《粉体制备技术》单元设计11-粉末性能测试

《粉体制备技术》课第11单元课程单元教学设计（2012～2013学年第二学期）单元名称：粉末冶金基础实验所属系部：冶金与建筑工程系制定人：李国平合作人：制定时间：2013.07.06莱芜职业技术学院1《粉体制备技术》课程单元教学设计单元标题：粉末冶金基础实验单元教学学时6在整体设计中的位置第11次授课班级上课时间周月日第节至周月日第节上课地点教学目标能力目标知识目标素质目标1、熟悉粉末性能检测工艺流程2熟练使用各种检测设备3熟练掌握各实验操作要点或注意事项4、掌握数据处理方法掌握粉末化学、物理、力学性能检测方法能够从事粉末冶金制粉企业的产品检验、质量管理与企业标准化管理。能力训练任务任务1、金属粉末的性能任务2、金属粉末性能检测2本次课使用的外语单词无案例和教学材料（指教材或讲义、课件、参考资料、仪器、设备等）案例1.××（摘自××）案例2.×××案例3.×资料。仪器、设备。3附件：教学教案项目五：粉末冶金基础实验指导教师：李国平莱芜职业技术学院冶金与建筑工程系2013.07.064任务1：金属粉末的性能基本知识：（1）了解金属粉末的化学成分基本内容（2）金属粉末物理性能指标（3）金属粉末工艺性能指标能力培养目标：掌握金属粉末的性能包括哪些方面及指标，每个指标的测试方法及使用仪器设备等，能够在粉末冶金制粉厂从事产品、质量控制与管理以及标准化管理等。粉末是制取粉末冶金材料和制品的原料，粉末的纯度和性能对制品的成形、烧结及产品的最终性能都有直接的影响。自然界的物质，按物态可以分为固态、液态、气态；按分散程度又把固态物质分为致密体、粉末体和胶体。粉末体的一些性能介于致密体和胶体之间，通常把粒度为0.1～1000μm的粒子称为粉末颗粒。由大量粉末颗粒组成的聚合体称为粉末体，简称粉末。在粉末中，粉末颗粒之间的接触面积是很小的，存在着大量的孔隙。粉末颗粒又可以分为单颗粒（一次颗粒）和团粒（二次颗粒），如图5-1所示。图5-1粉末颗粒结构示意图a-单颗粒；b-团粒①-团粒中的单颗粒；②晶粒；③孔隙粉末中能分开独立存在的最小实体称为单颗粒，多数场合下，颗粒与邻近的颗粒黏附，并且有时形成链状或更多复杂的形状。单颗粒以某种方式聚集，就构成所谓团粒。金属或合金粉末与金属或合金一样都具有自己的性能。严格来说，金属粉末的性能包括单颗粒的性能与团粒的性能。单颗粒的性能与粉末材料类别与其生产方法有关。由粉末材料所决定的单颗粒性能有晶体结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、纯度及夹杂物等。由粉末生产方法所决定的性能有：颗粒大小、颗粒形状、密度、孔隙度、表面状态、显微结构、点阵缺陷、颗粒内气体的含量、表面氧化膜的厚度和粉末的活性等。粉末性能从使用角度出发可以分为化学性能、物理性能和工艺性能。工艺性能是一种综合性能，与化学性能、物理性能都有关。化学性能主要是指化学成分，如铁粉，其化学成分包括铁、杂质、夹杂物以及化合状态、吸附状态或溶解状态存在的气体含量。物理性能包括颗粒的形状与大小、平均颗粒大小、粒度分布、颗粒的密度和表面、比表面、显微结构和活性等。工艺性能是指松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性等。1.1金属粉末的化学成分（一）铁粉杂质含量与制造方法的关系5铁粉的化学成分主要取决于所用的原料的化学成分与制造方法。羰基铁粉、用氢还原纯氧化铁制造的铁粉、电解铁粉、用氢还原氯化铁制造的铁粉纯度都较高。雾化铁粉的杂质大部分来源于原料、炉衬材料、漏包材料、铁水包材料及在雾化过程中铁粉颗粒表面的氧化。硅是铁粉中要特别注意的杂质，对于用铁鳞或铁矿粉还原法制造铁粉尤需重视。铁粉中的硅有两种方式存在，一种是溶解在铁中的硅，另一种以SiO2状态存在。（二）铁粉中的锰、硫、磷、碳、SiO2等对铁粉质量的影响①锰的影响。铁粉中的含锰量与所用的原料有关。用轧钢铁鳞和用精矿粉作原料时，前者的含锰量远比后者高。含锰量较高时，使铁粉的压缩性变差。