粉末冶金-第一章

,成都理工大学材料与化学化工学院,粉末冶金原理（PowderMetallurgyPrinciple）,2020/6/7,2,课程地位及要求“粉末冶金原理与工艺”是主要介绍粉末成形与烧结致密化过程的相关原理和技术，是材料科学与工程专业的一门主要技术基础课之一。要求学生通过本课程的学习，在掌握粉末基本特性的基础上，全面掌握粉末体的成形与烧结原理，具备利用粉末制造各种粉末冶金材料及其零部件的相关理论、技术基础和新材料的开发设计能力。,2020/6/7,3,主要参考书1现代粉末冶金技术陈振华化学工业出版社，20072粉末冶金与陶瓷成型技术佘正国，刘军化学工业出版社，2005,2020/6/7,4,考核成绩（闭卷）平时20%卷面考试80%,2020/6/7,5,杨梅Email：masterymTel.2020/6/7,6,目录0绪论第一章粉末的制取第二章粉末性能及其测定第三章成形第四章特殊成形第五章烧结第六章粉末锻造第七章粉末材料的孔隙性能与复合材料的强韧化,2020/6/7,7,粉末冶金：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，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。金属陶瓷法,0绪论,2020/6/7,8,1.粉末冶金工艺,2020/6/7,9,历史部分:武器,生活用具,艺术建筑现代部分:硬质合金,高温材料,汽车部件,军事工程。,2.粉末冶金的发展简史,2020/6/7,10,三个重要历史阶段,我们把19091910年用粉末冶金工艺制得白炽灯钨丝作为现代粉末冶金技术发展的标志。现代粉末冶金技术发展经历了三个重要历史阶段。第一阶段：采用粉末冶金技术，能够生产出用熔铸方法等其他技术无法制得的各类材料和制品。在20世纪20年代，这一独特的工艺技术成功地制造了硬质合金。,2020/6/7,11,第二阶段：在20世纪二三十年代，用粉末冶金工艺成功制得多孔含油轴承。继而发展到生产铁基机械零件，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。第三阶段：20世纪五六十年代以后，粉末冶金技术被化工、冶金、材料、机械等学科的科技工作者和生产企业关注和重视，学科之间互相渗透，开发出如粉末高速钢、粉末超合金、金属陶瓷、弥散强化材料、纤维增强材料等新材料，以及注射成形、粉末锻造、等静压制、温压技术等新工艺。随着现代技术经济对各类新材料、新产品的需求，粉末冶金技术还将向更高水平、更广阔的领域拓展。,2020/6/7,12,目前,粉末冶金最发达的国家瑞典(Sweden)硬质合金工业非常发达Hoganess,建立许多子公司。其次是北美(NorthAmerican)和西欧(westernEuropean)。德国的粉末冶金工业也是处于世界前列-工具钢.,.,2020/6/7,13,美国的粉末冶金公司主要产品用户是汽车制造商，汽车工业发达，带动了美国的粉末冶金工业发展，这是因为发达的汽车工业，大量用粉末冶金部件。日本的汽车工业的发展带动了粉末冶金工业发展。,2020/6/7,14,粉末冶金技术在汽车制造业中的主要应用：,汽车动力系统：,2020/6/7,15,汽车发动机用粉末烧结钢零件,2020/6/7,16,汽车变速器系统用粉末烧结钢件:,2020/6/7,17,1.能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊性能的材料：能控制制品的孔隙度(多孔材料、多孔含油轴承等)；能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料（钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等）；能生产各种复合材料。,3.粉末冶金的特点,2020/6/7,18,2.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：高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好（粉末高速钢可避免成分的偏析）；生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法（钨、钼、铌等难熔金属）。,3.粉末冶金的特点,2020/6/7,19,粉末冶金技术的优越性与局限性,优越性少切削、无切削，能够大量节约材料，节省能源，节省劳动普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于5%能够大量能够制备其他方法不能制备的材料能够制备其他方法难以生产的零部件,2020/6/7,20,局限性粉末成本高制品的大小和形状受到一定的限制烧结零件的韧性较差,2020/6/7,21,（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。,4.常用粉末冶金材料,2020/6/7,22,（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。,4.常用粉末冶金材料,2020/6/7,23,1）铁基结构合金的高精度高质量大数量产品。2）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性。3）难加工材料的制造。4）特殊合金，主要为包含有多相的组分，通过增强密度的工艺来制造。