金属材料的制备-3-粉末冶金

1、金属材料的制备金属材料的制备1、金属材料简介2、金属的冶炼3、快速凝固4、粉末冶金 概述 粉末制备技术 粉末的性能 压制成形 烧结5、喷射成形6、非晶合金概述概述概述概述 粉末冶金粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末与是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的非金属粉末的混合物混合物作为原料，经过作为原料，经过成形成形和和烧结烧结制造金属材料、复合材料以及各类型制制造金属材料、复合材料以及各类型制品的工艺过程。品的工艺过程。 概述概述概述概述概述概述概述概述粉末制备技术粉末制备技术1）球磨法）球磨法球磨过程需要适宜的转速1）球磨法）球磨法球磨的转速球磨的转速球磨的转速球磨的转速球磨时间球磨时间球磨介质

2、球磨介质球料比球料比球磨气氛球磨气氛球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段球磨过程中合金化的五个阶段合金化的微观机理合金化的微观机理合金化的微观机理合金化的微观机理合金化的微观机理合金化的微观机理2）雾化法）雾化法粉末的性能粉末的性能1）颗粒形状）颗粒形状粉末的性能粉末的性能1）颗粒形状）颗粒形状粉末的性能粉末的性能1）颗粒形状）颗粒形状粉末的性能粉末的性能1）颗粒形状）颗粒形状粉末的性能粉末的性能2）颗粒密度）颗粒密度 a.真密度：粉末质量与除去开孔和闭孔体积的粉末体积的比值，是材料的理论密度； b.

3、假密度（有效密度）：粉末质量与包括闭孔在内的粉末体积的比值，假设没有开孔； c.表观密度：松装密度、震实密度。粉末的性能粉末的性能3）松装密度）松装密度自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的粘附力、相自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的粘附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度、对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度和粒度组成等因素。粉末的粒度和粒度组成等因素。粉末的性能粉末的性能3）松装密度）松装密度A、粉末颗粒形状愈规则，其松装密度就愈大；颗粒、粉末颗粒形状愈规则，其松装密度就愈

4、大；颗粒表面愈光滑，松装密度也愈大表面愈光滑，松装密度也愈大.粉末的性能粉末的性能3）松装密度）松装密度B、粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大。细粉末形成、粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大。细粉末形成拱桥和互相粘结防碍了颗粒相互移动，故粉末的松装密拱桥和互相粘结防碍了颗粒相互移动，故粉末的松装密度减少。度减少。粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低。当粗细粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低。当粗细粉末按一定比例混合均匀后，可获得最大松装密度。粉末按一定比例混合均匀后，可获得最大松装密度。粉末的性能粉末的性能4）流动性）流动性粉末的流动性指50g粉末从标准流速漏斗流出所需的时间，单位为s/

5、50g，其倒数是单位时间流出粉末的质量，称为流速。意义 粉末流动性影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能-制粒工序, 改善流动性; 影响因素: 颗粒间的摩擦 形状复杂，表面粗糙，流动性差; 理论密度增加，比重大，流动性增加 粒度组成，细粉增加 ,流动性变差; 如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好； 颗粒密度不变，相对密度的增大会使流动性提高; 如 Al粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差; 同松装密度一样流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体, 加入成形剂减低粉末的流动性;粉末的性能粉末的性能5）压缩性）压

6、缩性定义:压缩性指粉末在规定的压制条件下被压紧的能力影响因素影响因素: a 加工硬化，压缩性能差； b 粉末形状不规则，压缩性能差； c 空隙增加，压缩性差粉末的性能粉末的性能6）成形性）成形性成形性指粉末压制后，坯块保持原有形状的能力。用坯块横向断裂强度表示。成形性测定：成形性测定：将压制好的样品在特定条件下作横向弯曲试验，样品断裂时施加的力对应的强度。压制成形压制成形压制成形压制成形压制成形压制成形 成形：成形：压制过程中，因粉末颗粒形状不同，有滑动、移动，随着力的增加，颗粒之间还会机械地啮合在一起，有时粉末表面相互磨损，将粉末表面的氧化物或杂质膜破坏，出现清洁的粉末表面，黏附在一起，使坯

