中南大学粉末冶金原理课本重点(共84页)

1、粉末冶金原理（补充完整版）PAGE 1PAGE 125课程名称： 粉末冶金(fn m y jn)学Powder Metallurgy Science导论(do ln)粉末冶金(fn m y jn)技术的发展史History of powder metallurgy粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法。 粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达6.5T的“DELI柱”（含硅Fe合金，耐蚀性好）。.19

2、世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，成为现代粉末冶金技术的基础。.20世纪初，现代粉末冶金的发展起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。钨灯丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工业部门的广泛应用。随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的制造成本生产高性能零部件的技术优点。.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。.战后，迫使人们

3、开发研制更高性能的新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高强度铁基粉末冶金零部件(热锻)。大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领域。.粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。粉末冶金工艺粉末冶金技术的大致工艺过程如下：原料粉末+添加剂（合金元素粉末、润滑剂、成形剂）成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）烧结（加压烧结、热压、HIP等）粉末冶金材料或粉末冶金零部件 后续处理Fig.1-1 Typical Processing flowchart for Powder Metallurgy Technique粉末冶金技术的特点.低的生产成本： 能耗小， 生产率高，

4、材料利用率高，设备投资少。 工艺流程短和加工温度低加工工序少少切削、无切削.材料成分设计灵活、微观结构(jigu)可控（由工艺特征决定）：能制造普通(ptng)熔练法不可能生产的材料，如W-Cu、SnO2-Ag、WC-Co、Cu-石墨(shm)、金属陶瓷（TiC-NiCr,Al2O3-Ni或Cu,TiB2-Cu等）、弥散强化材料（Al2O3-Cu Al2O3-Al，Y2O3-Fe基合金）、粉末超合金（非相图成分）、难熔金属及其合金如钨钼、含油轴承、过滤材料等。.高的性能：粉末高速钢、粉末超合金因无成分偏析和稳定的组织（细的晶粒）而性能优于熔炼法制备的合金；纳米材料，金属陶瓷梯度复合材料（梯度硬

5、质合金）。主要不足之处：.由于受设备容量的限制，传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零部件的尺寸较其它加工方法（铸造，机加工等）小；.材料韧性不高；.零部件的形状复杂程度和综合力学性能有限等。 正被新型成形技术（如无模成形技术，温压成形，注射成形）逐步克服。粉末冶金材料及其零部件的应用由于粉末冶金材料及其零部件较其它加工方法制造的零部件的成本低，以及其性能能满足特种要求，因而粉末冶金零部件和材料在国民经济各部门的应用十分广泛。如：.汽车制造业的各种粉末冶金零部件；.机加工工业中的切削用硬质合金和粉末高速钢刀具；.电子工业用粉末冶金磁性材料和电触头；.计算机的原器件用电子封装材料；.机械制造业的减磨零

6、件和结构部零件；.航天航空业中的耐热材料及结构零部件；.家用电器中的微型轴承；.原子能材料；.武器系统和作战平台（高效、低成本）；.建材工业用金刚石工具材料等。.环保与化工用催化剂及过滤器件。总之，粉末冶金材料与人们的生活密不可分，在国民经济和国防建设中发挥重大作用。而且，随着粉末冶金新技术和新工艺的开发与应用，粉末冶金的技术上的优越性也更加显著，应用领域不断扩大。如温压成形技术的出现使粉末冶金零部件在轿车上的应用水平由原来的13.2Kg/辆增加到22Kg/辆，大大扩大了粉末冶金零部件的应用范围。粉末冶金的未来发展. 大量高性能铁基粉末冶金结构零部件的开发与应用。组织均匀的全致密、高性能难加工

7、材料的开发与应用。非平衡材料（amorphous,microcrystalline,metastable alloys）.特种新型材料的开发与应用（纳米复合材料，梯度复合材料）. 新型成型与烧结技术的开发. 计算机仿真技术的应用(yngyng)粉末冶金(fn m y jn)技术与其他材料加工技术间的关系粉末冶金(fn m y jn)作为一种加工方法，主要从成本和性能上弥补其他加工技术上的不足。与其它加工技术一样同属材料科学与工程的范畴，为人类社会的文明和进步不断提供物质基础。特别是，在新材料的研制和开发过程中，粉末冶金技术因其独特的工艺优势将继续发挥先导作用。第二章 粉末的性能与测试方法简介1

