现代粉末材料-北京科技大学

现代粉末材料,整理于北京科技大学材料学院贾广成老师课件,现代粉末材料,1.粉末材料概况2.高性能粉末材料3.多孔材料4.非平衡材料5.超硬材料,1.粉末材料概况,1.2粉末材料,1.2.1粉末与粉末材料粉末：0.1m1mm的固体致密体：大于1mm固粉末体：0.1m1mm胶体：小于0.1m液气,1.2粉末材料,粉末冶金：一种制取金属粉末，以及采用成形与烧结工艺将粉末制成制品的工艺技术（金属陶瓷法）。粉末材料：以粉末方式使用的材料粉末冶金材料,粉末冶金,说到“冶金”会让人们很自然地联想到巍巍的高炉和滚滚的铁水，然而，还有另一类不需将材料熔化的冶金方法，这就是粉末冶金。粉末冶金是冶金和材料科学的一个分支学科。它是首先制取金属粉末，然后采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料和制品的工艺技术。粉末冶金制品的应用范围十分广泛：从普通机械制造到精密仪器，从五金工具到大型机械，从电子工业到电机制造，从民用工业到军事工业，从一般技术到尖端高技术，都可以见到粉末冶金工艺的身影。由于粉末冶金技术的种种优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。,基本工序,粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。粉末冶金有时也称为金属陶瓷法。粉末冶金还与我们日常生活中的蒸馒头有相似之处。蒸馒头也有3个重要的步骤，一是将原材料面粉准备好（制粉），二是做成馒头的样子（成形），三是将其放入蒸笼中蒸熟（烧结）。只不过蒸馒头所使用的是小麦面粉，而粉末冶金所使用的是金属粉末。,1.2粉末材料,1.2.2粉末冶金技术的发展粉末冶金的定义：萌芽时期：3000年前埃及人用海绵铁锻制工具；印度人制造6吨重大铁柱；欧洲人用粉末加工金属铂。近代粉末冶金：1910年可锻金属钨；钨丝、钼丝；金属过滤器；烧结摩擦片；硬质合金；W-Cu合金；青铜含油轴承；烧结金属磁体；（战后）金属陶瓷；复合材料；弥散强化合金；烧结钛合金；粉末高速工具钢；粉末高温合金；等。,粉末冶金,熔融法所无法获得的材料与制品不经熔化而直接由矿石或化合物制取难熔金属在熔融温度以下制备难熔金属碳化屋、氮化物等制备多孔材料，过滤器、自发汗、电极等W-Cu、WC-Ag等特殊材料复合材料，弥散强化、纤维强化等非平衡材料，非晶、微晶等,性能优于熔铸材料晶粒细小、组织均匀偏析小,经济效益高机加工少、利用率高工序短、成本低设备通用性好,1.2.2粉末冶金材料的优越性,以金属钨为例,钨是稀有高熔点金属，银白色，外形似钢。钨是迄今为止人类所发现的物质中熔点最高的，为341020。由于钨的熔点非常高，所以难以用熔炼铸造的方法来制备。再者，即使是能够将钨熔化为液态，也难以找到盛放它的容器，因为几乎所有的耐火材料的熔点都低于钨的熔点。,钨,用仲钨酸铵（APT）作原料。将仲钨酸铵在500左右的空气中焙烧成三氧化钨,或在450左右的氢气中轻微还原成蓝色氧化钨。再用氢气将钨的氧化物还原成金属钨粉，还原过程一般分两步进行：第一步在630左右还原成二氧化钨（棕色氧化钨）,第二步在820左右还原成金属钨粉。将钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条。把方条在氢气中通电，用自电阻加热(温度达3000左右)的方法进行烧结，烧结后钨条的密度可达到理论值的85以上。这种钨条便可以用旋锻方法加工成直径为3mm左右的钨杆，然后进一步用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。,各种金属加工方法的经济性的比较,粉末冶金材料,多孔材料及制品,机械材料和零件,硬质工具材料,电工材料磁性材料,耐热材料,原子能工程材料,粉末冶金材料的优越性,制造其它方法无法制备的材料难熔金属、稀有金属金属与非金属的化合物多孔材料（发汗、自润滑轴承）任意比例的特殊材料弥散强化材料非平衡材料（非晶、微晶、过饱和材料）,粉末冶金材料的优越性,性能优越于同成分的熔融铸造材料晶粒细化、组织均匀成分偏析小经济效益高直接成形、减少机加工，提高材料利用率缩短工序、降低成本设备通用性好、降低能耗,发汗材料,火箭尾喷管喉衬3000度以上高温、气速1000m/s、经受固体颗粒冲刷,发汗材料,先将高熔点金属（钨：熔点3410）制成骨架，再渗入低熔点金属（铜：熔点1083、沸点2595），制备成复合材料。使用时利用铜的熔化与汽化带走大量的热，使尾喷管喉衬的温度维持在钨骨架所能够承受的温度之下。,温度升高,钨+铜,铜熔化,铜气化,热量,结构零件代替铸造及机加工的机械零件。铁、铜、铝等。,机械材料和零件,摩擦材料以铁、铜为基，添加固体润滑及耐磨成分的材料,减摩材料以铁、铜、铝等为基，添加金属或非金属润滑成分的组合材料,多孔材料及制品,金属过滤器：由青铜、镍、不锈钢、钛等粉末烧结成的多孔板、管、盘等过滤元件。,热交换（冷却）材料：由镍、Ni-Cr、钛等粉末烧结成的孔隙为1520%的多孔材料。,泡沫金属：孔隙度极高的发泡金属，易变形，做减震、隔音材料。,硬质合金难熔金属化合物与Co等烧结成的金属陶瓷刀具与模具。,硬质工具材料,粉末高速钢用粉末冶金方法制备的高速切削工具钢,复合工具材料以合金或硬质合金黏结的金刚石或碳化硼等制成的工具。