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第二讲第二讲 材料合成与制备材料合成与制备 课件下载： 密码：cailiao1234-粉末冶金方法 粉末冶金方法：第一章 粉末冶金概述 第二章 金属粉末的制取 第一章 概述（绪论）一、粉末冶金 定义 粉末冶金是制取金属粉末并用金属粉末（或金属粉末的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技术。粉末冶金零件 二、基本工艺 制粉 成形 烧结 1.制粉 以块状材料或化合物粉末等为原料，采用物理、化 学方法制取金属粉末。粉末颗粒：粒径介于0.1m1mm的固体颗粒 2.成形 压制金属粉末使其具有一定形状、尺寸、孔隙度、强度的坯块过程 3.烧结 粉末或压坯在低于主要组分熔点温度一下的加热处 理，过程为粉末颗粒之间的粘结，使制品达到所需的 性能。特点：1.经济：效率高、成本低 2.性能优越：无偏析、晶粒细小等。例如：粉末超合金（高温合金）可避免成分的偏析；粉末高速钢，其性能比熔铸法生产的好，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，具有细晶粒组织，使热加工性大为改善 3.工艺和设备简单 但另一方面，粉末冶金制品的材料成本相对较高，它的尺寸、形状受限制，不适于单件或小批量生产。三、应用 航空航天航空航天 电子行业电子行业 汽车汽车 军用器械军用器械 生物材料生物材料 体育运动体育运动 食品食品 火箭中的耐热部件、发动机组以及涡轮片等重要部件均采用粉末冶金方法制备 航天飞机航天飞机 航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再进入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器，粉末冶金方法为其重要的材料制备方法之一。电子封装材料 各向异性各向异性NdFeB粘结磁体粘结磁体 AlN支架支架 电子行业电子行业 军工 Fe-Ni合金枪保险栓和机心2000年获奖产品 Fe-Ni合金手枪零件 节省成本40%集束箭弹小箭集束箭弹小箭 钨基合金箭头钨基合金箭头 铁基合金尾翼铁基合金尾翼 霰弹枪 军用器械军用器械 高尔夫球杆 第二章 粉末的制取 一、概述 粉末冶金技术的三部曲：制粉、成形、烧结!粉末制备是一切粉末冶金技术的基础，如果没有粉末制备技术，相当于无米之炊！1 什么是粉末？粉末冶金制品或材料，同制成它们的粉末一样属于固态物质，而且化学成分和基本的物理性质（材料的熔点，密度和显微硬度）也相近，但是就分散性和内部颗粒的联结性质而言，是不一样的，因而按分散程度不同，把固态物质分成致密体、粉末体和胶体致密体、粉末体和胶体三类。致密体：1 mm；晶粒之间没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联结。胶体：0.1m；粉末体：0.1m 1 mm。其粒大小在1mm0.1mm（微米）之间，颗粒之间有许多的小孔隙，而且联结面很小，面上的原子间不能形成强的键力。因此粉末体不像致密体那样具有固定的形状，而表现为与液体相似的流动性，然而由于颗粒间相对移动时存在摩擦，粉末流动性又是有限度的简称粉末：是指由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集粉末：是指由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体合体。胶体微粒：其大小在0.1微米以下，微小的颗粒之间的距离更大，置于溶液中能悬浮液溶胶体，仅存在类似分子布朗运动引起的粒子间不规则的碰撞，而因联结力是极微弱的。粉末冶金用的原料粉末基本上是在粉末体的范围内，但是在特殊情况下也用毫米级以上的粗颗粒。同时，0.1微米以下的超细粉末的应用也日渐增加。