[理学]第二章粉末冶金.ppt

2020 02 15 1 第二章粉末的性能及其测定 化学性能 ChemicalProperties 物理性能 PhysicalProperties 工艺性能 ProcessPerformance 2020 02 15 2 粉末的性能及其测定 2 1粉末及粉末性能2 2粉末的化学性能及成分测定2 3粉末颗粒的形状2 4粉末的粒度及其测定2 5金属粉末的工艺性能及测定 2020 02 15 3 2 1粉末及粉末性能 1 粉末体和粉末颗粒粉末是制取各种粉末冶金材料和制品的原料 粉末的各种性能对材料及制品的成形 烧结等工艺过程和产品最终性能产生直接的影响 自然界的物质按其存在形态 分为固态 液态 气态 2020 02 15 4 粉末体和粉末颗粒 粉末冶金的原材料是粉末 粉末与粉末冶金制品或材料同属于固态物质 而且化学成分和基本的物理特性 熔点 密度和显微硬度 基本保持不变 但就分散性和内部颗粒的联接性而言 通常可以把固态物质按分散程度不同分为致密体 粉末体和胶体三类 颗粒按照构成可以分成四大类型 原级颗粒型 聚集体颗粒型 凝聚体颗粒型 絮凝体颗粒型 2020 02 15 5 粉末体和粉末颗粒 固态物质按照尺寸的大小 大小在1mm以上的称为致密体或者固体大小在0 1 m以下的称为胶体微粒介于致密体和胶体之间的称为粉末体粉末体按照尺寸大小又可以分为 微米级粉末 1000 m 1 m 亚微米级粉末 1 m 0 1 m 纳米级粉末 100nm即0 1 m以内 2020 02 15 6 机械合金化制备纳米WC Co复合粉末 粉末体和粉末颗粒 2020 02 15 7 粉末体和粉末颗粒 粉末体 简称粉末 是由大量颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体 致密体则是一种晶粒集合体 致密体内没有宏观的孔隙 靠原子间的键力联接 粉末体内颗粒之间有许多小孔隙而且联接面很少 面上的原子间不能形成强的键力 所以 粉末体不像致密体那样具有固定形状 而表现出与液体相似的流动性 然而由于粉末体在移动时 颗粒之间有相互的摩擦 故粉末的流动性是有限的 2020 02 15 8 粉末体和粉末颗粒 单颗粒 粉末中能将其分开并可独立存在的最小实体称为单颗粒 单颗粒如果以某种方式聚集就构成所谓的二次颗粒 其中的原始颗粒就称为一次颗粒 一次颗粒之间形成一定的粘结面 在二次颗粒内存在一些微细的孔隙 一次颗粒或单颗粒可能是单晶颗粒 普遍情况下是多晶颗粒 但晶粒间不存在空隙 2020 02 15 9 粉末体和粉末颗粒 二次颗粒是由单颗粒以某种方式聚积而成 通常由化合物的单晶体或多晶体经分解 焙烧 还原 置换或化合等物理化学反应并通过相变或晶型转变而形成 也可以由极细的单颗粒通过高温处理 如煅烧 退火 烧结而成 二次颗粒又称为聚合体或凝集颗粒 2020 02 15 10 粉末体和粉末颗粒 颗粒还可以团粒和絮凝体聚集 团粒 所谓团粒是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 用研磨 擦碎等方法或在液体介质中就容易被分散成更细的团粒或单颗粒 絮凝体 则是在粉末悬浊液中 由单颗粒或二次颗粒结合成更松散的聚合颗粒 2020 02 15 11 粉末颗粒结晶构造和表面状态 粉末颗粒的表面状态是十分复杂的 一般粉末颗粒越细 外表面越发达 同时粉末颗粒的缺陷多 内表面也就相当大 外表面是可以看到的明显表面 内表面则包括裂纹 微缝以及与颗粒外表面联通的空腔 空隙等 但不包括封闭在颗粒内的潜孔 一般多孔性颗粒的内表面要比外表面大几个数量级 2020 02 15 12 3 粉末性能 粉末具有各种性能特征 严格来说 粉末体的性能介于致密体和胶体之间 而非常微细的粉末 如纳米粉末 就具有一些与常规粉末体包含的各种性能特征不同的某些异常性能 因此赋予纳米材料许多新概念和新理论 常规粉末体的性能包括了单颗粒的性能和团粒的性能 2020 02 15 13 粉末性能 金属粉末的性能通常包括物理性能 化学性能和工艺性能 决定这些性能的有两个方面 一是自然界物质品种本身所特有的 二是由得到粉末体的各种生产工艺及其工艺参数所决定的 由物质品种不同所决定的性能包括 