综合实验三 粉末冶金武汉工业学院

1、综合实验三 粉末冶金实验3.1 粉末冶金材料制备与检测实验指导书实验学时：6 实验类型：综合、设计型前修课程名称：材料工程基础适用专业：材料类本科生一. 实验目的通过粉末冶金方法制取钨铜合金的实习，使学生熟悉粉末冶金制取材料的工艺流程与特点，掌握原始粉末的分析、模压及冷等静压成型的具体操作与特点、产品烧结过程中温度、时间对产品性能的影响、多孔材料视比重与孔隙率的测定、以及排水法测定产品密度的方法；了解钨铜合金在军事和民用方面的应用及粉末冶金制取钨铜合金的一般方法。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末作为原料，经过成型与烧结，制取各类金属制品的一种工艺技术。粉末冶金工艺的基本工序包括：（1）制粉原

2、料金属粉末的制得；（2）成型将金属粉末制得一定形状和尺寸的压坯，并使之具有一定的密度和强度；（3）烧结即将坯料在主要组元熔点以下温度烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。粉末冶金具有以下特点：（1） 粉末冶金能生产普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料。如多孔材料、多孔含油轴承、难熔化合物与金属组成的硬质合金。（2） 粉末冶金制取某些材料与熔炼法相比，性能优越。如难熔金属使用熔炼法时晶粒粗、纯度低。（3） 粉末冶金制造机械零件是一种少切削、无切削的新工艺，可提高劳动生产率和原材料的利用率。粉末冶金材料和制品的应用范围十分广泛：从普通机械制造到精密仪器；从五金工艺到大型机械；从电子工业到电

3、机制造；从采矿到化工；从民用工业到军用工业；从一般技术到尖端高科技，都有粉末冶金的用武之地。钨铜合金是公认的三大金属钨制品之一（钨丝、钨杆；钨基重合金；钨铜、钨银）。钨铜合金是钨与铜所组成的既不互相固溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织，称之为“伪合金”（Pseudoalloy）。正是因为这一组织特点，使钨铜合金既具有钨的耐高温、高硬度、低膨胀系数等特性，又保留了铜的高的导热导电性、良好的塑性等特性，使钨铜合金具有良好的综合性能。钨铜合金在军事上广泛应用于固体火箭的喉衬喷口和燃气舵、电磁炮的导轨材料、反坦克武器的破甲弹药罩和军用电真空器件的封接材料；在民用方面，钨铜合金作为高压开关触

4、头材料、等离子加工、二氧化碳激光器和电火花加工电极、微电子器件中的基片、嵌块、连接件和散热元件以及微波屏蔽材料等。钨铜合金中钨的高熔点以及钨、铜的互不相溶性，决定了钨铜材料只能采用粉末冶金工艺制取。根据钨铜合金中铜的加入方式不同钨铜合金的制取工艺分为混粉烧结法和熔渗法，其中熔渗法能获得很高致密度的钨铜材料，应用较为普遍。二. 实验内容1. 粉末原料测定 2. 压制成形 3烧结 4. 渗铜三、实验步骤. 粉末原料分析1 粒度的测定（）。 度组成分析。 松装比重测定。. 压制成形1 成型前原料的准备在成形前，粉末中常常要添加一些改善成形过程的物质，即润滑剂和成形剂。这些物质在烧结过程中能挥发干净。

5、石蜡、合成橡胶、甘油、塑料以及硬脂酸或硬脂酸盐等是粉末冶金中常用的润滑剂和成形剂，添加量一般为粉末的15%（重量）。本实验中采用在钨粉中掺加精炼石蜡，加入量为钨粉的2%（重量）。步骤如下：称取钨粉5kg，平铺在不锈钢拖盘中。称取精炼石腊100g，均匀撒在钨粉上。将装钨粉的不锈钢拖盘放在烘箱中，缓慢升温到100120，保温5分钟。将上述钨粉从烘箱中取出，迅速搅拌均匀。待钨粉自然冷却到4050后，将粉末过40目筛，筛上物不要。将中筛下钨粉再过120目筛，筛下钨粉即为压制用钨粉。2 压制成形模压成形为了获得我们所设计的压坯密度和强度，一般有两种方法：即限位法和限压法。本实验采用限压法。实验步骤如下：

