金属材料制备3粉末冶金

金属材料制备金属材料制备3 3粉末冶金粉末冶金 金属材料的制备 1 金属材料简介 2 金属的冶炼 3 快速凝固 4 粉末冶金 概述 粉末制备技术 粉末的性能 压制成形 烧结 5 喷射成形 6 非晶合金 概述最早的粉末冶金 海绵铁粉 sponge iron 时间公元前3000年前 最早的粉末冶金技术 生产的粉末是海 绵铁粉 生产方法较纯的铁矿 Fe3O4 木炭还原 在木炭炉内 海绵铁 破碎成细粒 清洗干净 拣出脉石和渣 压制 烧结 或松散状 态烧结 锻压 产品 概述粉末冶金 是用金属粉末 或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料 经过 成形和烧结制造金属材料 复合材料以及各类型制品的工艺过程 概述粉末冶金与熔化冶金的区别Powder metallurgyP M Fusion metallurgyF M 产品成分 结构不同P M最终产品成分未变 只是粉 末固结在一起 F M最终产品组织结构发生变化 例开始是两种金属 最后是合金 产品性能不同P M可生产特殊性能产品 例高熔点金属 多孔材料 摩擦材料 磁性或电性能材料 F M只能生产普通产品 概述粉末冶金的优缺点 优点1 经济烧结后制品可直接应用 金属 损耗低1 5 大规模生产更经济 2 可制备其他方法不能生产或虽能生产但很困难的制品 1 高熔点金属或化合物 概述 2 高纯材料粉末冶金不熔化材料 在保护气氛或真空中烧结 只 要粉末纯度高 即可生产高纯产品 3 互不相溶的粉末制品碳粉与铜粉互不相溶 但将碳粉与铜粉均 匀混合后压制烧结成电机用电刷 4 多孔材料金属粉末中预先混入少量低温下挥发的有机物粉末或 易挥发低熔点金属粉末 控制一定的压制压力 烧结温度 时间 易挥发金属或有机物挥发形成孔隙 概述 缺点1 昂贵的粉末要控制粉末形状 粒度 粒度分布等 2 昂贵的模具要承受更大的压力 3 压机吨位要足够大 粉末制备技术1 球磨法机械力作用物理效应结晶状态化学变化颗 粒细化 晶粒细化产生裂纹表观和真密度变化 比表面积增加产生 晶格缺陷发生晶格畸变结晶程度降低 甚至无定型化晶型转变含结 晶水或OH羟基物的脱水降低反应活化能 形成新化合物的晶核或细 晶形成合金或固溶体化学键的断裂 体系产生化学变化机械力作用 物理效应结晶状态化学变化颗粒细化 晶粒细化产生裂纹表观和真 密度变化 比表面积增加产生晶格缺陷发生晶格畸变结晶程度降低 甚至无定型化晶型转变含结晶水或OH羟基物的脱水降低反应活化 能 形成新化合物的晶核或细晶形成合金或固溶体化学键的断裂 体系产生化学变化球磨过程需要适宜的转速1 球磨法 球磨的转速 球磨的转速 球磨时间 球磨介质 球料比 球磨气氛球磨过程 中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金 化的五个阶段 合金化的微观机理 合金化的微观机理 合金化的 微观机理2 雾化法 粉末的性能1 颗粒形状 粉末的性能1 颗粒 形状 粉末的性能1 颗粒形状 粉末的性能1 颗粒形状 粉末的 性能2 颗粒密度 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 表观密度松 装密度 震实密度 粉末的性能3 松装密度自然堆积的密度 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 粉末的性能3 松装密度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 粉末的性能3 松装密 度B 粉末颗粒愈粗大 其松装密度就愈大 细粉末形成拱桥和互相粘结防碍了颗粒相互移动 故粉末的松装密 度减少 粉末粒度范围窄的粗细粉末 松装密度都较低 当粗细粉末按一定比例混合均匀后 可获得最大松装密度 粉末的性能4 流动性粉末的流动性指50g粉末从标准流速漏斗流 出所需的时间 单位为s 50g 其倒数是单位时间流出粉末的质量 称为流速 意义 粉末流动性影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性 自动 压制工艺中必须考虑的重要工艺性能 制粒工序 改善流动性 影响因素 颗粒间的摩擦 形状复杂 表面粗 糙 流动性差 理论密度增加 比重大 流动性增加 粒度组成 细 粉增加 流动性变差 如果粉末的相对密度不变 颗粒密度越高 流 动性越好 颗粒密度不变 相对密度的增大会使流动性提高 如Al 粉 尽管相对密度较大 但由于颗粒密度小 流动性仍比较差 同 松装密度一样流动性受颗粒间粘附作用的影响 因此 颗粒表面吸 附水分 气体 加入成形剂减低粉末的流动性 粉末的性能5 压缩 性定义 压缩性指粉末在规定的压制条件下被压紧的能力影响因素 