8、 粉末及粉末性能粉末颗粒与粉末体的概念 习惯上，人们按分散程度将自然界的固体分为三类，即致密体（1mm）、粉末体（0.1m1mm）和胶粒（38m）粉末的粒度分析。测得粉末颗粒的最大外形尺寸。目或网目数m：指筛网上一英寸长度内的网孔数。目数，网孔 m=25.4/(a+d)其中a=网孔尺寸； d=网丝径。且一英吋等于25.4mm。筛网标准：使用较多的是泰勒筛制。其分度方法是以200目的筛孔尺寸（0.074mm）为基准，依次乘以主模数21/2得到比得200目更粗的150、100、65、48、35目；对于小于200目的筛网，则依次除以主模数21/2得到比200目更细的270、400目。若所需的筛网粒级

9、更加密集，则可用副模数21/4去乘或除。与上一筛制相比较，筛网数量增加一倍。 筛分析法简单快捷，工业用铁、铜基粉末常采用此法来分析粉末的粒度组成。4.2显微镜法(Microscopy)：A光学：粒度大于1m；B 电镜：粒度大于0.001m。此法测得的是颗粒定向径或投影径。并且，易于观察颗粒的表面形貌。 借助于图像分析仪可进行快速定量分析。43 沉降分析(Sedimentation)：适合于粒度细小粉末的分析。原理：重力G=d3g/6 浮力F=d3og/6 运动阻力R=3dv。沉降天平法测定 根据斯托克斯Stocksian公式，在静止在水中，物 体沉降速度与其直径平方成正比： 其中：1 沉降物质

10、密度 g/cm3 ; 2 介质密度 g/cm3; d 颗粒直径cm; 介质粘度当颗粒(kl)受力处于平衡状态时（即Fi=0），颗粒在液体中匀速运动。不难想象，粒度较粗的颗粒在沉降初期，因受到较大的重力作用(zuyng)而具有较大的初速度而较快地到达沉降天平的托盘。细小颗粒较后到达。单位用厘米克秒表示(biosh)： d=175/(-o)0.5(h/t)0.5=沉降介质的粘度；=颗粒的密度（有效密度）；o =介质的密度；h=沉降起始高度；t=沉降时间沉降法分析一个球形粉末粒度，设颗粒直径为8微米，如果粉末分散在设定100mm高的水柱中，求粉末沉降的速度： v=h/t=gd2(1-2)/(18)

11、这里，H=height=0.1m g=地球引力常数=9.8m/s2 d=颗粒直径=810-6m 1=Ni粉密度=8.9103kg/m3 2 =水密度=103kg/m3 =水的粘度=10-3kg/m/s 算出的速度为2.810-4m/s，对于设定高度为0.1米, 相应的时间是约360s或6分钟,雷诺系数为2.210-3 一般采用沉降天平分析。44 X-射线衍射：纳米粉末的粒度分析45 激光衍射5 粉末比表面(Specific surface area)粉末克比表面Sm：1克质量的粉末所具有的总表面积，m2/g；粉末体比表面Sv：单位体积粉末所具有的总表面积，m-1。便于不同材质粉末的比表面大小的

12、比较。二者间的关系：Sv=松Sm对于颗粒形状相似的粉末体，Sm，颗粒尺寸。粉末颗粒的比表面取决于颗粒形状、粉末粒度及其组成、颗粒的表面粗糙程度。粉末的比表面决定了粉末的成形性和烧结性的好坏，是粉末的重要性能。1气体吸附法BET法（测量二次颗粒和一次颗粒），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：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，由气体分子的截面积换算出单位质量粉末的表面积。 Sm =VmN0Am/(22400M)Vm=吸附在粉末颗粒表面的单分子气体的总体积；N0=阿佛加德罗常数；Am=被吸附气体分子的截面积； M =粉末质量气体被吸附是由于固体表面存在有剩余力场，

13、根据这种力的性质和大小不同，分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力的作用，气体以分子状态被吸附；后者是化学键力起作用，相当于化学反应，气体以原子状态被吸附测试方法：分为容量法和质量法。前者直接测量被吸附单分子气体的体积，而后者则称量吸附前后(qinhu)粉末质量的变化，得到吸附量，再转换成气体分子的体积。52空气(kngq)透过法（Air permeability）：测量空气流过一定厚度粉末床后压力的变化。适合于微小(wixio)粉末粒度和比表面的测定。Fsss气体透过法测外比表面，测二次颗粒 3粉末的工艺性能（Processing property）粉末松装密度(apparent densi

