现代粉末冶金技术概述

1、现代粉末冶金技术现代粉末冶金技术兰州金川科技园兰州金川科技园 粉末冶金技术的特点（优、缺点）粉末冶金技术的特点（优、缺点） 粉末冶金技术发展史粉末冶金技术发展史 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 粉末冶金技术的主要应用粉末冶金技术的主要应用 课程结构与内容课程结构与内容现代粉末冶金技术概况现代粉末冶金技术概况 采用采用PMPM技术制备材料技术制备材料/ /产品的优点产品的优点：v成形体的致密度可控；多孔材料成形体的致密度可控；多孔材料v晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析v近型成形，原材料利用率高近型成形，原材料利用率高95%95

2、%v材料组元可控，利于制备复合材料材料组元可控，利于制备复合材料v制备难熔金属、陶瓷材料与核材料制备难熔金属、陶瓷材料与核材料粉末冶金技术的特点粉末冶金技术的特点原料粉末原料粉末成形成形烧结烧结 PM Production of notch segment （槽型件）for truck transmission 90 铸造 3895 粉末冶金 28.585 冷成形 4180 锻造 4950 机械加工 82 100 0 0 100 材料利用率/ 零件的能耗/MJkg-1各种生产工艺的材料的利用率与能耗 采用采用PMPM技术制备材料技术制备材料/ /产品的缺点：产品的缺点： 原料粉末价格较贵（原料

3、粉末价格较贵（FeFe和和FeFe粉）；粉）； 成形模具成本高；靠产量规模降低费用；成形模具成本高；靠产量规模降低费用； 烧结制品残余孔隙影响性能；烧结制品残余孔隙影响性能； 氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困难；难；v公元前公元前30003000年以前，古埃及人使用陨铁；年以前，古埃及人使用陨铁；公元前公元前23002300年左右出现块炼铁技术：固年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（相碳还原铁矿石（80080010001000 C C）。通过高）。通过高温锻焊成各种器件。如公元温锻焊成各种器件。如公元300300年左右印年左右印度的度的Dehli P

4、iller, Dehli Piller, 重重6 6吨；我国西汉吨；我国西汉（公元前（公元前113113年）的刘胜墓出土的错金书年）的刘胜墓出土的错金书刀等。刀等。v19301930年年HoganasHoganas公司开始用固相还原法生公司开始用固相还原法生产海绵铁。产海绵铁。粉末冶金技术发展史粉末冶金技术发展史块炼铁技术块炼铁技术 随后出现随后出现Au(300Au(300年年) )、AgAg、CuCu、Sn (1000Sn (1000年年) )、PtPt粉及粉及PtPt块块(1800(1800年）；年）； 19101910年年CoolidgeCoolidge发明电灯发明电灯W W丝，奠定了近

5、代粉末丝，奠定了近代粉末冶金的基础；冶金的基础； 19141914年年WCWC、MoCMoC粉末出现（德国）；粉末出现（德国）； 19271927年德国年德国KruppKrupp公司生产硬质合金，导致了金公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；属切削技术的革命； 19561956年后大量铁基、铝基零件上市；年后大量铁基、铝基零件上市； 19691969年机械合金化技术出现年机械合金化技术出现 2020世纪世纪8080年代后，年代后，PMPM制品，如蜗轮引擎零件广泛制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。应用于航空。 技术特征：技术特征： 技术多样性技术多样性粉末制备、成形、烧结技术多选择粉末制

6、备、成形、烧结技术多选择 工艺复杂性工艺复杂性 手段先进性手段先进性压机、烧结炉等设备与最新科技结合压机、烧结炉等设备与最新科技结合 性能优异性性能优异性 零件复杂性零件复杂性 规模扩大性；成本低廉性规模扩大性；成本低廉性现代粉末冶金技术特征与现代粉末冶金技术特征与发展趋势发展趋势 Nickel Silver Gears, Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box density ： 8.0g/cm3, tensile strength： 234MPa, yield strength：138MPa， hardness ：90HRH. a

