粉末冶金学(全套课件325P)

1、粉末冶金学第1章 粉末的制取第2章 粉末性能及测定第3章 成形第4章 烧结第5章 粉末冶金材料与制品第0章 绪 论 0-1 什么是粉末冶金粉末冶金: 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，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。 由于生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似,又被称为金属陶瓷法。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能0-2 基本工序 原料粉末的制取和准备; 成形将金属粉末制成所需形状的坯块,并使 其具有一定强度和密度; 烧结将坯块在物料主要组元熔点以下的温度 进行烧结，使制品具有最终的物理、化

2、学和力学性能。0-3 粉末冶金发展历史公元3000年前,埃及人已经使用铁粉 公元300年，印度德里铁柱是用大约 6.5t 还原铁粉制成的。19世纪初，为制铂，粉冶重焕青春20世纪初，粉末冶金制取W20世纪40年代，欧洲开始生产Fe粉汽车工业推动了现代粉末冶金技术的进步新材料新工艺金属陶瓷、弥散强化材料、 高速钢、超合金粉末冶金发展历史(续1)德里城东南的大铁柱:高7.1米，重60吨，距今已有1500年的历史，任凭风吹雨淋，从不生锈。成分:除了铁之外，还有碳、硅、磷等冶金史上的一项成就。 粉末冶金发展历史(续2) 粉末冶金发展中三个重要标志：是克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸 过程中产生的困难。

3、是20世纪30年代用粉末冶金方法制取多 孔含油轴承取得成功。 是向更高级的新材料新工艺发展。 40年代，新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料；60、70年代，粉末高速钢、粉末超合金相继出现。0-4 粉末冶金的特点 1、 粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料； 2、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；粉末冶金的特点(续1)控制制品的孔隙度能利用金属和金属、金属和非金属的组 合效果，生产各种特殊性能的材料，如 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；能生产各种复合材料，例如，由难熔化 合物和金属组成的硬质合金和金属陶 瓷、弥散强化复合材料、

4、纤维强化复合 材料等。粉末冶金的特点(续2)1）高合金粉末冶金材料的性能比熔 铸法生产的好。2）生产难熔金属材料或制品，一般 要依靠粉末冶金法，如钨、钼等 难熔金属。粉末冶金的不足之处： 粉末成本高粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制烧结零件的韧性较差 但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等等。0-5 粉末冶金的应用材料成分：铁基粉末冶金 有色金属粉末冶金 稀有金属粉末冶金材料性能：多孔材料， 致密材料 硬质材料，很软的材料 很轻的泡沫材料，重合金 磁性材料，其他性能材料材料类型

5、： 金属材料，复合材料 粉末冶金产品图片3粉末冶金产品图片5粉末冶金产品图片6粉末冶金产品图片70-7 粉末冶金专家黄培云1粉末冶金专家黄培云2技术职称 : 教授 院 士 : 中国工程院院士出生日期 : 1917-08-23出生地点 : 福建 福州专业领域 : 金属材料 ; 粉末冶金外 语 : 英语 ; 德语 ; 俄语 ; 日语通讯地址 : 湖南省长沙市中南工业大学工作单位: 中南工业大学职 务: 学术顾问粉末冶金专家黄培云3学 历:时 间: 1934-1938学 校: 清华大学所获学位: 学士国 别: 中国时 间: 1941-1945学 校: 麻省理工学院所获学位: 科学博士国 别: 美国粉

6、末冶金专家黄培云4我国粉末冶金学科的主要创始人之一。创立了著名的粉末压制理论和烧结理论。研制成功多种用于核、航天、航空、电子等领域的粉末冶金材料。提出了非规则溶液活度系数的计算、模型、三元参数计算、三元系相图的方法及模型和多级快速凝固制取非晶、准晶和微晶金属粉末理论。多次获得国家及省部级奖励，获1986年国家发明奖一等奖。发表学术论文60余篇，专著两部。粉末冶金专家黄培云5我国粉末冶金学科的启蒙者和创始人之一。创办了第1个粉末冶金专业(1954年，填补了我国高校专业设置的一项空白)，创建了第1个粉末冶金研究所(1979)。他亲自撰写教材、开设课程、制定教学计划，培养研究生，为国家培养了大量的科

7、学技术人才，其中博士、硕士研究生80余人，本科生2000余名，都已成为我国粉末冶金领域的骨干力量。粉末冶金专家黄培云6粉末冶金研究所，现已成为我国粉末冶金学科中心。在他的主持和领导下，共完成国家重点科研项目300余项，其中获国家科技进步一等奖3项、三等奖2项；国家发明一等奖1项、三等奖1项，四等奖1项；国家自然科学进步奖三等奖1项、四等奖1项；省部级奖47项。这些科研成果被广泛应用于国防建设和国家重点工程上，先后3次受到中共中央、国务院、中央军委的贺电和嘉奖。经过黄培云教授几十年的辛勤努力，中南大学粉末冶金研究院的科研学水平已被国内外同行所公认，国家计委先后批准以该所为依托建设“粉末冶金国家重

8、点实验室（1988）”和“粉末冶金国家工程研究中心” （1992）。粉末冶金专家黄培云7 黄培云教授不仅对我国粉末冶金学科的创立和建设作出了突出贡献，而且在粉末冶金和材料科学研究中取得了重大成就。他在60年代初就提出了著名的粉末冶金烧结过程的综合作用理论，得到了国内外学者的广泛承认和验证。从60年代中期到80年代初，黄培云教授对粉末压制理论进行了近20年的潜心研究。 粉末冶金专家黄伯云1 黄伯云，男，汉族，1945年11月出生，湖南省南县人，中共党员，中共十六大、十七大代表。1969年毕业于中南矿冶学院，1980至1986年在美国 Iowa State University（爱阿华州立大学）攻

