金属成型新思路：图解粉末冶金八大工艺家族

粉末冶金（Powder Metallurgy，简称 PM）是一类“先成形、后烧结”的近净成形金属制造路线：将金属或合金粉末压制成预定形状（绿坯），随后在低于其完全熔点的温度下于受控气氛中烧结，使颗粒发生扩散、颈部长大与冶金结合，从而获得具有所需尺寸精度、机械性能与功能特性的零件。

粉末冶金基本工艺流程。来源：elmettechnologies 

与金属成型传统三件套（铸造、锻造、机加工）相比，粉末冶金具有这些核心吸引力：

材料利用率高（可达≥97%）：切屑极少，减少废料成本与碳足迹。

近净成形：减少或免机加工；复杂齿形、台阶、多孔结构可一次成形。

图片来源：hoganas

可控孔隙：例如自润滑含油轴承、过滤元件。

多材料/梯度结构：不同粉末共压、共烧结，或后续渗入形成复合结构。

批量一致性与自动化：模具化、压制节拍快，适合中高产量。

图片来源：MPP

低能耗、低排放：无需全量熔炼；多路线可兼容再生粉末，符合可持续发展。

设计自由度提升：尤其与仿真、增材、后处理结合，支撑轻量化与一体化设计。

粉末冶金“工艺家族”

粉末冶金涵盖多种粉末成形、致密化与后处理技术的工艺体系。根据成形动力（机械压力、等静压、注射、喷射、层积）以及烧结致密化方式（固相、液相、热等静压、快速烧结等）的不同，主要分为八大类：

常规压制‑烧结

粉末锻造

金属注射成形

冷 / 热等静压

金属增材制造

喷射成形

辊轧压片

快速凝固粉末

常规压制‑烧结

最经典、最成熟、自动化程度高的 PM 批量生产路线。干燥粉末（往往含润滑剂、石蜡或锌硬脂酸盐）在刚性钢模中单轴压制成绿坯，再在受控气氛炉（氮氢混合、裂解氨、惰性或真空）中于固相线以下温度烧结，颗粒通过扩散、孔隙收缩形成冶金连接。

粉末混料 → 计量充填模腔 → 单/双向压制（机械或液压）→ 顶出脱模→ 去润滑升温段 → 保温烧结（固/液相烧结）→ 冷却卸出 → 必要后处理（校形、再压、浸油、热处理、机加工、表面涂层）。

工艺优点

中高产量成本低，节拍可达数件/秒级。

模具化确保批量尺寸一致性；适合自动送料、自动顶出。

可直接成形齿形、键槽、多层阶梯结构，后加工极少。

可保留一定连通孔隙，制成含油自润滑轴承或过滤元件。

工艺局限

厚度方向密度梯度（尤其厚径比大时），影响力学性能与尺寸稳定性。

受

单轴压制限制，倒扣及复杂三维内腔需分件、后加工或转其他工艺。

致密度中等（一般 85–95% 理

论密度；经再压、渗碳、热处理可提升）。

适用材料

铁基（Fe‑Cu、Fe‑C、合金钢粉）、不锈钢粉、铜基、青铜、软磁铁粉、硬磁粉、铁‑磷、铁‑钼系、钼或碳化物复合。低熔点金属（Sn、Zn）亦可。

典型应用

行星齿轮架、同步器部件、含油轴套、齿轮、锁芯零件、电动工具零件、家电传动齿轮、压缩机连杆小件、汽车 ABS 齿圈、磁轭。

微型粉末冶金齿轮、定位环、带扣内芯、磁路元件（用于自动上链机构或磁吸充电接口中的软磁座），在高产量、成本敏感的手表配件中已有成熟应用；。

粉末锻造

介于常规 PM 与传统锻造之间的高致密度路线。在锻压力下孔隙闭合并焊合，从而达到接近或等同锻件的致密度与力学性能。

粉末配制 → 压制绿坯 → 初烧结稳固组织 → 加热至锻造温区（如 Fe 基 1050–1150 °C）→ 模锻成终形 → 二次烧结或热处理（淬火/回火/渗碳）→ 精整、机加工。

