1.3 銅基粉末冶金零部件的發(fā)展現狀

銅基粉末冶金材料的發(fā)展從20世紀20年代的青銅含油軸承開始, 由于這種含油軸承具有設計結構簡單、 無需加油、 噪音低、 性能穩(wěn)定、 壽命長等優(yōu)點, 很快在汽車、 紡織、 航空等領域得到了廣泛的應用。并且, 隨著家電、 計算機、 手機等新產品的出現, 含油軸承起到越來越重要的作用。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、 皮革等天然產品是人類最早使用的摩擦材料。隨著社會的發(fā)展, 對摩擦材料的性能要求越來越高, 天然產品已經不能滿足使用要求。1930年開發(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, 很快應用于航空、 車輛、 機械等領域, 并得到快速的發(fā)展。目前銅基摩擦材料在市場中占有相當一部分的份額。

粉末冶金的工藝特點, 使得人們非常容易聯想到利用其多孔性進行過濾。早在1909年, 國外專利就提到過粉末冶金多孔制品, 到20世紀20年代末至30年代初出現了若干制取粉末冶金過濾器的專利。30年代中期出現了銅、 鎳、 青銅、 黃銅過濾器, 這時青銅過濾器開始用于工業(yè)生產, 過濾空氣、 燃料和潤滑油等。并根據市場需求, 開發(fā)出鈦/不銹鋼、 鈦鋁金屬間化合物等材質的過濾器。燒結多孔材料具有設計簡單、 孔隙可控、 孔隙率高、 壽命長、 無污染等優(yōu)點, 在食品、 醫(yī)藥、 石化、 冶金、 核化工等行業(yè)得到廣泛使用。

隨著電動機的發(fā)明, 轉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, 但導電性差。隨著電動機電流密度的日益增大, 炭刷已不能滿足使用要求。為了提高其導電性, 將金屬網模壓在炭刷中, 但該工藝不適合工業(yè)化生產。后來發(fā)明了銅粉和石墨粉混合制成的銅-石墨電刷, 提高了電刷的導電性和壽命, 被廣泛應用于電動機、 發(fā)動機和列車的受電弓等。

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

20世紀60年代初, 美國GE公司提出橫向磁場熄弧原理, 并據此研制出基于螺旋槽橫磁觸頭結構和CuBi觸頭材料的真空滅弧室, 將真空開關的短路開斷能力提高到了15 kV、 12.5 kA, 從而使真空開關真正具有了商業(yè)實用意義。

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

20世紀90年代, 隨著電子器件對散熱性能的要求越來越高, 使得對熱沉材料的導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, 其導熱率可達到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)良的潤滑性能、 耐蝕性能、 導電、 導熱等性能, 是銅及銅合金粉末的一個應用領域。

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

由于納米銅粉顆粒極細且軟, 是一種很好的潤滑劑, 加入到油中形成一種穩(wěn)定的懸浮液。用于汽車引擎的潤滑油中, 可以提高引擎汽缸和活塞的耐磨性能; 在引擎運轉過程中, 可以修復汽缸中的缺陷, 對減少汽缸的摩擦磨損和延長發(fā)動機使用壽命是十分有益的。國外已有加入了超細銅粉的潤滑油銷售。銅及銅合金超細粉體用作催化劑, 效率高、 選擇性強, 可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應過程中的催化劑。超細銅粉還可以作為催化劑直接應用于化工行業(yè)(如乙炔聚合)、 汽車尾氣凈化等領域。

此外, 銅及銅合金粉末還可以制備成片狀粉末, 在油墨、 導電漿料上應用, 如黃銅仿金粉可以用于制做香煙盒、 字畫等金字。導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電漿料, 具有良好的導電性能。