9、读并获工学硕士、工学博士学位，1988年在美国 University of Tennessee 完成博士后研究。1988年回国后一直在中南大学从事科研、教学工作。 黄伯云教授1999年11月当选为中国工程院院士。现任中南大学教授、博士生导师，全国科协副主席，中国粉末冶金联合会主席，粉末冶金国家重点实验室主任、粉末冶金国家工程中心主任。 粉末冶金专家黄伯云2 黄伯云教授长期从事先进复合材料、高性能摩擦材料、高温结构材料、粉末冶金材料以及其它新材料的研究与开发。近年来，他共完成国家自然科学基金重点项目、国家863高技术项目、国家973重大基础研究项目和国家攻关项目等10余项，并获得国家技术发明一等

10、奖1项，技术发明二等奖1项，科技进步二等奖1项，科技进步三等奖1项，国家级教学成果奖二等奖2项，省部级一等奖6项。粉末冶金专家黄伯云3 其中，主持研究的“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”，荣获 2004年度国家技术发明一等奖，结束了该奖项连续六年空缺的历史；“高性能粉末冶金飞机刹车材料制造”，实现了某型飞机刹车材料的国产化，1997年获得国家技术发明二等奖。黄伯云说：“要搞就要搞第一的东西，要搞就要搞自主创新的东西。只有第一了，你才是原始的创新，你才是自主的创新，你才是自己的东西，否则我们就永远跟在人家的后面。” 粉末冶金专家黄伯云4粉末冶金专家黄伯云5 “铁基、钨基复杂精细零部件注射成型

11、技术”，创造了一系列具有自主知识产权的新技术，为精密复杂零部件制造提供了整套关键技术，荣获2003年度国家科技进步二等奖；研制的“钐-钴和铈钴铜铁磁性材料”成功应用于我国人造卫星的关键通讯器件；他还获得了何梁何利科学与技术进步奖、留学回国人员成就奖、长沙市首届科学技术创新贡献奖、中国有色金属工业科技进步特别贡献奖和光召科技奖等奖励；并获得国家“中青年有突出贡献专家”、“2004中国十大科技新闻人物”、“全国五一劳动奖章”等荣誉称号。获国家授权发明专利10多项，发表EI、SCI论文80余篇，出版专著2部。黄伯云研制的飞机刹车片黄伯云研制航空制动材料第1章 粉末的制取粉末制取的要求要求：材质 外形

12、 粒度方法 ：固态/液态/气态粉末状态粉末的制取方法(2) 物理化学法： 雾化法 还原法 电解法 气相沉积法 液相沉积法粉末的制取方法： 机械粉碎法 物理化学法(1) 机械粉碎法： 球磨法1-1 机械粉碎法 机械研磨：脆性材料塑性金属和合金旋涡研磨：冷气流粉碎：机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末的滚筒式行星式振动式机械法：球磨法1-1-1 机械研磨法 1. 球磨基本规律球和物料随球磨筒转速不同的三种状态图(a) 低转速； (b) 适宜转速； (c)临界转速 泻落 抛落工作转速 临界转速湿磨的优点: 可减少金属的氧化 可防止金属颗粒的再聚集和长大 可减少物料的成

13、分偏析,并有利于成形剂的 均匀分散； 加入表面活性物质时可促进粉碎作用 可减少粉尘飞扬，改善劳动环境。2. 影响球磨的因素球磨筒的转速： n工=0.6n临界细物料，n工=0.70.75n临界 粗物料装球量: 装填系数B=装球体积/球磨筒体积=0.40.5球料比: 在B=0.40.5时装料量以填满球间空隙稍掩盖住球体表面为原则球的大小: d570时：Fe2O3 Fe3O4 浮斯体（FeO Fe3O4） Fe3 Fe2O3+C=2Fe3O4+CO (a)Fe3O4+C= 3FeO+CO (b)FeO+C=Fe+CO (c)(2)当T570时：3 Fe2O3 +CO=2 Fe3O4+CO2 (a)F

14、e3O4+CO= 3FeO+CO2 (b)FeO+CO=Fe+CO2 (c)(2)当T570时：1/4Fe3O4+CO= 3/4Fe+CO2 (d)碳间接还原状态图1-Fe3O4稳定区2-Fe稳定区3-FeO稳定区有固体碳存在时铁氧化物的还原123碳间接还原(续)TT2: Fe稳定工艺流程图3. 影响还原过程和铁粉质量的因素 原料 固体碳还原剂 还原工艺条件 添加剂 海绵铁的处理 研究铁氧化物还原的基本原理就是为了了解其实质和影响还原过程的内外在因素，以便在生产上控制这些因素，来提高还原速度和铁粉的质量。下面讨论几个影响因素： 杂质： SiO2+FeO=Fe2SiO4 (硅酸铁，难还原） 因此

