中南大学粉末冶金原理课本重点(共80页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上培养动手能力 学一门手艺 打发时间 兴趣爱好4、如果学校开设一家DIY手工艺制品店，你是否会经常去光顾？（3）个性体现因此不难看出，自制饰品在校园里也大有市场所在。对于那些走在流行前端的女生来说，捕捉新事物便捕捉到了时尚与个性。（1）价格低民族性手工艺品。在饰品店里，墙上挂满了各式各样的小饰品，有最普通的玉制项链、珍珠手链，也有特别一点如景泰蓝的手机挂坠、中国结的耳坠，甚至还有具有浓郁的异域风情的藏族饰品。1www。cer。net/artide/98897。shtml。“碧芝”的成功归于他的唯一，这独一无二的物品就吸引了各种女性的眼光。调研要解决的问题：上海市劳动和社

2、会保障局所辖的“促进就业基金”，还专门为大学生创业提供担保，贷款最高上限达到万元。课程名称： 粉末冶金学Powder Metallurgy Science第一章 导论1 粉末冶金技术的发展史History of powder metallurgy粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法。 粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达6.5T的“DELI柱”（含硅Fe合金，耐蚀性好）。.19世纪初，由于化学实

3、验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，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起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。钨灯丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工业部门的广泛应用。随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的制造成本生产高性能零部件的技术优点。.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。.战后，迫使人们开发研制更高性能的

4、新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高强度铁基粉末冶金零部件(热锻)。大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领域。.粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。2 粉末冶金工艺粉末冶金技术的大致工艺过程如下：原料粉末+添加剂（合金元素粉末、润滑剂、成形剂）成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）烧结（加压烧结、热压、HIP等）粉末冶金材料或粉末冶金零部件 后续处理Fig.1-1 Typical Processing flowchart for Powder Metallurgy Technique3 粉末冶金技术的特点.低的生产成本： 能耗小， 生产率高，材料利用率

5、高，设备投资少。 工艺流程短和加工温度低加工工序少少切削、无切削.材料成分设计灵活、微观结构可控（由工艺特征决定）：能制造普通熔练法不可能生产的材料，如W-Cu、SnO2-Ag、WC-Co、Cu-石墨、金属陶瓷（TiC-NiCr,Al2O3-Ni或Cu,TiB2-Cu等）、弥散强化材料（Al2O3-Cu Al2O3-Al，Y2O3-Fe基合金）、粉末超合金（非相图成分）、难熔金属及其合金如钨钼、含油轴承、过滤材料等。.高的性能：粉末高速钢、粉末超合金因无成分偏析和稳定的组织（细的晶粒）而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）。主要不足之处：.由于受设备容量的限

6、制，传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零部件的尺寸较其它加工方法（铸造，机加工等）小；.材料韧性不高；.零部件的形状复杂程度和综合力学性能有限等。 正被新型成形技术（如无模成形技术，温压成形，注射成形）逐步克服。4 粉末冶金材料及其零部件的应用由于粉末冶金材料及其零部件较其它加工方法制造的零部件的成本低，以及其性能能满足特种要求，因而粉末冶金零部件和材料在国民经济各部门的应用十分广泛。如：.汽车制造业的各种粉末冶金零部件；.机加工工业中的切削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；.计算机的原器件用电子封装材料；.机械制造业的减磨零件和结构部零件；.航天航空业中的耐热材料

7、及结构零部件；.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、低成本）；.建材工业用金刚石工具材料等。.环保与化工用催化剂及过滤器件。总之，粉末冶金材料与人们的生活密不可分，在国民经济和国防建设中发挥重大作用。而且，随着粉末冶金新技术和新工艺的开发与应用，粉末冶金的技术上的优越性也更加显著，应用领域不断扩大。如温压成形技术的出现使粉末冶金零部件在轿车上的应用水平由原来的13.2Kg/辆增加到22Kg/辆，大大扩大了粉末冶金零部件的应用范围。5 粉末冶金的未来发展. 大量高性能铁基粉末冶金结构零部件的开发与应用。组织均匀的全致密、高性能难加工材料的开发与应用。非平衡材料（amo

