本文主要闡述了銅粉在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用及其工藝的發(fā)展，回顧了銅的發(fā)展歷史、特性和應(yīng)用。筆者認(rèn)為銅在粉末冶金的應(yīng)用會(huì)持續(xù)增加，在熱管理材料領(lǐng)域及傳統(tǒng)的粉末冶金中，其應(yīng)用前景看好。在MIM領(lǐng)域，已有多家公司成功開(kāi)發(fā)出銅類(lèi)產(chǎn)品并得到推廣應(yīng)用。
近年來(lái)，粉末冶金學(xué)者更多關(guān)注具有“納米”和“復(fù)合”特性的材料，而忽略了基礎(chǔ)材料及其工藝在粉末冶金領(lǐng)域中不斷擴(kuò)大的作用。銅在粉末冶金領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用，將會(huì)繼續(xù)促進(jìn)其發(fā)展。本文主要闡述了銅粉在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用及其工藝的發(fā)展，回顧了銅的發(fā)展歷史、特性和應(yīng)用。本文支持此觀(guān)點(diǎn)：銅在粉末冶金的應(yīng)用會(huì)持續(xù)增加，在熱管理材料領(lǐng)域及傳統(tǒng)的粉末冶金中，其應(yīng)用前景看好。
銅在粉末冶金及MIM領(lǐng)域中的應(yīng)用
早在1萬(wàn)年前，銅作為獨(dú)特金屬就被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。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(jiǎn)單，即原始冷加工?；厮莸焦?700年，就有用銅來(lái)做項(xiàng)鏈墜子。
銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，以及良好的抗腐蝕和機(jī)械性能。銅容易被加工成復(fù)雜的形狀和細(xì)絲。建筑師經(jīng)常利用其亮紅色和其被侵蝕后的銅綠，來(lái)作為建筑物、頂棚和戶(hù)外裝置的裝飾。
銅易與其它元素形成合金，大量用來(lái)制造異型的鍛件、鑄造件和粉末冶金產(chǎn)品。銅與鎳形成合金具有抗海水腐蝕的優(yōu)良性能。錫可以提高固溶體中銅的強(qiáng)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(mén)、管件。含有鎳、錫、鈦、鈹及鈷的銅合金強(qiáng)度相當(dāng)于高強(qiáng)度鋼，而且具有高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性能。銅及銅鋅鋁合金常被用于生產(chǎn)片狀的金粉。通過(guò)調(diào)整錫鎳成分，可以生成特定的顏色。
在粉末冶金領(lǐng)域，用純銅粉生產(chǎn)電子和導(dǎo)熱零部件。含有錫、鋅、鎳、或者鐵的銅合金被廣泛用于汽車(chē)、草地公園設(shè)備、工具和電子工業(yè)。銅粉最多使用在自潤(rùn)滑軸承上，另外是Fe-Cu預(yù)混合，化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的滲析和摩擦材料部件。
銅粉重要和特色的應(yīng)用是粉末冶金領(lǐng)域。在此領(lǐng)域的材料不是通過(guò)熔煉和鑄造得到的，例如：彌散強(qiáng)化Cu-Al2O3用來(lái)強(qiáng)化和制造焊接電極（用于汽車(chē)和其它工業(yè)領(lǐng)域），用于電子部件的熱管理領(lǐng)域W-Cu和Mo-Cu，此類(lèi)材料需要控制其孔隙率。自潤(rùn)滑軸承和過(guò)濾器是粉末冶金領(lǐng)域典型的應(yīng)用。這些材料要求控制適當(dāng)?shù)目紫堵?，以此含油量達(dá)到優(yōu)良的潤(rùn)滑效果。
銅粉末通過(guò)金屬注射成型工藝可以制造成復(fù)雜形狀的電氣和電子部件，這種產(chǎn)品具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。我們可以使用高純銅粉，通過(guò)提高零件的最終密度來(lái)提高導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率。注射成型工藝可以提高銅粉的致密度，產(chǎn)品的導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率隨之提高。