15、，原料要磁选。 粒度：原料在准备中一般都要粉碎。 如：950还原球形磁铁矿： 粒径： 1mm 4mm 还原时间： 20min 70min 还原率： 90% 90%(1) 原料1) 还原剂类型：木炭，焦炭，无烟煤(2) 固体碳还原剂(2) 固体碳还原剂-2)固体还原剂的用量最适宜的木炭加入量为86%-90% 如铁磷的含氧量为 25%，以每罐装10kg铁磷计，取k=0.65，则应加入碳量为：2.50.65=1.625kg，设木炭含炭量为65%，则应加入木炭量为1.625/0.65= 2.5kg，即铁磷：木炭=4：1 根据FeO+C=Fe+CO来算配碳比，如果碳全部生成 CO，则碳氧比为K=12/1

16、6=0.75，要据实验，最适宜的木炭加入量为86%90%，当铁鳞或者铁矿石与木炭分开装罐时还原温度如定为1000，碳氧比一般取0.65,而采用无烟煤，则碳氧比稍高一些，一般取0.7。木炭加入量与铁粉纯度的关系1铁粉中含铁量；2铁粉中含碳量(2) 木炭加入量与铁粉纯度的关系(3) 还原工艺条件1)还原温度与时间木炭还原铁鳞时还原百分率与还原温度和还原时间的关系不利：高温烧结趋势增大海绵铁渗碳趋势增大，加工硬化加大(3) 还原工艺条件2)料层厚度：一般5060mm1050时，料层厚度与还原时间的关系3)还原罐密封程度(4) 添加剂 一定固体碳：疏松剂/辅助还原剂 返回料：废铁粉，缩短诱导期 引入气

17、体还原剂：炉煤气/焦炉煤气/高炉煤气/转化天然气 （CO/H2）(5) 海绵铁的处理 海绵铁块破碎成铁粉时产生加工硬化，有时含氧量较高或严重渗碳，一般要还原退火。还原退火的作用：加工硬化：是金属在被冷却加工后，金属的结晶晶格 发生畸变，应力集中，致使金属硬化。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：Fe 95%-97% 97%-98%脱碳作用： 含C量0.4%-0.2% 570时：Fe2O3 Fe3O4 浮斯体（FeO Fe3O4） Fe3 Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O (a)Fe3O4+H2= 3FeO+H2O (b)FeO+H2=Fe+H2O (c)(2)当T

18、0.1%，促使W粉粒度长大。原因：碱 金属及碱土金属，多以氧化物形式存在于WO3中， 在水蒸汽的作用下，形成熔点低的液相氢氧化钠， 使钨粉粘结成大颗粒。K、Ca、Mg：增大W粉粒度，影响不如Na大。Fe：易氧化的有害杂质。Mo：抑制W粉颗粒长大，使W粉粒度变细，但含量过高会 使硬质合金变脆，一般Mo%0.5% 。2)氢气氢气湿度氢气湿度湿度过大，还原速度减慢，还原不充分，钨粉颗粒变粗，钨粉含氧量上升。湿度过大，炉管内气态物质(H2O)增高，很细的W粉重新被氧成气态物质，当被氢重新还原时沉积在粗粒W粉上，使细钨粉减少，粗W粉增多。2)氢气氢气流量氢气流量增大氢气流量，有利于还原反应的进行，并且有

19、利于排出还原产物水蒸气，可得细W粉。减少氢气流量，还原反应不能充分进行，钨粉含O量升高。氢气流量如果过少，将带出物料，降低金属实收率，并且易堵塞排气管道。通常，H2流量为理论量的3倍。2)氢气通氢方向 一般生产中氢气的流向都与物料进行的方向相反，即所谓逆流通氢。3)还原工艺条件还原温度还原温度还原温度过低，还原不充分，钨粉含氧量上升。还原温度过高，会使钨粉颗粒长大。因为钨氧化物挥发性随温度升高而升高，使WO3过快进入高温区。3)还原工艺条件推舟速度及舟中料层厚度料层厚度料层太厚，反应产物(H2O)不易从料中排出，舟中深处粉末易氧化和长大。料层太厚，H2不能顺利进入料层内部与物料作用，还原速度下

20、降，导致WO3还原不透，结果W粉含O量升高，颗粒变粗，因此要适当控制料层厚度。推舟速度： 过快时，WO3在低温区来不及还原便进入高温区，使W粉颗粒长大或含氧量上升。4)添加剂 还原时，加入适量添加剂，可阻碍W粉颗粒长大。如：铼、钍、铬等。1-2-3 金属热还原法 金属热还原法主要应用于制取稀有金属（Ta、Nb、Ti、Th等），特别适于生产无碳金属,也可制取像Cr-Ni这样的合金粉末。 还原可在常压下进行，也可在真空下进行。 常压热还原 真空热还原1. 常压热还原金属热还原的反应可用一般化学式来表示：还原剂应满足：稳定性MeXMeX还原剂一般还应满足下列要求还原反应所产生的热效应较大，希望还原反

21、应能依靠反应热自发地进行。形成的渣以及残余的还原剂应该容易用溶剂洗涤、蒸馏或其他方法与所得的金属分离开来 钽、铌氟化物的还原用钙、钠、镁均可，但是实际应用的 是?还原剂与被还原金属不能形成合金或其他化合物。常用还原体系常用：Ca+TiO2, ThO2, UO2Na+Ta/Nb氟化物Ca /Mg/ Na+Ta/Nb氯化物2. 真空热还原 多用于有色和稀有金属的生产，常用Na、Ca、Al、Si等来还原易挥发金属。1-3 电解法 电解法在粉末冶金中占有重要的地位，其生产规模在物理化学法中仅次于还原法： 缺点：耗电多，成本高；粉末活性强， 易被氧化。 优点：纯度高，树枝状结构,粉末成形性 好，压坯强度