5）非平衡材料的合成例如非晶，微晶和亚稳合金。6）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。,5.粉末冶金未来,2020/6/7,24,第一章粉末的制取,本章内容1.1概述1.2还原或还原-化合法1.3气相沉积法1.4液相沉淀法1.5电解法1.6雾化法1.7机械粉碎法1.8超细金属粉末及其制取,2020/6/7,25,1.1概述,制粉方法分类机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。,2020/6/7,26,2020/6/7,27,2020/6/7,28,2020/6/7,29,（1）从液态金属与合金制备金属与合金粉末的雾化法；,2020/6/7,30,从过程的实质来看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末。,2020/6/7,31,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）,气相还原法,碳还原法,1.2还原或还原-化合法,定义:用还原气体(固体)或活泼金属将氧化物还原制备粉末的过程。,2020/6/7,32,影响碳还原铁氧化物过程和铁粉质量的因素,1）原料原料中杂质的影响原料中杂质特别是SiO2的含量超过一定限度后，不仅还原时间延长，并且使还原不完全，铁粉中含铁量降低。原料粒度的影响多相反应与界面有关，原料粒度愈细，界面的面积愈大，因而促进反应的进行。,2020/6/7,33,2）固体碳还原剂固体碳还原剂类型的影响还原能力：木炭焦炭无烟煤固体碳还原剂用量的影响适宜的还原剂加入量：86%-90%3）还原工艺条件还原温度和还原时间的影响料层厚度的影响还原罐密封程度的影响,2020/6/7,34,4）添加剂加入一定的固体碳的影响碳加入方法：原料铁鳞或铁矿石与固体碳混合压团装入；原料鱼还原剂分层相间装入，生产上常采用后者。返回料的影响加入一定量废铁粉，加速还原过程。引入气体还原剂的影响引入气体可使还原过程加速。碱金属盐的影响引入碱金属盐可使还原过程加速。,2020/6/7,35,5）海绵铁的处理还原退火处理作用：退火软化作用，提高铁粉的塑性，改善铁粉的压缩性；补充还原作用；脱碳作用，把碳含量降低到0.25-0.05%以下。,2020/6/7,36,还原-化合法生产难熔金属化合物的方法：用碳（或含碳气体）、硼、硅、氮与难熔金属直接化合；用碳，碳化硼、硅、氮与难熔金属氧化物作用而得碳化物、硼化物、硅化物和氮化物。,2020/6/7,37,物理气相沉积（physicalvapordeposition）：用物理方法(如蒸发、溅射等)，使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法。化学气相沉积(chemicalvapordeposition)：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。Si3N4由硅烷和氮反应形成的。,1.3气相沉积法,2020/6/7,38,气相沉积法用在粉末冶金中的有以下几种：（1）金属蒸气冷凝，这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属（如锌Zn，镉Cd等）粉末。这些金属的特点是有较低的熔点和较高的挥发性，如果将这些金属蒸气在冷却面上冷凝下来，便可形成很细的球状粉末。（2）羰基物热离解。（3）气相还原，包括气相氢还原和气相金属热还原。（4）化学气相沉淀。,2020/6/7,39,定义:在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加人适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧，从而制得相应的粉体颗粒。,1.4液相沉淀法,2020/6/7,40,液相沉淀法在粉末冶金中的应用有以下几种：（1）金属置换法；制取铜粉、铅粉、银粉等。用一种金属从水溶液中取代出另一种金属的过程叫做置换。例Cu2+Zn=Cu+Zn2+,2020/6/7,41,（2）溶液气体还原法，主要是溶液氢还原法；可以制取铜粉、镍粉、钴粉，也可以制取合金粉（如镍-钴合金粉）和各种包覆粉（如Ni/Al等）。,2020/6/7,42,（3）共沉淀法制取复合粉共沉淀法：指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀。共沉淀法是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。,2020/6/7,43,共沉淀制取复合粉的方案,使基体金属和弥散相金属的盐或氢氧化物在某种溶液中同时均匀析出，然后经过干燥、分解、还原以得到基体金属和弥散相的复合粉；将弥散相制成最终粒度，然后悬浮在含基体金属的水溶液中作为沉淀结晶核心，待基体金属以某种化合物沉淀后，经过干燥和还原就可得到以弥散相为核心，基体金属包覆在外的包覆粉。,2020/6/7,44,例电极材料，WCu合金，在力学性能不能满足要求时，可加入少量的Ni，来改善力学性能，其中镍与铜均有包覆作用。首先，钨粉在硝酸镍中溶解，氧化镍包覆钨，还原得到镍包覆钨颗粒;镍钨颗粒在进入氯化铜溶液中，包上铜后，烘干还原得到WNiCu合金粉，其性能：高温导电，抗氧化，力学性能显著提高等优点。