6、称取每件制品重量75.0g，倒入压模中。将压模放在液压机下，压制压力为2t/cm2。将压制好模具加上脱模环，将压坯从压模中脱出。冷等静压成型 实验步骤如下：将计算每件制品装粉重量。按钨粉理论密度60%计算。G=坯V=0.6理（2r2h）=1.2理r2h将称好钨粉装入压制模套中，用柱塞塞好模套口，并用铁丝捆扎好模套口。将装好钨粉模套放入液压缸中，盖好缸盖。启动等静压机，加压至200MPa，保压5分钟。卸下液压机压力，打开缸盖，取出压制件，将表面油擦试干净，解开铁丝，取出制品。（三）烧结1 成形剂脱除将模压坯块放在不锈钢舟皿中，如果堆放多层，层与层之间要用AL2O3砂隔开。将装好料舟皿放在氢气脱蜡

7、炉中。通氢，试爆鸣后，点燃炉中排出废气。启动加热电源，按工艺要求进行脱蜡处理。待炉体冷却后取出坯料。2 烧结将脱完蜡后的钨坯码放在中频感应烧结炉中，层与层之间要用Zr2O3砂分开。(2)通氢，试爆鸣后，点燃炉中排出废气。(3). 启动加热电源，按工艺要求进行烧结。(4). 待炉体冷却后取出坯料。(四). 渗铜1 每件制品所需Cu重量的计算根据测定的孔隙度，计算每件制品所需渗入Cu的理论重量，计算公式如下：mCu理论=8.92J孔mw/(1-J孔)19.3每件制品实际所需Cu的重量按下式计算： m实=1.1m理2 渗铜 实验步骤如下：. 称取上述重量Cu粉，将其压制成块状。. 将钨骨架码放在铺有

8、AL2O3粉的石墨舟中，将铜块放在钨骨架上，并用AL2O3将其保护好。. 将装好料的石墨舟放在渗铜炉中，关好炉门。. 通氢，试爆鸣后，点燃炉中排出废气。. 启动加热电源，按工艺要求进行渗铜。. 待炉体冷却后取出制品。四. 实验装置1、粉末粒度分布分析仪 2 、烘箱 3、电子天平 4、四柱液压机（100吨） 5、压制模具 6、 氢气脱蜡炉 7、中頻感应烧结炉 8、氢气渗铜炉 9、冷等静压机五、实验报告要求1、根据实验数据，计算粉末冶金多孔材料的视比重。2、根据实验数据，计算粉末冶金多孔材料的孔隙度。3、根据实验数据，计算W-Cu合金的渗铜量。实验3.2 无机纳米粉体的湿化学制备及其粒度表征实验学

9、时：6 实验类型：创新型前修课程名称：材料工程基础适用专业：材料类本科生一、实验目的1 溶胶凝胶法、高压水热法制备无机纳米粉体工艺的制定及操作；2 BET法测定纳米级粉体粒度的原理及操作；3 了解不同湿化学制备工艺及各工艺参数对纳米粒级的影响。二、概述无机粉体的湿化学制备由于其反应在分子级水平、反应条件相对温合、工艺参数易控，且所制备产物的粒级可调，由于上述的特点，湿化学法是制备窄级别颗粒乃至纳米颗粒粉体最有效、最便利、最精确的方法之一。目前可用于制备纳米无机粉体的化学方法主要有：沉淀法、溶胶凝胶法、喷雾法、水热法（高温水解法）、溶剂挥发法等。本次实验主要针对溶胶凝胶法、水热法（高温水解法）工

10、艺，来探讨不同的工艺方法对所合成无机纳米粉体的粒度特性的影响。法，是表征超细颗粒固体材料比表面积和孔结构的有效手段。而当所表征超细颗粒为实心球体时，可根据其所表征物料的比表面积计算相应的粒级直径，从而获得超细颗粒（纳米颗粒）的粒度，且BET是目前测定纳米级颗粒粒度最精确的方法之一。（一）溶胶凝胶法由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两者混合物经过水解缩聚过程，逐渐凝胶化及进行相应的后处理，获得氧化物或其它化合物粉体的湿化学反应制备新工艺，称为溶胶凝胶法。溶胶凝胶法的主要特点是利用液体化学试剂（或将粉状试剂溶于溶剂中）或溶胶为原料，反应物在液相下均匀混合并进行反应，反应生成物是稳定的溶胶体系，

11、经放置一定时间转变为凝胶，其中含有大量液相，需借助（真空）蒸发除去液体介质，在再经低温煅烧即可得到所需化合物纳米粉。主要优点是：工艺简单，反应过程易于控制，设备要求低；方法易于放大，适合制备从毫克级到公斤级（实验室至工业生产级别）的产物；产物纯度高，显微组织可调，能制备薄膜、纤维等结构；制备参杂范围宽（包括参杂种类和参杂量），组份精确控制，混合均匀（分子水平混合）。主要影响因素有：溶剂、PH值、反应物浓度、温度等。（二）高压水热法是通过在高温、高压条件下数种组分在水（水溶液）或水蒸气等流体中处于非理想平衡状态下，进行有关化学反应的一种工艺方法。水热法所制备的超细粉体最小可达数纳米水平。水热合成

