國內銅及銅合金粉末的發展現狀

2019-03-06

摘要：本文介紹了國內銅及銅合金粉末的發展過程、現狀，重點介紹了電解銅粉、霧化銅及銅合金粉末的生產現狀和發展方向，并分析了目前行業中存在的問題，對今后中國有色金屬粉末的發展提出了建議。

關鍵詞：粉末冶金；發展現狀；銅及銅合金；鎳及鎳合金；鈷及鈷合金

在粉末冶金領域，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、金剛石工具、電工合金等行業，在工業生產中發揮著重要的作用。

銅及銅合金粉末的主要制備工藝包括電解、水/氣霧化、還原、機械破碎等工藝。建國后，我國銅及銅合金粉末的產量取得了突飛猛進的發展，建國初期，其種類一窮二白、產量基本為零，目前據不完全統計，2009年銅及銅合金粉末產量超過4萬t,產量躍居世界第一、產品規格基本齊全，成為世界重要的有色金屬粉末生產大國。但是在銅及銅合金粉末的生產技術、生產裝備、產品系列化等方面，我國同國外還存在著較大的差距，下面詳細介紹。

1銅及銅合金粉末的發展及現狀

我國規?；a銅及銅合金粉末起源于1957年,由中南制銅廠私方廠長沈允中工程師研究電解法制取銅粉的工藝技術，建成年產70t的生產線。1965年，上海有色金屬加工廠采用熔體高壓霧化制備黃銅粉末，開始了國內霧化工藝制備銅及銅合金粉末的生產。據不完全統計，2009年我國銅及銅合金粉末的產量為40500t,較1957年，產量增加了近600倍，這從側面反映了我國的經濟快速發展。產品規格也從最早的單一產品——電解銅粉發展到電解銅粉、霧化銅及銅合金粉末、包覆粉末（銅包鐵粉）、超細（納米）銅粉等十幾個系列上百個產品規格，產品結構趨于完善。

圖1為2009年銅及銅合金粉末的產品分布示意圖。從圖中可以看岀電解銅粉為20500t,占銅及銅合金粉末產量的50%;霧化銅合金粉產量為13500t,約占銅及銅合金粉末產量的33%;霧化和氧化還原銅粉4000t,約占總產量9.8%;銅包鐵粉等其他粉末產量為3000t,約占總產量的7.3%。

目前我國的生產企業有50多家，分布在北京、上海、重慶、天津、甘肅、安徽、江蘇、浙江、河北等17個省市，具有分布廣、集中在經濟發達地區等特點。但是年產量超過5000t的企業僅有研粉末新材料（北京）有限公司一家，為7000t,年產量在2000~5000t的銅及銅合金粉末企業約有8家。同國外銅及銅合金粉末生產企業相比，存在規模小、廠家多等不足。

2電解銅粉

2.1電解銅粉的發展歷史與現狀

1957年，中南制銅廠私方廠長沈允中工程師研究電解法制取銅粉的工藝技術。生產設施是木質電解槽內襯鉛板，1500A直流發電機，自砌臥式電阻干燥爐等，以電解精煉銅制成硫酸銅為電解液，經直流電源電解制得銅粉，質量達到前蘇聯同類產品水平。年產70t,產品銷往上海和華東、華北等地。

1960年，該廠劃歸上海金屬加工廠（即第二冶煉廠）繼續生產，產量上升。1964年10月，冶金工業部決定將該廠的部分金屬粉末生產設備及人員遷往四川省重慶市重慶冶煉廠（重慶市103廠）建立電解銅粉生產線它是當時國內最大的電解銅粉生產廠家。1997年有研粉末新材料（北京）有限公司成立（原北京恒源合金粉末廠），是北京有色金屬研究總院的下屬企業，到2005年有研粉末新材料（北京）有限公司的產量成為國內第一。2006年上海久凌冶煉有限公司破產，其2005年電解銅粉產量為1500t。2007年有研粉末公司電解銅粉年產量超過5000t,成為國內第一、世界前三的電解銅粉生產企業。2008年金川集團3_t的電解銅粉項目順利完成，成為目前電解銅粉的主要生產商之一。2009年重慶華浩集團公司對電解銅粉進行擴產2000t，在其原有電解工藝、裝備上進行了較大改進，2010年6月投產試運行，取得良好的效果。2010年有研粉末新材料（北京）有限公司正在建設年產4000t的國內最大單體生產線，在電解工藝、生產裝備上進行了較大改進，可以降低能耗20%以上，預計7月份投產。