7、 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing stamping and machining 世界粉末冶金大会获奖零件 Bevel Gear/Indexing Ratchet The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a

8、63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings 世界粉末冶金大会获奖零件 Needle Driver and Distal Clevis The parts are made to a density range of 7.68-7.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strengt

9、h is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock 世界粉末冶金大会获奖零件 Synchronizer Ring with Fricti

10、on Lining The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body 世界粉末冶金大会获奖零件 发展趋势发展趋势 辐射领域越来越广辐射领域越来越广 材料、应用材料、应用 工艺过程的变异工艺过程的变异 粉末直接成形粉末直接成形 多学科交叉点多学科交叉点 技术手段、应用领域技术手段、应用领域 朝特异性能、规模化、低成本方向朝特异性能、规模化、低成本方向发展发展粉末冶金技术的主要应用粉末冶金技术的主要应用 粉末冶金零件市场

11、汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场 典型的汽车用粉末冶金零部件 Main Bearing Cap Set VALVE SEAT AND VALVE GUIDE CONNECTING RODS Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ；Total cost savings of over 20% are reported PM Connecting ro

12、d used in BMW engines OIL PUMP GEARS SYNCHRONISATION SYSTEM ROCKER ARMS 2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨 项目2000 年2005 年2010 年汽车130002100039000摩托车140002000035000家用运输车130001430014700压缩机1405020030洗衣机13001500电风扇24002400电动工具60008000拖拉机69708713合计6811294179 国外市场 世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约

13、为12个。 国内与国外差距 产品水平低 在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS078级，形位公差可达89级，与国外水平相比低12级，但一般企业约相差23级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距 工艺装备落后 多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业 企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大 粉末制备技术粉末制备技术 雾化制粉雾化制粉* * 还原法还原法 机械合金化机械合金化* * 气相沉积气相沉积 溶胶凝胶溶胶凝胶 自蔓燃反应合成自蔓燃反应合成 喷雾热解喷雾热解* * 纳米材料与纳米结构纳米

14、材料与纳米结构? ?课程结构与内容课程结构与内容 粉末成形技术粉末成形技术喷射沉积喷射沉积注射成形注射成形* *挤压成形挤压成形粉末锻造粉末锻造粉末轧制粉末轧制温压成形温压成形* *冷热等静压及特种固结技术冷热等静压及特种固结技术爆炸成形爆炸成形 粉末烧结技术粉末烧结技术 微波烧结微波烧结* * 反应烧结反应烧结 液相烧结液相烧结 超固相线液相烧结超固相线液相烧结 电火花烧结电火花烧结 快速原位成形快速原位成形原料：元素粉末、合金粉末成形：热压（ 热等静压、挤压.） 冷压（模压、冷等静压.）烧结：真空、气氛、外场其它制备技术：复压、精整、熔浸.其它后续处理技术：热处理、机加工. 粉末的基本性质

15、粉末的基本性质一、基本概念（一）名词（一）名词粉末（粉末体）粉末（粉末体）powder（mass）：）：粒度小于粒度小于1000 m的颗粒的集的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙）合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙）粉末颗粒（粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒组成粉末的固体微粒一次颗粒（单颗粒）（一次颗粒（单颗粒）（single particle）二次颗粒二次颗粒（secondary particle）颗粒团颗粒团（particle agglomerates ）：）：由单颗粒或二次颗粒依靠范由单颗粒或二次颗粒依靠范德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（德华的作用下结合而成

16、的粉末颗粒，易于分散（easy to disperse）团粒：团粒：造粒的产物造粒的产物（二）粉末颗粒的聚集状态（二）粉末颗粒的聚集状态二次颗粒示意图二次颗粒示意图a a 单颗粒单颗粒 b b 二次颗粒二次颗粒 a a2 2 一次颗粒一次颗粒 cc晶粒晶粒一次、二次颗粒内部都可能存在孔一次、二次颗粒内部都可能存在孔隙隙a粉末体示意图粉末体示意图可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团颗粒之间存在孔隙颗粒之间存在孔隙粉末性能简介（Powder Properties） 一、基本概念一、基本概念 二、粉末性能二、粉末性能 三、粉末粒度三、粉末粒度School of Mat