12、由于其在高温高压条件 下进行，增加了反应物反应活性，可以制备在常温条件下难于制备的无机物；可使低溶点化合物、高蒸气压且不能在融体中持成的物质、高温分解相在水热低温条件下晶化生成；有利于生长出缺陷少、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高、易于控制产物晶体的粒度。其主要的影响因素有：溶剂相、反应pH值、反应温度、反应时间等。（三）BET粒度测试N2吸-脱附表征法，主要表现形式是N2吸附平衡等温线，是以压力比为横坐标，恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线。吸附平衡等温线的形状、强度与材料的孔组织结构有密切关系。根据IUPAC（国际纯粹化学与应用化学联合会）的分类，吸附平衡等温线可分为5

13、种不同类型（、）。型等温线代表微孔材料；型等温线多代表大孔材料；介孔材料多呈现型吸附平衡等温线，在较低的相对压力下发生的吸附主要是单分子层吸附，然后是多层吸附，至压力足以发生毛细管凝聚时，吸附等温线表现为一个突跃，介孔的孔径越大，毛细管凝聚发生的压力越高，之后则是外表面吸附；型等温线代表非孔材料；型等温线虽也反应中孔材料的特征，但吸附质与吸附剂的相互作用性质不同，出现情况较少。依据所测实心球体的吸附等到温线来计算物料的粒度组成。本次实验中所涉及的主要内容为：溶胶凝胶、高压水热法制备工艺数，如化学反应的pH、溶液浓度、反应温度、反应时间等对产物粒度的影响；BET的测试方法。三、实验步骤1. 每组

14、分成四个小组，其中两个小组进行溶胶凝胶工艺实验，两个小组进行水热合成工艺实验。2. 通过BET测试所制备无机粉体粒度特征性。四、实验设备及材料1. 化学试剂硝酸铈、氨水、草酸、硝酸铝、六次甲基四胺、蒸馏水、无水乙醇、液氮、N2气、He气2. 实验设备高压反应釜、电子天平、数字式酸度仪、磁力加热搅拌仪、控温仪、恒温水裕箱、可控温烘箱、可控温箱式电阻炉、循环水式多用真空泵、比表面测定仪以及玻璃仪器若干。五、实验报告要求1. 实验数据收集齐全，并对数据进行分析，对反常数据产生的原因进行说明； 2. 结合实验过程中的各种现象以及表象背后的变化和反应机理，比较两种方法所得粉体的不同之处。实验3.3 熔体

15、快淬法制备非晶、纳米晶实验学时：4 实验类型：创新型前修课程名称：材料工程基础适用专业：材料类本科生二、 实验目的1 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；2 了解不同快淬速度对材料的组织的影响；3 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。三、 概述熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。熔体快淬的冷速

16、极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼浇注成锭铸锭在带喷嘴的试管中再熔化熔化喷射高速旋转的冷却辊固化薄带和辊分离收集带子晶化退火（可省略）破碎制粉SPS烧结。熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快

17、淬法。本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.30.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。图2为快淬的薄带。如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。 图1 单辊快淬法制备NdFeB薄带 图2 NdFeB薄带图3 26m/s辊速快淬NdFeB薄带的TEM快淬工艺的制定包括

18、：1 熔液温度熔液温度升高，要得到同样厚度的快冷条带，冷却辊就必须吸收更多的热量，但是当冷却辊的结构一定时它的吸热能力也就是一定的，熔液温度是受到工艺操作的限制的，实际操作中要求熔融合金具有较好的流动性，也就是要求有一定的过热度，一般要求高于熔点100左右，熔液温度过低会因为流动性降低而改变熔潭形状使带变薄。总的看，首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，不至于因为温度的稍微下降而破坏正常的喷制过程。2 冷却速度及冷却辊作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。其冷却速度表如表1：表1 辊转速对应的线速度辊面线速度V (m/s)6101520253035404550辊转速 (r/min)3696169241232154018492157246527733082要求制造冷却辊的材料具有高的热传导系数、有尽可能高的硬度、与合金熔液有好的润湿性、容易加工和保持辊面较高的表面光洁度等性能。常用材料有纯铜、铜合金和钢。随着喷制次数的增加或一次喷制量的加大，冷却辊的温度不断升高，为了保证工艺参数的稳定，必须控制冷却辊的温度，这就需要采取对冷却辊强迫冷却的措施，实际应用中大多采用水内冷的冷却方式。冷却辊表面在喷制带的过程中会不断被站污、损伤，造成成品条带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷，影响带的质量，甚至成为废品。因此经常清理、修整使