粉末冶金学.

粉末冶金学材料科学与工程系目录第一章粉末冶金概述第二章粉末体及其制备技术第三章成型理论及工艺第四章烧结理论及工艺第五章粉末冶金材料及制备第一章粉末冶金概述概念过程特点应用及地位今后的发展定义粉末冶金是一门研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制成型，烧结和必要的后续处理来制取金属材料和制品的科学技术。第一个标志是，二十世纪初，由于电气技术的迅速发展，迫切地寻找各种新的电光源材料。第二个标志是，本世纪三十年代采用粉末冶金工艺制造多孔含油轴承获得成功第三个标志是：粉末冶金新工艺，新材料在近二三十年来，不断向高水平新领域方面开拓.粉末冶金工艺的基本工序1.原料粉末的制取和准备，粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其他各种化合物。2．将粉末成型为所需形状的坯块。成型方式有简单的压制、等静压制、轧制、挤压、爆炸成型等。3．坯块的烧结。烧结在物料主组元熔点以下的温度进行，以使材料和制品具有最终的物理、化学和力学性能。粉末冶金的特点1．绝大多数难溶金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。2．材料的利用率高、生产效率高。因为压坯往往压制成零件的最终尺寸，而不需要或很少需要随后的机械加工。通常用粉末冶金的方法生产制品时，金属的损耗只有1~5%，而用一般熔铸方法时，损耗可能达到80%。3．有可能制取高纯度的材料。因为粉末冶金工艺与熔铸法不同，在材料生产过程中，不会带给材料任何污垢。4．粉末冶金工艺本身较简单，易操作。5．粉末冶金制品的大小和形状受到一定限制，烧结零件的韧性较差。因为粉末成型时的模具加工比较困难，而且也受到压制力的限制。6．对某些产品小批量生产时，成本较高，因为粉末成本高，但为了得到某些独特性能的产品而采用小批量生产也是合算的。粉末冶金材料的应用1．机械零件和结构材料2．多孔材料3．电工材料4．工具材料5．粉末磁性材料6．耐热材料7．原子能工程材料8．粉末冶金武器材料粉末冶金技术的特点及其在新材料研究中的作用（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。粉末冶金学科优先发展方向（1）发展粉末制取新技术、新工艺及其过程理论。重点是超细粉末和纳米粉的制备技术，快速冷凝制备非晶、准晶和微晶粉末技术，机械合金化技术，自蔓延高温合成技术，粉末粒度、结构、形貌、成分控制技术。总的趋势是向超细、超纯、粉末特性可控方向发展。（2）建立以“净近形成形”技术为中心的各种新型固结技术及其过程模拟理论，如粉末注射成形、挤压成形、喷射成形、温压成形、粉末锻造等。（3）建立以“全致密化”为主要目标的新型固结技术及其过程模拟技术。如热等静压、拟热等静压、烧结－热等静压、微波烧结、高能成形等。（4）粉末冶金材料设计、表征和评价新技术。粉末冶金材料的孔隙特性、界面问题及强韧化机理的研究。第二章粉体性能及制备技术§2-1粉体的概念§2-2粉体的性能指标§2-3粉体的制备物理化学法:还原法,电解法机械法:雾化法,机械粉碎法§2-1粉末体的概念固体材料:致密体(1mm)\粉末体\胶体(0.1μm)由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。团粒\单次(一次)颗粒\二次颗粒晶粒各种粉末实物图锌粉铁粉合成金刚石粉不锈钢粉粉末实物照片纯钨粉Al2O3和C粉a)b1mm粉末颗粒的形状球形、近球形、片状、多角形、树枝状、多孔海绵状、碟状、不规则形§2-2粉末的性能1、化学成分：主要金属的含量和杂质的含量2、物理性能:颗粒密度,显微硬度,颗粒大小,粒度组成,比表面积3、工艺性能：包括松装密度、摇实密度、流动性、压缩性和成型性。