8、rphous,microcrystalline,metastable alloys）.特种新型材料的开发与应用（纳米复合材料，梯度复合材料）. 新型成型与烧结技术的开发. 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间的关系粉末冶金作为一种加工方法，主要从成本和性能上弥补其他加工技术上的不足。与其它加工技术一样同属材料科学与工程的范畴，为人类社会的文明和进步不断提供物质基础。特别是，在新材料的研制和开发过程中，粉末冶金技术因其独特的工艺优势将继续发挥先导作用。第二章 粉末的性能与测试方法简介1 粉末及粉末性能1 粉末颗粒与粉末体的概念 习惯上，人们按分散程度将自然界的固体分为三类，即

9、致密体（1mm）、粉末体（0.1m1mm）和胶粒（38m）粉末的粒度分析。测得粉末颗粒的最大外形尺寸。目或网目数m：指筛网上一英寸长度内的网孔数。目数，网孔 m=25.4/(a+d)其中a=网孔尺寸； d=网丝径。且一英吋等于25.4mm。筛网标准：使用较多的是泰勒筛制。其分度方法是以200目的筛孔尺寸（0.074mm）为基准，依次乘以主模数21/2得到比得200目更粗的150、100、65、48、35目；对于小于200目的筛网，则依次除以主模数21/2得到比200目更细的270、400目。若所需的筛网粒级更加密集，则可用副模数21/4去乘或除。与上一筛制相比较，筛网数量增加一倍。 筛分析法简

10、单快捷，工业用铁、铜基粉末常采用此法来分析粉末的粒度组成。4.2显微镜法(Microscopy)：A光学：粒度大于1m；B 电镜：粒度大于0.001m。此法测得的是颗粒定向径或投影径。并且，易于观察颗粒的表面形貌。 借助于图像分析仪可进行快速定量分析。43 沉降分析(Sedimentation)：适合于粒度细小粉末的分析。原理：重力G=d3g/6 浮力F=d3og/6 运动阻力R=3dv。沉降天平法测定 根据斯托克斯Stocksian公式，在静止在水中，物 体沉降速度与其直径平方成正比： 其中：1 沉降物质密度 g/cm3 ; 2 介质密度 g/cm3; d 颗粒直径cm; 介质粘度当颗粒受力

11、处于平衡状态时（即Fi=0），颗粒在液体中匀速运动。不难想象，粒度较粗的颗粒在沉降初期，因受到较大的重力作用而具有较大的初速度而较快地到达沉降天平的托盘。细小颗粒较后到达。单位用厘米克秒表示： d=175/(-o)0.5(h/t)0.5=沉降介质的粘度；=颗粒的密度（有效密度）；o =介质的密度；h=沉降起始高度；t=沉降时间沉降法分析一个球形粉末粒度，设颗粒直径为8微米，如果粉末分散在设定100mm高的水柱中，求粉末沉降的速度： v=h/t=gd2(1-2)/(18) 这里，H=height=0.1m g=地球引力常数=9.8m/s2 d=颗粒直径=810-6m 1=Ni粉密度=8.9103

12、kg/m3 2 =水密度=103kg/m3 =水的粘度=10-3kg/m/s 算出的速度为2.810-4m/s，对于设定高度为0.1米, 相应的时间是约360s或6分钟,雷诺系数为2.210-3 一般采用沉降天平分析。44 X-射线衍射：纳米粉末的粒度分析45 激光衍射5 粉末比表面(Specific surface area)粉末克比表面Sm：1克质量的粉末所具有的总表面积，m2/g；粉末体比表面Sv：单位体积粉末所具有的总表面积，m-1。便于不同材质粉末的比表面大小的比较。二者间的关系：Sv=松Sm对于颗粒形状相似的粉末体，Sm，颗粒尺寸。粉末颗粒的比表面取决于颗粒形状、粉末粒度及其组成、