粉末冶金產(chǎn)品
銅粉末的首要應(yīng)用是銅錫粉混合，來(lái)制造青銅件。在二十世紀(jì)二十年代早期，座落在美國(guó)新澤西州卡爾特萊特自治區(qū)的金屬精練（USMR），開(kāi)始生產(chǎn)電解銅粉。此工廠(chǎng)面積小，擁有大的陰極槽。在生產(chǎn)高峰期，粉末工廠(chǎng)每月銅粉大約455噸。在20世紀(jì)八十年代中期，熔煉和電解精煉企業(yè)被迫關(guān)閉，由于卡爾特萊特工廠(chǎng)關(guān)閉，盡管有些企業(yè)試圖生產(chǎn)電解銅粉，美國(guó)再也沒(méi)有電解銅粉產(chǎn)品生產(chǎn)。如今，電解銅粉產(chǎn)地有歐洲、日本、俄羅斯、印度和南韓。
電解銅粉顆粒具有樹(shù)枝狀的特性，通過(guò)調(diào)整工藝松裝密度小于1克/立方厘米，生坯強(qiáng)度大于35MP。通過(guò)調(diào)整沉降工藝和粉末的后處理，松裝密度可以提高。
在美國(guó)，通過(guò)水霧化和氣霧化工藝加上氧化還原法可以生產(chǎn)銅粉，其形狀為球形或不規(guī)則形狀。霧化粉末的物理性質(zhì)（比如：松裝密度，流動(dòng)性，顆粒尺寸及生坯強(qiáng)度）與工藝條件有關(guān)，比如：特定的添加劑，熔煉溫度，霧化壓力，還原溫度和對(duì)粉末的后處理。通過(guò)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(chǎn)品的關(guān)鍵因素。
霧化并氧化還原粉末的性質(zhì)與電解銅粉在應(yīng)用上基本一樣，應(yīng)用方面例外的是需要樹(shù)枝狀的粉末和非常低的松裝密度。
加工自潤(rùn)滑銅錫基含油軸承（內(nèi)部有孔隙）是粉末冶金獨(dú)有的特性。此類(lèi)軸承被燒結(jié)到一定的密度，孔隙含油率可以達(dá)到10～30%。此類(lèi)軸承需要定期潤(rùn)滑，以確保在設(shè)備壽命周期內(nèi)安全運(yùn)行。1920年自潤(rùn)滑軸承首次用在別克汽車(chē)業(yè)。在其它工業(yè)的使用是相當(dāng)大的，改變了家用設(shè)備的產(chǎn)業(yè)。自潤(rùn)滑軸承的制造大約消耗了銅粉產(chǎn)量的55%。
Cu-Pb和Cu-Pb-Sn軸承用于汽車(chē)、渦輪、止推墊圈和工業(yè)泵設(shè)備上。鋼背材料已經(jīng)代替了鑄造和鍛造青銅軸承，粉末覆蓋在鋼基體上，通過(guò)燒結(jié)和軋制達(dá)到一定的致密度，最終產(chǎn)品的孔隙率小于0.25%。
通過(guò)霧化生產(chǎn)黃銅粉和鎳銀合金粉，黃銅粉中鋅含量在10%～30%，有時(shí)鉛被加入來(lái)提高機(jī)械性能。其在鎖件、儀表指針和駕駛裝備上得到了應(yīng)用。由于黃銅漂亮的顏色，其被用于裝飾性的金屬獎(jiǎng)牌。重2.6千克的黃銅粉末冶金部件最近被用于機(jī)器人胳膊部位。燒結(jié)密度為7.7克/立方厘米的燒結(jié)件其拉伸強(qiáng)度達(dá)到193MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到14%。大量的粉末冶金件表明了粉末冶金工藝對(duì)銅基材料的使用非常有潛力和創(chuàng)造性的。
市場(chǎng)大小
在2002年全世界銅粉末使用量估計(jì)在5.9～6.4萬(wàn)噸，北美使用量在2.2萬(wàn)噸，歐洲為1.8萬(wàn)噸，其它國(guó)家消耗量為4500噸。大約55%銅粉用于青銅件，13%同鐵粉混合來(lái)生產(chǎn)粉末冶金部件，12%用于滲透燒結(jié)粉，10%用于黃銅，10%用于其它應(yīng)用如：摩擦材料，化學(xué)，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(chǎn)公司經(jīng)過(guò)合并重組。20年前，北美主要有八家銅粉生產(chǎn)廠(chǎng)家，今天已經(jīng)減到4個(gè)，可能會(huì)進(jìn)一步萎縮。
目前發(fā)展