a 加工硬化 压缩性能差 b粉末形状不规则 压缩性能差 c空隙增 加 压缩性差 粉末的性能6 成形性成形性指粉末压制后 坯块保 持原有形状的能力 用坯块横向断裂强度表示 成形性测定将压制好的样品在特定条件下作横向弯曲试验 样品断 裂时施加的力对应的强度 压制成形 小部分直接以粉末的形式使用应用 涂料汽车用Al粉 变压器用超细铜粉 自发热材料 取暖和野外食品自热 超超细细Fe粉 固体火箭发动机燃料超细Al Mg粉粉等等 金刚石合成粉末触媒Fe Ni合金粉末 电子焊料 solder Cu合金粉末 焊料细铁粉 压制成形 压制成形成形压制过程中 因粉末颗粒形状不同 有滑动 移动 随着力的增加 颗粒之间还会机械地啮合在一起 有时粉末表面 相互磨损 将粉末表面的氧化物或杂质膜破坏 出现清洁的粉末表 面 黏附在一起 使坯块具有所需的密度和强度 a 普通模压法将粉末装在模具内 用压机将其成形 b 特殊方法等 静压成形 连续成形 无压成形等 压制成形 压制前的准备 退火 筛分 混合 加成型剂 制粒等 压制工艺过程称料装料压制脱模 压制工艺参数 加压速度 保压时间 压制成形金属粉末退火的目的a 氧化物还原 降低碳和其它杂质 的含量 提高粉末的纯度 b 消除粉末的加工硬化 稳定粉末的晶 体结构 c 防止超细粉末自燃 将其表面钝化 加工产品退火的目的a 降低硬度 改善切削加工性 b 消除残余应 力 稳定尺寸 减少变形与裂纹倾向 c 细化晶粒 调整组织 消 除组织缺陷 熔退 T T6 0 5 0 1 退火 压制成形2 筛分把颗粒大小不同的原始粉末进 行分级 3 混合指将两种或两种以上的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 这称为 合批 压制成形4 制粒是将小颗粒制成大颗粒或团粒的工序 目的改善流动性 方法圆筒制粒机 圆盘制粒机 擦筛机 5 成型剂 润滑剂 11 成形剂为提高压坯强度或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 乙二 醇等 22 润滑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 选择成形剂 润滑剂的基本条件 有较好的粘结性和润滑性能 在混 合粉末中容易均匀分散 且不发生化学变化 加热时 从压坯中容易呈气态排出 并且这种气体不影响发热元件 耐火材料的寿命 5 成型剂 润滑剂压制成形机理a a 拱桥效应粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多 原因 是实际粉料不是球形 加上表面粗糙以及附着和凝聚的作用 结果 颗粒互相交错咬合 形成拱桥型空间 增大了空隙率 这种现象称为拱桥效应 b b 粉末的变形粉末体受压后体积明显减小 除第一阶段的位移外 又发生变形 变形有弹性变形和塑性变形 弹性变形材料在外力作用下产生变形 当外力取消后 材料变形即 可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性 这种可恢复的变形称为弹性变形 塑性变形物质 包括流体及固体在一定的条件下 在外力的作用下产生形变 当施加 的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象 c c 脆性断裂当施加的压力超过强度极限后 粉末颗粒碎裂成更小的 碎片 使粉末接触更加紧密 压制成形机理 1 粉末颗粒发生位移 填充孔隙 此阶段又称为滑动阶段 2 密度几乎不变密度已达到一定值 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 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 虚线部分的含义 会带来什么样的后果 压制成形机理弹性后效 当坯块脱模时中间停顿 坯块脱出部分产生弹性膨胀 而未脱出部 分仍受到压缩 产生压应力 致使痞块产生裂纹 压制成形 压制成形压坯密度分布不均匀的现象沿箭头方向密度 降低密度变化规律密度分布不均匀的后果 不能正常实现成形 如 出现分层 断裂 掉边角等 烧结收缩不均匀 导致变形等 性能不均匀 等静压成形等静压的一般特点 压坯形状 尺寸范 围大 尤大尺寸 形状复杂压坯或制品 压坯密度高且均匀 成形粉末广 尤难熔金属化合物 陶瓷 高合金钢等 工艺简 单 可不加润滑剂 不足之处a 制品表面质量较差 b 生产效 率较低 c 模具寿命短 d 设备投资较大 三 热等静压HIP 定义高温下 粉末或压坯装于包套中 在高压容 器内 以气体为传压介质 使粉末同时承受高温和等静压力作用而 获得致密材料或制品 原理粉末体同时经受高温和高压的联合作用 