第二章-粉末的性能及其测定

粉末冶金学北方民族大学材料科学与工程学院沈宏芳2012~2013学年秋季学期2020-03-222本课程的主要内容绪论第一章粉末的制取第二章粉末的性能及其测定(6学时)第三章成形第四章烧结第五章粉末冶金材料和制品第六章粉末冶金中的安全知识2020-03-223第二章粉末的性能及其测定化学性能(ChemicalProperties)物理性能(PhysicalProperties)工艺性能(ProcessPerformance)2020-03-224粉末的性能及其测定2.1粉末及粉末性能2.2粉末的化学性能及成分测定2.3粉末颗粒的形状2.4粉末的粒度及其测定2.5金属粉末的工艺性能及测定物理性能2020-03-2252.1粉末及粉末性能1.粉末体和粉末颗粒粉末是制取各种粉末冶金材料和制品的原料，粉末的各种性能对材料及制品的成形、烧结等工艺过程和产品最终性能产生直接的影响。自然界的物质按其存在形态，分为固态、液态、气态。2020-03-226粉末体和粉末颗粒粉末冶金的原材料是粉末，粉末与粉末冶金制品或材料同属于固态物质，而且化学成分和基本的物理特性（熔点，密度和显微硬度）基本保持不变。但就分散性和内部颗粒的联接性而言，通常可以把固态物质按分散程度不同分为致密体，粉末体和胶体三类。颗粒按照构成可以分成四大类型：原级颗粒型，聚集体颗粒型，凝聚体颗粒型，絮凝体颗粒型。2020-03-227粉末体和粉末颗粒固态物质按照尺寸的大小：大小在1mm以上的称为致密体或者固体大小在0.1μm以下的称为胶体微粒介于致密体和胶体之间的称为粉末体粉末体按照尺寸大小又可以分为：微米级粉末（1000μm～1μm）；亚微米级粉末（1μm～0.1μm）；纳米级粉末（100nm即0.1μm以内）。2020-03-228微米级人造金刚石微粉（单晶）陶瓷氧化铝微粉（YPA）粉末体和粉末颗粒2020-03-229机械合金化制备纳米WC-Co复合粉末粉末体和粉末颗粒2020-03-2210纳米级药物部分精确打击癌细胞2020-03-2211粉末体和粉末颗粒粉末体：简称粉末，是由大量颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。致密体则是一种晶粒集合体。致密体内没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联接；粉末体内颗粒之间有许多小孔隙而且联接面很少，面上的原子间不能形成强的键力。所以，粉末体不像致密体那样具有固定形状，而表现出与液体相似的流动性，然而由于粉末体在移动时，颗粒之间有相互的摩擦，故粉末的流动性是有限的。2020-03-2212粉末体和粉末颗粒单颗粒：粉末中能将其分开并可独立存在的最小实体称为单颗粒。单颗粒如果以某种方式聚集就构成所谓的二次颗粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。一次颗粒之间形成一定的粘结面，在二次颗粒内存在一些微细的孔隙。一次颗粒或单颗粒可能是单晶颗粒，普遍情况下是多晶颗粒，但晶粒间不存在空隙。2020-03-2213粉末体和粉末颗粒二次颗粒是由单颗粒以某种方式聚积而成，通常由化合物的单晶体或多晶体经分解，焙烧，还原，置换或化合等物理化学反应并通过相变或晶型转变而形成；也可以由极细的单颗粒通过高温处理（如煅烧，退火）烧结而成。二次颗粒又称为聚合体或凝集颗粒。2020-03-2214粉末体和粉末颗粒颗粒还可以团粒和絮凝体聚集。团粒：所谓团粒是由单颗粒或二次颗粒靠范德华引力粘结而成的，其结合强度不大，用研磨、擦碎等方法或在液体介质中就容易被分散成更细的团粒或单颗粒。絮凝体：则是在粉末悬浊液中，由单颗粒或二次颗粒结合成更松散的聚合颗粒。2020-03-2215粉末颗粒结构示意图孔隙晶粒单颗粒单颗粒团粒或者聚合体按ISO3252定义，晶粒（c）、颗粒（a2、a）、聚合体或团粒（b）的区别如右图所示。团粒或者聚合体是由颗粒和颗粒间的孔隙构成的，习惯上也把聚合体称为颗粒。2020-03-22162.粉末颗粒结晶构造和表面状态♫由于粉末生产过程不能提供使晶体充分生长的条件，造成颗粒外形和晶型不一致。♫制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起着主要作用。