17、erials Science and EngineeringSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering（一）粉末的化学性能（一）粉末的化学性能 Chemistry PropertyChemistry Property 化学性质主要指粉末的化学组成化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition） 主要成分（如铁粉中的主要成分（如铁粉中的Fe）含量）含量对粉末性能有决定对粉末性能有决定 影响；影响； 化学组成还包括杂质的种类和含量化学组成还包括杂

18、质的种类和含量对粉末性能也有对粉末性能也有 重要影响。重要影响。 主要粉末的化学组成都有主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。及行业标准规定。School of Materials Science and Engineering 粉末中的杂质类型粉末中的杂质类型 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements ）：）： Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（电池材料）等。（电池材料）等。 原料机械夹杂原料机械夹杂 （mechanical impur

19、ities） ： 主要为非金属类机械夹杂物主要为非金属类机械夹杂物no-metallic impurities： Si、Al 氧化物、硅酸盐等。氧化物、硅酸盐等。 表面吸附物（表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）：）： 水，氧，空气水，氧，空气 制粉过程中带进的杂质制粉过程中带进的杂质电解、雾化、气体还原粉末中的电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等等School of Materials Science and Engineering 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能，机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性

20、能， 对对材料韧性材料韧性toughness，特别是冲击韧性，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。性影响显著。 夹杂物在粉末中的分布状态夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的以及夹杂本身的形状形状shape对材料的力学性能影响不同对材料的力学性能影响不同 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影响明显。响明显。School of Materials Science and Engineering化学成分测定化学成分测定 针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃针对不同成分，有多种

21、方法：传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。杂质杂质O含量测定：含量测定： 氢损值（可被氢损值（可被H H还原氧含量测定）：还原氧含量测定）：用氢还原，用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值氢损值= =（A-BA-B）/ /（A-CA-C）x 100%x 100% AA粉末（粉末（5 5克）加烧舟克）加烧舟traytray的质量；的质量；BB氢气中煅烧后残留氢气中煅烧后残留remainedremained物加烧舟的质量；物加烧舟的质量；CC烧舟的质量烧舟的质量 酸不溶物法酸不溶物法ISO-4496

22、ISO-4496（二）粉末的物理性能（二）粉末的物理性能 Physical Properties 颗粒形状及结构（颗粒形状及结构（Particle shape and structure） 颗粒大小（粒度）及粒度组成颗粒大小（粒度）及粒度组成 比表面积比表面积 颗粒密度颗粒密度 颗粒硬度颗粒硬度 熔点熔点 热学、热学、 电学、电学、 磁学、光学性质等磁学、光学性质等1. 1. 粉末颗粒形状（粉末颗粒形状（Particle shape） （1） 颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。些特定形状的粉末只能通过特定的方

23、法生产。 球形粉末球形粉末-雾化法雾化法 Spherical powders 多孔粉末多孔粉末-还原法还原法 Porous powders 树枝状粉末树枝状粉末-电解法电解法 Dendrite powders 片状粉末片状粉末-研磨法研磨法 Plate powders 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响度有显著影响（2）颗粒形状的分类）颗粒形状的分类 （定性描述（定性描述 qualitative description）Particle shape and the suggested qualitative descriptors2

24、. 2. 粉末颗粒密度（粉末颗粒密度（Particle density） 真密度真密度: 粉末材料理论密度粉末材料理论密度D1 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2 似密度（表观密度）似密度（表观密度）: 包含开、闭孔隙在内的粉末密度包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3 D1= m/（V-V孔孔）= m/（V-V开开-V闭闭） D2= m/（V-V开开） D3= m/ V V颗粒总体积；颗粒总体积； V孔孔孔隙体积；孔隙体积；V开开、V闭闭开、闭孔体积开、闭孔体积 D3D2D1 颗粒密度测定颗粒密度测定 真密度真密度D1 ：（：（ True

