讲义2-粉末冶金法

第二讲材料合成与制备课件下载：[e-mail]密码：cailiao1234--粉末冶金方法粉末冶金方法：第一章粉末冶金概述第二章金属粉末的制取第一章概述（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。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）金属涡旋研磨粉末粉末形状不规则形状球形粉末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。粉末粒度与粒度分布：一筛：泰勒筛制，表示方法：－100目＋200目目数以1英寸（25.4mm）长度上的网孔数计，对应一定粒度，如－100＋200目对应74～147μm。二看：用显微镜或电镜直接观测，统计一定数量粉末并计算平均粒径。三测：比表面：1g粉末所具有的总表面积（m2/g）通过比表面积计算名义粒径：d=6/(ρS)μm激光粒度小角度X射线散射……二、粉末分类金属粉末非金属粉末化合物粉末金属粉末还原铁粉，灰色不规则粉末，用作含油轴承、机械结构零件等的粉末冶金铜粉，浅玫瑰红树枝状或片状粉末，经特殊处理后抗氧化性较强，广泛用于硬质合金、金刚石工具、焊接电极、磨擦材料等粉末冶金制品，以及化学催化剂、导电油墨等。铝粉，银灰色粉末，用于金刚石工具、油漆和化学试剂等钨粉，深灰色，喷涂用钨粉呈亮灰色，用于硬质合金、金刚石工具、高比重合金、钨铼热电偶原料、触头合金等硅粉，灰色粉末，广泛用于电子、金刚石工具等行业硼粉，黑色不定形粉末，用于粉末冶金添加剂和热喷涂等表面涂层材料非金属粉末硒粉，无定形红色粉末，长期储存变黑色，用于化工、冶金、玻璃工业、浮法玻璃、镉红、电子工业、静电复印等领域碳粉，黑色粉末，用于制备复合材料，表面涂覆、硬质合金生产等领域。碳化钨粉，深灰色粉末，用于硬质合金、金刚石工具、钻头和各种硬质合金刀具化合物粉末二硅化钼粉，灰黑色粉末，用于电热涂层、耐热涂层、抗氧化保护涂层三、粉末制备的本质粉末形成是依靠能量传递到材料而制造新表面的过程，制造新的表面需要能量。这些能量一部分转化为材料颗粒的表面能但大部分转化为热能散失掉了将1m3的金属（表面积为6m2）制造成2×108个直径1μm的球形颗粒，其表面积大约为6×106m2。四、粉末制备方法分类离心雾化粉液体金属气雾化水雾化二流雾化雾化法冷气流破碎脆金属制粉涡旋研磨机械研磨机械破碎机械法机械法：将原材料粉碎而不改变原材料的成分粉）电腐蚀（金属合金粉）晶间腐蚀（不锈钢块电化学腐蚀法粉盐电解法：水溶液、熔盐盐液相沉淀：盐溶液、熔羰基物解离金属合金包覆蒸气压低的金属固相气相冷凝：气相（化学气相沉积）金属粉末气相金属卤化物气相金属热还原气相氢还原气相还原化合物、、、金属氧化物、、化合法还原金属热还原气体还原碳还原还原法物理化学法nCOMeMe(CO)nSiBNCCVDSiBNC物理化学法：借助物理、化学作用改变材料的化学成分或聚集状态获得粉末机械破碎法1.概念：靠压碎，击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末的一种简单的操作工艺。既是一种独立的制粉方法，又常作为某些制粉方法中不可缺少的补充工序例如：研磨电解法得到的硬而脆的阴极沉积物，研磨还原制得的海绵状金属块等，因此，机械粉碎法在粉末冶金生产中是很重要的一道工序。2.任务：改善粒度、混料、合金化、改善性能，如流动性、加工硬化。适用于：（1）用来粉碎脆性金属和合金，如锑、锰、铬、高碳铁、铁合金等以及研磨还原海绵状金属块或电解的阴极沉积物（2）可以研磨经特殊处理赋于脆性的金属和合金，例如研磨冷处理后的铅；研磨经氧化处理的钛。3.分类根据物料粉碎的最终程度，基本上可以分成粗碎和细碎两类粗碎设备碾碎机；双辊滚碎机；鄂式破碎机等（均属于压碾碎）细碎设备锤磨机；棒磨机；球磨机；振动球磨机；搅拌球磨机等（均属于以击碎）机械法：粉碎过程粗碎鄂式破碎机中碎轮碾机细碎球磨、振动磨、气流粉碎等1、球磨作用：粉碎、混料工作原理：球磨机是一个旋转的圆筒，筒内装有许多研磨体，当球磨机旋转时，筒内的研磨体将跟着一道旋转，到一定高度后，就自由落下，而将机筒内的物料击碎。同时研磨体在筒内还作相对滑动，对物料起研磨作用。球磨的基本规律球磨粉碎物料主要取决于球和物料的运动状态球和物料的运动又取决于球磨筒的转速、球和物料的运动。因而有三种基本情况：（1）球磨机转速慢球和物料沿筒体上升至自然坡度角然后滚下，称为泻落这时物料的粉碎主要靠球的摩擦作用（2）球磨机转速适宜球在离心力的作用下，随着筒体上升至此比第一种情况更高的高度，然后在重力作用下掉下来，称为抛落。这时物料不仅靠球与球之间的摩擦作用，而主要靠球落下时的冲击作用而被粉碎，其效果最好。（3）临界转速继续增加球磨机的转速，当离心力超过球体的重力时，紧靠衬板的球不脱离筒壁而与筒体一起回转此时物料的粉碎作用将停止。这种转速称为临界转速球磨机的三种旋转速度球磨临界转速计算如下：DRRgngRnRnGRvgGP4.4230301cos0900cos:)1((2)(2)3060Rn2v(1)cos222＝＝，即＝临界条件时，可得带入临界PGαPG影响球磨的因素（1）转速球体的运动状态是随筒体转速而变的。抛落：n=0.70~0.75n临界，适用于较粗，较脆的物料，需要冲击。滚动：n=0.60n临界，适用于研磨较细物料。滑动：n0.60n临界，适用于混合物料。（2）装球量装填系数：装球体积与球磨筒体积之比。装填系数一般取0.4~0.5（3）球料比一般以物料填充空隙为好：因料太少，效率低，而物料太多时，则磨削面积不够，不能更好地磨细粉末，需要延长研磨时间。（4）球的大小筒大则球大，大小配合使用。球磨铁粉时选用10-20毫米的钢球。球磨硬质合金混合料时选用5-10mm大小的硬质合金球。（5）研磨介质干磨：在空气介质中研磨湿磨：液体介质：水、酒精、汽油、丙酮等优点：减少金属氧化；防止金属颗粒的再聚集和长大；减少物料的成分偏析；减少粉尘；其加入表面活性物质可促进粉碎作用。缺点：增加了辅助工序如过滤，干燥等。（6）研磨时间一个体系最佳研磨时间，取决与被研磨材料的性质。研磨时间愈长，则最终粒度愈细，但存在着一个极限研磨的颗粒大小。研磨时间一般是几小时到几十小时。湿磨的作用：水分子沿着毛细管壁或微裂纹扩展到狭窄地区，对裂纹的四壁产生大约1.0MPa的压力，使得粉料碎裂。湿磨的优点：效率高，灰尘少，易输送水分子劈裂作用示意图球、料、水的比例原料与磨球