粉末冶金概论(教案).ppt

1，粉末冶金概论，李惠中E-mail:lhz606 联系方式：8830397137486388中南大学材料科学与工程学院，2，目录，1，粉末冶金准备技术2，粉末性能与测量3，粉末成型4粉末冶金以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料，形成和烧结了金属材料、复合材料及各产品的制造工艺。粉末冶金法与生产陶瓷有相似之处，也称为金属陶瓷法。2.粉末冶金的开发粉末冶金法始于公元前3000多年。制造铁的第一种方法基本上是使用粉末冶金法。现代粉末冶金技术的发展有三个重要标志。1、克服了耐火金属铸造工艺的困难。1909年制造了电灯钨丝，促进了粉末冶金的发展。1923年粉末冶金硬质合金的出现在机械加工中被称为革命。4，简介，2，30年代成功制造多孔含油轴承；然后，粉末冶金铁基机器零件的开发充分发挥了粉末冶金没有切削或切削的优点。3、更先进的新材料，随着新技术的发展。40年代出现了金属陶瓷、分散强化等材料，从60年代后半期到70年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现。粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度零件。粉末冶金工艺的基本工艺，5，简介，1。原料粉末的制备。传统的粉碎方法大致可分为机械法和物理化学法两类。机械方法可分为机械粉碎和喷雾方法。物理化学法分为电化学腐蚀法、还原法、还原法、还原法、还原化法、气相沉积法、液相沉积法、电解法。最广泛使用的是还原法、原子化法、电解法。2、粉末由所需形状的毛坯形成。成型的目的是制造一定形状和大小的坯料，使其具有一定的密度和强度。成型方法基本上分为加压成型和无压力成型。加压成型中最常用的是成型成型。6，简介，3，坯烧结。烧结是粉末冶金工艺的关键工序。成型的毛坯将获得烧结所需的最终物理和机械特性。烧结分为单位烧结和多元烧结。对于单位制和多元制的固相烧结，烧结温度低于使用的金属和合金的熔点。对于多元体系的液相烧结，烧结温度一般低于熔体成分的熔点，高于熔体成分的熔点。除了一般烧结外，还有松散烧结、熔融浸出、热压等特殊烧结工艺。4、产品的后处理。烧结后处理可以根据产品要求采取多种方法。如精加工、浸泡、加工、热处理和电镀。此外，近年来，一些新技术(如轧制、锻造)也应用于粉末冶金材料的烧结加工，取得了理想的结果。7，简介，粉末冶金工艺的优点1，大部分耐火金属及其化合物，假合金，多孔材料只能用粉末冶金方法制造。2、粉末冶金法是不需要后续加工或几乎不需要的最终大小的坯料，因为可以大大节省金属，减少产品成本。用粉末冶金法制造产品的情况下，金属的损失只有1-5%，但用普通铸造方法生产的话，金属的损失可能达到80%。3、粉末冶金工艺在材料生产过程中不溶解材料，也不怕混合坩埚和脱氧剂等引起的杂质，因此烧结一般在真空和还原气氛中进行，不会对氧化或材料造成任何污染，因此有制造高纯度材料的可能性。4、粉末冶金保证了材料成分比例的准确性和均匀性。5、粉末冶金适用于形状相同、数量多的产品，尤其是齿轮等加工成本高的产品，用粉末冶金法制造可以大大降低生产成本。，8，简介，粉末冶金材料和产品开发方向1，代表性铁基合金，大规模精密产品，高质量结构件将开发。2、组织均匀，加工困难，制造完全致密的高性能合金。3、用强化致密化过程制造一般由混合相组成的特殊合金。4、非均匀材料、非晶、微晶或亚稳定合金的制备。5、加工唯一的、非一般形状或元件的复合元件。9，1，粉末制造技术，1。在不同状态下制造粉末的方法1.1固体状态下制造粉末的方法(1)在固体金属和合金中制造金属和合金粉末的机械粉碎和电化学腐蚀方法；(2)金属和合金粉末从固体金属氧化物和盐中还原；(3)从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末中制造金属化合物粉末的还原-化方法。10，1，粉末制造技术，1.2液体状态下制造粉末的方法，(1)液态金属和合金中制造金属和合金粉末的雾化方法；(2)从金属盐溶液中替代和还原金属、合金和涂层粉末的替代方法，溶液氢还原法；熔盐沉淀法从金属熔盐中沉淀金属粉末；辅助金属浴中析出金属化合物粉末的金属浴方法；(3)从金属盐溶液中电解金属和合金粉末的水溶液电解；从金属熔盐中电解金属和金属化合物粉末的熔盐电解法。