晶体结构 如BCC FCC或HCP晶体结构 理论密度 熔点 塑性 弹性 电磁性等 由粉末生产方法及工艺参数所决定的 包括粉末颗粒大小 粒度组成 颗粒形状 粉末体密度 如松装密度 摇实密度 孔隙度 比表面和表面状态 显微结构 点阵缺陷 颗粒内气体含量 吸附气体量 表面氧化膜厚度 粉末活性等 2020 02 15 14 2 2粉末的化学性能及成分测定 粉末的化学成分主要是指粉末中金属或合金组元的含量和杂质的含量 金属粉末中金属或合金组元不能低于98 99 如我国国标中还原铁粉总铁含量不低于98 98 5 粉末中的杂质主要包括 与主要金属结合 形成固溶体或化合物的金属或非金属成分 如还原铁粉中的硅 锰 碳 硫 磷 氧等 2020 02 15 15 粉末的化学性能及成分测定 从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂 如二氧化硅 氧化铝 硅酸盐 难熔金属或碳化物等酸不溶物 粉末表面吸附的氧 水汽和其他气体 氮气 二氧化碳 制粉工艺带进的杂质 如水溶液电解粉末中的氢 气体还原粉末中溶解的碳 氮和氢 羰基粉末中溶解的碳等 2020 02 15 16 粉末的化学性能及成分测定 金属粉末的化学分析与常规的金属分析方法相同 首先测定主要成分的含量 然后测定其他成分包括杂质的含量 1 氢损测定 金属粉末的氧含量 除采用库伦分析仪测定全氧量之外 还采用一种简便的氢损法 即测定可被氢还原的金属氧化物中的那部分氧含量 适用于工业铁 铜 钨 钼 镍 钴等粉末 2020 02 15 17 粉末的化学性能及成分测定 氢损测定过程 将金属粉末的试样在纯氢气流中煅烧足够长的时间 铁粉为1000 1050 1h 铜粉为875 0 5h 粉末中的氧被还原生成水蒸汽 某些元素 碳 硫 与氢生成挥发性化合物 与挥发性金属 锌 镉 铅 一同排出 测得试样粉末的质量损失 称为氢损 氢损值按下式计算 式中 A 粉末试样 5g 加烧舟的质量 B 氢气中煅烧后残留物加烧舟的质量 C 烧舟质量 2020 02 15 18 粉末的化学性能及成分测定 氢损法被认为是对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的估计 但如果粉末中如果有在分析条件下不被氢所还原的氧化物 SiO2 CaO Al2O3 测得的值将低于实际的氧含量 如果在分析条件下粉末由脱碳 脱硫反应及金属挥发时 测得的值将高于实际氧含量 氢损法测量氧含量范围 铜粉 铁粉为0 05 3 0 钨粉为0 01 0 5 2020 02 15 19 粉末的化学性能及成分测定 2 酸不溶物 金属粉末中的酸不溶物主要指不溶于酸的SiO2 Al2O3 硅酸盐 碳化物 黏土 耐火材料等 酸不溶物的存在 使粉末压坯烧结后呈夹杂留于制品内 对制品性能十分有害 对高密度零件 尤其是粉末锻造零件 其密度已接近致密材料 孔隙度对力学性能的有害影响已经很低 而酸不溶物的有害影响明显的暴露了出来 所以高密度 高强度零件用粉末原料 要求粉末中酸不溶物尽量低 2020 02 15 20 粉末的化学性能及成分测定 酸不溶物的测定 粉末试样用某种无机酸 铜用硝酸 铁用盐酸 溶解 将不溶物沉淀并过滤出来 在980 下煅烧1h后称重 再按下式计算酸不溶物含量 式中 A 盐酸不溶物的克数 B 粉末试样的克数 式中 A 硝酸不溶物的克数 B 相当于锡氧化物的克数 C 粉末试样的克数 锡氧化物含量B的测定是在硝酸不溶物中加NH4I 于坩埚内加热至425 475 经15min后冷却 再加2 3mLHNO3使其溶解 再称残留物重量 前后的质量差就是B值 酸不溶物的测定 显然 在煅烧时能挥发的酸不溶物将不包括在测定结果中 因此铜粉的硝酸不溶物包括SiO2 硅酸盐 Al2O3 CaO 粘土及难熔金属 也可能包括硫酸铅 铁粉的盐酸不溶物除以上杂质外 还包括碳化物 先进的仪器分析方法已被用于金属与合金粉末的化学分析上 包括发射光谱法 色谱法 X荧光法及中子激活分析等 电子或离子束微区分析可以测定粉末颗粒内化学元素的分布 颗粒表面化学分析也日益受到重视 主要方法有俄歇电子谱仪 X光或电子谱仪 质谱仪以及离子散射谱仪等 用来测定超微粉 活性粉 