粉末冶金原理

粉末冶金原理PowderMetallurgy绪论•1.粉末冶金定义生产金属粉末和用金属粉末（也包括非金属粉末）作为原料经过成型和烧结生产金属材料、复合材料和各种类型制品的冶金工程与材料科学和机械零件制造技术。合金元素粉原料粉润滑剂混合成型压坯烧结产品粉末制品生产示意图2.粉末冶金生产工艺•粉末冶金生产工艺由三大步骤组成：•（1）粉末生产•（2）粉末成型•（3）成形坯烧结•粉末冶金材料和零件主要制造流程原料粉末添加剂混合压制等静压注射挤压轧制烧结热等静压热挤压粉浆浇注精整浸油锻造热处理轧制复压复烧后处理成品粉末冶金材料和制品生产工艺流程3粉末冶金特点•（1）粉末冶金能生产普通冶炼方法无法生产的具有特殊性能的材料；•1）孔隙度可控•2）可组成相图不成立的合金，如金属与非金属，假合金，高合金含量等•3）复合材料•（2）比普通冶炼法生产的材料性能优越；•1）高合金材料，如超合金，高速钢等•2）难熔金属（3）比普通熔炼法更经济少切削、无切削和一次成形的特点1）材料利用率高；2）能耗低；3）投资低，批量愈大成本愈低，粉末冶金产品成本取决于模具和设备的一次投资；4）可按照需要调节材料的成分；5）可生产形状复杂的零件；6）精度高，粗糙度低；7）环境好，无污染、噪音；齿轮的粉末生产工艺齿轮的机加工生产工艺粉末成形烧结精整高频淬火成品冶炼铸造锻打切割退火机加工淬火磨加工成品铸造粉末冶金冷成形锻造机械加工90958580501007550250（%）材料利用率3828.54149820255075100（MJ）每kg零件的能耗各种方法材料利用率与能耗径向可达到的ISO公差标准级加工工艺5678910111213141516精密锻造****锻造（冲裁）******高精度锻造****冷压*****粉末冶金****拉拔成型****磨加工****各种方法可达到的径向尺寸公差加工工艺平均粗糙度锻造冲压高精度锻造机械加工磨加工粉末冶金63040025016010063402516106.304.002.501.601.000.630.400.250.160.100.064粉末冶金的发展•1远古的粉末冶金海绵铁锻打冶金工艺。我国早在春秋末期，也就是2500多年以前，就已用块炼铁(即海绵铁)锻造法制造铁器了。公元4世纪，古印度用同一工艺制成了举世闻名的德里铁柱(高7．2m，重6t)和达尔铁柱(高12．5m，重7t)。•2现代粉末冶金•起源于难熔金属，难熔金属粉末压制、烧结、热锻工艺。1750-1850年，铂；1909年钨丝。•3含油轴承的发明、硬质合金的生产推动了粉末冶金在机械制造业的发展•4科学技术的发展带动了粉末冶金材料和技术的的发展•5粉末冶金制造技术和设备的发展•6我国粉末冶金的发展•7粉末冶金的发展现状和前景新工艺和新技术：温压成形，粉末注射，粉末锻造，粉末喷射成形，微波烧结，放电等离子烧结5粉末冶金材料的种类和应用•（1）粉末冶金材料和制品的种类•1）机械零件•2）工具材料•3）磁性和电工材料•4）耐热材料•5）原子能工程材料•（2）应用领域类别材料和制品的名称机械零件和结构零件减磨材料多孔含油轴承铁基含油轴承铜基含油轴承铝基含油轴承金属塑料减磨材料致密减磨材料机械零件铁基机械零件有色金属机械零件摩擦材料铁基摩擦材料铜基摩擦材料多孔材料过滤器流体分布元件多孔电极发散发汗材料吸音材料密封材料工具材料硬质合金含钨硬质合金WC-CoWC-Ti-Co无钨硬质合金碳化钛基硬质合金碳化铬基硬质合金钢结硬质合金超硬材料立方氮化硼金刚石工具陶瓷工具材料粉末高速钢磁性材料和电工材料磁性材料软磁材料硬磁材料高温磁性材料矩磁铁氧体旋磁铁氧体电接触材料电触头材料金属-金属金属-石墨金属-金属化合物电热材料金属电热材料难熔金属化合物耐热材料粉末超合金粉末镍基超合金粉末钴基超合金难熔金属及其合金金属陶瓷高温金属陶瓷氧化物基碳化钛基高温涂层弥散强化材料氧化物弥散碳化物硼化物氮化物纤维强化材料原子能工程材料核燃料元件铀合金化合物弥散强化其他原子能工程材料粉末冶金在汽车上的应用据资料介绍：发达国家汽车制造业粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品总产量的绝大多数，如美国占90%，欧洲为80%，而我国目前尚不足40%。