粉末冶金材料2014

1、v粉末冶金材料粉末冶金材料v粉末冶金材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢粉末冶金材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢概述:粉末冶金材料及其進展 1.1 材料材料l世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。l材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。l材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。的生命息息相關(guān)。粉末冶金材料：粉末冶金材料：是用粉末冶金技術(shù)制得的近全是用粉末冶金技術(shù)制得的近全 致密或多孔材料。致密或多孔材料。材料與人類文明材料與人類文明l材料是

2、人類文明、社會進步、科學技術(shù)發(fā)展的材料是人類文明、社會進步、科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導。物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導。l材料是當代文明的三大支柱之一。材料是當代文明的三大支柱之一。l材料是全球新技術(shù)革命的四大標志之一。材料是全球新技術(shù)革命的四大標志之一。材料研究的重要性材料研究的重要性挑戰(zhàn)者號挑戰(zhàn)者號哥倫比亞號哥倫比亞號1.2 粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù) 粉末冶金技術(shù)：是以金屬粉末或非金屬粉末是以金屬粉末或非金屬粉末或其混合物為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材或其混合物為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。l能生產(chǎn)用普通熔煉

3、方法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)能生產(chǎn)用普通熔煉方法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品構(gòu)和性能的材料和制品，如硬質(zhì)合金。，如硬質(zhì)合金。l粉末冶金方法生產(chǎn)的某些材料，與普通熔煉法粉末冶金方法生產(chǎn)的某些材料，與普通熔煉法相比，性能優(yōu)越，相比，性能優(yōu)越，如粉末高速鋼。如粉末高速鋼。(a) 高密度鎢合金彈芯; (b)高密度鎢合金高爾夫球棒(b) (a)(a)(a) 泡沫鎳宏觀照片; (b)泡沫鎳微觀結(jié)構(gòu)(b)l公元前3000年以前，古埃及人在一 種風箱中用碳還原氧化鐵得到海綿鐵，經(jīng)高溫鍛造成致密塊，再錘打成鐵的器件；公元前2300年左右出現(xiàn)塊煉鐵技術(shù)：固相碳還原鐵礦石（8001000C）；l1930年H

4、oganas公司開始用固相還原法生產(chǎn)海綿鐵；粉末冶金發(fā)展史1) ) 粉末冶金發(fā)展簡史粉末冶金發(fā)展簡史粉末冶金是一項新興技術(shù)，但也是一項古老技術(shù)。粉末冶金是一項新興技術(shù)，但也是一項古老技術(shù)。海綿鐵海綿鐵錯金書刀錯金書刀劉勝墓出土劉勝墓出土印度德里鐵柱，材質(zhì)為純度高印度德里鐵柱，材質(zhì)為純度高達達98.72的鐵的鐵，歷時千百年，歷時千百年，卻卻少有銹蝕的痕跡少有銹蝕的痕跡。 l1910年Coolidge發(fā)明電燈W絲，奠定了近代粉末冶金的基礎(chǔ)；l1914年WC、MoC粉末出現(xiàn)（德國）；l1923年德國人施勒特爾(Kschroter) 用粉末冶金法研制成功鎢鈷硬質(zhì)合金； 1927年德國Krupp公司使用

5、該技術(shù)生產(chǎn)硬質(zhì)合金，導致了金屬切削技術(shù)的革命；l1956年后大量鐵基、銅基零件上市；l20世紀80年代后，PM制品，如渦輪引擎零件廣泛應用于航空?？朔穗y熔金屬熔鑄過程中產(chǎn)生的困難克服了難熔金屬熔鑄過程中產(chǎn)生的困難。 鎢絲鎢絲（鎢粉成形、燒結(jié)、再鍛打拉絲）的制造方法為粉（鎢粉成形、燒結(jié)、再鍛打拉絲）的制造方法為粉末冶金工業(yè)邁出了第一步，從而推動了粉末冶金的發(fā)展末冶金工業(yè)邁出了第一步，從而推動了粉末冶金的發(fā)展。 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金的出現(xiàn)推動了機械加工工業(yè)的發(fā)展。的出現(xiàn)推動了機械加工工業(yè)的發(fā)展。粉末冶金方法生產(chǎn)多孔材料的成功粉末冶金方法生產(chǎn)多孔材料的成功。 1930年用粉末冶金方法制取年用粉末冶金方

