粉末冶金（Powder metallurgy），是一種以金屬粉末為原料，經(jīng)壓制和燒結(jié)制成各種制品的加工方法。粉末冶金工藝包含三個(gè)主要步驟，首先，主要組成材料被分解成許許多多的細(xì)小顆粒組成的粉末；然后，將粉末裝入模具型腔，施以一定的壓力，形成具有所需零件形狀和尺寸的壓坯；最后，對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)。

粉末冶金零件生產(chǎn)工藝的本質(zhì)性優(yōu)勢(shì)是，具有零件最終成形能力和材料利用率很高。

金屬粉末的重要性質(zhì)

1.顆粒形狀：粉末顆粒的形狀與粉末的制造方法有關(guān)，越不規(guī)則的粉末在壓實(shí)時(shí)，壓胚的強(qiáng)度越大。

2.細(xì)度：指粉末顆粒的尺寸大小，系利用篩子檢查其尺寸，并以分級(jí)方法，決定顆粒尺寸的分布，越細(xì)的粉末，燒結(jié)性越好。

3.粉末顆粒尺寸分布（Particle Size Distribution）：指每一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的顆粒數(shù)量。

4.可流動(dòng)性（Flowability）：指粉末可經(jīng)流動(dòng)而充滿模穴的情形，系以流經(jīng)一固定小孔的流率來(lái)訂定之，可利用添加硬脂酸鹽于粉末中來(lái)增加流動(dòng)性。

5.可壓縮性（Compressibility）：指壓縮前粉末的容積，與壓縮后所得物件的體積比。

6.視密度（Apparent Density）：指每單位體積的重量。

7.燒結(jié)性（Sintering）：指利用溫度使各金屬顆粒互相結(jié)合的操作，燒結(jié)性越好者，表示其可使用的溫度范圍越大，越易于燒結(jié)。

8.多孔性（Porosity）：指空隙體積與全部體積的比，可由顆粒大小與分布情形調(diào)整之。

步驟

制造金屬粉末

雖然所有的金屬都可以制成粉末，但在實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考量下，常用作此項(xiàng)用途者有鐵與銅。其中，黃銅（銅與鋅合金）與鐵多用于各種機(jī)件的制造，青銅則常用于多孔性軸承的制造。

由于金屬的物理與化學(xué)性質(zhì)不同，制造粉末的方法也不同，所得的顆粒大小、形狀也不相同，常見的制造方法有：

切削法

用于鎂及其合金，因鎂易燃，以切削方式加工時(shí)便于冷卻。所得的顆粒大。

滾磨法

包括使用軋碎機(jī)、旋轉(zhuǎn)滾磨機(jī)及搗碎機(jī)等，可用于脆性材料（以壓軋或撞擊方式），作成不規(guī)則顆粒；亦可用于延性材料，以制造油漆顏料的片狀顆粒。

霧化法

用于低熔點(diǎn)的金屬，如鉛、錫、鋅等，將之加熱到熔融狀態(tài)，再以噴漆原理在氣流中噴射成極細(xì)的微粒。

成粒法

將金屬加熱到熔融狀態(tài)，并于凝固成固體時(shí)，加以攪拌，成為小顆粒狀。

還原法

使用粉狀的金屬氧化物，在熔點(diǎn)下與還原性的氣體接觸，直接得到金屬粉末，例如鐵粉的制造。

電解法

用于鐵、銀、鉭及若干金屬粉末；系以鋼板置于電解液中，作為陽(yáng)極，不銹鋼作為陰極，通電后鐵粉沉積在陰極上，經(jīng)剝下電積鐵粉，再予以沖洗、過(guò)篩、分成各種粗細(xì)，而后再予以退火軟化。

預(yù)制合金粉末

所謂“預(yù)制合金粉末”系指合金粉末是用完全熔化的合金來(lái)制成，以不銹鋼或各種高等合金為例，若以純金屬粉末來(lái)混合，將無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果（因純金屬混合時(shí)，燒結(jié)溫度系在熔點(diǎn)以下，無(wú)法使純金屬變成合金），故先制成合金后，再制成粉末。

預(yù)敷粉末

將金屬粉末通過(guò)敷層金屬的蒸汽，使表面凝聚一層敷層金屬，這種金屬粉末即稱之為“預(yù)敷粉末”，此粉末在燒結(jié)后，可使制品具有此一敷層金屬的特性。

成形

將粉末送入模中加壓成形前，必須慎選粉末，以使制品達(dá)成經(jīng)濟(jì)性要求，并且在壓實(shí)后，可以得到所要的性質(zhì)。

當(dāng)僅使用一種粉末時(shí)，只要顆粒大小及分布適當(dāng)，即可送入模中加壓成形。

當(dāng)為增加粉末流動(dòng)性或密度，必須摻入不同尺寸的粉末顆粒時(shí)，混合粉末常加入潤(rùn)滑劑（如硬脂酸、硬脂酸鋰或粉末石墨），以減少粉末間的相互粘著，并降低壓制時(shí)模壁的磨擦阻力，使成品易于脫模；可是，潤(rùn)滑劑的加入，卻會(huì)使產(chǎn)品在燒結(jié)后，容易出現(xiàn)孔眼。