工艺优点

致密度高，可达或接近 100% 理论密度，机械性能接近锻件。

通过预成形可减少锻料体积、缩短锻程，节材节能。

可在预成形阶段集成复杂轮廓，降低后续机加量。

工艺局限

工艺链长：需 PM + 锻造双套装备。

模锻冲击力大，模具成本与维护高。

对批量和零件尺寸有经济临界；小批不经济，大件模具风险高。

适用材料

铁基结构钢粉、合金钢、Ni‑Mo、Cr‑Mo、Fe‑Cu‑C、马氏体或沉淀硬化不锈钢、某些铜基高强合金。

典型应用

汽车发动机连杆（经典）、齿轮毛坯、曲柄部件、高负荷机械零件。

金属注射成形（MIM）

MIM 是“塑料注塑工艺 + 粉末冶金烧结”的组合技术。将超细金属粉末与热塑性/蜡基粘结剂配制成喂料，通过注塑机射入金属模具腔形成“生坯”。随后经化学或热脱脂去除粘结剂，再在高温气氛中烧结致密化并体积收缩，得到接近实致密的金属零件。

超细粉末与粘结剂混炼造粒 → 注射成形（多腔可批量化）→ 脱脂（溶剂、催化酸、热脱脂分段进行）→ 高温烧结（真空或惰性/还原性气氛）→ 尺寸回弹与收缩补偿 → 必要整形、热处理、表面精饰（抛光、电镀、PVD）。

工艺优点

极高形状自由度，可成形复杂三维细节、倒扣、内孔、细齿。

尺寸精度高（±0.3% 级），表面较致密，适合后续抛光或电镀。

机械性能可接近或达到同成分锻材（视致密度与热处理）。

多腔模具可实现百万件级年产量，单件成本快速下降。

工艺局限

前期模具开发费用高；适合中高产量。

脱脂+烧结周期长，制程窗口窄，良率需经验积累。

超细粉末成本高，对粉末氧含量、颗粒形貌敏感。

适用材料

17‑4PH、316L、440C 等不锈钢；低合金钢；钛及钛合金（需控氧）；超合金；钴铬；软磁铁粉；钨重合金；。

典型应用

医疗器械微刀具、腔镜手术钳臂、手机卡托/转轴、不锈钢锁定件、枪机零件、牙科矫治器支架、汽车感应器壳体。

MIM 已成为高端与大众腕表金属小件的主力工艺之一。

MIM成型工艺制造的表盘（来源：mimfactory）

冷 / 热等静压（CIP / HIP）

等静压通过向各方向同时施压，解决单轴压制造成的密度不均问题，尤其适合大尺寸、高均匀性或异形件。CIP 在室温下进行；HIP 在高温高压气氛中兼顾烧结与致密化。

冷等静压（CIP）

粉末装入柔性模袋（橡胶、聚氨酯或金属薄壳）→ 真空抽气封口 → 将模袋置入充液或充水的高压筒 → 施压（常 100–400 MPa）→ 坯体致密均匀 → 卸压取出 → 去袋 → 烧结 → 必要机加或再加工。

优点：各向同压，密度均匀；可制超大直径棒、筒、环或复杂预成形；模袋成本低，适合试制与中等批量；可为 HIP 或机加工坯料做前道。

局限：坯体强度低易损；尺寸精度一般，需烧结后机加工；单件周期较长。

热等静压（HIP）

预制（烧结坯或装粉金属包套）→ 真空抽气/封焊 → 置入 HIP 炉 → 惰性气体（Ar）同时升温升压（1200–2000 °C / 100–200 MPa，视材质）→ 孔隙闭合完全致密 → 冷却卸压 → 去包套或机加工精整。