14、ty)与振实密度（tap or packing density）松装密度（俗称松比） 粉末在规定条件下自然填充容器时，单位体积内粉末质量。取决于粉末的制备方法粉末颗粒的形状（导致机械啮合和产生拱桥效应的机会）、颗粒的密度（自然填充的动力，固体的理论密度和内孔隙存在与否）及表面状态（粗糙程度，决定了颗粒之间的摩擦力）、粉末的粒度及其组成（ 拱桥效应粉末颗粒间的摩擦力+颗粒重力）及粉末的干湿程度（液膜导致颗粒间粘附力）。a、粒度：粒度小，流动性差，松装密度小b、颗粒形状：形状复杂 松装密度小 粉末形状影响松装密度，从大到小排列：球形粉类球形不规则形树枝形c、表面粗糙，摩擦阻力大，松装密度小d、粒度

15、分布：细分比率增加，松装密度减小; 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉e、粉末经过适当球磨和氧化之后，松装密度提高f、粉末潮湿，松装密度提高 g颗粒密度：颗粒密度大，自动填充能力强，松装密度大粉末振实密度（tap density） 在规定的条件下，粉末受敲打或振动填充规定容器时单位体积的粉末质量。振动作用为颗粒间的相互填充创造条件（输入动力和减小颗粒间填充前的摩擦力）。因而，其数值大于粉末的松比。振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的空隙，所占体积称为空隙体积。空隙体积与粉末体的表观体积之比称为孔隙度；.粉末体的孔隙度=孔隙体积/粉末表观体积=1-/m（相对密度d）；.

16、相对体积是相对密度的倒数1/d=m /1，且=1-1/理比值称为粉末体的相对密度，用d表示，其倒数1/d称为相对体积。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综合性质。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 0.259，最紧密的堆积如果颗粒的大小不等，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，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；2 流动性（flowability,flow rate）：50克粉末从标准(biozhn)漏斗流出所需的时间，以秒/50g表示(biosh)。一般来说，粉末的流动性与其松比成正比

17、。即粉末的松装密度愈高，其流动性愈好。粉末的流动性反映颗粒间内摩擦力的大小。在粉末压制过程中，流动性决定了粉末填充模腔的均匀性和自动压制可实现程度(chngd)。若粉末的流动性太差，需对粉末进行制粒处理。影响因素: 颗粒间的摩擦 形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加 ，流动性下降a、与颗粒密度和粉末松装密度有关：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，相对密度的增大会使流动性提高; 如spherical Al粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差; b、同松装密度一样，与粉末体颗粒的性质有关： 等轴性粉末、粗颗粒

18、粉末的流动性好； 粒度组成中，极细粉末所占比例愈大，流动性差c、同松装密度一样流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体, 加入成形剂(binder, lubricant) 降低粉末的流动性;d、颗粒的形状复杂和粗糙度增大，颗粒间的相互摩擦和咬合阻碍它们相互移动，将显著影响流动性；e、粉末被氧化，摩擦系数降低，流动性提高 f、粉末潮湿将大大降低流动性3 粉末的压制性（Compactability）：粉末的压缩性与成形性的总称。.压缩性（Compressibility）：表示粉末在指定的压制条件下，粉末被压紧的能力。一般用压坯密度（或相对密度表示）表示。主要取决于粉末颗粒的塑性，

19、颗粒的表面粗糙程度和粒度组成。粉末加工硬化，压缩性能差；退火后，塑性改善，显微硬度下降，压缩性提高；当压坯密度较高时，塑性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；碳、氧和酸不溶物含量的增加使压缩性变差；粉末颗粒越细，压缩性越差，成形性越好；由于压制性由压坯密度表示,因此凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响.成形性（Formability）：粉末经压制后，压坯保持既定形状的能力。一般用压坯强度表示。即颗粒间的结合强度和有效接触面积大小反映了粉末颗粒的成形性能。.影响因素：除了粉末的塑性（颗粒的显微硬度颗粒合金化、氧化与否，粒度组成）以外，其它因素（粉末颗粒形状、颗粒表面状态、

20、粒度）对两者的影响规律恰好相悖。为了制取高压缩性与良好成形性的金属粉末，除设法提高其纯度和适当的粒度组成以外，表面适度粗糙的近球形粉末是一重要技术途径。 4 化学成分1 粉末(fnm)化学成分 金属粉末的化学成分包括(boku)主要金属的含量和杂质含量。化合物粉末还包括主要元素含量是否与化学计量一致的问题。粉末(fnm)中的主要杂质的种类：.与主要金属结合，形成固溶体、化合物，还原铁粉中的Si,Mn,C,S,P,O；钨粉中钼、钠等；.机械夹杂：SiO2、Al2O3，毛刷纤维材料，舟皿和球磨机内壁材料成分等.制粉方法固有的杂质：如羰基法引入的游离C等，还原铁粉中的硅酸盐杂质的存在造成粉末工艺和物

