粉末冶金原理简介课件.ppt

粉末冶金原理粉末冶金原理 郭圣达郭圣达 E-mail: E-mail: 江西理工大学江西理工大学 工程研究院工程研究院1.参考书目u1.黄培云主编：粉末冶金原理，冶金工业 出版社u2.王盘鑫主编：粉末冶金学，冶金工业出 版社2.目 录u一、粉末的制备技术u二、粉末的性能及其测定u三、粉末成形u四、烧结u五、粉末冶金材料和制品u六、粉末冶金的安全知识u七、粉末制备、成形、烧结新技术3.绪论1 1.粉末冶金粉末冶金是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金属粉末的混合物作属粉末的混合物作为原料，原料，经过粉末成形和粉末成形和烧结制造金属材料、制造金属材料、复合材料以及各复合材料以及各类型制品的工型制品的工艺过程。粉末冶金法与生程。粉末冶金法与生产陶瓷有陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。2.2.粉末冶金的粉末冶金的发展展 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方的第一方 法法实质上采用的就是粉末冶金方法。上采用的就是粉末冶金方法。3.3.现代粉末冶金技代粉末冶金技术的的发展中共有三个重要展中共有三个重要标志：志：1 1）克服了）克服了难熔金属（如熔金属（如钨、钼等）熔等）熔铸过程中程中产生的困生的困难。19091909年制造年制造电灯灯钨丝，推，推动了粉末冶金的了粉末冶金的发展；展；19231923年粉末冶金硬年粉末冶金硬质合金的出合金的出现被誉被誉为机械加工中的工机械加工中的工业革命。革命。4.绪论u2 2）2020世世纪三十年代三十年代成功制取多孔含油成功制取多孔含油轴承；承；继而粉末冶金而粉末冶金铁基机械零件的基机械零件的发展，充分展，充分发挥了粉末冶金制品少切削甚了粉末冶金制品少切削甚至无切削的至无切削的优点。点。u3 3）向更高）向更高级的新材料、新工的新材料、新工艺发展。展。四十四十年代，出年代，出现金属金属陶瓷、弥散陶瓷、弥散强化等材料，化等材料，六十六十年代末至年代末至七十七十年代初，粉末年代初，粉末高速高速钢、粉末高温合金相、粉末高温合金相继出出现；还有利用粉末冶金有利用粉末冶金锻造造及及热等静等静压等技等技术已能制造高已能制造高强度的零件。以硬度的零件。以硬质合金来合金来说，新型硬，新型硬质合金已合金已经逐步替代逐步替代传统合金，如梯度合金，如梯度结构硬构硬质合金、超合金、超细/纳米晶、双晶米晶、双晶结构、粗晶构、粗晶结构硬构硬质合金等。合金等。5.绪论u粉末冶金工粉末冶金工艺的基本工序的基本工序u1 1、原料粉末的制原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分有的制粉方法大体可分为两两类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分机械法和物理化学法。其中机械法又可分为：机械粉碎和：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分化法；物理化学法又分为：电化腐化腐蚀法、法、还原法、化合原法、化合法、法、还原原-化合法、气相沉化合法、气相沉积法、液相沉法、液相沉积法以及法以及电解法。解法。其中其中应用最用最为广泛的是广泛的是还原法、原法、雾化法和化法和电解法。解法。u2 2、将将粉末粉末压制成型制成型为所需形状的坯所需形状的坯块。成型的目的是制。成型的目的是制得一定形状和尺寸的得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和坯，并使其具有一定的密度和强度。度。成型的方法基本上分成型的方法基本上分为加加压成型和无成型和无压成型。加成型。加压成型中成型中应用最多的是模用最多的是模压成型，成型，还有有挤压成型、爆炸成型等。成型、爆炸成型等。6.绪论u3 3、坯坯块的的烧结。烧结是粉末冶金工是粉末冶金工艺中的关中的关键性工序。性工序。成型后的成型后的压坯通坯通过烧结使其得到所要求的最使其得到所要求的最终物理力学性物理力学性能。能。烧结又分又分为单元系元系烧结和多元系和多元系烧结。对于于单元系和元系和多元系的多元系的烧结，若，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低，温度比所用的金属及合金的熔点低，则称之称之为固相固相烧结；若；若烧结温度一般比其中温度一般比其中难熔成分的熔熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，点低，而高于易熔成分的熔点，则称称为液相液相烧结。除普通。