粉末冶金材料及制备技术第二章

1二、粉末的性能及其测定1.粉末及粉末性能1.1粉末体固态物质按分散程度分为致密体、粉末体和胶体。固体（致密体）：一种晶粒的集合体。粒度＞1mm粉末（粉末体）：由大量颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。粒度介于0.1μm~1mm。特点是颗粒之间有空隙，且连接面少，面上的原子键不能形成强的键力，没有固定形状，具有与液体相似的流动性，但由于移动时有摩擦，流动性有限。胶体：粒度＜0.1μm21.2粉末颗粒1.2.1颗粒聚集状态单颗粒:粉末中能分开并独立存在的最小实体。二次颗粒：单颗粒如果以某种形式聚集。一次颗粒往往不能单独存在而聚集在一起，聚集力主要是物理作用力，而非强化学健结合;一次颗粒粒度测定:惰性气体表面吸附方法BET二次颗粒粒度测定:x-ray,金相显微镜,TEM,等二、粉末的性能及其测定3图2-1颗粒示意图a—单颗粒；b—聚集颗粒（二次颗粒）;c—晶粒；a—一次颗粒图2－1描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。一次颗粒之间形成一定的粘结面，在二次颗粒内存在一些细微的孔。一次颗粒或单颗粒可能是单颗粒，而更普遍情况下是多晶颗粒，但晶粒间不存在空隙。二、粉末的性能及其测定4团粒：由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散.絮凝体：用溶胶凝胶Sol-Gel方法制备的粉末，是一种小颗粒聚合在一起的结合。通常，粗颗粒以单颗粒存在，细颗粒由于表面发达而结合，以二次颗粒形式存在。二、粉末的性能及其测定51.2.2粉末颗粒结晶构造(1)金属及多数非金属颗粒都是结晶体。(2)制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起着主要作用。一般说来，粉末颗粒具有多晶结构，而晶粒的大小取决于工艺特点和条件，对于极细粉末可能出现单晶颗粒。粉末颗粒实际构造的复杂性还表现为晶体的严重不完整性，即存在许多结晶缺陷，如空隙、畸变、夹杂等。因此粉末总是贮存有较高的晶格畸变能，具有较高的活性。与颗粒的外部结构比较，颗粒的内部结构非常复杂二、粉末的性能及其测定61.2.3表面状态粉末颗粒的表面状态十分复杂。一般粉末颗粒愈细，外表面愈发达；同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也就相当大。粉末发达的表面贮藏着高的表面能，因而超细粉末容易自发地聚集成二次颗粒，并且在空气中极易氧化和自燃。缺陷：表面缺陷，加工硬化，内空隙。颗粒表面状态：内表面、外表面、全表面，内表面远比外表面复杂、丰富。二、粉末的性能及其测定71.3粉末性能粉末是颗粒与颗粒间的空隙所组成的集合体。因此研究粉末体时应分别研究单颗粒、粉末体和粉末体中空隙等的一切性质。单颗粒的性质：（1）由粉末材料决定的性质，如点阵结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、电磁性质、化学成分等；（2）由粉末生产方法所决定的性质，如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、颗粒内气体含量、表面吸附的气体与氧化物、活性等。粉末体的性质：除单颗粒的性质以外，还有平均粒度、粒度组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦状态。粉末的孔隙性质：总孔隙体积、颗粒间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形状。二、粉末的性能及其测定8在实践中通常按化学成分、物理性能和工艺性能来进行划分和测定。化学成分主要是指金属的含量和杂质含量。物理性能包括颗粒形状与结构、粒度与粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度，以及光学、电学、滋学和热学等诸性质。实际上，粉末的熔点、蒸气压、比热容与同成分的致密材料差别很小，一些性质与粉末冶金关系不大，因此本部分仅介绍颗粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗粒密度、粉末体密度及其测试的方法。