常見的成形法有：

壓制法 Pressing

壓制是將混合妥當(dāng)?shù)亩糠勰┲糜阡撃?nèi)，用每平方吋數(shù)千磅到二十萬(wàn)磅的壓力，在模中壓制成形的方法。其中，壓力的大小則依粉末的性質(zhì)而異，對(duì)于軟質(zhì)（可塑性高）的粉末而言，不需要太高的壓力，則可使其互鎖而得到頗為密實(shí)，且具有適當(dāng)強(qiáng)度的壓制件；對(duì)于脆性、高硬度的粉末而言，則需要較高的壓力。

壓制法所使用的壓力機(jī)，可分成：

1.機(jī)械式：動(dòng)作快，操作簡(jiǎn)易。

2.液壓式：適用于大件或需要大壓力者。

模子與沖頭間的配置方式，則可分為：

1.單動(dòng)作模：僅有一個(gè)沖模。

2.雙動(dòng)作模：具有上下兩個(gè)沖頭（下圖所示），其中，下沖頭除了具有加壓的作用外，亦具有在壓制完成后，將壓制件自模中挺射出模的任務(wù)；而模子的設(shè)計(jì)，必須具有適當(dāng)?shù)陌文＝牵岳撃！?

至于沖頭的行程，全視粉末的壓縮比而定。

離心壓制法 Centrifugal Compacting

離心壓制法在操作上，系將金屬粉末置于模內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生離心力，并作用在每一個(gè)金屬顆粒上，以壓制重金屬粉末（如碳化鎢等工具材料）。此法僅適用于形狀簡(jiǎn)單，斷面均勻的小制品。

粘鑄法 Slip Casting

將金屬粉末與一種漿質(zhì)材料混合后，注入石膏模中，利用石膏的多孔性，吸收多余的液體，使?jié){中的粘性物質(zhì)及金屬粉末留在石膏模內(nèi)，成為類似普通鑄造法的鑄件。此法類似陶瓷的造形法，當(dāng)用于中空件時(shí)，可在混合漿質(zhì)于靠近石膏模面粘結(jié)到適當(dāng)厚度時(shí)，將多余的漿液傾出，留下一層殼式的粘結(jié)件。

擠制法 Extruding

用于以金屬粉末制造長(zhǎng)條形的制品或型材時(shí)，如核能固體燃料棒及其他高溫金屬?？梢啦牧闲再|(zhì)分成：

1. 冷擠法

2. 熱擠法（先加熱至適當(dāng)溫度）：在熱擠法中，通常先將粉末壓制成塊，然后加熱或燒結(jié)于非氧化氣體中，或置于密封金屬容器中，以防止氧化。

重力燒結(jié)法 Gravity Sintering

用于化學(xué)工業(yè)中的過(guò)濾用多孔性金屬板的制造，其方法為：將金屬粉末均勻分布在陶瓷盤上（厚度依需要而定），然后在分解的阿姆尼亞氣體中，以高溫?zé)Y(jié)之；其過(guò)程中未加上其他壓力，僅是靠高溫可塑狀態(tài)下的重力結(jié)合之。燒結(jié)后的金屬板，可再施行滾軋，以控制厚度，并增加表面光平度。

等壓模造形法 Isostatic Molding

將金屬粉末置于模中，以液壓或氣體直接加壓在金屬粉粒上；由于各處所受的壓力均相同，因此，制品的密度甚為均勻，且各方強(qiáng)度均一。右圖所示為一中空筒形壓制胚等壓模造形裝置的切面圖。

滾軋法 Rolling

將金屬粉末自漏斗中漏落于兩個(gè)輥?zhàn)又g，借由滾軋的壓力，使粉末互相鎖成板片狀，然后再送到燒結(jié)爐中燒結(jié)。燒結(jié)后，可再送到滾軋機(jī)滾軋，以控制其厚度，增加表面光平度，必要時(shí)，亦可進(jìn)一步作熱處理。此法可作連續(xù)性操作，宜于大量制造。

爆炸力壓制法 Explosive Compacting

以爆炸的爆炸力來(lái)壓制粉末的生壓件（壓胚），由于爆炸的壓力非常高，可使可塑性低的金屬產(chǎn)生極高的密度及互鎖強(qiáng)度，縮短燒結(jié)時(shí)間，降低因燒結(jié)而產(chǎn)生的收縮率。其中，爆炸的壓力可借由推動(dòng)柱塞來(lái)推動(dòng)，以壓縮粉末，亦可經(jīng)由防水袋的設(shè)計(jì)，傳遞壓力給粉末。