22、高。电解制粉方法：(1)水溶液电解(4)液体金属阴极电解(2)熔盐电解(3)有机电解质电解1-3-1 水溶液电解 水溶液电解法可生产铜镍、铁、银、锡、铅、铬、锰等金属粉末，在一定条件下可使几种元素同时沉积而制得Fe-Ni、Fe-Cr等合金粉末。1. 电化学原理(1) 电极反应电化学反应体系: (-)Cu(粉)/CuSO4,H2SO4,H2O/Cu(纯)(+)电极反应阳极：Cu - 2e = Cu2+ 2OH- - 2e = H2O+1/2O2阴极： Cu2+ + 2e = Cu 2H+ + 2e = H2(2) 成粉条件电解实验证实： (1)在阴极开始析出的是致密金属层, 阴极附近的阳离子浓度

23、由原来的C降低到一定值Co时才开始析出松散的粉末. 在低电流密度电解时,Co值通常是达不到的，因为离子的浓度减少会不断靠扩散而得到补充；只有采用高电流密度时，阴极附近的阳离子浓度急剧下降，经过很短时间就达到Co值。 要形成粉末，电流密度和金属离子浓度起着关键作用。 金属离子浓度与至阴极距离的关系 (2)当通电时，只是在距阴极表面距离h以内的阳离子于阴极析出。(1)假定1秒钟后开始析出粉末，则成粉条件：(2)假定25秒钟后开始析出粉末，则成粉条件：i-c关系图(2) 成粉条件(续)- i-c关系图 粉末区域 过渡区域 致密沉积物区由图可知：粉末区：iKc,高电流密度i和低阳离子浓度c致密沉淀物区

24、：i0.2Kc,低i和高阳离子浓度c一些常用盐类的a值和K值2. 影响粉末粒度和电流效率的因素(1)电解液组成1)Men+的影响2) 酸度的影响(H+浓度)3) 添加剂（2）电解条件1)电流密度的影响2) 电解液温度的影响3) 电解时搅拌的影响4) 刷粉周期的影响(1)电解液组成1)Men+的影响Cu2+愈低，粉末颗粒愈细。因为，在其他条件不变时， Cu2+愈低，扩散速度慢，过程为扩散所控制，也就是说向阴极扩散的金属离子量愈少，成核速度远远大于晶体长大速度，故粉末愈细；如果提高Cu2+浓度，则相应地扩大了致密沉积物的区域，使粉末变粗。铜离子浓度Cu2+，g/L810121620平均粒度，m94

25、110124160205注：其他条件：H2SO4 130g/L，电流密度18A/dm2 温度561，电解时间20min(1)电解液组成-1)Men+的影响(续)铜离子浓度对电流效率的影响1经过30min取粉；2经过20min取粉Cu2+浓度电流效率因为Cu2+浓度增加，有利于提高阴极的扩散电流，从而有利于铜的沉积，可提高电流效率。2) 酸度的影响(H+浓度)硫酸浓度对电流效率的影响(1)一般认为，若在阴极上H与Me同时析出，则有利于得到松散粉末。(2)H+对电流效率的影响：一般认为，提高酸度有利于H析出，电流效率下降。3) 添加剂添加剂电解质添加剂：非电解质添加剂：胶体（动物胶，树胶） 尿素，

26、葡萄糖等表面活性剂 作用是提高电解质导电性或控制PH值在一定范围内。可吸附在晶粒表面上阻止其长大，金属离子被迫又建立新核，促使得细粉末。粉末与致密物的电解条件条件 粉末沉积物 致密沉积物铜离子浓度 515g/l 4045 g/l硫酸 150175g/l 180210 g/l温度 2560 5565阴极电流密度 7001100 A/m2 180220 A/m2槽电压 1.01.5V 0.20.4V电流效率 90% 97.83%电耗 27003500kwh/t-Cu 240kwh/ t-Cu（2）电解条件-1)电流密度的影响电流密度越高，粉末愈细(2)电解条件-1)电流密度的影响i提高槽电压升高电

27、流效率降低2) 电解液温度的影响T升高，扩散速度提高，晶粒长大速度增加，粉末变粗T升高，电流效率略有增加3) 电解时搅拌的影响搅拌速度高，粒度组成中粗颗粒的含量增加刷粉周期短有利于生成细粉4) 刷粉周期的影响3. 电解法制取铜粉工艺流程1-3-2 熔盐电解法 熔盐电解法可以制取 Ti、Zr、Ta、Nb等纯金属粉末，也可以制取如 Ta-Nb等合金粉末以及各种难熔化合物（如碳化物、硼化物和硅化物等）粉末。 熔盐电解比水溶液电解困难大得多。温度较高，故操作困难，产物与熔盐的挥发损失增加，而且还会产生副反应和二次反应。把产物与熔盐分开有很多困难电流效率较低。1-4 雾化法 雾化法属于机械制粉法，是直接

28、击碎液体金属或合金而制得粉末的方法，应用较广泛，生产规模仅次于还原法。 雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。 制造过滤器用的球形粉末目前几乎全是采用雾化法生产。1-4-1 雾化机理雾化聚并凝固外力冲击相互接触冷却 雾化过程是一个复杂过程，按雾化介质与金属液流的相互作用的实质，既有物理-机械作用，又有物理-化学变化。能量交换物理-机械作用雾化介质金属液流动能表面能热量交换雾化介质金属液流接受热量部分热量动力源冷却剂物理-化学作用雾化过程液体金属冷却过程粘度和表面张力雾化介质液体金属成分改变发生变化化学作用氧化脱碳1-