除普通烧结外，外，还有松装有松装烧结、熔浸法、熔浸法、热压法法烧结等特殊的等特殊的烧结工工艺。7.绪论u4 4、产品的后序品的后序处理理。烧结后的后的处理，可以根据理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、加工、热处理及理及电镀。此外，近年来一些新工。此外，近年来一些新工艺如如轧制、制、锻造也造也应用于粉末冶金材料用于粉末冶金材料烧结后的加工，后的加工，取得取得较理想的效果。理想的效果。8.绪论 粉末冶金工粉末冶金工艺的的优点点u 1 1、绝大多数大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散熔金属及其化合物、氧化物弥散强化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬质合金等只能用粉合金等只能用粉末冶金方法来制造。末冶金方法来制造。u 2 2、由于粉末冶金方法能、由于粉末冶金方法能压制成最制成最终尺寸的尺寸的压坯，坯，而不需要或很少需要后而不需要或很少需要后续的机械加工，故能大大的机械加工，故能大大节约金属用量，降低金属用量，降低产品成本。用粉末冶金方法制造品成本。用粉末冶金方法制造产品品时，金属的，金属的损耗只有耗只有1-5%1-5%，而用一般熔，而用一般熔铸方法生方法生产时，金属的金属的损耗可能会达到耗可能会达到80%80%。9.u 3 3、由于粉末冶金工、由于粉末冶金工艺在材料生在材料生产过程中并不程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧和脱氧剂等等带来的来的杂质，而，而烧结一般在真空和一般在真空和还原气氛中原气氛中进行，不怕行，不怕氧化，也不会氧化，也不会给材料任何材料任何污染，故有可能制取高染，故有可能制取高纯度的材料。度的材料。u 4 4、粉末冶金能保、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和材料成分配比的正确性和均匀性。均匀性。u 5 5、粉末冶金适宜于生、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的同一形状而数量多的产品，特品，特别是是齿轮等加工等加工费用高的用高的产品，用粉末冶品，用粉末冶金法制造能大大降低生金法制造能大大降低生产成本。成本。10.绪论粉末冶金材料和制品的粉末冶金材料和制品的发展方向展方向1 1、具有代表性的、具有代表性的铁基合金，将向大体基合金，将向大体积的精密制品，高的精密制品，高质量的量的结构零部件构零部件发展。展。2 2、制造具有均匀、制造具有均匀显微微组织结构的、加工困构的、加工困难而完全致密而完全致密的高性能硬的高性能硬质合金。合金。3 3、用增、用增强致密化致密化过程来制造一般含有混合相程来制造一般含有混合相组成的特殊成的特殊合金。合金。4 4、制造非均匀材料、非晶、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者、微晶或者亚稳合金。合金。5 5、加工独特的和非一般形、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。或成分的复合零部件。11.一、粉末制一、粉末制备技技术u1.在不同状在不同状态下制下制备粉末的方法粉末的方法u 1.1 在固态下制备粉末的方法u 1.2 在液态下制备粉末的方法u 1.3 在气态下制备粉末的方法u2.常用的粉末制常用的粉末制备方法方法u 2.1 机械粉碎法u 2.2 雾化法u 2.3 还原法u 2.4 气相沉积法u 2.5 液相沉淀法u 2.6 电解法u3.本章小本章小结12.一、粉末制一、粉末制备技技术1.在不同状在不同状态下制下制备粉末的方法粉末的方法1.1 在固在固态下制下制备粉末的方法粉末的方法 （1）从固）从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有机金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有机械粉碎法和械粉碎法和电化学腐化学腐蚀法；法；（2）从固）从固态金属氧化物及金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有制取金属与合金粉末的有还原法；原法；（3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的有金属化合物粉末的有还原化合法。原化合法。13.