6、法制取多孔含油軸承、軸瓦多孔含油軸承、軸瓦取取得成功，這種軸承很快在汽車、紡織、航空等工業(yè)得到得成功，這種軸承很快在汽車、紡織、航空等工業(yè)得到了廣泛的應用。了廣泛的應用。 粉末冶金新材料、新技術(shù)的發(fā)展粉末冶金新材料、新技術(shù)的發(fā)展。 新型材料如新型材料如金屬陶瓷、彌散強化材料金屬陶瓷、彌散強化材料、粉末高速鋼、粉末高速鋼、粉末超合金等不斷出現(xiàn)。新技術(shù)如粉末超合金等不斷出現(xiàn)。新技術(shù)如注射成形、溫壓成形注射成形、溫壓成形、噴射成形、微波燒結(jié)等、噴射成形、微波燒結(jié)等相繼出現(xiàn)。相繼出現(xiàn)。粉末冶金發(fā)展的三個重要標志粉末冶金方法所制備材料的優(yōu)點 致密度可控，如多孔材料、高密度材料等； 晶粒細小、顯微組織均勻

7、、無成分偏析； 近凈成形，原材料利用率高95%，能耗低； 少無切削，切削加工僅4050%； 材料組元可控，利于制備復合材料； 利于難熔金屬、陶瓷材料與核材料的制備。粉末冶金技術(shù)的不足：討論類別類別材料材料舉例舉例機械零件機械零件和結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)材料摩擦材料摩擦材料鐵基摩擦材料、銅基摩擦材料鐵基摩擦材料、銅基摩擦材料減摩材料減摩材料鐵基多孔含油軸承、銅基多孔含油軸承、鋁基多孔含油軸承鐵基多孔含油軸承、銅基多孔含油軸承、鋁基多孔含油軸承機械零件機械零件鐵基機械零件、有色金屬機械零件鐵基機械零件、有色金屬機械零件多孔材料多孔材料過濾器、多孔電極、發(fā)汗材料、吸音材料、密封材料過濾器、多孔電極、發(fā)汗材料

8、、吸音材料、密封材料工具材料工具材料硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金WC-Co硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、WC-TiC-Co硬質(zhì)合金、碳化鈦基硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金、碳化鈦基硬質(zhì)合金超硬材料超硬材料立方氮化硼、金剛石立方氮化硼、金剛石陶瓷工具材料陶瓷工具材料粉末高速鋼粉末高速鋼磁性材料磁性材料和電工合金和電工合金磁性材料磁性材料軟磁材料、硬磁材料、高溫磁性材料、旋磁鐵氧體軟磁材料、硬磁材料、高溫磁性材料、旋磁鐵氧體電觸頭材料電觸頭材料金屬金屬-金屬觸頭、金屬金屬觸頭、金屬-石墨觸頭、金屬石墨觸頭、金屬-金屬氧化物觸頭金屬氧化物觸頭電熱材料電熱材料金屬電熱材料、難熔金屬化合物電熱材料金屬電熱材料、難熔金屬化合物電熱材料耐熱材

9、料耐熱材料粉末超合金粉末超合金粉末鎳基超合金、粉末鈷基超合金粉末鎳基超合金、粉末鈷基超合金難熔金屬及其合金難熔金屬及其合金金屬陶瓷金屬陶瓷氧化物基金屬陶瓷、碳化鈦基金屬陶瓷、高溫涂層氧化物基金屬陶瓷、碳化鈦基金屬陶瓷、高溫涂層彌散強化材料彌散強化材料氧化物、碳化物、硼化物、氮化物彌散強化材料氧化物、碳化物、硼化物、氮化物彌散強化材料纖維強化材料纖維強化材料粉末冶金材料的主要應用工業(yè)部門工業(yè)部門應用舉例應用舉例采礦采礦硬質(zhì)合金，金剛石硬質(zhì)合金，金剛石-金屬組合材料金屬組合材料機械加工機械加工硬質(zhì)合金，陶瓷刀具，粉末高速鋼硬質(zhì)合金，陶瓷刀具，粉末高速鋼汽車制造汽車制造機械零件，摩擦材料，多孔含油軸