粉末体是由大量的颗粒组成。下面介绍什么是粉末颗粒。粉末颗粒 粉末中能分开并独立存在的最小实体，称为单颗粒。颗粒与邻近的颗粒粘附，有时是很紧密的，有时是很脆弱的。单颗粒可能是单晶（的）颗粒，但大多为多晶颗粒，晶粒间不存在宏观空隙。2 粉末性能 化学成分：各种元素的含量及杂质含量。物理性能：形状、粒度、粒度分布 颗粒密度、硬度、光学、声学、电学、磁学、热学性能 熔点、蒸汽压、比热容 工艺性能：松装密度、振实密度、流动性、压缩性、成形性 1 1 化学性能化学性能 粉末的化学性能包括化学成分，主要是金属的含粉末的化学性能包括化学成分，主要是金属的含量和杂质的含量。杂质主要指：量和杂质的含量。杂质主要指：（1 1）主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或）主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的非金属成分，如还原铁粉中的SiSi、MnMn、C C、S S、P P、O O等。等。（2 2）从原料和从粉末生产过程中水进的机械夹杂，）从原料和从粉末生产过程中水进的机械夹杂，如如 硅酸盐，难熔金属或碳化物等酸不溶物。硅酸盐，难熔金属或碳化物等酸不溶物。（3 3）粉末表面吸附的氧，水汽和其它气体制粉工艺）粉末表面吸附的氧，水汽和其它气体制粉工艺水进来的杂质有：水溶液电解粉末中的氢、气体水进来的杂质有：水溶液电解粉末中的氢、气体还原粉末中溶解碳，氮或氢，羰基粉末中溶解的还原粉末中溶解碳，氮或氢，羰基粉末中溶解的碳等。碳等。2 2 物理性能物理性能 粉末的物理性能主要包括：粉末的物理性能主要包括：颗粒形状，颗粒大小和颗粒形状，颗粒大小和粒度组成，比表面积，颗粒密度，显微硬度，光学粒度组成，比表面积，颗粒密度，显微硬度，光学和电学性质，溶点，比热，蒸气压等热学性质和电学性质，溶点，比热，蒸气压等热学性质，由，由颗粒内部结构决定的颗粒内部结构决定的X X射线，电子射线的反射和衍射线，电子射线的反射和衍射性质，磁学与半导体性质等。射性质，磁学与半导体性质等。颗粒形状：颗粒形状：是指粉末颗粒的几何形状，将粉末试样是指粉末颗粒的几何形状，将粉末试样均匀分散在破璃片上，用放大锐或各式显微镜观察均匀分散在破璃片上，用放大锐或各式显微镜观察，可发现粉末的单颗粒具有相似的形态（样子），可发现粉末的单颗粒具有相似的形态（样子），颗粒形状主要由粉末的生产方法决定，同时也与物颗粒形状主要由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶因素有关。质的分子或原子排列的结晶因素有关。颗粒形态颗粒形态 规则形态：颗粒的外形或结构规则。规则形态：颗粒的外形或结构规则。不规则形态：外形与结构难以用几何参数表征。不规则形态：外形与结构难以用几何参数表征。颗粒形状与粉末生产方法的关系颗粒形状与粉末生产方法的关系 颗粒形状颗粒形状 粉末生产方法粉末生产方法 a a球形球形 氢相沉积，液相沉积，氢体雾化，羰基粉末氢相沉积，液相沉积，氢体雾化，羰基粉末 b b近球形近球形 气体雾化，（水治法）置换溶液气体雾化，（水治法）置换溶液 c c片状片状 塑性金属机械研磨塑性金属机械研磨 d d多角形多角形 机械粉碎机械粉碎 e e树枝状树枝状 水溶液电解水溶液电解 f f不规则形不规则形 水雾化水雾化 g g多孔海绵状多孔海绵状 金属氧化物还原金属氧化物还原 h h碟状（盘状）碟状（盘状）金属涡旋研磨粉末金属涡旋研磨粉末 粉末形状粉末形状 不规则形状 球形粉末 3 工艺性能 松装密度：松装密度：粉末颗粒自然地充填规定的容器时，单位容积粉末颗粒自然地充填规定的容器时，单位容积内自由松装粉末的质量。内自由松装粉末的质量。振实密度振实密度：是在振动或敲击之下，粉末紧密充填规定容积：是在振动或敲击之下，粉末紧密充填规定容积后，所测得的密度。适用于后，所测得的密度。