所以铁粉的含锰量力求低一些为好。也有人认为铁粉中的锰除特殊用途外，一般并没有大的害处，认为含有一定量锰的铁粉做成的零件，在烧结后可提高零件的力学性能，特别是需要热处理的零件。锰的存在能显著提高其淬透性。②硫、磷对铁粉质量的影响。铁粉中的硫、磷含量一般要求越低越好。在制造烧结机械零件时，视用途不同而适当加入硫和磷。如制造铁基减摩材料和易切削零件时，加入少量的硫是有益的，但制造需热处理的粉末冶金零件及电焊条用铁粉时，则铁粉的含硫量应严格控制。在制造铁基结构零件时，为提高零件的密度与强度，可加入少量的磷。③碳的影响。铁粉中的碳一般是呈Fe3C形式存在，若铁粉含碳量高则铁粉的压缩性变差。另外，铁粉中的含碳量高时，制品的烧结收缩大。所以生产中铁粉的含碳量要严格控制，越低越好，特别是用作磁性材料时要求更严。④SiO2的影响。在用铁鳞或铁精矿粉还原法制取的铁粉中，往往含有SiO2、Al2O3等酸不溶物杂质，用铁精矿粉还原时更为严重。这些酸不溶物杂质用一般的机械分离法或磁选法都不能完全去除。铁粉中酸不溶物应控制在0.2%以下。如果铁粉中的酸不溶物增加时，对铁粉的压缩性能，产品的成形、烧结和制品的最终性能都会带来很不利的影响。⑤矿石或铁鳞中有时含有铜、镍、钨、锰等合金元素，它们与氧的亲和力比铁小，可被还原而进入铁粉中。这些合金元素一般是微量的，对铁粉的性能无明显影响。另外，由于铁粉的比表面积非常大，故吸附气体非常多。为避免吸附有害气体，制造铁粉的整个工艺过程都应在无害气氛中进行。碳硫仪及多元素分析仪（三）铁粉中氧含量对铁粉质量的影响铁粉中的氧严重影响铁粉的压缩性能。还原铁粉的含氧量大多是因还原不完全残留下来的，也有在后面加工过程中，由于铁粉颗粒表面氧化而带入的。铁粉中的氧以氧化物的形式存在，这些氧化物比纯铁硬得多，在成形时，容易划伤模具。由于铁粉含氧量6高，烧结时氧化物被还原使产品孔隙增多，制品严重脱碳，金相组织变坏。因此，铁粉中的氧含量应愈低愈好。国内外铁粉生产厂为了降低铁粉的含碳量做了大量的工作，从而使铁粉的含氧量从0.8%降到0.2%左右。我国一些铁粉生产厂的铁粉含氧量也降到0.3%以下。1.2金属粉末的物理性能粉末的物理性能包括铁粉颗粒形状与结构、颗粒大小、比表面积、颗粒密度、显微硬度、光学和电学性质、熔点、热容和蒸汽压等。这里仅就与粉末冶金关系密切，并以铁粉为例，介绍粉末的颗粒形状、粒度及粒度组成、粉末的比表面等性能。（一）粉末的颗粒形状铁粉的颗粒形状，是决定铁粉工艺性能（松装密度、流动性）的主要因素。生产铁粉的方法不同，所得铁粉的颗粒形状也不相同.粉末生产方法粉末颗粒性形状粉末生产方法粉末颗粒性形状羰基铁粉雾化铁粉还原铁粉球形粉末球形或不规则粉末不规则海绵状电解铁粉球磨研磨铁粉旋涡研磨铁粉树枝装片状碟状一般来说，由气态、液态转变成粉末时，粉末颗粒形状容易趋于球形，由固态转变成粉末时，粉末颗粒形状则趋于不规则形状，或者经特殊加工后可成片状。粉末的形状一般用光学显微镜观察。a-球形；b-近球形；c-多角形；d-片状；e-树枝状；f-不规则状；g-多孔海绵状；h-碟状粉末的颗粒形状，对粉末的压制成形和制品的烧结都会带来影响。表面光滑的粉末颗粒，其流动性好，对提高压坯的密度有力。在相同压力条件下，用相同成粉的粉末进行压制时，球形粉末获得的压坯密度高，多角形粉末次之，树枝状和针状粉末较差。形状比较复杂的粉末，其流动性不如球形粉末好，但对提高制品的压坯密度有利。因为形状复杂的粉末能使压坯中粉末颗粒之间的机械啮合力增加。所以，在相同压力下，用相同成分的粉末进行压制时，球形粉末的压坯强度高，不规则粉末次之，片状、球形粉末较差。生产实践证明：凡是能提高压坯强度的粉末，都能使压坯的弹性后效减小。因此，对于同一成分而言，用形状复杂的粉末压制的压坯，弹性后效小，而粉末形状简单，表面光滑的粉末压制的压坯弹性后效大。粉末形状不同，对烧结的影响也不同。在烧结时，粉末颗粒形状比较复杂，表面比较粗糙，在压坯中接触比较紧密的粉末，能促进烧结的进行。粉末颗粒形状简单，表面光滑而彼此接触不良的粉末，如球形和片状粉末，烧结性较差。