中南大学粉末冶金原理课本重点

课程名称：粉末冶金粉末冶金科学第一章导言1粉末冶金技术的历史粉末冶金是以金属粉末(或非金属粉末混合物)为原料，通过成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零件的加工方法。粉末冶金不仅是一种新的材料加工技术，也是一种古老的技术。早在5000年前，粉末冶金技术的雏形就出现了。古埃及人用这种方法制造铁器。1700年前，印度人用类似的方法制造了一个6.5T的“DELI柱”(含硅铁合金，具有良好的耐腐蚀性)。19世纪初，由于化学实验需要铂(如坩埚)，俄罗斯人和英国人通过粉末压制、烧结和热锻制造出致密的铂，这成为现代粉末冶金技术的基础。20世纪初，现代粉末冶金的发展源于爱迪生的长寿命白炽灯丝。钨丝的生产标志着粉末冶金技术的快速发展。1923年硬质合金的出现导致了机械加工的革命。20世纪30年代，铜基含油轴承被成功制造并广泛应用于汽车、纺织、航空、食品和其他工业部门。随后，铁基粉末冶金零件的生产在以低制造成本生产高性能零件方面发挥了粉末冶金的技术优势。20世纪40年代，在第二次世界大战期间，人们被要求开发先进的新材料(高温材料)，如金属陶瓷和弥散强化合金，作为飞机发动机的关键部件。战后，人们被迫开发性能更高的新材料，如粉末高速钢、粉末高温合金和高强度铁基粉末冶金零件(热锻)。粉末冶金零件和材料的应用领域大大扩展。粉末冶金在新材料开发方面有其独特的技术优势。2粉末冶金工艺粉末冶金技术的一般过程如下：原料粉末添加剂(合金元素粉末、润滑剂、成型剂)成型(模压、CIP、泥浆浇注、滚压、挤压、温压、注射成型等。)烧结(压力烧结、热压、热等)。)粉末冶金材料或粉末冶金零件-后续处理图1-1粉末冶金技术典型工艺流程图3粉末冶金技术的特点生产成本低：能耗低、生产率高、材料利用率高、设备投资少。工艺流程短，加工温度低，加工工序少切割，无切割。柔性材料成分设计和可控微观结构(由工艺特性决定):它可以生产普通熔炼方法无法生产的材料，如钨铜、二氧化锡银、碳化钨钴、铜石墨、金属陶瓷(碳化钛镍、三氧化二铝镍或铜、钛铜等)。)、弥散强化材料(Al2O3-Cu Al2O3-Al、Y2O3-铁基合金)、粉末高温合金(非相图成分)、难熔金属及其合金如钨和钼、含油、过滤材料等。高性能：粉末高速钢和粉末高温合金无成分偏析，组织稳定(晶粒细小)，性能优于熔炼法制备的合金。纳米材料、金属陶瓷梯度复合材料(梯度硬质合金)。主要缺陷：由于设备能力的限制，用传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零件的尺寸小于其它加工方法(铸造、机械加工等)。)；材料的韧性不高；零件的形状复杂性和综合机械性能是有限的。新的成形技术(如无模成形技术、温压成形和注射成形)正在逐步克服这一问题。4粉末冶金材料和零件的应用粉末冶金材料及其部件被广泛用于国民经济的各个部门，因为它们的成本低于通过其他加工方法制造的部件，并且它们的性能满足特殊要求。例如：汽车制造业的各种粉末冶金零件；机械加工工业用硬质合金和粉末高速钢刀具：电子工业用粉末冶金磁性材料和电触头：计算机原始组件的电子包装材料；机械制造业的减磨零件和结构零件家用电器中的微型轴承；原子能材料；武器系统和作战平台(高效率和低成本)；建筑材料工业用金刚石工具和材料。环保和化学催化剂及过滤装置。总之，粉末冶金材料与人民生活息息相关，在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。此外，随着粉末冶金新技术、新工艺的开发和应用，粉末冶金的技术优势更加明显，应用领域不断扩大。例如，温压技术的出现将粉末冶金零件在汽车上的应用水平从13.2公斤/车提高到22公斤/车，大大扩展了粉末冶金零件的应用范围。