11，1，粉末制造技术，1.3气体状态的粉末制造方法(1)金属蒸汽冷凝中制造金属粉末的蒸汽冷凝液；(2)羰基在气体金属羰基中热分解，涂层为金属、合金粉末和粉末；(3)气相金属卤化物气相还原中金属、合金粉末和金属、合金涂层的气相氢还原法；从气体金属卤化物沉积制备金属化合物粉末及涂层的化学气相沉积法。12，1，粉末制备技术，在实际过程中，传统的粉碎方法主要可以概括为两类：机械法和物理化学法。机械法是机械地粉碎原材料，但化学成分基本不变；物理化学法通过化学或物理作用改变原料的化学成分或絮凝状态得到粉末。粉末生产方法很多，在产业规模方面最广泛使用的是还原法、分散度法和电解法。气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用中也很重要。表1-1是制造粉末的几种方法。13，1，粉末制造技术，表1-1粉末生产方法，14，1，粉末制造技术，继续表1-1，15，1，粉末制造技术，2。常用的粉末制造方法2.1机械粉碎固体金属的机械粉碎是独立的粉碎方法，经常用作特定粉碎方法的补充工艺。机械粉碎通过粉碎、粉碎和研磨等作用将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末。根据材料粉碎的最终程度，可分为粗碎和细碎两类。以粉碎为主动的是轧制、锝轧制和粗粉碎。粉碎基锤磨；粉碎及研磨等多方面的机械粉碎包括球磨、棒磨机等。实践表明，机械研磨更适合脆性材料。用塑料金属或合金制造粉末，主要采用滚动研磨、冷流粉碎等方法。16，1，粉末制造技术，2.1.1机器研磨作业减小或增加粉末粒度；合金固态混合；改善、变更或变更材料的性质等。大多数情况下，粉碎工作是使粉末粒度精细。磨成的金属粉末具有加工硬化、状态不规则、流动性差、结块等特点。(1)研磨规律用作研磨时颗粒材料的四种力：冲击、磨损、剪切和压缩。在球磨机中，球体可以通过四种方式移动：滑动、滚动、自由落体和临界速度下的球体运动(图1-1)。临界速度是滚动球体的临界条件：17，1，粉末准备技术，图1-1球磨机中的球运动也与(a)滑动相关的气缸直径有关。(b)滚动；(c)自由落体；(D)临界速度下的球运动(2)影响球铣的因素球磨的研磨过程取决于装载量、球铣大小、球磨速度、研磨时间、球磨材料比例、研磨介质和球直径等诸多因素，18、1、粉制技术，研磨硬脆材料时，球的冲击在D/L3中，仅发生摩擦，适用于研磨塑胶材料。在一定范围内增加装载量可以提高磨削效率。如果球体体积与球体积的比例称为填充系数，则普通球磨机的填充系数为0.4-0.5合适。随着速度的增加，填充系数可能会略有增加。研磨时要注意球体和材料的比例。一般情况下，如果球体填充系数为0.4到0.5，则装载量将填充球体的间隙，并稍微遮住球体表面，这是原则。所需装载量为球磨圆柱体积的20%。球体的大小对材料的粉碎有很大的影响。实际上，球磨铁粉通常选择10 20mm的球。在球磨硬质合金混合物时，选择5 10mm大小的硬质合金球体。(3)强化球磨球磨研磨材料是一个非常缓慢的过程，因此提高研磨效率，加强球磨效果非常重要。例如，振动球磨和行星球磨属于此类。图1-2是湿式振动球磨机。19，1，粉末制造技术，2.1.2机械合金高能球磨方法。用这种方法可以制成具有可控组织的复合金属粉末。高速搅拌球磨，将金属粉末混合物的反复冷焊和断口合金化。金属粉末中还可以加入非金属粉末，形成机械合金。用机械合金制造的材料，其内部的均匀性与原材料粉末的粒度无关。因此，可以用更粗糙的原材料粉末(50 100 m)制作超细分散体(粒子间距小于1 m)。制造机械合金化分散强化高温合金的原料都是业界广泛使用的纯粉末，粒度约为1 200 m。对用于机械合金化的粉末混合物的唯一限制(除了上述粒度要求和极低氧含量的调节要求外)是混合物至少具有15%(体积)的可压缩变形的金属粉末。20，1，粉末准备技术，图1-3是机械合金化装置的示意图。机械合金化和滚动球铣削的区别在于使球体移动的驱动力不同。图1-2斯韦科湿振动球磨机图1-3机械合金装置图，21，1，粉末制造技术，2.2雾化雾化喷雾法直接将液态金属或合金粉碎为小水滴，一般大小小于150 m，成为粉末。喷雾法可用于制造各种金属粉末，也可用于制造各种预备合金粉末。实际上可以形成液体的任何材料都可以雾化。