1冶金术之粉末粒度.doc

广东省游乐设备事务所 专业设计开发粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。 l 粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 l 可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 l 可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 l 可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 l 可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。 l 可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。 我们常见的机加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技术制造的。粉末粒度及其分布(Particle size and its distribution)1 粒度（particle size）以mm或m的表示的颗粒的大小 称为颗粒直径，简称粒径或粒度。习惯上，粉末颗粒的大小（即粉末粒度）采用一维（one dimension）尺寸来衡量，粗略地表示粉末颗粒的粗细程度，以m或mm为单位。通常所说的粒度指的是粒径。粉末粒径反映颗粒外形的某一尺寸。粒径的具体数值与粉末颗粒的形状及粉末粒度的分析方法有关。因为，对于具体的测试方法是建立在一定的有关粉末颗粒形状的假设的基础之上的。如筛分析法指网孔的尺寸；光学显微镜法或扫描电镜法则代表颗粒投影的某一尺寸，即定向径；沉降分析、比表面法的当量粒径或等效球径。l 投影径：DA=(4A/)1/2 （令颗粒的投影面积A与直径为DA的球形颗粒面积相等）l 等体积球径：Dv=(6V/)1/3 （令颗粒体积V与直径为的球形颗粒的体积相等）l 表面径：Dsp=(S/)1/2 （令颗粒的表面积S与球形颗粒的表面积相等）l 体比表面径：Dsv=6/Sv=6V/S 前三种表示方法都基于了不同的对颗粒形状的假设，相互之间无法进行换算，且几何意义不明显。第四种方法不需对粉末颗粒的形状作任何形式的假设，而且其几何意义很明显，即为颗粒中心（centroid）到各表面元(微表面元ds)按其表面积加权距离的两倍。其有效性在于：(1)便于比较不同形状粉末颗粒的尺寸大小；(2)能有效地说明粉末颗粒尺寸对粉末的工艺性能（如粉末的压制与烧结性能）的影响。2粒度组成或粒度分布(particle size distribution)21 粒度组成 指具有不同粒径范围的颗粒在粉末总量中所占的百分数（质量或个数）。对于具体的测试方法，所测得的粒度分布是粗略的。因为，不同粒度范围的颗粒，其形状存在一定的差异，而这种差异恰恰反映了颗粒尺寸的大小。22 表示方法：列表法直方分布图（histogram）和频度分布曲线：即以频度（各粒度范围的颗粒数占所统计颗粒总数的百分数）为纵坐标，粒径为横坐标，矩形高度代表该粒级的频度（百分数）。这一表示方法比较直观，适用于筛分析和显微分析法测定的粒度分布的表征。若粒级取得足够窄，矩形上边的中点的连线成为频度分布曲线。（见教材）累计分布曲线(cumulative curve)： 分为“正”和“负”累计分布曲线两种。后者表示颗粒尺寸小于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数；而前者则指粉末颗粒数量大于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数。若将二者绘制于同一图上，则二者呈对称分布。（同上） 以上表示方法一般基于显微镜法或筛分析法，且分析过程极其复杂，适用于较粗粉末的粒度组成分析。而对于微细粉末粒度组成的测定，常采用一种快速分析方法激光衍射法。该法可给出粒度组成的连续分布曲线和粉末的平均粒度。3 平均粒度(Average particle size) 常用平均粒度的表示方法：算术平均径 Da=NiDi/Ni体积平均径 Dv=(Nid3/Ni)1/3面积平均径 DA=（Nid2/Ni）1/2比表面平均径 Dsp=K/(Sm) K=颗粒的形状因子；=颗粒的密度4 粒度分析方法41筛分析(Screening)：适合于较粗（38m）粉末的粒度分析。测得粉末颗粒的最大外形尺寸。目或网目数m：指筛网上一英寸长度内的网孔数。目数，网孔 m=25.4/(a+d)其中a=网孔尺寸； d=网丝径。且一英吋等于25.4mm。筛网标准：使用较多的是泰勒筛制。其分度方法是以200目的筛孔尺寸（0.074mm）为基准，依次乘以主模数21/2得到比得200目更粗的150、100、65、48、35目；对于小于200目的筛网，则依次除以主模数21/2得到比200目更细的270、400目。若所需的筛网粒级更加密集，则可用副模数21/4去乘或除。与上一筛制相比较，筛网数量增加一倍。 筛分析法简单快捷，工业用铁、铜基粉末常采用此法来分析粉末的粒度组成。4.2显微镜法(Microscopy)：A光学：粒度大于1m；B 电镜：粒度大于0.001m。此法测得的是颗粒定向径或投影径。并且，易于观察颗粒的表面形貌。 借助于图像分析仪可进行快速定量分析。43 沉降分析(Sedimentation)：适合于粒度细小粉末的分析。原理：重力G=d3g/6 浮力F=d3og/6 运动阻力R=3dv。沉降天平法测定 根据斯托克斯Stocksian公式，在静止在水中，物 体沉降速度与其直径平方成正比： 其中：1 沉降物质密度 g/cm3 ; 2 介质密度 g/cm3; d 颗粒直径cm; 介质粘度当颗粒受力处于平衡状态时（即Fi=0），颗粒在液体中匀速运动。不难想象，粒度较粗的颗粒在沉降初期，因受到较大的重力作用而具有较大的初速度而较快地到达沉降天平的托盘。细小颗粒较后到达。单位用厘米克秒表示： d=175/(-o)0.5(h/t)0.5=沉降介质的粘度；=颗粒的密度（有效密度）；o =介质的密度；h=沉降起始高度；t=沉降时间沉降法分析一个球形粉末粒度，设颗粒直径为8微米，如果粉末分散在设定100mm高的水柱中，求粉末沉降的速度： v=h/t=gd2(1-2)/(18) 这里，H=height=0.1m g=地球引力常数=9.8m/s2 d=颗粒直径=810-6m 1=Ni粉密度=8.9103kg/m3 2 =水密度=103kg/m3 =水的粘度=10-3kg/m/s 算出的速度为2.810-4m/s，对于设定高度为0.1米, 相应的时间是约360s或6分钟,雷诺系数为2.210-3 一般采用沉降天平分析。44 X-射线衍射：纳米粉末的粒度分析45 激光衍射5 粉末比表面(Specific surface area)粉末克比表面Sm：1克质量的粉末所具有的总表面积，m2/g；粉末体比表面Sv：单位体积粉末所具有的总表面积，m-1。便于不同材质粉末的比表面大小的比较。二者间的关系：Sv=松Sm对于颗粒形状相似的粉末体，Sm，颗粒尺寸。粉末颗粒的比表面取决于颗粒形状、粉末粒度及其组成、颗粒的表面粗糙程度。粉末的比表面决定了粉末的成形性和烧结性的好坏，是粉末的重要性能。31气体吸附法BET法（测量二次颗粒和一次颗粒），原理：利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，由气体分子的截面积换算出单位质量粉末的表面积。 Sm =VmN0Am/(22400M)Vm=吸附在粉末颗粒表面的单分子气体的总体积；N0=阿佛加德罗常数；Am=被吸附气体分子的截面积； M =粉末质量气体被吸附是由于固体表面存在有剩余力场，根据这种力的性质和大小不同，分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力的作用，气体以分子状态被吸附；后者是化学键力起作用，相当于化学反应，气体以原子状态被吸附测试方法：分为容量法和质量法。前者直接测量被吸附单分