21、理性能的下降。主要分析内容 除分析主要成分的含量以外，还需测定其它成分（包括杂质）的含量。2.1金属粉末的氧含量若氧与金属成分形成可还原的氧化物或部分固溶在金属中的氧。这部分氧的含量通常采用氢损法测定。但若金属粉末中还存在可与氢形成挥发性化合物的元素如碳和硫，则导致测定值高于实际氧含量。该法适合于一般工业用Fe、Cu、Ni、Co、W、Mo粉的氧含量分析。若粉末中含有不被氢还原的氧化物（如钙、硅、磷、铝、铬、锰等），则测定值低于实际氧含量。O2含量测定， 氢损值用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x100% A，粉末（5克）加烧舟tray的质量； B，氢气中煅烧

22、后残留remained物加烧舟的质量； C，烧舟的质量 对于超细或纳米（金属或非氧化物陶瓷）粉末，由于表面能和活性极高，导致氧的大量吸附，氧含量很高。这些氧对后续加工带来相当的困难，如在超细或纳米硬质合金的生产过程中，造成合金碳含量控制和烧结致密化等困难。2.2金属粉末的杂质的测定 一般采用酸不溶物法测定。采用有机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解粉末试样，经过滤和高温煅烧，称量计算。如：铁粉盐酸不溶物=盐酸不溶物的克数/粉末试样克数100%铜粉硝酸不溶物=（不溶物克数-相当于锡氧化物的克数）/粉末克数100%作业题：教材164页中1、3、4、5及“粉末压缩性与成形性的影响因素有哪些？怎样协调两者间

23、的矛盾？”。第三章 粉末制备技术粉末性能取决于粉末制备方法，对粉末冶金材料的性能和加工过程的影响极大。因此，对于具体的应用要求必须选择好合适的粉末原料。对于粉末冶金工艺过程来说，粉末的制备技术是关键的第一步。1粉末制备方法概述(i sh)及分类1物理化学(w l hu xu)法1还原法：.碳还原法（铁粉）.气体(qt)（氢和一氧化碳）还原法（W,Mo,Fe,Ni,Cu,Co及其合金粉末）.金属热还原法（Ta,Nb,Ti,Zr,Th,U）SHS自蔓延高温合成。1.2还原-化合法：适合于金属碳化物、硼化物、硅化物、氮化物粉末1.3化学气相沉积CVD1.4物理气相沉积PVD或PCVD（复合粉）1.5

24、电解法：水溶液电解（Cu,Fe,Ni,Ag粉）；熔盐电解（Ta,Nb,Ti,Zr,Th等活泼金属粉末）1.6羰基物热离解法：Fe,Ni,Co粉末2 机械法2.1机械研磨：铬粉，铁铝合金，硅铁合金，钼铁合金，铬铁合金等脆性金属或合金粉末。2.2雾化法：包括气体雾化（空气和惰性气体）和水、油雾化以及旋转电极雾化等。.气体雾化：铁、铜、铝、锡、铅及其合金粉末（如青铜粉末、不锈钢粉末）；.水雾化：铁、铜及合金钢粉末；.旋转电极雾化：难熔金属，铝合金、钛合金、超合金粉末，工具钢粉末。.其它形式的雾化：2粉末冶金铁粉的制造在粉末冶金材料及其零部件中，铁基粉末冶金零部件在工业领域中的应用最为广泛。因而，在一

25、般的工业领域，粉末冶金零部件一般指的是铁基粉末冶金。本节主要介绍固体碳还原法和雾化法，并介绍一种铁粉制造新技术。还原铁粉固体碳还原法(carbon reduction)1.1基本原理：1.1.1还原反应 氧化物MeO被还原剂X还原的还原通式可表示如下： MeO+X=Me+XOX-还原剂, Me-金属氧化物, MO-金属氧化物每种氧化物都有各自的离解压，离解压越低，氧化物越稳定MeO有离解压，XO也有离解压decomposed pressure ，前者离解压大于后者, MeO才能被X还原。XO离解反应标准自由能变化应小于MO离解反应自由能的变化，这样XO才比MO稳定，这时，这时，XO的离解压小于

26、MO的离解压，还原反应正向进行。 氧对X的亲和力大于对Me的亲和力，推广之，对氧的亲和力大于被还原的金属时，都可以作为该金属氧化物的还原剂。还原剂X的选择(xunz)依据：a.GMeOGXO；或 Z xo Zmeo 或 PO2(XO) PO2(MO)b.还原剂的氧化产物和还原剂本身的组份不污染被还原金属(jnsh)或易被分离。而该反应又可看成下述两个(lin )基本反应组成，即： Me+0.5O2=MeO (1) X+0.5O2=XO (2)将（2）-（1）得到上述总反应。由热力学可知，还原反应的标准等压位变化为 Go=-RTlnKp G2o=-RTlnKp1=0.5RTln(PO2)XO G