适用于 克克/cm3/cm3，难熔金属及化合物，难熔金属及化合物，比松装密度高，比松装密度高2020-50%50%。流动性：流动性：5050克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间,单单位秒位秒/50/50克克 压缩性：压缩性：粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位压力下，粉末所达到的压坯密度表示。或者用在坯密度随压力下，粉末所达到的压坯密度表示。或者用在坯密度随压制压力变化的曲线图表示。压制压力变化的曲线图表示。成形性：成形性：粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末能够成形的最小单位压力表示。或用压坯强度来衡量。能够成形的最小单位压力表示。或用压坯强度来衡量。粉末粒度与粒度分布：粉末粒度与粒度分布：一筛：一筛：泰勒筛制，表示方法：100 目 200目 目数以1英寸（25.4mm）长度上的网孔数计，对应 一定粒度，如100200目对应74147m。二看：二看：用显微镜或电镜直接观测，统计一定数量粉末并 计算平均粒径。三测：三测：比表面：1g 粉末所具有的总表面积（m2/g）通过比表面积计算名义粒径：d=6/(S)m 激光粒度 小角度X射线散射 二、粉末分类 金属粉末 非金属粉末 化合物粉末 金属粉末 还原铁粉，灰色不规则粉末，用作含油轴承、机械结构零件等的粉末冶金 铜粉，浅玫瑰红树枝状或片状粉末，经特殊处理后抗氧化性较强，广泛用于硬质合金、金刚石工具、焊接电极、磨擦材料等粉末冶金制品，以及化学催化剂、导电油墨等。铝粉，银灰色粉末，用于金刚石工具、油漆和化学试剂等 钨粉，深灰色，喷涂用钨粉呈亮灰色，用于硬质合金、金刚石工具、高比重合金、钨铼热电偶原料、触头合金等 硅粉，灰色粉末，广 泛用于电子、金刚石 工具等行业 硼粉，黑色不定形粉 末，用于粉末冶金添加 剂和热喷涂等表面涂层 材料 非金属粉末 硒粉，无定形红色粉末，长 期储存变黑色，用于化工、冶金、玻璃工业、浮法玻 璃、镉红、电子工业、静 电复印等领域 碳粉，黑色粉末，用于制备 复合材料，表面涂覆、硬质 合金生产等领域。碳化钨粉，深灰色粉末，用于硬质合金、金刚石工 具、钻头和各种硬质合金 刀具 化合物粉末 二硅化钼粉，灰黑色粉末，用于电热涂层、耐热涂层、抗氧化保护涂层 三、粉末制备的本质 粉末形成是依靠能量传递到材料而制造新表面的过程，制造新的表面需要能量。这些能量一部分转化为材料颗粒的表面能 但大部分转化为热能散失掉了 将1m3的金属（表面积为6m2）制造成2108个 直径1m的球形颗粒，其表面积大约为6106m2。四、粉末制备方法分类 离心雾化粉液体金属气雾化水雾化二流雾化雾化法冷气流破碎脆金属制粉涡旋研磨机械研磨机械破碎机械法机械法：将原材料粉碎而不改变原材料的成分机械法：将原材料粉碎而不改变原材料的成分 粉）电腐蚀（金属合金粉）晶间腐蚀（不锈钢块电化学腐蚀法粉盐电解法：水溶液、熔盐盐液相沉淀：盐溶液、熔羰基物解离金属合金包覆蒸气压低的金属固相气相冷凝：气相（化学气相沉积）金属粉末气相金属卤化物气相金属热还原气相氢还原气相还原化合物、金属氧化物、化合法还原金属热还原气体还原碳还原还原法物理化学法 nCO MeMe(CO)n SiBNC CVDSiBNC物理化学法：借助物理、化学作用改变材料的物理化学法：借助物理、化学作用改变材料的 化学成分或聚集状态获得粉末化学成分或聚集状态获得粉末 机械破碎法 1.概念：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一种简单的操作工艺。既是一种独立的制粉方法，又常作为某些制粉方法中不可缺少的补充工序 例如：研磨电解法得到的硬而脆的阴极沉积物，研磨还原制得的海绵状金属块等，因此，机械粉碎法在粉末冶金生产中是很重要的一道工序。2.2.