粉末冶金基本知识篇

1粉末冶金基本知识篇绪论粉末冶金（也称金属陶瓷法）：制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金工艺：1）、制取金属、合金、金属化合物粉末以及包覆粉末；2）、将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。大概流程：物料准备（包括粉末预先处理（如加工，退火）、粉末分级、混合和干燥等）→成形→烧结→烧结后处理（精整、浸油、机加工、热处理、粉末冶金的特点：1.能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊性能的材料：①能控制制品的孔隙度(多孔材料、多孔含油轴承等)；②能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料（钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等）；③能生产各种复合材料。2.粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越：①高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好（粉末高速钢可避免成分的偏析）；②生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法（钨、钼、铌等难熔金属）。粉末冶金技术的优越性和局限性：优越性：1）、无切削、少切削，能够大量节约材料，节省能源，节省劳动。普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于5%。2）、能够大量能够制备其他方法不能制备的材料。3）、能够制备其他方法难以生产的零部件。局限性：1、粉末成本高；2、制品的大小和形状受到一定限制；3、烧结零件的韧性较差。常用粉末冶金材料：粉末冶金减摩、多孔、结构、工具模、高温和电磁材料。第一章：粉末的制取第一节：概述制粉方法分类：机械法：由机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学或电化学反应，生成新的粉态物质（气相沉积、还原化合、电化学发）。在固态下制取粉末的方法包括：有机械粉碎法和电化腐蚀法；还原法；还原-化合法。在气态制备粉末的方法包括:蒸气冷凝法；羟基物热离解法。在液态制备粉末的方法有:雾化法；置换法、溶液氢还原法；；水溶液电解法；熔盐电解法。从过程的实质看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而活的粉末。2第二节：还原或还原-化合法还原法：定义:用还原气体(固体)或活泼金属将氧化物还原制备粉末的过程。具体包括：气相还原法和碳还原法。前者分为气相氢还原（还原剂----氢气）和气相金属热还原（还原剂----低熔点、低沸点的金属如Mg、Ca、Na等）；后者举例：Fe2O3→Fe3O4→浮斯体(FeO•Fe3O4)→Fe。当然，用固体碳还原还可以制取钨粉，用氢或分解氨还原可制取钨、钼、铁、铜等，用钠、钙、镁等金属还原剂可制取钛、锆、铀等。影响碳还原铁氧化物过程和铁粉质量的因素：1）原料①原料中杂质:原料中杂质特别是SiO2的含量超过一定限度后，不仅还原时间延长，并且使还原不完全，铁粉中含铁量降低。因此，一般以铁磷或矿石作原料需要进行磁选。②原料粒度:多相反应与界面有关，原料粒度愈细，界面的面积愈大，因而促进反应的进行。所以，原料准备中一般要粉碎。2）固体碳还原剂①固体碳还原剂类型：还原能力：木炭焦炭无烟煤②固体碳还原剂用量：一定还原条件下，其用量主要依据氧化铁的含氧量来定。适宜的还原剂加入量：86%-90%3）还原工艺条件①还原温度和还原时间：随温度升高，还原时间缩短。②料层厚度：随着料层厚度的增加，还原时间随之增长。在料层0.6—3.6cm范围，还原时间增长与厚度增厚成直线关系，这是传热阻力增大的缘故。（装罐层装法→装罐环/柱装法）③还原罐密封程度的影响：保证一定的气氛（为保证有足够CO，一般要密封还原罐）。4）添加剂①加入一定的固体碳：碳加入方法：原料铁鳞或铁矿石与固体碳混合压团装入；原料与还原剂分层相间装入。