粉末冶金
一、概述
粉末冶金是一种制造金属粉末和以金属粉末（包括混入非金属粉末者）为原料，用成形烧结方法制造材料与制品的技术。广义的来说，它也包括以氧化物、氮化物、碳化物等非金属化合物粉末为原料，用成形烧结法制造材料和制品的技术。它的制品通称为粉末冶金零件或烧结零件。
粉末冶金零件可分为两大类：一类是只能用粉末冶金法制造的，如含油轴承、摩擦零件、多孔性金属制品、硬质合金及难熔金属制品等；另一类是烧结零件，虽可用铸、锻、冲压、机械加工等工艺制造，但用粉末冶金制造比较经济。
目前，由于粉末冶金零件的高强度化、高精度化发展以及低成本化，所以粉末冶金结构零件在汽车上的使用量越来越多。如粉末冶金链轮、皮带轮、气门座以及自动变速箱中的齿穀和锥环等零件。
二、粉末冶金结构零件制造
粉末冶金结构零件制造工艺有虽然有多种不同的制造工艺。它们最主要的工序都有粉末混合、成形、烧结和后续处理这几道工序。
1.金属原料的制造
表：粉末冶金原料制造方法
生产方法 简要说明 应用范围
机械法 固体 球磨 用滚动或振动筒的运动使物料进行撞击、粉碎成粉末 脆性金属及合金
研磨 用气流或液流带动物料颗粒互相碰撞摩擦成粉末 脆性、韧性金属丝或小块边角余料
液体粉碎 雾化法 用高压水、高压气体等，通过喷雾装置，将熔融液流喷打成雾状液滴，冷却后成粉末 熔点较低的粉末，目前大多数铁粉采用水雾化或气雾化生产
物理化学方法 还原法 用还原剂还原氧化物或盐类，使其成为粉末 金属氧化物或卤族化合物，如铁粉多用还原法生产
电解法 在溶液或熔盐中，通入直电流，使金属离子重新获得外层电子，变成金属粉末 金属盐类
热离解法 金属与CO、H2等作用生产化合物，加热后分解处CO、H2,制得金属粉末 能与CO、H2等生成化合物的金属 化学置换法 用活性（负电性）大的金属置换活性小的金属离子而制得得粉末 较贵重的金属
目前，在烧结结构零件原材料的生产中，大多采用机械混合法生产原材料。随着世界制粉和混粉技术的发展，现可以使用由制粉企业直接供应高品质的部分合金化，完全合金化的低合金钢粉和经扩散粘结后各组元无偏析的，“开包可用”预合金钢铁粉末。由于调整了添加的润滑剂和粉末粒度分布的标准偏差，能够进行混粉处理。用这些合金粉末制得烧结材料得物理-力学性能见下表。
表：预合金粉末物理性能举例
合金粉末种类 组成 密度(g/cm3) 硬度(HRC) 抗拉
强度(MPa) 屈服
强度(MPa) 伸长率(%) 夏氏冲击值(J/cm2)
部分合金粉 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5Mo-0.5C 7.02 41 985 788 1.2 14.2
完全合金粉 Fe-4Ni-0.5Cu-0.3Mo-0.5C 7.00 40.0 980 785 0.5 4.2
扩散粘结合金粉 Fe-2Ni-1.5Mo-0.5C 7.00 42.1 1045 801 0.5 8.8
2.粉末冶金结构零件主要成形工艺分类：
1)传统粉末冶金工艺
传统粉末冶金工艺生产首先将配制的高纯度的混合粉或合金化粉装于模具中，在一定的压力下压制成形，脱模后将压坯放于可控气氛的烧结炉中，在低于基粉熔点的温度下进行烧结，以使粉末之间形成冶金结合。
粉末冶金材料组织中通常含一定量的可控的微小孔隙，这些微小孔隙对声与振动有阻尼作用。利用这些微小孔隙还可赋予粉末冶金制品特殊性能，诸如含浸油与固体润滑剂而具有和自润滑轴承一样的自润滑性能；可浸渍树脂而密封互相连通的微小孔隙；可熔渗熔点较低的金属或合金而增高零件的材料强度与冲击韧度；可通过水蒸气处理而增强材料的耐蚀性。通过调整粉末特性、粉末组成、压制工艺及烧结条件可将微小孔隙的数量与特性控制在一定范围之内。可控孔隙度的一种常见应用耐蚀多孔性金属过滤器。
2)温压
