銅及銅合金粉末應用及研究現狀

2018-12-14

摘要：本文介紹了近幾年國內外銅及銅合金粉末應用及研究現狀，并分析了我國同國外先進水平的差距，以及國內目前行業在生產技術、裝備和市場等方面存在的問題，為今后行業發展提出了建議。
關鍵詞：粉末冶金；銅；銅合金；金屬粉末；應用；發展現狀

１應用現狀
隨著粉末冶金技術的不斷進步，制備的粉末冶金零部件性能越來越接近常規機械加工制備的零部件，甚至達到或超過后者的性能，具有近凈成形、成本低等特點，可廣泛應用在汽車、家電、工具、機械、航空航天等諸多技術工程領域。此外，由于粉末冶金工藝特點，還可以生產許多其他工藝不能制備的產品，如含油軸承、金剛石工具、碳刷、摩擦材料等。銅及銅合金粉末的用量僅次于鐵粉，主要用于粉末冶金零部件，例如：含油軸承、摩擦材料、金剛石工具、電碳、導熱、觸點材料、化工催化劑、射孔彈等。圖1為我國銅及銅合金粉末的應用領域比。

粉末冶金零件在汽車、家電上的應用越來越廣泛，汽車和家電等產量的增長帶動了粉末冶金零件等產品需求量的增長，2011年汽車和家電行業的銅粉用量達到約9000t，主要應用于鐵銅基零部件（鐵基結構件、含油軸承，銅基結構件）。汽車領域是粉末冶金行業的最大市場，帶動了粉末冶金汽車零部件產業高速發展。中國目前轎車(乘用車)使用粉末冶金零件車平均每輛6kg,遠遠低于歐洲14kg,本16kg,美國18kg的水平。據中國汽車工業協會統計,2010年中國的汽車產量為1826.47萬輛,同比增長32.44%。其中：乘用車產量1389.71萬輛，同比增長32.44%,位居全球第一?！笆濉逼陂g如果汽車按照最低的5%增長速度來預測，到2015年,我國的汽車年產量將超過2300萬輛,汽車保有量達到1.5億輛。按年產2300萬輛車計算,加上保有量汽車粉末冶金零件的更換，如果每輛汽車粉末冶金制品的用量達到歐洲水平，那么我國全年汽車粉末冶金零件用量將達45萬噸以上,其中銅及銅合金粉末用量將在1.5萬噸以上。

我國已經成為世界金剛石工具生產大國,其產量的1/3用于出口,生產企業主要分布在河北省石家莊市、湖北省鄂州市,江蘇省丹陽，福建省泉州地區及廣東省佛山市等地,這些地區金剛石工具的產量占到全國總產量的60%以上，該行業年消耗銅及銅合金粉末量約5000t。在摩擦材料行業中,銅粉主要用于生產轎車、貨車和工程車輛的各種摩擦片，每年消耗在3000ｔ左右。碳刷生產企業主要分布在上海、浙江省溫州市、江蘇和河北省任丘市等地。在過去的幾年中，用于碳刷的銅粉消費量一直增長較快，年消費電解銅粉總量超過3000ｔ。

２國內外銅及銅合金粉末的生產現狀
銅及銅合金粉末的應用不斷拓展,產品種類日益豐富，主要包括電解銅粉、霧化銅及銅合金粉末、擴散部分合金化合金粉末(青銅、黃銅、滲銅等)、包覆粉末(Cu/Fe、Cu/C、Ag/Cu)、超細(納米)銅粉。主要制備工藝包括電解、水/氣霧化、擴散法、濕法冶金、物理法(氣流破碎、球磨)等。近十幾年來，國內的銅及銅合金粉末年均增長率在25%以上,達到世界第一。2011年國內的銅及銅合金粉末產量約43000t,居世界第一。圖2為國內銅及銅合金粉末近四年的產量比較。圖3為國內銅及銅合金粉各種工藝生產的產品比例圖。其中電解銅粉約占產量的49%。其中電解、霧化為主要生產方法,約占總產量的90%。