一、粉末制一、粉末制备技技术1.2 在液在液态下制下制备粉末的方法粉末的方法 （1）从液从液态金属与合金中制取金属与合金粉末金属与合金中制取金属与合金粉末的有的有雾化法；化法；（2）从金属）从金属盐溶液置溶液置换和和还原制取金属、合金原制取金属、合金以及包覆粉末的有置以及包覆粉末的有置换法、溶液法、溶液氢还原法；原法；从金属熔从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀沉淀法；法；从从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有金属浴法；金属浴法；（3）从金属）从金属盐溶液溶液电解制取金属与合金粉末的解制取金属与合金粉末的有水溶液有水溶液电解法；解法；从金属熔从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的解制取金属和金属化合物粉末的有熔有熔盐电解法。解法。14.一、粉末制一、粉末制备技技术1.3 在气在气态下制下制备粉末的方法粉末的方法 （1）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸气冷凝法；气冷凝法；（2)从气从气态金属金属羰基物中离解制取金属、合基物中离解制取金属、合金粉末以及包覆粉末的有金粉末以及包覆粉末的有羰基物基物热离解法；离解法；（3）从气）从气态金属金属卤化物中气相化物中气相还原制取金属、原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂合金粉末以及金属、合金涂层的有气相的有气相氢还原法；原法；从气从气态金属金属卤化物中沉化物中沉积制取金属化合物制取金属化合物粉末以及涂粉末以及涂层的有化学气相沉的有化学气相沉积法。法。15.一、粉末制一、粉末制备技技术 从从实质过程看，程看，现有制粉方法大体可有制粉方法大体可归纳为两大两大类，即，即机械法机械法和和物理化学法物理化学法。u 1.1.机械法：机械法：是将原材料机械地粉碎，而化学成是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不分基本上不发生生变化；化；u 2.2.物理化学法物理化学法是借助化学的或物理的作用，改是借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状原材料的化学成分或聚集状态而而获得粉末的方法。得粉末的方法。粉末的具体生粉末的具体生产方法很多，从目前国内外生方法很多，从目前国内外生产的工的工业规模而言，模而言，应用最广泛的有用最广泛的有还原法、原法、雾化法化法和和电解法解法三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用用时亦很重要。亦很重要。表表1-1为制取粉末的一些方法。制取粉末的一些方法。16.一、粉末制一、粉末制备技技术 表表1-1 粉末生粉末生产方法方法17.一、粉末制一、粉末制备技技术 续表表1-118.一、粉末制一、粉末制备技技术2.常用的粉末制常用的粉末制备方法方法2.1 机械粉碎法机械粉碎法 机械粉碎是靠机械粉碎是靠压碎碎、击碎碎和和磨削磨削等作用，将等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。固固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常常作又常常作为某些制粉方法的某些制粉方法的补充工序。充工序。19.依据物料粉碎的最依据物料粉碎的最终程度，又可以分程度，又可以分为粗碎粗碎和和细碎碎两两类。以。以压碎碎为主要作用的有主要作用的有碾碾压、锟轧以及以及颚式破碎式破碎等；以等；以击碎碎为主的有主的有锤磨；属于磨；属于击碎和磨碎和磨削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。实践表明，机械研磨比践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。利适用于脆性材料。利用塑性金属或合金来制取粉末多采用用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷旋研磨、冷气流粉碎气流粉碎等方法。等方法。20.一、粉末制一、粉末制备技技术2.1.1机械研磨法机械研磨法 研磨的任研磨的任务包括：包括：减少或增大粉末粒度；合金化；固减少或增大粉末粒度；合金化；固态混混料；改善、料；改善、转变或改或改变材料的性能材料的性能等。在大多数情况下，研磨等。在大多数情况下，研磨的任的任务是使粉末的粒度是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化。研磨后的金属粉末会有加工硬化现象、形状不象、形状不规则以及出以及出现流流动性性变坏和坏和团块等特征。等特征。