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铜在粉末冶金中应用的重要性分析

时间: 2011-07-16 21:01 来源: 作者: 点击:

近年来,粉末冶金学者更多关注具有“纳米”和“复合”特性的材料,而忽略了基础材料及其工艺在粉末冶金领域中不断扩大的作用。铜在粉末冶金领域中发挥了巨大的作用,将会继续促进其发展。本文主要阐述了铜粉在粉末冶金领域的应用及其工艺的发展,回顾了铜的发展历史、特性和应用。本文支持此观点:铜在粉末冶金的应用会持续增加,在热管理材料领域及传统的粉末冶金中,其应用前景看好。

   本文主要阐述了铜粉在粉末冶金领域的应用及其工艺的发展,回顾了铜的发展历史、特性和应用。笔者认为铜在粉末冶金的应用会持续增加,在热管理材料领域及传统的粉末冶金中,其应用前景看好。

铜在粉末冶金中的应用

    早在1万年前,铜作为独特金属就被发现和认识。起初它被用于珠宝和其它装饰品。天然的铜块或含铜矿石作为原料,加工非常简单,即原始冷加工。回溯到公元前8700年,就有用铜来做项链坠子。

    铜具有优良的导热和导电性能,以及良好的抗腐蚀和机械性能。铜容易被加工成复杂的形状和细丝。建筑师经常利用其亮红色和其被侵蚀后的铜绿,来作为建筑物、顶棚和户外装置的装饰。

    铜易与其它元素形成合金,大量用来制造异型的锻件、铸造件和粉末冶金产品。铜与镍形成合金具有抗海水腐蚀的优良性能。锡可以提高固溶体中铜的强度和抗腐蚀性能。锌和铜合金,即黄铜粉,被用于水管、锁件、阀门、管件。含有镍、锡、钛、铍及钴的铜合金强度相当于高强度钢,而且具有高的导电率和导热性能。铜及铜锌铝合金常被用于生产片状的金粉。通过调整锡镍成分,可以生成特定的颜色。

    在粉末冶金领域,用纯铜粉生产电子和导热零部件。含有锡、锌、镍、或者铁的铜合金被广泛用于汽车、草地公园设备、工具和电子工业。铜粉最多使用在自润滑轴承上,另外是Fe-Cu预混合,化学工业领域的渗析和摩擦材料部件。

   铜粉重要和特色的应用是粉末冶金领域。在此领域的材料不是通过熔炼和铸造得到的,例如:弥散强化Cu-Al2O3用来强化和制造焊接电极(用于汽车和其它工业领域),用于电子部件的热管理领域W-Cu和Mo-Cu,此类材料需要控制其孔隙率。自润滑轴承和过滤器是粉末冶金领域典型的应用。这些材料要求控制适当的孔隙率,以此含油量达到优良的润滑效果。

    铜粉末通过金属注射成型工艺可以制造成复杂形状的电气和电子部件,这种产品具有良好的导电性和导热性。我们可以使用高纯铜粉,通过提高零件的最终密度来提高导电性和热导率。注射成型工艺可以提高铜粉的致密度,产品的导电率和热导率随之提高。

粉末冶金产品

    铜粉末的首要应用是铜锡粉混合,来制造青铜件。在二十世纪二十年代早期,座落在美国新泽西州卡尔特莱特自治区的金属精练(USMR),开始生产电解铜粉。此工厂面积小,拥有大的阴极槽。在生产高峰期,粉末工厂每月铜粉大约455吨。在20世纪八十年代中期,熔炼和电解精炼企业被迫关闭,由于卡尔特莱特工厂关闭,尽管有些企业试图生产电解铜粉,美国再也没有电解铜粉产品生产。如今,电解铜粉产地有欧洲、日本、俄罗斯、印度和南韩。

    电解铜粉颗粒具有树枝状的特性,通过调整工艺松装密度小于1克/立方厘米,生坯强度大于35MP。通过调整沉降工艺和粉末的后处理,松装密度可以提高。

    在美国,通过水雾化和气雾化工艺加上氧化还原法可以生产铜粉,其形状为球形或不规则形状。雾化粉末的物理性质(比如:松装密度,流动性,颗粒尺寸及生坯强度)与工艺条件有关,比如:特定的添加剂,熔炼温度,雾化压力,还原温度和对粉末的后处理。通过氧化还原试的粉末中位径10微米,松装密度小于1.5克/立方厘米,生坯密度大于20MP。雾化后的粉末粒径和还原温度是决定粉末产品的关键因素。

    雾化并氧化还原粉末的性质与电解铜粉在应用上基本一样,应用方面例外的是需要树枝状的粉末和非常低的松装密度。

    加工自润滑铜锡基含油轴承(内部有孔隙)是粉末冶金独有的特性。此类轴承被烧结到一定的密度,孔隙含油率可以达到10~30%。此类轴承需要定期润滑,以确保在设备寿命周期内安全运行。1920年自润滑轴承首次用在别克汽车业。在其它工业的使用是相当大的,改变了家用设备的产业。自润滑轴承的制造大约消耗了铜粉产量的55%。