,金刚石工具用粉末冶金方法制备的、以金刚石为硬质相的工具,电接触材料,电触头合金：难熔金属与银、铜等粉末烧结成的假合金或组合材料。,集电材料：烧结的金属-石墨电刷，用于电机和集成滑块。,烧结软磁材料：纯铁、铁合金等。,烧结硬磁材料：Sm-Co,Nd-Fe-B等。,铁氧体材料：硬磁、软磁、矩磁等。,磁性材料,耐热材料难熔金属及合金（W、Mo、Ta、Nb等）氧化物弥散强化材料粉末高温合金难熔化合物基金属陶瓷纤维强化材料原子能工程材料核燃料中子减速与控制材料屏蔽材料反射材料,2.高性能粉末材料,2.高性能粉末材料,2.1概述2.1.1定义2.1.2使用粉末材料的理由2.1.3达成手段2.2实例2.2.1高温合金2.2.2粉末高温合金2.2.3粉末高温合金的新发展2.2.4高性能磁性材料,2.1概述,2.1.1定义采用传统的或特殊的粉末冶金方法所制备的性能更高的粉末冶金材料。高性能：物理性能：光、电、磁、热、辐射等化学性能：耐腐蚀性等力学性能：强度、韧性等,2.1.2使用粉末冶金材料的理由,结构材料：主要考虑其力学性能功能材料：力学性能以外的性能减少偏析成分偏析：材料不同的部位元素的比例不同组织偏析：材料不同的部位微观结构不同细化晶粒直接成形，减少机加工,2.1.3达成手段,有效地消除残留在材料内的一切形式的孔隙。全致密化（FullDensityTechnology）（结构材料：力学性能）热压热等静压热锻热挤压粉末轧制,粉末高温合金粉末高速钢粉末不锈钢粉末钛合金,2.1.3达成手段,提高密度、调整最佳组织（功能材料：物理性能）以磁性材料为例粉末颗粒的大小（与一个磁畴相当）颗粒的形状，容易取向成分的调整,2.2实例,2.2.1高温合金以Fe、Co、Ni为基的具有高的室温与高温强度的合金。Superalloy（超合金，高温合金）高温合金。铁基、镍基和钴基高温合金的总称。在高温时有很高的持久、蠕变和疲劳强度，其使用温度可达1100左右。其典型组织为：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相，它可以是碳化物相、金属间化合物相或稳定化合物质点。根据合金成分和使用上的需求，可选择电弧炉、感应炉、真空感应炉进行一次熔炼或用真空白耗炉或电渣炉对母合金进行重熔，还有用电子束或低压等离子体作为高热能源进行熔炼的工艺。在铸造工艺上，除常规的精密铸造外，定向结晶和单晶技术已得到广泛应用，快速凝固粉末冶金和机械合金化工艺也是两种制备方法。高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、机车、发电以及石油化工等工业中。,使用高温合金作为发动机零部件的飞机,战斗机,典型的高温合金简介,以Ni基高温合金为例强化机理：金属间化合物Ni3Al的强度随温度的升高而增大合金元素的添加Ti、Cr、Co、Mn、W、V、Ta等弥散强化氧化物质点等,强化手段,固溶强化加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变,加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。沉淀强化通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（、碳化物等），以强化合金（见合金相）。晶界强化在高温下，合金的晶界是薄弱环节，加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。氧化物弥散强化通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物,呈弥散分布状态,从而获得显著的强化效应。,高温合金的制造方法与最高使用温度,发展过程,从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。此外，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“”牌号的镍基高温合金，后来生产“”系列变形高温合金和“”系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金,逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。,2.2.2粉末高温合金,熔融铸造方法的问题合金元素的偏析（各组元的凝固特性不同）强化颗粒的偏析（密度的差异、与基体的润湿性）粉末冶金的工艺粉末制造配比混合成形烧结,2.2.3粉末高温合金的新发展,旋转电极雾化制粉热等静压,发展趋势,高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。,(1)粉末制备,粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺AA法和PREP法都在积极改进工艺，尽量降低粉末粒度和杂质含量，沿着制造无陶瓷、超纯净细粉方向发展(-325目，150MPa。2钢轴材质：85碳钢；热处理：未进行；硬度：mHv300左右；表面粗糙度：0.2m左右。