（1）研磨研磨规律律 在研磨在研磨时，有四种力作用于，有四种力作用于颗粒材料上：粒材料上：冲冲击、磨耗、剪、磨耗、剪切切以及以及压缩。在球磨机中球体运在球磨机中球体运动的方式有四种（如的方式有四种（如图1-1）：滑滑动、滚动、自由下落以及在、自由下落以及在临界界转速速时球体的运球体的运动。21.一、粉末制一、粉末制备技技术 图1-1 在球磨机中球体运在球磨机中球体运动示意示意图(a)(a)滑滑动；(b)(b)滚动；(c)(c)自由下落；自由下落；(d)(d)在在临界界转速速时球体的运球体的运动临界界转速与速与圆筒直径有关，其关系筒直径有关，其关系为：球体球体发生生滚动的的临界条件界条件为：；反之；反之发生滑生滑动。为筒体筒体转动时，球体表面，球体表面发生生倾斜，在一定的斜，在一定的转速和装球速和装球量下的量下的倾斜角斜角 22.一、粉末制一、粉末制备技技术u 球体滚动和自由下落是最有效的研磨方式，并且粉末的细磨只有在滚动下才能实现，因为细小的颗粒不会被球体的冲击所再粉碎23.一、粉末制备技术（2）影响球磨的因素影响球磨的因素 球磨机中的研磨球磨机中的研磨过程取决于众多因素：程取决于众多因素：筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例、球体与被研磨物料的比例（球料比）、研磨介（球料比）、研磨介质以及球体直径等。以及球体直径等。24.一、粉末制一、粉末制备技技术 例如：球磨筒例如：球磨筒转速速n n0.7-0.750.7-0.75n n临界界时，球体，球体发生抛生抛落；落；n n0.60.6n n临界界时，球体，球体发生生滚动；n n0.60.6n n临界界时，球，球体以滑体以滑动为主。主。在一定范在一定范围内，增加装球量能提高研磨效率。但如内，增加装球量能提高研磨效率。但如果把球体体果把球体体积与球筒容与球筒容积之比称之比称为装填系数，装填系数，则一般球一般球磨机的装填系数取磨机的装填系数取0.40.40.50.5为宜。随宜。随转速的提高，装填速的提高，装填系数可略系数可略为增大。增大。25.在研磨在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。程中一定要注意球体与物料的比例。一般在球体装填系数一般在球体装填系数为0.40.40.50.5时，装料量，装料量应以填以填满球体的空隙，以稍微掩盖住球体表面球体的空隙，以稍微掩盖住球体表面为原原则。可。可取球磨筒容取球磨筒容积的的2020为装料量。球体的大小装料量。球体的大小对物料物料的粉碎也有很大的影响。的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨践中，球磨铁粉一般粉一般选用用101020mm20mm的的钢球；球磨硬球；球磨硬质合金混合料合金混合料时，则选用用5 510mm10mm大小的硬大小的硬质合金球，同合金球，同时为了避免研磨了避免研磨球球对粉末的粉末的污染，染，应取与要制取与要制备粉末成分相近的球粉末成分相近的球做做为研磨球。研磨球。26.一、粉末制备技术（3）强化球磨化球磨 球磨粉碎物料是一个很慢球磨粉碎物料是一个很慢长的的过程，因此提高程，因此提高研磨效率、研磨效率、强化球磨效果化球磨效果对提高生提高生产效率具有很大效率具有很大的意的意义。例如采用振。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。球磨和行星球磨即属于此。图1-2为一种湿式振一种湿式振动球磨机。球磨机。27.一、粉末制一、粉末制备技技术2.1.2机械合金化机械合金化 这是种高能球磨法。用是种高能球磨法。用这种方法可种方法可制造具有可控制造具有可控细显微微组织的复合金属粉末。的复合金属粉末。它是在高速它是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷粉末混合物的重复冷焊和断裂和断裂进行行进行合行合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末来粉末来实现机械合金化。机械合金化。28.一、粉末制一、粉末制备技技术 用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。因此，用原材料粉末的粒度无关。因此，用较粗的原材料粉粗的原材料粉末末(50100)可制成超可制成超细弥散体（弥散体（颗粒粒间距小距小于于1）。制造机械合金化弥散）。制造机械合金化弥散强化高温合金的化高温合金的原材料都是工原材料都是工业上广泛采用的上广泛采用的纯粉末，粒度粉末，粒度约为1200。29.对用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制(除上述粒度要求和需要控制极低的氧含量外)是混合物至少有1515（容积）的可压缩变形的金属粉末。