任务：任务：改善粒度、混料、合金化、改善性能，如流动改善粒度、混料、合金化、改善性能，如流动性、加工硬化。适用于：性、加工硬化。适用于：（1 1）用来粉碎脆性金属和合金，如锑、锰、铬）用来粉碎脆性金属和合金，如锑、锰、铬、高碳铁、铁合金等以及研磨还原海绵状金属、高碳铁、铁合金等以及研磨还原海绵状金属块或电解的阴极沉积物块或电解的阴极沉积物 （2 2）可以研磨经特殊处理赋于脆性的金属和合）可以研磨经特殊处理赋于脆性的金属和合金，例如研磨冷处理后的铅；研磨经氧化处理金，例如研磨冷处理后的铅；研磨经氧化处理的钛。的钛。3.3.分类分类 根据物料粉碎的最终程度，基本上可以分成根据物料粉碎的最终程度，基本上可以分成粗碎和细碎两类粗碎和细碎两类 粗碎设备粗碎设备 碾碎机；双辊滚碎机；鄂式破碎机等碾碎机；双辊滚碎机；鄂式破碎机等 （均属于压碾碎）（均属于压碾碎）细碎设备细碎设备 锤磨机；棒磨机；锤磨机；棒磨机；球磨机球磨机；振动球磨机；搅；振动球磨机；搅拌球磨机等（均属于以击碎）拌球磨机等（均属于以击碎）机械法：粉碎过程机械法：粉碎过程 粗碎粗碎 鄂式破碎机鄂式破碎机 中碎中碎 轮碾机轮碾机 细碎细碎 球磨、振动磨、气流粉碎等球磨、振动磨、气流粉碎等 1 1、球磨、球磨 作用：粉碎、混料作用：粉碎、混料 工作原理：工作原理：球磨机是一个旋转的圆筒球磨机是一个旋转的圆筒，筒内装有许多研筒内装有许多研磨体磨体，当球磨机旋转时当球磨机旋转时，筒内的研磨体将筒内的研磨体将跟着一道旋转跟着一道旋转，到一定高度后到一定高度后，就自由落就自由落下下，而将机筒内的物料击碎而将机筒内的物料击碎。同时研磨体在筒内还作相对滑动同时研磨体在筒内还作相对滑动，对物料对物料起研磨作用起研磨作用。球磨的基本规律 球磨粉碎物料主要取决于球和物料的运动状态 球和物料的运动又取决于球磨筒的转速、球和物料的运动。因而有三种基本情况：（1 1）球磨机转速慢）球磨机转速慢 球和物料沿筒体上升至自球和物料沿筒体上升至自然坡度角然后滚下，称为然坡度角然后滚下，称为泻落泻落 这时物料的粉碎主要靠球这时物料的粉碎主要靠球的摩擦作用的摩擦作用 （2 2）球磨机转速适宜）球磨机转速适宜 球在离心力的作用下，随着球在离心力的作用下，随着筒体上升至此比第一种情况筒体上升至此比第一种情况更高的高度，然后在重力作更高的高度，然后在重力作用下掉下来，称为用下掉下来，称为抛落抛落。这时物料不仅靠球与球之间这时物料不仅靠球与球之间的摩擦作用，而主要靠球落的摩擦作用，而主要靠球落下时的冲击作用而被粉碎，下时的冲击作用而被粉碎，其效果最好。其效果最好。（3 3）临界转速）临界转速 继续增加球磨机的转速继续增加球磨机的转速，当离心力超过球体的，当离心力超过球体的重力时，紧靠衬板的球重力时，紧靠衬板的球不脱离筒壁而与筒体一不脱离筒壁而与筒体一起回转起回转 此时物料的粉碎作用将此时物料的粉碎作用将停止。这种转速称为停止。这种转速称为临临界转速界转速 球磨机的三种旋转速度球磨机的三种旋转速度 球磨临界转速 计算如下：DRRgngRnRnGRvgGP4.4230301cos0 900cos:)1(2)(2)3060Rn2v(1)cos222，即临界条件时，可得带入临界P G P G 影响球磨的因素（1）转速转速 球体的运动状态是随筒体转速而变的。球体的运动状态是随筒体转速而变的。抛落：抛落：n=0.700.75nn=0.700.75n临界，适用于较粗，较脆临界，适用于较粗，较脆的物料，需要冲击。的物料，需要冲击。滚动：滚动：n=0.60nn=0.60n临界，适用于研磨较细物料。临界，适用于研磨较细物料。滑动：滑动：n0.60nn0.60n临界，适用于混合物料。临界，适用于混合物料。（2 2）装球量）装球量 装填系数：装球体积与球磨筒体积之比。装填系数：装球体积与球磨筒体积之比。