1.3 銅基粉末冶金零部件的發(fā)展現(xiàn)狀

銅基粉末冶金材料的發(fā)展從20世紀(jì)20年代的青銅含油軸承開(kāi)始, 由于這種含油軸承具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 無(wú)需加油、 噪音低、 性能穩(wěn)定、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn), 很快在汽車、 紡織、 航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。并且, 隨著家電、 計(jì)算機(jī)、 手機(jī)等新產(chǎn)品的出現(xiàn), 含油軸承起到越來(lái)越重要的作用。含油軸承從最早的幾十克至幾百克, 發(fā)展到現(xiàn)在最小的0.005 g, 可起到其他材料很難完成的作用。

木材、 皮革等天然產(chǎn)品是人類最早使用的摩擦材料。隨著社會(huì)的發(fā)展, 對(duì)摩擦材料的性能要求越來(lái)越高, 天然產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足使用要求。1930年開(kāi)發(fā)出了銅基粉末冶金摩擦材料, 由于其摩擦性能可控、 穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 很快應(yīng)用于航空、 車輛、 機(jī)械等領(lǐng)域, 并得到快速的發(fā)展。目前銅基摩擦材料在市場(chǎng)中占有相當(dāng)一部分的份額。

粉末冶金的工藝特點(diǎn), 使得人們非常容易聯(lián)想到利用其多孔性進(jìn)行過(guò)濾。早在1909年, 國(guó)外專利就提到過(guò)粉末冶金多孔制品, 到20世紀(jì)20年代末至30年代初出現(xiàn)了若干制取粉末冶金過(guò)濾器的專利。30年代中期出現(xiàn)了銅、 鎳、 青銅、 黃銅過(guò)濾器, 這時(shí)青銅過(guò)濾器開(kāi)始用于工業(yè)生產(chǎn), 過(guò)濾空氣、 燃料和潤(rùn)滑油等。并根據(jù)市場(chǎng)需求, 開(kāi)發(fā)出鈦/不銹鋼、 鈦鋁金屬間化合物等材質(zhì)的過(guò)濾器。燒結(jié)多孔材料具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、 孔隙可控、 孔隙率高、 壽命長(zhǎng)、 無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn), 在食品、 醫(yī)藥、 石化、 冶金、 核化工等行業(yè)得到廣泛使用。

隨著電動(dòng)機(jī)的發(fā)明, 轉(zhuǎn)子與定子之間的電流傳輸吸取是必須解決的。最早使用銅絲束來(lái)傳輸電流, 但其耐磨性差, 壽命短。以后又發(fā)明了炭刷, 其壽命較長(zhǎng), 但導(dǎo)電性差。隨著電動(dòng)機(jī)電流密度的日益增大, 炭刷已不能滿足使用要求。為了提高其導(dǎo)電性, 將金屬網(wǎng)模壓在炭刷中, 但該工藝不適合工業(yè)化生產(chǎn)。后來(lái)發(fā)明了銅粉和石墨粉混合制成的銅-石墨電刷, 提高了電刷的導(dǎo)電性和壽命, 被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、 發(fā)動(dòng)機(jī)和列車的受電弓等。

金剛石作為世界上最硬的物質(zhì), 可以用來(lái)切割其他物質(zhì), 因此人們開(kāi)發(fā)出金剛石工具。由于金剛石的燒結(jié)溫度很高, 很難采用常規(guī)工藝進(jìn)行燒結(jié)制備, 因此開(kāi)發(fā)出采用黏結(jié)劑(又稱之為胎體材料)將金剛石顆粒黏結(jié)在一起, 然后用來(lái)切割。常用的黏結(jié)劑有銅基、 鐵基、 銅鐵基、 鈷基等體系, 其中銅基和鐵基的應(yīng)用最廣, 成本相對(duì)較低。銅基黏結(jié)劑具有燒結(jié)溫度低、 對(duì)金剛石損傷小、 切割速度快、 傳熱性好等優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用非常廣泛。

20世紀(jì)60年代初, 美國(guó)GE公司提出橫向磁場(chǎng)熄弧原理, 并據(jù)此研制出基于螺旋槽橫磁觸頭結(jié)構(gòu)和CuBi觸頭材料的真空滅弧室, 將真空開(kāi)關(guān)的短路開(kāi)斷能力提高到了15 kV、 12.5 kA, 從而使真空開(kāi)關(guān)真正具有了商業(yè)實(shí)用意義。

1973年彌散強(qiáng)化銅出現(xiàn), 通過(guò)內(nèi)氧化的方法在銅基體中引入納米氧化鋁顆粒, 使其強(qiáng)化銅基體。該材料在保持高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的同時(shí), 可以在800℃以下保持較高的強(qiáng)度和硬度, 可以作為電極材料、 引線、 均熱材料等。

20世紀(jì)90年代, 隨著電子器件對(duì)散熱性能的要求越來(lái)越高, 使得對(duì)熱沉材料的導(dǎo)熱性能要求也有所提高, 人們發(fā)明了銅碳化硅、 銅金剛石等熱沉材料, 尤其是后者, 其導(dǎo)熱率可達(dá)到900 W/(m·K), 為高功率密度器件的散熱提供了保證。

在某些使用條件下, 需要在工件表面噴涂上一層銅及銅合金涂層, 使得工件具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能、 耐蝕性能、 導(dǎo)電、 導(dǎo)熱等性能, 是銅及銅合金粉末的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

銅及銅合金粉末可以用于石油開(kāi)采用的射孔彈生產(chǎn), 具有制備工藝簡(jiǎn)單、 成本低、 作業(yè)性能好, 使用可靠, 在國(guó)內(nèi)外油田開(kāi)采中被廣泛使用。

由于納米銅粉顆粒極細(xì)且軟, 是一種很好的潤(rùn)滑劑, 加入到油中形成一種穩(wěn)定的懸浮液。用于汽車引擎的潤(rùn)滑油中, 可以提高引擎汽缸和活塞的耐磨性能; 在引擎運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中, 可以修復(fù)汽缸中的缺陷, 對(duì)減少汽缸的摩擦磨損和延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命是十分有益的。國(guó)外已有加入了超細(xì)銅粉的潤(rùn)滑油銷售。銅及銅合金超細(xì)粉體用作催化劑, 效率高、 選擇性強(qiáng), 可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應(yīng)過(guò)程中的催化劑。超細(xì)銅粉還可以作為催化劑直接應(yīng)用于化工行業(yè)(如乙炔聚合)、 汽車尾氣凈化等領(lǐng)域。

此外, 銅及銅合金粉末還可以制備成片狀粉末, 在油墨、 導(dǎo)電漿料上應(yīng)用, 如黃銅仿金粉可以用于制做香煙盒、 字畫(huà)等金字。導(dǎo)電銅粉還可以用于油漆、 涂料中, 銀包銅片狀粉末可以用做導(dǎo)電漿料, 具有良好的導(dǎo)電性能。