一般粉末颗粒具有多晶结构，而晶粒大小取决于工艺特点和条件，对于极细粉末可能出现单晶颗粒。♫粉末颗粒实际构造的复杂性还表现为晶格的严重不完整性，即存在许多结晶缺陷，如空隙、畸变、夹杂等。所以粉末总是贮存有较高的晶格畸变能，具有较高的活性。2020-03-2217粉末颗粒结晶构造和表面状态♫粉末颗粒的表面状态是十分复杂的，一般粉末颗粒越细，外表面越发达。同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也就相当大。外表面是可以看到的明显表面，内表面则包括裂纹、微缝以及与颗粒外表面联通的空腔、空隙等，但不包括封闭在颗粒内的潜孔。一般多孔性颗粒的内表面要比外表面大几个数量级。2020-03-22183.粉末性能粉末具有各种性能特征。严格来说，粉末体的性能介于致密体和胶体之间。而非常微细的粉末，如纳米粉末，就具有一些与常规粉末体包含的各种性能特征不同的某些异常性能，因此赋予纳米材料许多新概念和新理论。常规粉末体的性能包括了单颗粒的性能和团粒的性能。2020-03-2219粉末性能金属粉末的性能通常包括物理性能、化学性能和工艺性能。决定这些性能的有两个方面：一是自然界物质品种本身所特有的；二是由得到粉末体的各种生产工艺及其工艺参数所决定的。由物质品种不同所决定的性能包括：①晶体结构，如BCC、FCC或HCP晶体结构；②理论密度；③熔点；④塑性、弹性、电磁性等。由粉末生产方法及工艺参数所决定的，包括粉末颗粒大小、粒度组成、颗粒形状，粉末体密度(如松装密度、摇实密度)，孔隙度，比表面和表面状态，显微结构，点阵缺陷，颗粒内气体含量，吸附气体量，表面氧化膜厚度，粉末活性等。2020-03-22202.2粉末的化学性能及成分测定♫粉末的化学成分主要是指粉末中金属或合金组元的含量和杂质的含量。金属粉末中金属或合金组元不能低于98%～99%。如我国国标中还原铁粉总铁含量不低于98%～98.5%。♫粉末中的杂质主要包括：♫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，如还原铁粉中的硅，锰，碳，硫，磷，氧等；2020-03-2221粉末的化学性能及成分测定♫②从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂，如二氧化硅，氧化铝，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，水汽和其他气体（氮气，二氧化碳）；♫④制粉工艺带进的杂质，如水溶液电解粉末中的氢，气体还原粉末中溶解的碳，氮和氢，羰基粉末中溶解的碳等。2020-03-2222粉末的化学性能及成分测定♫金属粉末的化学分析与常规的金属分析方法相同，首先测定主要成分的含量，然后测定其他成分包括杂质的含量。♫(1)氢损测定：金属粉末的氧含量，除采用库伦分析仪测定全氧量之外，还采用一种简便的氢损法。即测定可被氢还原的金属氧化物中的那部分氧含量，适用于工业铁、铜、钨、钼、镍、钴等粉末。2020-03-2223粉末的化学性能及成分测定♫氢损测定过程：将金属粉末的试样在纯氢气流中煅烧足够长的时间（铁粉为1000-1050℃，1h；铜粉为875℃，0.5h），粉末中的氧被还原生成水蒸汽，某些元素（碳，硫）与氢生成挥发性化合物，与挥发性金属（锌，镉，铅）一同排出，测得试样粉末的质量损失，称为氢损。♫氢损值按下式计算：式中：A-粉末试样（5g）加烧舟的质量；B-氢气中煅烧后残留物加烧舟的质量；C-烧舟质量。%100CABA氢损值2020-03-2224粉末的化学性能及成分测定♫氢损法被认为是对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的估计，但如果粉末中如果有在分析条件下不被氢所还原的氧化物（SiO2、CaO、Al2O3），测得的值将低于实际的氧含量；♫如果在分析条件下粉末由脱碳、脱硫反应及金属挥发时，测得的值将高于实际氧含量。♫氢损法测量氧含量范围：铜粉、铁粉为0.05%-3.0%，钨粉为0.01%-0.5%。