粉末冶金第一章

成都理工大学材料与化学化工学院粉末冶金原理（PowderMetallurgyPrinciple）2019/8/182课程地位及要求“粉末冶金原理与工艺”是主要介绍粉末成形与烧结致密化过程的相关原理和技术，是材料科学与工程专业的一门主要技术基础课之一。要求学生通过本课程的学习，在掌握粉末基本特性的基础上，全面掌握粉末体的成形与烧结原理，具备利用粉末制造各种粉末冶金材料及其零部件的相关理论、技术基础和新材料的开发设计能力。2019/8/183主要参考书1．《现代粉末冶金技术》．陈振华．化学工业出版社，20072．《粉末冶金与陶瓷成型技术》．佘正国，刘军．化学工业出版社，20052019/8/184考核成绩（闭卷）平时20%卷面考试80%2019/8/185杨梅Email：[e-mail].:134585169972019/8/186目录0绪论第一章粉末的制取第二章粉末性能及其测定第三章成形第四章特殊成形第五章烧结第六章粉末锻造第七章粉末材料的孔隙性能与复合材料的强韧化2019/8/187粉末冶金：制取金属粉末或用金属粉末（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。金属陶瓷法0绪论2019/8/188原料粉末其它添加剂热压松装烧结粉浆烧注混合压制等静压制轧制挤压烧结烧结浸适热处理电镀预烧结高温烧结复压锻打复烧拉丝烧缩精整锻造轧制挤压烧结（浸油）热处理粉末冶金成品1.粉末冶金工艺2019/8/189历史部分:武器,生活用具,艺术建筑现代部分:硬质合金,高温材料,汽车部件,军事工程。2.粉末冶金的发展简史2019/8/1810三个重要历史阶段我们把1909～1910年用粉末冶金工艺制得白炽灯钨丝作为现代粉末冶金技术发展的标志。现代粉末冶金技术发展经历了三个重要历史阶段。第一阶段：采用粉末冶金技术，能够生产出用熔铸方法等其他技术无法制得的各类材料和制品。在20世纪20年代，这一独特的工艺技术成功地制造了硬质合金。2019/8/1811第二阶段：在20世纪二三十年代，用粉末冶金工艺成功制得多孔含油轴承。继而发展到生产铁基机械零件，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。第三阶段：20世纪五六十年代以后，粉末冶金技术被化工、冶金、材料、机械等学科的科技工作者和生产企业关注和重视，学科之间互相渗透，开发出如粉末高速钢、粉末超合金、金属陶瓷、弥散强化材料、纤维增强材料等新材料，以及注射成形、粉末锻造、等静压制、温压技术等新工艺。随着现代技术经济对各类新材料、新产品的需求，粉末冶金技术还将向更高水平、更广阔的领域拓展。2019/8/1812目前,粉末冶金最发达的国家瑞典(Sweden)硬质合金工业非常发达Hoganess,建立许多子公司。其次是北美(NorthAmerican)和西欧(westernEuropean)。德国的粉末冶金工业也是处于世界前列-工具钢.,.2019/8/1813美国的粉末冶金公司主要产品用户是汽车制造商，汽车工业发达，带动了美国的粉末冶金工业发展，这是因为发达的汽车工业，大量用粉末冶金部件。日本的汽车工业的发展带动了粉末冶金工业发展。2019/8/1814粉末冶金技术在汽车制造业中的主要应用：汽车动力系统：2019/8/1815汽车发动机用粉末烧结钢零件2019/8/1816汽车变速器系统用粉末烧结钢件:2019/8/18171.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。3.粉末冶金的特点2019/8/18182.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）。3.粉末冶金的特点2019/8/1819粉末冶金技术的优越性与局限性优越性少切削、无切削，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%能够大量能够制备其他方法不能制备的材料能够制备其他方法难以生产的零部件2019/8/1820局限性粉末成本高制品的大小和形状受到一定的限制烧结零件的韧性较差……2019/8/1821（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。4.常用粉末冶金材料2019/8/1822（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。4.常用粉末冶金材料2019/8/18231）铁基结构合金的高精度﹑高质量﹑大数量产品。2）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性。3）难加工材料的制造。4）特殊合金，主要为包含有多相的组分，通过增强密度的工艺来制造。5）非平衡材料的合成例如非晶，微晶和亚稳合金。6）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。5.粉末冶金未来2019/8/1824第一章粉末的制取本章内容§1.1概述§1.2还原或还原-化合法§1.3气相沉积法§1.4液相沉淀法§1.5电解法§1.6雾化法§1.7机械粉碎法§1.8超细金属粉末及其制取2019/8/18251.1概述制粉方法分类机械法：通过机械破碎、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：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。2019/8/18262019/8/1827（1）从固态金属与合金制取金属与合金粉末的有机械粉碎法和电化腐蚀法；在固态下制取粉末的方法包括（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；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。