第三章--粉末冶金--概述-粉体制备

第三章粉末冶金与非金属材料加工原理,广东工业大学张艳梅,要目,3.1概述,3.2粉体的制备与处理,3.3成型原理,3.4烧结原理,3.5烧结体性能,粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成型和烧结，制造金属、非金属制品的工艺技术。粉末冶金工艺过程主要包括粉末制备、成型、烧结、后处理等几个工序。,3.1概述,粉末冶金的特点：1.生产特殊性能结构材料、复合材料、功能材料。1）控制孔隙度，生产各种多孔材料、多孔含油轴承等；2）利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产特殊性能材料，如钨-铜假合金的电触头材料，金属-非金属组成的摩擦材料；3）各种复合材料，如硬质合金、金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料。,3.1概述,粉末冶金的特点：2.粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越。1)高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好。例如，粉末高速钢、粉末超合金。可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能。2)生产难熔金属材料或制品。如钨、钼等难熔金属。3）粉末冶金法是制造机械零件的一种少切削、无切削的新工艺，可以大大减少机加工且节省机床，节约金属材料，提高劳动生产率。,3.1概述,粉末冶金的不足：粉末成本高，粉末冶金制品的大小和形状受到一定限制；烧结零件的韧性较差等。随着粉末冶金技术的发展，这些问题正在逐渐解决中。例如，等静压成形技术已能压制较大的制品；粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。,3.1概述,1.粉体的制备技术2.粉体的特性3.粉体的处理,1.粉体的制备技术,粉碎法：由粗颗粒粉碎成细粉的方法。（1）机械粉碎法：粉碎固体颗粒。（2）雾化法:粉碎液体颗粒。合成法：通过化学反应生成细粉的方法。（1）固相法：利用固态物质间的化学反应（化合反应、热分解反应、氧化还原反应）制备粉末。（2）液相法：利用溶液中的置换还原反应、沉淀法、溶剂蒸发法、水解法、水热法等制备粉末。（3）气相合成法（蒸发-凝聚法、气相化学反应法）,（1）机械粉碎法固态金属的机械粉碎，既是一种独立的制粉方法，又常作为某些制粉方法不可缺少的补充工序，例如，研磨电解制得的硬脆阴极沉积物，如还原制得的海绵状金属块等。机械粉碎法在粉末生产中占有重要的地位。机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末的。,1.粉体的制备技术,（1）机械粉碎法根据物料粉碎的最终程度，可分为粗碎和细碎两类。根据粉碎的作用机构，可分为：（1）压碎：如碾碎、辊轧等；（2）击碎：如锤磨等；（3）击碎和磨削等多方面作用：如球磨、棒磨等。,1.粉体的制备技术,（1）机械粉碎法设备：碾碎机、双辊滚碎机等粗碎设备；锤磨机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等细碎或研磨设备。机械研磨比较适用于脆性材料。,1.粉体的制备技术,球磨法几种研磨机中用得较多的是球磨法，而滚动球磨机又是最基本的。,1.粉体的制备技术,（1）机械粉碎法,球磨法球磨粉碎物料的作用(压碎、击碎、磨削)主要取决于球和物料的运动状态，而球和物料的运动又取决于球磨筒的转速。（1）第一种泻落；（2）第二种抛落，效果最好；（3）第三种粉碎停止。影响球磨的因素：1）球筒的转速；2）装球量；3）球料比；4）球的大小。,1.粉体的制备技术,（1）机械粉碎法,采用振动球磨和搅动球磨可提高研磨速度。,1.粉体的制备技术,（1）机械粉碎法,（2）雾化法雾化法，利用水流或气流直接击碎液体金属制取粉末的方法。应用较广泛。雾化法可以制取铅、锡、铝、锌、铜、镍、铁等金属粉体，也可制取黄铜、青铜、合金钢、高速钢、不锈钢等预合金粉体。雾化法包括：1)二流雾化法；2)离心雾化法；3)超声波雾化。,1.粉体的制备技术,1）二流雾化法二流雾化法是用高速气流或高压水击碎金属液流的。金属液流在气流作用下分为四个区域：(1)负压紊流区()；(2)原始液滴形成区()；(3)有效雾化区()；(4)冷却凝固区()。,1.粉体的制备技术,（2）雾化法,1）二流雾化法,雾化法的介质：（1）气体（惰性气体氮气、氩气）（2）液体（水）,（2）雾化法,1.粉体的制备技术,1.粉体的制备技术,1）二流雾化法,（2）雾化法,机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合。雾化过程所需消耗的外力比机械粉碎法小得多。,2）离心雾化法离心雾化就是利用机械旋转造成的离心力将金属液流击碎成细的液滴，然后冷却凝结成粉末。常用的有旋转圆盘雾化，旋转水流雾化，旋转电极雾化等。,3.2粉体的制备与处理,（2）雾化法,旋转圆盘雾化从漏嘴(直径68毫米)流出的金属液流，被具有一定压力(48公斤厘米2)的水引至转动的圆盘上，为圆盘上特殊的叶片所击碎，并迅速冷却成粉末收集起来。