13、颗粒的表面粗糙程度。粉末的比表面决定了粉末的成形性和烧结性的好坏，是粉末的重要性能。3 1气体吸附法BET法（测量二次颗粒和一次颗粒），原理：利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，由气体分子的截面积换算出单位质量粉末的表面积。 Sm =VmN0Am/(22400M)Vm=吸附在粉末颗粒表面的单分子气体的总体积；N0=阿佛加德罗常数；Am=被吸附气体分子的截面积； M =粉末质量气体被吸附是由于固体表面存在有剩余力场，根据这种力的性质和大小不同，分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力的作用，气体以分子状态被吸附；后者是化学键力起作用，相

14、当于化学反应，气体以原子状态被吸附测试方法：分为容量法和质量法。前者直接测量被吸附单分子气体的体积，而后者则称量吸附前后粉末质量的变化，得到吸附量，再转换成气体分子的体积。52空气透过法（Air permeability）：测量空气流过一定厚度粉末床后压力的变化。适合于微小粉末粒度和比表面的测定。Fsss气体透过法测外比表面，测二次颗粒 3粉末的工艺性能（Processing property）1 粉末松装密度(apparent density)与振实密度（tap or packing density）松装密度（俗称松比） 粉末在规定条件下自然填充容器时，单位体积内粉末质量。取决于粉末的制备方

15、法粉末颗粒的形状（导致机械啮合和产生拱桥效应的机会）、颗粒的密度（自然填充的动力，固体的理论密度和内孔隙存在与否）及表面状态（粗糙程度，决定了颗粒之间的摩擦力）、粉末的粒度及其组成（ 拱桥效应粉末颗粒间的摩擦力+颗粒重力）及粉末的干湿程度（液膜导致颗粒间粘附力）。a、粒度：粒度小，流动性差，松装密度小b、颗粒形状：形状复杂 松装密度小 粉末形状影响松装密度，从大到小排列：球形粉类球形不规则形树枝形c、表面粗糙，摩擦阻力大，松装密度小d、粒度分布：细分比率增加，松装密度减小; 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉e、粉末经过适当球磨和氧化之后，松装密度提高f、粉末潮湿，松装密度提高

16、 g颗粒密度：颗粒密度大，自动填充能力强，松装密度大粉末振实密度（tap density） 在规定的条件下，粉末受敲打或振动填充规定容器时单位体积的粉末质量。振动作用为颗粒间的相互填充创造条件（输入动力和减小颗粒间填充前的摩擦力）。因而，其数值大于粉末的松比。振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的空隙，所占体积称为空隙体积。空隙体积与粉末体的表观体积之比称为孔隙度；.粉末体的孔隙度=孔隙体积/粉末表观体积=1-/m（相对密度d）；.相对体积是相对密度的倒数1/d=m /1，且=1-1/理比值称为粉末体的相对密度，用d表示，其倒数1/d称为相对体积。粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒

17、的密度和表面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种综合性质。由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时， 0.476，最松散的堆积 0.259，最紧密的堆积如果颗粒的大小不等，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低；颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；2 流动性（flowability,flow rate）：50克粉末从标准漏斗流出所需的时间，以秒/50g表示。一般来说，粉末的流动性与其松比成正比。即粉末的松装密度愈高，其流动性愈好。粉末的流动性反映颗粒间内摩擦力的大小。在粉末压制过程中，流动性决定了粉末填充模腔的均匀性和自动压制可实现程度。若粉末的流动性太差，需对粉末进行制粒处

18、理。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 ，流动性下降a、与颗粒密度和粉末松装密度有关：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spherical 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; b、同松装密度一样，与粉末体颗粒的性质有关： 等轴性粉末、粗颗粒粉末的流动性好； 粒度组成中，极细粉末所占比例愈大，流动性差c、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(binder, lubricant) 降低粉末的

19、流动性;d、颗粒的形状复杂和粗糙度增大，颗粒间的相互摩擦和咬合阻碍它们相互移动，将显著影响流动性；e、粉末被氧化，摩擦系数降低，流动性提高 f、粉末潮湿将大大降低流动性3 粉末的压制性（Compactability）：粉末的压缩性与成形性的总称。.压缩性（Compressibility）：表示粉末在指定的压制条件下，粉末被压紧的能力。一般用压坯密度（或相对密度表示）表示。主要取决于粉末颗粒的塑性，颗粒的表面粗糙程度和粒度组成。粉末加工硬化，压缩性能差；退火后，塑性改善，显微硬度下降，压缩性提高；当压坯密度较高时，塑性金属粉末内含有合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性；碳、氧和酸不溶物含量