目前我國50多家生產企業生產銅及銅合金粉末,分布在北京，上海,重慶,天津,甘肅等17個省市,年產銷量超過3000t的企業9家：有研粉末、重慶華浩、金川集團、蘇州福田、中科銅都、安徽旭晶、衡水潤澤、蘇州元磁、上海巨聯等。其中有研粉末，產能12000t/a。

電解銅粉具有純度高、成形性好、呈樹枝狀等特點,廣泛應用于粉末冶金零部件、金剛石工具、電碳等領域,尤其是在電碳、冷壓金剛石鋸片、部分PM零部件等領域中,由于其特有的性能是其他銅粉所無法代替的。目前,國內電解銅粉有25家生產企業,分布在北京、上海、重慶、天津、甘肅等14個省市,產量2萬多噸,約占世界總產量的40%,占,國內銅及銅合金粉末產量的49%。有研粉末、金川集團、重慶華浩、蘇州福田、天津瑞爾普公司等公司電解銅粉產量占90%,其中有研粉末公司的產量在國內排名第一、世界前三,產能達到了10000噸以上。

霧化工藝是當今銅及銅合金粉生產技術的發展趨勢。該工藝以回收的廢銅合金零件和金屬錠為原料,進行精煉工藝，然后通過霧化介質(水/高壓氣體)將熔體破碎成粉，再采用還原后處理和分級工藝獲得松裝密度和粒度組成可調的銅合金粉,成品粉末具有良好的流動性和化學穩定性,適用于粉末冶金自動化生產應用。自20世紀70年代開始,金屬霧化制粉已成為各先進國家競相研究的熱點和關鍵技術。與其他制粉方法，如化學法、電解法、機械法等相比,霧化法具有合金化程度高、成分均勻、生產效率高、成本低、無污染等許多優點,因而成為銅及。銅合金粉末重要的生產方法。預計2015年世界銅及銅合金粉末制備方法中，霧化及霧化氧化還原（AOR法）粉末將占０％以上。國內霧化銅及銅合金粉末生產廠家有０多家，分布在浙江、河北、北京、上海、重慶、甘肅等二十余個省市。產量在1000ｔ以上的有６家：中科銅都、安徽旭晶、衡水潤澤、蘇州元磁、紹興吉利來、上海巨聯、有研粉末等公司。

部分合金化CuSn擴散粉末由于具有成形性好、成分均勻一致等優點，避免了霧化合金粉末成形性差，混合粉末容易產生偏析等缺點，廣泛應用于含油軸承、金剛石工具等領域。有研粉末公司年產量約1000ｔ，已經達到國外SCM、Fukuda、Nippon等公司同類產品水平。

利用化學置換法生產的銅包鐵粉，銅含量一般為15%-22%其核心是金屬鐵顆粒，外表面包覆一層銅，可為粉末冶金產品提供良好的鐵銅金屬結合，使被保護的核心金屬鐵顆粒按特定要求組成并且無偏析，廣泛用于制造粉末冶金含油軸承、金剛石制品中的粘相材料以及摩擦材料。其主要特點是：無鉛、抗沖蝕性高、低成本等。圖４為銅包鐵粉的微觀形貌。銅包鐵粉可完全或部分地替代銅粉、青銅粉，鐵銅混合粉等傳統粉末，尤其是其低廉的價格。從2005年開始，銅包鐵粉末得到了大量的應用，目前需求量在4000ｔ左右，生產廠家有近10家。


2011年世界銅及銅合金粉末的總產量超過110000ｔ。其中：亞洲65000ｔ；北美20000ｔ；歐洲25000ｔ；其他5000ｔ。圖５為世界銅及銅合金粉末產量分布圖。


目前國外電解銅粉主要生產廠家為俄羅斯烏拉爾電銅公司、日本Nippon和Fukuda公司、意大利的Pometon公司，其中GGP電解銅粉產能10000ｔ。歐洲Ecka公司和Makin公司，北美的SCM、Acupowder、Chemet公司主要以霧化法為主，產量都在10000ｔ以上。