欧洲平均每辆汽车的粉末冶金制品使用量是14kg，日本为16kg，美国已达到19.5kg以上，预计未来可能达到22kg。而我国目前平均每辆汽车粉末冶金制品的用量却只有4kg多点（按2010乘用车产量1826万辆计算为4.15kg/辆）。VVT链轮凸轮轴链轮平衡轴机构平衡轴链轮双联曲轴链轮机油泵总成EA888发动机真空泵总成水泵总成空调总成进排气座圈凸轮轴护圈摇臂支架气门导管凸轮轴组件曲轴轴承盖凸轮轴轴承盖曲轴连杆杆导承MPIF确认VVT为PM里程碑技术真空泵燃油泵齿轮泵转子泵内外齿泵铸物产品带轮系列Pulley链轮系列SprocketGears轴承盖系列BearingCap同步器齿毂系列SynchronicHub转子齿轮系列Rotor轮毂系列Flange滑块拨叉系列TransmissionParts转向管柱系列SteeringColumnParts空调压缩机系列AirCompressorParts第一章粉末制取•1粉末的要求：•化学成分•物理结构•形状•粒度和粒度分布；•2制粉方法生产方法原材料粉末产品金属粉末合金、化合物粉末物理化学法还原碳还原气体还原金属热还原金属氧化物金属氧化物及盐类金属氧化物Fe，WFe，W，Mo，Ni，Co，CuFe-Mo，W-ReCr-Ni还原化合碳化或碳与金属氧化物作用硼化或碳化硼法硅化或与硅与金属氧化物作用氮化或与氮与金属氧化物作用碳化物硼化物硅化物氮化物气像还原气相氢还原气相金属热还原气态金属卤化物气态金属卤化物W，MoTa，Nb，Ti，ZrCo-W，W-Mo化学气相沉积气态金属卤化物碳化物硼化物硅化物氮化物气相冷凝换离解金属蒸汽冷凝气态金属Zn，Cd羰基物热理解气态金属羰基物Fe，Ni，CoFe-Ni置换溶液氢还原从熔盐中沉淀金属盐溶液金属盐溶液金属熔盐Cu,Sn,Ag，Cu,Ni,CoZr,BeNi-Co电解水溶液电解熔盐电解金属盐溶液金属熔盐Fe,Cu,Ni,AgTa,Nb,Ti,Zr,Th,BeFe-NiTa-Nb电化腐蚀不锈钢任何金属和合金任何金属不锈钢任何金属碳化物硼化物硅化物机械法机械粉碎机械研磨旋涡研磨冷气流粉碎脆性金属和合金人工增加脆性的金属和合金Sb,Cr,Mn,高碳铁Sn,Pb,TiFe,AlFe-Al,Fe-SiFe-Cr等合金Fe-Ni,钢不锈钢，超合金雾化气体雾化水雾化旋转圆盘雾化旋转电极雾化液态金属和合金液态金属和合金液态金属和合金液态金属和合金Sn,Pb,Al,Cu,FeCu,FeCu,Fe,难熔金属，无氧铜黄铜，青铜，合金钢，不锈钢黄铜，青铜，合金钢铝合金，钛合金，不锈钢第一节还原法•1.还原法的特点应用面广，原料易获得，还原方法工艺简便，生产投资成本低，可大规模生产；•2.应用范围：钨、钼、铁、铜、钴、镍•3.生产方法固体碳还原，氢气还原，天然转化气还原，金属热还原，气相还原，一、金属氧化物还原基本原理•1.还原热力学•用还原金属氧化物可以获得金属粉末和合金粉末•一种氧化物能否被还原首先要从热力学上进行判断•判断依据：•MeO+X=Me+XO•根据加和反应可写成：•2Me+O2=2MeO(1)•2X+O2=2XO(2)•½[(2)-(1)]MeO+X=Me+XO根据标准等压位△ZӨ=-RTlnKp则（1）式的△ZӨ=-RTlnKp=-RTln)(21MeOpO则（2）式的△ZӨ=-RTlnKp=-RTln)(21XOpO则△ZӨ=1/2(△ZӨ(2)-△ZӨ(1))如要还原反应进行那么△ZӨ=0则△ZӨ(2)△ZӨ(1)PO2(XO)PO2(MeO)按氧化物△ZӨ=a+bT作图△ZӨ-T图规律•1.随温度升高，△ZӨ增大，即氧化物的离解压(po2)增大;•2.△ZӨ-T曲线在相变处发生转折；•3.CO生成的△ZӨ-T曲线走向向下，与其他氧化反应相反；•4.