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粉末冶金原理与应用
贺文雄
材料与人类文明
材料是现代文明的支柱
材料是人类生存的基础（ Basis)材料是人类发展的标志 (Mark)材料是科技创新的先导 (Lead)
商 西周
半坡
德里铁柱 德里铁柱
材料制备方法
IM(Ingot Metallurgy) 熔铸法
熔 (melting) 、炼 (refining) 、铸 (casting)
铸件 (castings) → 机加工(machining)→ 零件
铸坯 (ingots)→ 塑性成形 (plastic forming)
热处理 (heat treatment)→ 机加工机零件
PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法
制粉 (powder making)→ 压型 (pressing)→ 烧结(sintering)
SF(Spray Forming) 喷射成型法
材料成型方法
铸造 (pour-casting, die-casting)
例如：汽车轮毂（ Al 、 Zn ）、活塞（ Al ）、手机外壳（ Mg ）等
塑性成形 (plastic forming)
挤压 (extrusion) 、轧制 (rolling) 、拉拔(drawing) 、
冲压 (punching) 、锻造 (forging)焊接（ welding)切削 (cutting)粉末成型 (powder forming)复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）
粉末冶金定义：粉末冶金定义：
制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工
艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的
制品的技术科学。
多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金
、材料制备、压力加工、热工、机械、自动控制等
学科技术。
最大可制造： 3吨的制件（热等静压）；
最小：零点零几克（～ 0.01克）；
制品最小厚度：可达 15～ 20µm
第一章 粉末冶金概论
粉末冶金工艺过程原料粉末 其他添加剂
混合
松装烧结
（石膏模）
粉末浇注
模压成形
预烧结烧结
二次模压
二次烧结整形
高温烧结
锻造
拉丝
烧结
锻
造
轧
制
挤
压
冷等静压
轧
制
挤
压
烧
结
热
压
热
挤
压
热等静压
后续处理（选择）：浸渍热处理 电镀 机械加工
粉末冶金材料、制品
粉末冶金一般
工艺 :
1）制粉
2）粉末预处理
3）成形
4）烧结
5）烧结后处理
典型的粉末冶金生产过程
粉末冶金生产工艺
粉末冶金发展简史
•约 3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器
；
• 3 “ ”世纪，印度人用同样方法制得 德里柱 ，重达 6.5
吨；
• 19世纪出现 Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺；
• 现代粉末冶金从 1909年， W.D. Coolidge 的电灯钨
丝问世开始。
现代粉末冶金发展的三个重要标志：现代粉末冶金发展的三个重要标志：
• 1909年制造电灯钨丝的技术成功（ W粉成形、烧结、锻打
、拉丝）； 1923年硬质合金研制成功。
• 20世纪 30年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零
件
• 向新材料、新工艺发展： 20世纪 40年代，金属陶瓷、弥
散强化材料（如烧结铝）； 60年代末～ 70年代初，粉末高
速钢、粉末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。
粉末冶金材料和制品 出现年代
钨 1909
难熔碳化物 1900 ～ 1914
电触头材料 1917 ～ 1920
WC-Co 硬质合金 1923 ～ 1925
烧结摩擦材料 1929
多孔青铜轴承 1921 ～ 1930
WC-TiC-Co 硬质合金 1929 ～ 1932
烧结磁铁 1936
多孔铁轴承 1936
机械零件、合金钢机械零件 1936 ～ 1946
烧结铝 1946
金属陶瓷（ TiC-Ni ） 1949
钢结硬质合金 1957
粉末高速钢 1968
粉末冶金特点
1．优点（ 1）可生产普通熔铸法难于生产的材料
① 多孔材料（孔隙度可控）；
② 假合金（如 Cu-W）；
③ 复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强
化材料、纤维强化材料；
④ 特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；
某些 P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越
① 避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大
幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。
② 钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大
、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。
（ 3）对制品成型有明显优势
① 是一种少切削、无切削工艺（近净成型 near
net-shape）；
② 可大批量生产同一零件；
③ 形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零
件）的制造公差窄；
④ 不需或可简化机械的精加工作业；
⑤ 节能、省材；
⑥ 可制造自润滑材料。
2．缺点
① 粉末成本高；
② 形状、尺寸受到一定限制；
③ 成形模具较贵；一般要生产量在 5000～ 10000
个 /批，才经济。
④ 烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复
烧改善）。
与其他成型工艺比较1．和熔铸技术比较
粉末冶金优势：
① 粉末冶金制件表面光洁度高；
② 制造的尺寸公差很窄，尺寸精
确；
③ 合金化与制取复合材料的可能
性大
④ 组织均一（无偏聚、砂眼、缩
孔）、力学性能可靠；
⑤ 在经济上，粉末冶金工艺能耗
小。
铸造优势：
① 形状不受限制；（
粉末冶金注射成形形状
也不受限制，但只能生
产小制件）
② 适于制造大型零件
；
③ 零件生产批量小时
，经济；
④ 一般说来，工、模
具费用低。
2．和热模锻技术比较
粉末冶金优势：
① 粉末冶金制件精度比精锻
高；
② 粉末锻造节省材料、重量
控制精确、可无非边锻造，也
能制造形状较复杂制件；
③ 粉末锻造只需一副成形模
具和一副锻模；热锻需两副以
上锻模、一副修边模。
热模锻优势：
① 可制造大型零件；
② 锻件力学性能比烧结
粉末冶金零件高，但与粉
末锻造件相当；
③ 可制造形状复杂程度
较高的制品。
粉末冶金技术的新发展（ 1）与其他技术交叉产生新技术
注射成形，粉末挤压，流延成形， 直接凝固注模，
粉末轧制，爆炸成型，喷射成形，烧结热等静压，微波烧结，
……放电等离子体烧结，激光烧结
（ 2）向计算机控制集成自动化方向发展
（ 3）粉末冶金近净成形技术（ near net-shape）发展
如，注射成形，粉末挤压等
（ 4）粉末冶金快速成形技术发展
如，选择性激光烧结，喷射成形等
（ 5）用于各种新材料及其成形加工
如，纳米材料及其成形工艺，新型复合材料，新型功
能材料。
粉末冶金的应用• 机械材料和零件：结构零件、减摩材料、摩擦材料• 多孔材料及制品：金属过滤器、泡沫金属等• 硬质工具材料：硬质合金、复合工具材料等• 电接触材料：电触头合金、电刷材料等• 粉末磁性材料：烧结软 / 硬磁体等• 耐热材料：难溶金属及其合金、高温合金、氧化物弥散强化材料、金属陶瓷等• 原子能工程材料：核燃料、屏蔽材料等
铜基含油轴承 ( 套 )
铁基摩擦材料 - 坦克、装甲车辆制动片
铁基结构零件 - 真空泵转子
金刚石制品 - - 锯片
粉末冶金产品
缝纫机配件吸尘器配件
气泵配件 按摩器配件
自行车配件
粉末冶金产品
汽车零部件
粉末冶金产品
粉末冶金产品
粉末锻件
(a)
(b)
热等静压制品
金属注射成型制品
硬质合金钻头、棒
硬质合金轧辊等
金属切削刀片
硬质合金、 CBN、金属陶瓷
金刚石、 CBN制品
钨基高密度合金
Nd-Fe-B、 Sm-Co、铁氧体永磁
软磁铁氧体
精细陶瓷制品
PTC
压敏