§2.2.1化学成分金属的含量:常规化学分析技术★碳硫分析仪★反应气相色谱法★示差热导法★燃烧法★光谱法化学元素分析杂质含量分析氧含量\杂质含量杂质(1)与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分。(2)从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂。(3)粉末表面吸附的氧、水汽和其它气体。氧含量的测定:氢损法,测定可被氢还原的金属氧化物的那部分氧含量，适用于Fe、Cu、W、Mo、Co等粉末。氢损值=挥发物的重量(试样重量-残留物重量)/试样重量×100%杂质含量的测定:酸不溶法.铁粉盐酸不溶物=盐酸不溶物的克数/粉末试样克数×100%库仑分析仪§2.2.2物理性能(1)颗粒密度：真密度（理论密度）：颗粒质量与除去开孔和闭孔颗粒体积所得的商值。似密度：颗粒质量与包括闭孔在内的颗粒体积之商。表观密度（有效密度）：颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒体积去除所得商。测试方法:比重瓶法使用设备:分析天平密度的测试方法金属丝称量装置空气中称量,水中称量112mmm水ρ---试样密(g/cm3),m1-----试样在空气中的称量值(g),m2----试样在水中的称量值(g),ρ水---测量温度下水的密度(g/cm3)物理性能(2)显微硬度：与致密材料测试方法类似。一般粉末纯度愈高，硬度愈低。颗粒形状:显微镜法.比表面积：1克质量的粉末所具有的总表面积，用米2/克或厘米2/克表示。费氏仪(测粉体的比表面积)费氏仪原理费氏法属于稳流(层流)状态下的气体透过法,基于空气在恒定压力下先透过粉末堆积体,然后通过可调节的针形阀流向大气。根据空气透过粉末堆积体时所产生的阻力和流量求出粉末的比表面积和平均粒度。粉末的比表面积由Kozeny-Carman方程给出:费氏仪由空气泵、稳压管、样品管、压力计、针形阀和粒度读数板等部件组成,见图2。当气泵开动后,空气流经过滤器进入带有水的竖立稳压管,然后流过干燥剂管,除去水分后流进样品管,最后通过针形阀流向大气。每次测定,粉末试样预先须由齿条和手轮等部件构成的压制机构按试样高度曲线压制成对应孔隙率下的高度。当空气通过试样堆积体时,将产生一定的压力降。被测颗粒越大,产生的压力降越小,而U形管压力计水位上升越高,在粒度读数板上读出的粒度值越大。反之越小。U形管压力计有双重作用,它既是压力计,又是流量计(毛细管流量计),其值既表示空气通过粉末试样堆积体后的压力,又表示空气经粉末试样堆积体通过针形阀的流量。.物理性能(3)粒径（粒度）：以毫米或微米表示的颗粒大小。仅指单颗粒而言。粒度组成（粒度分布）：把具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度组成。一般指整个粉末体。测试标准:几何学粒径：筛分析、光学显微镜、电子显微镜、电阻法当量粒径：沉降法、离心法、水力学法比表面粒径：吸附法、透过法、润湿法光衍射粒径：用于粒度接近电磁波波长的粉末。泰勒筛制泰勒筛制的规格:直径8英寸,高25~50毫米泰勒筛制的分度:以200目的筛孔尺寸0.074mm为基准如:由粗到细具体有35\48\65\100\150\200\270\400等,其模数依次为21/2.目数：指筛网1英寸长度上的网孔数。目数愈大，网孔愈细。