粉末冶金原理-中文

1粉末冶金原理郭圣达E-mail:[e-mail]江西理工大学工程研究院参考书目1.黄培云主编：粉末冶金原理，冶金工业出版社2.王盘鑫主编：粉末冶金学，冶金工业出版社23目录一、粉末的制备技术二、粉末的性能及其测定三、粉末成形四、烧结五、粉末冶金材料和制品六、粉末冶金的安全知识七、粉末制备、成形、烧结新技术4绪论1.粉末冶金——是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。2.粉末冶金的发展粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方法实质上采用的就是粉末冶金方法。3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。5绪论2）20世纪三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金制品少切削甚至无切削的优点。3）向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料，六十年代末至七十年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；还有利用粉末冶金锻造及热等静压等技术已能制造高强度的零件。以硬质合金来说，新型硬质合金已经逐步替代传统合金，如梯度结构硬质合金、超细/纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金等。6绪论粉末冶金工艺的基本工序1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分为：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。2、将粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型，还有挤压成型、爆炸成型等。7绪论3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低，则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧结工艺。绪论4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。89绪论粉末冶金工艺的优点1、绝大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散强化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬质合金等只能用粉末冶金方法来制造。2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要后续的机械加工，故能大大节约金属用量，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。103、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和均匀性。5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。11绪论粉末冶金材料和制品的发展方向1、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能硬质合金。3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。12一、粉末制备技术1.在不同状态下制备粉末的方法1.1在固态下制备粉末的方法1.2在液态下制备粉末的方法1.3在气态下制备粉末的方法2.常用的粉末制备方法2.1机械粉碎法2.2雾化法2.3还原法2.4气相沉积法2.5液相沉淀法2.6电解法3.本章小结13一、粉末制备技术1.在不同状态下制备粉末的方法1.1在固态下制备粉末的方法（1）从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有机械粉碎法和电化学腐蚀法；（2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有还原法；（3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的有还原－化合法。14一、粉末制备技术1.2在液态下制备粉末的方法（1）从液态金属与合金中制取金属与合金粉末的有雾化法；（2）从金属盐溶液置换和还原制取金属、合金以及包覆粉末的有置换法、溶液氢还原法；从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀法；从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有金属浴法；（3）从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的有水溶液电解法；从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的有熔盐电解法。15一、粉末制备技术1.3在气态下制备粉末的方法（1）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸气冷凝法；（2)从气态金属羰基物中离解制取金属、合金粉末以及包覆粉末的有羰基物热离解法；（3）从气态金属卤化物中气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法；从气态金属卤化物中沉积制取金属化合物粉末以及涂层的有化学气相沉积法。16一、粉末制备技术从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。1.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；2.物理化学法是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的方法。粉末的具体生产方法很多，从目前国内外生产的工业规模而言，应用最广泛的有还原法、雾化法和电解法三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。表1-1为制取粉末的一些方法。17一、粉末制备技术表1-1粉末生产方法18一、粉末制备技术续表1-119一、粉末制备技术2.常用的粉末制备方法2.1机械粉碎法机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常常作为某些制粉方法的补充工序。20依据物料粉碎的最终程度，又可以分为粗碎和细碎两类。