1.3 铜基粉末冶金零部件的发展现状

铜基粉末冶金材料的发展从20世纪20年代的青铜含油轴承开始, 由于这种含油轴承具有设计结构简单、 无需加油、 噪音低、 性能稳定、 寿命长等优点, 很快在汽车、 纺织、 航空等领域得到了广泛的应用。并且, 随着家电、 计算机、 手机等新产品的出现, 含油轴承起到越来越重要的作用。含油轴承从最早的几十克至几百克, 发展到现在最小的0.005 g, 可起到其他材料很难完成的作用。

木材、 皮革等天然产品是人类最早使用的摩擦材料。随着社会的发展, 对摩擦材料的性能要求越来越高, 天然产品已经不能满足使用要求。1930年开发出了铜基粉末冶金摩擦材料, 由于其摩擦性能可控、 稳定等优点, 很快应用于航空、 车辆、 机械等领域, 并得到快速的发展。目前铜基摩擦材料在市场中占有相当一部分的份额。

粉末冶金的工艺特点, 使得人们非常容易联想到利用其多孔性进行过滤。早在1909年, 国外专利就提到过粉末冶金多孔制品, 到20世纪20年代末至30年代初出现了若干制取粉末冶金过滤器的专利。30年代中期出现了铜、 镍、 青铜、 黄铜过滤器, 这时青铜过滤器开始用于工业生产, 过滤空气、 燃料和润滑油等。并根据市场需求, 开发出钛/不锈钢、 钛铝金属间化合物等材质的过滤器。烧结多孔材料具有设计简单、 孔隙可控、 孔隙率高、 寿命长、 无污染等优点, 在食品、 医药、 石化、 冶金、 核化工等行业得到广泛使用。

随着电动机的发明, 转子与定子之间的电流传输吸取是必须解决的。最早使用铜丝束来传输电流, 但其耐磨性差, 寿命短。以后又发明了炭刷, 其寿命较长, 但导电性差。随着电动机电流密度的日益增大, 炭刷已不能满足使用要求。为了提高其导电性, 将金属网模压在炭刷中, 但该工艺不适合工业化生产。后来发明了铜粉和石墨粉混合制成的铜-石墨电刷, 提高了电刷的导电性和寿命, 被广泛应用于电动机、 发动机和列车的受电弓等。

金刚石作为世界上最硬的物质, 可以用来切割其他物质, 因此人们开发出金刚石工具。由于金刚石的烧结温度很高, 很难采用常规工艺进行烧结制备, 因此开发出采用黏结剂(又称之为胎体材料)将金刚石颗粒黏结在一起, 然后用来切割。常用的黏结剂有铜基、 铁基、 铜铁基、 钴基等体系, 其中铜基和铁基的应用最广, 成本相对较低。铜基黏结剂具有烧结温度低、 对金刚石损伤小、 切割速度快、 传热性好等优点, 应用非常广泛。

20世纪60年代初, 美国GE公司提出横向磁场熄弧原理, 并据此研制出基于螺旋槽横磁触头结构和CuBi触头材料的真空灭弧室, 将真空开关的短路开断能力提高到了15 kV、 12.5 kA, 从而使真空开关真正具有了商业实用意义。

1973年弥散强化铜出现, 通过内氧化的方法在铜基体中引入纳米氧化铝颗粒, 使其强化铜基体。该材料在保持高导电和导热性能的同时, 可以在800℃以下保持较高的强度和硬度, 可以作为电极材料、 引线、 均热材料等。

20世纪90年代, 随着电子器件对散热性能的要求越来越高, 使得对热沉材料的导热性能要求也有所提高, 人们发明了铜碳化硅、 铜金刚石等热沉材料, 尤其是后者, 其导热率可达到900 W/(m·K), 为高功率密度器件的散热提供了保证。

在某些使用条件下, 需要在工件表面喷涂上一层铜及铜合金涂层, 使得工件具有优良的润滑性能、 耐蚀性能、 导电、 导热等性能, 是铜及铜合金粉末的一个应用领域。

铜及铜合金粉末可以用于石油开采用的射孔弹生产, 具有制备工艺简单、 成本低、 作业性能好, 使用可靠, 在国内外油田开采中被广泛使用。

由于纳米铜粉颗粒极细且软, 是一种很好的润滑剂, 加入到油中形成一种稳定的悬浮液。用于汽车引擎的润滑油中, 可以提高引擎汽缸和活塞的耐磨性能; 在引擎运转过程中, 可以修复汽缸中的缺陷, 对减少汽缸的摩擦磨损和延长发动机使用寿命是十分有益的。国外已有加入了超细铜粉的润滑油销售。铜及铜合金超细粉体用作催化剂, 效率高、 选择性强, 可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。超细铜粉还可以作为催化剂直接应用于化工行业(如乙炔聚合)、 汽车尾气净化等领域。

此外, 铜及铜合金粉末还可以制备成片状粉末, 在油墨、 导电浆料上应用, 如黄铜仿金粉可以用于制做香烟盒、 字画等金字。导电铜粉还可以用于油漆、 涂料中, 银包铜片状粉末可以用做导电浆料, 具有良好的导电性能。