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武科大材料合成与制备复习资料一．粉末冶金简介1.粉末冶金法：制粉(powdermaking)压型(pressing)烧结(sintering)粉末冶金的定义：将金属或非金属粉末混合后压制成形,并在低于金属熔点的温度下进行烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。2.粉末冶金技术的优缺点？举例说明优点：（1）能够大量节约材料、无切削、少切削，普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于5%；（2）能够大量节省能源；（3）能够大量节省劳动；（4）能够制备其他方法不能制备的材料；（5）能够制备其他方法难以生产的零部件；例如：（1）可生产普通熔铸法难于生产的材料多孔材料（孔隙度可控）；假合金（如Cu-W）；复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越①避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如：粉末高速钢、粉末高温合金。②钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产.(3)对制品成型有明显优势①是一种少切削、无切削工艺（近净成型nearnet-shape）；②可大批量生产同一零件；③形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；④不需或可简化机械的精加工作业；⑤节能、省材；⑥可制造自润滑材料。缺点：①粉末成本高②形状、尺寸受到一定限制③成形模具较贵；一般要生产量在5000～10000个/批，才经济④烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）3.粉末冶金在材料制备领域的发展方向1）铁基结构合金的高精度﹑高质量﹑大数量产品2）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性3）难加工材料的制造，全密度具有统一微观结构的高性能合金4）特殊合金，主要为包含有多相的组分，通过增强密度的工艺来制造5）非平衡材料的合成，例如非晶，微晶和亚稳合金6）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺4.粉末冶金材料的分类1.机械材料和零件减摩材料；摩擦材料；结构零件。2.多孔材料、发泡材料和制品金属过滤器；热交换材料；泡沫金属3.硬质合金工具材料硬质合金；复合工具材料；粉末高速钢钢；结硬质合金；陶瓷工具材料。4.电接触材料电触头合金；集电材料。二、粉末制备新技术1.粉末分类颗粒（＞100μm）粉体（1～100μm）超细粉体（0.1～1μm）纳米粉体（＜0.1μm）2.超细粉特性(1)材料的熔点降低(2)蒸汽压上升(3)颗粒表面反射率下降(4)电阻率上升3.粉末制备常用方法(1)机械制粉：机械研磨；气流研磨(2)物理制粉：液体雾化；蒸发凝聚(3)化学制粉：气相沉积；还原化合；电化学法4.球磨制粉的基本原则和基本方式（1）动能准则：提高磨球的动能（2）碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本方式：滚筒式；行星式；振动式；搅动式5.影响球磨效果的因素球料比；球体直径；填充率；研磨介质6.高能球磨工艺特点（了解）（1）工艺简单，易于工业化生产，产量大;（2）整个过程在室温固态下进行，无需高温熔化，工艺简单灵活。（3）合成制备材料体系广，不受平衡相图的限制。（4）可得到其它技术较难得到的组织结构，如宽成分范围的非晶合金、超饱和固溶体、纳米晶合金及原位生成的超细弥散强化结构。（5）可合成制备常规方法无法得到的合金，特别是不互溶体系合金、熔点差别大的合金、比重相差大的合金及蒸汽压相差较大的合金等难熔合金的制备。（6）根据需要，制备的合金粉末既可作为最终产品使用，也可利用成熟的粉末冶金成型工艺制备块体产品材料。7.流态化床气流制粉原理及其特点（了解）原理：流化床超微气流粉碎是将待粉碎物料放置在设备容器中，从设备容器下方通入空气，进行粉碎。而循环流化床，则是将设备容器下方送入空气的速度提高，使容器里的物料颗粒被吹起呈沸腾状态悬浮粉碎。同时在容器的上部出口，通过高速分级装置将超微粉收集。特点：（1）可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；（2）由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；（3）粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，粉末杂质含量少；（4）针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。三、成型动磁压制：将粉末装于一个导电的容器(护套)内,置于高强磁场线圈的中心腔中。对线圈通入高脉冲电流,线圈腔中形成磁场,护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用,产生由外向内压缩护套的磁力,因而粉末得到二维压制。整个压制过程不足1ms。高速压制：高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快500～1000倍,其压头速度高达2～30m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的重锤(5～1200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。温压成型：它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术。流动温压成型：流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性。这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。注射成形：它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力，使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。