粉末冶金材料及制备技术

1粉末冶金材料及制备技术郑海忠E-mail:[e-mail]联系方式：M栋106室(答疑地点)13576993858南昌航空大学材料学院2目录绪论一、粉末的制取二、粉末的性能及测定三、成形四、烧结五、粉末冶金材料和制品3原料粉末的制备制备方法：化学法、物理法及机械法粉末种类：铁粉、不锈钢粉、低碳钢粉、合金粉、铜粉、铝粉、非金属粉等粉末形状：光滑形、不规则形绪论41.在不同状态下制备粉末的方法1.1在固态下制备粉末的方法（1）从固态金属与合金制取金属与合金粉末的有机械粉碎法和电化腐蚀法；（2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的还原法；（3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的还原－化合法。一、粉末制备技术51.2在液态下制备粉末的方法（1）从液态金属与合金制取金属与合金粉末的雾化法；（2）从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法；从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法；从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法；（3）从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法；从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法。一、粉末制备技术61.3在气态下制备粉末的方法（1）从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法；（2)从气态金属羰基物离解制取金属、合金粉末以及包覆粉末的羰基物热离解法；（3）从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法；从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法。一、粉末制备技术7从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法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态而获得粉末的。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。表1-1为制取粉末的一些方法。一、粉末制备技术8表1-1粉末生产方法一、粉末制备技术9续表1-1一、粉末制备技术102.常用的粉末制备方法2.1机械粉碎法固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常常作为某些制粉方法的补充工序。机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。依据物料粉碎的最终程度，可以分为粗碎和细碎两类。以压碎为主要作用的有碾压、锟轧以及颚式破碎等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。实践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。塑性金属或合金制取粉末多采用涡旋研磨、冷气流粉碎等方法。一、粉末制备技术112.1.1机械研磨法研磨的任务包括：减少或增大粉末粒度；合金化；固态混料；改善、转变或改变材料的性能等。在大多数情况下，研磨的任务是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化，现状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。（1）研磨规律在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：冲击、磨耗、剪切以及压缩。在球磨机中球体运动的方式有四种（如图1-1）：滑动、滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动。一、粉末制备技术12临界转速与圆筒直径有关，其关系为：球体发生滚动的临界条件为：一、粉末制备技术图1-1在球磨机中球体运动示意图(a)滑动；(b)滚动；(c)自由下落；(d)在临界转速时球体的运动13（2）影响球磨的因素球磨机中的研磨过程取决于众多因素：装料量、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例、研磨介质以及球体直径等。研磨硬而脆的材质时，可选用球筒直径D与长度L之比D/L3的球磨机，这时可保证球体的冲击作用。当D/L3时，只发生摩擦作用，此时适于研磨塑性的材质。在一定范围内，增加装球量能提高研磨效率。如果把球体体积与球筒容积之比称为装填系数，则一般球磨机的装填系数取0.4～0.5为宜。随转速的提高，装填系数可略为增大。一、粉末制备技术14在研磨过程中要注意球体与物料的比例。一般在球体装填系数为0.4～0.5时，装料量应以填满球体的空隙，稍掩盖住球体表面为原则。可取装料量为球磨筒容积的20％。球体的大小对物料的粉碎有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选用10～20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用5～10mm大小的硬质合金球。（3）强化球磨球磨粉碎物料是一个很慢的过程，因此提高研磨效率、强化球磨效果很有意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。图1-2为一种湿式振动球磨机。一、粉末制备技术152.1.2机械合金化它是种高能球磨法。用这种方法可制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。它是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进行进行合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末来实现机械合金化。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，用较粗的原材料粉末(50～100μｍ)可制成超细弥散体（颗粒间距小于1μｍ）。