一、粉末制一、粉末制备技技术30.一、粉末制一、粉末制备技技术 图1-3为机械合金化装置示意机械合金化装置示意图。机械合金化与机械合金化与滚动球磨的区球磨的区别在于：在于：使球体运使球体运动的的驱动力力不同不同。图1-2 斯斯韦科湿式振科湿式振动球磨机球磨机 图1-3 机械合金化装置示机械合金化装置示意意图31.2.1.3 涡旋研磨旋研磨 一般机械研磨只适合于粉碎脆性金属或合金，涡旋研磨则可以有效地研磨软的塑性金属或合金。由于在涡旋研磨中，研磨一方面依靠冲击作用，另一方面还依靠颗粒间、颗粒与工作室内壁以及颗粒与回转打击子相碰时的磨损作用。一、粉末制一、粉末制备技技术32.2.1.4 冷气流粉碎冷气流粉碎 冷气流粉碎的基本工艺是：利用高速高压的气流带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室中的靶面，压力立即从高压（7MPa）降到0.1MPa，发生绝热膨胀，使金属靶和击碎室的温度降到室温以下，甚至零度以下，冷却了的颗粒就会被粉碎。气流压力越大，得到的粉末粒度越细。一、粉末制一、粉末制备技技术33.一、粉末制一、粉末制备技技术2.2 雾化法化法 雾化法是一种将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150，然后冷却而形成粉末的一种制粉方法。雾化法可以用来制取多种金属粉末，也可以制取各种预合金粉末。实践上，任何能形成液体的材料都可以进行雾化。34.一、粉末制一、粉末制备技技术 前面所述的“机械粉碎法”是借机械作用破坏固体金属原子间的结合而制得粉末，雾化法则只要克服液体金属原子间的结合力就能使之分散成粉末。因而雾化过程所消耗的外力比机械粉碎化要小得多。从能量消耗来说，雾化法是一种简便且经济的粉末生产方法。雾化法又可以分为二流雾化、离心雾化、真空雾化以及超声波雾化等。35.一、粉末制一、粉末制备技技术2.2.1二流二流雾化化 借助高借助高压水流或气流的冲水流或气流的冲击来破碎液流，称来破碎液流，称为水水雾化或气化或气雾化，也称二流化，也称二流雾化（化（图1-4）。根据根据雾化介化介质（气体、水）（气体、水）对金属液流作用的金属液流作用的方式不同，方式不同，雾化具有多种形式（化具有多种形式（图1-5）：）：平行平行喷射、垂直射、垂直喷射、射、V形形喷射、射、锥形形喷射以及漩射以及漩涡环形形喷射。射。36.一、粉末制一、粉末制备技技术 雾化化过程很复程很复杂，按，按雾化介化介质与金属液流相互与金属液流相互作用的作用的实质，既有，既有物理机械作用物理机械作用，又有，又有物理化学物理化学变化化。高速的气流或水流，既是破碎金属液的。高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力，力，又是金属液流的冷却又是金属液流的冷却剂。因此在因此在雾化介化介质同金属液流之同金属液流之间既有能量交既有能量交换，又有又有热量交量交换。并且，液。并且，液态金属的粘度和表面金属的粘度和表面张力力在在雾化化过程和冷却程和冷却过程中不断程中不断发生生变化，以及液化，以及液态金属与金属与雾化介化介质的化学作用（如氧化、脱碳），使的化学作用（如氧化、脱碳），使雾化化过程程变得得较为复复杂。37.一、粉末制一、粉末制备技技术 图1-4 水水雾化和气化和气雾化示意化示意图 图1-5 雾化的多种形式化的多种形式38.一、粉末制一、粉末制备技技术 （1）气气雾化化 在气在气雾化中，金属由感化中，金属由感应炉熔化并流入炉熔化并流入喷嘴，气流由排嘴，气流由排列在熔化金属四周的多个列在熔化金属四周的多个喷嘴嘴喷出。出。雾化介化介质采用的是惰性采用的是惰性气体。气体。雾化可化可获得粒度分布范得粒度分布范围较宽的球形粉末。在气的球形粉末。在气雾化化中，中，雾化化过程可以用程可以用图1-6来来说明。明。图1-6 气气雾化化时金属粉末的形成金属粉末的形成39.一、粉末制一、粉末制备技技术 （2）水水雾化化 水水雾化化时制取金属或合金粉末最常用的工制取金属或合金粉末最常用的工艺技技术。水可以。水可以单个的、多个的或个的、多个的或环形的方式形的方式喷射。射。高高压水流直接水流直接喷射在金属液流上，射在金属液流上，强制其粉碎并制其粉碎并加速凝固，因此粉末形状比起气加速凝固，因此粉末形状比起气雾化来呈不化来呈不规则形状。形状。粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。由于散由于散热快，快，过热度要超度要超过熔融金属熔点熔融金属熔点较多，多，以便控制粉末的形状。在水以便控制粉末的形状。在水雾化中，包括制取合化中，包括制取合金粉末在内，其化学偏析是非常有限的。