装填系数一般取装填系数一般取0.40.50.40.5 （3 3）球料比）球料比 一般以物料填充一般以物料填充 空隙为好：因料太少，效率低空隙为好：因料太少，效率低，而物料太多时，则磨削面积不够，不能更好地，而物料太多时，则磨削面积不够，不能更好地磨细粉末，需要延长研磨时间。磨细粉末，需要延长研磨时间。（4 4）球的大小）球的大小 筒大则球大，大小配合使用。筒大则球大，大小配合使用。球磨铁粉时选用球磨铁粉时选用1010-2020毫米的钢球。毫米的钢球。球磨硬质合金混合料时选用球磨硬质合金混合料时选用5 5-10mm10mm大小的硬质大小的硬质合金球。合金球。（5 5）研磨介质）研磨介质 干磨：在空气介质中研磨干磨：在空气介质中研磨 湿磨：液体介质：水、酒湿磨：液体介质：水、酒 精、汽油、丙酮精、汽油、丙酮等等 优点：减少金属氧化；防止金属颗粒的再聚优点：减少金属氧化；防止金属颗粒的再聚集和长大；减少物料的成分偏析；减少粉尘；集和长大；减少物料的成分偏析；减少粉尘；其加入表面活性物质可促进粉碎作用。其加入表面活性物质可促进粉碎作用。缺点：增加了辅助工序如过滤，干燥等。缺点：增加了辅助工序如过滤，干燥等。（6 6）研磨时间）研磨时间 一个体系最佳研磨时间，取决与被研磨材料一个体系最佳研磨时间，取决与被研磨材料的性质。研磨时间愈长，则最终粒度愈细，但的性质。研磨时间愈长，则最终粒度愈细，但存在着一个极限研磨的颗粒大小。研磨时间一存在着一个极限研磨的颗粒大小。研磨时间一般是几小时到几十小时。般是几小时到几十小时。湿磨的作用：湿磨的作用：水分子沿着毛细管壁或微裂纹扩展到狭窄水分子沿着毛细管壁或微裂纹扩展到狭窄地区地区，对裂纹的四壁产生大约对裂纹的四壁产生大约1 1.0 0MPaMPa的的压力压力，使得粉料碎裂使得粉料碎裂。湿磨的优点：效率高，灰尘少，易输送湿磨的优点：效率高，灰尘少，易输送 水分子劈裂作用示意图水分子劈裂作用示意图 球、料、水的比例球、料、水的比例 原料与磨球的松散体积比：原料与磨球的松散体积比：1 1:1 1.3 31 1.6 6 一般湿磨时：一般湿磨时：料：球：水料：球：水1 1:(1 1.5 52 2.0 0):(0 0.8 81 1.2 2)WtWt 水太少：料浆太浓水太少：料浆太浓料与球料与球，或球与球粘在或球与球粘在一起一起 水太多：料浆太稀水太多：料浆太稀球料打滑，球料打滑，烘干时烘干时分层分层 助磨剂的选择助磨剂的选择:加入助磨剂，可以强化粉碎过程，提高细度，缩短研磨时间。助磨剂吸附在颗粒表面，增大颗粒润湿和吸附作用，使颗粒表面能降低。一般助磨剂为表面活性剂：一般助磨剂为表面活性剂：是由亲水的极性基团是由亲水的极性基团 （羧基羧基COOHCOOH，羟基羟基 OHOH等等)和憎水的非极性团和憎水的非极性团（烃链烃链）组成组成.强化球磨（高能球磨）行星球磨 震动球磨 搅拌球磨 行星球磨机：2 2、振磨、振磨 振动粉碎是利用研磨体在振动机内的高振动粉碎是利用研磨体在振动机内的高频振动使原料粉碎的方法频振动使原料粉碎的方法 振动球磨 影响振动粉碎效率的因素影响振动粉碎效率的因素 a)a)振动频率和振幅振动频率和振幅 频率高频率高，振幅大振幅大，效率高效率高 一般：一般：开始开始,大颗粒大颗粒,大振幅大振幅,(,(75075014401440转转/分分）后期后期,细颗粒细颗粒,高频率高频率,(1440,(144030003000转转/分分)b)b)研磨体的材料，大小研磨体的材料，大小 瓷球瓷球0 0.5 51 1mmmm，钢球钢球1 12 2mmmm 经验：经验：直径直径，球：料球：料5 58 8：1 1 体积体积，球：料球：料2 2.5 5：1 1 湿法：料：水湿法：料：水1 1：0 0.8 8 搅拌球磨 气流粉碎 气流粉碎是利用流体气流粉碎是利用流体（一般为压一般为压缩空气或过热蒸汽缩空气或过热蒸汽）能量的强力冲击能量的强力冲击力力，使物料在粉碎机内相互碰撞而实使物料在粉碎机内相互碰撞而实现粉碎现粉碎。