5粉末冶金的未来发展大量高性能铁基粉末冶金结构件的开发与应用。全致密高性能均匀结构耐火材料的开发与应用非平衡材料。特种新材料(纳米复合材料、梯度复合材料)的开发与应用新型成型和烧结技术的发展计算机仿真技术的应用6粉末冶金技术与其他材料加工技术的关系粉末冶金作为一种加工方法，主要弥补了其他加工技术在成本和性能方面的不足。与其他加工技术一样，它属于材料科学和工程的范畴，为人类社会的文明和进步提供了物质基础。尤其是粉末冶金技术，由于其在新材料研究和开发方面的独特技术优势，将继续发挥主导作用。第二章粉体性能及测试方法介绍1粉末和粉末性质1粉末颗粒和粉末体的概念传统上，人们根据分散程度将天然固体分为三类，即致密体(1毫米)、粉体(0.1微米-1毫米)和胶体颗粒(0.1微米)。然而，随着纳米技术的发展，现在看来这种分类方法存在严重的缺陷。换句话说，超细粒子和纳米粒子都属于粉末的范围。粉末颗粒是指组成粉末体的最小单位或个体。它们被简单地称为粒子。粉体是由粒径小于1毫米的颗粒和颗粒间孔隙组成的聚集体。流动性：因为粉末颗粒之间的相互作用力比普通固体中原子之间的作用力低得多可压缩性：由于颗粒之间存在大量孔隙，所以它也是可压缩的。单个粉末颗粒可以是单晶颗粒或多晶颗粒。主要取决于粉末制备方法和制备工艺条件、颗粒尺寸和颗粒的结晶特征。2粉末颗粒的性质2.1粒子的聚集状态由于细粉末颗粒具有发达的表面积和靠近颗粒表面的高原子活性，在粉末颗粒中出现一些聚集现象。单个粒子：独立存在的单个粒子称为单个粒子(粉末中最小的可以分离并独立存在的实体称为单个粒子)。粗粉末通常以单一颗粒的形式存在。初级粒子：第一个不能独立存在的粒子，只有当它聚集成次级粒子时才能独立存在。次级粒子：由两个以上的初级粒子结合在一起的聚集粒子，但不容易分离，可以独立存在，称为次级粒子。如果它能被分离，它就变成一个单一的粒子。细粉末由于其发达的表面而结合在一起，并且通常以二次粒子的形式存在。初级粒子通常不能单独存在，而是聚集在一起。聚集的力量主要是体力，而不是加强科学和健康的结合。初级粒度测定：惰性气体表面吸附法二次粒度测定：x射线，光学显微镜，透射电镜，扫描电镜，光散射聚集物):是通过范德华力结合单个颗粒或次级颗粒形成的聚集颗粒。絮凝):液体介质中较软的聚集颗粒，由单个颗粒或次级颗粒组合而成。致密体：颗粒之间没有肉眼可见的孔隙，这些孔隙是通过原子间的键力连接起来的。粉末：颗粒间有许多小孔，结合面很小粉末颗粒的表面形态通常是不均匀的，即使它是通过机械粉碎方法制备的陶瓷粉末。理论上，在冲击载荷下，粗颗粒将沿某一晶面裂开并形成平坦的断裂面。然而，由于应力状态的复杂性，解理面并不沿着同一晶面前进，而是穿过多个晶面，导致颗粒表面不均匀。然而，对于用普通金属粉末制备方法制备的粉末颗粒，由于优先成核和生长的客观条件，容易形成不均匀和不发达的完整表面。2.3内部结构大多数粉末颗粒为多晶结构，粉末颗粒内部存在许多缺陷，如空位、位错、晶格弯曲等。以及毛孔、裂缝等。还有夹杂物(在还原粉末中更为突出)。3粉末特性粉末性质包括物理性质(颗粒密度、熔点、显微硬度等)。)、几何性质(颗粒形状、颗粒尺寸及其组成)、化学性质和技术性质(堆积密度、流动性、可压缩性、可成型性和烧结性质)。特别地，粉末的工艺性能由前三种粉末的性能控制。3.1粉末的物理性质3.1.1颗粒密度材料的理论密度是非多孔密度，通常不能代表颗粒密度。这主要是因为大多数粉碎方法制备的粉末颗粒含有孔隙(开放或封闭的孔隙)和裂缝。通常用两种方法来表示粒子的密度。无孔密度是固体材料的理论密度。除了一些不同晶型的物质(碳、氧化锆、氧化铝、碳化硅等)。)，其他物质的粉末颗粒的真实密度与其理论密度相同。(颗粒质量除以颗粒体积的商，不包括开孔和闭孔)有效颗粒密度是每单位体积的粉末颗粒质量。考虑颗粒中存在的封闭孔的体积。