制造机械合金化弥散强化高温合金的原材料都是工业上广泛采用的纯粉末，粒度约为1~200μｍ。对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15％（容积）的可压缩变形的金属粉末。一、粉末制备技术16图1-3为机械合金化装置示意图。机械合金化与滚动球磨的区别在于使球体运动的驱动力不同。图1-2斯韦科湿式振动球磨机图1-3机械合金化装置示意图一、粉末制备技术172.2雾化法雾化：将熔融金属或合金直接破碎成细小液滴，然后冷凝成粉末。始于第二次世界大战生产铁粉。方法：二流雾化（水流、气流）、离心雾化、真空雾化、超声波雾化等。流程：金属→熔化→破碎→液滴→冷凝→粉末一、粉末制备技术雾化聚并凝固外力冲击相互接触冷却18过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。很明显，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小；反之亦然。一、粉末制备技术19过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。一、粉末制备技术20金属或合金先由电阻炉或感应电炉融化，再注入金属液中间包内。金属液由上方孔流出时液流与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。一、粉末制备技术21雾化过程的四种情况动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。一、粉末制备技术22气雾化的四个区域•负压紊流区—高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；•颗粒形成区—在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；•有效雾化区—气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；•冷却凝固区—细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。一、粉末制备技术23一、粉末制备技术24原理：熔融金属借助介质（水、气、离心力、真空、超声波能量）的作用破碎成液滴，然后凝固成粉末。整个过程只要克服液体金属原子间的结合力就能把液体金属分散成液滴。相比较而言，机械法要克服固体金属原子间的结合力。因此，从能量消耗来看，雾化法是一种简便且经济的粉末冶金方法。一、粉末制备技术雾化制粉分类双流雾化指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化252.21.二流雾化（水雾化或气雾化）借助高压水流或气流的冲击来破碎熔融金属流。图2-2水雾化和气雾化示意图(a)水雾化；(b)气雾化一、粉末制备技术26（1）二流雾化形式a.平行喷射：气流与金属流平行；b.垂直喷射：气流或水流与金属流成垂直方向；c.V形喷射：气流或水流与金属流成一定角度；d.锥形喷射：气体或水从平均分布在圆周上的小孔喷出，构成一个封闭的锥体，交汇于锥顶点，将流经该处的金属流击碎；e.旋涡环形喷射：压缩气体从切想方向进入喷嘴内腔，然后以高速喷出形成一封闭的锥体，金属流在锥底被击碎。一、粉末制备技术27图2-5二流雾化形式一、粉末制备技术28图2-7V形水喷射形式一、粉末制备技术29图2-6二流雾化喷嘴结构α—气流与金属流间的交角；A—喷口与金属流轴间的距离；D—喷射宽度；P——漏嘴突出喷嘴部分(2)二流雾化喷嘴作用：使雾化介质获得高能量、高速度，稳定雾化效率和雾化过程。一、粉末制备技术30（3）气雾化雾化介质：高压惰性气体粉末形状：球形图2-9气雾化粉末形成过程图2-8气雾化装置一、粉末制备技术31（4）水雾化起源：1872年Marriott（英国）发明蒸汽熔化金属并雾化；1950’s英国PMLtd.发明雾化喷嘴，制备有色金属；1954英国B.S.A.CoLtd和瑞典Hoganas生产水雾化铁粉雾化介质：高压水粉末形状：不规则形粉末粒度：其中D—常数；α——金属流与水流轴间的夹角。一、粉末制备技术32图2-10水雾化装置一、粉末制备技术33气雾化和水雾化的区别粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。一、粉末制备技术34气雾化颗粒形貌水雾化铜粉颗粒形貌一、粉末制备技术35(5)水雾化机理：a.溅落机理：所得金属液滴与水滴飞行方向相反；b.擦落机理：所得金属液滴与水滴飞行方向相同。图2-11水雾化模式一、粉末制备技术36（6）雾化粉末性能：a.粒度、粒度分布及可用粉末收得率；b.粉末形状、松装密度、流动性、坯块密度及比表面；c.粉末的纯度和结构。（7）影响二流雾化粉末性能的因素：a.雾化介质气雾化可得球形粉末，水雾化得不规则形粉末，水冷却能力强且廉价，用于含氧化物的金属或合金，用于制取易氧化金属或合金粉末。b.金属流金属的表面张力、粘度、过热度及金属流直径；c.雾化装置金属流长度、喷射长度、喷射角度。一、粉末制备技术37油雾化1980’sSumitomoMetals发明，主要用来制备低氧含量粉末。优点：杂质含量低：O(0.01%)缺点：C含量不易控制；多生产高碳钢粉末粉末粒度：~70um一、粉末制备技术382.离心雾化（离心力）一、粉末制备技术离心雾化法是借助离心力的作用将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。1974年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。3940旋转电极雾化：将要雾化的金属作为旋转自耗电极，国定的钨电极产生电弧，使金属熔化。制备高合金粉末、活性金属粉末（Zr、Ti）、超合金粉末等。一、粉末制备技术41一、粉末制备技术42旋转坩埚雾化：有一固定电极和一个旋转水冷坩埚，电极和坩埚内的金属之间产生电弧时金属熔化，在离心力作用下，熔融金属在坩埚出口处被破碎成液滴。制备铝合金、钛合金、镍合金粉末。一、粉末制备技术43旋转盘法：旋转盘法最早于1976的美国Pratt&Whitney飞机制造公司研制出，用来制备超合金粉末。这种方法获得的粉末平均粒度同园盘转速有关，转速越高，则平均粒度越小，细粉收得率越高。一、粉末制备技术44一、粉末制备技术45旋转轮法一、粉末制备技术46旋转杯一、粉末制备技术47旋转网一、粉末制备技术483.超声波雾化利用超声波能量破碎金属流成液滴。高速气体脉冲以600