粉末粒度测试结果的表示方式目数粒径大小(mm)数量(g)百分比(%)+80+0.1750.50.5-80~+100-0.175+0.1475.05.0-100+150-0.147+0.10417.517.5-150+200-0.104+0.07419.019.0-200+250-0.074+0.0618.08.0-250+325-0.061+0.04320.020.0-325-0.04330.030.0图表表示:还原铁粉的筛分析粒度组成激光粒度测试仪Stokes（斯托克斯）沉降定律算出最大粒径：（μm)式中η—沉降介质在不同温度下的粘度（泊）；ρs—被测样品粉末的真密度，（g/cm3）；ρ0—沉降介质在不同温度下的密度，（g/cm3）；h—最大粒径的沉降高度，（cm）；t—最大粒径的沉降时间，（分）。th1750smax）（D粉末粒度测试结果的表示方式§2.2.3工艺性能松装密度：是粉末试样自然地充填规定的容器时，单位容积内粉末的质量（克/厘米3）。摇实密度：是在振动或敲击之下，粉末紧密充填规定的容器后所得的密度，比松装密度一般高20~50%。流动性：50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间。单位为秒/50克。压缩性：指粉末在压制过程中被压紧的能力。用规定单位压力下（我国标准为4吨/厘米2压力下压制75克粉末试料）粉末所达到的压坯密度表示。成型性：指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末得以成型的最小单位压制压力表示或用压坯强度（S=3PL/2t2W）来表示。松装密度和流动性测试装置条件:孔径为2.5mm\5mm标准漏斗,底部与量杯距离25cm.（a）装配图(b)流速漏斗(c)量杯松装密度装置结构图流动性测试安息角测量示意图松装密度流动性的影响因素粒度和粒度组成：粉末颗粒愈粗，松装密度较大；愈细则减小。极细粉末占的比例愈大，流动性愈差。粉末颗粒的形状：颗粒形状愈不规则，松装密度愈小。等轴状（对称性好）或粗颗粒粉末流动性好。粉末空隙度：粉末空隙度愈小，松装密度愈大。若粉末的相对密度不变，颗粒密度愈高，则流动性愈好；若颗粒密度不变，相对密度增大会使流动性提高。颗粒松软，形状不规则的粉末，成型性好。塑性金属粉末比硬脆材料粉末的压缩性好。松装密度高，压缩性好。一般压缩性和成型性是矛盾的统一体。§2-3粉末制取方法概述粉末制取方法分类:物理化学法和机械法.采用哪种方法制粉末不仅是由于技术上有可能使用这些方法（如还原、研磨、电解），而且还由于粉末及其制品质量在很大程度上取决于制粉的方法。生产中选择制粉方法主要考虑以下两个因素。①低的成本②粉末的性能颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等Ⅰ还原法用还原剂还原金属氧化物及盐类来生产金属粉末是一种最广泛采用的制粉方法。MeO(金属氧化物)+X(还原剂)=Me+XO那么到底哪些物质能做哪些氧化物的还原剂呢？这可由金属氧化物的标准生成自由能图中得出：氧化物的标准生成自由能-温度图氧化物的标准生成自由能-温度图的说明随温度升高，△G°增大，各种金属的氧化反应愈难进行，由于随温度升高，金属对氧的亲和力减小。因此，还原金属氧化物通常要在高温下进行△G°-T关系线在相变温度处，特别是在沸点处发生明显的转折，这是由于系统的熵在相变时发生了变化。CO生成的△G°-T关于系统得走向是向下的；即CO的△G°随温度升高而减小。即这条线与很多金属氧化物的△G°相交。这说明在一定温度下碳能还原很多金属氧化物。如Fe、W的氧化物。2H2+O2=2H2O的△G°-T关系线在Cu、Fe、Ni、Co、W等氧化物的关系线以下，说明在一定条件下氢可以还原Cu、Fe、Ni、Co、W等氧化物位于图中最下面的几条关系线所代表的金属如Ca、Mg等与氧的金和力最大。所以Ti、Zr、Th、U等氧化物要用Ca、Mg作还原剂，这就是所谓的金属热还原。在同一温度下，图中位置愈低的氧化物，其稳定性愈大，即该元素对氧的亲和力愈大。反应动力学----反应进行的速度以及各种因素对反应速度的影响★在粉末冶金中所碰到的多数是多相反应。特别是固-气多相反应。气体间