,3运转条件速度：0.33m/s(20m/min或1000r/min)；压力：0.17MPa或4.9N；工作间隙：约0.015mm；pV值：0.056MPam/S(3.4MPam/min)；运转时间；60min或2000h。4润滑油：SAE30#机油。,影响含油轴承运转时滑动噪音的主要因素,烧结青铜含油轴承的特性对滑动噪音的影响,透气性与运转时滑动噪音的关系,随着透气性降低，其滑动噪音声压级也降低。这种倾向在500Hz以后开始显出，到1200Hz最为明显。,滑动噪音声压级与透气性的关系,使用三种粒度不同的雾化青铜粉末，制备了轴承试样，测试了通过4001200Hz的滑动噪音声压级。当透气性为2310-3darcy时，滑动噪音有一极小值。与该透气性相当的连通孔隙度约为9。,滑动噪音与透气性之间的关系,在轴旋转时，由于泵吸作用，润滑油会从轴承壁的孔隙中渗出，供给到轴与轴承的间隙并形成油膜。但该油膜一部分会从滑动面下部的孔隙漏掉。这就使得滑动接近边界润滑状态，使轴与轴承之间金属接触的机会增加，因此滑动噪音增大。当轴承材料的透气性下降时，由于能够减少或防止润滑油的泄漏，利于保护油膜的厚度，使轴与轴承之间金属接触的机会减少，即能够使滑动接近流体润滑状态，所以滑动噪音降低。然而，当透气性过度下降时，虽然能够防止滑动面润滑油的泄漏掉，但是，从轴承体上部孔隙中渗出的润滑油也不足，致使金属接触的机会增多，由于对滑动面供油量减小，滑动噪音反而趋于增大。,轴承滑动面的粗糙度对滑动噪音的影响,无论轴承滑动面的粗糙度如何，滑动噪音在透气性为210-3darcy附近达到最小值。其次，含油轴承滑动面的粗糙度增大时，滑动噪音增大，但幅度不大。因此，可认为青铜含油轴承滑动面的粗糙度对滑动噪音影响不大。,合金组织中的相对滑动噪音的影响,青铜含油轴承的显微组织,添加了约25wt%的相粉的青铜含油轴承试样的显微组织。该试样的密度为7.3g/cm3，透气性约为1810-3darcy，连通孔隙度为18（体积分数）%，连通孔隙度与总孔隙度之比为100%，压溃强度为60MPa。该试样在700烧结5min，可以看出，锡由相粉向青铜合金粉的扩散较少，但是二者发生了结合，因此形成了两相组织。,相粉末添加量对滑动噪音的影响,滑动噪音到透气性约为210-3darcys时达到最小值。添加相粉末对滑动噪音的影响很小，即使是添加0%与75%相粉末的轴承相比，其滑动噪音的差异也仅有大约3dB。而且，该影响还与试验条件有关。,运转时间对添加相粉末的轴承滑动噪音的影响,滑动噪音都在约0.9ks（15min.）内实现稳定，随后则基本保持一定的值。而且，即使是延长时间至7.2Ms（2000h）添加相粉末50wt%的轴承与纯相组织（添加0%相粉末）的轴承相比，其滑动噪音的差异也很小，在1dB以下。也就是说，在连续运转2000h的范围内，相对滑动噪音的影响都是很小的。,含油量对滑动噪音的影响,对于由添加有0、25、50及75相粉的预合金雾化Cu-8%Sn粉制造的烧结金属含油轴承，含油率/连通孔隙度之比值越小，滑动噪音越大。比值小致使从轴承体上部不能再通过孔隙向滑动面充分供油；这时，在滑动面上形成的油膜将变得不稳定，和金属接触的几率增大。当形成这种摩擦状态时，相有可能划伤硬度为mHV300左右的钢轴，致使钢轴表面的粗糙度增大，结果滑动噪音增高。,连通孔隙度与滑动噪音的关系,短时间运转时，当含油轴承的透气性从4010-3darcy减小到约210-3darcy时，滑动噪音明显减低。透气性相同，而连通孔隙度不同时，滑动噪音的特性曲线相差只有1dB。因此，可认为透气性对滑动噪音影响大，而连通孔隙度没有什么影响。,运转时间对连通孔隙度不同的轴承的滑动噪音的影响,首先，两种含油轴承的滑动噪音差很小，即运转时间对滑动噪音的影响不大。其次，在全部的运转时间范围内，两种含油轴承的滑动噪音之差都在1dB以内。由此可以看出，孔隙度对滑动噪音的影响不大。,含油率/连通孔隙度之比值对滑动噪音的影响,不论是含油率/连通孔隙度之比为何值的轴承试样。都是随着透气性减低，轴承的滑动噪音也减小，到透气性为210-3darcy左右达到最小值。而后，则随着透气性减低，轴承的滑动噪音反而增大。当含油率/连通孔隙度之比值为100%时，即轴承的孔隙充满润滑油时，轴承的滑动噪音最小。随着含油率/连通孔隙度之比值的减少，轴承的滑动噪音增大。,运转时间对轴承滑动噪音的影响,含油率/连通孔隙度之比值越小，滑动噪音就越大，滑动噪音达到稳定值所需的运转时间就越长，及处于稳定滑动噪音下运转的时间就越短。,钢轴的表面硬度与滑动噪音的关系,用表面硬度约为mHvl00、200、300、680及750和粗糙度为0.21m的钢轴与滑动面粗糙度为lm的青铜含油轴承试验的结果示于左图，钢轴的硬度增高时，滑动噪音略有减低。在钢轴硬度为mHv100750范围内，滑动噪音的特性曲线仅相差3dB左右。因此，可认为在上述试验条件下，钢轴的硬度对青铜含油轴承的滑动噪音影响不大。,钢轴表面粗糙度对滑动噪音的影响,钢轴的表面粗糙度增大时，滑动噪音显者增高。这是由于钢轴的硬度比青铜含油轴承高得多，钢轴的表面粗糙度大时，它的凸出部在运转时经常突破在滑动面上形成的部分油膜，致使金属接触的几率大大增大，故滑动噪音显著增大。由此可见，钢轴表面的粗糙度是影响青铜含油轴承滑动噪音的一个重要因素。,钢轴表面粗糙度的影响,在钢轴的表面粗糙度约为0.2m的情况下，试验后轴承滑动面上孔隙的状态与试验前相比几乎没有发生变化。因精整形成的轴向痕迹仍然存在，几乎没有观察到在滑动方向所产生的摩擦痕迹。