粉末工艺性能及其对产品质量的影响.doc

金属粉末工艺性能及其对产品质量的影响（专题讲座）一.基本概念(1).粉末体通常我们将固态物质按分散程度不同分成致密体、粉体和胶体三类，大小在0.1mm以上的称为致密体或常说的固体，0.1m以下的称为胶体微粒，而介于两者之间的称为粉体。(2).粉末颗粒粉末中能分开独立存在的最小实体称为单颗粒，单颗粒可与邻近的颗粒之间依靠一种被称为范德华力与电荷的库仑引力相互黏附而产生聚集，构成二次颗粒，在二次颗粒之间形成一定的孔隙。通过聚集方式得到的二次颗粒称为聚合体或聚集颗粒。颗粒的聚集程度对粉末的工艺性能影响很大，从粉末的流动性和松装密度看，聚集颗粒相当于一个大的单颗粒，流动性和松装密度较细的单颗粒高，压缩性也较好，但是，一次颗粒在压制过程中同样经受变形，也能影响压缩性和成形性；而烧结过程中，一次颗粒缩起的作用比二次颗粒显得更重要。(3).颗粒结晶构造金属及多数非金属颗粒都是结晶体，但颗粒外形却不总与其特定的晶型相一致。原始粉末在经过破碎、研磨等加工后，晶体的外形已受到破坏。制粉工艺对颗粒的晶粒结构起主要作用。一般说，颗粒具有多晶结构，晶粒大小取决工艺特点和条件。对于极细的粉末，可能出现单晶颗粒，由这样的单晶一次颗粒组成的二次颗粒，也仍然是多晶颗粒。粉末颗粒实际结构比较复杂，表现为结构缺陷，严重的不完整性，存在孔隙、畸变与夹杂等，因而粉末晶体储存了较高的晶格畸变能，具有较高的活性。(4).表面状态粉末颗粒细，同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也相当大，外表面包括颗粒表面的宏观凹凸部分以及宽度大于深度裂隙；而内表面包括深度超过宽度的裂隙、微缝以及颗粒外表面连通的孔隙、孔腔等的壁面(但不包括封闭在颗粒内的潜孔),粉末发达的表面积储存了高的表面能，一次，对气体、液体或微粒表现出极强的吸附能力。因此，超细粉末很容易自发聚集程二次颗粒，并在空气中极易氧化或自燃。二.粉末性能粉末是颗粒与颗粒间的孔隙所组成的分散体系，研究粉末体时，应分别研究:(1).单颗粒性质：A.由粉末材料所决定的性质（晶体点阵结构、固体密度、熔点、塑性、弹性、电磁性能、化学成分）.1.B.由粉末生产方法所决定的性质(包括粒度、颗粒形状、有效密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、振实密度、颗粒内吸附的气体含量、表面吸附的气体与氧化物、活性)。(2).粉末体的性质:包括平均粒度、粒度组成、比表面、松装密度、流动性、颗粒间的摩擦状态。(3).粉末的孔隙性质：包括总孔隙体积P、颗粒间的孔隙体积P1、颗粒内孔隙体积P2=P-P1、颗粒间的孔隙数量n、平均孔隙大小P1/n、孔隙大小分布、孔隙形状等。对粉末性能的上述分类，使我们对粉末性能有个全面的认识，但实际工作中不可能对他们逐一进行测定，通常按照粉末的化学成分、物理性能和工艺性能进行划分和测定。1.化学成分粉末的化学成分应包括主要的金属元素含量。杂质主要是指：(1).与主要金属元素结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分。如铁粉中的Si、Mn、C、S、P、O等；(2).从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂，如SiO2、Al2O3、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物；(3).粉末表面吸附的氧、水汽和其它气体(N2、CO2).金属粉末化学成分的分析与常规金属分析方法相同，先测定主要金属成分的含量，再测定其余成分(包括杂质)的含量。金属粉末的含氧量通常采用氢损法（即测定可被氢还原的金属氧化物中的部分氧含量）进行测定。