机械粉碎克服液态金属原子间的结合力，可以分散成粉末，机械作用破坏固体金属原子间的结合。因此，雾化过程消耗的外力比机械粉碎少得多。雾化方法是从能耗角度看简单经济的粉末生产方法。雾可以分为二流雾化、离心雾化、真空雾化、超声波雾化等。22，1，粉末制造技术，2.2.1 2流动雾化由于高压流或气流的冲击而粉碎流，称为水雾化或空气雾化，也称为二流雾化(图1-4)。雾可以采用多种形式(图1-5)平行喷射、垂直喷射、v型喷射、锥形喷射和旋流喷射，具体取决于雾化介质(气体、水)对金属流动的作用方式。雾化过程很复杂，原子化介质与金属流动相互作用的实质中既有物理变化，也有化学变化。高速气流或水流是破碎金属流体的动力，也是金属流动的冷却剂。因此，雾化介质和金属流动之间既有能量交换，也有热交换。此外，液态金属的粘度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不断变化，液态金属和雾化介质的化学作用(氧化、脱碳)使雾化过程更加复杂。23，1，粉末制备技术，图1-4水雾化和气体雾化图图1-5各种形式的雾化，24，1，粉末制造技术，(1)气体雾化气体雾化，在熔化的金属周围排列的多个喷嘴中，气流从喷出的诱导炉熔化并流入喷嘴。雾化介质使用惰性气体。雾化能得到粒度分布范围大的球形粉末。在气体雾化中，原子化过程可以用图1-6来说明。图1-6气体雾化时金属粉末的形成，25，1，粉末制造技术，(2)水雾化水雾化时金属或合金粉末制造最常用的工艺技术。水可以用单个、多个或环喷射。高压水流直接喷射到金属液中，粉碎并加速凝固，因此粉末形状比气体喷雾呈不规则形状。粉末的表面粗糙，含有一些氧化物。由于发热快，过热最好控制粉末形状，超过熔化的金属熔点。包括合金粉末的制造在内的水雾化中化学分离很有限。水原子化后，金属液滴的形成不是剪切效果，而是水滴对液体金属表面的影响。在水雾化中，雾化的粉末粒度d主要与水速度v有关。表1-2是气体喷雾和水喷雾的部分比较。26，1，粉末制造技术，表1-2气体喷雾和水喷雾的比较(3)影响二流喷雾性能的因素雾化粉末有三个重要特性。一、粒度，包括粒度、平均粒度分布和可用粉末产量；二是颗粒形状和相关性能，如松散密度、流动性、坯料密度和表面；第三，粒子的纯度和结构。影响这些性能的主要因素包括雾化介质、金属流动的特性和雾化装置的结构特性。27，1，粉末制造技术，2.2.2离心分粉的离心分粉流称为离心分粉。离心喷雾的开发与粉末粒度控制要求及活性金属粉末制造难点的解决有关。离心雾化有很多形式，例如旋转圆盘雾化、旋转坩埚雾化、旋转电极雾化等(见图1-7)。图1-7离心雾化图，28，1，粉末制造技术，2.2.3其他雾化工艺水或气体冲击熔化金属和旋转相关雾化方法以外，还有几种方法可以使用熔融金属粉碎。锝雾化方法、振动电极雾化方法、滴雾化方法、超声波雾化方法、真空雾化方法等。表1-3是部分雾化工艺的比较。表1-3比较了一些雾化工艺，29，1，粉末制造技术，2.2.4雾化粉末微结构控制快速冷却合金粉末，微结构控制的微结构控制取决于核和生长因素。凝固中，较大的温度梯度容易形成非晶质，相反，较低的冷却速度和较小的温度梯度容易形成有分离的微观组织结构。图1-8是显微组织结构与粉末颗粒的温度梯度和温度之间的关系。图1-8温度梯度和温度对快速凝固粉末微观结构的影响，采用30，1，粉末制造技术，2.3还原法将金属氧化物和盐还原为还原剂，是制造金属粉末的广泛应用方法。还原剂可以是固体、气体或液体。还原材料也可以使用固体、气体或液体材料。表1-4是利用其他还原剂和还原物表1-4还原法的大范围质量的还原作用制造粉末的几个例子。31，1，粉末制备技术，工艺还原是指通过物质还原剂夺取氧化物或盐的氧(或酸根)，将其转换为元素或低氧化物(低成本盐)的过程。最简单的反应可以用还原剂x的氧化学亲和力大于金属的氧亲和力来表达。金属元素对氧的影响不同，因此很少有生成氧化物的稳定性。基准生成自由能可以用作衡量对氧气亲和力大小的尺度。如果对氧的亲和力比还原后的金属更强，对氧的亲和力就可以起到该金属氧化物的还原剂的作用。一般来说，气体(氢、一氧化碳)、碳或某些金属在冶金过程中用作还原剂。因此，这种还原可以称为碳还原、气体还原和金属热还原。32，1，粉末制备技术，还原过程中还原进度速度和还原程度与还原条件有关。影响还原反应速度和还原程度的因素很复杂。图1-9是