粉末材料的制备、成形与固结课件

第七章粉体材料的制备、成形与固结,绪论粉末的表征与测量粉末制取粉末成形粉末固结,绪论,绪论,一次颗粒（单个颗粒）：指内部没有空隙的致密材料。一次颗粒的粉化过程是内部原子的断键过程，要求高能量输入。二次颗粒（颗粒聚集体）：是单个颗粒以弱结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。二次颗粒的粉化过程是界面的弱结合力断开，由界面能转变为表面能，能量输入相对较弱。,绪论,粉体工程所涉及的行业,绪论,绪论,颗粒的分类,粗颗粒（100150m）中粉体（44150m）细粉体（1044m）极细粉体（0.510m）纳米颗粒（0.1m）,颗粒,第一节粉末的表征与测量,颗粒大小和形状表征,粉体特性的表征,粉体的粒度与比表面测定,粉体材料的组成单元颗粒。颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。,颗粒大小和形状表征,颗粒大小和形状表征,直径D,直径D、高度H,？,颗粒的大小,颗粒大小,粒径,机械制粉物理制粉化学制粉,第二节粉末的制备,7.2.1机械制粉法,机械研磨气流研磨,机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。,一、机械研磨法,能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。,球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介质,1、球磨制粉,在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等。当的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程。如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为。不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。,1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率,球磨制粉的基本原则,滚筒式振动式搅动式,球磨制粉的基本方式,滚筒式球磨,转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到临界转速V临2时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止。,D是磨筒的直径,滚筒球磨的转速应有一个限定条件,V临1V实际V临2,限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。,振动球磨,搅动球磨,横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。,研磨时不存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动能大大增加。可以采用提高搅动转速、减小磨球直径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能，符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。,二、气流研磨法,通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。陶瓷粉：空气；金属粉末：惰性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。,1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率,气流研磨制粉的基本原则,由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。,两种办法来实现提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计,通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速,气流研磨三种类型：旋涡研磨冷流冲击流态化床气流磨,旋涡研磨,粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末,冷流冲击,加速效应加速后的气体可超过音速，颗粒撞击动能增大冷却效应气粉混合物的温度能降到零度以下，金属颗粒冷脆性提高气压越大，粉末越细。,流态化床气流磨,可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。,流态化床气流磨的特点：,7.2.2物理制粉法,雾化法蒸发凝聚法,雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。,一、雾化制粉法,雾化机理,过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。显然，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小。,过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。,过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。,1、能量交换准则提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固准则提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。,提高雾化制粉效率基本准则,雾化制粉分类,双流雾化指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化,双流雾化法,气雾化水雾化,注：适合于金属粉末制备,金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。,雾化过程的四种情况,动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。,离心雾化法,离心雾化法是借助离心力的作用将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。1974年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。,旋转电极法,旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：,旋转盘法,旋转轮法,旋转杯,旋转网,雾化制粉的一些特性,1、雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。2、雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。,3.极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。4.冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。,二、物理蒸发冷凝法,物理蒸发冷凝制粉是一种制备超微金属粉末的重要方法，采用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再在冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。由于粉末的粒度很小，比表面积很大，因而化学活性很强。为防止金属粉末氧化，在冷凝室内一般都要通入惰性气体。这样在金属蒸气脱离熔体的很短时间内，会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同其他金属粉末制备方法相比，物理蒸发冷凝法生产效率是较低的，但这种方法可获得最小粒径达2nm的纳米颗粒。,电阻加热方式等离子体加热方式激光加热方式电子束加热方式高频感应加热方式,按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种,7.2.3化学制粉法,化学气相沉积法化学还原法电化学制粉法,气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。,物理气相沉积法化学气相沉积法,一、化学气相沉积的反应类型,分解反应,化学气相沉积法,化合反应,二、化学气相沉积制粉原理,1.化学反应2.均相形核3.晶粒生长4.