优点：理论密度接近 100%；消除铸件微缩孔、提高疲劳强度与断裂韧性；透明陶瓷、超合金、难烧结材料可依赖 HIP 获取最终性能；亦可用于扩散连接。

局限：设备昂贵，批次炉装限制尺寸；包套制备与后剥离增加成本；循环周期长。

适用材料

高温合金、马氏体不锈钢、工具钢、钛合金、难熔金属（W、Mo）、硬质合金、透明陶瓷预制体、SiC/SiC 复合、磁性合金、粉末高速钢。

典型应用

航发涡轮盘与叶环、深海阀体、耐磨阀球、核燃料包壳组件、模具钢致密块材、透明装甲窗坯。

钛合金或高硬度不锈钢表壳毛坯的高致密化（小批定制，高端定制表）。

增材制造

基于数字化分层制造理念，逐层堆积材料构建实体零件，避免传统模具与切削路径。增材与粉末冶金紧密相关：绝大多数金属增材技术使用金属粉末作为母材，并在固‑液相短程熔池或固态烧结中实现冶金结合。

金属增材制造全景图（图源：AMPOWER）

常见子技术

粉床熔融（PBF-L / PBF-EB）：激光或电子束逐层熔化选区粉末；精度高，适合复杂内部通道。

粘结剂喷射（Binder Jetting）」：打印粘结剂“粘”住粉末，后续脱脂‑烧结（工艺路径与 MIM 类似）；批量化潜力大。

定向能量沉积（DED / LENS）：粉末或丝材在熔池中与基材同熔增材，适合修复与功能梯度堆焊。

金属浆料挤出 / FDM 类路线：经济、桌面级，尺寸精度需后烧结补偿。

工艺流程（以粉床激光熔融为例）

来源：malvernpanalytical

粉末制备与分级 → 切片编程 → 铺粉 → 激光/电子束选区熔融 → 层层堆积 → 去支撑 → 热处理/应力消除 → 表面加工 / HIP 提升性能（可选）。

工艺优点

无模具、复杂拓扑内部结构轻松实现（冷却通道、蜂窝支撑）。

设计更改即时；适合快速迭代、小批定制、高复杂低产量件。

工艺局限

打印速率相对慢；粉末成本高。

残余应力、表面粗糙、内部缺陷需后处理（HIP、加工、抛光）。

大批量件的经济性尚需比较；对质量体系要求高（航空医疗需认证）。

适用材料

不锈钢、钛合金、铝合金、高温镍基合金、钴铬、冷作模具钢、马氏体沉淀硬化钢、铜合金（需高功率激光）。

典型应用

定制医疗植入物、拓扑优化航空结构、散热复杂的电子冷板、燃油喷嘴、轻量化支架、复杂流道工具钢模具。 增材制造正在解锁前所未有的表壳与骨架结构：

来源：autodesk

Apiar 金属增材制造表盘

喷射成形

喷射成形位于传统熔炼与粉末冶金之间：金属熔体经高速气雾化，生成半固化细小液滴流，定向沉积到旋转基体或移动基板上，液滴在撞击时部分固化/焊合形成致密沉积坯。所得组织细腻、成分均匀、缩孔少，可视为“原位制粉 + 快速沉积”的一体化工艺。

来源：monroeengineering

冶炼合金熔体 → 通过喷嘴雾化（气雾/等离子）→ 半固化液滴射流 → 沉积于基材/收集鼓 → 快速凝固形成沉积筒/板坯 → 坯锻/挤压/轧制 → 热处理 / 机加工。