金粉末在内，其化学偏析是非常有限的。40.在水在水雾化化时，金属液滴的形成是水滴金属液滴的形成是水滴对液体金属表面的冲液体金属表面的冲击作用而不是剪切作用作用而不是剪切作用。水水雾化中，化中，雾化的粉末粒度化的粉末粒度D主要与水速主要与水速v有关：有关：式中式中 C为与材料和与材料和雾化装置化装置结构有关的常数构有关的常数 a为金属液流与水流金属液流与水流轴之之间的的夹角角 表表1-2为气气雾化与水化与水雾化的一些比化的一些比较。一、粉末制一、粉末制备技技术41.一、粉末制一、粉末制备技技术 表表1-2 气气雾化与水化与水雾化的比化的比较 42.一、粉末制一、粉末制备技技术（3）影响二流影响二流雾化性能的因素化性能的因素 雾化粉末有三个重要的性能：化粉末有三个重要的性能：一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及可用粉末收得率等；可用粉末收得率等；二、二、颗粒形状及与其有关的性能，如松粒形状及与其有关的性能，如松装密度、流装密度、流动性、性、压坯密度及比表面等；坯密度及比表面等；三、三、颗粒的粒的纯度和度和结构。构。影响影响这些性能的主要因素是些性能的主要因素是雾化介化介质、金属液流的特征金属液流的特征以及以及雾化装置的化装置的结构构特征等。特征等。43.一、粉末制一、粉末制备技技术2.2.2离心离心雾化化 用离心力破碎液流得到用离心力破碎液流得到雾化粉末的方法称化粉末的方法称为离离心心雾化。离心化。离心雾化的化的发展是与控制粉末粒度的要求展是与控制粉末粒度的要求和解决制取活性金属粉末的困和解决制取活性金属粉末的困难有关。有关。离心离心雾化有旋化有旋转圆盘雾化、旋化、旋转坩坩埚雾化、旋化、旋转电极极雾化等多种形式（如化等多种形式（如图1-7所示）所示）。图1-7 离心离心雾化示意化示意图44.一、粉末制一、粉末制备技技术2.2.3其他其他雾化工化工艺 除了利用水和气体冲除了利用水和气体冲击熔化金属，以及和旋熔化金属，以及和旋转相关的相关的雾化方法之外，化方法之外，还有一些可使用熔融金属破有一些可使用熔融金属破碎的工碎的工艺方法。方法。比如：比如：锟筒筒雾化法：熔融金属被喂入快速旋化法：熔融金属被喂入快速旋转的的轧辊中而中而雾化成粉末；振化成粉末；振动电极极雾化法：通化法：通过自自耗耗电极的振极的振动来生来生产高高纯度粉末的方法；熔滴度粉末的方法；熔滴雾化化法：熔融金属法：熔融金属经坩坩埚底部的小孔流出，流入真空或底部的小孔流出，流入真空或惰性气体中，膨惰性气体中，膨胀并形成球开并形成球开颗粒得到粉末；以及粒得到粉末；以及超声超声雾化法以及真空化法以及真空雾化法等等。化法等等。45.表表1-31-3：一些：一些雾化工化工艺的比的比较 一、粉末制一、粉末制备技技术46.一、粉末制一、粉末制备技技术2.2.4雾化粉末化粉末显微微结构的控制构的控制 在快速冷却的合金粉末中，在快速冷却的合金粉末中，显微微组织结构构的控制取决于的控制取决于形核形核和和长大大因素。因素。在凝固中，在凝固中，较大的温度梯度的情况易于形大的温度梯度的情况易于形成非晶成非晶态，相反，要在低的冷却速率和小的，相反，要在低的冷却速率和小的温度梯度的条件下，温度梯度的条件下，则易形成具有偏析的易形成具有偏析的显微微组织结构。构。图1-8是是显微微组织结构与粉末构与粉末颗粒温度梯粒温度梯度和温度之度和温度之间的关系。的关系。47.图1-8 温度梯度和温度温度梯度和温度对快速凝固粉末的快速凝固粉末的显微微组织结构的影响构的影响48.一、粉末制一、粉末制备技技术2.3 还原法原法 用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末的方法，这是一种广泛采用的制粉方法。还原剂可以是固态、气态或液态；被还原的物料也可采用固态、气态或液态形式的物质。表表1-4为用不同用不同还原原剂和被和被还原的物原的物质进行行还原作用来制取粉末的一些例子。原作用来制取粉末的一些例子。49.表表1-4 还原法广原法广义的使用范的使用范围 一、粉末制一、粉末制备技技术50.一、粉末制一、粉末制备技技术 工艺上所说的还原是指通过一种物质（称为还原剂），夺取氧化物或盐类中的氧(或酸根)而使其转变为纯元素或低价氧化物（低价盐）的过程。最简单的反应可用下式表示：51.为了能顺利进行还原反应，还原剂X对氧的化学亲和力必须大于金属Me对氧的亲和力。由于不同的金属元素对氧的作用情况不同，因而生成氧化物的稳定性也不大一样。可采用标准生成自由能作为衡量对氧亲和力大小的尺度。凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧的亲和力大的物质，都能作用该金属氧化物的还原剂。一、粉末制一、粉末制备技技术52.