高温合金粉颗粒表面的化学组成及变化 2020 02 15 21 2020 02 15 22 2 3粉末颗粒的形状 在粉末的物理性能中 除了粉末粒度和粒度分布外 粉末颗粒的形状也十分重要 粉末颗粒形状直接影响其工艺性能参数 对成形和烧结过程产生影响 粉末形状和生产粉末的方法密切相关 一般来说 某一种生产方法基本上决定了该粉末的颗粒形状 粉末生产中 一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时 粉末颗粒形状趋于球形 由固态转变为粉末时 粉末颗粒形状趋于不规则形 水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状 如表所示 2020 02 15 23 2020 02 15 24 粉末颗粒的形状 粉末颗粒形状对其工艺性能的影响 表面光滑的球形粉末 流动性好 松装密度高 在相同压制条件下 压坯密度高 多角形和树枝状粉末则较差 形状复杂的粉末流动性比球形粉末差 但粉末之间机械啮合力增高 所以在相同压力下 树枝状粉末压坯强度高 片状和球形粉则较差 一般能提高压坯强度的粉末 压坯脱模后弹性后效减小 在烧结时 粉末颗粒形状复杂 表面粗糙 压坯中粉末颗粒接触紧密的 能够促进烧结 反之 颗粒形状简单 表面光滑 颗粒之间接触不良的粉末压坯 如球形和片状粉末 烧结性较差 2020 02 15 25 2 4粉末的粒度及其测定 1 粒度和粒度组成粉末粒度是粉末物理性能中的重要参数之一 对于粉末体而言 粉末粒度通常指颗粒平均大小 粉末颗粒大小按尺寸可以粗略的分为以下5个等级 粗粉150 500 m 中等粒度粉40 150 m 2020 02 15 26 粒度和粒度组成 细粉10 40 m 极细粉0 5 10 m 超细粉 0 5 m 而超细粉又可以分为以下3个等级 微细晶粉末0 4 0 8 m 超细晶粉末0 1 0 4 m 纳米粉末0 1 100nm 2020 02 15 27 粒度和粒度组成 用直径表示颗粒大小称为粒径和粒度 由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径 因此又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表征粉末颗粒大小的状况 称为粒度组成 也叫粒度分布 因此 粒度仅指单颗粒而言 粒度组成则针对整个粉末体 4 颗粒的密度 一 密度1 定义 材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量 按下式计算 m VP式中 密度 kg m3 m 材料质量 kg VP 材料在绝对密实下的体积 m3 简称为绝对体积或实体积 体积 V质量 M 二 表观密度1 定义 表观密度指材料在自然状态下 单位体积的质量 按下式计算 P m V式中 P 材料的表观密度 kg m3 m 材料质量 kg V 材料在自然状态下的体积 m3 包括材料的孔隙体积在内的材料体积 三 孔隙率定义 是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分数 以e表示 可用下式计算e V VP V X100 式中e 颗粒的孔隙率 V 颗粒的自然体积VP 颗粒的绝对密实体积 几种测试方法的比较 2020 02 15 34 粉末粒度及粒度组成的测定方法 干筛分法原理是利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛 借助震动把金属粉末筛分成不同的筛分粒级 称量每个筛上及底盘上的粉末量 计算出每个筛分粒级的百分含量 从而得出粉末粒度的组成 如图所示为筛分析法示意图 需要指出 用筛分析法不能精确测定粉末颗粒大小 只能测定粉末粒度的范围 如 200目 325目粉 表示通过200目筛筛下的粉末 但不能通过325目筛的筛上粉末 表示筛上粉末 表示筛下粉末 2020 02 15 35 筛分析法示意图 粉末粒度及粒度组成的测定方法 2020 02 15 36 粉末粒度及粒度组成的测定方法 国际标准采用泰勒筛制 筛分析法中 习惯上用网目数 目 表示筛网的孔径和粉末的粒度 所谓 目数 就是在一英寸 