近年來,粉末冶金學者更多關注具有“納米”和“復合”特性的材料,而忽略了基礎材料及其工藝在粉末冶金領域中不斷擴大的作用。銅在粉末冶金領域中發揮了巨大的作用,將會繼續促進其發展。本文主要闡述了銅粉在粉末冶金領域的應用及其工藝的發展,回顧了銅的發展歷史、特性和應用。

  銅在粉末冶金中的應用

  早在1萬年前,銅作為獨特金屬就被發現和認識。起初它被用于珠寶和其它裝飾品。天然的銅塊或含銅礦石作為原料,加工非常簡單,即原始冷加工。回溯到公元前8700年,就有用銅來做項鏈墜子。

  銅具有優良的導熱和導電性能,以及良好的抗腐蝕和機械性能。銅容易被加工成復雜的形狀和細絲。建筑師經常利用其亮紅色和其被侵蝕后的銅綠,來作為建筑物、頂棚和戶外裝置的裝飾。

  銅易與其它元素形成合金,大量用來制造異型的鍛件、鑄造件和粉末冶金產品。銅與鎳形成合金具有抗海水腐蝕的優良性能。錫可以提高固溶體中銅的強度和抗腐蝕性能。鋅和銅合金,即黃銅粉,被用于水管、鎖件、閥門、管件。含有鎳、錫、鈦、鈹及鈷的銅合金強度相當于高強度鋼,而且具有高的導電率和導熱性能。銅及銅鋅鋁合金常被用于生產片狀的金粉。通過調整錫鎳成分,可以生成特定的顏色。

  在粉末冶金領域,用純銅粉生產電子和導熱零部件。含有錫、鋅、鎳、或者鐵的銅合金被廣泛用于汽車、草地公園設備、工具和電子工業。銅粉最多使用在自潤滑軸承上,另外是Fe-Cu預混合,化學工業領域的滲析和摩擦材料部件。

  銅粉重要和特色的應用是粉末冶金領域。在此領域的材料不是通過熔煉和鑄造得到的,例如:彌散強化Cu-Al2O3用來強化和制造焊接電極(用于汽車和其它工業領域),用于電子部件的熱管理領域W-Cu和Mo-Cu,此類材料需要控制其孔隙率。自潤滑軸承和過濾器是粉末冶金領域典型的應用。這些材料要求控制適當的孔隙率,以此含油量達到優良的潤滑效果。

  銅粉末通過金屬注射成型工藝可以制造成復雜形狀的電氣和電子部件,這種產品具有良好的導電性和導熱性。我們可以使用高純銅粉,通過提高零件的最終密度來提高導電性和熱導率。注射成型工藝可以提高銅粉的致密度,產品的導電率和熱導率隨之提高。

  粉末冶金產品

  銅粉末的首要應用是銅錫粉混合,來制造青銅件。在二十世紀二十年代早期,座落在美國新澤西州卡爾特萊特自治區的金屬精練(USMR),開始生產電解銅粉。此工廠面積小,擁有大的陰極槽。在生產高峰期,粉末工廠每月銅粉大約455噸。在20世紀八十年代中期,熔煉和電解精煉企業被迫關閉,由于卡爾特萊特工廠關閉,盡管有些企業試圖生產電解銅粉,美國再也沒有電解銅粉產品生產。如今,電解銅粉產地有歐洲、日本、俄羅斯、印度和南韓。

  電解銅粉顆粒具有樹枝狀的特性,通過調整工藝松裝密度小于1克/立方厘米,生坯強度大于35MP。通過調整沉降工藝和粉末的后處理,松裝密度可以提高。

  在美國,通過水霧化和氣霧化工藝加上氧化還原法可以生產銅粉,其形狀為球形或不規則形狀。霧化粉末的物理性質(比如:松裝密度,流動性,顆粒尺寸及生坯強度)與工藝條件有關,比如:特定的添加劑,熔煉溫度,霧化壓力,還原溫度和對粉末的后處理。通過氧化還原試的粉末中位徑10微米,松裝密度小于1.5克/立方厘米,生坯密度大于20MP。霧化后的粉末粒徑和還原溫度是決定粉末產品的關鍵因素。

  霧化并氧化還原粉末的性質與電解銅粉在應用上基本一樣,應用方面例外的是需要樹枝狀的粉末和非常低的松裝密度。

  加工自潤滑銅錫基含油軸承(內部有孔隙)是粉末冶金獨有的特性。此類軸承被燒結到一定的密度,孔隙含油率可以達到10~30%。此類軸承需要定期潤滑,以確保在設備壽命周期內安全運行。1920年自潤滑軸承首次用在別克汽車業。在其它工業的使用是相當大的,改變了家用設備的產業。自潤滑軸承的制造大約消耗了銅粉產量的55%。

  Cu-Pb和Cu-Pb-Sn軸承用于汽車、渦輪、止推墊圈和工業泵設備上。鋼背材料已經代替了鑄造和鍛造青銅軸承,粉末覆蓋在鋼基體上,通過燒結和軋制達到一定的致密度,最終產品的孔隙率小于0.25%。

  通過霧化生產黃銅粉和鎳銀合金粉,黃銅粉中鋅含量在10%~30%,有時鉛被加入來提高機械性能。其在鎖件、儀表指針和駕駛裝備上得到了應用。由于黃銅漂亮的顏色,其被用于裝飾性的金屬獎牌。重2.6千克的黃銅粉末冶金部件最近被用于機器人胳膊部位。燒結密度為7.7克/立方厘米的燒結件其拉伸強度達到193MPa,伸長率達到14%。大量的粉末冶金件表明了粉末冶金工藝對銅基材料的使用非常有潛力和創造性的。

  在2002年全世界銅粉末使用量估計在5.9~6.4萬噸,北美使用量在2.2萬噸,歐洲為1.8萬噸,其它國家消耗量為4500噸。大約55%銅粉用于青銅件,13%同鐵粉混合來生產粉末冶金部件,12%用于滲透燒結粉,10%用于黃銅,10%用于其它應用如:摩擦材料,化學,W-Cu和Mo-Cu重金屬,涂層,油漆,糊劑和墨水。

  在北美及全世界粉末生產公司經過合并重組。20年前,北美主要有八家銅粉生產廠家,今天已經減到4個,可能會進一步萎縮。

  目前發展

  粒徑小于10微米的粉末適合于注射成形零件的生產。注射成形工藝可用于電氣和電子工業生產復雜形狀的部件,此種材料具有高的導電率和導熱性。由于高純材料的導電性與燒結密度相關,注射成形工藝可以使得部件的密度接近原始材料的密度,并且具有復雜的形狀,提出了銅粉在熱管理裝置上的應用。除了電子產品中復雜全銅散熱片和其它散熱部件,文章還討論了松散銅粉在電子部件冷卻中的應用。

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