雾化法属于物理制粉法，是利用高速流体直接击碎液体金属或合金制得粉末的方法 二流雾化:借助于高压水流或气流冲击金属液流破碎成雾状冷凝得到的粉末方法 特点：制备预合金粉 纯度高 含氧量低 颗粒形貌、粒度可调 工艺设备简单，成本较低 雾化法 一、概述 1概念 雾化法属于物理制粉法，是利用高速流体直接击碎液体金属或合金制得粉末的方法，生产规模仅次于还原法 2适用：单质粉：Sn、Pb、Al、Cu、Ni、Fe 合金粉：Al合金、Cu合金、Fe、Ni合金 3优点 制备预合金粉（粉末冶金材料无宏观偏析）纯度高 含氧量低 颗粒形貌、粒度可调 工艺设备简单，成本较低 4分类 雾化方法多种多样：水雾化法和气体雾化法（应用最广泛）离心雾化法 旋转电极雾化法 超声波雾化法 二、二流雾化 1.概念 借助于高压水流或气流冲击金属液流破碎成雾状冷凝得到的粉末方法 2.分类 气雾化水雾化平行喷射 气流与金属 液流平行 气流 喷嘴 金属 液流 平行喷射示意图 垂直喷射 气流或水流与金属液流互成垂直方向 这样喷制的粉末较粗，常常用来喷制锌、铝粉 气流 金属 液流 垂直喷射示意图 V型喷射 在垂直喷射的基础上改进而成为正V字形 瑞典霍格纳斯公司最早用此法喷制不锈钢粉 金属液流 水 V型喷射示意图 锥形喷射 采用环孔喷咀，气体或水以极高速度从若干均匀分布在圆周上的小孔喷出构成一个未封闭的气锥，交汇于锥顶点，将流经该处的金属液态击碎 60 喷孔 锥形喷射示意图 漩涡环形喷射 此喷咀为环缝喷咀，压缩空气从切向进入喷咀内腔，然后以高速喷出造成一旋涡封闭的气锥，金属液流在锥底被击碎 空气 漩涡环形喷射示意图 3雾化过程 既有物理机械作用 又有物理化学变化 物理机械作用：指高速气流或水流既是使金属液流击碎的动力源，又是一种冷却剂。在雾化介质同金属液流之间既有能量交换(雾化介质的动能变为金属液滴的表面能)，又有热量交换（金属液滴将一部分热量转给雾化介质)物理化学变化：液体金属的粘度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不断发生变化，这种变化反过来又影响雾化过程 在很多情况下，雾化过程中液体金属与雾化介质发生化学作用使金属液体改变成分（氧化、脱碳）以气体雾化为例说明一般规律 金属液流自漏包底小孔顺着环形喷咀中心孔轴线自由落下，压缩气体由环形喷口高速喷出形成一定的喷射顶角，而球形气流构成一封闭的倒置圆锥，于顶点（雾化交点）交汇，然后又散开。金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 负压紊流区（I）原始液滴形成区（II）有效雾化区(III)冷却凝固区(IV)负压紊流区（I）由于高速射流的抽气作用，在喷咀中心孔下方形或负压紊流层，金属液流受到气流波的振动，以不稳定的波浪状向下流，分散成许多细纤维束，并在表面张力作用下有自动收缩成液滴的趋势。形成纤维束的地方离出口的距离取决于金属液流的速度，金属液流速度愈大，形成纤维束的距离就愈短。金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 原始液滴形成区 （II）在气流的冲刷下，从金属液流柱或纤维束的表面不断分裂出许多液滴。金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 有效雾化区(III)由于气流能量集中于焦点，对原始液滴产生强烈击碎作用，使其分散成细的液滴颗粒 金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 冷却凝固区(IV)形成的液滴颗粒分散开，并最终凝结成粉末颗粒 金属液流 气体 气体 粉末 金属液流雾化过程 4喷嘴结构 由于喷嘴是对雾化效率和雾化过程稳定性起重要作用的关键性部件。