所以，可认为轴与轴承之间发生的金属接触很少。其结果，滑动噪音很小。在钢轴的表面粗糙度约为15m的情况下，含油轴承在试验后的滑动面上，由于基体产生塑性流动，不仅因精整形成的轴向痕迹消失，而且连孔隙也几乎观察不到，而在滑动方向上能够明显观察到摩擦的痕迹。因此，可认为轴与轴承之间发生了显著金属接触。其滑动噪音也高。,归纳表面粗糙度的影响,在透气性较大的情况下，减低透气性能够减小滑动噪音，一般说来，在透气性为210-3darcy左右时，滑动噪音可达最小值。含油轴承与钢轴的表面粗糙度增大时，都能够使滑动噪音增大。但一般地，含油轴承材料的硬度较低，滑动时其粗糙度能够变形而平坦化，所以它对滑动噪音的影响不大。而钢轴的硬度较高，在滑动中其粗糙度不容易发生变化，所以当其表面粗糙度大时，会对滑动噪音产生大的影响。为了减低含油轴承工作时的滑动噪音，应当尽量使用粗糙度小的含油轴承与钢轴，特别是要使用粗糙度小的钢轴。,润滑油对运转时含油轴承滑动噪音的影响润滑油粘度对滑动噪音的影响,总的说来，含浸以高粘度润滑油的含油轴承的声压级较低。在低于200Hz的频率范围，润滑油粘度的差对声压级差的影响较小。当频率大于500Hz时，声压级的差别开始明显。例如在频率为1200Hz时，粘度为27cP与500cP的润滑油相比，其声压级的差别高达10dB。在更高的频率范围，润滑油粘度的差对声压级差的影响又变小。,润滑油粘度的影响,含浸以粘度不同的润滑油的青铜合油轴承试件，其运转时的滑动噪音都是先随着透气性减小而徐徐减小，到最小值后，滑动噪音又趋于增大：这种倾向在润滑油粘度小时特别明显。同时，含浸以高粘度润滑油者，滑动噪音较小。这是由于润滑油的粘度越高，滑动面上的油膜通过孔隙泄漏越困难，致使油膜增厚，金属接触的几率减小，结果滑动噪音减小。,润滑油种类对滑动噪音的影响,当润滑油的粘度基本相同时，润滑油的种类对轴承的滑动噪音的影响是很小的。然而，实际上不同种类的润滑油，其粘度往往并不相同,润滑油种类与黏度的影响,虽然使用高粘度润滑油，有利于减小含油轴承运转时的滑动噪音，但对烧结金属含油轴承来说，其使用的润滑油都是根据轴的周速来选择的。例如，轴的周速为0.3m/s左右时，应选用粘度为60200cp左右的润滑油；在此范围内选用粘度上限值为200cp的润滑油较妥当。,运转条件对滑动噪音的影响,压力与滑动噪音的关系使用透气性约为1010-3darcy，连通孔隙度为（体积分数）12%的青铜含油轴承试样，固定轴的转速为0.33m/s，轴与轴承之间的间隙约为0.015mm，使青铜含油轴承在压力0.08、0.17、0.33、0.67MPa.下运转。压力越高，滑动噪音越大。在小于200Hz的频率范围内，压力的差异对滑动噪音的影响较小。但是，在频率大于500Hz时，影响较大。,透气性、运转时的压力与滑动噪音的关系,压力增高时，滑动噪音趋于增大。这是由于压力增高时，从滑动面油膜向含油轴承体内泄漏的油增多，致使油膜减薄，轴与含油轴承金属接触的几率增大所致。同时，还可以看出，透气性减小到某一值后，再减小时，压力越高，滑动噪音增大的趋势就越明显。,周速与滑动噪音的关系,使用透气性约为10-3darcy，连通孔隙度为12%的青铜含油轴承试样，将压力固定为0.17MPa，轴与轴承之间的间隙约为0.015mm，使青铜含油轴承在转速为0.08、0.17、0.33m/s下运转。得到滑动噪音随频率的变化。,运转速度与含油轴承的透气性对滑动噪音的影响,在透气性不同的情况下，滑动噪音都随着运转速度的增大而明显增大。这是因为在运转时，烧结金属含油轴承的润滑状态只能是接近而不会形成完全流体润滑。也就是说，周速高时，虽滑动面形成的油膜可能增厚，但仍会有一定的金属接触存在。这时，因金属接触而产生的噪音，其能量和运动能量以同样速度增高，结果，周速越高，滑动噪音越大。,运转间隙与滑动噪音的关系,使用透气性约为10-3darcy，连通孔隙度为（体积分数）12%的含油轴承试样，将压力固定为0.17MPa，周速为0.33m/s，取轴与轴承之间的间隙约为0.005、0.015mm以及0.030mm，使用青铜含油轴承进行运转。得到的滑动噪音随频率的变化。对于工作间隙不同的轴承，其滑动噪音的差异非常小，且具有相同的倾向。说明在从80到8000Hz的频率范围内，轴与轴承之间的间隙对滑动噪音的影响，远比压力和周速要小得多。,青铜含油轴承的运转间隙及透气性与滑动噪音的关系,滑动噪音与运转间隙关系不大。但是，当含油轴承的透气性非常小(譬如，0.610-3darcy)时，若运转间隙小于0.01mm(譬如，为0.005mm)，则滑动噪音将急剧增大。这是由于运转间隙减小时，间隙内移向滑动面的油流量减小，从而油膜减薄，轴与含油轴承金属接触的几率增大。另外，透气性非常小时，轴与含油轴承发生金属接触的几率也增大。因此，不仅透气性非常小，而且运转间隙也很小时，两者相乘的效果，使金属接触的几率大大增大，结果滑动噪音显著增高。,小结,影响烧结含油轴承的噪音的因素较多，要想减低低噪音烧结含油轴承的噪音，延长其使用寿命，应维持一定的透气性，降低钢轴滑动面的粗糙度，尽量提高含油量/连同孔隙度的比值，以及使用较小的压力。然而，要真正达到这一目的，需要烧结含油轴承的用户与含油轴承生产厂密切合作，对烧结含油轴承-轴-润滑油系统进行综合研究。,小结,中国金属学会粉末冶金分会秘书长贾成厂教授对会议进行了全面精炼的小结。