29、4-2 分类液体金属的击碎制粒法(0.51mm)雾化法1mm 粉末体 (powder) 0.1m1mm胶 体 (collid ) 0.1m 粉末体，简称粉末，是由大量的粉末颗粒组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此可以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。粉末体与致密体的区别空隙 形状流动性最小实体粉末体 致密体单颗粒 晶粒有 无不固定 固定有 无2-1-2 粉末颗粒(Powder particles)1.颗粒聚集状态2. 颗粒结晶构造3. 表面状态1.颗粒聚集状态粉末中能分开并独立存在的最小实体单颗粒以某种方式聚集构成二次颗粒 ，其中的原始颗粒称为一次颗粒单颗粒(sin

30、gle particle ) 二次颗粒 (Secondary particle)一次颗粒(Firstly primary particle)团 粒(Agglomerates)絮凝体(garrulous) 由单颗粒或二次颗粒靠范德华引力粘结而成的，其结合强度不大 在粉末悬浊液中，由单颗粒或二次颗粒结合成的更松软的聚集颗粒 聚集颗粒示意图a单颗粒b二次颗粒a2一次颗粒c晶粒 颗粒聚集状态示意图2. 颗粒结晶构造 粉末颗粒实际结构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；从更微观的角度看，粉末晶体由于严重的点阵畸变，有较高的空位浓度和位错密度。因此，粉末总是贮存了

31、较高的晶格畸变能，具有较高的活性。 颗粒具有多晶结构3. 表面状态粉末颗粒细，有发达的外表面；同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也相当大外表面: 颗粒表面所有宏观的凸起和凹进的部分以及 宽度大于深度的裂隙；内表面: 深度超过宽度的裂隙、微缝以及与颗粒外表 面连通的孔隙、空腔等的壁面，但不包括封闭在颗粒内的潜孔举例 超细铝粉(粒度为2060nm)的比表面高达70m2/g，其氧化膜层占质量的16%18%。 粉末冶金工业用的铁、铜、钨等金属粉末，在技术标准中都规定了氧含量，其中包括表面吸附和氧化膜中的氧。发达的表面积贮藏着高的表面能，对于气体、液体或微粒表现出极强的吸附能力。因而，超细粉末容易自发地聚集成

32、二次颗粒，在空气中极易氧化或自燃。2-1-3 粉末性能化学成分(Chemical composition )物理性能(Physical features)工艺性能(Operational features)1. 化学成分金属的含量杂质的含量库仑分析仪：测定全氧量氢损法：测定可被氢气还原的那部分氧含量金属粉末的氧含量氢损值=A粉末试样(5g)加烧舟的质量B氢中煅烧后残留物加烧舟的质量C烧舟的质量氢损法如果在分析条件下粉末有脱碳、脱硫反应及金属挥发(Pb、Zn、Cd)时，测得的值 实际氧含量如果粉末中有在分析条件下不被氢所还原的氧化物(SiO2、CaO、Al2O3)，则 测得的值 实际的氧含量2.

33、 物理性能颗粒形状与结构颗粒大小和粒度组成比表面积颗粒的密度显微硬度光学和电学性质熔点、比热容、蒸气压等热学性质X射线、电子射线的反射和衍射性质，磁学半导体性质1) 颗粒形状规则形状不规则形状Porous SpongePlate powdersDendrite Irregular SphereangularIrregularsimilar sphereParticle shape and the suggested qualitative descriptors颗粒形状与生产方法的关系颗粒形状生产方法颗粒形状生产方法球形近球形片状多边形气相沉积，液相沉淀气体雾化，置换(溶液)塑性金属机械研磨机

34、械粉碎树枝状多孔海绵状碟状不规则形状水溶液电解金属氧化物还原金属旋涡研磨水雾化，机械粉碎，化学沉淀 颗粒形状主要由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关。 颗粒形状直接影响粉末的流动性、松装密度、气体透过性，另外对压制性与烧结体强度也有显著影响。Scanning electron micrograph of electrolytic copper powder show typical dendritic shape 球形,针形,树枝形,粒状,片形,瘤状,多角形,海绵形,不规则形,等九种.Sphere，Needle， Dendrite Dendrite，Plate

35、，Particle， Nodular，angular， Sponge Irregular 2) 颗粒的密度真密度真密度实际上就是粉末的固体密度；开孔/半开口孔与颗粒外表面相通 颗粒内不与外表面相通的潜孔 闭孔true density有效密度又称为比重瓶密度比重瓶密度F1：比重瓶质量；F2：比重瓶加粉末的质量；F3：比重瓶加粉末和充满液体后的质量；液：液体的密度； V：比重瓶的规定容积。3) 显微硬度(Microhardness) 颗粒的显微硬度值，在很大程度上取决于粉末中各种杂质与合金组元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。 用不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同的。粉末纯

36、度愈高，则硬度愈低。3. 工艺性能 工艺性能也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）。松装密度(apparent density)振实密度(packing density)流动性（flow ability）压缩性与成形性(compressibility and formability) (Operational features)1) 松装密度与振实密度将粉末装于振动容器中，在规定条件下，经过振动后测得的粉末密度松装密度是粉末在规定条件下自然充填容器时，单位体积内的粉末质量，单位为g/cm3。振实密度一般振实密度比松装密度高20%50%松装密度测定装置 振动使