粒徑小于10微米的粉末適合于注射成形零件的生產(chǎn)。注射成形工藝可用于電氣和電子工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件，此種材料具有高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性。由于高純材料的導(dǎo)電性與燒結(jié)密度相關(guān)，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(fù)雜的形狀。
Shropshire和Klatt（American Chenet Corporation），Lin（National Taiwan University）,Chan(Far East College, Taiwan)提出了銅粉在熱管理裝置上的應(yīng)用。除了電子產(chǎn)品中復(fù)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(yīng)用。Ullrich（ACu Powder International）文章研究了獲得高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性的必要條件。分析了電導(dǎo)率在90%以上的部件對(duì)原材料、擠壓壓力和燒結(jié)溫度的要求。
和鐵粉增長(zhǎng)一樣，用于與鐵粉預(yù)混合的銅粉期望會(huì)增加5%。銅粉增強(qiáng)了鐵碳合金材料的性能，可以提高其密度、強(qiáng)度、抗疲勞性和機(jī)械性能。Engstrom（North America Hoganas）的論文討論了在幾種鐵基粉末冶金件如何添加一定量的銅粉來(lái)提高其性能和微觀(guān)結(jié)構(gòu)。
將來(lái)的增長(zhǎng)
銅粉在導(dǎo)熱設(shè)備和具有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱粉末冶金部件的應(yīng)用很少被開(kāi)發(fā)。潛在的應(yīng)用包括電氣接觸元件、短路器、電動(dòng)部件（例如：滑動(dòng)環(huán)、換向器和轉(zhuǎn)子條）。已經(jīng)被用于電動(dòng)部件領(lǐng)域的散熱片和熱交換器，將會(huì)延伸到到電子冷卻系統(tǒng)。用于導(dǎo)電和導(dǎo)熱部件的銅粉將達(dá)到產(chǎn)品的15%～20%。
銅粉隨著鐵粉混合物及熔滲劑使用的增加而增加，每年銅粉的消耗量達(dá)到約25%，銅錫粉末用于自潤(rùn)滑軸承，用于鎖件和紡織件的黃銅件，青銅合金粉末全世界繼續(xù)消耗占50%～60%。
生產(chǎn)管道工業(yè)的彎頭和其他零部件已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。由純銅粉制造這樣部件的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題應(yīng)該再次被回顧。
由于銅粉漂亮的顏色以及對(duì)大氣抗腐蝕的優(yōu)良性能，銅粉大量用于裝飾性的目的，例如：家具、建筑物外層、墻和屋面材料。銅粉末冶金件在這樣領(lǐng)域的應(yīng)用也應(yīng)得到考慮?，F(xiàn)在，由銅粉和銅基合金粉末制造的比較高的壓力和比較大的部件已經(jīng)能被用于此領(lǐng)域。
許多鍛造和鑄造的銅及銅合金件需要機(jī)械加工。鉛經(jīng)常被加入此類(lèi)產(chǎn)品中以增強(qiáng)銅的切削性能。鉛合金軸承部件的處理正變得是個(gè)問(wèn)題，許多國(guó)家正施加壓力減少鉛的含量。粉末冶金件幾乎不需要切削加工，因此利用其固有制造工藝，用來(lái)代替許多含鉛的鍛鑄造件。這些部件會(huì)涉及熔絲架、焊接電極、閥門(mén)、扣件和傳輸件。
結(jié) 論
銅粉前途是光明的。傳統(tǒng)的應(yīng)用，如：自潤(rùn)滑軸承、預(yù)混合粉、熔滲劑、黃銅和青銅合金、以及摩擦材料繼續(xù)扮演著重要的角色，是銅粉消耗的主要領(lǐng)域。銅粉在導(dǎo)熱和導(dǎo)電領(lǐng)域的應(yīng)用將繼續(xù)增長(zhǎng)，這會(huì)擴(kuò)大銅粉的使用。大部分粉末冶金工藝在生產(chǎn)高密度、高熱導(dǎo)率部件方面是可行的，新的粉末冶金技術(shù)需要被人們認(rèn)知和開(kāi)發(fā)。
利用粉末冶金工藝，生產(chǎn)衛(wèi)生潔具、高速切削粉末冶金合金件及裝飾性部件需要被開(kāi)發(fā)，只有由銅粉做成的部件可以滿(mǎn)足其特性。