３國內外差距
經過近10年的快速發展，國內銅及銅合金粉末行業整體水平有了較大的提高。但同國外相比尚存在以下問題：生產廠家多，規模小、檔次低，急需整合；環保節能技術亟待提高；自動化程度不高；自主創新能力不足，缺乏高端產品制造技術，競爭力弱；國外企業的進入，競爭壓力增加；行業的無序競爭、導致企業微利或虧損。國內外的具體差距，現按粉末種類分述如下：

3.1電解銅粉
在電解銅粉方面，以有研粉末、重慶華浩為代表的企業，在生產工藝、裝備、產品規格、環保等方面逐步達到國外先進水平。重慶華浩公司在國內率先開發出自動刮粉裝置，實現了刮粉的自動化，降低了工人的勞動強度、提高了產品的穩定性，開發出大型免維護樹脂整體電解槽。天津瑞爾普公司開發0.8-0.1ｇ/cm3的低松比電解銅粉，已經批量生產。有研粉末公司在電解銅粉產業技術方面：通過優化電解工藝和電解液濃度,并對電解整流設備實現自動控制和節能設計,電解電耗降低15%以上,硫酸消耗降低20%以上,實現了零排放；發明了一種連續電解制粉方法及裝置,將產量提高10%以上,穩定了產品質量；在高純、低鉛、含有軸承專用銅粉等方面進行了開發,制備出最低鉛含量為10×10^-6的電解銅粉,達到國外同類產品先進水平；采用逆流洗滌的方法可以減少40%以上的用水量,提高了銅的回收率(≥998%)；成功開發出0.6-1.0g/cm3的低松比電解銅粉生產工藝,建設了年產2000t的電碳用的低松比生產線,完善了0.6-3.0g/cm3電解銅粉系列化,成為國內銅粉產品系列最全的生產商。

電解法制備銅粉屬于傳統的粉末制造工藝,至今已有100多年的歷史。隨著粉末冶金工業以及軍備需求的大幅增長,致使世界上的各大強國加強了粉末原料以及粉末應用工藝的研究,促使粉末制備的技術不斷升級,技術含量逐漸增加。我國從1949年建國以來通過蘇聯援建等方式,才逐漸開始相關工藝的研究及工業建設,技術相對落后,而且工業基礎較為薄弱。雖然我國從起步到現在已有60余年的發展,但是電解銅粉的工藝研究及工業生產與國外同行相比仍然有較大的差距。這些差距主要體現在以下幾個方面：

(1)能耗相對較高。國外企業通過電解液組成、電解工藝等工藝研究和工業實踐。大幅度降低單位銅粉的電能消耗，在成本方面具有一定的優勢。而目前國內生產工藝產生的殘板率較高，且殘板需要經過重新熔煉、澆注、泡板等工序重新做成陽極板方可再重復利用,因此浪費了大量的能源、人力和物資。

(2)生產過程中各種輔料的消耗較多。國外在環保治理和節約水資源方面投入大量的資金和研究力量，大幅度減少工藝過程中硫酸、水的用量，減少了廢水排放，而且基本實現了零排放的環境友好型銅粉生產工藝。目前我國電解銅粉生產工藝耗水量大，工藝中酸液以及洗粉液回收利用水平較低，不僅大量消耗硫酸、水，而且會產生大量的廢液。這不僅大幅度增加廢液處理的成本，而且導致廢水中的銅大量流失，降低了收得率。

(3)裝備水平低、產品穩定性較差。國外電解銅粉的制造已實現了自動化連續生產，各工序參數采用自動控制技術，減少了人為操作帶來產品性能的波動。而我國目前生產線自動化程度較低，大部分工序仍然維持著人工操作，造成工序參數穩定性相對較差，且操作失誤時有發生，容易產生大量浪費和發生質量事故。

