讲义2-粉末冶金

第二讲材料合成与制备--粉末冶金成形工艺课件下载：[e-mail]密码：cailiao1234第一章概述（绪论）第二章金属粉末的生产（制取）第三章溶胶-凝胶法，电解法等第四章凝胶注模成型第五章粉末注射成形第六章自蔓延高温合成成形第一章概述（绪论）一、粉末冶金定义粉末冶金是制取金属粉末并用金属粉末（或金属粉末的非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料，复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金零件二、基本工艺制粉成形烧结1.制粉以块状材料或化合物粉末等为原料，采用物理、化学方法制取金属粉末。粉末颗粒：粒径介于0.1μm~1mm的固体颗粒2.成形压制金属粉末使其具有一定形状、尺寸、孔隙度、强度的坯块过程3.烧结粉末或压坯在低于主要组分熔点温度一下的加热处理，过程为粉末颗粒之间的粘结，使制品达到所需的性能。特点：1.经济：效率高、成本低2.性能优越：无偏析、晶粒细小等。例如：粉末超合金（高温合金）可避免成分的偏析；粉末高速钢，其性能比熔铸法生产的好，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，具有细晶粒组织，使热加工性大为改善3.工艺和设备简单但另一方面，粉末冶金制品的材料成本相对较高，它的尺寸、形状受限制，不适于单件或小批量生产。三、应用航空航天电子行业汽车军用器械生物材料体育运动食品火箭中的耐热部件、发动机组以及涡轮片等重要部件均采用粉末冶金方法制备航天飞机航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再进入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器，粉末冶金方法为其重要的材料制备方法之一。电子封装材料各向异性NdFeB粘结磁体AlN支架电子行业军工Fe-Ni合金枪保险栓和机心――2000年获奖产品Fe-Ni合金手枪零件节省成本40%集束箭弹小箭钨基合金箭头铁基合金尾翼霰弹枪军用器械高尔夫球杆第二章粉末的制取一、概述粉末冶金技术的三部曲：——制粉、成形、烧结!粉末制备是一切粉末冶金技术的基础，如果没有粉末制备技术，相当于无米之炊！1什么是粉末？粉末冶金制品或材料，同制成它们的粉末一样属于固态物质，而且化学成分和基本的物理性质（材料的熔点，密度和显微硬度）也相近，但是就分散性和内部颗粒的联结性质而言，是不一样的，因而按分散程度不同，把固态物质分成致密体、粉末体和胶体三类。致密体：1mm；晶粒之间没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联结。胶体：0.1μm；粉末体：0.1μm~1mm。其粒大小在1mm~0.1mm（微米）之间，颗粒之间有许多的小孔隙，而且联结面很小，面上的原子间不能形成强的键力。因此粉末体不像致密体那样具有固定的形状，而表现为与液体相似的流动性，然而由于颗粒间相对移动时存在摩擦，粉末流动性又是有限度的——简称粉末：是指由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。胶体微粒：其大小在0.1微米以下，微小的颗粒之间的距离更大，置于溶液中能悬浮——液溶胶体，仅存在类似分子布朗运动引起的粒子间不规则的碰撞，而因联结力是极微弱的。粉末冶金用的原料粉末基本上是在粉末体的范围内，但是在特殊情况下也用毫米级以上的粗颗粒。同时，0.1微米以下的超细粉末的应用也日渐增加。粉末体是由大量的颗粒组成。下面介绍什么是粉末颗粒。粉末颗粒粉末中能分开并独立存在的最小实体，称为单颗粒。颗粒与邻近的颗粒粘附，有时是很紧密的，有时是很脆弱的。单颗粒可能是单晶（的）颗粒，但大多为多晶颗粒，晶粒间不存在宏观空隙。2粉末性能化学成分：各种元素的含量及杂质含量。物理性能：形状、粒度、粒度分布……颗粒密度、硬度、光学、声学、电学、磁学、热学性能……熔点、蒸汽压、比热容……工艺性能：松装密度、振实密度、流动性、压缩性、成形性1．化学性能粉末的化学性能包括化学成分，主要是金属的含量和杂质的含量。杂质主要指：（1）主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的Si、Mn、C、S、P、O等。