显然，它小于粒子的真实密度。精确测量粉末颗粒的有效密度几乎是不可能的。一般来说，比重瓶法是用来确定其近似值的，所以它也被称为比重瓶密度。(即相似密度的D2)D2=(F2-F1)/V-(F3-F2)/D液体F1:比重瓶重量F2:比重瓶重量含粉末F3:粉末填充液体比重瓶总重量V=(F3-F2)/D液体粉末体积F3-F2液体重量，F3-F2/D液体体积d液体(水)=1形状系数：表示实际粉末与球形的偏离程度；两者的表面形状因子、体积形状因子和比率形状因子；S=fD2 V=kD3F:表面形状系数k:体积形状系数，比率m=f/k比率形状因子，例如，规则球体： S=D2，V=(1/6)D3表面形状因子为，体积形状因子为/6，具体形状因子为6。m=6。边长为a的规则立方体，表面积等于6a2，体积等于a3，f=6，k=1，m=6；形状越复杂，表面越发达，表面积越大，比形状因子值越大。树枝状粉末的特定形状因子m为12-18，薄片形状为80，角度形状m=10对于任何其他形状的粒子，F/K大于6；此外，形状越规则，颗粒的表面积越发达，比形状因子越大。3.1.2显微硬度粉末颗粒的显微硬度主要取决于构成固体物质的原子之间的结合力、加工硬化程度和纯度，这决定了粉末的可压缩性。后两者主要由粉末制备方法控制。例如，通过采用适当的退火工艺来消除加工硬化并降低还原铁粉颗粒中的氧和碳含量，可以降低还原铁粉颗粒的显微硬度。通常，粉末的强度越高，硬度越高。混合粉末的强度低于合金粉末的硬度。合金化可以强化金属，增加硬度。不同的方法产生相同的金属粉末，显微硬度不同。粉末纯度越高，硬度越低。粉末退火后硬度降低，以减少加工硬化、氧、碳和其他杂质。颗粒的显微硬度值在很大程度上取决于po中各种杂质和合金成分的含量3.3.3粉末颗粒的熔点对于粉末冶金用的普通金属粉末，粉末颗粒的熔点与固体的熔点几乎相同。然而，当粉末颗粒的尺寸非常小时，颗粒的熔点大大降低。例如，10纳米大小的纳米银粉的熔点只有97。3.2粒子形状粒子形状一般分为两类，即规则形状和不规则形状的粒子。这主要取决于粉末的制造方法。具体关系如下：球形颗粒-气相沉积、液相沉积；近球形-气体雾化，溶液置换；片状机械研磨；多边形-机械破碎；树枝状电解法；多孔海绵状还原法；不规则形状-水雾化、机械粉碎、化学沉积严格地说，所谓的规则粒子是指可以被现有数学工具准确描述的粒子。然而，颗粒形状通常指由粉末颗粒的轮廓投影的形状。然而，迄今为止，颗粒形状的表征仍然是一项非常困难的任务。因此，当表征粉末的粒度时，只能给出非常粗略的表达式。一些典型的粉末颗粒如图所示。(附后)目前，对粒子形状的描述仅限于定性分析，即通过参考人们所知的自然界中物体的形状来表达。颗粒形状的观察通常采用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜作为分析手段。2粒度及其分布1粒径以毫米或微米表示的粒径称为粒径，即简单的粒径或粒径。传统上，粉末颗粒的尺寸(即粉末颗粒尺寸)通过一维尺寸来测量，一维尺寸大致代表粉末颗粒的细度，单位为微米或毫米。一般来说，粒度是指粒度。粉末的粒度反映了颗粒形状的一定尺寸。粒度的具体值与粉末颗粒的形状和粉末粒度的分析方法有关。这是因为具体的测试方法是基于对粉末颗粒形状的某些假设。例如，筛析指的是筛目尺寸；光学显微镜或扫描电子显微镜代表一定尺寸的颗粒投影，即取向直径。沉降分析，等效粒径或等效球径比表面积法。投影直径：DA=(4A/)1/2(使粒子的投影面积a等于直径为DA的球形粒子的面积)等体积球形直径：Dv=(6V/)1/3(使颗粒体积v等于球形颗粒直径的体积)表面直径：Dsp=(S/)1/2(使颗粒的表面积S等于球形颗粒的表面积)比表面直径：Dsv=6/Sv=6V/S前三种表示都是基于对粒子形状的不同假设，不能相互转换，几何意义也不明显。