所测得的试样粉末的相对质量损失，称为氢损。氢损值可用下面公式计算：氢损值(A-B)/(A-C)100%式中，A粉末试样(5g)加烧舟的质量，克；B氢中煅烧后的残留物加烧舟的质量，克；C烧舟的质量，克该方法被认为是对金属粉末中可还原的氧化物的氧含量的估计，当粉末中含有SiO2、CaO、Al2O3等不被氢还原的氧化物时，测得的值将低于实际的含氧量。金属粉末中的杂质，即酸不溶物，有标准的测定方法。2.物理性能粉末的物理性能包括：颗粒形状、颗粒大小与粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度、光学和电学性质、熔点、比热容、蒸汽压等热学性质。实际上，从粉末冶金工艺上说，比较有价值的物理性能是颗粒形状、颗粒大小、粒度组成和熔点。这里，我们重点讨论粉末的工艺性能：松装密的、振实密度、流动性、压缩性与成形性。工艺性能取决于粉末的生产方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、.2.加润滑剂、造粒等）。松装密度：是指粉末在规定条件下自然充满容器时，单位体积内的粉末质量，单位为g/cm3。检测方法，按照GB1478-84和GB5060-85执行。松装密度是粉末自然堆积的密度，其大小取决于颗粒间的黏附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度。松装粉末的孔隙度一般较大。振实密度：将粉末装于容器中，在规定的条件下，经过振动后得到的粉末密度。检测方法，按照GB-5162-85执行。振实密度是粉末受到敲击或振动后使粉末堆积得更紧密，因此振实粉末的孔隙较松装粉末的孔隙要小。规律：(1).颗粒大小相同且粒度细的粉末，由于颗粒间的黏附，产生“拱桥”效应，会使孔隙度提高，因而，松装密度较低，振实密度也较低；(2).球形颗粒的粉末，孔隙度较低，松装密度和振实密度高；片状或不规则形状粉末由于“拱桥”效应，孔隙度较高，松装密度和振实密度会较低；(3).颗粒大小不等的粉末，由于小粒径的粉末填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低，松装密度与振实密度较颗粒大小相同的粉末有所提高；表1三种颗粒形状不同的铜粉的密度颗粒形状松装密度，g/cm3振实密度，g/cm3松装时孔隙度，%片状0.40.795.5不规则形状2.33.1474.2球形4.55.349.4表2钨粉平均粒度对松装密度的影响平均粒度，m松装密度，g/cm3平均粒度，m松装密度，g/cm31.202.166.854.402.472.5226.0010.203.883.67粒度组成：粉末冶金用的粉末，其粒度通常都是由各种不同粒度的粉末混合而成。不同的粒度组成，松装密度也不同：粒度范围窄的粗细粉末，松装密度较低；粗细粉末按一定比例混合后，可获得最大的松装密度，这时因为粗颗粒间的孔隙被细颗粒所填充的缘故。表2粒度不同的不锈钢粉混合后的松装密度粒度（目数）质量分数，%-100+150-32510080206040406020800100松装密度,g/cm34.54.95.24.84.64.3粒度组成通常是用标准筛进行分析，也可以用粒度分析仪进行分析。流动性：粉末流动性在粉末冶金成形工艺过程中是影响自动装粉和压件密度均匀性.3.的一个重要参数。规律：(1). 同松装密度一样，与粉末体和颗粒的性质有关，等轴状粉末、粗颗粒粉末的流动性好；(2). 粒度组成中，极细粉末占的比例愈大，流动性愈差;(3).流动性还与颗粒密度和粉末松装密度有关，如粉末的相对密度不变，颗粒密度愈高，则流动性愈好；颗粒密度不变，相对密度的增大会使流动性提高。粉末流动性的检测是以一种专门检测粉末流速的仪器霍尔流速计进行检测的，通常是以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”。 