他说，“烧结金属含油轴承技术研讨会是一个继往开来的研讨会，是一个务实的研讨会，是一个团结奋进的研讨会”。他说，“继往开来：我国首次举办含油轴承会议是在1958年，现已过了48年。48年以来，中国发生了翻天覆地的变化，粉末冶金行业、含油轴承行业也是如此。今天的含油轴承行业领域，与48年以前不可同日而语。含油轴承在数量、质量、用途上都发生了突飞猛进的进步与发展。在这样的行业与产业背景下，召开这样的含油轴承技术研讨会，是具有重要意义的。而且，我们有理由相信，在不久的将来，也许1年、2年，我们还会召开下一次研讨会。研讨会是务实的，内容丰富，富有成效。从大会报告看，既有专家教授在含油轴承方面的理论上、学术上的精辟演讲和分析报告，又有烧结含油轴承生产科研第一线工程技人员的技术交流报告。会议还对当今国内外烧结金属含油轴承的相关标准进行了专题讨论。所以，本次研讨会内容丰富、务实，与会代表感兴趣，是富有成效的。会议是团结奋进的，会议得到了有关领导、主管部门的重视与支持，参会代表含盖了国内大部分含油轴承的生产厂家与原材料粉末及专用设备的制造厂家以及高校与科研院所的相关人员。此外，还有来自美国、欧洲、日本以及台湾地区的客人，这次研讨会是中国烧结金属含油轴承领域的生产科研队伍的一次大检阅。不仅有技术学术报告，而且还有一些企业生产实践的交流，增进了相互了解，加强了交流，促进了团结。”贾成厂教授最后说，加强粉末冶金界与含油轴承领域的交流与合作，以解决含油轴承领域的基本性研究为基础，以解决行业（包括含油轴承制造与原材料粉末生产）中存在的问题为切入点，以全面提高含油轴承的质量为总体目标，长期不懈地努力。我们深信，只要我们的目标明确，加强产学研的交流合作，脚踏实地的进行研究、开发与生产，含油轴承的一个更加辉煌灿烂的时代一定会到来，让我们满怀信心地迎接它的到来吧。,3.3过滤器,利用烧结多孔材料中的连通孔隙来过滤和净化含有各种固体颗粒的气体或液体（包括熔融金属）烧结金属过滤器的优势渗透性好、稳定、精度高、强度与韧性高、耐高温、抗震。滤纸、滤布：强度低、高温下难以使用，难以再生塑料过滤器：强度低，使用温度低陶瓷或玻璃：可加工性差，耐急热急冷性差,3.3.1分类,3.3.2使用性能,过滤效果，孔径大小与分布再生性能，清除堵塞，恢复透过能力机械反吹：反向通入气体或液体，P0.1MPa化学机械法：通入对过滤器无腐蚀的溶剂热清洗：煅烧或通热气流，灼烧、再反吹超声波清洗：浸入溶剂中，用超声波,3.3.3制备方法简介,成形,烧结,制粉,雾化或还原球形球形化,压力：模压等静压、轧制无压：松装、粉浆浇注,松装烧结,松装烧结,将粉末松散装入金属模具中，一起放入炉内烧结。出炉后在将烧结体从模具中取出。透气性好，净化性不太高。0.20.8mm的球形粉末。孔隙度达4050%。,影响透过性能的主要因素,粉末性能。球形粉制成的多孔材料具有最好的透过性能，粒状或等轴状的粉末次之，粉末形状愈不规则，透过性能也愈差。孔隙度。孔隙度对透过性能的影响十分明显。透过性随孔隙度增大而迅速增加。材料厚度。透过性随厚度的增加而明显下降。,4.非平衡材料,稳态、亚稳态、非稳态,4.1非晶合金,4.1.1基本概念晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属等。非晶：不具有晶体结构的固体。,4.1.1基本概念,过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持液相结构的物质形态。原子的易动度随温度的降低而下降，进一步冷却，得到固体状态、液体结构的物质。,基本概念,临界冷却速度：为了得到非晶材料，在液体材料冷却过程中，不发生晶体化的最小冷却速度。,一些物质的临界冷却速度,非晶合金的种类,4.1.2非晶合金的制备方法,液相凝固控制法：薄带、细丝、粉末气相凝缩控制法：薄膜、超细粉固相反应控制法：粉末（固相扩散、气体吸收）,最常用的是液相凝固控制法,单辊法：1975年；20cm宽，70m厚的薄带纺丝法：1980年，数万米长的线,粉末冶金在非晶合金中的应用,薄带、细丝、粉末颗粒分散强化材料、非晶合金固结爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。焊接：超声波、激光,4.1.3材料性能,1）力学性能原子无秩序排列无易滑移面，性能各向同性非变形硬化，完全弹塑性体高强度、硬度，高韧性难加工材料可进行5090%的冷加工气氛、温度影响使用，氧化、脆化,塑性,长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制，在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几乎完全丧失。这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。,研究人员利用常用的Zr、Cu、Ni和Al金属元素,根据自己提出的模量判据，通过快速凝固的现代冶金手段,合成出了在室温条件下具有超高压缩塑性的非晶合金。不同于以往的非晶合金，这种新开发的材料在室温下的压缩塑性变形能力非常强，可以像常见的纯Cu，纯Al一样弯曲或形变成一定的形状。在具有超高塑性的同时，该材料还非晶合金高强度的特点。