粉末冶金,第三章,粉末性能及其测定

第二章粉末的性能及其测定商洛学院：常亮亮12.1粉末体和粉末颗粒2.1.1粉末体和粉末颗粒粉末冶金的原材料是粉末，粉末与粉末冶金制品或材料同属于固态物质，而且化学成分和基本的物理特性（熔点，密度和显微硬度）基本保持不变。但就分散性和内部颗粒的联接性而言，通常可以把固态物质按分散程度不同分为致密体，粉末体和胶体三类。2019-12-1823微米级人造金刚石微粉（单晶）陶瓷氧化铝微粉（YPA）机械合金化制备纳米WC-Co复合粉末4粉末体：简称粉末，是由大量颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。致密体则是一种晶粒集合体。致密体内没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联接；粉末体内颗粒之间有许多小孔隙而且联接面很少，面上的原子间不能形成强的键力。所以，粉末体不像致密体那样具有固定形状，而表现出与液体相似的流动性，然而由于粉末体在移动时，颗粒之间有相互的摩擦，故粉末的流动性是有限的。单颗粒：粉末中能将其分开并可独立存在的最小实体称为单颗粒。单颗粒如果以某种方式聚集就构成所谓的二次颗粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。一次颗粒之间形成一定的粘结面，在二次颗粒内存在一些微细的孔隙。一次颗粒或单颗粒可能是单晶颗粒，普遍情况下是多晶颗粒，但晶粒间不存在空隙。6二次颗粒是由单颗粒以某种方式聚积而成，通常由化合物的单晶体或多晶体经分解，焙烧，还原，置换或化合等物理化学反应并通过相变或晶型转变而形成；也可以由极细的单颗粒通过高温处理（如煅烧，退火）烧结而成。二次颗粒又称为聚合体或凝集颗粒。2019-12-187颗粒还可以是团粒和絮凝体聚集。团粒：所谓团粒是由单颗粒或二次颗粒靠范德华引力粘结而成的，其结合强度不大，用研磨、擦碎等方法或在液体介质中就容易被分散成更细的团粒或单颗粒。絮凝体：则是在粉末悬浊液中，由单颗粒或二次颗粒结合成更松散的聚合颗粒。2019-12-1889二次颗粒示意图a—单颗粒b—二次颗粒a2—一次颗粒c—晶粒一次、二次颗粒内部都可能存在孔隙a粉末体示意图可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团颗粒之间存在孔隙粉末颗粒结构示意图10孔隙晶粒单颗粒单颗粒团粒或者聚合体按ISO3252定义，晶粒（c）、颗粒（a2、a）、聚合体或团粒（b）的区别如右图所示。团粒或者聚合体是由颗粒和颗粒间的孔隙构成的，习惯上也把聚合体称为颗粒。2.1.2粉末颗粒结晶构造和表面状态由于粉末生产过程不能提供使晶体充分生长的条件，造成颗粒外形和晶型不一致。制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起着主要作用。一般粉末颗粒具有多晶结构，而晶粒大小取决于工艺特点和条件，对于极细粉末可能出现单晶颗粒。粉末颗粒实际构造的复杂性还表现为晶格的严重不完整性，即存在许多结晶缺陷，如空隙、畸变、夹杂等。所以粉末总是贮存有较高的晶格畸变能，具有较高的活性。11♫粉末颗粒的表面状态是十分复杂的，一般粉末颗粒越细，外表面越发达。同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也就相当大。外表面是可以看到的明显表面，内表面则包括裂纹、微缝以及与颗粒外表面联通的空腔、空隙等，但不包括封闭在颗粒内的潜孔。一般多孔性颗粒的内表面要比外表面大几个数量级。122.1.3.粉末性能粉末具有各种性能特征。严格来说，粉末体的性能介于致密体和胶体之间。而非常微细的粉末，如纳米粉末，就具有一些与常规粉末体包含的各种性能特征不同的某些异常性能，因此赋予纳米材料许多新概念和新理论。常规粉末体的性能包括了单颗粒的性能和团粒的性能。金属粉末的性能通常包括物理性能、化学性能和工艺性能。决定这些性能的有两个方面：一是自然界物质品种本身所特有的；二是由得到粉末体的各种生产工艺及其工艺参数所决定的。由物质品种不同所决定的性能包括：①晶体结构，如BCC、FCC或HCP晶体结构；②理论密度；③熔点；④塑性、弹性、电磁性等。