27、1o=-RTlnKp2=0.5RTln(PO2)MeO Go=G2o-G1o = 0.5RTln(PO2)XO-ln(PO2)MeO = 0.5RTln(PO2)XO/(PO2)MeOY，X=1.5,4/3,1；Y=4/3,1,0。当X=0，则铁被还原。A.固体碳不是直接的还原剂，CO才是直接还原剂。虽然固体碳也能还原铁的氧化物，但反应界面很小，碳的固相扩散速度与碳以CO形式的气相迁移相比几乎可以忽略，在整个还原过程中处于次要地位。B.若将Fe-O,C-O两相图的重叠，当温度T570，Y值在4/310范围内依次变化即由Fe2O3Fe3O4浮斯体（FeO. Fe3O4固溶体）Fe（金属铁）； 当

28、T4时， 环孔式喷嘴，喷射顶角为60较好。 环缝式喷嘴，喷射顶角为45较好。 b增加喷口与金属液流间的距离 . c设计辅助风孔，防止液滴四溅d水雾化改环流为板流e环缝宽度不能过小f金属液流漏嘴伸长超出喷口水平面外。此时，粉末会粗一些雾化参数对粉末性能的影响：a介质压力影响：压力高，速度快，能量大，破碎能力强，粉末细。 b水比容大，冷却能力强，粉末冷却快。表面张力作用时间短，不规则形状。 c金属流温度高。增加，降低，粉末细小；温度增加，增加：Cu，Cd。d金属流表面张力大，得球形粉；粘度小得球形粉，表面张力克服粘度作用使粉末球化。共晶合金液体粘度最小，易球化得球性粉 e过热度大，温度增加，表面张

29、力作用时间长，冷却时得球形粉 f金属液体直径的影响：液流直径越细，得细粉，直径过细易堵嘴实质(shzh)：外界(wiji)输入的机械能（流体(lit)的动能）粉末的表面能（形成粉末颗粒的表面）。.二流（金属液流和雾化介质流）雾化（冲击雾化）：气雾化和液体雾化（水或油作雾化介质）；.离心雾化：旋转电极雾化，旋转圆盘雾化和旋转坩埚雾化；以气体雾化为例介绍雾化过程的特点和机理。1雾化过程机理四个特征区域（Fig 2.3 Fig 2.4此处附3图）：负压紊流区：雾化介质气流向前运动带动附近区域的气体离开该区域，造成负压状态，并引起金属液体的扰动，分散成许多纤维束；原始液滴形成区：由于气体介质的扰动导致

30、液体纤维失稳，分割成粗液块或大的液滴；有效雾化区：原始液滴在气流汇聚焦点被剧烈粉碎成细小条带状液滴；冷却凝固区（后续细化与球化区）：借助于惯性作用，条带状液滴分散成更细小的液滴。同时表面张力使液滴产生球化。 冷却区间的作用a. 调节粉末形状:如果冷却过快,液滴表面张力作用时间短,形成不规则形状粉末.表面张力作用时间长 .表面张力球形粉末. b. 冷却速度不同可控制粉末微区结构、微区成分c. 冷却快,如果金属液体中的气体来不及排除空气球. d. 调节粉末显微组织, 快冷组织细, 析出少.2 雾化粉末粒度dp的影响因素在雾化过程中，粉末粒度受控于金属熔体的抗雾化本质（resistance,阻力）和

31、熔体吸收外界输入能量（driving force,动力）的多少。221熔体的抗雾化阻力因素：A 金属的性质熔体的粘度（原子间作用力大小）和表面张力：熔体的粘度表征雾化初、中期的阻力，而表面张力则为雾化后期的阻力。表面张力大的金属熔体，需要较高的雾化能量。.T,.Si,Al合金元素的存在，.合金成分B 金属液流直径：单位体积熔体吸收能量的效率。液流直径，熔体吸收雾化介质的能量相对下降，dpC 雾化介质：.金属氧化膜的形成导致；.雾化介质的热容量和导热系数愈大，需要(xyo)更高的金属熔体过热度，相对而言提高了熔体的粘度。222 熔体吸收外界能量(nngling)的因素：系统(xtng)输入的总能