,2）耐腐蚀性能,非晶材料的化学活性高形成金属的钝态膜耐腐蚀性提高Fe-2%Cr相当于18-8不锈钢（非晶）（晶体材料）N的盐酸中，1年的腐蚀速度（mm）非晶Fe72Cr8P13C7为小于0.0000118-8不锈钢为0.5钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性Ti、Nb,3）磁性,无磁各向异性，均质的软磁体低矫顽力高透磁率低磁损电阻高铁损小强度高、弹性好,4）其它,因瓦效应：低热膨胀，Fe83B17，600K极低温超导：Mn、Nb、Zr系催化剂：CO与H2、NO与H2，比传统催化剂具有更高的性能耐辐射：比晶体耐中子辐射，有望作为核炉壁材料吸氢：Ni-Zr，吸氢速度快,4.1.4应用与将来展望,非晶合金干式变压器,非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点一、性能好-损耗低（空载损耗较SC（B）10系列下降70）、噪声小、局放小.二、成功地解决了受力不如传统的变压器好这一难题三、节能环保,性价比高,结构紧凑合理,外型和谐美观,日本在非晶材料应用方面作了大量工作,为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送电网时，建议采用铁损少的非晶变压器，2002年开始首批采用非晶变压器，日本已将非晶变压器作为落实京都议定书防止气候变暖、减少有害气体排放的绿色环保产品，全面推广使用。政府部门首先带头使用，其次是制定绿色采购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶变压器作为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。,在我国推广应用非晶材料变压器经济和社会效益十分巨大,全国配电变压器约20亿KVA，如果全部采用非晶变压器，将减少空载损耗360万KW，每年可节约电耗321亿度，折合人民币193亿元；可减少煤耗1220万吨，减少CO2气体排放488万吨，减少SO2气体排放15.86万吨，减少NO2气体排放7.32万吨。而非晶变压器价格仅为同规格硅钢变压器的1.3倍以下，节约的电费3年左右就可将增加的成本收回。另外，通过推广非晶变压器可促进钢铁行业向高精尖技术领域发展，促进国内非晶材料的生产能力提高，加快钢铁行业的产品结构调整。,非晶合金材料正应用于电子工业技术领域,随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件逐步应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，诸如铁基非晶合金已经可以在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将与镍锌铁氧体争夺使用领域。,我国非晶合金材料基本实现产业化,我国自“六五”开始连续在四个五年计划中投入大量资金，对非晶合金材料组织了重点科技攻关。经过近20年的努力，已取得了200项达到国际先进水平的成果，并形成了具有自主知识产权的专利保护群。一条千吨级生产线成功地喷出了220mm宽带材，标志着我国在非晶材料研制和生产上达到国际先进水平（当时美国生产的带材最大宽度为217mm）。随后，千吨级带材生产线又成功实现在线自动卷取，从而使我国非晶材料生产能力继美国之后跃居世界第二位。,4.2伪合金（假合金）,4.2.1基本概念合金：一种金属元素与其它金属元素或非金属元素融合而成的物质热力学相容性：A+BAB时，G0伪合金：将热力学不相容的组元以某种形式组成的具有合金性能的材料,4.2.2伪合金的意义,1）充分利用材料的性能例如触头材料触头材料也称触点或接点，是高低压电器中的关键元件，担负着导通与分断电流的作用，直接影响电器的可靠性与寿命,对触头材料的基本要求,物理性能：低电阻、高热导、熔点、熔化热、热稳定性好力学性能：室温、高温强度，硬度、塑性电接触性能：耐电弧烧损、接触电阻低化学性能：耐腐蚀性好、不易氧化、不形成不导电的化合物加工性能：可焊接利用Ag与W各自的性能,2）为材料设计开拓领域,单一材料无法满足要求互不相容的体系充分利用各类材料的优点成分自由度大,合金（复合材料）的形成方式,钼铜合金介绍,1、高电导高热导特性。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热导性比较好的元素。2、低的可调节的热膨胀系数。铜的热膨胀系数较高，钼的热膨胀系数却很低。3、特殊的高温性能。钼的熔点为2610，而铜的熔点仅为1083，钼铜合金在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当温度超过铜的熔点时，材料中的铜可以液化蒸发吸热，起到冷却作用（发汗冷却）。4、无磁性。钼和铜均为非铁磁性金属，因此所组成的钼铜合金是一种优良的无磁材料。5、低气体含量和良好的真空性能。6、良好的机加工性。纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性，机加工比较困难。而钼铜合金由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加，故有利于机加工，可以加工成复杂形状的部件。