(4)缺乏高端產品的制造技術。雖然國內電解銅粉的產量較大，但是大部分產品都集中在附加值不高的中低檔產品上，對于高端場合應用的電解銅粉仍然由國外實力較強的企業壟斷。如：在電碳制品、高鐵受電弓滑板等工業應用中的松裝密度為0.6-0.1g/cm3的低鉛、低鐵、高純以及抗氧化性強的具有非常發達樹枝狀電解銅粉。長期以來，我國的電解銅粉只在價值鏈低端與國外企業競爭，而且近幾年來國外企業也逐漸開發一些中低端產品，有的還采用來華建廠的策略（如日本Fukuda公司）蠶食中國電解銅粉市場。這使得我國電解銅粉行業的競爭更加激烈、利潤水平走低。

3.2霧化銅及銅合金粉
目前,國內用于粉末冶金零部件的低松比銅及銅合金粉生產方法主要是電解法和擴散法,如用于微型含油軸的松比在2.4g/cm3左右的CuSn10,其原料主要采用電解銅粉。然而，以電解法為主體的銅合金粉制造工藝,生產1t銅合金粉總耗電量達3800-4200kWh,而采用霧化法通過調整霧化參數,可以制備松比≤2.7gcm3的銅粉,能部分取代電解銅粉，其耗電量僅為2000kWh,每噸可節電1800-2200kWh；另外，霧化制備工藝比較環保，避免了電解工藝對環境的污染。美國SCM公司、日本福田等用水霧化或霧化氧化還原(AOR法)來生產低松比銅及銅合金粉，產能在1萬噸左右的規模。近幾年國內霧化技術方面,通過自主開發、引進國外先進設備與技術，霧化水平提高非?？?與國外的差距顯著縮小。逐漸成為-種粉末主流制備工藝。有研粉末公司霧化粉末年產量約2000t以上,年產能達4000t以上,已經達到國外SCM、Fukuda、Nippon等公司同類產品水平。國內在霧化技術、噴嘴設計和霧化設備、自動化程度等方面,同國外先進水平相比,還存在一定的差距,生產能耗高,產品質量不穩定。粉末后續加工改性技術有待于進一步研究開發,如催化劑、熱導材料、片狀仿金粉等銅基粉末，國外生產技術已經成熟。

3.3擴散預合金化粉末
國外對銅預合金粉末的研究起步較早,如瑞典的赫格拉斯早在20個世紀就用擴散法制備了鐵銅鎳預合金粉末，并取得了專利技術；低噪聲含油軸承用CuSn10擴散粉末生產技術，在美國、日本等工業發達國家已是一種較成熟的技術。但其對制造該擴散粉末的工藝、技術、裝備嚴格保密。著名德國飛羽公司率先研制出的部分合金化CuSn10擴散粉代替霧化工藝生產的完全合金化CuSn10粉末，顯著地提高了金剛石工具的生產效率和使用壽命；國外SCM、Acupowder等公司用擴散法制備的滲銅粉已經實現批量化、系列化生產，并在我國占據大部分市場份額。

國內由于技術和裝備水平落后，雖然有的單位對擴散法制備銅預合金粉末進行多年的實驗研究，但一直沒有解決產品質量和產品穩定性等技術問題，不能滿足粉末冶金制造商的使用要求。有研粉末公司作為國內最大的銅及銅合金粉末的生產廠家，近年來對該系列粉末展開了系列化研究，取得一定的進展，使擴散法制備的銅預合金粉粉末正逐漸占據國內市場。

3.４包覆粉末
銅包鐵生產技術在國內已成熟，應用逐年增加。生產工藝采用鐵粉、硫酸銅置換生產，廢液中含有大量的硫酸鐵，需要進行廢水處理。部分小企業為了降低成本，直接將廢水排放，污染環境。因此需要開發一種“綜合利用”的銅包鐵生產方法，避免對環境的污染，降低生產成本。

銅包石墨粉廣泛應用于高檔石墨碳刷電極、觸頭材料、自潤滑軸承、金剛石干切鋸片，其特點是：石墨的分布更加彌散均勻，增強了金屬與石墨間的界面結合，促進了材料的燒結過程，提高綜合性能；消除石墨大顆粒團聚現象，形成銅的連續空間三維網絡，降低材料的電阻率，提高導電性；相對于傳統混合法，減少貴金屬的使用量。圖６為銅包石墨粉末及制品微觀形貌。有研粉末公司2009年開始了研究，現達到批量生產，具有每月200ｔ產能。銅包石墨在國外電碳行業得到了廣泛的應用，國內還需粉末廠家與電碳制品廠家共同努力進一步開發。

