第4篇-粉末冶金(PM)..

一、绪论1.概念：通过粉末的制备、成形及烧结制备材料或零件的技术。材料：金属，非金属，复合材料2.粉末冶金发展概况19世纪初：铂粉1909年：粉末可锻钨的生产1923年：硬质合金20世纪30年代：多孔轴承，铁基机械零件1968年：粉末高速钢第4篇粉末冶金（PM）3.特点1)可制备熔铸法不能生产的材料多孔材料难熔材料（难熔金属，金属间化合物，陶瓷）各类复合材料非平衡组织材料（假合金，过饱和固溶体等)2)可生产性能更好的一些材料制取偏析小的合金（高速钢，高温合金）组织细小、均匀和加工性能好的稀有金属配料锭3)少切削或无切削加工。4)缺点：粉末成本高；制品形状及尺寸受限制；制品韧性较差。3/19粉末制备烧结成形工序粉末混合机械法和物理化学法。球磨法、雾化法等加入必要的润滑剂、其他合金元素4.主要工序后序加工清洗包装浸油、整形、少量机加工一般结构零件:•多孔材料•难熔金属•复合材料•电接触材料•耐热材料5.应用汽车变速器系统用粉末烧结钢件:产品简介汽车发动机用粉末烧结钢零件产品简介产品简介金属切削刀片硬质合金刀具：产品简介9广泛应用于工业生产结论产品简介第8章粉末制备按性质分：机械粉碎法，物理化学法按状态分：固体，还原法气体，气相沉积法液体，雾化法，电解法8.1.还原法1)基本原理基本反应：MeO+X=Me+XO条件：△Z（XO）△Z（MeO）常用还原剂气体还原剂-氢：可还原Cu，Fe，Co，Ni，W等固体还原剂-碳：包括Al在内的许多金属熔体还原剂-Ca，Mg，Al（金属热还原）：可还原Ti，Th，Zr等2）还原法制粉举例氢还原钨原理WO3——WO2。9——WO2。72——WO2——W其中，WO3——WO2过程颗粒长大严重影响W粉粒度和纯度的因素原料：颗粒、杂质、水分氢气：湿度↓流量↑、逆向通气——钨纯度↑，粒度↓工艺：温度、推舟速度、料层厚度工艺种类：一段还原、二段还原二段还原优点：粒度↓，均匀度、生产率↑二段还原工艺：WO3——WO2——过筛——W粉——过筛——合批——过筛——成品8．2机械粉碎法1．定义：通过压碎、击碎、研磨等方式将材料机械地粉碎成粉末的方法2．分类机械研磨法：球磨、棒磨、震动球磨、搅动球磨——脆性材料旋涡研磨——塑性材料冷气流粉碎——塑性材料一．机械研磨法球磨1）球磨基本规律A.磨球的运动状态•泻落：转速小——滚落、滑落•抛落：转速适中•无相对运动：超过临界转速B.抛射角αcosα=Rn2/900，R——球磨桶半径C.临界转速当cosα=1，n=42.2/D1/2，D——球磨桶直径D.自然坡度角β自然β——坡度角，n↑，β↑tgβ自然=μ/COSθ，μ——摩擦系数；θ——取决于装球量当ββ自然，滚动ββ自然，滑动转速0.70-0.75n临界：抛落——粗磨0.6n临界：滑落=0.6n临界：滚落装球量：装填系数=装球体积：球磨筒体积（0.4-0.5）球料比：太大，球磨损大；太小，效率低球的大小：d≤（1/18—1/24）D，其中d——磨球直径研磨介质：干磨，湿磨物料性质：脆性/韧性2)影响球磨的因素二．其它机械粉碎法（塑性材料）1．旋涡研磨1）原理：主要依靠物料之间相互撞击、物料与磨壁、螺旋桨之间的撞击进行研磨2）特点：粉末细、呈蝶形、可利用边角料2．冷气流粉碎1）原理：高压（7MPa）——大气压，绝热膨胀——降温——粉碎2）特点：粉末细、不规则、无氧化8．3雾化法1．定义：直接击碎液态材料而获得粉末的方法2．