生产上常采用后者。且加入适量固体碳可起疏松剂和辅助还原剂作用。②返回料的影响：加入一定量飞废铁粉，加速还原过程（主要缩短诱导期）。③引入气体还原剂：引入气体可使还原过程加速。④碱金属盐的影响：引入碱金属盐可使还原过程加速（Na2CO3，K2CO3等）。5）海绵铁的处理：还原退火处理作用：退火软化作用，提高铁粉的塑性，改善铁粉的压缩性；补充还原作用；脱碳作用，把碳含量降低到0.25-0.05%以下。复合型粉末：是指用气体或液体雾化法制成的完全预合金粉末、部分扩散预合金粉末以及粘附型复合粉末。补充：1、气体还原法：可作为还原剂的有氢、分解氨（H2+N2）、转化天然气（主要成分为H2和CO）、各种煤气（主要成分是CO）等。此方法制取的铁粉比用固相法制备的要纯。氢还原法制取铁过程：当氢还原氧化铁时，提高压力对还原是有利的，相当于提高温度来提高还原速度。或者说，当采用高压还原时，还原温度可以大大降低，还原所得的铁粉不会粘结成块。值得注意的是，在低温下所得的铁粉有自燃性，为防止氧化，要在常压下在保护气氛中加热到600—800℃，使铁粉被钝化3而失去自燃性。氢—铁法特点：1）、采用较低的还原温度和较高压力；2）、可利用粉矿；3）、所得的铁粉很纯，适合生产粉末冶金铁基零件；4）、所用的氢是将转化天然气中的CO转化成CO2除去后的转化氢；5）、还原后的气体带出一部分固体颗粒，由还原反应器顶部引入旋风收尘器内，大于325目的颗粒返回还原反应器。氢还原法制取钨过程：一般用分段还原法制取。影响钨粉粒度和纯度的因素：原料（WO3粒度、含水量、杂质）；氢气（湿度、流量和通氢方向）；还原工艺条件（温度、推舟速度、舟中料层厚度）以及添加剂。注意：粗颗粒钨粉通常采用一阶段直接还原法（1200℃）制取；中、细颗粒一般采用两阶段还原法。2、金属热还原法：主要应用于制取稀有金属，特别适用于生产无碳金属。还原—化合法：生产难熔金属化合物的方法：1、用碳（或喊碳气体）、硼、硅、氮与难熔金属直接化合；2、用碳，碳化硼、硅、氮与难熔金属氧化物作用而得碳化物、硼化物、硅化物和氮化物。第三节：气相沉积法物理气相沉积法：用物理方法（蒸发、溅射等），使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法。化学气相沉积法：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新材料，沉积到晶片表面上。气相沉积法用在粉末冶金中的有以下几种：1、金属蒸气冷凝：主要用于制取具有大蒸气压的金属（锌、镉等）粉末，这些金属的特点是具有较低的熔点和较高的挥发性；2、羰基物热离解：离解金属羰基化合物而制取粉末。不过，金属羰基化合物挥发时有不同程度的毒性，生产上应采取防毒措施；3、气相还原法：包括气相氢还原和气相金属热还原。前者主要是还原金属氯化物，制得粉末、合金粉和包覆粉末，一般是很细的或超细的；4、化学气相沉积（CVD）：是从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末和各种涂层（包括碳化物、硼化物、硅化物和氯化物等）的方法。第四节：液相沉积法定义：在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加入适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物再将沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的粉体颗粒。液相沉淀法在粉末冶金中的应用有以下几种：1）、金属置换法：制取铜粉、铅粉、银粉等。用一种金属从水溶液中取代出另一种金属的过程叫做置换。影响置换过程和粉末质量的因素有：金属沉淀剂、被沉淀金属等。2）、溶液气体还原法：主要是溶液氢还原法，可以制取铜粉、镍粉、钴粉，也可以制取合金粉（如镍-钴合金粉）和各种包覆粉（如Ni/Al等）。3）、共沉淀法制取复合粉：共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀。共沉淀法是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。