結構也從單一均勻結構向復合結構發展。金屬工注射成形技術可實現多種不同成分的粉末同時成形,因而能夠得到具有三明治形式的復合結構。例如將316L不銹綱和17-4PH合金復合,能夠實現力學性能的連續可調。粉末注射成形的一個重要發展方向與與微系統技術密切相關。在與微系統技術密切相關。在與微系統相關的領域中,如電子信息、微化學、醫療器械等,器件不斷小型化,功能更加復合化。而粉末注射成形技術提供了實現的可能。微注射成形技術是對傳統注射成形技術的改進。它是針對零件尺寸結構小到1um所開發的成形技術,基本工藝與傳統注射成形一致,但原料粉末粒度更小。采用微注射成形技術已經開發出了表面微結構精度10um的微流體裝置,尺寸為350um~900um的不銹鋼零件;實現了不同材料成分、復合結構的共燒結或共連接,獲得了磁性/非磁性、導體/非導體微型復合零件。
粉末制備技術
  粉末霧化一直是高性能粉末的制備技術。熱氣流霧化技術能夠延長金屬液滴在液相狀態的時間,使粉末可以經過二次破碎(霧化),因而大大提高了霧化的效率,所得到的粉末粒度更為細小。ASL公司的研究結果表明,若將氣體溫度提高到330℃。制備相同粒度粉末所需的氣體消耗量減少30%,其經濟分析和工程化問題研究說明該技術是完全可行的。粉末霧化方面的技術有很大的改進。例如,采用一種新型自由裸體式氣體霧化,能夠得到更細的工具鋼粉末,顆粒中碳化物的分布更均勻、缺陷更少。美國赫格拉斯公司將先進的煉鋼技術用于粉末生產中,融合了電弧煉爐(EAF)技術、氬氧脫碳技術(ADO)、高性能霧化技術和氫退火技術,大大改善了粉末質量、粉末壓坯密度和強度得到了提高。在活性粉末霧化方面,為了減少熔煉過程熔體與坩堝的反應,德國開發了電極感應熔煉氣霧化(EIGA)技術,可制備高活性的鈦、鋯以及TiAl金屬間化合物粉末?;島轄鴰勻皇茄芯康娜讓?,但大多數是實驗室工作。值得一提的是德國Zoz公司才用自己開發的高能球磨設備研磨電弧熔煉爐的爐渣,然后經過濕法冶金回收金屬,這一技術既改善了環境,有開拓了巨大的市場。
粉末壓制技術
  傳統粉末壓制技術在很大程度上依賴于設備的改良和過程的優化。幾家知名的壓機生產商均推出了精度控制更準、自動化程度更高的新型號。
粉末燒結理論與技術
  微波燒結作為一種新的快速燒結技術,已經完全適用于金屬粉末材料,如粉末鋼、硬質合金、有色金屬等。微波燒結的工業化也許指日可待,因為不管是設備和技術的成熟度,還是批量化生產能力都沒有太大問題;而主要障礙是生產商的接受程度和風險度。
  放電等離子燒結(SPS)的研究也不少,材料體系也從陶瓷擴展到了金屬材料,特別是一些超細晶材料,如鋁合金、鎂合金和自潤滑鐵基材料等。但是由于其單件生產的特點,該方法恐怕只能用來作一些基礎研究。
  噴射沉積在制備大型、細晶材料方面非常有優勢。該技術最初主要生產鋁合金和鋁硅合金。隨著熔煉技術的提高,噴射沉積已可用來制備工具鋼和高溫合金。德國不來梅大學報導采用噴射沉積制備出了單件質量超過100公斤,內徑40mm,外徑500mm,寬100mm的高溫合金環。
  快速成形技術近年來引起了很多學者的關注。在粉末冶金領域應用最多的是直接金屬激光燒結。目前該技術已用于鋼鐵粉末和鈦合金粉末等。另一種金屬快速成形方法是三維印刷。該方法非常方便用于各種不同成分合金按照不同結構需要進行三維微觀堆積,目前尚處于概念階段。但該技術已用來制備了一些由金屬+粘結劑組成的結構,以及梯度功能材料。
金屬粉末多孔材料
  金屬粉末多孔材料的應用非常廣泛,如輕質結構材料、高溫過濾裝置、分離膜等。目前最大的市場可能是柴油發動機的煙塵過濾裝置。德國的Fraunhofer研究所開發了一種金屬空心球制備技術,在聚合物基體上涂覆金屬粉末料漿,然后通過脫涂聚合物基體和粘結劑,最后燒結成各種具有空心結構的金屬球體。球體的直徑可叢1mm至8mm。所制備的鋼空心球的密度僅0.3g/cm3。
硬質合金
  納米晶和梯度結構是硬質合金的兩個重點方向。納米晶材料方面包括晶粒長大控制和納米粉末制備。梯度結構合金方面包括工藝與結構的關系。將納米晶和梯度結構結合起來可能是一個很好的方向,能夠在更微觀層次上實現性能的可調。硬質合金的硬度高,可加工性差,因此采用注射成形制備復雜形狀中小型零件是發展趨勢,但是其商用化仍然受技術成熟度的控制。硬質合金其他方面的工作包括天家稀土及合金元素、斷裂韌性和可靠性表征等。
粉末輕金屬合金
  汽車輕量化為鋁、鎂、鈦等輕金屬材料提供了廣闊的應用前景。粉末鋁合金在汽車上可應用的部位非常多,但Al-Si合金由于高比強度、高比剛度、低熱膨脹系數和耐磨性好,有可能率先在油泵齒輪方面大規模應用。從工業化角度來看,對粉末冶金鋁合金制備過程的優化研究更為重要。鋁合金的另一個研究熱點是復合材料,包括傳統的Al/SiC,Al/C,Al/BN,Al/Ti(C,N)以及新出現的納米碳管增強鋁合金。高強粉末鋁合金與快速凝固技術密切相關。通過成分設計,在純鋁基體中加入金屬間化合物行成組元,可以制備高強度、高韌性、高熱穩定性兼顧的鋁合金。該材料的室溫強度大于600Mpa,延伸率超過10%,在400℃還有很好的熱穩定,疲勞極限是鍛造鋁合金的2倍。
  鎂合金的密度更小,其應用前景可能更好,但目前仍處于研究狀態。采用快速凝固方法也是制備高性能粉末鎂合金的重要手段。目前該技術在安全性方面已經沒有太大的問題,所制備出的材料性能也遠遠高于鑄造合金。
  鈦合金在汽車上的應用主要是成本問題,而粉末鈦合金的主要障礙在于高性能低成本鈦粉。英國QinetiQ Ltd開發了一種店脫氧技術(EDO),可批量生產鈦粉。該技術與傳統的以海綿鈦為原料的氫化脫氫過程完全不同。它是一種類似于熔鹽電解的方法,以TiO2為陰極,石墨為陽極,在電解過程中TiO2的陽極遷移,并消耗陽極的炭形成CO,在陰極得到鈦粉。鈦粉的氧含量在0.035%~0.4%之間。采用這一技術還可方便地制備各種鈦合金粉末。由于對氣氛和雜質的敏感性,粉末鈦合金的燒結也是工藝難點,通常與要熱等靜壓或后續熱加工。通過添加共晶形成組元和稀土元素能夠明顯改善粉末鈦合金的燒結致密度,其力學性能也能達到鍛造鈦合金水平。這一系列工作將大大推動鈦合金在汽車機關鍵部件上的應用。

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