金屬纖維法 Fiber Metal Process

先將極細(xì)的金屬棉或線，切成一定的長(zhǎng)度，成為金屬纖維，各纖維予以彎曲，互相嵌扭作成亂線狀，并與一種液體糊狀物混合，澆注多孔性的底盤上，待液體漏盡，即形成亂線一樣的金屬纖維所組成的‘席子’，然后加壓并燒結(jié)之；或再施以滾軋或以對(duì)壓模壓緊，以增加密度。

燒結(jié)(sintering)

將生壓件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋栽黾悠錂C(jī)械強(qiáng)度及硬度的操作，稱之為燒結(jié)。燒結(jié)的過(guò)程中，晶粒界面首先成形，進(jìn)而造成晶粒的再結(jié)晶，而高溫使金屬的表面的可塑性提高，并建立一層液體的網(wǎng)組織，可改進(jìn)相互間的機(jī)械互鎖性質(zhì)；另外，金屬中溶解的氣體，亦可在高溫下被驅(qū)除凈盡。

至于燒結(jié)的溫度，則通常都在主要組成金屬的熔點(diǎn)之下，而燒結(jié)時(shí)間，則約在 20－40 分鐘之間，此外，燒結(jié)的過(guò)程中，為避免粉末與大氣接觸而氧化，可使用還原性蒙氣或氮?dú)?，以阻止高熱時(shí)形成有害的氧化層。

此外，生壓件燒結(jié)后，因制品形狀、顆粒大小與分配、化學(xué)組成、燒結(jié)操作情形、壓力大小等因素，使尺寸或有增長(zhǎng)或縮短的稍微差異。

熱壓法 Hot Pressing

熱壓法是將粉末的加壓與燒結(jié)同時(shí)在一個(gè)模子內(nèi)完成的加工法，常用于碳化鎢工具材料的制造。

此法具有提高制品強(qiáng)度、硬度、精密度等優(yōu)點(diǎn)、但因加熱是在加壓的同時(shí)進(jìn)行，因此，所使用的模子必須是耐熱材質(zhì)，且加熱蒙氣及時(shí)間長(zhǎng)短不易控制；另外，在處理高溫合金時(shí)，必須使用石墨模，但由于石墨模的強(qiáng)度甚低，僅能使用一次，消耗量頗大。

火花燒結(jié)法 Spark Sintering

火花燒結(jié)法也是加熱與加壓同時(shí)在一個(gè)模子內(nèi)完成的燒結(jié)法，只不過(guò)加熱方式與熱壓法不同，且所需的時(shí)間也甚為短暫，頗似照相用閃光燈一般，通常約為12－15秒，而所得的制品頗為密實(shí)。

其中，加熱的過(guò)程系先將直流電能儲(chǔ)存在電容器內(nèi)，于燒結(jié)時(shí)放電，產(chǎn)生高能量的火花（約 1－2秒），先將粉末表面的不純物去除，火花之后，可產(chǎn)生新的結(jié)晶，然后在壓力之下，使顆粒間更為密實(shí)。此法除可用于碳化物等高溫金屬的燒結(jié)外，亦可用于鋁、銅、青銅、鐵及不銹鋼等。

完成加工法

滲油處理（Oil Impregnation）

滲油處理系將燒結(jié)的軸承，浸入潤(rùn)滑油中加熱，并且維持相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，或真空處理（時(shí)間可以縮短）；此時(shí)，軸承借由多孔性的毛細(xì)管作用，吸存潤(rùn)滑油，并于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)釋出。

金屬滲入（Infiltration）

系指將低熔點(diǎn)的熔融金屬滲入多孔性的燒結(jié)制品中，以減少孔隙體積，增加機(jī)械強(qiáng)度。金屬在滲入之前，可先作化學(xué)處理，以增加滲入范圍。

尺寸矯正（Sizing）及壓?。?span>Coining）

系將燒結(jié)物放置在與壓模相似的模內(nèi)，再壓一次，以得到正確尺寸或面層花紋。此方法屬于冷加工，具有增加表面層硬度、光平度、尺寸精度與密度等特點(diǎn)。

熱處理（Heat Treatment）

由于粉末冶金制品的密實(shí)程度不及實(shí)體合金，因此，熱處理的效果較差（因多孔性有礙熱傳遞），但實(shí)施熱處理有助于改進(jìn)其機(jī)械性質(zhì)。

電鍍（Plating）

高密度的模壓件，可直接實(shí)施普通標(biāo)準(zhǔn)方式的電鍍，但中低密度的模壓件，必須以珠擊法（Peening）、擦光法（Burnishing）或塑膠樹脂滲入法以封閉面層的孔隙，再能實(shí)施普通標(biāo)準(zhǔn)方式的電鍍。 注意：不可使用鹽類滲入，以免在電鍍時(shí)起泡。

切削加工（Machining）

對(duì)于螺孔、溝槽、挖切或側(cè)孔等無(wú)法在模中壓制出來(lái)者，仍須以傳統(tǒng)的機(jī)器切削之，而所使用的切削工具，以碳化鎢材質(zhì)為宜，所使用的冷卻劑，則必須避免使制品銹蝕。

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