20、的增加使压缩性变差；粉末颗粒越细，压缩性越差，成形性越好；由于压制性由压坯密度表示,因此凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响.成形性（Formability）：粉末经压制后，压坯保持既定形状的能力。一般用压坯强度表示。即颗粒间的结合强度和有效接触面积大小反映了粉末颗粒的成形性能。.影响因素：除了粉末的塑性（颗粒的显微硬度颗粒合金化、氧化与否，粒度组成）以外，其它因素（粉末颗粒形状、颗粒表面状态、粒度）对两者的影响规律恰好相悖。为了制取高压缩性与良好成形性的金属粉末，除设法提高其纯度和适当的粒度组成以外，表面适度粗糙的近球形粉末是一重要技术途径。 4 化学成分1 粉末化学成分 金属粉末的化学成

21、分包括主要金属的含量和杂质含量。化合物粉末还包括主要元素含量是否与化学计量一致的问题。粉末中的主要杂质的种类：.与主要金属结合，形成固溶体、化合物，还原铁粉中的Si,Mn,C,S,P,O；钨粉中钼、钠等；.机械夹杂：SiO2、Al2O3，毛刷纤维材料，舟皿和球磨机内壁材料成分等.制粉方法固有的杂质：如羰基法引入的游离C等，还原铁粉中的硅酸盐杂质的存在造成粉末工艺和物理性能的下降。2 主要分析内容 除分析主要成分的含量以外，还需测定其它成分（包括杂质）的含量。2.1金属粉末的氧含量若氧与金属成分形成可还原的氧化物或部分固溶在金属中的氧。这部分氧的含量通常采用氢损法测定。但若金属粉末中还存在可与氢

22、形成挥发性化合物的元素如碳和硫，则导致测定值高于实际氧含量。该法适合于一般工业用Fe、Cu、Ni、Co、W、Mo粉的氧含量分析。若粉末中含有不被氢还原的氧化物（如钙、硅、磷、铝、铬、锰等），则测定值低于实际氧含量。O2含量测定， 氢损值-用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x100% A，粉末（5克）加烧舟tray的质量； B，氢气中煅烧后残留remained物加烧舟的质量； C，烧舟的质量 对于超细或纳米（金属或非氧化物陶瓷）粉末，由于表面能和活性极高，导致氧的大量吸附，氧含量很高。这些氧对后续加工带来相当的困难，如在超细或纳米硬质合金的生产过程中，造成合金

23、碳含量控制和烧结致密化等困难。2.2金属粉末的杂质的测定 一般采用酸不溶物法测定。采用有机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解粉末试样，经过滤和高温煅烧，称量计算。如：铁粉盐酸不溶物=盐酸不溶物的克数/粉末试样克数100%铜粉硝酸不溶物=（不溶物克数-相当于锡氧化物的克数）/粉末克数100%作业题：教材164页中1、3、4、5及“粉末压缩性与成形性的影响因素有哪些？怎样协调两者间的矛盾？”。第三章 粉末制备技术粉末性能取决于粉末制备方法，对粉末冶金材料的性能和加工过程的影响极大。因此，对于具体的应用要求必须选择好合适的粉末原料。对于粉末冶金工艺过程来说，粉末的制备技术是关键的第一步。1粉末制备方法概述

24、及分类1物理化学法1. 1还原法：.碳还原法（铁粉）.气体（氢和一氧化碳）还原法（W,Mo,Fe,Ni,Cu,Co及其合金粉末）.金属热还原法（Ta,Nb,Ti,Zr,Th,U）SHS自蔓延高温合成。1.2还原-化合法：适合于金属碳化物、硼化物、硅化物、氮化物粉末1.3化学气相沉积CVD1.4物理气相沉积PVD或PCVD（复合粉）1.5电解法：水溶液电解（Cu,Fe,Ni,Ag粉）；熔盐电解（Ta,Nb,Ti,Zr,Th等活泼金属粉末）1.6羰基物热离解法：Fe,Ni,Co粉末2 机械法2.1机械研磨：铬粉，铁铝合金，硅铁合金，钼铁合金，铬铁合金等脆性金属或合金粉末。2.2雾化法：包括气体雾化

