粉末冶金

粉末冶金简介粉末冶金——制取金属粉末或用金属粉末(或金属与非金属粉末)作为原料，经成型、烧结，制取金属复合材料及各种制品的工艺技术。与陶瓷生产相似，又称为金属陶瓷；一、发展历史公元前3000年，古埃及人用C还原氧化铁制成海绵状的铁，经高温锻造成致密块状的Fe,再制出铁器；本世纪初，电灯W丝问世(爱迪生发明)，使粉末冶金得以迅速发展；粉末冶金发展中的三个重要标志1、克服难熔金属(W、Mo)熔铸过程的困难；电灯的W丝(W粉－成型－烧结－锻造－拉丝)硬质合金刀具的制造，比工具钢寿命↑几十倍；2、20世纪30年代以后，用粉末冶金法制造多孔含油轴承，随后发展了铁基机械零件，发挥了其无切削、少切削工艺特点；3、20世纪40年代之后到现在，发展金属陶瓷、弥散强化材料、粉末高速钢、粉末超合金；粉末冶金－工艺过程：制取粉末－成型－烧结－烧后处理－制成品；二、制取粉末方法：两大类－物理化学法、机械制粉法；1、还原制粉法：金属氧化物或盐，经过还原反应，制取金属粉末；广泛用于制取：Fe、Cu、Co、W、Mo粉末；如：直接利用铁矿石、或轧钢中的铁磷(冶金废料)还原铁粉：FexOy＋C＝Fe粉―碳还原法古老的生产海绵铁的方法；WO3＋H＝W粉――气体还原法；Ca还原TiO2＝TiMg、Na还原TiCl4、ZrCl4等―金属热还原法；2、电解法制粉：如：从硫酸铜中电解制取Cu粉，当电解的电流大到一定程度时，在阴极析出Cu粉末，若电流小时得到电镀层，而得不到粉末；3、雾化法制粉：属于机械制粉法－适合熔点较低的金属及合金雾化法－只要克服液态金属或合金，原子间的键合力，就能使之分散成为粉末，能量消耗小，二流雾化法－用高速气流或高压水流，击碎金属液流，①平行喷射气流～液态金属流平行；1－66；②垂直喷射气流或水流～液态金属流垂直；1-67如粒度较粗的Zn、Al粉、硅酸铝耐火纤维；③互成角度的喷射－应用最多V型喷射1－68锥型喷射1－69旋涡环形喷射超细粉末：常采用气动法－用高速气流吹散熔融金属流，金属流在气动作用下分散成许多细小的微粒，同时冷却、凝固；高速气流：亚音速(接近273m/s)，超音速－1.8马赫；离心雾化法－利用机械旋转的离心力，将金属液流击碎；旋转电极法：要雾化的金属或合金制成自耗电极，在电弧作用下熔化，在1～2.5万转/min旋转的离心力下→破碎；1－87旋转电极法：旋转坩埚法：1－884、机械粉碎法－较适合于脆性材料，实际生产中应用最多；建材行业－水泥、玻璃、陶瓷；选煤厂、发电厂－磨煤机；选矿厂－磨矿机等；分类：压碎－碾碎、辊轧、鳄式破碎击碎－锤磨击碎＋磨削－球磨机、棒磨机等球磨机－磨球＋物料＋滚筒(旋转)①低速时：磨球自然泻落，物料的破碎靠摩擦作用；②合适转速时：磨球抛落，冲击＋摩擦作用，效果最好；③临界转速及以上：没有破碎作用；影响因素：转速－工作转速/临界转速＝0.7~0.75磨球抛落，适于较粗较脆的物料；＝0.6磨球滚动，用于研磨较细的物料；装球量－装球体积/滚筒体积＝装填系数一般取0.4～0.5；球料比－装料量应以填满磨球的间隙，并稍微掩盖住球体表面为原则；球的大小－一般是大小磨球配合使用，磨球直径≤(1/18～1/24)滚筒直径；研磨介质－空气－干磨；液态－水、酒精、丙酮、汽油等－湿磨；5、粉末性能及测定成分－金属粉末、合金粉末、金属化合物粉末；聚集状态单颗粒、二次颗粒；2－1外形－球形、多角形、树枝形2－4；粒度：粗粉－150～500微米；中粉－40～150微米，细粉－10～40微米；极细粉－0.5～10微米超细粉－0.5微米以下；纳米粉－100纳米及以下；粒度测定：筛分法－40微米以上粉末常用，标准筛网：采用泰勒(Tyler)筛制－国际标准；习惯上采用网目数表示目数－筛网1英寸(25.4mm)上的网孔数，目数↑，粒度↓；目数m＝25.4/(a+d)a－网孔尺寸，d－丝的直径；目数366080100120180240280320尺寸微米400～500250～315160～200125