以压碎为主要作用的有碾压、锟轧以及颚式破碎等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。实践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。利用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷气流粉碎等方法。21一、粉末制备技术2.1.1机械研磨法研磨的任务包括：减少或增大粉末粒度；合金化；固态混料；改善、转变或改变材料的性能等。在大多数情况下，研磨的任务是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化现象、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。（1）研磨规律在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：冲击、磨耗、剪切以及压缩。在球磨机中球体运动的方式有四种（如图1-1）：滑动、滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动。22一、粉末制备技术图1-1在球磨机中球体运动示意图(a)滑动；(b)滚动；(c)自由下落；(d)在临界转速时球体的运动临界转速与圆筒直径有关，其关系为：球体发生滚动的临界条件为：；反之发生滑动。β为筒体转动时，球体表面发生倾斜，在一定的转速和装球量下的倾斜角一、粉末制备技术球体滚动和自由下落是最有效的研磨方式，并且粉末的细磨只有在滚动下才能实现，因为细小的颗粒不会被球体的冲击所再粉碎2324一、粉末制备技术（2）影响球磨的因素球磨机中的研磨过程取决于众多因素：筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例（球料比）、研磨介质以及球体直径等。25一、粉末制备技术例如：球磨筒转速n＝0.7-0.75n临界时，球体发生抛落；n＝0.6n临界时，球体发生滚动；n0.6n临界时，球体以滑动为主。在一定范围内，增加装球量能提高研磨效率。但如果把球体体积与球筒容积之比称为装填系数，则一般球磨机的装填系数取0.4～0.5为宜。随转速的提高，装填系数可略为增大。26在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。一般在球体装填系数为0.4～0.5时，装料量应以填满球体的空隙，以稍微掩盖住球体表面为原则。可取球磨筒容积的20％为装料量。球体的大小对物料的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选用10～20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用5～10mm大小的硬质合金球，同时为了避免研磨球对粉末的污染，应取与要制备粉末成分相近的球做为研磨球。27一、粉末制备技术（3）强化球磨球磨粉碎物料是一个很慢长的过程，因此提高研磨效率、强化球磨效果对提高生产效率具有很大的意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。图1-2为一种湿式振动球磨机。28一、粉末制备技术2.1.2机械合金化这是种高能球磨法。用这种方法可制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。它是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进行进行合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末来实现机械合金化。29一、粉末制备技术用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。因此，用较粗的原材料粉末(50～100μｍ)可制成超细弥散体（颗粒间距小于1μｍ）。制造机械合金化弥散强化高温合金的原材料都是工业上广泛采用的纯粉末，粒度约为1~200μｍ。对用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制(除上述粒度要求和需要控制极低的氧含量外)是混合物至少有15％（容积）的可压缩变形的金属粉末。30一、粉末制备技术31一、粉末制备技术图1-3为机械合金化装置示意图。机械合金化与滚动球磨的区别在于：使球体运动的驱动力不同。图1-2斯韦科湿式振动球磨机图1-3机械合金化装置示意图2.1.3涡旋研磨一般机械研磨只适合于粉碎脆性金属或合金，涡旋研磨则可以有效地研磨软的塑性金属或合金。由于在涡旋研磨中，研磨一方面依靠冲击作用，另一方面还依靠颗粒间、颗粒与工作室内壁以及颗粒与回转打击子相碰时的磨损作用。32一、粉末制备技术2.1.4冷气流粉碎冷气流粉碎的基本工艺是：利用高速高压的气流带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室中的靶面，压力立即从高压（7MPa）降到0.1MPa，发生绝热膨胀，使金属靶和击碎室的温度降到室温以下，甚至零度以下，冷却了的颗粒就会被粉碎。气流压力越大，得到的粉末粒度越细。33一、粉末制备技术34一、粉末制备技术2.2雾化法雾化法是一种将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150μｍ，然后冷却而形成粉末的一种制粉方法。雾化法可以用来制取多种金属粉末，也可以制取各种预合金粉末。实践上，任何能形成液体的材料都可以进行雾化。35一、粉末制备技术前面所述的“机械粉碎法”是借机械作用破坏固体金属原子间的结合而制得粉末，雾化法则只要克服液体金属原子间的结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化要小得多。从能量消耗来说，雾化法是一种简便且经济的粉末生产方法。雾化法又可以分为二流雾化、离心雾化、真空雾化以及超声波雾化等。36一、粉末制备技术2.2.1二流雾化借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为水雾化或气雾化，也称二流雾化（图1-4）。根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式（图1-5）：平行喷射、垂直喷射、V形喷射、锥形喷射以及漩涡环形喷射。37一、粉末制备技术雾化过程很复杂，按雾化介质与金属液流相互作用的实质，既有物理机械作用，又有物理化学变化。高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力，又是金属液流的冷却剂。因此在雾化介质同金属液流之间既有能量交换，又有热量交换。并且，液态金属的粘度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不断发生变化，以及液态金属与雾化介质的化学