强化了压制和烧结过程 降低了制品的烧结温度 改善了制品的 晶粒结构 消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙 提高了材料的致 密度和强度 热等静压包套材料 选择原则 可塑性和强度 热膨胀系数 不 破裂和隔绝高压气体渗入 良好的可加工性和可焊接性 不与粉末发 生反应和造成污染 热等静压后易被除去 成本低 常用材料 中低碳 钢适于粉末高速钢 1400 Ni Ti 陶瓷 1430 不锈钢不锈钢 1350 铅 碱玻璃金属 陶瓷 多晶烧 结体的晶界自由焓粉体颗料尺寸很小 比表面积大 具有较高的表 面能 即使在加压成型体中 颗料间接面积也很小 总表面积很大 而处于较高能量状态 根据最低能量原理 它将自发地向最低能量状态变化 使系统的表 面能减少 mol Gm mol200G g1G1几万卡一般化学反应卡石英卡材料烧结 结论由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比 很小 因而不 能自发进行 必须加热 烧结能否自发进行 表面能晶界能SV G B例Al22O O3 两者差别较大 易烧结 共价化合物如i Si33N N 44 SiC AlN难烧结 烧结难易程度的判断比值愈小愈易烧结 反之难烧结 1 烧结的基本原理II中间阶段 接触面 烧结颈 长大阶段 原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩 大 颗粒间距缩小 孔隙大量消失 这一阶段开始出现再结晶 颗粒表面氧化物被还原 密度 强度主要在这一阶段得到提高 1 烧结的基本原理II中间阶段 接触面 烧结颈 长大阶段再结晶的形核点 主要位于颗粒的接触点 或接触面上 形核后的晶粒长大是通过吸收形变过的颗粒基体来进行的 可以使 晶界由一个颗粒向另一个颗粒移动 1 烧结的基本原理III最终阶段 闭孔隙球化和缩小阶段 多数孔隙被分离使闭孔隙数量增加 并不断球化和缩小 这一阶段由于小孔隙数量逐渐较少 烧结块缓慢收缩 孔隙被分隔成一系列的小孔隙 最后发展成孤立孔隙并球化 处于 晶界上的闭孔则有可能消失 有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象 而成为晶内孔隙 并充分球化 闭孔隙的形成和球化减小残留孔径的 措施 减小气氛压力 如真空 细粉末与粒度组成 较高的压制压 力 提高 活化 2 烧结过程中的物质迁移 表面扩散球表面层 原子向颈部扩散 蒸发 凝聚表面层原子向空间蒸发 借蒸汽压差通过气相向颈部空间扩散 沉积在颈部 2 烧结过程中的物质迁移 物质从正蒸汽压的凸表面处蒸发 通过 气相传质到呈负蒸汽压的凹处表面 如烧结颗粒的颈部 处凝聚 颈部逐渐被填充 导致颈部逐渐长大 2 烧结过程中的物质迁移塑性流动大于物质的屈服强度时 发生塑 性变形 导致物质向颈部迁移 晶界扩散体积扩散错管道扩散2 烧结过程中的物质迁移塑性流动 p lastic flow 烧结温度接近物质熔点 当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强 度时 发生塑性变形 导致物质向颈部迁移 2 烧结过程中的物质迁移晶界扩散空位扩散3 晶粒的演变晶界的 迁移A AB BA AB B 晶粒正常长大时 如果晶界受到第二相的阻碍 其移动可能出现 三种情况11 驱动力较小 晶界移动被气孔或杂质所阻挡 晶粒正 常长大停止 22 驱动力一般 晶界带动气孔或杂质继续移动 这时气孔利用晶 界的快速通道排除 坯体不断致密 33 驱动力较大 晶界越过气孔 把气孔或杂质包裹在晶粒内部 致密度不再增加 将出现二次再结晶现象 3 晶粒的演变 A V晶界 实现烧结体的致密化 于烧结体致密化不利 3 晶粒的演变当V V晶界 V气孔时 要严格控制温度 3 晶粒的演变晶粒异常长大的根源控制温度 抑制晶界移动速率 起始粉料粒度细而均匀 加入少量晶界移动抑制剂 起始粒度不均匀 烧结温度偏高 烧结速率太快 成型压力不均匀 局部有不均匀液相 起始粒度大小 采取措施36103060100100603010663311起始粒度 m 晶粒的尺寸比 晶粒的尺寸比最后晶粒与起始最后晶粒与起始4 空穴的变化凹面容 易吸纳原子 凸面容易丢失原子 气孔缩小 气孔缩小 气孔不变 气 孔有长大趋势 4 空穴的变化 孔隙的球化发生在 烧结后期 即当孔隙被隔离 成为孤立的孔隙以后进行的 a孔隙的空位扩散球化b小孔隙向大孔扩散 到底是小孔向大孔扩散 空气压里面的气压较大 引发了其它的转移 缩还是小孔曲率 半径小 更容易容纳原子 原子跑到了小孔 小孔进一步缩小 大孔界面的原子跑掉了 当然 会长大 5 固相烧结起始烧结温度 起始烧结温度是指颗粒之间形成冶金结