一、粉末成形概论
粉末成形法与金属的熔炼法、铸造方法有根本的不同。其工艺过程包括粉末原料的制取、成形和烧结几个主要工序。目前，粉末合金制品越来越多地取代了传统的金属制品。其优越性主要表现为：能够制造用传统成形方法无法获得的材料和制品；制得的材料具有高强度和优异的特种性能；高的经济效益。表6-3-1给出了几种成形及加工方法经济性的比较。由表可见，粉末冶金制品的材料利用率最高，而单位重量的能耗又最低。 表6-3-1几种成形、加工方法经济性比较
方法材料利用率（%）单位能耗/（J/kg）
铸造9030～38
粉末冶金9529
冷锻8541
热锻75～8046～49
机械加工40～5066～82典型的粉末冶金工艺过程是：原料粉末的制备；粉末物料在压模中加压成形，得到一定形状和尺寸的压坯；压坯在一定的温度下加热烧结，使制品获得最终的物理机械性能。现代粉末冶金工艺的发展已经远远超出此范畴而日趋多样化，如同时实现粉末压制和烧结的热压及热等静压法；粉末轧制；粉末锻造；多孔烧结制品的浸渍处理、熔渗处理；精整或少量切削加工处理；热处理等。粉末冶金工艺流程如图6-3-1所示。
制取粉末合金的第一步就是制备原材料粉末。一般需要多种粉末混合，为保证压坯质量，还需要合适的粗细粒度搭配。另一方面，为了获得优异的力学性能，粉料的平均粒度越小越好。除此之外，粉料在成形之前还需进行诸如退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂这样一些预处理；第二步就是成形过程，成形分为模压成形和特殊成形两大类。模压成形就是将预处理良好的粉末按一定体积或重量装入精密模具，用压力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。由于粉末之间、粉末与模壁之间存在有摩擦，故压力分布是不均匀的，这就使得压坯的尺寸不能太大，形状亦不能很复杂。为此，人们又开发出了多种特殊成形的方法。如等静压成形、滚压成形、高
图6-3-1粉末冶金工艺流程
能高速成形、无压成形、注浆成形和挤压成形等。当然，模压成形目前仍占主导地位；第三步为烧结过程，成形后的粉末毛坯还不具备应有的物理、力学性能，必须在适当的温度和气氛中加热、保温、
使其发生一系列的物理和化学变化，使粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚集体，以达到所需的物理、力学性能，成为可用的制品或材料。烧结对最终产品的性能起决定性的作用，是整个生产或材料制备过程中最重要的工序。烧结温度一般约为主成分熔点的2/3。烧结时还需要用氢气等还原气体，或氮气、氩气等惰性气体保护，有时还可能直接在真空中烧结。
粉末冶金工艺能够生产许多用其它方法所不能生产的材料和制品。近年来，粉末冶金材料应用很广。在普通机器制造业中常用作减摩材料、结构材料、摩擦材料及硬质合金等。在其它工业部门中，用以制造难熔金属材料（如高温合金、钨丝等）、特殊电磁性能材料（如电器触头、硬磁材料、软磁材料等）、过滤材料（如空气的过滤、水的净化、液体燃料和润滑油的过滤等）。
粉末冶金法既是制取具有特殊性能的金属材料的方法，也是一种精密的无切屑或少切屑的加工方法。它可使压制品达到或非常接近于零件要求的形状、尺寸精度与表面粗糙度，使生产率和材料利用率大为提高，具有突出的经济效益。目前采用粉末冶金工艺可以制造板、带、棒、管、丝等各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重量仅白分之几克的小制品，也可以用热等静压法制造近两吨重的大型坯料。对粉末冶金工艺的研究已成为当今世界各工业发达国家都十分重视的课题。
综上所述，粉末冶金成形工艺既是制造具有特殊性能材料的技术，又是一种能
降低成本、大批量制造机械零件的无切削、少切削加工工艺。但由于压制设备吨位及模具制造的限制，目前，粉末冶金法还只能生产尺寸有限和形状不很复杂的工件。此外，粉末冶金制品的机械性能仍低于铸件与锻件。
二、粉末的制取
1．粉末的制取
可以这样说，任何材料成形工艺的成败，都取决于原材料的质量。粉末冶金的生产工艺是从制取原材料（粉末）开始的。这些粉末可以是纯金属，也可以是非金属，还可以是化合物。在某些情况下，粉末原料的质量甚至决定了粉末合金的品质。目前，纳米粉末的获得，使人类发现，纳米粉末合金的性能有飞跃性的提高。有人甚至发出感慨：21世纪是纳米材料的世纪。可以见得，粉末制备技术的革新，将会带来材料的革命。
高质量的原料粉末，往往应该具备的重要特征是：①粒度分布范围合理，平均粒径小；②颗粒外形圆整；③颗粒聚集、抱团倾向小，凝聚强度低；④化学纯度和化学组成均匀性易于控制。金属粉末的制取方法可以分成三类：物理方法、化学方法和机械方法。机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。物理法、化学法则是借助物理的或化学的作用，改变原材料的聚集状态或化学成分而获得粉末的工艺过程。表6-3-2为制取粉末的一些方法。在粉末冶金生产实践中，
机械法和物理、化学法之间并没有明显的界限，而是相互补充。例如，可使用机械法去研磨化学还原法所制得的成块海绵状金属；应用还原退火法可将涡旋研磨或雾化所得粉末消除应力、脱碳以及减少氧化物。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法、电解法和机械法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。
表6-3-2粉末生产方法
（1）还原法采用化学还原反应从金属氧化物或盐类制得金属粉末的方法就
是化学还原法，简称为还原法。这是应用最广的一种金属粉末制造方法，铁、镍、钴、铜、钨、钼等的粉末都可用这种方法制造。
还原法是用多种方法还原各种金属化合物，以制造金属粉末的一种方法，一般是指使金属氧化物或氧化物矿石在高温下与还原剂反应的方法。制得的粉末呈多面体形，为海绵状，成形性和烧结性好。粉末的粒度可凭借原料的粒度和还原条件任意调整，易制得均质的粉末。但是，在粉末制造中缺少必要的精制处理时，在铁粉等中往往包含有未被还原的氧化物。
在还原粉中生产量最大的是铁粉，目前铁粉大部分由还原法生产。
一般化学还原反应式为
MeO+X=Me+XO
式中Me，MeO——金属和金属氧化物；
X，XO——还原剂和还原剂的氧化物。
根据热力学原理，固体碳有较强的还原多种金属氧化物的能力。工业上生产铁粉就是采用碳还原法来进行的。图6-3-2为海绵铁粉末生产的流程图。生产时，将粉碎后的磁铁精矿粉与石灰石、无烟煤粉均匀混合。石灰石主要用于脱硫，因为焦炭中难免混入大量的硫。然后在1200℃左右入窑进行还原反应。待反应完成后，将海绵铁饼、残余焦炭和灰分离，并粉碎海绵铁饼，随后将粉碎后得到的铁粉在氢气气氛下退火，一方面，进一步减少氧和碳的含量；另一方面，还可去除粉碎时粉粒的加工硬化。最后，通过筛分便制得了所需要的铁粉。
图6-3-2采用铁矿石还原海绵铁粉末的生产流程
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