工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。二、粉末的性能及其测定91.3.1化学成分化学检验是检测粉末中金属和杂质的含量，采用四分法或滑槽式分样器制样后进行，检测执行标准是：国际：ASTM（AmericanStandardoftestingManual)标准中国：GB5314-85杂质来源：a.与主金属结合形成固溶体或化合物的金属或非金属；b.机械夹杂（SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属碳化物等酸不溶物）；c.粉末表面吸附的氧、水蒸气、氮、二氧化碳等；d.制粉工艺带入的杂质（氢、碳等）。二、粉末的性能及其测定10a.氢损测定定义：把金属粉末混合后，在氢气流中煅烧足够长的时间，粉末中的氧被还原成水蒸气，某些元素（C、S）与氢生成挥发性化合物与挥发金属（Zn、Cd、Pb)一同排出，然后测得金属粉末质量的损失。此时的氢损值接近粉末中可测的氧含量。如果在实验条件下，还存在没有被氢还原的氧化物（Al3O2、CaO等），则氢损值低于实际氧含量；如果存在与氢形成挥发性化合物的元素（C、S）或存在挥发金属（Zn、Cd、Pb)时，则氢损值高于实际氧含量。煅烧时间：Fe粉1000~1050℃1h；Cu粉875℃0.5h二、粉末的性能及其测定11A——粉末加烧舟的质量；B——煅烧后残留物加烧舟的质量；C——烧舟的质量。表2-2氢损实验的还原温度和时间二、粉末的性能及其测定12b.滴定法滴定法是在氢损法的基础上进行了修改，该法避免测定C、S或挥发金属，只测加热的氢气流产生的水蒸气量。测定过程：采用一个较小的、单独用途的石墨坩埚，在2000℃温度下熔化样品，并用惰性气体保护，样品中的氧以CO形式释放出来，用红外线吸收法测定氧。或氧被转换成CO2，通过热导率差异来测定。c.酸不溶物法流程：试样→无机酸溶解→过滤不溶物沉淀→煅烧沉淀→称重→计算酸不溶物含量（不包括挥发的不溶物）无机酸：不同粉末用不同酸（铁粉用盐酸，铜粉用硝酸）不溶物：硅酸盐、氧化铝、泥土、难熔金属等不溶物来源：原料、炉衬、燃料二、粉末的性能及其测定131.3.2物理性能(1)颗粒形状颗粒的形状是指粉末颗粒的几何形状。可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类。规则形状的颗粒外形可近似地用某种几何形状地名称描述，它们与粉末生产方法密切相关。表2-2描述了颗粒形状和生产方法之间的关系。粉末颗粒外形如图2-2所示。表2-2颗粒形状与粉末生产方法的关系fff二、粉末的性能及其测定14图2-2粉末颗粒形状一般说来，准确描述粉末颗粒的形状是很困难的。在测定和表示粉末粒度时，常常采用表形状因子、体积形状因子和比形状因子。二、粉末的性能及其测定15对于任意形状的颗粒，其表面积和体积可以认为与某一相当的直径的平方和立方成正比，而比例系数则与选择的直径有关。形状愈复杂，则比形状因子就愈大（表2-3）。颗粒的形状对粉末的流动性、松装密度以及压制和烧结均有影响。表2-3某些金属粉末的形状因子二、粉末的性能及其测定16延伸度:对于任意形状的颗粒，取其最大尺寸作为长度l(图2－5），从垂直于最稳定平面的方向观察到颗粒的最大投影面上两切线间的最短距离作为宽度b，而与最稳定平面垂直的尺寸作为厚度t，则延伸度定义为n=l/b。延伸度越大，说明颗粒越细长，如针状、纤维状粉末；而对称性越高的粉末，延伸度越小。延伸度显然不能小于1。二、粉末的性能及其测定17扁平度:片状粉末用延伸度显然不能描述颗粒厚度方向的不对称性，因而又定义扁平度m=b/t。此值越大，说明颗粒越扁。齐格指数：（Zigg）指数定义为延伸度/扁平度＝l/b/b/t=lt/b2，其值偏离1越大，表示颗粒形状对称性越小。二、粉末的性能及其测定18球形度：与颗粒相同体积的相当球体的表面积对颗粒的实际表面积之比称为球形度。它不仅表征了颗粒的对称性，而且与颗粒的表面粗糙程度有关。一般情况下，球形度均远小于1。圆形度：与颗粒具有相等投影面积的圆的周长对颗粒投影像的实际周长之比称为圆形度。二、粉末的性能及其测定19粗糙度：（皱度系数）球形度的倒数称粗糙度。颗粒表面有凹陷、缝隙和台阶等缺陷均使颗粒的实际表面积增大，这时皱度系数值也将增大。确定粗糙度最精密的办法是用吸附法准确测定颗粒的比表面。