37、粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的pores，所占体积称为porous volume空隙体积。空隙体积与粉末体的表观体积之比称为孔隙度；孔隙度孔隙度Porosity include pores in the particle and between the particles影响松装密度与振实密度的因素 松装密度是粉末自然堆积的密度，它取决于颗粒间的粘附力(viscosity adhesion)、相对滑动的阻力(the resistance of sliding) 、粉末体孔隙被小颗粒填充的程度(particle packing)影响因素颗粒形状松装密度振实密度松装时孔隙度/%片状不规则

38、形状球形0.42.34.50.73.145.395.574.249.4 (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。三种颗粒形状不同的铜粉的密度颗粒形状对松装密度的影响1球形2近球形3不规则形状4树枝状球形粉类球形不规则形树枝形 sphere-similar sphere-irregular-dentritical费歇尔平均粒度/松装密度/1.202.473.886.8526.002.162.523.67 4.4010.20(b) 粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大 细粉末易“搭桥”和互相粘附，妨碍颗粒相互移动，故松装密度减小。（c) 粉末颗粒越致密，松装密度就

39、越大。表面氧化物的生成提高了粉末的松装密度 (d)粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低。当粗细粉末按一窄比例混合均匀后，可获得最大松装密度。此时，粗颗粒之间的大孔隙可被一部分细颗粒所填充。粗粉与细粉混合对密度的影响1-松装密度2-振实密度2) 流动性（Flow ability） 粉末流动性是50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为s/50g. 俗称为流速。安息角natural angle of reposea.流动性差的粉末； b.流动性好的粉末影响因素: 颗粒间的摩擦（friction among the particles）颗粒性质 形状复杂，表面粗糙，流动性差 resulti

40、ng in poor flow ability理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加 ，流动性差流动性受颗粒间粘附作用的影响 颗粒表面如果吸附水分、气体或加入成形剂会减低粉末的流动性。3)压缩性与成形性(压制性)compressibility and formability 成形性(formation ability) 是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯的强度来衡量。 压缩性（compressive ability/compressibility） 是金属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力。在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在

41、一定的单位压制压力( 50MPa) 下粉末所达到的压坯密度表示。影响压缩性的因素(P111)颗粒的塑性或显微硬度。颗粒形状和结构密度减少时（空隙增加）压缩性差松装密度: 雾化粉 还原粉压缩性: 雾化粉 还原粉塑性金属粉末比硬、脆材料粉末球磨的金属粉末，退火后塑性改善，压缩性提高。irregular powder with poor compressibility影响成形性的因素成形性受颗粒形状和结构的影响最为明显。颗粒松软、形状不规则的粉末，压紧后颗粒的联结增强，成形性就好。 一般说来、成形性好的粉末，往往压缩性差； 相反，压缩性好的粉末，成形性差。影响因素: 颗粒之间的啮合与间隙压坯强度:

42、还原铁粉 雾化铁粉smaller particle，good formability, poor compressibility2-2 粉末粒度及其测定particle size and measurement2-2-1 粒度和粒度组成粒度(粒径)：以mm或um表示的颗粒的大小 称为颗粒直径,简称粒径或粒度粒度组成： 用具有不同粒径的颗粒占全部(粒度分布) 粉末的百分含量表示。 （不同粒径的颗粒在粉末总量中所占的百分数）单颗粒粉末体particle size and size composition又称粒度分布 size distribution2-2-2 粉末粒度划分级别 粉末的粒度和粒度组

43、成主要与粉末的制取方法和工艺条件有关。 粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能，从而对粉末的压制与烧结过程以及最终产品的性能产生很大影响。级 别平均粒径范围级 别平均粒径范围粗粉中粉细粉150500401501040极细粉超细粉0.510880总计作业4. 粒度分布函数粒度分布曲线若用数学式表达，就称为分布函数。粒度分布曲线的几种类型：粒度分布曲线的几种类型其中，(a)图所示的正态分布曲线是最理想的分布曲线。5. 平均粒度(P71)算术平均径长度平均径体积平均径面积平均径体面积平均径质量平均径比表面平均径由符合统计规律的粒度组成计算的平均粒径称为统计平均粒径，是表征整个粉末体的一种粒度参数。平

44、均粒径计算公式：粉末统计平均粒径的计算公式2-2-5 粒度测定方法与分类根据粉末粒径的四种基准，可将粒度测定方法分成四大类：粒径基准方法名称测量范围，um粒度分布基准几何学粒径筛分析40质量分布光学显微镜5000.2个数分布电子显微镜100.01个数分布当量粒径重力沉降501.0质量分布比浊沉降500.05质量分布气体沉降501.0质量分布离心沉降100.05质量分布风筛4015质量分布比表面粒径吸附(气体)200.001比表面积平均径透过(气体)500.2比表面积平均径光衍射粒径光衍射100.001体积分布X衍射0.050.0001体积分布1.筛分析法(40um )设备：震动筛/试验筛称取一

45、定质量(通常为50g/100g)的粉末，使粉末依次通过一组筛孔尺寸由大至小的筛网，按粒度分成若干级别，用相应筛网的孔径代表各级粉末的粒度。只要称量各级粉末的质量，就可计算用质量百分数表示的粉末的粒度组成。(1)操作(2)筛网标准网目数(简称目): 表示筛网的孔径和粉末的粒度。目数：是筛网1英寸长度上的网孔数。 (注明在筛框上，故有时称筛号。)目数愈大，网孔愈细。目前国际标准采用泰勒(Taylor)筛制a网孔尺寸d 代表丝径m目数1英寸=25.4mm Sieve analysis relies on use of a stack of mash screens泰勒筛制（3）筛分析粒度组成通常以表