（2）从原料和从粉末生产过程中水进的机械夹杂，如硅酸盐，难熔金属或碳化物等酸不溶物。（3）粉末表面吸附的氧，水汽和其它气体制粉工艺水进来的杂质有：水溶液电解粉末中的氢、气体还原粉末中溶解碳，氮或氢，羰基粉末中溶解的碳等。2．物理性能粉末的物理性能主要包括：颗粒形状，颗粒大小和粒度组成，比表面积，颗粒密度，显微硬度，光学和电学性质，溶点，比热，蒸气压等热学性质，由颗粒内部结构决定的X射线，电子射线的反射和衍射性质，磁学与半导体性质等。（1）颗粒形状：是指粉末颗粒的几何形状，将粉末试样均匀分散在破璃片上，用放大锐或各式显微镜观察，可发现粉末的单颗粒具有相似的形态（样子），颗粒形状主要由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶因素有关。颗粒形态规则形态：颗粒的外形或结构规则。不规则形态：外形与结构难以用几何参数表征。颗粒形状与粉末生产方法的关系颗粒形状粉末生产方法a．球形氢相沉积，液相沉积，氢体雾化，羰基粉末b．近球形气体雾化，（水治法）置换溶液c．片状塑性金属机械研磨d．多角形机械粉碎e．树枝状水溶液电解f．不规则形水雾化g．多孔海绵状金属氧化物还原h．碟状（盘状）金属涡旋研磨粉末（1）粉末颗粒的形状和表面结构，可以采用肉眼或放大镜观察，但一般因颗粒细小，可采用生物显微镜，电子透射显微镜与扫描电镜等方法观察。但是，准确地描述粉末颗粒是很困难的。在测定和表示粉末粒度时，常常采用所谓形状因子或形状系数作为描述颗粒形状的参数。如果颗粒都有相同的简单几何形状，如球体等可用颗粒直径表示，可是实际的颗粒几乎总是很不规则的，仅用长宽高来表示是很不准确的。（2）颗粒密度：粉末材料的理论密度，通常不能代表粉末密度，因为颗粒几乎总是有孔的，有的与颗粒外表面相通，叫做开孔或半开口。（一端相通），颗粒内不与外表面相通的潜孔叫做闭孔。所以计算颗粒密度时，看颗粒的体积是否包括这些孔隙的体积而有不同的值。真密度：颗粒质量用途去开孔和闭孔的体积除的商值——理论密度。似密度：颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积去除的值——比重瓶密度（用比重瓶法测定的）有效密度：颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒体积除的密度值。显然它比上述两种密度值都低。在粉末颗粒中闭孔孔隙是难以测定的。（3）显微硬度粉末颗粒的显微硬度与普通金属的显微硬度值测量方法大体相同，都是采用显微硬度计，而去测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算得到的。不同之处是先将粉末试样与电木粉或有机树脂粉混合，在1-2吨/厘米2压力下制成小压坯，然后加热至140℃固化。磨样抛光后，在20克-30克负荷下测量显微硬度。（微观的维氏硬度）3．工艺性能松装密度：粉末颗粒自然地充填规定的容器时，单位容积内自由松装粉末的质量。振实密度：是在振动或敲击之下，粉末紧密充填规定容积后，所测得的密度。适用于克/cm3，难熔金属及化合物，比松装密度高20-50%。流动性：50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间,单位秒/50克压缩性：粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位压力下，粉末所达到的压坯密度表示。或者用在坯密度随压制压力变化的曲线图表示。成形性：粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用粉末能够成形的最小单位压力表示。或用压坯强度来衡量。（1）松装密度在粉末压制操作中，常采用容量装粉法，也就是用充满一定容积的压模型腔的粉末量来控制压件的密度和单重，这就要求每次装粉量是同样重量，重量相同是由粉末的松装密度来保证。二厂的引进设备流水线的自动压力机上采用容积法称重。因松装密度是粉末自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的粘附力，相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度。