25、density ，This density is defined as the ratio of mass of the particle to its actual volume excluding inside pores） 如何确定？如何确定？ 有效密度（比重瓶密度）有效密度（比重瓶密度） D2 ：（：（Particle density， This is defined as the particle mass divided by the particle volume, including the inside closed pores. 比重瓶法比重瓶法Next page 似密度（

26、表观密度，似密度（表观密度，false density）D3的测定的测定 阿基米德原理阿基米德原理（特殊的处理）（特殊的处理）)()()(00ssllslpmmmmmml比重瓶法比重瓶法 (Pycnometer method) ；The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml), The following masses are measured: m0: empty pycnometer ml: pycnometer containing liquid ms: pycnometer including sample

27、 particles msl: pycnometer including sample and liquid l: the liquid density p: The particle density ； 粉末强度愈高粉末强度愈高, ,硬度愈高硬度愈高, , 混合粉末的强度混合粉末的强度strength比合金粉末的强比合金粉末的强度低度低, , 合金化可以使得金属强化合金化可以使得金属强化, , 硬度随之提高；硬度随之提高； 不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。粉末纯度粉末纯度puritypurity越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程

28、度、减少氧、碳越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程度、减少氧、碳等杂质含量后，硬度降低。等杂质含量后，硬度降低。 硬度反映了粉末的塑性，对粉末的压制性能有重要的影响，模压成硬度反映了粉末的塑性，对粉末的压制性能有重要的影响，模压成形时对模具的寿命影响显著。形时对模具的寿命影响显著。3. 3. 颗粒显微硬度颗粒显微硬度（Microhardness） 采用普通的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，采用普通的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，经计算得到的。经计算得到的。 制样：先将粉末试样与电木粉或有机树脂粉混匀，在制样：先将粉末试样与电木粉或有机树脂粉混匀，在100100 20

29、0MPa200MPa下制成小压坯，然后加热至下制成小压坯，然后加热至140140固化。固化。 压坯按制备粉末金相样品的办法磨制并抛光后，在压坯按制备粉末金相样品的办法磨制并抛光后，在202030g30g负负荷下测量显微硬度。荷下测量显微硬度。 颗粒显微硬度测定颗粒显微硬度测定 Fe powders Micro-hardness，MPa Fe reduced by natural gas 11801440 annealed milled Fe 12401480Fe reduced by solid carbon 12001620 Annealed Fe 122014804. 比表面（比表面（Sp

30、ecific surface area） 比表面积：比表面积： Sw （m2/g） 指单位质量粉末具有的表面积指单位质量粉末具有的表面积体积比表面：体积比表面：Sv （m2/cm3） 指单位体积粉末具有的表面积指单位体积粉末具有的表面积Fsss气体透过法测外比表面，气体透过法测外比表面， 测二次颗粒粒径（测二次颗粒粒径（ 50-0.1m）BET吸附法测量比表面积，吸附法测量比表面积， 测量一次颗粒测量一次颗粒气体吸附法测比表面气体吸附法测比表面基本原理：基本原理： 利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：测量测量吸附在固体表面上气

31、体单分子层的质量或体积，再由气体分子的吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算横截面积计算1g物质的总表面积，即得物质的总表面积，即得specific surface area （克（克比表面）比表面）。 费歇尔微粉粒度分析仪费歇尔微粉粒度分析仪 费氏仪全名是费氏仪全名是Fisher Sub-Sieving Sieve,简写成简写成Fsss, 已被许已被许多国家列入标准；多国家列入标准； 计算粒度的原理是根据柯青计算粒度的原理是根据柯青-卡门方程变换建立的公式古登卡门方程变换建立的公式古登（Gooden，Smith）；用粉末床几何尺寸表示）；用粉末床几何尺寸表示孔隙