共沉淀制取复合粉的方案：41.使基体金属和弥散相金属的盐或氢氧化物在某种溶液中同时均匀析出，后经干燥、分解、还原以得基体金属和弥散相的复合粉；2.将弥散相制得最终粒度，后悬浮在含基体金属的水溶液中作为沉淀结晶核心，待基体金属以某种化合物沉淀后，经干燥和还原就可得以弥散相为核心，基体金属包覆在外的包覆粉。第五节：电解法电解制粉可以分为：水溶液电解、有机电解质电解、熔盐电解和液体金属阴极电解。其中用的较多的是水溶液电解和熔盐电解。水溶液电解法：可以生产铜、铁、镍、银等。从粉末特性来看，电解法有一个提纯过程，因而所得粉末较纯；同时，由于电解结晶粉末形状一般为树枝状，压制性（包括压缩性和成形性）较好；电解还可以控制粉末粒度，因而可以生产超细粉末。水溶液电解基本原理——电化学原理电解：在直流电作用下，在电极上产生氧化与还原的过程。在阳极上失去电子，氧化反应，成为正离子；在阴极上金属正离子获得电子，还原成为金属原子。电解时，电能转化为化学能——作用与原电池相反。第六节：雾化法1.雾化法雾化法属于机械制粉法，是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法。又称喷雾法。可用于制取铅、锡、铝、铜、镍、铁、锌等金属粉末，也可制取合金粉末。液体金属的击碎包括制粒法和雾化法：1.制粒法（让熔化金属通过小孔或筛网自动注入空气或水中，冷却凝固后得到金属粉末，粒度较粗）-低熔点金属制取（铅、锡、锌等）；2.雾化法①二流雾化法，分气体雾化和水雾化；②离心雾化，分旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、旋转坩埚雾化；③其他雾化法，如真空雾化、油雾化等比较原理：二流雾化法是利用高速气流或高压水击碎金属液流的，而机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合，所以雾化法只要克服液体金属原子间的键合力就能使之分散成粉末，因而，雾化过程所消耗的外力比机械粉碎法小得多。根据雾化介质对金属液流作用的方式不同，雾化就有多种形式：平行喷射、垂直喷射和互成角度的喷射（V型、锥形和旋涡环形喷射）。其中互成角度的喷射最有意义。雾化机理分析：有物理—机械作用和物理—化学变化（具体分析见P95）。影响雾化粉末性能的因素：（1）雾化介质1）雾化介质类别：气体：空气和惰性气体等。空气-雾化过程氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属（如铜、铁和碳钢等）。惰性气体—减少金属液的氧化和气体溶解。液体：水2）气体或水的压力的影响：气体压力愈高，所得粉末愈细。（2）金属液流1）金属液的表面张力和粘度：在其他条件不变时，金属液的表面张力愈大，粉末成球形的愈多，粉末粒度也较粗；相反，金属液的表面张力小时，液滴易变形，所得粉末多呈不规则形状，粒度也减小。减小金属的粘度，促进液滴球化。52）金属液过热温度：在雾化压力和喷嘴相同时，金属液过热温度愈高，细粉末产出率愈高，愈容易得球形粉末。3）金属液流股直径：当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多。（3）其他工艺因素1）喷射参数：金属液流长度、喷射长度、喷射顶角等对不同的体系，适当的喷射顶角一般都通过试验确定。2）聚粉装置参数的影响：液滴飞行路程较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。气雾化和水雾化的区别：粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。另外，对于水雾化而言，由于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化大大减少，可以用于制取铁、低碳钢等。但目前还不适用于活性很大的金属或合金、超合金等。且，由水雾化制取铁粉和合金钢粉工艺中发现：由于水比气体的粘度大且冷却能力强，水雾化法特别适用于熔点较高的金属与合金以及制造压缩性好的不规则形状粉末。2.离心雾化法利用机械旋转的离心力将金属液流击碎成细的液滴，然后冷却凝结成粉末。3.快速冷凝技术（RST）主要特点：（1）急冷可大