,W-Cu合金,航空航天,军事武器,电子通讯,民用,火箭尾喷管喉衬,燃气舵、鼻锥,3000度以上高温，气速1000m/s经受固体颗粒冲刷,坦克破甲弹药罩,增程炮的尾喷口,电磁炮轨道材料,热散和热沉材料,良好的气密性良好的导热性严格的热膨胀系数,电子封装材料,真空触头材料,高温模具材料,完全致密均匀的组织良好的导电性,金属发汗材料,metalsweatingmaterials一种特殊的散热材料，用于制造耐高温的航天器器件和电器开关触点。这种材料用高熔点金属构成多孔的基体，孔隙中渗入低熔点金属；在高温下工作时，低熔点金属蒸发吸热，借以冷却材料的表面。这是依据人体蒸发汗液吸热降低体温的原理设计成的，因而得名。,金属发汗材料,金属发汗材料出现于20世纪30年代，最先获得应用的是用粉末冶金工艺制成的钨银“假合金”(pseudoal-loy)和钨铜“假合金”；两种金属各以独立、均匀的相存在，不形成合金相，所以被称为假合金。它们是以钨为基体，含有约2050的银或铜，用作高电压、大功率的电器开关的触点。在假合金中，存在于钨基毛细孔中的银或铜在高压电弧所产生的高温下液化蒸发，吸收了大量的电弧的能量，降低了电弧区温度，因而这种假合金的烧损量不仅大大低于低熔点金属银、铜触点的烧损量，而且低于熔点最高的金属(钨)的烧损量。当时未用“金属发汗材料”的名称，而称为“假合金”。50年代末，固体燃料火箭的发展，理论燃气温度和压强分别达到3593和0.703kgf/mm2，原来用的纯钨的喷管已不能满足这样的使用条件，当时的其他材料也无法满足要求。60年代初,根据“发汗冷却”的概念重新研究了钨银“假合金”，详细研究了制取工艺对材料性能的影响，以及发汗冷却、抗热震等机理。60年代中期，美国研制出钨银发汗材料（W-10Ag）火箭喷管，装备于“北极星”潜艇的导弹中。其他一些火箭有用钨铜喷管的。某些在温度稍低的条件下使用的部件，也采用了钼铜和钼银发汗材料。,本研究所制备的合金具有组织均匀、晶粒细小、性能优异等特点。,W-Cu合金性能,外文文献,ChengchangJia,etal,MicrostructureandPropertiesofW-CuAlloysPreparedwithMechanicallyActivatedPowder,JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing,2001,8(2),129-132（IDSNumber:446AX,ISSN:1005-8850）3ChengchangJia,etal,MicrostructureofSinteredMo-CuAlloyswithMechanicallyActivatedPowder,RareMetals,2001,20(2),112-116（IDSNumber:458MJ,ISSN:1001-0521）ChengchangJia,etal,EffectofCobaltontheSinteringBehaviorofMechanicallyActivatedTungstenPowder,RareMetals,2001,20(3),183-186（IDSNumber:491RC,ISSN:1001-0521）JIAChengchang,LIZhigang,HEYuntao,andQUXuanhui,SparkplasmasinteringonmechanicallyactivatedW-Cupowders,RareMetals2004;23;269273（IDSNumber:858MH,ISSN:1001-0521）ChengchangJia,etal,SinteringKineticsofMechanicallyActivatedMo-CuPowder,ScienceofSintering,1999,Vol.31,No.3,p169-174ChengchangJia,etal,MechanicalAlloyingandW-Cu,Mo-CuAlloys,13thInternationalConferenceonCompositeMaterials,Beijing,China,June,2001,ScientificandTechnicalDocumentPublishingHouse,p489(ISTP收录)ChengchangJia,ZhigangLi,YuntaoHe,YanleiPing,ZizhangXie,MicrostructureandCharacteristicsofMechanicallyActivatedW-CuPowder,ChinaParticuology,2003,1(4):172175ChengchangJia,etal,MicrostructureofSinteredMo-CuAlloyswithMechanicallyActivatedPowder,RareMetals,2001,20(2),112-116（EI检索）,中文文献,贾成厂等，用机械活化与化学活化粉末制备W-Cu合金，粉末冶金技术，2001，19（3），p148-152（EI检索）杨自勤、贾成厂等，机械活化粉末制备W-Cu合金的微观组织，北京科技大学学报，2002，24（2），115-118（EI检索）赫运涛，贾成厂，樊世民等，机械活化W-Cu粉末的压力烧结，粉末冶金技术，2004，22（1