喷嘴必须满足下列要求：(1)使雾化介质获得尽可能大的出口速度和能量(2)保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角度(3)使金属液流产生最大的紊流(4)工作稳定性好，喷嘴不被堵塞(5)加工制造简单，拆装方便 三、气雾化 气体 膨胀区 喷嘴 熔化液流 气体 液片 条带 椭圆 球形 气雾化金属粉末形成 临界速度 第一临界速度破碎开始 第二临界速度液滴形成细小颗粒 临界速度与气体压力和喷嘴结构有关 粉末粒度与第二临界速度有关 四、水雾化 特点 冷却能力大 强制破碎 不规则 含氧量高 粉末 雾化室 水喷射 喷嘴 熔池 炉子 压力源 水 金属 机理溅落 形成液滴的“溅落”机理步骤(a)(c)(d)(b)机理擦落 形成液滴的“擦落”机理步骤 水 金属(a)(c)(d)(b)金属 粒度 C与材料和雾化装置结构 有关的常数 金属液流与水流轴间夹角 V水速 aVCDsin比较 气雾化 水雾化 粒度 100 150 形状 近球形 不规则 聚集 有 少 冷却速度 104 105 表观密度 55 35 偏析程度 轻微 可忽略 含氧量ppm 120 300 五、工艺举例 气体雾化法制取铜和铜合金粉工艺 金属液一般过热100-150，注入预先烘烤到600左右的漏包中，金属液直径4-6mm，气体压力5-7大气压 喷嘴多采用环孔或环缝。雾化粉末喷入干式集粉器，下部有水冷套，粗粉末直接从集粉器下方出口落到振动筛上过筛，中，细粉末从集粉器内抽出，经集细粉器沉降。更细的粉末进风选器，抽风机的出口处装有布袋收尘器 空气雾化铜或铜合金粉末，表面均有少量氧化，通常在300-600范围内进行还原。通常在熔化时加入0.05-0.1%磷含量的磷铜，可降低粘度而增加流动性，这样成球率大大增加 2水雾化法制取铁粉和合金钢粉的工艺 由于水比气体的粘度大且冷部能力强，水雾化法特别适于熔点较高的金属与合金以及制造压缩性好的不规则形状粉末 水雾化法用来喷制铁，低碳钢及合金钢粉 六、影响雾化粉末性能的因素 1.雾化介质 雾化介质类别的影响 气体：空气和惰性气体(N2、Ar)液体：水 雾化介质对雾化粉末的化学成分，颗粒形状，结构有很大的影响 雾化过程中氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属如铜、铁等一般可选择空气作雾化介质 而合金钢粉和不锈钢粉可用N2 含有Ti、Zr等元素的必须用Ar喷制 雾化介质 用水作雾化介质与气体比较的特点：（1）因水的热容比气体大得多，对金属液滴的冷却能力强。所以，用水作雾化介质时，粉末多为不规则形状，同时，随着雾化压力的提高，不规则形状的颗粒愈多，颗粒的晶体结构愈细。气体雾化易得球形粉末（2）由于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化较空气雾化大大减少，所以，铁、低碳钢、合金钢多用水雾化。虽然在水中可添加某些防腐剂来减少粉末的氧化，但目前水雾化法还不适于活性很大的金属和合金 气体和水的压力的影响 气体和水的压力愈高，所得粉末愈细 气体和水的压力愈高氧化程度也提高 2.金属液流 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 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 温度升高，金属液流的粘度变低，粉末颗粒愈细 金属液强烈氧化时，粘度大大提高，颗粒较粗 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 金属液流直径的影响 当雾化压力与其它工艺参数不变时，金属液流直径愈细，所得细粉末也愈多 影响雾化粉末性能的因素 雾化介质：雾化介质类别 气体和水的压力 金属液流：金属液的表面张力和粘度 金属液过热温度 金属液流直径金属液流长度 其它：（雾化装置）金属液流长度 喷射长度、角度 聚粉装置液滴飞行距离 制备细粉末的条件 飞行距离小金属液流喷射长度小，小，粘度、表面张力小金属过热度大，液流径流速大介质压力大，流量大，制备球形粉末的条件 气雾化 过热温度高 表面张力大 飞行距离大 超纯、超细粉的制备超纯、超细粉的制备 机械粉碎的极限：机械粉碎的极限：粉碎原理粉碎原理，比表面能比表面能 1 1mm 很难很难 引入大量杂质引入大量杂质 颗粒尺寸分布范围大颗粒尺寸分布范围大 颗粒形状不规则颗粒形状不规则 常见制备方法：常见制备方法：液相法、气相法 物理法、化学法 1 1、液相法、液相法 1 1沉淀法沉淀法 利用各种在水中溶解的物质，经反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐、草酸盐等，再经加热分解制得高纯超细粉。