1in 25 4mm 长度筛网上分布的筛孔数 如325目就是指1英寸长度上有325个孔 筛孔大小为44 m 目数越大 网孔越细 所以网孔的实际尺寸还与丝的直径有关 以m代表目数 a代表网孔尺寸 d代表丝径 它们之间的关系如下 2020 02 15 37 常用标准筛目数与孔径目前 一般到400目 即用筛分析法最小颗粒粒径为38微米 粉末粒度及粒度组成的测定方法 2020 02 15 38 2020 02 15 39 粉末粒度及粒度组成的测定方法 筛分法的好处是 除可以大体测定粉末颗粒的大小外 还可以通过计算每个筛分粒级的百分含量 得出不同的粒度组成即粒度分布 对于细粉 极细粉末等 筛分析受到筛网孔径的限制难于测定 需要采用沉降天平法 显微镜法 气体沉降法 光透过法 X光透过法 光扫描比蚀法 淘析法等分析方法 2020 02 15 40 典型的常用粉末粒度分析方法 2020 02 15 41 2 5金属粉末的工艺性能及测定 粉末工艺性能是粉末冶金制品选用粉末原料最重要的参数 是模具设计和产品密度设计必要的原始数据 金属粉末的工艺性能主要包括松装密度 振实密度 流动性 压缩性和成形性 金属或合金粉末的工艺性能主要取决于它们的生产方法和粉末的后处理工艺 如还原及退火处理 球磨处理 制粒 添加润滑剂等 粉末工艺性能和粉末的物理 化学性能密切相关 在粉末的标准中 除化学成分外 也对粒度组成和工艺性能作了明确的规定 2020 02 15 42 金属粉末的工艺性能及测定 1 基本概念2 金属粉末松装密度和振实密度的测定3 金属粉末有效密度的测定4 金属粉末流动性的测定及其影响因素5 金属粉末压制性的测定及其影响因素6 金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸测定 2020 02 15 43 1 基本概念 松装密度 是指粉末自然的充满规定的容器时单位容积的粉末质量 即在不受重力之外的其他任何力作用下松散粉末的密度 它等于粉末的质量除以粉末的总体积 粉末的总体积包括了任何内孔及团聚颗粒之间的孔隙 松装密度也称松装比重 以g cm3表示 松装密度的倒数称松装比容 单位是cm3 g 2020 02 15 44 振实密度 指将松散粉末装入震动容器中 在规定条件下经过振实后所测得的粉末密度 一般振实密度比松装密度高20 50 流动性 是指50克粉末从标准流速计漏斗自然流出所需的时间 单位s 50g 其倒数为单位时间内流出粉末的质量 称为流速 压制性是压缩性和成形性的总称 压缩性 就是金属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力 成形性 是指粉末压制后 压坯保持既定形状的能力 2020 02 15 45 2 金属粉末松装密度和振实密度的测定 粉末松装密度的测定 粉末松装密度综合反映了粉末粒度和粒度组成 粉末颗粒形状 颗粒密实程度等一系列性能特征 松装密度的测定可以用漏斗法 斯柯特容量计法或震动漏斗法 2020 02 15 46 金属粉末松装密度和振实密度的测定 2020 02 15 47 金属粉末松装密度和振实密度的测定 粉末振实密度的测定 振实密度测定方法是将可定量的粉末装在振动容器中 在规定的条件下进行振动 直到粉末的体积不再减小 测得粉末的振实体积 计算粉末的振实密度 振实密度的计算 式中 m 粉末的质量 V 粉末振实体积 2020 02 15 48 金属粉末松装密度和振实密度的测定 振实密度测量过程中 量筒和粉末量应根据粉末的松装密度来选择 一般情况下 各种粒度的金属粉末 取每分钟250 15次的振动频率 振动12min就可以达到满意的结果 2020 02 15 50 3 金属粉末有效密度的测定 粉末材料的理论密度通常不能代表粉末颗粒的实际密度 因为颗粒几乎总是有孔的 有的孔还和颗粒的外表面相通 叫做开孔或半开孔 一段相通 颗粒内不与外表面相通的潜孔叫闭孔 真密度 似密度 表观密度 真密度 颗粒质量与除去开孔和闭孔的颗粒体积相除的商值 真密度就是材料的理论密度 2020 02 15 51 金属粉末有效密度的测定 似密度 有效密度 颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积除得的商值 