由粉末生产方法及工艺参数所决定的，包括粉末颗粒大小、粒度组成、颗粒形状，粉末体密度(如松装密度、摇实密度)，孔隙度，比表面和表面状态，显微结构，点阵缺陷，颗粒内气体含量，吸附气体量，表面氧化膜厚度，粉末活性等。2019-12-1814♫粉末的化学成分主要是指粉末中金属或合金组元的含量和杂质的含量。金属粉末中金属或合金组元不能低于98%～99%。如我国国标中还原铁粉总铁含量不低于98%～98.5%。2019-12-18152.2金属粉末的取样和分样粉末冶金生产过程中，粉末以kg或t来计量，而检测所需样品只有几g或几mg，其性能要代表该批粉末的性能。取样标准：国际：ASTM（AmericanStandardoftestingManual)标准中国：GB5314-85取样方法：a.如整批粉末装在一个大型容器中，并通过一个孔口连续流出，从粉末流的横截面上取3次样，一次在装料容器装满一半时，第二次是大容器中剩一半时，第三次是最后一个装料容器一半满时，将3次样品混合。b.按表2-1进行c.Thieves仪器表2-1取样参考表图2-2插入式取样器(a)松散粉末;(b)流动粉末图2-3分样器2.3化学检验化学检验是检测粉末中金属和杂质的含量，采用四分法或滑槽式分样器制样后进行，检测执行标准是：国际：ASTM（AmericanStandardoftestingManual)标准中国：GB5314-85杂质来源：a.与主金属结合形成固溶体或化合物的金属或非金属；b.机械夹杂（SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属碳化物等酸不溶物）；c.粉末表面吸附的氧、水蒸气、氮、二氧化碳等；d.制粉工艺带入的杂质（氢、碳等）。a.氢损测定定义：把金属粉末混合后，在氢气流中煅烧足够长的时间，粉末中的氧被还原成水蒸气，某些元素（C、S）与氢生成挥发性化合物与挥发金属（Zn、Cd、Pb)一同排出，然后测得金属粉末质量的损失。此时的氢损值接近粉末中可测的氧含量。如果在实验条件下，还存在没有被氢还原的氧化物（Al3O2、CaO等），则氢损值低于实际氧含量；如果存在与氢形成挥发性化合物的元素（C、S）或存在挥发金属（Zn、Cd、Pb)时，则氢损值高于实际氧含量。煅烧时间：Fe粉1000~1050℃1h；Cu粉875℃0.5hA——粉末加烧舟的质量；B——煅烧后残留物加烧舟的质量；C——烧舟的质量。表2-2氢损实验的还原温度和时间b.滴定法滴定法是在氢损法的基础上进行了修改，该法避免测定C、S或挥发金属，只测加热的氢气流产生的水蒸气量。测定过程：采用一个较小的、单独用途的石墨坩埚，在2000℃温度下熔化样品，并用惰性气体保护，样品中的氧以CO形式释放出来，用红外线吸收法测定氧。或氧被转换成CO2，通过热导率差异来测定。c.酸不溶物法流程：试样→无机酸溶解→过滤不溶物沉淀→煅烧沉淀→称重→计算酸不溶物含量（不包括挥发的不溶物）无机酸：不同粉末用不同酸（铁粉用盐酸，铜粉用硝酸）不溶物：硅酸盐、氧化铝、泥土、难熔金属等不溶物来源：原料、炉衬、燃料2019-12-18232.4粉末颗粒的形状在粉末的物理性能中，除了粉末粒度和粒度分布外，粉末颗粒的形状也十分重要。粉末颗粒形状直接影响其工艺性能参数，对成形和烧结过程产生影响。粉末形状和生产粉末的方法密切相关。一般来说，某一种生产方法基本上决定了该粉末的颗粒形状。粉末生产中，一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时，粉末颗粒形状趋于球形；由固态转变为粉末时，粉末颗粒形状趋于不规则形。水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状，如表所示。表2-3颗粒形状与粉末生产方法的关系颗粒形状粉末生产方法颗粒形状粉末生产方法球形气相沉积，液相沉积树枝状水溶液电解近球形气体雾化，置换(溶液)多孔海绵状金属氧化物还原片状塑性金属机械研磨碟状金属旋涡研磨多角形机械粉碎不规则形水雾化，机械粉碎，化学沉淀颗粒的形状是指粉末颗粒的几何形状。颗粒形状可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类。如图所示为常见粉末颗粒形状。粉末颗粒形状2019-12-1826图2-5粉末颗粒形状2019-12-1828♪粉末粒度的测定和表示：表面形状因子、体积形状因子和比形状因子。