46、格形式记录和表示，并不绘制粒度分布曲线。工业粉末的筛分析常选用80目、100目、150目、200目、250目、325目等筛组成一套标准筛。各级粉末的粒度间隔是以相邻两筛网的目数或筛孔尺寸表示。100 150 目表示通过100目和留在150目筛网上的那一粒度级的粉末。还原铁粉筛分粒度组成实例2.显微镜法主要用于40m以下的粉末，最佳测量范围200.5m 粉末取样和制样要求较高。因粉样一般不超过1mg,故对较粗的粉末可直接用酒精、二甲苯等分散剂在玻璃片上制样；而小于5m的粉末，则需用较多的粉样先用分散剂调成悬浊液，必要时还要用超声波进行分散，然后将均匀的悬浊液滴在玻璃片上并烘干。操作繁琐和费力，光

47、电计数器自动读数可以大大缩短测试时间。最大缺点：3.沉降分析（150m） 粉末颗粒在静止的气体或液体介质中，依靠重力克服介质的阻力和浮力而自然沉降，由此引起悬浊液的浓度、压力、相对密度、透光能力或沉降质量的变化，测定这些参数随时间的变化规律，就能反映出粉末的粒度组成。气体沉降液体沉降GfF在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，粗颗粒沉降快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(或时间)后，就能将粉末按粒度的差别分开，这就是最简单的沉降分级的原理。h4.淘析法 颗粒在流动介质（气体或液体）中发生非自然沉降而分级称为重力淘析或简称淘析，气体淘析风

48、选液体淘析水力分级优点：用于对极细和超细粉末的分级，具有设备和操作简单、效率高的特点。淘析法原理：流体逆着粉末向上运动，粉末按颗粒沉降速度大于或小于流体线速度而彼此分开，改变流速，就可按不同的临界粒径分级。2-3 粉末比表面及其测定 比表面属于粉末体的一种综合性质，是由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。 粉末比表面是粉末的平均粒度、颗粒形状和颗粒密度的函数。1g质量的粉末所具有的总表面积，m2g或cm2g粉末克比表面:体积比表面:测定粉末比表面吸附法透过法致密体的比表面， m2cm32-3-1 气体吸附法原理：计算1g物质的总表面积，即得克比表面S测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积V

49、m气体分子的横截面积Am2-3-2 透过法根据所用介质的不同气体透过法液体透过法原理：测定气体透过粉末层(床)的透过率计算粉末比表面或平均粒径存在定量关系即当粉末床的孔隙度不变时，流体通过粗粉末比通过细粉末的流量大。粉末愈细，比表面愈大，对流体的阻力也愈大。单位时间内透过单位面积的流体量就愈小。透过法柯青卡门方程(P98)-80+100表示的意义： 通常把固态物质按分散程度不同分成三类 工艺性能有： 判断：粗WO3粉一定比细WO3粉还原制得的W粉更细。水雾化法制取的粉末多为球形粉末粉末颗粒形状越规则，越粗大，松装密度就越小。成形性能的大小：电解铁粉还原性铁粉雾化粉第3章 成形 成形是粉末冶金工

50、艺过程的第二道基本工序， 是使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。3-1 成形前原料预处理3-2 金属粉末压制过程3-3 压制压力与压坯密度的关系3-4 压制过程中力的分析3-5 压坯密度的分布3-1 成形前原料预处理 退火筛分混合制粒加润滑剂1、退火 (annealing) (P118)使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度（还原性气氛真空退火） (reducing and annealing) 消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构 （惰性气体气氛）在某些特殊情况下，如为了防止某些超细金属粉末的自燃，需要将其表面钝化，这时也要退火处理。 (惰性气体气

51、氛)退火对成分的影响退火对压制性能的影响2、筛分目的：把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。通常用标准筛网制成的筛子或振动筛来筛分3、合批与混合(blendingandmixing)混合指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程称为合批。混合分类液体介质：酒精、汽油、丙酮、水等分类机械法化学法干混湿混铁基制品、钨粉、碳化钨粉制备硬质合金能使物料中的各组元分布得更加均匀，从而更有利于烧结的均匀化。基体组元的每一颗粉末表面都包覆上了一层金属添加剂，这有利于烧结过程中的合金化。所得的最终产品组织结构较理想，综合性能优良。4、制粒（pelle

52、tizing or granulating） 在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔必须先制粒。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，目的：改善粉末的流动性喷雾干燥制粒优点：料粒形状规则，粒度均匀，流动性好，可减少压制废品的出现。5、加成形剂 、润滑剂成形剂润滑剂在烧结中能造成一定孔隙的物质造孔剂为了降低成形时粉末颗粒与模壁和模冲间摩擦、改善压坯的密度分布、减少压模磨损和有利于脱模 如石墨粉、硫磺粉提高压坯强度或为了防止粉末混合料离析，在烧结前或烧结时该物质被除掉，有时也叫粘结剂，如硬脂酸锌、合成橡胶、石蜡等。铁、铜基零件：硬脂酸锌硬质合金：石蜡、合成橡胶、聚乙烯醇、乙