在同一温度下位置越低的氧化物生成物越稳定。2金属氧化物还原反应动力学•动力学研究的问题是反应进行的速度和影响反应速度的因素•1）碰撞理论碰撞-接触-反应是分子之间的反应的必要条件，参加化学反应的物质浓度越高则碰撞几率越大，则化学反应速度越快，因此有：•v=kCACB•一级反应速度与浓度的关系：cctdtdckkc0ln12）活化能•根据可逆反应达到平衡是的平衡常数与温度的关系：•可得到•公式中的E即为反应活化能，其含义是发生反应必须克服的势垒大小，降低反应的活化能是提高反应速度的重要措施。RTEAek/2RTHdtdlinK3）多相反应特点•多相反应机理吸附-自动催化：•吸附MeO（固）+X（气）=MeO（固）·X（吸附）•反应MeO（固）·X（吸附）=Me（固）·XO（吸附）•解吸Me（固）·XO（吸附）=Me（固）+XO（气）•MeO（固）+X（气）=Me（固）+XO（气）气体分子氧化物•自动催化abc时间反应速度与时间的关系速度影响反应速度的因素（1）反应物之间的接触面积，3(W01/3-W1/3)=Kt（2）化学反应速度v=k2Acin（3）扩散速度v=D/δA(c-ci)=k1Ac00.60.70.80.91.01.01.21/T,K-1温度对C+1/2O2CO反应速度的影响10310210对于反应物为球状的反应速度计算公式KtXryrryrrXktykdtydyykdtdy201/31/30303030302r2kt]X)-(1-[1则])-1(-1[)y1(134)(3434由反应物分数2:积分r0ydy二、氧化铁还原基本原理•1.还原热力学•Fe2O3Fe3O4FeOFe•CO还原在570℃以上•3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(a)•Fe3O4+CO=3FeO+CO2(b)•FeO+CO=Fe+CO2(C)•在570℃以下•Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2(d)根据△ZӨ=-RTlnKp计算出不同温度下在△ZӨ=0时的上述每一个反应的CO的分压值，然后作图，可得CO%-T图。80604020CO%40060080010001200温度，℃Fe-O-C系平衡气相组成与温度的关系dcbDCBoe2直接还原和间接还原•直接还原即碳与氧化铁接触并通过碳原子与氧化铁反应而进行的；•间接还原既碳发生气化反应产生CO，然后通过CO气体在氧化铁表面的吸附并进行反应，气化反应：•CO2+C=2CO,pco+pco2=1atm•2C+O=CO,pco=1atm•3氧化铁还原动力学•固体碳的间接还原氧化铁遵循多相还原机理，即吸附-自动催化6005004003002001000还原速率mg氧/min020406080100还原百分率，%B1B2B3C3C2C1•（1）Fe2O3还原的多层结构性：•1）570以上：Fe2O3（芯部）Fe3O4浮氏体（Fe3O4·FeO固溶体）Fe（外层）•2）570以下：Fe2O3（芯部）Fe3O4Fe•（2）反应速度：tdrkDPrDk200])1(1[])1(323[3/13/26Fe2O3Fe3O4Fe3O4FeOFe三、固体碳还原制取铁粉的工艺•1.原料的加工处理•（1）氧化铁•1）轧钢铁鳞由钢铁轧制获得即为钢板轧制表面脱落物，起成分为：FeO（接近钢板）、Fe3O4（中间层）、Fe2O3（表层），在收集和运输过程中脏化，需清洗和磁选处理。•2）磁铁矿精矿粉由铁矿石开采获得。•（2）还原剂（固体碳）•2.还原工艺名称成分固定碳S灰分挥发物备注焦碳75-780.8-0.9≈155-8无烟煤70-801.5-3.2510.8木炭≥60≤0.03≤10≤25还原剂还原温度及时间还原温度/℃还原时间/h木炭95050焦碳115047无烟煤1050-110055不同还原剂的还原温度及时间技术参数厂家名称美国赫格纳斯日本川崎瑞典赫格纳