），33-36（EI检索）贾成厂等，用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报，1999,Vol.39,No.6,35-38（EI检索）贾成厂等，机械活化对Mo-Cu粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，2000，18（3），163-166（EI检索）贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结Mo-Cu合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，2002，增刊2：8588贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结Mo-Cu合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，2002：391394贾成厂等，机械活化W-Cu粉末的加压烧结，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p51解子章，贾成厂，烧结Mo-Cu合金的组织特征，2001年全国粉末冶金学术会议，2001，5，武汉，p81,5.超硬材料5.1概述,定义：以金刚石或立方氮化硼单晶为原料制取的磨料、聚晶、及与其它材料结合而成的复合材料及制品。分类金刚石粉研磨粉、研磨膏金刚石聚晶钻头、拔丝模金刚石制品（结合剂）钻具、石材加工、磨具金刚石薄膜刀具、模具表面涂层,超硬材料的用途,模具：研磨、抛光（硬质合金、陶瓷、耐火材料、玻璃、宝石、有色金属）刀具：金属的车、铣、镗、钻，玻璃钢，硬塑料钻具：地质、石油、煤田等勘探，采掘锯切工具：石材、建筑材料、陶瓷、耐火材料等的切割拔丝工具：钨、钼、铜、铝、不锈钢等其它：模具、量具、刀具等的加工，玻璃刀，医用等,5.2金刚石的性能,5.2.1天然金刚石公元前8世纪在印度发现18世纪在巴西、澳洲、南非发现1965年在我国发现18世纪末研究，法国拉瓦西发现金刚石燃烧后变为气体1797年英国滕南格研究证实金刚石是碳的同素异形体,这块鸡蛋大小的钻石重达235克拉，4月19日从南非一个矿井出土。至于它将被镶嵌在什么饰品上，令时尚界人士十分期待。,主要国家发现金刚石的年代,主要产地,在十八世纪之前，印度是世界上最主要的金钢石供应国，后来在一七二五年巴西发现了大型金矿石矿藏，巴西成了世界上第一大供应国，印度退居第二位供应国，又经过150年的大量开采，巴西、印度相继出现矿源枯竭的趋势，这时在非洲南部又发现了大量的金刚石矿，开采的锋芒转向南部非洲，直至今日非洲的产量一直居世界领先地位，但从一九八O年，澳大利亚发现大型钻石矿后，澳大利亚的金钢石产量跃居世界第一位，它的产量占全世界产量的1/3，而所有非洲的产量加在一起约占全世界产量的1/2，仍超过澳大利亚，而且澳大利亚所产金刚石的品位较低，大多适用于工业使用，可用于首饰的所占比例较低，而非洲所产金刚石中用于首饰的比例较高，在南部地区所产的金刚石中的85%可用于首饰，于是，消费者中凡论及钻石，言必称南非了。,金刚石,天然资源极为稀少难以加工大颗粒金刚石异常少见外表美观，经琢磨后光彩夺目长期被统治阶级所独占神秘化,性能的来源,钻石为等轴晶系，晶体结构为立方面心格子，晶胞参数a=3.56A(1A=1mm/1千万。每两个相邻C原子之间的距离都相等(1.54A)。这种结构C原子间形成极其牢固的共价键，要分开这种化学健必须给以很大的能量。这就决定了金刚石具有一些特殊的性质，如极高的硬度和化学稳定性。钻石的晶形最常见的是八面体，其次是菱形十二面体，较少见的是立方体。此外，可长成各种复杂形态的聚形或歪晶。,金刚石与石墨的结构,5.2.2性能,硬度1GPa=109N/m2,6：长石5：磷灰石4：萤石3：方解石2：石膏1：滑石,强度,热稳定性与介质有关、与杂质有关,性能归纳,1、化学成份：碳，“C”2、晶系：等轴晶体，均质体，3、颜色：无色，通常略带黄色，也有蓝、红、紫、褐、绿、黑等色4、硬度：10度5、相对密度：3.526、光泽：金刚光泽7、透明度：透明8、折射率：2.429、色散：0.04410、发光性：在紫外线光或X光照射后常呈可见荧光和磷光11、热导性：钻石是热导性最佳的物质12、化学性能：耐酸耐碱，化学性质稳定13、在X光照射下呈全穿透性14、亲油性和疏水性15、经辐射后可改色，金黄、粉红、玫瑰、天蓝、绿色等。,金刚石与金属间的作用,金刚石与金属间的界面能高，不容易形成牢固结合700以上与铁接触，石墨化、溶解于铁第三周期元素镁、铝与金刚石与较好的黏结，镁不会腐蚀金刚石，但铝在800以上会腐蚀金刚石，并反应生成Al4C3。第四周期元素从硒到镍容易与碳反应生成相应的碳化物，对金刚石有较强的腐蚀作用。第五周期元素锆、钼等与碳反应生成碳化物，但对金刚石没有腐蚀作用。第六周期元素钽、钨与碳原子发生反应，在较低温度下不严重侵蚀金刚石表面。,金刚石的形成,只有在金伯利岩管处才有金刚石矿，金伯利岩管的形成是一种复杂的地球变化过程的产物，地球由三大部分组成，地球的表面有一层厚厚的地壳，地球中心有一个结构非常紧密的核心，要地核与地壳中间地幔（俗称岩浆），地球不是一个整体，而是由六大板块组合而成，必然地，板块与板块之间岩浆在