♪例如：直径为d的均匀球体，其表面积和体积分别为S=πd2和V=πd3/6，其中的系数π和π/6就称为球的表面形状因子和体积形状因子。♪对于任意形状的颗粒，其表面积和体积可以认为与某一相当的直径的平方和立方成正比，而比例系数则与选择的直径有关。♫粉末颗粒形状对其工艺性能的影响：①表面光滑的球形粉末，流动性好，松装密度高，在相同压制条件下，压坯密度高。多角形和树枝状粉末则较差。②形状复杂的粉末流动性比球形粉末差，但粉末之间机械啮合力增高，所以在相同压力下，树枝状粉末压坯强度高，片状和球形粉则较差。③一般能提高压坯强度的粉末，压坯脱模后弹性后效减小。在烧结时，粉末颗粒形状复杂，表面粗糙，压坯中粉末颗粒接触紧密的，能够促进烧结。反之，颗粒形状简单，表面光滑，颗粒之间接触不良的粉末压坯，如球形和片状粉末，烧结性较差。2019-12-18302.5粉末的粒度及其测定2.5.1粒度和粒度组成♫粉末粒度是粉末物理性能中的重要参数之一。对于粉末体而言，粉末粒度通常指颗粒平均大小。粉末颗粒大小按尺寸可以粗略的分为以下5个等级：♫粗粉150～500μm；♫中等粒度粉40～150μm；♫细粉10～40μm；♫极细粉0.5～10μm；♫超细粉0.5μm；2019-12-1831♫而超细粉又可以分为以下3个等级：♫微细晶粉末0.4～0.8μm；♫超细晶粉末0.1～0.4μm；♫纳米粉末0.1～100nm。2019-12-1832♫纳米粉末具有许多异常性能特点。在20世纪90年代，对纳米粉末诸多自然现象及其应用投入了大量的研究，产生了包括纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械学等纳米科学和纳米技术。♫粉末冶金用铁粉，使用最多的是中等粒度粉末(40~150μm)和部分细粉末(10～40μm)。在实际生产中，常用标准筛分析法测定粉末颗粒的大小。♫用直径表示颗粒大小称为粒径和粒度。由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径，因此又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表征粉末颗粒大小的状况，称为粒度组成，也叫粒度分布。♫因此，粒度仅指单颗粒而言，粒度组成则针对整个粉末体。331、粒径基准●用直径表示的颗粒大小称粒径。规则粉末颗粒可以直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径—最简单和最精确。●近球形、等轴状颗粒，用最大长度方向的尺寸代表粒径，误差也不大。●大多数粉末颗粒，形状不对称，仅用一维几何尺寸不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高三维尺寸的某种平均值来度量。2019/12/1834几种粒径基准：（1）几何学粒径dg：用显微镜按投影几何学原理测得的粒径称投影径。●二轴平均径：1()2lb1()3lbt3(1/)(1/)(1/)lbt●三轴平均径：●加和（调和）平均径：●几何平均径：1/2(222)/6lbbttl●体积平均径：3/()lbtlbbttl2019-12-1835名义粒径：根据与颗粒最大投影面积f和颗粒体积V相同的矩形、正方形或圆、球的边长或直径来确定颗粒的平均粒径，称为名义粒径。①外接矩形名义径：（Lb）1/2②圆名义径：（4f/π）1/2③正方形名义径：f1/2④圆柱体名义径：（ft）1/3⑤立方体名义径：V1/3⑥球体名义径：（6/πV）1/32019/12/1836（2）当量粒径de用沉降法、离心法或水力法等测得的粉末粒径。物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律的同质球形粒子的直径。●体积当量径volumeequivalentdiameter如V粉(体积)=V球(体积)；D粉=D球；V球=（/6）d3球d球=(6V/)1/3=d粉测出粉末体积,能够换算出粉末的颗粒粒径；●面积当量径areaequivalentdiameter当S粉(投影面积)=S球(投影面积),D粉=D球S球=（/4）d2圆d圆=（4/）s1/2圆=d粉2019/12/1837（3）比表面粒径dsp利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积（4）衍