应用范围：可熔化的金属材料、液相的非金属材料3．种类•二流雾化：气雾化、水雾化•离心雾化：旋转（圆盘、电极、坩埚）雾化•超声雾化•转辊雾化一).二流雾化1.二流：液流、介质流2.雾化原理：利用介质流直接冲击液流获得粉末的方法。3.种类：水雾化、气雾化4.影响雾化粉末性能的因素雾化介质•化学特性：氧化、其它杂质•动能：W=1/2mv2，W↑，粉末细•冷却能力：↑，粉末形状不规则↑金属液流表面张力及粘度：•表面张力↑——球形粉末↑，粉末粒度↑•粘度↑，粉末粒度↑，粉末不规则↑金属液流直径：↑，粉末粒度↑，生产率↑过热温度：↑——流动性↑，粘度↓，球形粉末↑，O、N↑，一般50-2500C其它因素•金属液流长度：↑，细粉↑•聚粉桶直径：↑——球形粉↑，粗粉↑•冷却介质：冷却能力↑——不规则↑，细粉↑5.适用范围：•气雾化：各种金属；球形粉，如Cu，Zn等•水雾化：高熔点金属；不规则粉末，如Fe二)．离心雾化（简介）1．原理：利用机械旋转形成的离心力将液态金属击碎并冷凝成粉末2．分类8．3粉末的性能一．分类化学组成：纯度及杂质组成、物理性能：颗粒形状与结构、颗粒大小和粒度组成、比表面积、密度及声热光电磁等性质。工艺性能：流动性、松装密度、压制性等力学性能：强度、硬度、塑性等二．粉末的粒形、粒度及组成1．颗粒形状，见图8-172．粒度及其组成：1）粒度：颗粒的直径2）粒度组成:全部粉末中不同粒度颗粒的分布(粒度级别见表8-7)3）表示：工业中采用筛分方法测定，筛号表示粒度。1．松装密度：粉末自然填充规定容器时，单位容积粉末的质量。见图8-18决定装粉量2．流动性：50g粉末从标准的漏斗中流出所需的时间。见图8-18影响自动装粉和压制密度的均匀性。3．压制性：压缩性和成形性的总称。影响压制密度和强度。三．粉末的工艺性能第9章粉末的成形1.定义：使金属坯料密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的生坯的工艺.CompactionProcess压制过程2.种类普通模压成形：单向压制、双向压制特殊成形：等静压制、粉浆浇注、连续成形、流延法、爆炸成形9．1成形前的原料准备1．退火1）目的提高粉末纯度消除加工硬化稳定晶体结构表面钝化2）工艺温度：0.5-0.6Tm气氛：惰性气体、分解氨、真空、氢气2．筛分：粉末按粒度分级3．混料•机械法：干混、湿混•化学法：通过液相化学反应的方法使混料更加均匀。4．加添加剂•成形剂：提高粉末成形强度。如合成橡胶、石蜡等•润滑剂：减小成形摩擦。如硬脂酸钠等•造孔剂：帮助形成多孔材料。如碳酸铵5．制粒：将粉末制成团粒。——提高流动性。9．2粉末的压制过程一．粉末的位移与变形1．位移：2．变形：弹性变形、塑性变形、脆性断裂位移、变形→孔隙↓，接触面↑→密度、强度↑二．压坯强度1．强度的形成颗粒间机械啮合粘合成形剂作用2．评定抗弯强度——整体强度转鼓实验——边角强度三．压制压力与压坯密度的关系1．压坯密度的变化规律Ⅰ.P，ρ：主要发生位移，称滑移阶段Ⅱ.P,ρ几乎不变：脆性材料;ρ：塑性材料Ⅲ.P，ρ：以变形为主2．压制压力与密度关系lgPmax-lgP=L(β-1)式中：Pmax—相应于压至最紧密状态(β=1)时的单位压力；L—压制因素，反映压制时的应力—应变比；m—β—相对体积，β=1/(1-θ)，θ—孔隙度四．压坯密度分布1．