～160100~12563~8050~6340~5028~40三、成型液体受压其个向受力均匀，粉末在模具内受力是不均匀的，粉末颗粒间彼此摩擦、相互楔住，压力的传递，垂直方向大、横向小；压坯的密度分布：密度分布、硬度分布3－28单向压制双向压制3-30特殊成型：等静压成型－高压泵将介质压入高压容器，粉末装入弹性模套内粉末在同一时刻在各个方向均匀受压制成压块；4－1热等静压成型－同时施加高压＋高温使粉体的压制、烧结一次完成，强化压制和烧结过程，显著提高致密度提高力学性能；4－17四、烧结概念－粉末压坯，在适当的温度和气氛中，所发生的物理化学变化，由粉末颗粒的聚集体→晶粒的聚集体；颗粒之间发生粘结、强度↑，多数情况下密度也↑粉末有自动粘结的倾向(比表面积大，能量高)，特别是极细粉末；烧结是制品达到所要求的性能－关键；烧结的热力学过程－5－1①烧结初期：颗粒之间接触点或面→晶体结合，经过形核长大→烧结颈；即颗粒界面→晶粒界面，烧结体不收缩，密度↑极小，强度、导电性明显↑②烧结颈长大：原子向结合面迁移→烧结颈扩大→颗粒间距↓，烧结体收缩，强度、密度↑；③闭孔球化和缩小：当相对密度达到90%时，多数孔隙完全被分隔，闭孔数量↑↑，孔的形状→趋于球形并缩小，体积仍在收缩；三个阶段的界线不十分明显；烧结机制－烧结中，粘结面变化、孔隙球化和缩小－发生物质的迁移，烧结机制是研究：物质迁移方式和速率；具体－表面扩散、晶格扩散(空位和间隙原子运动)、晶界扩散、蒸发与凝聚、塑性流动、晶界滑动等。烧结方法固相烧结－烧结温度比所含金属及合金的熔点都低；多元液相烧结－烧结温度：低于高熔点组分的熔点、高于低熔点组分；五、烧后处理整型、浸油、机加工、热处理、电镀、轧制、锻造；六、应用举例1、硬质合金应用——调质钢、贝氏体钢、塑料模具钢机加工,采煤机截齿、凿岩机钎头、切削工具刃口都镶焊着硬质合金。特点——硬度和耐磨性比任何种类的钢都高。红硬性高；不需热处理，也不能够热处理。可以避免成分偏析，组织均匀；主要成分－WC(1730HV)－TiC(2850~3200HV)，－TaC(1547HV)，钽(tan)－NbC(2055HV)，－用高韧性的钴粉作粘接材料，分类和牌号YG类（钨钴类）—Y、G：硬、钴，其后数字代表钴含量。牌号后面的“C”表示为粗晶粒合金，“X”表示细晶粒合金。YT类（钛钨类）－除WC、Co外，还有硬度比WC更高的TiC粉末。耐磨性高但强度和韧性低。YW类－新发展起来的硬质合金，含有TaC，红硬性提高。用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、高速钢等切削性能差的钢材。硬质合金的牌号、成分、性能类型牌号成分(％)性能(≥)WCCoTiCTaCTS(Mpa)HRA钨钴YG3973110091YG3X973100092YG6946140089.5YG6X946135091YG6C946－88.5YG8928150089钨钴钛YT58596130089.5YT1579615115091YT306643090092.5钨钴钛钽YW184664125092YW282864150091YW378679150092YW47861151300922、多孔材料含油轴承：Fe粉＋石墨粉＋硬脂酸锌＝混合、压制、烧结、浸油；孔隙度15～35％，具有自润滑性；应用－飞机、汽车、冶金矿山机械、农机、家电可消除润滑油的污染，用于食品纺织机械；其他应用－过滤器、消声元件利用比表面积大的特点－多孔电极和催化剂；利用毛细管效应－散热装置，热交换器3、W－Cu假合金－制造电触头材料4、难溶金属材料－W－Cu－Ni合金：液相烧结，W与Cu不互溶，W在Ni中溶解度较大，50%，Cu与Ni可互溶，1350℃烧结时，Cu、Ni全部熔化，W溶解度达18%90%W-Cu-Ni重合金，密度＞17－接近理论密度，强度与钢相近，易于机加工，应用－精密仪器(陀螺仪)平衡锤、自动钟表的摆锤、穿甲弹头等；