粉末冶金中铜的使用

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。

　　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、止推垫圈和工业泵设备上。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。