32、度：孔隙度： ：孔隙度孔隙度 W：粉末质量粉末质量 A ： 试样截面积试样截面积 L：试样长度：试样长度 理理：粉末材料理论密度粉末材料理论密度ALWc1 Powders should be evaluated for their suitability for further processing Flow rate measures the ease with which powder can be fed and distributed into a die Apparent density is the measure of a powders ability to fill avai

33、lable space without external pressure Compressibility is the effectiveness of applied pressure Green strength is used to describe the strength of the pressed powder after compacting（三）（三） 粉末工艺性能（粉末工艺性能（ technical features ） 1. 松装密度松装密度 apparent density和振实密度和振实密度 tapping packing） density （1）松装密度）松装密度

34、 apparent density 定义定义: 粉末在自然充填容器时，单位体积内自由松装粉粉末在自然充填容器时，单位体积内自由松装粉末体的质量末体的质量 g/cm3 意义意义: 自动压制（自动压制（automatic pressing（compaction），），容积法装料，决定装料高度，阴模高度等容积法装料，决定装料高度，阴模高度等 影响因素影响因素: particle shape，particle size and distribution，surface conditions，粒度粒度: 粒度小，松装密度小粒度小，松装密度小Mean particle size of W has a no

35、table effect on apparent density Fsss D平均平均m D松松 Fsss D平均平均m D松松 g/cm3 g/cm3 1.20 2.16 6.85 4.40 2.47 2.52 26.00 10.20影响粉末松装密度的因素影响粉末松装密度的因素b. 颗粒形状：颗粒形状：形状复杂，形状复杂， 松装密度小，松装密度从大到小排列：松装密度小，松装密度从大到小排列： 球形粉类球形不规则形树枝形球形粉类球形不规则形树枝形 spherical-similar spherical-irregular-dendriticc. 表面粗糙度表面粗糙度d、粒度分布、粒度分布 Pa

36、rticle size distribution 细粉比例增加，松装密度减小细粉比例增加，松装密度减小; 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大; 球形不锈钢粉球形不锈钢粉 -100150（% 100 80 60 40 20 325（%） 20 40 60 80 100 d松松 4.9 5.2 4.8 4.6 4.3粉末松装密度测定（粉末松装密度测定（GB1478-84GB1478-84、GB5060-85GB5060-85）The basic components of the Hall flowmeter and Scott volumeter for mea

37、suring the flow and packing of powders（2）振实密度）振实密度 tapping packing） density 与粉末体中的孔隙与粉末体中的孔隙 粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度的粉末密度 振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的孔隙孔隙pores。空隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数称。空隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数称为孔隙度为孔隙度 Porosity （） 粉末体中的孔隙包括粉末体中的孔隙包括pores in the

38、 particles and between the particles； 松装密度，松装密度，理理材料的材料的theoretical density理论密度理论密度或颗粒真或颗粒真 密度密度true density，与粉末体孔隙度，与粉末体孔隙度的关系：的关系： 1/理理 /理理 称为粉末体的相对密度称为粉末体的相对密度relative density，用，用d 表示，表示，其倒数，其倒数，1/d称为相对体积称为相对体积relative volume。孔隙度。孔隙度porosity与相对密度和相对体积的关系为：与相对密度和相对体积的关系为： 1d 和和11/ 粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状

39、、颗粒的密度和表粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒的密度和表面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种综合性质。综合性质。Porosity or density is a simultaneous parameter related to particle size and distribution， shape， surface feature。 由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时，由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时， 0.476，最松散的堆积（，最松散的堆积（packing）；）； 0.259，最紧密的堆积（，最紧密的堆积（pack

40、ing） 如果颗粒的大小不等如果颗粒的大小不等 ，较小的颗粒填充到大颗粒的，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低；间隙中，孔隙度将降低； 颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；2. 流动性流动性 Flow ability （流速）（流速） 定义：一定量粉末定义：一定量粉末(50g) (50g) 流经标准漏斗所需的时间：流经标准漏斗所需的时间： sec./50 gram sec./50 gram 意义：反映压制时粉末充填模腔的能力意义：反映压制时粉末充填模腔的能力 影响因素影响因素: : 颗粒间的摩擦颗粒间的摩擦 friction bet