從1960年建立第一條電解銅粉生產線開始，經過近50年的發展，電解銅粉的產量由70t/a增加到2009年的20500t/a,增加了近300倍。表1為近50年我國電解銅粉的產量變化。從表中可以看出1960—1990年，年增長率為22%,平均不到4年電解銅粉的產量翻一倍；1990—2000年，年增長率為16%,平均每5年電解銅粉的產量翻一倍；2000年之后平均不到3年電解銅粉的產量翻一倍。這與我國經濟建設不斷加速是密切相關的，隨著我國成為世界制造基地，電解銅粉以及粉末冶金行業得到了飛速的發展。


目前我國電解銅粉的產量占全球第一，約占全世界產量的50%,生產廠家約有25家，分布在北京、上海、重慶、天津、甘肅等14個?。ㄖ陛犑谢蜃灾螀^），具有分布范圍廣、廠家多等特點。目前電解銅粉產量超過1000t的僅有5家，依次為有研粉末、金川集團、重慶華浩、蘇州福田（中日合資）、天津瑞爾普公司，其他公司的生產規模較小。

2.2電解銅粉的生產現狀

隨著粉末冶金行業的不斷發展，對于電解銅粉的要求也越來越高，粉末松裝密度從0.6g/cm3到3.0g/cm3,純度從99.5%到99.99%，不同行業用戶對于電解銅粉的要求不同，電碳行業要求具有良好的導電性和耐磨性，因此要求電解粉末表面積大、松裝密度低、具有好的成形性，這樣可以保證用盡量少的電解銅粉達到相同的導電性，提供更好的耐磨性［如圖2（a）所示］。粉末冶金零部件、冷壓金剛石工具行業需要電解銅粉好的成形性和壓制性，因此要求電解銅粉具有適中的松裝密度［如圖2（b）所示］。對于含油軸承用戶，要求具有較大均勻的孔隙、較好的流動性，因此需要較高的松裝密度、粒度較粗。


目前我國大部分生產企業的電解工藝電流密度較高、硫酸濃度較高等問題，導致生產中的電耗較高、個人操作環境差。有研粉末新材料（北京）有限公司優化電解工藝和電解液濃度，獲得較理想的電解工藝。電解銅粉的設備自動化自動化程度越來越高，在電解整流設備實現自動控制和節能設計，盡量降低能耗，提高整流效率。綜合以上，電解電耗降低15%以上，硫酸消耗降低20%以上。并發明了…種連續電解制粉方法及裝置，將產M提高10%以上，穩定了產品質量。此外有研粉末公司還在高純、低鉛、含有軸承專用銅粉等方面進行開發，制備出最低鉛含量為10x1（T6的電解銅粉，達到國外同類產品先進水平，成為國內銅粉產品系列最全的生產商。有研粉末公司在低松比銅粉進行開發，成功開發出0.6-1.0g/cm3的低松比電解銅粉生產工藝，基本完善了0.6?3.0g/cm3的電解銅粉系列化，并批量生產。天津瑞爾普公司開發了0.8?1.0g/cm3的低松比電解銅粉，已經批量生產。

重慶華浩公司在國內率先開發出自動刮粉轉制，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。

在電解銅粉生產工藝方面，目前主要是自耗性陽極電解工藝生產銅粉，2005年金川集團在國內率先建成第一條采用電積法生產銅粉，將濕法浸出的含銅溶液直接電解生產銅粉，年產量800t。