冷成形工艺：能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。1.粉末成型前的预处理预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。2.传统压制技术的局限(1)模具要求高，占用生产成本比例大；(2)所加工部件尺寸受到限制；(3)部件密度分布不均匀；(4)脱模困难，工序长，生产效率低。3.改善模压成型的压坯密度的不均匀性措施1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比4.常用压制新技术(1).动磁压制技术(2)高速压制(3)温压成型技术(4)流动温压技术(5)冷成形工艺(6)注射成形技术(7)快速原型制作技术5.温压成型技术优点（1）密度高且分布均匀（2）生坯强度高（3）脱模压力小（4）表面精度高6.注射成形特点及应用范围这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%~100%的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通信器械元件、电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点：其结构小而复杂，密度和精度高等。制作材料除铁镍合金外，还有钛及钛合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等。四、热压烧结固相烧结：是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下保温一段时间的操作。液相烧结：凡是有液相参与的烧结就称为液相烧结。烧结温度低于主要组分的熔点。热压烧结：是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。热等静压（HIP）常规烧结：是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。特种烧结：是为了适应特种材料对性能的要求而产生的。这些烧结过程除了常规烧结中由系统表面能提供的驱动力之外，还由特殊工艺条件增加了系统烧结的驱动力，因此提高了坯体的烧结速率，大大增加了坯体的致密化程度。反应热压烧结：这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过程，因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。1.烧结分类，烧结工艺有何条件和要求？（1）压烧结施加外压力如：热等静压（2）无压烧结不施加外压力如：固相烧结与液相烧结。工艺制度主要包括下述四个方面：①最高烧结温度②保温时间③降温方式：一般采用随炉冷却。④气氛的控制要求：升温过程（1）如坯体中有气体析出时，升温速度要慢。（2）坯体成分中存在多晶转变时，应密切注意：如系放热反应，则应减缓供热，以免出现热突变，加剧体效应而引起工作开裂；如系吸热反应，则可适当加强供热，并注意其温度不一定上升，待转变完后则应减缓供热，勿使升温过快.。相变温度亦可在综合热分析数据中找到。（3）有液相出现时升温要谨慎。2.烧结三阶段及其主要特征烧结初期：颗粒仅发生重排和键和，颗粒和空隙形状变化小烧结中期：（1）烧结颈的形成与长大，颗粒变形较大；（2）晶界开始移动，颗粒正常长大。（3）明显的物质迁移，收缩达90%。烧结末期：（1）气孔封闭，相互孤立（2）晶粒明显长大（3）密度达理论值的95%以上。3.液相烧结和固相烧结的比较（异同点）共同点：烧结推动力都是表面能，烧结过程也是由颗粒重排、气孔填充和晶粒生长等几个阶段构成。不同点：由于流动传质速率比扩散快，因而其致密化速率更快，可以在更低的烧结温度下获得致密的烧结体。此外，液相烧结过程速率与液相量、液相性质、液相与固相的润湿情况几固相在液相中的溶解度有关。4.热压烧结的优点(1)热压时，由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化。(2)由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。(3)热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制台有高蒸气压成分纳系统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。(4)能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。5.烧结的物质传输过程（固相烧结与液相烧结的主要传质方式）固相烧结的主要传质方式是：蒸发-凝聚、扩散传质、粘滞流动与塑性流动、溶解和沉淀。液相烧结的主要传质方式是：流动传质，溶解－沉淀传质6.烧结推动力是什么?它可凭哪些方式推动物质的迁移?烧结的推动力：从广义上讲是化学位移梯度，具体的是系统的表面能；主要以流动传质，扩散传质，气相传质，溶解-沉淀方式推动物质迁移。7.影响热压烧结的因素烧结温度和保温时间、压力和物料粒度是三个直接影响热压烧结的因素。因为随着温度升高，物料蒸汽压增高，扩散系数增大，黏度降低，从而促进了蒸发-凝聚，离子和空位扩散以及颗粒重排和粘性塑性流动过程，使烧结加速。延长烧结时间一般都会不同程度地促进烧结减小物料颗粒度则总表面能增大因而会有效加速烧结。8.如何确定材料的最高烧结温度（1）可在其相图中找到有关的数值作为参考；（2）主要依靠综合热分析等具体实验数据来决定。五、等离子体烧结等离子体：等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、液、气三态外物质的第四种状态。所谓等离子体就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。热等离子体：电子温度和气体温度几乎相等，即处于热力学平衡状态。冷等离子体：在低压下产生，压力小于1.33×104Pa时，气体被撞击的几率减少，气体吸收电子的能量减少，造成电子温度和气体温度分离，电子温度比较高（104K）而气体的温度相对比较低（102~103K），即电子与气体处于非平衡状态。放电等离子烧结：该技术是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子