用比重瓶法测定的密度接近这种密度值 因此又称比重瓶密度 表观密度 颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒体积除得的密度值 显然它比上述的真密度和似密度值都低 如松装密度 振动密度等 测量有效密度的方法主要有两种 比重瓶法和吊斗法 2020 02 15 52 4 金属粉末流动性的测定及其影响因素 金属粉末的流动性是一个非常重要的工艺性能 它综合体现了粉末的多种性能 它对生产工艺的稳定 生产流程的设计以及产品质量的优劣都有重要影响 测量粉末流动性时 首先用手堵住漏斗底部小孔 把称量好的50g样品倒进漏斗中 当启开漏斗小孔时开始计时 漏斗中的粉末一经流完 立刻停止计时 记录漏斗中全部粉末流完的时间 取三次测量的算术平均值 此外 还可采用粉末自然堆积角 又称安息角 试验测定流动性 让粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1in的圆盘上 当粉末堆满圆盘后 以粉末锥的高度衡量流动性 粉末锥的底角称为安息角 也可作为流动性的量度 锥越高或安息角越大 则表示粉末的流动性越差 反之则流动性越好 2020 02 15 53 影响金属粉末流动性的因素 流动性和松装密度一样 与粉末体和颗粒的性质有关 一般 等轴状 对称性好 粉末 粗颗粒粉末的流动性好 粒度组成中 极细粉末占的比例越大 流动性越差 但是 粒度组成向偏粗的方向增大时 流动性变化不明显 流动性还与颗粒密度和粉末松装密度有关 如果粉末的相对密度不变 颗粒密度越高 则流动性越好 如果颗粒密度不变 相对密度的增大会使流动性流动性提高 另外 流动性也同松装密度一样 受颗粒间粘附作用的影响 因此 颗粒表面如果吸附水分 气体或加入成型剂会减低粉末的流动性 粉末流动性直接影响压制操作的自动装粉和压件密度的均匀性 因此是实现自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能 2020 02 15 54 5 金属粉末压制性的测定及其影响因素 压制性是压缩性和成形性的总称 压缩性通常是在标准模具中 在规定的润滑条件下加以测定 用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度来表示 成形性用粉末得以成形的最小单位压力表示 或用压坯强度来衡量 2020 02 15 55 压缩性的测定 压缩性的测定是在封闭模具中采用单轴双向压制 压模是直径20mm的硬质合金 或HRC不低于62的合金钢模具 压坯的高径比为0 8 1 0 润滑采用两种方式 模壁润滑和粉末润滑 即在粉末中均匀混入一定量0 5 1 5 的合适的固体润滑剂 称取一定量的粉末倒入压模中 在加压速度不大于50kN s的条件下进行压制 脱模后测量压坯尺寸和称量单重 2020 02 15 56 压缩性的测定 按照下式计算压坯密度 式中 m 压坯质量 V 压坯体积 一般在一组压力下测定粉末压缩性所用压力为200 300 400 500 600 700和800MPa 计算压坯密度 并作压坯密度 压力曲线 2020 02 15 57 成形性的测定 测定过程 将金属粉末或均匀混入添加元素 包括润滑剂 的粉末 在规定的条件下 压制成矩形压坯 压坯在特定条件下经受均匀施加的横向力 直至发生断裂 以矩形压坯的横向断裂强度表示金属粉末的成形性 测定条件 模具要求能压制出宽12mm 长30mm和厚5 5 6 0mm矩形压坯的硬质合金或工具钢模具 压制速度不超过500N s的恒定速度施加到最终压力 试样公差低于0 1mm 将试样安放在断裂试验夹具上 以均匀速度加载 至试样断裂时间不大于10s 2020 02 15 58 成形性的测定 矩形压坯横向断裂强度的计算 式中 S 压坯强度 P 断裂所需的力 L 夹具跨度 t 试样厚度 w 试样宽度 2020 02 15 59 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 压紧后颗粒的联接增强 成形性就好 例如还原铁粉的压坯强度就比雾化铁粉高 在评价粉末的压制性时 必须综合比较压缩性和成