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發(fā)出銅類產(chǎn)品并得到推廣應(yīng)用。
近年來，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。本文支持此觀點(diǎn)：銅在粉末冶金的應(yīng)用會持續(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1萬年前，銅作為獨(dú)特金屬就被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)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?；厮莸焦?700年，就有用銅來做項鏈墜子。
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(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、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、草地公園設(shè)備、工具和電子工業(yè)。銅粉最多使用在自潤滑軸承上，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)域的材料不是通過熔煉和鑄造得到的，例如：彌散強(qiáng)化Cu-Al2O3用來強(qiáng)化和制造焊接電極（用于汽車和其它工業(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(lǐng)域典型的應(yīng)用。這些材料要求控制適當(dāng)?shù)目紫堵剩源撕土窟_(dá)到優(yōu)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(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，通過提高零件的最終密度來提高導(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，來制造青銅件。在二十世紀(jì)二十年代早期，座落在美國新澤西州卡爾特萊特自治區(qū)的金屬精練（USMR），開始生產(chǎn)電解銅粉。此工廠面積小，擁有大的陰極槽。在生產(chǎn)高峰期，粉末工廠每月銅粉大約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關(guān)閉，盡管有些企業(yè)試圖生產(chǎn)電解銅粉，美國再也沒有電解銅粉產(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枝狀的特性，通過調(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，通過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(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(nèi)部有孔隙）是粉末冶金獨(dú)有的特性。此類軸承被燒結(jié)到一定的密度，孔隙含油率可以達(dá)到10～30%。此類軸承需要定期潤滑，以確保在設(shè)備壽命周期內(nèi)安全運(yùn)行。1920年自潤滑軸承首次用在別克汽車業(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、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%，有時鉛被加入來提高機(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，伸長率達(dá)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(chuàng)造性的。
市場大小
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(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)過合并重組。20年前，北美主要有八家銅粉生產(chǎn)廠家，今天已經(jīng)減到4個，可能會進(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%以上的部件對原材料、擠壓壓力和燒結(jié)溫度的要求。
和鐵粉增長一樣，用于與鐵粉預(yù)混合的銅粉期望會增加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提高其性能和微觀結(jié)構(gòu)。
將來的增長
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)用很少被開發(fā)。潛在的應(yīng)用包括電氣接觸元件、短路器、電動部件（例如：滑動環(huán)、換向器和轉(zhuǎn)子條）。已經(jīng)被用于電動部件領(lǐng)域的散熱片和熱交換器，將會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)問題應(yīng)該再次被回顧。
由于銅粉漂亮的顏色以及對大氣抗腐蝕的優(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問題，許多國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，用來代替許多含鉛的鍛鑄造件。這些部件會涉及熔絲架、焊接電極、閥門、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，這會擴(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發(fā)，只有由銅粉做成的部件可以滿足其特性。