粉末冶金及硬质合金

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粉末冶金

      冶金学的一个分支；其领域包括：①制取金属粉末；②金属粉末或金属粉末和非金属粉末的混合物，经成形和烧结制成各种金属和金属-非金属的材料和制品。制造和利用金属粉末，经历了很长的时间。早期是用机械粉碎法制得金、银、铜和青铜的粉末，多用作陶器等器具的装饰涂料。18世纪下半叶和l19世纪上半叶，俄、英、西班牙等国曾以工场规模制取海绵铂粒，经过热压、锻和模压、烧结等工艺制造钱币和贵重器物。1909年美国库利吉发明用粉末冶金方法制造灯泡用钨丝，奠定了现代粉末冶金的基础。此后20年间，用粉末冶金方法制造了钨、钼制品，硬质合金，青铜含油轴承，多孔过滤器，集电刷等，逐步形成了整套粉末冶金技术。30年代旋涡研磨铁粉和碳还原铁粉问世以后，用粉末冶金法制造铁基机械零件获得了很快的发展。第二次世界大战后粉末冶金技术发展迅速，新的生产工艺和技术装备、新的材料和制品不断出现，开拓出一些能制造特殊材料的领域，成为现代工业中重要的组成部分。

      在粉末冶金材料生产中，铁基材料在产量上占绝大多数，其次为铜基材料、硬质合金和难熔金属。近20年来，对高性能的合金钢、铝和钛基粉末冶金材料的开发十分重视。

      基本工艺 包括粉末的制取、成形和烧结。粉末制取方法可归纳为机械法和物理化学法两类。具体方法有机械粉碎法、还原法、雾化法、电解法、气相沉积法、液相沉积法、还原-化合法等。其中应用广泛的是还原法、雾化法和电解法等（见铁粉）。常用的模压成形技术已日趋机械化自动化 ;热成形（包括热压、热等静压、热挤压、热锻、电火花烧结等）是把烧结和压制工序合并进行，使材料的致密程度和性能都显著提高（见粉末冶金成形）。烧结是在高温下粉末颗粒之间物质发生迁移的复杂过程，其结果导致金属颗粒间结合的加强和粉末烧结体的进一步致密化。烧结分为固相烧结和液相烧结（见粉末冶金烧结）。烧结或热成形后的坯材和制品视需要可进行各种冷变形加工、热塑性加工、机械加工和热处理等。

      粉末在成形前往往需要预处理，预处理主要包括分级、去除杂质、退火、配料（加入他种金属粉末或非金属粉末和添加剂）、混合等。原料粉末的性能对粉末冶金材料的性能影响很大，因此从质量和经济考虑，都应重视原料粉末的选择和粉末的预处理。

      技术和经济特点 ①能够生产用熔铸方法不能或难以生产的特殊性能和高性能的材料。例如多孔材料是有意识地控制和利用粉末冶金制品的多孔性能；假合金、金属和非金属复合材料、金属和难熔金属化合物复合材料、粉末和纤维复合材料等是利用粉末冶金的灵活配料工艺（见多孔材料，减摩材料，摩擦材料，粉末冶金电工材料粉末冶金磁性材料，粉末冶金弥散强化合金粉末冶金难熔金属材料，硬质合金，金属陶瓷）；粉末冶金合金钢和粉末冶金高温合金是利用雾化粉无宏观铸态偏析而且晶粒和第二相细小均匀的特点。②金属损耗小。能够将原料粉末直接制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的制品，因而不需要或只需要很少的切削加工；工艺流程短，设备投资少。所以适用于大批量生产各种承受中等以下负载的机械零件。

      理论的进展 随着粉末冶金技术的发展，阐明粉末压制过程和烧结过程的本质及其基本规律的理论研究也取得进展。粉末冶金压制理论是探索压制过程中颗粒移动和变形的规律，描述压坯密度和压制压力之间的关系。粉末冶金烧结理论是探讨烧结过程中物质迁移和孔隙变化的机理，描述烧结体密度和烧结参数之间的关系。此外，在粉末冶金工艺技术的带动下，出现了一系列与之相配合的测试技术，主要是粉末的物理、化学性能的测定，孔隙大小、数量和形态的测量，多孔体（包括近于致密的烧结体）物理、力学性能的测定等。70年代，粉末冶金已基本形成了一个既有理论，又有工艺技术、检测方法，以及许多专用仪器设备的科学技术领域。

      硬质合金

      由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质化合物主要有碳化钨、碳化钛和碳化钽；粘结金属有钴、镍等金属，常用的是钴。硬质合金具有高硬度，常温下可达HRA93～94，并且在500℃以下基本保持不变；其高温红硬性好，使用温度可达1000℃；抗弯强度为1000～4000MPa，抗压强度达6000MPa；常温刚性好，无明显的塑性变形，耐磨能力约为高速钢的15～20倍。此外，硬质合金还具有耐腐蚀、线膨胀系数小等特点。广泛用于制造切削刀具、矿山工具、模具及耐磨、耐腐蚀部件。常用的硬质合金有碳化钨基、碳化钛基和钢结硬质合金。碳化钨基硬质合金以钴为粘结金属，有钨钴合金、钨钛钴合金、钨钽钴合金、通用合金、耐蚀合金和超细晶粒合金等。超细晶粒合金的碳化钨最大粒度不超过1微米，制成的刀具适于低速切削。碳化钛基硬质合金以镍和钼为粘结金属。碳化钨基和碳化钛基硬质合金主要用于制作各种切削刀具。钢结硬质合金以钢作为粘结金属，具有可加工性，如切削、锻造、热处理等。主要用于制造模具和耐磨、耐腐蚀部件。