7、块具有所需的密度和强度。 a.普通模压法：将粉末装在模具内，用压机将其成形； b.特殊方法：等静压成形、连续成形、无压成形等。压制成形压制成形压制成形压制成形 金属粉末退火的目的：金属粉末退火的目的： a.氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度； b.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构； c.防止超细粉末自燃，将其表面钝化。 加工产品退火的目的：加工产品退火的目的： a.降低硬度，改善切削加工性； b.消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； c.细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。熔退）（TT6 . 05 . 01）退火）退火压制成形压制成形2）筛分）筛分把颗粒大小不同的原

8、始粉末进行分级。3）混合）混合指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。有时，为了 需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这称为合批。压制成形压制成形4）制粒）制粒是将小颗粒制成大颗粒或团粒的工序。目的：改善流动性。方法：圆筒制粒机、圆盘制粒机、擦筛机。5）成型剂、润滑剂）成型剂、润滑剂(1)(1)成形剂成形剂：为提高压坯强度或防止粉末混合料离析，在烧结前或烧结时该物质被除掉，有时也叫粘结剂，如硬脂酸锌、合成橡胶、石蜡等。铁、铜基零件：硬脂酸锌 硬质合金：石蜡、合成橡胶、聚乙烯醇、乙二醇等。(2)(2)润滑剂：润滑剂：为了降低成形时粉末颗粒与模壁和模冲间摩擦、改善压坯的密度分布、减

9、少压模磨损和有利于脱模。 如石墨粉、硫磺粉。选择成形剂、润滑剂的基本条件选择成形剂、润滑剂的基本条件 u有较好的粘结性和润滑性能，在混合粉末中容易均匀分散，且不发生化学变化。u加热时，从压坯中容易呈气态排出，并且这种气体不影响发热元件、耐火材料的寿命。5）成型剂、润滑剂）成型剂、润滑剂压制成形机理压制成形机理 a. a. 拱桥效应：粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，原因是实际粉料不是球形，加上表面粗糙以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应。 b.b.粉末的变形粉末的变形粉末体受压后体积明显减小，除第一阶段的位移外，又发生变形。变

10、形有弹性变形和塑性变形。弹性变形弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。塑性变形：塑性变形：物质-包括流体及固体在一定的条件下,在外力的作用下产生形变,当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。c.c.脆性断裂脆性断裂当施加的压力超过强度极限后，粉末颗粒碎裂成更小的碎片，使粉末接触更加紧密。 压制成形机理压制成形机理1、粉末颗粒发生位移，填充孔隙，此阶段又称为滑动阶段。2、密度几乎不变密度已达到一定值，粉末体出现了一定的压缩阻力，虽然加大压力，但孔隙度不能减少。3、压坯密度又随之增加。成

11、形压力超过粉末的临界应力后，粉末颗粒开始变形。虚线部分的含义，会带来什么样的后果？压制成形机理压制成形机理弹性后效。当坯块脱模时中间停顿、坯块脱出部分产生弹性膨胀，而未脱出部分仍受到压缩，产生压应力，致使痞块产生裂纹。压制成形压制成形压制成形压制成形压坯密度分布不均匀的现象压坯密度分布不均匀的现象沿箭头方向密度降低沿箭头方向密度降低密度变化规律密度变化规律 密度分布不均匀的后果：密度分布不均匀的后果： 不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等；不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等； 烧结收缩不均匀烧结收缩不均匀, ,导致变形等；导致变形等； 性能不均匀！性能不均匀！等静压成形等静压