工艺优点

合金化灵活，可制传统铸造难以获得的高合金、高合金均匀度材料（高速钢、Al‑Si 重合金）。

气孔低、偏析小；组织快速凝固细化，性能优于常规铸锭。

沉积形状（筒、环、板）可直接进入热加工路线，缩短流程。

工艺局限

装备复杂、投资大；生产窗口窄，对操作经验敏感。

沉积坯几何精度有限，仍需后续机械整形或热加工。

对氧控制要求高，特别是活泼金属（Ti、Al）。

适用材料

高速工具钢、快速凝固铝合金、镍基超合金、铜基高导材料、粉末冶金高速钢前驱体、金属基复合材料（可在线加入颗粒）。

典型应用

航空盘环毛坯、模具钢坯料、高速钢棒材、铝铸活塞用 Al‑Si 合金前体、功能梯度复合沉积件。

特殊高合金装饰钢（花纹、耐蚀）、轻质高硅铝沉积坯后加工为表壳；目前尚属实验及小众定制领域。

辊轧压片

将金属粉末连续送入一对对辊之间，借助辊缝压力形成粉末带材（green strip），随后经烧结、（热）轧制、退火等工序获得薄带、箔材或层叠复合板。适用于需要粉末冶金成分灵活性但形状为板/带的材料体系。（有点像做面条机）。

来源：freundglobal

粉末计量喂料 → 辊间压实成粉带 → 预烧结固化 → 多道次热轧/冷轧致密化与定厚 → 热处理 / 表面处理 → 卷材/片材切裁。

工艺优点

连续化生产效率高，适合长幅带材与卷对卷加工。

合金成分可分层调控，利于双金属、电阻材料、钎料基带制备。

后续轧制可获得细晶强化与精准厚度控制。

工艺局限

初始带材孔隙较大，需多次轧制与烧结；工艺链长。

仅适合板/带形制品；复杂 3D 结构需后续冲压或二次成形。

适用材料

不锈钢粉、镍基钎料粉、铜基电阻合金、软磁铁粉、硬质合金薄带、银钯厚膜材料前驱体。

典型应用

粉末冶金不锈钢带材、钎料箔、电子厚膜电极载体、软磁叠片、燃料电池双极板前驱带、耐磨覆层复合板。

快速凝固粉末

快速凝固通过极高冷却速率（10³–10⁶ K/s）将熔体雾化成细小粉末，使合金中易偏析元素固溶过饱、组织超细、化合物弥散均匀；随后走 PM 压制‑烧结或 HIP 致密路线，从而获得传统铸造无法实现的高性能材料（如高速钢、铝基高合金、超耐蚀粉末冶金不锈钢）。

来源：.fukuda-kyoto.

高纯熔炼 → 气雾/水雾快速凝固制粉 → 筛分、脱氧、包封 → CIP / 压制 → 烧结或 HIP → 热加工（锻、轧）→ 热处理 → 成品。

工艺优点

组织超细、碳化物弥散；高强高韧并存；

可制传统铸造偏析严重的超高合金（高钒、粉末高速钢、马氏体不锈钢变体）；

良好加工性与耐磨性平衡。

工艺局限

制粉装备与保护气氛要求高；成本显著高于常规钢；

粉末流动性与包装安全（可燃粉末）需严格控制；

批量有限，主要面向高端刀具、模具与特种领域。

适用材料

粉末高速钢（M390、CPM 系列）、粉末冶金不锈钢（粉末 S90V 等）、高合金工具钢、Al‑Li、Al‑Si‑Fe 超高硅铝、耐蚀镍基与钴基超合金粉。

典型应用

高端切削刀具、模具钢、航空紧固件、高性能齿轮、耐磨喷嘴。

如何快速选择？

在决定某个新零件是否采用粉末冶金、以及选择具体 PM 子工艺时，可用综合考虑：几何复杂度、零件尺寸、批量规模、性能/致密度需求、成本目标等五个维度。比如几何简单 + 大批量 + 成本敏感可选用常规压制‑烧结。微小且形状复杂 + 外观要求高可优先考虑 MIM。只要零件满足“高批量或高复杂 / 需节材 / 需功能孔隙 / 需多材料集成”中的任一条件，都值得把粉末冶金放进早期设计选项清单。

声 明：文章内容来源于CMF产品视觉体验。