（二）粉末粒度和粒度组成粉末粒度是指颗粒的大小。对于粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。粉末颗粒大小与生产工艺条件有关，例如还原法生产的铁粉，其还原温度高时，颗粒粗一些，还原温度低时，颗粒就细一些；在同样的条件下生产的海绵铁，细粉碎（如振动球磨）时7间长一些，颗粒就细，细粉碎的时间短，颗粒就粗一些。粉末冶金用铁粉颗粒的大小可粗略地按下表来分级。级别颗粒大小/μm级别颗粒大小/μm粗粉中等粉细粉150～50040～15010～40级细粉超细粉0.5～10小于0.5常见标准筛制泰勒标准筛日本筛T15美国标准筛国际标准筛前苏联英国筛系标准筛德国标准筛目数/孔·英寸-1孔/mm丝径/mm孔/mm丝径/mm筛号孔/mm丝径/mm孔/mm筛号孔/mm目数/孔·英寸-1孔/mm目数/孔·英寸-1孔/mm丝径/mm204028323542486065801001151501702002302703254000.0830.7010.5890.4950.4170.3510.2950.2460.2080.1750.1470.1240.1040.0880.0740.0620.0530.0430.0380.4730.3580.3180.300.310.2540.2340.1780.1830.1620.1070.0970.0660.0610.0530.0410.0410.0360.0250.840.710.950.50.420.350.2920.250.210.1770.1490.1250.1050.0880.0740.0620.0530.0440.430.350.320.290.290.260.2320.2120.1810.1410.1050.0870.070.0610.0530.0480.0380.034202530354045506070801001201401702002302703250.840.710.590.50.420.350.2970.250.210.1770.1490.1250.1060.0880.0740.0620.0520.0440.420，370.330.290.250.220.1880.1620.140.1190.1020.0860.0740.0630.0530.0460.0410.0360.80.710.60.50.40.3550.30.250.20.180.150.1250.10.090.0750.0630.050.048007106306005004254003553153002502122001801601501251061009080756350400.80.710.630.60.50.4250.40.3550.30.250.2120.20.180.160.150.1250.1060.10.090.080.0750.0630.050.041620304050607080901001201502000.790.640.420.320.250.210.180.160.140.130.110.080.068101112141620243040506070801000.750.60.540.490.430.3850.30.250.20.150.120.10.0880.0750.060.50.40.370.340.280.240.20.170.130.10.080.0650.0550.050.04在粉末冶金生产中，通常用标准振动筛进行筛分以测定粉末颗粒的大小。生产上常用的最细筛网是325目，目数是指1英寸（25.4mm）长度筛网上的筛孔数。325目即1英寸长度上有325个孔。其筛孔大小是44μm。通过325目筛（小于44μm）的细粉，通8常叫做亚筛分粉。用筛分法不能精确测定粉末颗粒的大小，筛分法只能测定粉末粒度范围。如-100目、+100目则表示这批粉末能通过100目，而不能通过150目。目数×颗粒尺寸=15000另外，用筛分法测定粉末颗粒的大小时，必