10、承，過濾器機械零件，摩擦材料，多孔含油軸承，過濾器機車、機床制造機車、機床制造機械零件，多孔含油軸承機械零件，多孔含油軸承紡織機械、冶金礦山機械紡織機械、冶金礦山機械機械零件，多孔含油軸承機械零件，多孔含油軸承造船造船摩擦材料，油漆用鋁粉摩擦材料，油漆用鋁粉電機制造電機制造多孔含油軸承，銅多孔含油軸承，銅-石墨電刷石墨電刷精密儀器精密儀器儀表零件，軟磁材料，硬磁材料儀表零件，軟磁材料，硬磁材料電氣和電子工業(yè)電氣和電子工業(yè)電觸頭材料，真空電極材料電觸頭材料，真空電極材料無線電和電視無線電和電視磁性材料磁性材料計算機工業(yè)計算機工業(yè)記憶元件記憶元件化學工業(yè)化學工業(yè)過濾器，防腐零件，催化劑過濾器，防腐

11、零件，催化劑石油工業(yè)石油工業(yè)過濾器過濾器軍工軍工穿甲彈頭，軍械零件穿甲彈頭，軍械零件航空航空摩擦片，過濾器，防凍用多孔材料，粉末超合金摩擦片，過濾器，防凍用多孔材料，粉末超合金航天和火箭航天和火箭發(fā)汗材料，難熔金屬及合金，纖維強化材料發(fā)汗材料，難熔金屬及合金，纖維強化材料原子能工程原子能工程核燃料元件，反應堆結(jié)構(gòu)材料，控制材料核燃料元件，反應堆結(jié)構(gòu)材料，控制材料粉末冶金連桿油泵齒輪原子彈氫彈粉末冶金技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)進步的基礎(chǔ)核反應堆粉末冶金高溫合金渦輪盤：航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件粉末冶金高溫合金渦輪盤：航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件圖圖154 (俄俄)蘇蘇-27 (俄俄)波音波音737-800殲七殲擊機殲七殲

12、擊機航空制動用粉航空制動用粉末冶金材料末冶金材料日本新干線日本新干線法國法國TVG德國的德國的ICE最高時速達到最高時速達到574.8公里公里/小時小時l20092009年歐洲粉末冶金零件產(chǎn)量約為年歐洲粉末冶金零件產(chǎn)量約為1590001590000 0噸，其中鐵基零部噸，其中鐵基零部件占據(jù)主要部分。件占據(jù)主要部分。lEPMAEPMA主席主席Ingo CremerIngo Cremer指出：中國汽車進口量快速增長，拉動指出：中國汽車進口量快速增長，拉動了歐洲粉末冶金市場，免受經(jīng)濟危機更大的影響。了歐洲粉末冶金市場，免受經(jīng)濟危機更大的影響。 歐洲粉末冶金制品的主要用途(wt%)(來源：2010世界

13、粉末冶金大會)2007-2010年中國汽車進口量（來源：海關(guān)總署）年各區(qū)域粉末冶金發(fā)展特點各區(qū)域粉末冶金發(fā)展特點 北美鋼鐵粉末銷售量（噸） 北美銅及銅基粉末銷售量（噸） l北美地區(qū)的粉末冶金制品市場繼續(xù)保持增長。北美地區(qū)的粉末冶金制品市場繼續(xù)保持增長。20102010年鐵粉年鐵粉銷售量銷售量同比增長同比增長35%35%，達到了，達到了409159409159噸噸，銅和銅基粉總的，銅和銅基粉總的銷售量在銷售量在20102010增長增長約約80%80%，達到，達到1700017000噸。噸。（Michael E. Lutheran, president of MPIF at PowderMet20

14、11）噸噸年年亞洲粉末冶金制品的產(chǎn)量分布情況（來源：2010世界粉末冶金大會）中國、日本粉末冶金零件產(chǎn)量和銷售額（來源：JPMA）萬萬美美元元l中國、日本、韓國、印度占亞洲市場的中國、日本、韓國、印度占亞洲市場的8686。l20092009年和年和20102010年，中國的粉末冶金制品的產(chǎn)量超過日本，年，中國的粉末冶金制品的產(chǎn)量超過日本， 成為亞洲第一。但總銷售額只有日本的成為亞洲第一。但總銷售額只有日本的1/31/3，每公斤粉末冶，每公斤粉末冶金零件的價格約為日本的金零件的價格約為日本的1/51/5。年2.1 2.1 中國中國1997 1998 19992000 2001 20022003