53、二醇3-2 金属粉末压制过程3-2-1 金属粉末压制现象3-2-2 金属粉末压制时的位移与变形3-2-3 金属粉末的压坯强度3-2-1 金属粉末压制现象 压力经上模冲传向粉末时，粉末在某种程度上表现有与液体相似的性质力图向各个方向流动，于是引起了垂直于压模壁的压力侧压力。 粉末在压模内所受压力的分布是不均匀的模压成形的三个步骤A 装粉 B 压制 C 脱模3-2-2 金属粉末压制时的位移与变形 粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强度，这是由于在压制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触显著增加。也就是说，粉末在压制过程中出现了位移和变形。1 粉末的位移 粉末在松装堆集时，

54、由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔洞的现象，叫做搭桥。粉末体具有很高的孔隙度 松装密度 (g/cm3) 密度(g/cm3)还原铁粉 2 3 致密铁 7.8钨粉 3 4 致密钨 19.3 施压位移的形式2 粉末的变形变形的形式外力卸除后粉末形状可以恢复原形弹性变形塑性变形脆性断裂压力超过粉末的弹性极限，变形不能恢复原形。(金属的塑性越大，塑性变形也就越大)。单位压制压力超过强度极限后，粉末颗粒就发生粉碎性的破坏。(脆性粉末主要是脆性断裂)3-2-3 金属粉末的压坯强度粉末颗粒之间的机械啮合力(主要)1、粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种粉末颗粒表面原子之间的引力 粉末颗粒形

55、状越复杂，表面越粗糙，则粉末颗粒之间彼此啮合得越紧密，压坯的强度越高。2、压坯强度的测定测定方法： (1)压坯抗弯强度试验法(2)测定压坯边角稳定性的转鼓试验法(3)测试破坏强度(压溃强度)压坯强度：指压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。(1)压坯抗弯强度试验法 用压坯试样ASTM标准是：宽12.7mm，厚6.35mm,长31.75mm(中国标准：GB5319-85：12630mm) 。在标准测定装置上测出破断负荷，根据下列公式计算： 抗弯强度与成形压力的关系(2)测定边角稳定性的转鼓试验 将直径12.7mm厚6.35mm 的圆柱状压坯装入14目的

56、金属网制鼓筒中，以87r/min 的转速转动1000 转后，测定压坯的质量损失率来表征压坯强度。质量减少率越小，压坯的强度越好压坯强度(3)测试破坏强度(压溃强度) 是粉末冶金轴套类零件的特有的强度性能表示方法。3-3 压制压力与压坯密度的关系3-3-1金属粉末压制时压坯密度的变化规律3-3-2压制压力与压坯密度的定量关系3-3-1金属粉末压制时压坯密度的变化规律粉末颗粒发生位移，填充孔隙密度已达到一定值，粉末体出现了一定的压缩阻力，虽然加大压力，但孔隙度不能减少1、密度增加很快2、密度几乎不变3、压坯密度又随之增加成形压力超过粉末的临界应力后，粉末颗粒开始变形3-3-2压制压力与压坯密度的定

57、量关系压制理论的公式数量不少，但没有一个公式在实践检验中是完全正确无误的。多数理论都把粉末体作为弹性体处理，并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化，有的作者未考虑到粉末之间的摩擦，而且多数理论全都忽略了压制时间的影响。不言而喻，这些问题都必将影响到压制理论的正确性和使用范围。进一步探索和研究出符合实践并能起指导作用的压制理论是今后粉末冶金工作者急待解决的重要任务之一。3-4 压制过程中力的分析3-4-1 应力和应力分布3-4-2 侧压力和模壁摩擦力3-4-3 脱模压力3-4-4 弹性后效3-4-1 应力和应力分布使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦，通常以P1表示克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦

58、的力，通常以P2表示压制压力P净压力P1压力损失P2P=P1+P2应力分布压模内各部分的应力是不相等的上部应力底部应力上部同一断面， 边缘应力中心应力底部同一断面， 中心应力边缘应力3-4-2 侧压力和模壁摩擦力1 、侧压力：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力称为侧压力。 由于粉末颗粒之间的内摩擦和粉末颗粒与模壁之间的外摩擦等因素的影响，压力不能均匀地全部传递，传到模壁的压力将始终小于压制压力，即侧压力 侧压力弹性后效高 度 横 向56% 13%电解铁粉 还原铁粉 喷雾铁粉PP1一P2。若PlP2，物质在粉末颗粒表面蒸发，在接触颈部凝聚，因而使烧结颈部长大。外表面的曲率半径R

59、接触颈部的曲率半径NaCl ,TiO2, ZrO2Zn, Cd(evaporation-condensation)3. 体积扩散(volume or lattice diffusion)空位浓度梯度的存在构成了物质迁移的动力3. 体积扩散4.表面扩散颗粒的表面凹凸不平表面的原子表面的空位互相交换位置 只在早期对烧结颈的形成与长大及在后期对孔隙球化有明显作用。(surface diffusion)空位从颗粒接触面向颗粒表面（a）或晶界（b）扩散的模型5.晶界扩散烧结颈 晶界空位原子烧结颈 颗粒表面原子(grain boundary diffusion)6.塑性流动 烧结颈形成相长大可看成是金属粉末在表面张力下发生塑性变形的结果。 塑性流动理论的最新发展是将高温微蠕变理论应用于烧结过程(plastic flow)7. 综合作用烧结理论 黄培云自1958年开始研究烧结理论，在1961年10 月的沈阳金属物理学术会议上发表了综合作用烧结理论 。他总结和回顾了关于烧结机构的各种学派的论点和争论后，提出烧结是扩散、流动及物理化学