一般说来，在冶金过程中，特别是在粉末冶金中，可采用气体(氢、一氧化碳)、碳或某些金属作还原剂。因此可把这些还原反应分类称为碳还原、气体还原和金属热还原。一、粉末制一、粉末制备技技术53.一、粉末制一、粉末制备技技术 在在还原原过程中，程中，还原原进行的速度和行的速度和还原的程度原的程度是与是与还原的条件有关的。影响原的条件有关的。影响还原反原反应速度和速度和还原原程度的因素是很复程度的因素是很复杂的，并且的，并且这些反些反应往往在多相往往在多相中反中反应。因此在因此在还原原过程中，除了反程中，除了反应物的物的浓度、反度、反应过程的温度外，程的温度外，还与界面的特征（如晶格缺陷）、与界面的特征（如晶格缺陷）、界面的面界面的面积、液体的速度、反、液体的速度、反应相的比例、形核以相的比例、形核以及及扩散散层等有关。等有关。54.图1-9是氧化物被是氧化物被还原形成金属粉末的原形成金属粉末的示意示意图，其反，其反应速率取决于两个速率取决于两个扩散流。散流。图1-9 氧化物氧化物颗粒部分粒部分还原原为金属粉末的示意金属粉末的示意图 一、粉末制一、粉末制备技技术55.实际表明，反表明，反应速度与速度与时间的关系具有自的关系具有自动催化的特点，催化的特点，如如图110所示。所示。图1-10：吸附自：吸附自动催化的反催化的反应速度与速度与时间的关系的关系 共分三个共分三个阶段：第一段：第一阶段速度很慢，反段速度很慢，反应仅在固体表面开在固体表面开始；第二始；第二阶段当新相形成，由于新旧界面力段当新相形成，由于新旧界面力场不不对称，称，较易吸易吸附附还原原剂，反，反应面面扩大，速度增加；第三大，速度增加；第三阶段由于反段由于反应沿着以沿着以新相晶核新相晶核为中心而逐中心而逐渐扩大，反大，反应面不断减小，引起反面不断减小，引起反应速度速度的降低。的降低。一、粉末制一、粉末制备技技术56.一、粉末制一、粉末制备技技术2.3.1碳碳还原法原法 用固体碳可以用固体碳可以还原很多金属氧化物，但原很多金属氧化物，但用用这种方法制成的种方法制成的铜粉、粉、镍粉等易被碳玷粉等易被碳玷污，故一般不使用碳来故一般不使用碳来还原原这类金属氧化物制取金属氧化物制取相相应的金属粉末。在工的金属粉末。在工业上，大上，大规模模应用碳用碳作作为还原原剂的方法可用于制取的方法可用于制取还原原铁粉和碳粉和碳化化钨粉，但需要粉，但需要严格控制碳含量。格控制碳含量。57.图1-11 用一氧化碳用一氧化碳还原原铁的氧化物的反的氧化物的反应状状态图 图1-11为用一氧化碳用一氧化碳还原原铁的氧化物的反的氧化物的反应状状态图。从。从图可看出一氧化碳的量以及确定氧化物可看出一氧化碳的量以及确定氧化物还原反原反应的方向与温度、气相成分的关系。的方向与温度、气相成分的关系。58.一、粉末制一、粉末制备技技术2.3.2气体气体还原法原法 气体气体还原法不原法不仅可以制取可以制取铁、镍、钴、铜以及以及钨等金属粉末，等金属粉末，还可以制取一些合金粉末。可以制取一些合金粉末。气体气体还原法制取的粉末比用固体原法制取的粉末比用固体还原法制取原法制取的要更的要更纯，从而得到了很大的，从而得到了很大的发展。展。钨粉的生粉的生产主主要是用要是用氢还原法。原法。影响影响钨粉粒度和粉粒度和纯度的主要因素有：度的主要因素有：原料；原料；氢气流量与气流量与进气速度；气速度；还原速度、原速度、还原原时间和料和料层厚度；厚度；以及以及添加添加剂等。等。（1）氢还原法制取原法制取铁粉粉 （2）水冶法生水冶法生产钴粉粉 （3）氢还原法制取原法制取钨粉粉59.一、粉末制一、粉末制备技技术2.3.3金属金属热还原原 金属金属热还原法主要原法主要应用于制取稀有金属粉末，用于制取稀有金属粉末，如如钛、锆、铀、钍、铌等金属粉末。在金属等金属粉末。在金属还原法原法中，多采用中，多采用钠、钙、镁作金属作金属还原原剂。2.3.4难熔化合物粉末的制取熔化合物粉末的制取 制取制取难熔化合物粉末（碳化物、硼化物、氮化熔化合物粉末（碳化物、硼化物、氮化物和硅化物）的主要方法，与物和硅化物）的主要方法，与还原法制取金属粉末原法制取金属粉末极极为相似。碳、硼和氮能与相似。碳、硼和氮能与过渡族金属元素形成渡族金属元素形成间隙固溶体或隙固溶体或间隙化合物，而硅与隙化合物，而硅与这类金属元素只能金属元素只能形成非形成非间隙固溶体或非隙固溶体或非间隙化合物。隙化合物。60.难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用的性能，因此在的性能，因此在现代技代技术中已被广泛地用来作中已被广泛地用来作为硬硬质合金、耐合金、耐热材料、材料、电工材料、耐工材料、耐蚀材料以及其他材料以及其他材料地基体。材料地基体。2.4 气相沉气相沉积法法 在粉末冶金技术中应用气相沉积法有几种方式：金属蒸气冷凝、羰基物热离解、气相还原以及化学气相沉积。