32、量和能量传递效率A 雾化介质的压力：压力，dp对于气体雾化，根据气体动力学原理，增大压力可是雾化介质的动能增加。但对于拉瓦尔喷嘴，气流速度V与气体介质的压力P的关系为 V=k(1-P-0.29) （k为常数）不难看出，V随压力P的增加而增大，但当压力增加到一定程度后，气流速度不再增大，而趋近于一个常数。即一味提高压力并不一定能细化粉末粒度。一般气体压力在6-8atm。水压为35-210atm。国外也有采用超高压(1000atm)水雾化制取10m铁粉的情况。B能量传递效率：.喷嘴的结构（金属液流的长度，喷射长度，喷射顶角）参数；.喷嘴类型（如拉瓦尔喷嘴）；.雾化介质的动粘系数（T,m）。高速气流

33、V.与喷咀设计相关：a.扩张型,直线型，气体速度小于音速337米/秒b. 拉伐尔线条形，先径压缩,临界点达到音速,过临界点后,绝热膨胀,达到超音速，对于气体有:制备铜粉时, c.除与风道形状相关, 还与风道尺寸相关喷嘴设计要求： 能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所需的能量； 能保证雾化介质与金属液流之间形成最合理的喷射角度； 使金属液流产生最大的紊流； 工作稳定性好，喷嘴不易堵嘴； 加工制造简单23雾化粉末颗粒形状的影响因素 雾化粉末颗粒的球形度受控于熔体的表面张力（球化动力）及表面张力的作用时间和熔体的粘度（抗球化阻力）。A 熔体的过热度：除Cu,Cd外，T，； 但因液滴细化，作用在液滴

34、上的力升高球化。B 合金元素：还原性的合金元素如C，P虽也降低，但使，球形；N则起保护金属液滴免受氧化而使。C 液滴飞行距离：飞行距离，表面张力的作用时间长，易球化。D 雾化介质的热学性质：Cp，易得到不规则粉末。24 雾化粉末的化学成分的改变 雾化介质与金属熔体间的化学反应导致金属粉末成份改变。采用空气作雾化介质，氧与金属熔体和液滴间发生化学反应生成氧化物，导致粘度增加。特别是在雾化合金粉末时将发生合金元素的优先氧化，并形成难还原的氧化物（如铁铬合金，铝及其合金）。对于这些(zhxi)合金体系一般不采用空气作雾化介质，而改用惰性气体。而高碳铁水的空气雾化则利用这种反应。25 RZ法雾化铁粉的

35、生产(shngchn)主要工艺流程废钢熔化、熔炼（或高炉铁水(tishu)精炼，脱硅，制取低硅生铁液）增碳（降低钢液熔点和粘度以及为颗粒表面粗糙化创造条件）雾化干燥振动球磨破碎氢气中还原退火破碎过筛合批雾化铁粉成品工艺设计思路： 解决纯铁高熔点所带来的工艺困难：工业纯铁的熔点在1500以上，熔炼温度达16501700，采用低硅高碳（3.2-3.6%）合金，使熔体温度保持在1300-1350。而过高的碳则会导致铁液的表面张力增加，难以得到细粉。 高碳铁水可减轻空气与铁反应形成铁氧化物所造成铁水粘度增加的趋势；同时，碳与氧在后续高温还原时具有脱氧作用，为焖火处理创造条件。 成形性能的改善：A 利用

36、雾化过程中铁中的碳与氧的反应使颗粒表面形成凹凸而粗粗糙化： Fe(C)(l)+O2=Fe(l)+CO2CO2微气泡在逸至铁液滴表面时造成表面凹凸。B 破碎时颗粒表面形成凹凸；C 高温还原时使颗粒间产生轻度烧结，即细小颗粒粘结在大颗粒上。三都有利于降低雾化铁粉的松比，改善粉末的成形性能。26 水雾化铁粉.水的热导性和比热比空气大，冷却能力强.水还会与铁液接触时产生剧烈的气化而具爆炸效应粉末特点：颗粒表面粗糙，易得氧含量较低、压缩性较好的不规则粉末。水雾化与气体相比，有以下特点：1）水的热容大，冷却能力强；粉末多为不规则形状；同时，随着雾化压力提高，不规则形状愈多，颗粒的晶粒结构愈细；2）金属液流

37、冷却速度快，粉末表面氧化大大减少水雾化参数对粉末性能的影响：a.介质压力影响：获得细粉末的条件: 压力大, 速度快, 能量大破碎力强。 b. 水的比容大,冷却能力强,粉末冷却快，表面张力时间短,不规则粉末。 c. 金属过热度大,温度高,表面张力小,粘度小,粉末细小 d. 金属流表面张力大,粘度小,得球形粉末,表面力克服粘性作用,使小液滴球 化. e. 多晶合金液体粘度小,易球化球形粉末 f. 金属液流直径越大,粉末越粗.金属流直径越小,细粉多,便产量低,易堵漏 咀.快速(kui s)冷凝技术（简介）快速冷凝(lngnng)技术是指将金属或合金的熔液快速冷却(lngqu)（冷却速度105/s）获