    Cu-Pb和Cu-Pb-Sn轴承用于汽车、涡轮、止推垫圈和工业设备上。钢背材料已经代替了铸造和锻造青铜轴承,粉末覆盖在钢基体上,通过烧结和轧制达到一定的致密度,最终产品的孔隙率小于0.25%。

    通过雾化生产黄铜粉和镍银合金粉,黄铜粉中锌含量在10%~30%,有时铅被加入来提高机械性能。其在锁件、仪表指针和驾驶装备上得到了应用。由于黄铜漂亮的颜色,其被用于装饰性的金属奖牌。重2.6千克的黄铜粉末冶金部件最近被用于机器人胳膊部位。烧结密度为7.7克/立方厘米的烧结件其拉伸强度达到193MPa,伸长率达到14%。大量的粉末冶金件表明了粉末冶金工艺对铜基材料的使用非常有潜力和创造性的。

    在2002年全世界铜粉末使用量估计在5.9~6.4万吨,北美使用量在2.2万吨,欧洲为1.8万吨,其它国家消耗量为4500吨。大约55%铜粉用于青铜件,13%同铁粉混合来生产粉末冶金部件,12%用于渗透烧结粉,10%用于黄铜,10%用于其它应用如:摩擦材料,化学,W-Cu和Mo-Cu重金属,涂层,油漆,糊剂和墨水。

    在北美及全世界粉末生产公司经过合并重组。20年前,北美主要有八家铜粉生产厂家,今天已经减到4个,可能会进一步萎缩。

目前发展

    粒径小于10微米的粉末适合于注射成形零件的生产。注射成形工艺可用于电气和电子工业生产复杂形状的部件,此种材料具有高的导电率和导热性。由于高纯材料的导电性与烧结密度相关,注射成形工艺可以使得部件的密度接近原始材料的密度,并且具有复杂的形状,提出了铜粉在热管理装置上的应用。除了电子产品中复杂全铜散热片和其它散热部件,文章还讨论了松散铜粉在电子部件冷却中的应用。Ullrich

    文章研究了获得高的导电率和导热性的必要条件。分析了电导率在90%以上的部件对原材料、挤压压力和烧结温度的要求。

    和铁粉增长一样,用于与铁粉预混合的铜粉期望会增加5%。铜粉增强了铁碳合金材料的性能,可以提高其密度、强度、抗疲劳性和机械性能。Engstrom(North America Hoganas)的论文讨论了在几种铁基粉末冶金件如何添加一定量的铜粉来提高其性能和微观结构。

    铜粉在导热设备和具有高的导电和导热粉末冶金部件的应用很少被开发。潜在的应用包括电气接触元件、短路器、电动部件(例如:滑动环、换向器和转子条)。已经被用于电动部件领域的散热片和热交换器,将会延伸到到电子冷却系统。用于导电和导热部件的铜粉将达到产品的15%~20%。

    铜粉随着铁粉混合物及熔渗剂使用的增加而增加,每年铜粉的消耗量达到约25%,铜锡粉末用于自润滑轴承,用于锁件和纺织件的黄铜件,青铜合金粉末全世界继续消耗占50%~60%。

    生产管道工业的弯头和其他零部件已经发展的相当成熟。由纯铜粉制造这样部件的经济问题应该再次被回顾。

    由于铜粉漂亮的颜色以及对大气抗腐蚀的优良性能,铜粉大量用于装饰性的目的,例如:家具、建筑物外层、墙和屋面材料。铜粉末冶金件在这样领域的应用也应得到考虑。现在,由铜粉和铜基合金粉末制造的比较高的压力和比较大的部件已经能被用于此领域。

    许多锻造和铸造的铜及铜合金件需要机械加工。铅经常被加入此类产品中以增强铜的切削性能。铅合金轴承部件的处理正变得是个问题,许多国家正施加压力减少铅的含量。粉末冶金件几乎不需要切削加工,因此利用其固有制造工艺,用来代替许多含铅的锻铸造件。这些部件会涉及熔丝架、焊接电极、阀门、扣件和传输件。

    铜粉前途是光明的。传统的应用,如:自润滑轴承、预混合粉、熔渗剂、黄铜和青铜合金、以及摩擦材料继续扮演着重要的角色,是铜粉消耗的主要领域。铜粉在导热和导电领域的应用将继续增长,这会扩大铜粉的使用。大部分粉末冶金工艺在生产高密度、高热导率部件方面是可行的,新的粉末冶金技术需要被人们认知和开发

    利用粉末冶金工艺,生产卫生洁具、高速切削粉末冶金合金件及装饰性部件需要被开发,只有由铜粉做成的部件可以满足其特性。





 

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