15、2004 20052006 2007 20082009 2010 2011l1515年來中國硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量和出口量持續(xù)增長；年來中國硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量和出口量持續(xù)增長；l目前中國硬質(zhì)合金總產(chǎn)量占世界硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的目前中國硬質(zhì)合金總產(chǎn)量占世界硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的40%40%以上以上 單位：噸總產(chǎn)量總產(chǎn)量2 硬質(zhì)合金現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢硬質(zhì)合金現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1997 1998 19992000 2001 20022003 2004 20052006 2007 20082009 2010 2011l20112011年度中國硬質(zhì)合金出口量占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的年度中國硬質(zhì)合金出口量占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的20%20%單

16、位：噸出口量出口量近十五年中國硬質(zhì)合金工業(yè)銷售收入銷售收入銷售收入l我國硬質(zhì)合金產(chǎn)品在附加值與世界先進水平相比較大差距：我國硬質(zhì)合金產(chǎn)品在附加值與世界先進水平相比較大差距： 我國我國20201111年硬質(zhì)合金總銷售收入年硬質(zhì)合金總銷售收入150150億元，硬質(zhì)合金產(chǎn)量億元，硬質(zhì)合金產(chǎn)量2424000000噸；噸； SandvikSandvik公司公司20112011年硬質(zhì)合金及系列配套產(chǎn)品銷售收入近年硬質(zhì)合金及系列配套產(chǎn)品銷售收入近10001000億元。億元。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 我國附加值最高的切削刀片產(chǎn)量只有我國附加值最高的切削刀片產(chǎn)量只有 3000 余噸，只占余噸，只占 20%。高端硬質(zhì)合金

17、刀片刀具高端硬質(zhì)合金刀片刀具 90%依賴進口。因此，單從現(xiàn)有市場容量依賴進口。因此，單從現(xiàn)有市場容量來看，高端硬質(zhì)合金國產(chǎn)化實現(xiàn)進口替代空間巨大。此外，從將來看，高端硬質(zhì)合金國產(chǎn)化實現(xiàn)進口替代空間巨大。此外，從將來市場容量來看，我國已經(jīng)進入制造業(yè)升級階段，而且此次將高來市場容量來看，我國已經(jīng)進入制造業(yè)升級階段，而且此次將高端設備制造以及信息產(chǎn)業(yè)列入國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，這將極大端設備制造以及信息產(chǎn)業(yè)列入國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，這將極大的帶動硬質(zhì)合金刀片刀具、鉆頭等一系列需求，前景不可估量。的帶動硬質(zhì)合金刀片刀具、鉆頭等一系列需求，前景不可估量。高端應用高端應用 按照按照 Prismark 估計，

18、估計，2011 年我國年我國 PCB 產(chǎn)值規(guī)模達到產(chǎn)值規(guī)模達到 184.61 億美元，億美元，2013 年我國年我國 PCB 規(guī)模將達到規(guī)模將達到 228.2 億美元。億美元。而每銷售而每銷售 10 億美元億美元PCB 板，帶動鉆頭的消費在板，帶動鉆頭的消費在 0.25 億美元。億美元。2013 年我國年我國 230 億美元億美元 PCB 規(guī)模計算，規(guī)模計算，PCB 鉆頭的市場在鉆頭的市場在 5.75 億美元，折合人民幣約億美元，折合人民幣約 38 億元。億元。新型工具材料新型工具材料 金屬陶瓷、非金屬陶瓷和超硬工具材料盡管不屬于硬質(zhì)合金屬陶瓷、非金屬陶瓷和超硬工具材料盡管不屬于硬質(zhì)合金范疇，