2020-03-2225粉末的化学性能及成分测定♫氢损包括了存在于粉末中的水蒸气和其它碳氢化合物；还包括了封留于粉末中的气体加热时释放掉，虽然这些气体总量是很小的，还包括了可能存在于粉末中的易挥发性元素、化合物以及它们与氢或粉末中的氧化物起反应生成挥发性化合物，如碳、氮、磷、硫等。♫氢损实验的适用范围：氢损实验适用于金属粉末、部分合金化粉末和预合金粉末，不适用于含有润滑剂的粉末和金属粉末的混合物。2020-03-2226粉末的化学性能及成分测定♫(2)酸不溶物：金属粉末中的酸不溶物主要指不溶于酸的SiO2、Al2O3、硅酸盐、碳化物、黏土、耐火材料等。酸不溶物的存在，使粉末压坯烧结后呈夹杂留于制品内，对制品性能十分有害。对高密度零件，尤其是粉末锻造零件，其密度已接近致密材料，孔隙度对力学性能的有害影响已经很低，而酸不溶物的有害影响明显的暴露了出来。所以高密度、高强度零件用粉末原料，要求粉末中酸不溶物尽量低。2020-03-2227粉末的化学性能及成分测定♫酸不溶物的测定：粉末试样用某种无机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解，将不溶物沉淀并过滤出来，在980℃下煅烧1h后称重，再按下式计算酸不溶物含量：♫式中：A-盐酸不溶物的克数；B-粉末试样的克数。♫式中：A-硝酸不溶物的克数；B-相当于锡氧化物的克数；C-粉末试样的克数。锡氧化物含量B的测定是在硝酸不溶物中加NH4I，于坩埚内加热至425~475℃，经15min后冷却，再加2-3mLHNO3使其溶解，再称残留物重量，前后的质量差就是B值。%100%BA铁粉盐酸不溶物%100%CBA不溶物铜粉硝酸酸不溶物的测定显然，在煅烧时能挥发的酸不溶物将不包括在测定结果中。因此铜粉的硝酸不溶物包括SiO2、硅酸盐、Al2O3、CaO、粘土及难熔金属，也可能包括硫酸铅；铁粉的盐酸不溶物除以上杂质外，还包括碳化物。先进的仪器分析方法已被用于金属与合金粉末的化学分析上，包括发射光谱法、色谱法、X荧光法及中子激活分析等。电子或离子束微区分析可以测定粉末颗粒内化学元素的分布。颗粒表面化学分析也日益受到重视，主要方法有俄歇电子谱仪、X光或电子谱仪、质谱仪以及离子散射谱仪等，用来测定超微粉、活性粉、高温合金粉颗粒表面的化学组成及变化。2020-03-22282020-03-22292.3粉末颗粒的形状♪在粉末的物理性能中，除了粉末粒度和粒度分布外，粉末颗粒的形状也十分重要。粉末颗粒形状直接影响其工艺性能参数，对成形和烧结过程产生影响。粉末形状和生产粉末的方法密切相关。一般来说，某一种生产方法基本上决定了该粉末的颗粒形状。♪粉末生产中，一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时，粉末颗粒形状趋于球形；由固态转变为粉末时，粉末颗粒形状趋于不规则形。水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状，如表所示。2020-03-2230表2-3颗粒形状与粉末生产方法的关系颗粒形状粉末生产方法颗粒形状粉末生产方法球形气相沉积，液相沉积树枝状水溶液电解近球形气体雾化，置换(溶液)多孔海绵状金属氧化物还原片状塑性金属机械研磨碟状金属旋涡研磨多角形机械粉碎不规则形水雾化，机械粉碎，化学沉淀2020-03-2231粉末颗粒的形状♪颗粒的形状是指粉末颗粒的几何形状。颗粒形状可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类。如图所示为常见粉末颗粒形状。粉末颗粒形状2020-03-22322020-03-2233粉末颗粒的形状♪粉末粒度的测定和表示：表面形状因子、体积形状因子和比形状因子。♪例如：直径为d的均匀球体，其表面积和体积分别为和，其中的系数和就称为球的表面形状因子和体积形状因子。♪对于任意形状的颗粒，其表面积和体积可以认为与某一相当的直径的平方和立方成正比，而比例系数则与选择的直径有关。2dS36dV62020-03-2234粉末颗粒的形状♫粉末颗粒形状对其工艺性能的影响：①表面光滑的球形粉末，流动性好，松装密度高，在相同压制条件下，压坯密度高。多角形和树枝状粉末则较差。♫②形状复杂的粉末流动性比球形粉末差，但粉末之间机械啮合力增高，所以在相同压力下，树枝状粉末压坯强度高，片状和球形粉则较差。♫③一般能提高