由于電解液的溫度為40~60含有一定的硫酸，因此對電解槽要求較高。目前通常采用PVC焊接的電解槽，存在耐溫性能差、易老化等不足，國內公司開發出大型免維護樹脂整體電解槽和輕型模壓樹脂整體電解槽，大大提高了電解槽的壽命。

電解銅粉的生產中需要使用大量的去離子水進行粉末的清洗，有研粉末新材料（北京）有限公司采用逆流洗滌的方法可以減少40%以上的用水量，提高了銅的回收率在99.8%以上，并申請專利。我國一些大的企業采用洗滌-過濾一體機進行電解銅粉的洗滌，也降低水的使用量。

在干燥還原工序，有研粉末公司在2006年率先使用烘干-還原一體化爐，進行銅粉的干燥、還原，替代原來的真空干燥，減少了生產工序、降低了生產成本。

對于銅及銅合金粉末的包裝，已經實現自動稱量、封口包裝等半自動化設備，有了較大的進步。

2.3電解銅粉的發展方向

電解銅粉生產工藝在節能環保和自動化生產方面進行了許多改進，但是同日本Nippon公司、Fukuda公司和意大利Pometon公司相比，還存在不小的差距。我們必須認識到自己的不足，在節能環保方面加大科技投人，爭取開發出“綠色電解銅粉生產工藝”，實現“零”排放。進一步開發電解銅粉生產中的自動化設備，提高產品的穩定性。

3霧化銅及銅合金粉末

3.1霧化銅及銅合金粉末的發展及現狀

霧化法是利用高壓介質（水、氣體）擊碎熔融銅液流得到的銅粉，又稱之為雙流霧化法，該方法屬于物理方法制粉。霧化法根據霧化介質的不同分為水霧化和氣霧化，其中氣霧化又分為惰性氣體（如氮氣）和空氣霧化。霧化法是用高壓水或高速氣體擊碎銅熔體液流的，而機械破碎法是借助機械作用破壞國體金屬原子間的結合，所以霧化法只要克服液體金屬原子之間的結合力就能使之分散成為粉末，因而霧化過程所需消耗的能量比機械破碎要小得多，是一種簡便、經濟的制粉方法。

1965年上海有色金屬加工廠采用熔體高壓霧化制備黃銅粉末，至今已有45年的歷史。經過不斷改進，目前采用的霧化工藝、裝備等方面有了很大提高。

隨著社會的不斷發展，對于銅及銅合金粉末的要求越來越多。在美國、日本等發達國家，霧化法制備銅及銅合金粉末的產量占60%以上，其中美國的比例達到85%以上，是目前銅及銅合金粉末制備的主要方法之一。而我國霧化銅及銅合金粉末的生產比例僅約占40%，同世界發達國家相比存在較大差距。

表2為近20年的霧化銅及銅合金粉末的產量。從表2中可以看出2009年較1990年霧化銅及銅合金粉末由1201t增加到了17500I,增加了近4.7倍。其中在1990年663粉末占霧化粉末的90%,為歷史最高比例。隨著人們環保意識的提高，663粉末的使用量不斷降低，因此霧化粉末的產量增加較慢。從表中可以看出1900—2000年，平均每年增長率僅為1.4%,增長速度緩慢，主要是常規663粉末的用量急劇下降，而其他代鉛合金粉末開發需要一個過程，因此這個階段產量增加緩慢；2000—2005年，霧化銅及銅合金粉末的產量增加了1.5倍，平均年增長率為30%；2005—2008年，霧化銅及銅合金粉末的產量增加了0.6倍，平均年增長率為21%。


目前我國霧化銅及銅合金粉末的產量17500t,生產廠家有50多家，分布在浙江、河北、北京、上海、重慶、天津、甘肅等20余個?。ㄖ陛犑谢蜃灾螀^）。目前霧化銅及銅合金粉末產量超過1000t的有7家，為中科銅都、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，其中最大的公司產量還沒有超過4000t，同國外的霧化粉末廠家相比，規模相對較小。有研粉末、重慶華浩、金川集團等大企業擁有電解和霧化兩種工藝。