二、粉末的性能及其测定20粉末的理论密度不能代表粉末的真实密度，因为粉末总是有孔的，与颗粒外表面连同的孔叫开孔或半开孔（一端连同），颗粒内不与外表面连同的潜孔叫闭孔，计算粉末密度时是否计入孔隙体积会有不同的值。a.真密度：粉末质量与除去开孔和闭孔体积的粉末体积的比值，是材料的理论密度；b.假密度（有效密度）：粉末质量与包括闭孔在内的粉末体积的比值，假设没有开孔；c.表观密度：粉末质量与包括开孔和闭孔在内的粉末体积的比值，是粉末的真实密度，如松装密度、震实密度。(2)颗粒密度二、粉末的性能及其测定21有效密度的测量：干燥后的粉末装入规定容积V的比重瓶，约占瓶容积的1/3~1/2，连瓶一起称重。然后加入液体盖过粉末试样，通过真空除气使润湿液体充满比重瓶，再次称重。计算公式：式中m1——比重瓶质量；m2——比重瓶加粉末试样质量；m3——比重瓶加粉末试样和充满液体后的质量；Ρ——液体密度。液比2312mmVmm图2-9比重瓶二、粉末的性能及其测定22(3)显微硬度一般地,粉末强度愈高,硬度愈高,混合粉末的强度比合金粉末的硬度低,合金化可以使得金属强化,硬度随之提高；不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。粉末纯度越高，则硬度越低，粉末退火降低加工硬化、减少氧、碳等杂质含量后，硬度降低。颗粒的显微硬度测量，采用普遍的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算得到的。（粉末试样与树脂粉混匀，在100－200Mpa下，加热至140℃固化获得）。二、粉末的性能及其测定231.3.3工艺性能金属粉末的工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。工艺性能主要取决于粉末的生产方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、加润滑剂、制粒等）(1)金属粉末的松装密度和振实密度的测定1)松装密度松装密度是粉末试样自然地充满规定的容器时，单位容积的粉末质量。松装密度可用漏斗法、斯柯特容量计法或震动漏斗法来测定。漏斗法是用图2-13所示的标准漏斗来测定金属粉末松装密度的。本法仅适用于能自由流过孔径为2.5mm或5mm标准漏斗的粉末。二、粉末的性能及其测定24测量方法：用手指堵住标准漏斗小孔，将粉末倒入其中，量杯容积为25±0.05cm3，粉末自由通过漏斗的小孔流入量杯中，充满量杯后刮平，按公式计算松装密度：式中m——粉末试样质量；V——量杯容积（25cm3）。测量装置：霍尔流量计小孔孔径：2.5mm或5mm25mVm二、粉末的性能及其测定25图2-9霍尔流量计图2-9松装密度测量装置适用于不能自由通过5mm漏斗孔径和用震动漏斗法易改变特性的粉末二、粉末的性能及其测定26图2-9震动漏斗装置示意图1—漏斗；2—滑块；3—定位块；4—量杯；5—杯座；6—调节螺钉；7—底座；8—开关；9—震动器支架；10—震动调节钮；11—震动器震动漏斗适用于不能自由流过5mm漏斗孔的金属粉末二、粉末的性能及其测定272)振实密度振实密度指将粉末装入振动容器中，在规定条件下经过振实后所测得的粉末密度。振实密度比松装密度高20~50%。测量方法：将定量粉末装入振动容器中，在规定条件下进行振动，直到粉末体积不能再小，测得粉末的振实体积，然后计算振实密度。式中m——粉末质量；V——粉末的振实体积。Vm实二、粉末的性能及其测定28图2-3振实密度测量装置示意图1—量筒；2—量筒支座；3—定向滑杆；4—轴套；5—凸轮；6—砧板二、粉末的性能及其测定293)影响松装密度和振实密度的因素松装密度是粉末自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的粘附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度和粒度组成等因素。a粉末颗粒形状愈规则，其松装密度就愈大；颗粒表面愈光滑，松装密度也愈大。表2-8为粒度大小和粒度组成大致相同的三种铜粉，由于形状不同表现出密度和孔隙度的差异。表2-8三种颗粒形状不同的铜粉密度二、粉末的性能及其测定30b粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大。表2-9表示粉末粒度对松装密度的影响。细粉末形成拱桥和互相粘结防碍了颗粒相互移动，故粉末的松