25、（空气和惰性气体）和水、油雾化以及旋转电极雾化等。.气体雾化：铁、铜、铝、锡、铅及其合金粉末（如青铜粉末、不锈钢粉末）；.水雾化：铁、铜及合金钢粉末；.旋转电极雾化：难熔金属，铝合金、钛合金、超合金粉末，工具钢粉末。.其它形式的雾化：2粉末冶金铁粉的制造在粉末冶金材料及其零部件中，铁基粉末冶金零部件在工业领域中的应用最为广泛。因而，在一般的工业领域，粉末冶金零部件一般指的是铁基粉末冶金。本节主要介绍固体碳还原法和雾化法，并介绍一种铁粉制造新技术。1 还原铁粉固体碳还原法(carbon reduction)1.1基本原理：1.1.1还原反应 氧化物MeO被还原剂X还原的还原通式可表示如下： Me

26、O+X=Me+XOX-还原剂, Me-金属氧化物, MO-金属氧化物每种氧化物都有各自的离解压，离解压越低，氧化物越稳定MeO有离解压，XO也有离解压decomposed pressure ，前者离解压大于后者, MeO才能被X还原。XO离解反应标准自由能变化应小于MO离解反应自由能的变化，这样XO才比MO稳定，这时，这时，XO的离解压小于MO的离解压，还原反应正向进行。 氧对X的亲和力大于对Me的亲和力，推广之，对氧的亲和力大于被还原的金属时，都可以作为该金属氧化物的还原剂。还原剂X的选择依据：a.GMeOGXO；或 Z xo Zmeo 或 PO2(XO) PO2(MO)b.还原剂的氧化产物

27、和还原剂本身的组份不污染被还原金属或易被分离。而该反应又可看成下述两个基本反应组成，即： Me+0.5O2=MeO (1) X+0.5O2=XO (2)将（2）-（1）得到上述总反应。由热力学可知，还原反应的标准等压位变化为 Go=-RTlnKp G2o=-RTlnKp1=0.5RTln(PO2)XO G1o=-RTlnKp2=0.5RTln(PO2)MeO Go=G2o-G1o = 0.5RTln(PO2)XO-ln(PO2)MeO = 0.5RTln(PO2)XO/(PO2)MeOY，X=1.5,4/3,1；Y=4/3,1,0。当X=0，则铁被还原。A.固体碳不是直接的还原剂，CO才是直接

28、还原剂。虽然固体碳也能还原铁的氧化物，但反应界面很小，碳的固相扩散速度与碳以CO形式的气相迁移相比几乎可以忽略，在整个还原过程中处于次要地位。B.若将Fe-O,C-O两相图的重叠，当温度T570，Y值在4/310范围内依次变化即由Fe2O3Fe3O4浮斯体（FeO. Fe3O4固溶体）Fe（金属铁）； 当T570，则Y值在4/30之间依次变化（此时氧化亚铁不能稳定存在）。Fe3O4被CO开始还原成FeO的温度为650，使FeO还原成金属Fe的开始温度为685。TT2温度，为C的气化反应所形成 CO%高于平衡下所需CO，Fe稳定存在。 IF C的气化反应产生CO% 高于Fe2O3存在状态所需要的CO，but，不足于将FeO还原成Fe的气相中的CO，因此T1T2之间，FeO稳定存在。 在T1温度之下，只有Fe3O4稳定存在。 只要还原温度高于650，就有利于还原反应正向进行，有利于还原过程。 在9001000，CO稳定存在，因此升高温度有利于还原过程。 1.1.2还原动力学 氧化铁的固体碳还原速度受上述两固气反应控制，并遵循着CO的吸附（在铁氧化物表面）、反应、CO2解吸的基本规律。当