38、得性能奇异性能的粉末和合金（如非晶、准晶、微晶）的技术，是传统雾化技术的重要发展快速冷凝技术的冷却速度105/s，是传统雾化技术的重要发展。由于强化冷却过程和外界输入能量，可得到性能奇异性能的粉末和合金。主要技术特点是：a.基本消除了合金成份偏析，提高合金元素和相在基体中的分布均匀性；b.提高合金元素的固溶度；c.可得到许多非平衡相或材料，包括非晶、准晶、微晶粉末。经固结后，这些材料具有奇特的力学、物理和化学性能；d.可抑制有害相的形成。如在Al-Fe合金中，针状的化合物转变为弥散相，大幅度改善合金的力学和耐热性能。3钨粉和WC粉末的制造1 氢还原制备W粉1钨及其氧化物的性质1钨氧化物的形态四

39、种形态：WO3(浅黄)；WO2.90 (蓝色)；WO2.72 (紫色，工艺控制得当，难以出现)；WO2 (棕色)2钨的形态 分为-W（稳定）、-W（立方型微晶，活性高，可自燃）两种。-W是一种特殊结构的不稳定电子化合物，不是-W的同素异构体。在520-850时可转变成-W。单个钨粉颗粒的粒度很细，一般以二次颗粒的聚集形式存在。2基本原理：一般采用三氧化钨作为生产钨粉的原料。1.2.1还原反应 WOx+H2WOy+H2O (反应通式)其中X=3,2.90,2.72,2；Y=2.90,2.72,2,0。X、Y值逐渐降低，且Y=0意味着钨的生成。当反应温度高于584,反应分四步进行,即WO3WO2.

40、90WO2.72WO2W；当温度低于584，反应则分三步进行：WO3WO2.90WO2W。2钨粉粒度的控制 钨粉粒度分类： 超细粉：10m1.2.1钨粉在还原过程中粒度粗化机理A 挥发沉积机理：氢中水分子与钨氧化物反应生成挥发性的水合物， WOX+H2OWOX.nH2O(g) 气相中的钨氧化物被氢还原沉积在钨颗粒上，导致W颗粒长大。这是W颗粒长大的最主要的机理。 钨氧化物的水合物的挥发性随钨氧化物中的含氧量、气氛中含水量的增加和还原温度的升高而增大。而钨粉颗粒长大的趋势又随还原气氛中水合物浓度的提高而加强。B 氧化(ynghu)还原(hun yun)机理： 当氢中水含量较高时，已还原的细钨颗粒

41、优先(yuxin)被氢中水氧化生成钨氧化物，再按照挥发沉积机理导致W颗粒的长大。利用这一现象可制备粗颗粒钨粉。2钨粉粒度的影响因素及控制方法原料： A 粒度：当采用WO3时，其粒度与还原钨粉粒度间的依赖性不太明显，而主要取决于WO2的粒度。目前，采用蓝钨（蓝色氧化钨）作原料。该原料具有粒度细、表面活性大，W粉一次颗粒细和便于粒度控制的特点。 B 杂质元素：影响透气性或生成难还原化合物。. K、Na等促使钨粉颗粒粗化；. Ca、Mg、Si等元素无明显影响：. 少量Mo、P等杂质元素可阻碍W粉颗粒长大（2）还原方式：粗颗粒一阶段还原；中、细颗粒二阶段还原（3）氢气： . 氢的露点（dew poin

42、t）：露点,dp . 流量Q：Q，有利于带走气相中的水份，dp . 通氢方向：顺流通氢，dp；逆流通氢，dp （4）还原工艺条件： .还原温度T：T，提高钨氧化物的水合物在气相中的浓度，dp； .推舟速度V：V，高氧指数的氧化物具有更大的挥发性，提高浓度，dp； .料层厚度t：t，不利于氢向底层物料的扩散，钨氧化物的含氧量高，dp。（5）添加剂：少量的添加剂如Cr、V、Ta、Nb等的盐可抑制钨粉颗粒的粗化。2碳化钨粉的制取工业生产中，一般采用碳管炉对钨粉进行碳化，碳黑作为碳的来源。2.1碳化原理：气-固反应通氢碳化：W+C+（H2） WC+（H2） CH4直接与钨粉反应无氢碳化：W+C+（CO