压缩性与成形性：压缩性和成形性的总称为粉末的压制性，压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，它是在规定的模具和润滑条件下，用一定的单位压制压力（500MPa）下粉末达到的压坯密度表示。通常可用压坯密度随压制压力变化的曲线图来表示。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末得以成形的最小的单位压制压力，或者用压坯的强度来衡量。（一）.影响压缩性的因素：(1).粉末颗粒的塑性或显微硬度，压坯密度高时，塑性金属粉末比硬、脆材料粉末的压缩性好。球磨的金属粉末，退火后塑性改善，压缩性提高。金属粉末中含有合金元素或非金属杂质时，会降低粉末的压缩性。因此，粉末冶金工业上用的铁粉中，碳、氧和酸不溶物含量的增加，必然会使压缩性变差。(2).粉末颗粒形状和结构也影响压缩性，如水雾化铁粉比还原铁粉的松装密度高，压缩性也好。（二）.影响成形性的因素：粉末颗粒和结构的影响最明显。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比雾化铁粉的要高。评价粉末压制性能时，必须综合比较压缩性与成形性。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。例如松装密度高的粉末压缩性虽好，但成形性差；细粉末的成形性好，而压缩性差。三.粉末工艺性能对产品质量的影响上面已经比较全面地介绍了有关粉末的工艺性能及其影响因素，具体到生产工艺实践中，如何评价工艺性能对产品质量的影响和合理制定材料的品质标准1. 松装密度对压坯质量的影响：在单位压制压力相同的条件下，松装密度高的粉末，压坯密度高于松装密度低的。所以一般情况下，当需要压制高密度的压坯时，应选用松装密度高的金属粉末。例如，水雾化铁粉或钢粉的松装密度高于还原铁粉，故压制高强度结构件时，应选用水雾化铁粉或钢粉；而生产含油轴承或多孔材料制品，一般选用松装密度的还原粉。2. 振实密度对压坯质量的影响：原理上，同松装密度对压坯质量影响相同，.4.但振实密度多用于检测超细金属粉末的工艺性能，在在金属注射成形喂料的配制时，对金属粉末的振实密度检测显得非常关键，这时由于不同振实密度的粉末对黏结剂的添加量有直接影响，即影响到粉末的装载量与坯件的密度和烧结收缩率。粉末振实密度高时，表明粉末颗粒组成中，粗颗粒的比例较高，粉末总体表面积较小，这意味着，添加的黏结剂量可以适当减少，粉末装载量可以提高，注射坯的密度得到提高，烧结收缩率可以降低。3. 粒度组成振实密度对压坯质量的影响：粒度组成影响到粉末的松装密度，前面已经谈到，粒度分布范围窄的粉末，粉末的松装密度都较低，粉末冶金生产工艺上，一般都会选用粗细粉末合理搭配(按照一定比例混合)的粉末，以便获得良好的松装密度与压坯密度。我们可以从表2中列出的不同粒度组成的不锈钢粉的松装密度这一事实中得到认识。4. 流动性对粉末成形压坯质量的影响：前面已经谈到了流动性对压制过程的影响，流动性好的粉末填充模腔的能力与效果要比流动性差的粉末好，可以保证压坯密度均匀，流动性好的粉末对于自动成形来讲非常有利，因此，粉末冶金生产实践中，在产品的自动压制成形时，必须选用流速较好的粉末，以保证压坯的质量稳定性。当流速欠佳时，工艺上也可以通过调节送粉速度或增加送粉器的机械振动，以改善其填充性。5. 压缩性与成形性对压坯质量的影响：压缩性好的粉末，一般讲，获得的压坯密度较高，但压坯强度较低，压坯的烧结收缩系数较小，烧结后的产品强度较好；反之，则较差。改善粉末压缩性可以通过退火还原提高粉末的塑性、降低粉末中的杂质(氧、碳、酸不溶物)含量或增加合金元素(如铜、镍等)等手