41、ween the friction between the particlesparticles 形状复杂，表面粗糙，流动性差形状复杂，表面粗糙，流动性差 理论密度增加，流动性增加理论密度增加，流动性增加 粒度组成：流动性差粒度组成：流动性差 Flow ability也采用前述测松装密度的漏斗也采用前述测松装密度的漏斗unnel来测定。来测定。标准漏斗标准漏斗tunnel （又称流速计）是用（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，目金刚砂粉末，在在40s内流完内流完50g来标定。来标定。还可采用粉末还可采用粉末自然堆积角自然堆积角natural angle of repose试验测试验测定流动性

42、（粉末通过一粗筛网定流动性（粉末通过一粗筛网sieve自然流下并堆积在自然流下并堆积在直径为直径为1in.的圆板上），当粉末堆满圆板后，以粉末锥的圆板上），当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性。的高度衡量流动性。 粉末锥的底角称为粉末锥的底角称为natural angle of repose。锥越高或自。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。动性越好。 流动性与粉末密度有关：流动性与粉末密度有关：如果粉末的相对密度不变，颗粒如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；颗粒密度不变，相对密度增大会密度越高，流动

43、性越好；颗粒密度不变，相对密度增大会使流动性提高使流动性提高; 例：球形例：球形 Al粉，尽管相对密度较大，但由粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差。于颗粒密度小，流动性仍比较差。 流动性受颗粒间粘附流动性受颗粒间粘附adhesion作用的影响：作用的影响：颗粒表面吸附水颗粒表面吸附水分、气体分、气体, 加入成形剂加入成形剂(binder) 减低粉末的流动性。减低粉末的流动性。 Flow ability 直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性：性：是自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。是自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。 制粒

44、工序（团粒）制粒工序（团粒） 改善流动性。改善流动性。3. 压制性压制性 Compacting ability，Compactability）压制性是压缩性和成形性的总称压制性是压缩性和成形性的总称 compressibility and formability （1）压缩性）压缩性 Compressibility 定义定义: 粉末被压紧的能力，表示方法是：一定压制条件粉末被压紧的能力，表示方法是：一定压制条件下粉末压坯的密度（下粉末压坯的密度（green density）（在规定的模具和）（在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力（5

45、00MPa）下粉末所达到的压坯密度表示）下粉末所达到的压坯密度表示） 意义意义: 压坯密度对最终烧结密度有重要影响，进而影响压坯密度对最终烧结密度有重要影响，进而影响烧结体性能。烧结体性能。 影响压缩性因素影响压缩性因素: a. 粉末粉末hardening 加工硬化，压缩性能差加工硬化，压缩性能差 b. irregular powder：poor compressibility c. 密度减少时（空隙增加），压缩性差密度减少时（空隙增加），压缩性差 d. 碳、氧和酸不溶物含量的增加，压缩性变差碳、氧和酸不溶物含量的增加，压缩性变差 凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响凡是影响粉末密度的因素都

46、对压缩性有影响（2）成形性）成形性 Formability 定义定义: 压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度表示表示 意义意义: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性 影响因素：影响因素： 颗粒之间的啮合与间隙颗粒之间的啮合与间隙 a. irregular shape，颗粒间连接力强，颗粒间连接力强, 成形性好成形性好 b. smaller particle，soft powder，good formability, 成形性和压缩性矛盾：成形性和压缩性矛盾：成形性好的粉末压缩性差成形性好的粉末压缩性差 压缩

47、性好的粉末成形性差压缩性好的粉末成形性差 必须综合考虑压缩性和成形性必须综合考虑压缩性和成形性三、粉末粒度及其测定三、粉末粒度及其测定 particle size and measurement（一）粒度及其分布（一）粒度及其分布（ Particle size and distribution ） 1. 基本概念：基本概念： 粒度粒度Particle size ：以mm或m的表示的颗粒的大小称颗粒直径，简称粒径或粒度。 粒度分布粒度分布 Particle size distribution：由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同。具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称具有不同粒径的颗粒占全部粉末