2019/8/1828（1）从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法；在气态制备粉末的方法包括（2）从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法;2019/8/1829（1）从液态金属与合金制备金属与合金粉末的雾化法；（2）从金属盐溶液置换和还原金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法；（3）从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法；从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法。在液态下制备粉末的方法包括（1）从液态金属与合金制备金属与合金粉末的雾化法；2019/8/1830从过程的实质来看，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获得粉末。2019/8/1831气相氢还原还原剂----氢气气相金属热还原还原剂----低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na…）HClMeHMeCln2气相还原法233434()FeOFeOFeOFeOFe浮斯体碳还原法1.2还原或还原-化合法定义: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。2019/8/1832影响碳还原铁氧化物过程和铁粉质量的因素1）原料原料中杂质的影响原料中杂质特别是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。②原料粒度的影响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。2019/8/18332）固体碳还原剂①固体碳还原剂类型的影响还原能力：木炭焦炭无烟煤②固体碳还原剂用量的影响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的影响②料层厚度的影响③还原罐密封程度的影响2019/8/18344）添加剂①加入一定的固体碳的影响碳加入方法：原料铁鳞或铁矿石与固体碳混合压团装入；原料鱼还原剂分层相间装入，生产上常采用后者。②返回料的影响加入一定量废铁粉，加速还原过程。③引入气体还原剂的影响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。2019/8/18355）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。2019/8/1836还原-化合法生产难熔金属化合物的方法：用碳（或含碳气体）、硼、硅、氮与难熔金属直接化合；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。2019/8/1837物理气相沉积（physicalvapordeposition）：用物理方法(如蒸发、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(chemicalvapordeposition)：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，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。Si3N4由硅烷和氮反应形成的。1.3气相沉积法2019/8/1838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，这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属（如锌Zn，镉Cd等）粉末。这些金属的特点是有较低的熔点和较高的挥发性，如果将这些金属蒸气在冷却面上冷凝下来，便可形成很细的球状粉末。（2）羰基物热离解。（3）气相还原，包括气相氢还原和气相金属热还原。（4）化学气相沉淀。2019/8/1839定义:在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加人适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧，从而制得相应的粉体颗粒。1.4液相沉淀法2019/8/1840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。例Cu2++Zn=Cu+Zn2+2019/8/1841（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）。2019/8/1842（3）共沉淀法制取复合粉共沉淀法：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。2019/8/1843共沉淀制取复合粉的方案①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，然后经过干燥、分解、还原以得到基体金属和弥散相的复合粉；②将弥散相制成最终粒度，然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，经过干燥和还原就可得到以弥散相为核心，基体金属包覆在外的包覆粉。2019/8/1844例电极材料，W－Cu合金，在力学性能不能满足要求时，可加入少量的Ni，来改善力学性能，其中镍与铜均有包覆作用。首先，钨粉在硝酸镍中溶解，氧化镍包覆钨，还原得到镍包覆钨颗粒;镍钨颗粒在进入氯化铜溶液中，包上铜后，烘干还原得到W－