,2020/6/7,45,水溶液电解基本原理电化学原理,电解：在直流电作用下，在电极上产生氧化与还原的过程。在阳极上失去电子，氧化反应，成为正离子在阴极上金属正离子获得电子，还原成为金属原子电解时，电能转化为化学能作用与原电池相反。,1.5电解法,2020/6/7,46,电解制粉方法分类水溶液电解、有机电解质电解、熔盐电解、液体金属阴极电解。,2020/6/7,47,水溶液电解法可生产铜、镍、铁、银、锡、铅、铬、锰等金属粉末。电解结晶粉末形状一般为树枝状，压制性较好；电解法还可以控制粉末粒度，因而可以生产超细粉末。,2020/6/7,48,Scanningelectronmicrographofelectrolyticcopperpowdershowtypicaldendriticshape,2020/6/7,49,1.喷雾法雾是液体以极细小的液滴分散悬浮在空气中。雾化法属于机械制粉法，是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法。制取铅、锡、铝、铜、镍、铁、锌等金属粉末，也可制取合金粉末。,1.6雾化法,2020/6/7,50,金属或合金先由电阻炉或感应电炉融化，再注入金属液中间包内。金属液由上方孔流出时液流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。,2020/6/7,51,雾化法,外力冲击,相互接触,冷却,2020/6/7,52,2.击碎液体金属的两类,制粒法（让熔化金属通过小孔或筛网自动注入空气或水中，冷却凝固后得到金属粉末，粒度较粗）-低熔点金属制取（铅、锡、锌等）雾化法二流雾化法，分气体雾化和水雾化；离心雾化，分旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、旋转坩埚雾化；其他雾化法，如真空雾化、油雾化等。,2020/6/7,53,3.快速冷凝技术（RST）主要特点：（1）急冷可大幅度地减小合金成分的偏析；（2）急冷可增加合金的固溶能力；（3）急冷可消除相偏聚和形成非平衡相；（4）某些有害相可能由于急冷而受到抑制甚至消除；（5）由于晶粒细化达微晶程度，在适当应变速度下可能出现超塑性等。,2020/6/7,54,4.影响雾化粉末性能的因素,（1）雾化介质1）雾化介质类别的影响气体：空气和惰性气体等空气-雾化过程氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属（如铜、铁和碳钢等）惰性气体-减少金属液的氧化和气体溶解。液体：水,2020/6/7,55,气雾化和水雾化的区别,粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。,2020/6/7,56,气雾化颗粒形貌,水雾化铜粉颗粒形貌,2020/6/7,57,2）气体或水的压力的影响气体压力愈高，所得粉末愈细。,2020/6/7,58,（2）金属液流,1）金属液的表面张力和粘度的影响在其他条件不变时，金属液的表面张力愈大，粉末成球形的愈多，粉末粒度也较粗；相反，金属液的表面张力小时，液滴易变形，所得粉末多呈不规则形状，粒度也减小。减小金属的粘度，促进液滴球化。,2020/6/7,59,2）金属液过热温度的影响在雾化压力和喷嘴相同时，金属液过热温度愈高，细粉末产出率愈高，愈容易得球形粉末。,3-金属液温度1720oC,3-金属液温度1720oC,2020/6/7,60,3）金属液流股直径的影响当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多。,2020/6/7,61,（3）其他工艺因素1）喷射参数的影响金属液流长度、喷射长度、喷射顶角等对不同的体系，适当的喷射顶角一般都通过试验确定。2）聚粉装置参数的影响液滴飞行路程较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。,2020/6/7,62,2020/6/7,63,定义：利用机械力将金属或其它材料破碎制取末的方法。,1.7机械粉碎法,2020/6/7,64,机械法,2020/6/7,65,滚筒式,行星式,振动式,搅动式,机械法：球磨法,2020/6/7,66,滚筒式球磨：,可直接用来生产脆硬的金属或氧化物粉末；同时也能对还原法金属粉末结块、雾化粉末或电解粉末的结块进行处理。,2020/6/7,67,最简单的方法，最简单的设备，最有效有方法之一。也是能量效能利用率低的方法,能量利用率10%。,球,材料,球磨桶,仅需要,干,湿,影响球磨效果的因素factorstoinfluencemillingefficiency,a、球料比：一般粉末填满球体之间的间隙，装填系数0.4-0.5,b、球体直径：选择范围,c、研磨介质：空气、液体干磨湿磨（水,乙醇等）表面活性剂有利于裂纹扩展,2020/6/7,69,d、球磨筒的转速：n工=0.6n临界使球产生滚动研磨较细物料；如果物料较粗、性脆，需要冲击时，可选用n工=0.7-0.75n临界的转速。,e、装球量：一般球磨机的装填系数0.4-0.5为宜,脆性粉末破碎，延性粉末，Sm粉末极限研磨后的比表面积S0粉末研磨前的比表面积S粉末研磨后的表面积,t研磨时间,k常数氧化铝、氧化锆、炭化硅、钛、镍等都符合这种关系,f、物料的性质,2020/6/7,71,超细颗粒：粒径小于0.1m而必须用电子显微镜才能看见的颗粒。超细金属粉末：许多单个超细金属颗粒的聚合体。,1.8超细金属粉末及其制取,2