48、的百分含量称粉末的粒度组成粉末的粒度组成，又称粒度分布粒度分布 size distribution。 粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。但是通常但是通常说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义，也就是粉末的某种说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径（对粉末体也可称粒度，但是指平均粒度）。统计性平均粒径（对粉末体也可称粒度，但是指平均粒度）。级级 别别平均粒径范平均粒径范围，围，m 级级 别别平均粒径范围，平均粒径范围，m 粗粉粗粉 150500 极细粉极细粉0.510 中粉中粉40150 超细粉超细粉0.1 细粉细

49、粉1040 粒度级别的划分粒度级别的划分 粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能，粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能，从而对粉末的压制过程以及最终产品的性能产从而对粉末的压制过程以及最终产品的性能产生很大影响。生很大影响。2. 粒径基准粒径基准 用直径表示的颗粒大小称粒径用直径表示的颗粒大小称粒径。规则粉末颗粒规则粉末颗粒可以可以直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径最简最简单和最精确。单和最精确。 近球形、等轴状颗粒近球形、等轴状颗粒，用最大长度方向的尺寸代表，用最大长度方向的尺寸代表粒径，误差也不大。粒径，误差也不大。 大多数粉末颗粒，形状不对称，

50、仅用一维几何尺寸大多数粉末颗粒，形状不对称，仅用一维几何尺寸不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高三维尺寸的某种平均值来度量。三维尺寸的某种平均值来度量。 几种粒径基准：几种粒径基准： （1）几何学粒径）几何学粒径dg： 用显微镜按投影几何学原用显微镜按投影几何学原理测得的粒径称投影径。理测得的粒径称投影径。 二轴平均径：二轴平均径：1()2lb1()3lbt3(1/ )(1/ )(1/ )lbt 三轴平均径：三轴平均径： 加和（调和）加和（调和）平均径：平均径： 几何几何平均径：平均径：1/2(222 )/6lbbttl 体积体积平均径：平均

51、径：3/()lbtlbbttl（2）当量粒径）当量粒径de 用沉降法、离心法或水力法等测得的粉末粒径。用沉降法、离心法或水力法等测得的粉末粒径。 物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律的同质球形粒子的直径。的同质球形粒子的直径。 体积当量径体积当量径 volume equivalent diameter 如如 V粉粉(体积体积)=V球球(体积体积) ；D粉粉=D球；球； V球球=（ /6） d3球球 d球球=(6V/ )1/3=d粉粉 测出粉末体积测出粉末体积, 能够换能够换 算出粉末的颗粒粒径；算出粉末的颗粒粒径； 面积当

52、量径面积当量径 area equivalent diameter 当当S粉粉(投影面积投影面积)=S球球(投影面积投影面积), D粉粉=D球球 S球球=（ /4）d2圆圆 d圆圆=（4/ ）s1/2圆圆=d粉粉（3）比表面粒径）比表面粒径dsp 利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积（4）衍射粒径）衍射粒径dsc 对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光与电磁波对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光与电磁波(如如X光光等等)的衍射现

53、象所测得的粒径称为衍射粒径。的衍射现象所测得的粒径称为衍射粒径。 3. 粒度分布基准粒度分布基准 （1）个数基准分布：）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒粉占全部颗粒总以每一粒径间隔内的颗粒粉占全部颗粒总数中的个数表示，又称频度分布；数中的个数表示，又称频度分布；（2）长度基准分布：）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和中的多少表示；粒的长度总和中的多少表示；（3）面积）面积 基准分布：基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的表面积总和中的多少表示；颗粒的表面积总和中的多少表示；（4