19、但由于具有極其優(yōu)異的性能，尤其是在某些方面金范疇，但由于具有極其優(yōu)異的性能，尤其是在某些方面（如高速精加工）明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金，因此這些材料的發(fā)（如高速精加工）明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金，因此這些材料的發(fā)展將有利于硬質(zhì)合金工具材料的延伸，和鎢、鈷、鉭等重展將有利于硬質(zhì)合金工具材料的延伸，和鎢、鈷、鉭等重要戰(zhàn)略資源的合理使用。目前金屬陶瓷、非金屬陶瓷刀具要戰(zhàn)略資源的合理使用。目前金屬陶瓷、非金屬陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金剛石和金剛石涂層刀具等在國外已、立方氮化硼、聚晶金剛石和金剛石涂層刀具等在國外已經(jīng)得到快速發(fā)展和應用。研究正朝著超細納米結(jié)構(gòu)、晶須經(jīng)得到快速發(fā)展和應用。研究正朝著超細納米結(jié)構(gòu)、晶須（纖維）

20、增韌復合陶瓷等方面發(fā)展。據(jù)報導，日本金屬陶（纖維）增韌復合陶瓷等方面發(fā)展。據(jù)報導，日本金屬陶瓷刀具已占可轉(zhuǎn)位刀具的三分之一。陶瓷刀具材料不用鈷瓷刀具已占可轉(zhuǎn)位刀具的三分之一。陶瓷刀具材料不用鈷或少用鈷，這對鈷資源相對貧乏的我國，無疑也是應該加或少用鈷，這對鈷資源相對貧乏的我國，無疑也是應該加大力度研究開發(fā)的一個方向。大力度研究開發(fā)的一個方向。 Co分布硬度分布梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金30 瑞典山特維克鑿巖工具公司開發(fā)出鑿巖工具用功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金（DP合金），其耐磨性和韌性均明顯優(yōu)于標準硬質(zhì)合金。 存在問題：芯部含有相，在一定程度上影響的其韌性。 發(fā)展方向：芯部不含有相的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)

21、合金。 主要應用：已經(jīng)越來越多地應用于鑿巖工具、頂錘、涂層刀片基體。硬質(zhì)合金廢料回收及其高端應用 Sandvik公司是鎢精深加工技術(shù)與應用技術(shù)高度集成的國際公司是鎢精深加工技術(shù)與應用技術(shù)高度集成的國際典范，其實也是鎢回收資源高效利用的國際典范，目前該公司典范，其實也是鎢回收資源高效利用的國際典范，目前該公司大約大約40%的硬質(zhì)合金生產(chǎn)用鎢原料來源于鎢的回收資源，而眾的硬質(zhì)合金生產(chǎn)用鎢原料來源于鎢的回收資源，而眾所周知，所周知，Sandvik公司的刀片與刀具屬國際王牌產(chǎn)品，這說明公司的刀片與刀具屬國際王牌產(chǎn)品，這說明鎢回收資源原料同樣可實現(xiàn)其高值化利用。鎢回收資源原料同樣可實現(xiàn)其高值化利用。 趨

22、勢：趨勢：l 低能耗（高效）低能耗（高效）l 低污染（環(huán)境友好）低污染（環(huán)境友好）l高端應用（優(yōu)異的制品性能）高端應用（優(yōu)異的制品性能）頁巖氣開發(fā)是粉末冶金產(chǎn)業(yè)的新機遇頁巖氣開發(fā)是粉末冶金產(chǎn)業(yè)的新機遇l 2011年底，頁巖被正式批準為中國第年底，頁巖被正式批準為中國第172個獨立礦種；個獨立礦種；l 2012年全國兩會期間，溫家寶總理在政府工作報告中明年全國兩會期間，溫家寶總理在政府工作報告中明確提出確提出“加快頁巖氣勘查、開發(fā)攻關(guān)加快頁巖氣勘查、開發(fā)攻關(guān)”；l “十二五十二五”規(guī)劃也明確要求：規(guī)劃也明確要求：“推進頁巖氣等非常規(guī)油氣推進頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用資源開發(fā)利用”，提出，提出2015年達到年達到65億立方米的產(chǎn)量目億立方米的產(chǎn)量目標；標；l 根據(jù)國土資源部頁巖氣探礦權(quán)投標意向調(diào)查公告，這根據(jù)國土資源部頁巖氣探礦權(quán)投標意向調(diào)查公告，這一領(lǐng)域?qū)γ褓Y開放，可以預見