温压工艺是目前一种制造密度7.0～7.6g/cm3的铁基粉末冶金制品的工艺。它是使用传统的成形设备，只是需要将粉末和模具加热到120～150℃进行压制。由于产品的密度提高，故可以大大的提高产品的力学性能。为保证良好的粉末流动性与粉末充填性，必须将整个系统的温度进行严格控制。例如过去有些采用粉末锻造生产的齿轮，改用温压工艺生产的成本降低了25％。对于温压工艺的关键技术是：1）预混合粉末；2）温压系统。
温压工艺的主要特点：
a.仅需一次压制和烧结，比复压复烧及渗铜等工艺的生产成本低，比粉末锻造的成本更低；
b.压制出的生坯强度高，可直接进行机加后再烧结，能降低成本；
c.压制压力和脱模压力比常规粉末冶金成本低，利于成形复杂形状零件和延长模具使用寿命，从而降低了生产成本；
d.可生产零件质量为0.1～1kg,形状复杂由一个台阶的正齿轮到多台阶的内、外齿形和斜齿轮；
e.力学性能高，其极限抗拉强度比常规的一次压制和烧结零件零件材料平均提高13.5％；若再经复压复烧，其极限强度比常规的复压复烧提高约8.5％。在相同压制压力下，它可提高烧结材料的伸长率及宏观硬度。对同种合金材料，它的冲击韧性亦提高。
由于温压生产的零件材料密度高，强度高，可与传统的铸、锻、轧件竞争，适用于制造高强度的汽车结构零件，诸如发动机和变速器等传动齿轮、链轮及连杆等。预计发动机连杆也正由粉末锻造法制造趋向用温压工艺技术制造，一次压制和烧结，更为经济合理。
3)金属粉末注射成形（MIM）
与传统粉末冶金工艺相比采用这种工艺可以制造形状更为复杂的零件，从而扩大了用粉末冶金工艺制造复杂形状零件的能力。其工艺是将金属粉末与粘结剂的混合料注射到模腔内，粉末与粘结剂都是为这种工艺专门配制的。金属注射成形工艺和塑料注射成形与金属高压压铸很相似，它们可制造的零件形状和特点也大体上相同。成形与脱粘结剂后，将零件成形坯进行烧结后，以获得接近铸造状态的材料性能。金属注射成形的工艺如下图所示。
图：注射成形工艺流程
金属注射成形零件材料的孔隙度很低。其材料的密度大于96％理论密度，其材料的力学性能和类似合金的精铸件相同。
金属注射成形工艺的生产费用虽然比传统的粉末冶金工艺高，但用这种工艺可制造较小的，形状很复杂的制品。
4)粉末锻造（P/F）
粉末锻造是将原料粉末用刚性模具或冷等静压成形为预成形坯，经过或不经过低温预烧结或最终烧结，用热锻或冷锻改变其形状的同时，实现高密度化的技术。它可以得到几乎完全致密的零件，而且零件的晶粒度细小，非金属夹杂与碳化物分布均匀，同时，化学成分较均匀一致，因此可以达到优秀的力学性能。对于粉末锻造国外已经广泛的应用，例如汽车发动机的连杆，已经成熟批量的生产。而我国国内只有少量的外资企业处于前期的研究和试验阶段，还没有成熟批量的生产。粉末锻造连杆采用高合金经热加工使部件致密化，提高了机械强度。而且，由于粉末冶金材料特有的合金颗粒细化的金相组织，具有抵制微裂纹发展，可以提高部件工作的疲劳强度。因此，比现在汽车中所采用的锻造合金钢连杆具有优越性，它的比强度要提高10%。下表列处了几种粉末锻造铁基结构零件材料的典型力学性能。
表：粉末锻造铁基结构零件的典型力学性能
合金 热处理 硬度 拉伸强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/% 冲击功/J 成 品 粉末60VOL% 粘结剂40VOL%
混练与制粒
注射成形
用溶剂或加热脱除粘结剂
烧 结 后续加工工序 P/F-1040 N HRB80 515 310 27 5.4
P/F-1040 Q HRC30 965 825 12 20.3
P/F-1060 N HRB80 585 345 22 2.7
P/F-1060 Q HRC40 1345 1205 8 13.6
P/F-10C40 N HRB97 690 480 15