54、）质量）质量quantity rule 基准分布基准分布: 以每一粒径间隔内的颗粒总质以每一粒径间隔内的颗粒总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。4. 平均粒度平均粒度mean particle size 算术平均径 n粉末中具有某种粒径的颗粒数长度平均径d个数为n有颗粒径体积平均径颗粒密度面积平均径Sw粉末克比表面体面积平均径K粉末颗粒的比形状因子重量平均径比表面平均径/adndn 2/ldndnd 33/vdndn2/sdndn32/vsdndnd 43/wdndnd /spwdKS5. 粒度分布粒度分布 Particle size distribut

55、ion基本概念：基本概念： 频度频度: 第第i 级粉末颗粒数与总颗粒数之比级粉末颗粒数与总颗粒数之比 100% 第第i 级粉末重量数与总重量数之比级粉末重量数与总重量数之比 100% 第第i 级粉末体积数与总体积数之比级粉末体积数与总体积数之比 100% 相对频度：相对频度：单位尺寸单位尺寸(微米微米)上的频度数上的频度数 relative frequency 例如：例如：-微米总颗粒数占总颗粒数的，微米总颗粒数占总颗粒数的， 具有具有-微米粉末颗粒的频度值为，微米粉末颗粒的频度值为， 相对频度（相对频度（-） 粒度分布曲线粒度分布曲线以颗粒数或颗粒频度对平均粒径所作的粒度分布曲线称为频度分布

56、曲以颗粒数或颗粒频度对平均粒径所作的粒度分布曲线称为频度分布曲线，曲线峰值所对应的粒径称为线，曲线峰值所对应的粒径称为多数径多数径（n）以颗粒数以颗粒数n和频度数和频度数对平均粒径作图，可对平均粒径作图，可以得到直观的粒度分布曲线和频度分布曲以得到直观的粒度分布曲线和频度分布曲线线由于该横坐标由于该横坐标horizontal axial 取值以一个单位计取值以一个单位计算算 =1，固这一频度分布曲线又称为相对频，固这一频度分布曲线又称为相对频度分布曲线度分布曲线relative frequency distribution curve，二条曲线重合，二条曲线重合 累积分布曲线：累积分布曲线：

57、将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应处称为处称为中位径中位径， 当考虑累积分布曲线中粒径小于某个粒度的粉当考虑累积分布曲线中粒径小于某个粒度的粉末占总体粉末的百分率时，这种累计为末占总体粉末的百分率时，这种累计为负累计负累计negative accumulated distribution curve.negative accumulated distribution curve. 也可知道大于某个粒级的粉末占总粉末的百分也可知道大于某个粒级的粉末占总粉末的百分率，称率，

58、称正累计正累计positive accumulated positive accumulated distribution curve distribution curve Curve of particle size distributionFrequency distributionCommon particle size distributionsThe particle size distributions shown on four different bases; frequency versus linear particle size, and cumulative frequ

59、ency versus log particle size, etc.思考题：思考题：某粉末粒度组成数据如下：某粉末粒度组成数据如下： 05m 510m 1015m 1520m37(颗粒数颗粒数)3749722025m 2530m 3035m 3540m108164121934045m 4550m 50m624019 做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线，做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线，确立中位径，计算平均粒径。确立中位径，计算平均粒径。（二）粒度测定（二）粒度测定（ Particle size measurement ） Typical methods to det

60、ermine particle size粒径基准粒径基准方法名称方法名称测量范围，测量范围，m粒度分布基准粒度分布基准几何学粒径几何学粒径筛分析筛分析光学显微镜光学显微镜电子显微镜电子显微镜405000.2100.01质量分布质量分布个数分布个数分布 同上同上 当量粒径当量粒径重力沉降重力沉降离心沉降离心沉降501.0100.05 质量分布质量分布同上同上比表面粒径比表面粒径气体吸附气体吸附气体透过气体透过200.001500.2比表面积平均径比表面积平均径同上同上 光衍射粒径光衍射粒径光衍射光衍射X X光衍射光衍射100.001 0.050.0001 体积分布体积分布体积分布体积分布 现代粉