虽然敲击或振动会使粉末颗粒堆积得更紧密，但粉末体中仍存在大量的孔隙，其所指的体积——（称为）孔隙体积。孔隙体积与粉末体的表现体积之比称为孔隙度。体末体的孔隙度包括了颗粒之间空隙的体积和颗粒内更小的孔隙体积。若以d代表粉末体的密度（松装密度）以d代表粉末材料的理论密度或颗粒的真密度，粉末体孔隙度，而称为粉末体的相对密度，用P代表。粉末体的孔隙度或松装密度不仅与颗粒形状，颗粒的密度有关系，而且和颗粒的表面状态，粉末的粒度和粒度组成都有关系，颗粒的形状愈复杂孔隙度。粉末平均粒度大，松装密度增大，细粉末而成拱桥和互相粘附防碍颗粒相对移动。粒度组成的影响是粒度范围窄的粗粉末或细粉末的松装密度都较低。而且粗和细的颗粒按一定比例混合后，可获最大松密。（2）流动性粉末流动性也是不仅仅取决于粉末的性质，同时还与颗粒密度和粉末松装密度有关。例如球形粉末，粗颗粒粉末的流动性好，粒度组成中，极细粉末占的比例愈大流动性小，若颗粒表面吸附水分，气体或加入成形剂均会降低粉末的流动性。也就是说颗粒之间粘附作用大，流动性小。粉末流动性好坏是实现自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。（3）压缩性与成形性。压缩性与成形性总称为压制性。压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，表示方法分三种：一、在标准的模具中，在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度表示。二、也可以用压坯密度随压制压力变化的曲线图表示——即压制曲线。影响压缩性的主要因素是塑性或显微硬度。塑性好则压缩性大，球磨过的金属粉末，退火后塑性改善，压缩性提高。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。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯的强度来衡量。成形性受颗粒形状和结构影响最为明显；颗粒松软、形状不规则颗粒细小的粉末，压紧后颗粒的联结增强，成形性就好，例如还原铁粉的压坯强度就比雾化铁粉高。而雾化粉的压缩性好，松密高。强度就比雾化铁粉高。而雾化粉的压缩性好，松密高。一般说来，成形性好的粉末，往往压缩性差，而压缩性好的粉末，成形性差。粒度测定方法（直观）粉末粒度的测定方法分成三种：筛分显微沉降分析1.筛分析法适用于测定粉末颗粒的几何学粒径dg。几何学粒径dg：在显微镜下，按投影几何学原理测出来的粒径。但由于颗粒形状复杂，由投影像来决定投影径不太容易，以哪个方向的投影为主呢？一般是根据在颗粒中最稳定平面垂直的方向投影所得到的投影像为主。测量范围：40微米以上的中等和粗粉末的分级和粒度测定。操作方法：称取一定重量（50克或100克）的粉末。使粉末依次通过一组筛孔尺寸由大至小的筛网，按粒度分成若干级别，用相应筛网的孔径代表各级粉末的粒度。只要称出各级粉末的重量，按重量百分数来表示各级粉末的粒度组成。筛分析常用的标准筛是由5-6个筛孔尺寸不同的筛盘加上盖和底盘所组成，在专用的振筛机上作筛分析试验。筛网标准：筛网是由金属丝编织的，直径8英寸，筛框高25-50mm，微米筛直长约3英寸，可过筛度粒度至5微米。目前，国际标准采用泰勒筛制。泰勒筛从网目数表示筛网的孔径和粉末的粒度。所谓目数是筛网1英寸长度上的网孔数，因目数都已注明在筛框上，所以有时又称筛号。目数愈大，网孔愈细。由于网孔是网面上丝间的开孔，每一英寸上网孔数与丝的根数应相等，所以网孔的实际尺寸还与丝的直径有关。如果以m代表目数，a代表网孔尺寸，d代表丝径。m=25.4/(a+d)显微镜法该测量方法适用于粉末颗粒和几何学粒径dg。特点：直接观察，测量范围宽。主要是用于40微米以下的粉末，而最佳测量范围是20-0.5微米。另外显微镜法还可以用来校准或比较其它粒度测定方法。沉降分析沉降分析方法适用于测定当量粒径。根据斯托克斯定律，球形粉末颗粒在粘性介质中的沉降速度与粉末颗粒的半径有关，但实际粉末的颗粒并不都是球形。故与理论有出入，所以用此法测出的直径相当于球形颗粒直—当量粒径。沉降分析分成液体沉降：沉降天平法，离心沉降法等……气体沉降：氮气沉降分析仪，气流沉降法等……优点：粉末取样较多，代表性好，使结果的统计性提高，并适用于较宽的粒度范围（50-0.01微米）；加上应用电子和计算技术，沉降装置