一、粉末制一、粉末制备技技术61.一、粉末制一、粉末制备技技术2.4.1金属蒸气冷凝金属蒸气冷凝法法 这种方法主要用于制取具有大蒸气种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属的金属（如（如锌、镉等）粉末。由于等）粉末。由于这些金属的特点是具有些金属的特点是具有较低的熔点和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，便可形成很细的球形粉末。2.4.2羰基物基物热离解法离解法 羰基物基物热离解法离解法(简称称羰基法基法)就是离解金属就是离解金属羰基化合物而制取金属粉末的方法。用基化合物而制取金属粉末的方法。用这种方法不种方法不仅可以生可以生产纯金属粉末，而且如果同金属粉末，而且如果同时离解几种离解几种羰基基物的混合物，物的混合物，则可制得合金粉末；如果在一些可制得合金粉末；如果在一些颗粒粒表面上沉表面上沉积热离解离解羰基物，就可以制得包覆粉末。基物，就可以制得包覆粉末。图1-12是常是常压羰基法制取基法制取镍粉的工粉的工艺流程。流程。62.一、粉末制一、粉末制备技技术 图1-12 常常压羰基法制取基法制取镍粉的工粉的工艺流程示意流程示意图63.2.4.3化学气相沉化学气相沉积法法 化学气相沉化学气相沉积法（法（CVD)CVD)是从气是从气态金属金属卤化物（主要是化物（主要是氯化物）化物）还原化合沉原化合沉积制取制取难熔化合物粉末和各种涂熔化合物粉末和各种涂层，包括碳化物、硼，包括碳化物、硼化物、硅化物和氮化物等的方法。在沉化物、硅化物和氮化物等的方法。在沉积法法过程中程中也可用等离子弧法，也可用等离子弧法，这种方法可用来种方法可用来制取微制取微细碳化物。碳化物。图1-13为等离子弧法装置示意等离子弧法装置示意图。64.一、粉末制一、粉末制备技技术 图1-13 等离子弧法装置示意等离子弧法装置示意图65.2.4.4气相气相还原法原法 气相气相还原法包括气相原法包括气相氢还原法和气相金原法和气相金属属热还原法。气相原法。气相氢还原是指用原是指用氢还原气原气态金属金属卤化物，主要是化物，主要是还原金属原金属氯化物。此法化物。此法可制取可制取钨、钼、铌、铬、钒、镍、钴等金属等金属粉末，也可同粉末，也可同时还原几种金属原几种金属氯化物而制得化物而制得合金粉末，也可以制取包覆粉末。此法所得合金粉末，也可以制取包覆粉末。此法所得粉末一般都是很粉末一般都是很细或超或超细的。而用的。而用镁气气还原原四四氯化化钛、四、四氯化化锆等属于气相金属等属于气相金属热还原。原。66.一、粉末制一、粉末制备技技术2.5 液相沉淀法液相沉淀法 用液相沉淀法可以制取复合粉末，一般有两种方案：（1）用基体金属和弥散相金属盐或氢氧化物在某种溶液中同时析出达到均匀分布，然后经过干燥、分解、还原过程以得到基体金属和弥散相的复合粉末。（2）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，经过干燥和还原就得到以弥散相为核心，基体金属包覆在弥散相核心外面的包覆粉末。67.一、粉末制一、粉末制备技技术 2.6 电解法解法 在一定条件下，粉末可以在在一定条件下，粉末可以在电解槽的阴极上解槽的阴极上沉沉积出来。一般出来。一般说来，来，电解法生解法生产的粉末成本的粉末成本较高，因此在粉末生高，因此在粉末生产中所占的比重是中所占的比重是较小的。小的。电解粉末具有吸引力的原因是它的解粉末具有吸引力的原因是它的纯度高。度高。电解法解法制取粉末主要采用水溶液制取粉末主要采用水溶液电解和熔解和熔盐电解。解。水溶液水溶液电解可以生解可以生产铜、铁、镍、银、锡、铅、铬、锰等金属粉末；在一定条件下也可以使等金属粉末；在一定条件下也可以使几种元素同几种元素同时沉沉积而制得而制得铁镍、铁铬等合金等合金粉末。粉末。图1-141-14为电解解过程示意程示意图。68.图1-14 电解解过程示意程示意图 一、粉末制一、粉末制备技技术 69.一、粉末制一、粉末制备技技术 熔熔盐电解法可以制取解法可以制取钛、锆、钽、铌、钍、铀、铍等等纯金属粉末，也可制取如金属粉末，也可制取如钽铌等合金粉末，以及制取各种等合金粉末，以及制取各种难熔化合物粉末。影响熔熔化合物粉末。影响熔盐电解解过程和程和电流效率的主要因素有：流效率的主要因素有：电解解质成分、成分、电解解质温度、温度、电流密度和极流密度和极间距离等。距离等。图1-151-15为电解制解制钽示意示意图。图1-15 电解制解制钽示意示意图70.一、粉末制一、粉末制备技技术3.本章本章小小结 综上所述，制取粉末的方法使多种多样的，并且在工程中应用的所有金属材料几乎都可以加工成为粉末形态。在选择制取粉末方法时，应该考虑到对粉末所提出的要求和遵循经济的原则。当需要采用廉价的粉末作原料时，经济问题便是