粉末所受的力1）压制压力：P=P1+P2P1-—净压力；P2——克服粉体与模壁的外摩擦2）侧压力：P侧=ξPξ——侧压系数3）模壁摩擦力：F=μ·P侧2．压坯密度分布1）压坯密度分布的不均匀性•上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。•因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。•2）影响压坯密度分布的因素压坯形状：H/D密度分布均匀性模壁状况：μ密度分布均匀性压制方式：单向压制双向压制密度分布均匀性五．影响压制过程的因素1．粉末性能力学性能、粒度、纯度等的影响2．润滑剂和成形剂对成形有利，对烧结可能不利。3．压制工艺1）压制方式2）速度：均匀性3）保压时间：均匀性4）震动：均匀性5）磁场：9．3特殊成形一．等静压成形1．概念：同时在各个方向上受到相等的净压力作用而成形的方法2．原理：各向均匀加载+弹性模套3．分类：冷等静压和热等静压4．特点1）可制备复杂形状制品2）损耗小3）密度均匀4）压坯强度高5）烧结温度低6）尺寸精度和表面光洁度低7）生产率低8）设备投资大冷等静压设备类型（a）湿袋法（b）干袋法第10章烧结1．定义：烧结是粉末或粉末压坯在适当的温度和气氛中受热所发生的现象或过程。2．分类固相烧结单元系多元系互溶不互溶液相烧结10．1烧结基本过程及机构一．烧结基本过程1．粘结阶段：形成烧结颈宏观特征：密度变化很小，强度和导电性增加2．烧结颈长大阶段：颗粒距离减小，晶粒长大，孔隙大幅减小。宏观特征：烧结体收缩，密度、强度增加。3．闭孔隙球化和缩小阶段：通孔闭孔球化收缩通常可将烧结过程分成几步：二．烧结机构1．概念：烧结过程中物质的迁移及速率2．物质迁移方式：扩散、再结晶、塑性流动、蒸发与凝聚等两球几何模型10．2单元系烧结1．概念：纯金属、有固定化学成分的化合物及均匀固溶体的粉末在固态下烧结。2．特征：无新相或新的组成物出现，也不发生凝聚态的改变。一．烧结温度与时间1．烧结温度：2/3—4/5TmT烧结速度，但过大会使晶粒长大。2．烧结时间：t，性能，但影响小于烧结温度。二．烧结中密度与尺寸变化1．正常：收缩2．反常：胀大原因：1）内应力消除，抵消了收缩2）内部气体的存在3）聚晶长大4）同素异晶转变。三．烧结体显微组织的变化1．空隙：通孔闭孔球化2．再结晶与晶粒长大a)形变再结晶b)聚集再结晶四．影响烧结过程的因素1．结晶构造与异晶转变2．粉末活性3．外在因素1）氧化物2）烧结气氛4．压制工艺：对压坯密度及分布有影响10．3多元系固相烧结---互不溶系的固相烧结特点：•制备各类复合材料及假合金•常需后处理进一步致密化•常采用复合粉末或化学混料•性能受异相颗粒界面状况影响10．4液相烧结一．概念：有部分液相出现的烧结过程二．液相烧结条件1．润湿性：固-液相润湿2．固相在液相中有一定溶解度改善润湿增加液相数量有利于借助液相迁移冷却时析出可提高成分均匀性3．液相数量：以添满固相间隙为宜，一般20-50%三．液相烧结过程和机构1．液相生成及颗粒重排：致密化2．固相溶解和析出：颗粒球化合并、烧结体收缩3．固相骨架形成：固相接触及烧结四．组织形态•卵形：固相可溶解•多边形：固相不溶解本章重点•还原法制粉的条件及常用还原剂•球磨的基本规律•雾化粉末主要影响因素•粉末成形前退火的作用•压坯密度分布影响因素•烧结基本过程及机构•互不溶系烧结制品组织特点•液相烧结条件及机理。