4.1
P/F-10C60 N HRC23 790 670 11 2.7
P/F-10C60 HRC28 895 620 11 4.1
P/F-4220 HRB84 895 620 11 4.1
P/F-4240 N HRB93 620 415 18 16.3
P/F-4260 N HRC22 760 515 15 6.8
P/F-4620 N HRB96 550 415 20 33.9
P/F-4620 Q HRC28 965 895 24 81.3
P/F-4620 Q HRC28 1310 1070 20 47.3
① 表中数据都是由具有规定的化学组成、密度和热处理的试样坯料经切削加工制成的试件测定的；
② 夏氏V型凹口冲击功；
③ N；正火的；Q:淬硬和回火到表中所示硬度值。
2.粉末冶金结构零件烧结工艺
粉末冶金的烧结，是将粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下进行加热，从而时粉末颗粒之间结合，提高强度和力学性能的过程。烧结分为两种形式：1）固相烧结：即整个烧结过程都是在固态下进行，即不产生液相或熔化；2）液相烧结：即压坯种有两种以上组分，并在烧结种有某种组分出现熔化；
目前常用的烧结方式有两种，分为连续烧结和真空烧结。在烧结中采用保护气体，一般常用的有分解氨、氢气、吸（放）热性煤气、N2,或在真空状态下。烧结过程一般常分为三段，预热、高温烧结、冷却三段。
三、粉末冶金结构零件材料标准
粉末冶金结构零件材料经过50年发展，技术标准日臻完善，我国的标准JB
2797－81与JB 3593-84，日本JIS Z 2550,美国MPIF标准35等都是粉末冶金结构零件材料标准。
一般结构零件材料材质一般分为以下几类：
表4- 常用结构零件材料材质分类
材 料 特 点 应 用
烧结铁与碳钢 塑性及韧性好，磁导率高，焊接性好，可渗碳淬火，强度低 高密度烧结铁可用于磁化铁心使用；也可用在外表硬，心部软的零件或受力不大的一些传动件。 烧结铜钢 强度比碳钢高，热处理后硬度高且耐磨，烧结时收缩小，耐腐蚀性比碳钢高 受力较大的结构零件，如油泵齿轮，摆线转子，链轮，正时齿轮
烧结镍钢 形成多相组织富含镍相，可以显著的改善材料的韧度、拉伸性能及淬透性 用在需要兼顾强度、耐磨性、冲击性能并可进行热处理的零件
烧结低合金钢 可以压制高密度零件，淬透性比元素混合粉末制造的烧结铜钢或烧结镍钢高，热处理后具有高强度和耐磨性 受力大，要求耐磨，或要求由一定热稳定性的重要结构零件，如内燃机活塞环等
烧结硬化钢 一般用与制造中高密度零件，可以在烧结冷却段淬硬。 一般用于高强度和耐磨性零件。
扩散合金化钢 一般用于制造中高密度零件，可进行热处理。 一般用于高强度和耐磨性零件
烧结渗铜钢 一般采用一步或两步熔渗工艺，可以改进材料的拉伸强度、伸长率、硬度和冲击性能 可用于需要考虑压力密封的中等压力的液压件；也可以改善产品的电镀性能。
烧结不锈钢 一般都用作中高密度材料，可以获得完全均一的组织 具有好的力学性能、耐蚀性和外观
四、粉末冶金结构零件的技术－经济特点
1.用粉末冶金法制造机械结构零件时，比用其它金属成形方法材料利用率高，见下图；
9528.59038854180495082020406080100120140粉末冶金铸造冷成形锻造机械加工材料利用率/%零件能耗/MJ.kg-1
图4- 粉末冶金与其它成形方法对比
2.用粉末冶金法制造机械结构零件时，比用其它金属成形方法能耗低，也就是省能；
3.粉末冶金零件生产批量愈大，生产成本愈低，非常适合大批量生产；
4.可根据零件的使用功能，配制合适的材料成分。诸如，汽车发动机改用无铅汽油后，为解决排气门阀座的磨损问题，有的厂家在材料组成中加入了低熔点