12、成形等静压的一般特点等静压的一般特点 压坯形状、尺寸范围大，尤大尺寸、形状复杂压坯或制品；压坯形状、尺寸范围大，尤大尺寸、形状复杂压坯或制品； 压坯密度高且均匀压坯密度高且均匀 成形粉末广，尤难熔金属化合物、陶瓷、高合金钢等成形粉末广，尤难熔金属化合物、陶瓷、高合金钢等 工艺简单，可不加润滑剂工艺简单，可不加润滑剂 不足之处：不足之处： a）制品表面质量较差；）制品表面质量较差； b）生产效率较低；）生产效率较低； c）模具寿命短；）模具寿命短； d）设备投资较大）设备投资较大三、三、热等静压热等静压HIPHIP 定义：定义：高温下，粉末或压坯装于包套中，在高压容器高温下，粉末或压坯装于包套中

13、，在高压容器 内，以气体为传压介质，使粉末同时承受高温和等静内，以气体为传压介质，使粉末同时承受高温和等静 压力作用而获得致密材料或制品压力作用而获得致密材料或制品. 原理：原理：粉末体同时经受高温和高压的粉末体同时经受高温和高压的联合作用，联合作用， 强化了强化了压制和烧结过程；压制和烧结过程； 降低了降低了制品的烧结温度；制品的烧结温度； 改善了改善了制品的晶粒结构；制品的晶粒结构； 消除了消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙；材料内部颗粒间的缺陷和孔隙； 提高了提高了材料的致密度和强度。材料的致密度和强度。 热等静压热等静压包套材料包套材料 选择原则选择原则 可塑性和强度、热膨胀系数可塑性和

14、强度、热膨胀系数 不破裂和隔绝高压气体渗入不破裂和隔绝高压气体渗入 良好的可加工性和可焊接性良好的可加工性和可焊接性 不与粉末发生反应和造成污染不与粉末发生反应和造成污染 热等静压后易被除去热等静压后易被除去 成本低成本低 常用材料常用材料 中低碳钢：中低碳钢：适于粉末高速钢，适于粉末高速钢，1400 Ni：Ti，陶瓷，陶瓷，1430 不锈钢：不锈钢：不锈钢，不锈钢，1350 铅铅-碱玻璃：碱玻璃：金属，陶瓷，金属，陶瓷， 多晶烧结多晶烧结体的晶界自由焓体的晶界自由焓粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料高的表面能，即使在加

15、压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统的表面发地向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。能减少。molGm/mol200G -/g1 G 1几万卡几万卡一般化学反应一般化学反应卡卡石英石英卡卡材料烧结材料烧结 结论结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比，：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比， 很小，因而不能自发进行很小，因而不能自发进行，必须加热必须加热! !* * 烧结能否自发进行？烧结能否自发进行？表面能晶界能SVGB例例：

16、AlAl2 2O O3 3 : : 两者差别较大，易烧结；两者差别较大，易烧结； 共价化合物如共价化合物如Si Si3 3N N4 4、SiCSiC、AlNAlN 难烧结。难烧结。* *烧结难易程度的判断：烧结难易程度的判断：比值愈小愈易烧结，反之难烧比值愈小愈易烧结，反之难烧 结。结。1）烧结的基本原理）烧结的基本原理II 中间阶段接触面(烧结颈)长大阶段.原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙大量消失。这一阶段开始出现再结晶，颗粒表面氧化物被还原。密度、强度主要在这一阶段得到提高。1）烧结的基本原理）烧结的基本原理II 中间阶段接触面(烧结颈)长大阶段 再结晶的形核点，

17、主要位再结晶的形核点，主要位于颗粒的接触点或接触面于颗粒的接触点或接触面上。形核后的晶粒长大是上。形核后的晶粒长大是通过吸收形变过的颗粒基通过吸收形变过的颗粒基体来进行的，可以使晶界体来进行的，可以使晶界由一个颗粒向另一个颗粒由一个颗粒向另一个颗粒移动。移动。1）烧结的基本原理）烧结的基本原理III 最终阶段闭孔隙球化和缩小阶段。多数孔隙被分离使闭孔隙数量增加，并不断球化和缩小。这一阶段由于小孔隙数量逐渐较少，烧结块缓慢收缩。 孔隙被分隔成一系列的小孔隙，最后发展成孔隙被分隔成一系列的小孔隙，最后发展成孤立孔隙并球化孤立孔隙并球化 处于晶界上的闭孔则有可能消失处于晶界上的闭孔则有可能消失 有的