团聚,制粉过程包括四个步骤：,化合反应,由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、2）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度,1.化学反应,对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：,分解反应,气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程。,2.均匀形核,均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都表明：晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制。,3.晶粒生长,颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。,4.团聚,三、化学气相沉积类型,热分解法,热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物,第一步：合成羰基镍,第二步：羰基镍热分解,气相氢还原还原剂-氢气气相金属热还原还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主,气相还原法,复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原料是金属卤化物(以氯化物为主)，在一定温度下，以气态参与化学反应。,复合反应法,1.碳化物反应通式,2.氮化物反应通式,3.硼化物反应通式,4.硅化物反应通式,一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件,化学还原法,一、还原制粉的基本原理,依据热力学原理确定反应能否发生氧位图,二、典型还原制粉类型,氢还原法,碳还原法,还原化合法,电化学制粉法,一、电化学制粉分类,水溶液电解有机电解质电解熔盐电解液体金属阴极电解,二、电化学制粉原理,电化学,以铜电解制粉为例,电化学体系,阳极：Cu（纯）,阴极：Cu粉,电解液：CuSO4、H2SO4、H2O,电化学反应,阴极反应：,阳极反应：,三、电化学制粉的影响因素,电流密度金属离子浓度电解液温度氢离子浓度,成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。传统的成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。近年来，出现了许多新的成型方法，如压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸模成型和直接凝固成型等。,第三节粉末的成形,按粉料成型时的状态：压力成型（模压成型、等静压成型）增塑成型（挤出成型、注射成型）料浆成型（注浆成型，热压铸成型）,压制过程第一阶段：首先粉末颗粒发生重排，颗粒间的架桥现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；第二阶段：颗粒发生弹塑性变形，塑性变形的大小取决于粉末材料的延性。但是，同样的延性材料在一样的压力下，并不一定得到相同的坯体密度，还与粉末的压缩性能有关；第三阶段：颗粒断裂。不论是原本脆性的粉体如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工硬化的脆化粉体，都将随着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。,在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加、气孔率降低。人们对压力与密度或气孔率的关系进行了大量的研究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学公式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量公式（包括理论公式和经验公式）有几十种之多，表中所示为其中一部分。,压坯密度与压制压力的关系,表粉末压制理论的一些理论公式和经验公式,压制过程中力的分析,结论在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力的压力损失很大，可达6090%。由于压力沿压模轴向分布不均，造成压坯的密度不均匀现象。加入润滑剂能够改善这一现象。,添加成形剂：改善成形过程的物质类型：润滑剂：主要用来减小粉末颗粒与模腔及模冲之间的摩擦力。粘合剂（塑化剂）：主要用来提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械强度、减小粉末飞扬。造孔剂：主要是在制备多孔材料时用于在烧结体中产生一定的孔隙。,常见粘合剂：合成橡胶、石蜡、聚乙烯，酵、乙二脂、松香淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等常见润滑剂：硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉和机油,模压成型等静压成型挤压成型楔形压制注浆成型热压铸成型注射成型流延法成型压力渗滤工艺离心成型凝胶铸模成型直接凝固成型高能成型,成形方法,模压成形,模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压成一定形状的坯体的方法。,图5-29干压成形的密度梯度a)单向加压b)双向加压,单向加压时，压力的不均匀分布更明显，而且坯体高度与直径之比愈大，压力分布愈不均匀。双向加压方式是上下压头（柱塞）从两个方向向模套内加压，压力分布的不均匀程度减轻，故压坯密度相对较均匀。,为保证坯体质量，干压成形时需根据坯体形状、大小、壁厚及粉料流动性、含水量等情况，控制好成形压力（一般为40100MPa）、加压速度与保压时间等工艺参数。,模压成形步骤及影响因素A.原料准备a.粉末退火处理：i)目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度；消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构；表面钝化防止某些超细金属的自燃。ii)一般用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法制得的金属粉末，都要进行退火处理。此外，为了防止某些超细金属的自燃，也要做退火处理，使其表面钝化。b.混合：使两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀混合方法：机械法和化学法。c.筛分d.制粒：将小颗粒粉末制成大颗粒。i）目的：为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。ii）制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。,e.添加成形剂：B.装模C.加压：i）加压方式：有单向加压和双向加压两种。ii）对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结密度与收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。D.保压：保压可以使压力传递更加充分，有利于压坯中各部分的密度均匀；有利于粉末中的空气逸出。E.脱模：脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、压坯尺寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响。,利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方向对坯体进行压制的工艺。冷等静压可分为干式和湿式两种形式。,冷等静压成形,以水为溶剂、粘土为粘结剂和粉体混合，配制成的具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法。,注浆法成形,这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对粉体和石蜡混合流体进行压力下的铸造成形。,热压铸成形,1）料浆的制备：将经过粉体与612石蜡和0.11硬脂酸或油酸表面活性剂加热到6080再与熔化的石蜡混合即可。2）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。,一般用于制备厚度80m的坯片。,带式成形（流延成形）,借鉴金属的挤压成形和轧制成形工