４國內銅及銅合金粉末生產及應用的發展方向
國內銅及銅合金粉末生產的發展方向應主要在以下幾個方面：開發電解銅粉節電、節水、閉路循環的綠色環保生產工藝；完成低松比電解銅粉和高低松比水霧化粉末產業化；研究應用于金剛石胎體的高性能銅合金粉末；濕法冶金方法的綠色環保生產工藝；實現高檔銅合金粉末的產業化，如：片狀仿金粉、MIM用粉、超細粉末、銅和非金屬復合粉末。另外，銅粉和鐵粉等復合粉末的預合金粘接技術必須突破，替代工藝存在環保問題的濕法制備的銅鐵復合粉末，為粉末冶金、金剛石工具等下游產業提供質優價廉的原材料。

4.1熱管和散熱器領域
全球電子散熱產品市場2008年達到了59億美元，平均每年的增長率為12％，目前，全球主要電子散熱元件廠商集中在中國臺灣、日本、美國等地，日本技術最為領先，而中國臺灣銷售量最大。

熱管可以稱作熱量的超導體，具有熱傳遞速度極快的優點，這種產品主要用于安裝在散熱器中可以有效降低熱阻，增加散熱效率。與傳統的風冷散熱器相比，熱管散熱器具有散熱效率高、導熱性，無噪聲、節能等優點。我國臺灣的熱管產量最大，月產量為1200萬支，居世界第一。近幾年臺資企業紛紛在大陸建廠，純銅粉在熱管應用前景看好。2011年中國臺灣和大陸熱管用的純銅粉達到了4000t。

隨著電子器件汽車發動機等散熱元件等領域的蓬勃發展,以銅粉為原料,采用注射成形工藝制造的長而薄。復雜外形的鰭狀元件大量出現,具有工藝簡單、成本低等優點,應用前景廣闊。

4.2涂料、顏料及印刷
金屬顏料涂料、導電橡膠和銅漿料等領域需求大量的銅及銅合金粉末。美術飾品和金屬印刷術需要金屬顏料，金屬顏料仍然是一個巨大的銅粉消費市場。像“發乳白色光銀”一樣的金屬仍然是高端的汽車的時髦色,而且銅色車也在變得比較流行。日本的福田金屬箔粉公司近年來一直在從事開發用銅粉制造的屏蔽電磁的顏色。

4.3化工催化劑
超細或片狀的銅合金粉末可以應用于生產甲基氯硅烷的催化劑,其成分主要是銅或氧化亞銅,同時含有鋅、錫等元素。國內年需求量在4000t以上。美國SCM公司是世界上最大的甲基氯硅烷生產用催化劑的廠商。世界上主要的有機硅生產公司,如道康寧、瓦克、拜耳等,均采用SCM公司提供的催化劑。

4.4其他應用領域
粉末冶金電觸頭材料、高強高導銅合金(如：氧化鋁彌散強化銅合金粉末制備的焊接電極)、殺菌的產品、汽車發動機潤滑劑、炮彈(破甲裝藥/燃燒彈等)等。

5結束語
我國目前已經成為銅及銅合金粉末生產、使用大國,在生產工藝、裝備和技術上都有了較大進步，但同歐美、日本等發達國家相比,還存在一定的差距：電解和濕法工藝的節能、環保、自動化強的關鍵技術有待提高：部分替代電解法和氣霧化法的水霧末制備的關鍵共性技術和裝備亟需開發和應用；銅包鐵粉復合粉末濕法替代技術的突破，將繼續為粉末冶金、金剛石工具等下游產業提供質優價廉的原材料。

未來幾年，隨著國內汽車工業的繼續平穩的增長和銅及銅合金粉末在散熱、涂料、顏料、焊接劑、化工催化劑等領域應用的發展，以及制造技術、管理水平與國外差距的逐漸縮小，國內銅及銅合金粉末的市場前景將非?？春?。

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