18、则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成为晶内孔隙，并充分球化为晶内孔隙，并充分球化.闭孔隙的形成和球化减小残留孔径的措施减小残留孔径的措施 减小气氛压力（如真空）减小气氛压力（如真空） 细粉末与粒度组成，较高的压制压力细粉末与粒度组成，较高的压制压力 提高提高（活化）（活化）2）烧结过程中的物质迁移）烧结过程中的物质迁移* *表面扩散：表面扩散：球表面层原球表面层原子向颈部扩散。子向颈部扩散。* *蒸发蒸发- -凝聚：凝聚：表面层原子表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差向空间蒸发，借蒸汽压差通过气相向颈部空间扩通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部。散，沉积在颈部。2

19、）烧结过程中的物质迁移）烧结过程中的物质迁移物质从正蒸汽压的凸表面处蒸发，通过气相传质到呈负蒸汽压的凹处表面（如烧结颗粒的颈部）处凝聚，颈部逐渐被填充，导致颈部逐渐长大。2）烧结过程中的物质迁移）烧结过程中的物质迁移塑性流动：塑性流动：大于物质的屈服强度时，发生塑性变形，导大于物质的屈服强度时，发生塑性变形，导致物质向颈部迁移。致物质向颈部迁移。晶界扩散晶界扩散体积扩散体积扩散错管道扩散错管道扩散2）烧结过程中的物质迁移）烧结过程中的物质迁移塑性流动塑性流动(plastic flow)(plastic flow)：烧结烧结温度接近物质熔点，当颈部的温度接近物质熔点，当颈部的拉伸应力大于物质的屈

20、服强度拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑性变形，导致物质时，发生塑性变形，导致物质向颈部迁移。向颈部迁移。2）烧结过程中的物质迁移）烧结过程中的物质迁移晶界扩散晶界扩散空位扩散空位扩散3）晶粒的演变）晶粒的演变晶界的迁移晶界的迁移A AB BA AB B晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相的阻碍，晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相的阻碍，其移动可能出现三种情况：其移动可能出现三种情况：1 1）驱动力较小，晶界移动被气孔或杂质所阻）驱动力较小，晶界移动被气孔或杂质所阻挡，晶粒正常长大停止。挡，晶粒正常长大停止。2 2）驱动力一般，晶界带动气孔或杂质继续移）驱动力一般，晶界带动气孔或杂质继续移动，

21、这时气孔利用晶界的快速通道排除，坯体动，这时气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。不断致密。3 3）驱动力较大，晶界越过气孔，把气孔或杂质）驱动力较大，晶界越过气孔，把气孔或杂质包裹在晶粒内部，致密度不再增加。将出现二包裹在晶粒内部，致密度不再增加。将出现二次再结晶现象。次再结晶现象。 3）晶粒的演变）晶粒的演变(A) V(A) V晶界晶界 V V气孔气孔气孔通过空位气孔通过空位传递而汇集或传递而汇集或消失。实现烧消失。实现烧结体的致密化。结体的致密化。于烧结体致密于烧结体致密化不利。化不利。3）晶粒的演变）晶粒的演变当当V V晶界晶界=V=V气孔气孔时，时， 要严格控制温度。要严格控制温度。3）晶粒的演变）晶粒的演变晶粒异常长大的根源：晶粒异常长大的根源：控制温度控制温度( (抑制晶界移动速率抑制晶界移动速率) )；起始粉料粒度细而均匀；起始粉料粒度细而均匀；加入少量晶界移动抑制剂。加入少量晶界移动抑制剂。 起始粒度不均匀；起始粒度不均匀；烧结温度偏高；烧结温度偏高；烧结速率太快；烧结速率太快；成型压力不均匀；成型压力不均匀；局部有不均匀液相；局部有不均匀液相；起始粒度大小。起始粒度大小。采取措施：采取措施：3 6 10 30 60 1003 6 10 30