通过改变圆盘的转数(15003500转分)、叶片的形状和数目，可以调节粉末的粒度。,1.粉体的制备技术,2）离心雾化法,（2）雾化法,粉体是由大量的粉体颗粒组成的一种分散体系。粉体中存在大量空隙。粉体颗粒是分散细化后得到的固态基本颗粒，称为一次颗粒。粉体颗粒很容易发生团聚，形成二次颗粒。,2.粉体的特性,（1）粉体的粒度与粒度分布（2）粉体颗粒的形状（3）粉体的表面特性（4）粉体的流动性,2.粉体的特性,（1）粒度和粒度分布粉体的粒度：指粉体颗粒的线性尺寸。粒度分布：不同粒度的颗粒占全部粉体的百分含量。粉体的粒度和粒度分布主要与粉体的制取方法和工艺条件有关。机械粉碎的粉体一般较粗，气相沉积的粉体极细。粉体的粒度和粒度分布对粉末的压制与烧结过程以及最终产品的性能有很大影响。例如：在烧结过程中，与粗粉压制的压坯相比，细粉压制的压坯在相同的烧结条件下烧结时更容易收缩。,2.粉体的特性,（1）粒度和粒度分布粉体的粒度及粒度分布根据其形状及大小可采用不同的测量方法。常用的测量方法：筛分法、沉降法分析法、激光光散射法、显微镜观察法。,2.粉体的特性,（1）粒度和粒度分布筛分法测量粒度最广泛使用的方法是筛分析。筛分析所用设备包括一套筛子。通常以目数表示筛网的孔径和粉末的粒度。所谓目数是指每英寸长度上的网孔数量。筛分析的大致过程为：将一套筛从粗到细自上而下叠装在一起，并在最底层加一个底盘，在最顶层加一个盖。将样品置于最上面的筛子中，然后将整套筛子固定在振筛机上。振筛机可以使筛子在水平和垂直两个方向振动。标准的振动筛分时间是。最后称出每个筛子中以及底盘中的粉末质量。,2.粉体的特性,（1）粒度和粒度分布,2.粉体的特性,沉降天平法：一种基于斯托克斯定律的方法，是重力沉降法，测量时颗粒在静止的介质中沉降，同时测量沉降时间，沉降时间与粒度有关。由于粒度不同的颗粒沉降时间不同，因此这是一个累积过程。从斯托克斯定律可以看出，较大的颗粒沉降的时间较短，较小的颗粒沉降的时间较长。粉末沉降的数量是作为时间的函数连续测量的。,（1）粒度和粒度分布激光光散射法,2.粉体的特性,（1）粒度和粒度分布,2.粉体的特性,粉体颗粒形状指一个颗粒的轮廓，是指粉体颗粒的外观几何形状。粉体颗粒形状主要由粉体的生产方法决定。粉体颗粒形状可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类。粉体颗粒形状直接影响粉体的流动性、自然堆积密度、比表面、成型体的密度以及烧结体密度等。例如，与不规则粉末相比，球形粉末难以压制成高强度的压坯。,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,也可用颗粒的维数表示：一维颗粒：针状或棒状，颗粒的长度比其径向尺寸大很多。二维颗粒：片状三维颗粒：等轴状或球状,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,用焦炭还原铁矿粉或轧钢铁鳞粉获得,（2）粉体颗粒的形状,2.粉体的特性,用水雾化获得,粉体颗粒细，有发达的外表面，造成粉体与块体物质在性能上有很大的不同。如：1）对气体、液体、微粒有极强的吸附能力，可用于除臭、去污、过滤。2）在空气中极易氧化或自燃。3）易发生团聚。粉体越细，表面越粗糙，其表面能越大，越易发生上述现象。,（3）粉体的表面特性,2.粉体的特性,粉体流动性是50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为秒50克，俗称为流速。粉末流动性直接影响压制操作的自动装粉和压件密度的均匀性，因此是实现自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。,（4）粉体的流动性,2.粉体的特性,流动性与粉体种类、粉体粒度及分布、颗粒形状、松装密度、吸附水分及气体等有关。颗粒形状对流动性的影响：接近球形的颗粒流动性好；形状不规则的颗粒易形成拱桥，流动性差。还会造成装粉不均匀，导致压制后坯体密度不均。对形状不规则的粉体颗粒可进行造粒处理。,（4）粉体的流动性,2.粉体的特性,流动性与粉体和颗粒的性能有关。等轴状粉体、粗颗粒粉体的流动性好；粒度组成中，极细粉体占的比例愈大，流动性愈差。,（4）粉体的流动性,2.粉体的特性,粉体原料由于产品最终性能的需要或者成型过程的要求，在成型之前都要经过一些预处理。预处理包括：表面改性，粉末退火（热处理），混合，悬浮，塑化，造粒等。悬浮是将粉体分散于液体介质中形成稳定、均匀、流动好的料浆，主要用于料浆法成型。塑化是将粉体与适量液体、塑化剂混合形成具有塑性的坯料，主要用于塑性成型。,3.粉体的处理,（1）表面改性表面改性是为了提高粉体的分散性、活性、相容性以及使用性能，采用物理或化学方法对粉体颗粒进行表面处理，有目的地改变其表面物理、化学性质的工艺。主要的表面改性方法有：（1）包覆改性；（2）沉积改性；（3）表面化学改性；（4）机械化学改性,3.粉体的处理,（2）粉末退火粉末退火可使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法所制得的粉末通常都要退火处理。此外，在某些特殊情况下，例如，为了防止某些超细金属粉末的自燃，需要将其表面钝化。这时，也要退火处理。退火一般用还原性气氛(氢、分解氨、转化天然气或煤气等)，有时也可用惰性气氛或真空。,3.粉体的处理