ZrO2，Al2O3，等 常见共沉淀方法：a)a)直接沉淀法直接沉淀法 外加沉淀剂外加沉淀剂，将溶液中的沉淀物将溶液中的沉淀物，直接加直接加热分解热分解，制得所需制得所需 要的粉料要的粉料。b)均匀沉淀法 为了避免直接添加沉淀剂而产生的体系局部浓度不均匀现象，不加沉淀剂，而是溶液内自生沉淀剂只要控制好沉淀剂的生成速度，就可避免浓度不均匀现象，使体系的过饱和度维持在适当的范围内，从而控制粒子的生长速度，制得粒度均匀的纳米粒子。特点：混合均匀，得到的颗粒尺寸小 c)共沉淀法 如果原料溶液中有2种或2种以上的阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂进行沉淀反应后，就可得到成分均一的沉淀，这就是共沉淀法。草酸盐沉淀法合成钛酸钡草酸盐沉淀法合成钛酸钡:共沉淀法的特点共沉淀法的特点：过程复杂过程复杂，颗粒的成核颗粒的成核、生长等过程不易控生长等过程不易控制制，对于工艺参数差别大的组分对于工艺参数差别大的组分，效果不效果不好好。但共沉淀方法简单但共沉淀方法简单，得到的粉料性能优良得到的粉料性能优良，因而广泛采用因而广泛采用。ZrO2Y2O3 ZrOCl28H2O 溶解 YCl3溶液 H2O 共沉淀 NH4OH 过滤 脱水 焙烧 粉碎 200oC 800oC，1h 2)2)冷冻干燥法冷冻干燥法 将金属盐水溶液喷到低温有机（无机）液体将金属盐水溶液喷到低温有机（无机）液体上，使液滴进行瞬时冷冻，上，使液滴进行瞬时冷冻，然后在低温低然后在低温低压条件下升华、脱水、再压条件下升华、脱水、再 分解制得均匀粉分解制得均匀粉料。料。优点：优点：a)a)通过溶液状态的均匀混合通过溶液状态的均匀混合，可以容易制得许多成份复杂的混合原料可以容易制得许多成份复杂的混合原料 b)b)由于冷冻液滴是分离的由于冷冻液滴是分离的，所以得到粉料颗粒具有很好的分散性所以得到粉料颗粒具有很好的分散性 c)c)可以制得圆形或近圆形的多孔可以制得圆形或近圆形的多孔，松松散球粒散球粒 d)d)能制得晶粒尺寸在能制得晶粒尺寸在0 0.1 10 0.5 5mm的高的高活性粉料活性粉料 关键步骤：制备过程中不能产生液相关键步骤：制备过程中不能产生液相 c)c)热析法：热析法：随着温度的升高达随着温度的升高达100100之后，由于水之后，由于水分的迅速挥发，过饱和度增加，而使分的迅速挥发，过饱和度增加，而使固体产物析出。固体产物析出。常用方法：常用方法：直接蒸发法：直接蒸发法：乳化干燥法：将溶液逐滴加入到乳化干燥法：将溶液逐滴加入到160160170170的煤油中的煤油中，成乳状液成乳状液，然后在真然后在真空中干燥空中干燥。喷雾干燥：喷雾干燥：喷雾干燥：喷雾干燥：广泛应用：广泛应用：普通陶瓷普通陶瓷，如瓷砖的干压等如瓷砖的干压等 电子陶瓷电子陶瓷，片状电容器片状电容器，半导体半导体 结构陶瓷结构陶瓷，磨损件磨损件，刀具刀具 工业化大生产的主要造粒设备工业化大生产的主要造粒设备 喷雾干燥的关键喷雾干燥的关键雾化雾化 喷雾干燥有喷雾干燥有4 4个过程：个过程：a a、雾化雾化，采用高速喷嘴采用高速喷嘴，高速旋转轴高速旋转轴 b b、使雾化颗粒与热气流混合使雾化颗粒与热气流混合 c c、蒸发蒸发颗粒形成颗粒形成干燥干燥 d d颗粒与干燥热气流的分离颗粒与干燥热气流的分离，并从干燥器中取出并从干燥器中取出