3.2霧化銅及銅合金粉末的生產現狀

目前我國的霧化主要有水霧化和氣霧化兩種，由于霧化制備的粉末松裝密度較高，開發了一種水霧化+氧化還原工藝制造霧化銅粉（氧化還原銅粉），可以部分替代電解銅粉應用，國內該銅粉產量較小，若氧化嚴重再進行還原，可以大幅度降低松比，但是能耗較高等（如圖3所示），因此應優化霧化工藝（霧化壓力、水量等）或進行輕微的氧化還原，制備出低松比的霧化銅粉，降低生產成本、提高其成形性，是目前銅粉發展的一個方向。銅合金粉末方面，進一步提高產品質量穩定性，大力開拓市場，提高粉末冶金制品企業對霧化銅粉的認識和認可程度，不斷提高霧化銅粉和銅合金粉的市場份額。



國內在球形銅粉方面取得很大進步，可以制備出球形度較好的霧化銅粉，可以滿足熱管等產品的需求。但是我國在超細球形銅粉方面，裝置和工藝方面，同國外還存在較大的差距，這也是未來銅粉的一個發展方向。

針對金剛石工具行業用高性能胎體粉末，采用霧化法制備的預合金粉末有成分均勻可控、粒度細等優點，適合制備高性能的胎體粉末，如CuFe、CuFeZn等合金粉末。

3.3霧化銅及銅合金粉末的發展方向

國內的霧化水平提高非?？?，通過自主開發、引進國外先進設備與技術，目前國內的銅及銅合金粉末霧化制備技術同國外的差距快速縮小，正在成為一個主流制備工藝，其產品所占比例有了較大提高。但是在霧化技術、噴嘴設計和霧化設備上，同國外先進水平相比，還存在一定的差距。

4擴散型銅合金粉末

由于完全合金化粉末成形性差，而混合粉末容易產生偏析，因此開發出了擴散型銅合金粉末，該粉末具有成形性好、成分均勻一致等優點，目前廣泛應用于含油軸承、金剛石工具等領域（如圖4所示）。目前該粉末國內只有有研粉末公司生產，年產量約800t,已經達到國外SCM、Fukuda、nippon等公司同類產品水平。



5銅包覆粉末

由于銅價較高，導致含油軸承、金剛石工具廠家，提出了銅包鐵粉末部分替代銅粉，取得了一定的效果。國內進行銅包鐵粉末生產的廠家有近10家,其中重慶華浩最大，2008年產量達到2000t0銅包鐵粉末制備工藝采用鐵粉、硫酸銅置換生產的，廢液中含有大量的硫酸鐵，需要進行廢水處理。部分小企業為降低成本，直接將廢水進行排放，影響環境。

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。
由于對固體潤滑劑的要求越來越高，其中石墨是最普通的一種，但是由于石墨密度低，在混料過程中容易產生偏析，導致制品成分均勻性差，因此要求提供銅包石墨等粉末，該包覆粉末具有易于混料均勻、石墨結合強度高等特點，目前對其需求不斷增加。
由于包覆粉末的生產一般為濕法制備，產生的廢液需要進行處理，因此開發一種綜合利用、無污染的包覆粉末制備工藝是非常迫切的。

6建議

我國目前已經成為銅及銅合金粉末生產大國，但我們的技術、裝備、生產水平以及管理水平同美國、日本等發達國家相比，還存在很大的差距，為縮小差距，對今后我國有色金屬粉末的生產提出以下幾點建議：

(1)環保型生產，在有色金屬粉末生產過程中實現環保生產，避免對環境的破壞；
(2)綜合化生產，生產中綜合設計、開發生產工藝，可以綜合利用資源、降低生產成本；
(3)自動化生產，目前我國在粉末生產過程中的自動化程度較低，應加大這方面的投人，實現自動化生產，可以穩定粉末品質；
(4)快速研發機制的建立，加大研發投人、提高技術進步、降低生產成本，使技術、生產、使用三個環節有機地結合起來，加快生產技術的進步。

銅粉抗氧化處理的研究

電解液循環方式對電解能耗及銅粉性能的影響