43、2)WC+（CO2) CO直接与钨粉反应其中氢、二氧化碳成为碳的载体，强化反应过程。2.2 WC粉质量的控制2.2.1 碳含量 WC的理论碳含量为6.12%。若化合碳的含量低于这一数值，则在硬质合金中形成脆性相-相；若高于这一数值则会生成游离石墨。这二者都是硬质合金的结构缺陷，导致硬质合金强度的大幅度下降。但当合金中碳含量在6.05-6.2%范围内波动时，合金强度变化不大。控制方法：A 配碳控制：取决于合金牌号、季节（湿度）、钨粉的含氧量等。B 工艺控制：.碳化时间(shjin)t：t过短，游离碳多，化合碳降低；t过长，脱碳。.碳化温度T：碳化温度过高，强化气相组份与碳黑反应的程度，增加(zn

44、gji)了形成W2C的可能性。.碳化气氛(qfn)（通氢与否）：.其它杂质元素含量的变化：Ca、Mg、Si如Si的变化：SiO2+C=SiO+CO SiO+C=Si+CO SiO2 +Si=2SiO 2SiO+O=2SiO2（白烟）2.2.2 粒度控制：WC颗粒粒度长大机理是烧结和再结晶。A 钨粉粒度：W粉的一次颗粒大小决定WC粒度。W粉粒度不同，WC粉末颗粒在碳化过程中的长大趋势也不一样。即.细钨粉原料，WC颗粒长大趋势明显；.中颗粒W粉，WC颗粒长大趋势不明显；.粗颗粒W粉，WC颗粒基本不长大。B 碳化温度：T，dp；C 碳化时间：，dp。D 添加剂：TaC、VC、Cr2C3等，以其化合物

45、（或相应氧化物）粉末形式添加到W粉、碳黑混合物中，添加量为0.5-2%，可阻碍WC颗粒长大。若添加的是氧化物，则注意相应的配碳量。4电解法制造铜粉 电解法分为水溶液电解和熔盐电解。两者的区别在所采用的电解质不同，而电化学原理完全相似。水溶液电解可制取Cu、Ni、Fe、Ag及相应合金粉末；熔盐电解可制取Ta、Nb、Ti、Zr、Be、Th粉末。 电解法制造金属粉末的技术特点：.粉末纯度高，粉末形状多为树枝状，成形性很好，压缩性较差。 .过程电耗大，粉末制造成本高。 本节就水溶液电解制取铜粉末为例介绍电解法。基本原理电化学原理（与电解铜和电镀相同）1.1导电过程：正离子向阴极迁移，而负离子向阳极迁移

46、。1.2电化学体系Cu（粉末）|CuSO4+H2SO4(aq)|Cu(板)3电极反应电离反应：CuSO4=Cu2+SO42- H2SO4=2H+ SO42- H2O=H+OH-阳极反应（氧化）：Cu（板）-2eCu2+ 2OH-2eH2O+0.5O2阴极反应（还原）： Cu2+2eCu（粉末） 2H+eH2 阳极铜失去电子成为铜离子进入溶液；阴极溶液中铜离子在阴极得到电子而在阴极上析出。只要达到合适的电解条件，就能实现致密铜向粉末化的转变。同时，副反应的存在导致电解产量降低。1.3电解(dinji)的基本规律1.3.1 电解(dinji)是原电池反应的逆反应 当外加(wiji)电压与原电池的电

47、动势(Eth=阳-阴)相等时，氧化与还原反应达到可逆平衡。在实际的电解过程中，由于存在电化学极化、接触电压降、溶液电阻所造成的电压降，上述可逆动态平衡并非易建立； 当外加电压小于原电池的电动势时，负极发生氧化反应，而正极发生还原反应，即原电池反应。当外加电压大于原电池的电动势时，阳极发生氧化反应，阴极则发生还原反应。1.3.2物质溶解与析出规律在电解过程中物质溶解或析出的先后，取决于该元素的标准电极电位及其离子在溶液中的浓度。在阴极，电极电位高的离子易获得电子而优先析出。而在阳极，电极电位愈低者优先氧化而溶解，进入溶液。1.3.3槽电压的构成分解电压Ec：使电解过程能显著进行的外加电压，由理论

48、分解电压Eth和超电压Ee两部分构成，即Ec = Eth + Ee 超电压Ee：实际分解电压与理论分解电压之差，用以克服电解阻力（如极化等）。包括电阻极化、浓差极化、电化学极化。接触电压降ECR：由接触电阻所导致的压降ECR =I.RC槽电压ET= Ec + ECR +El（溶液电阻压降），即维持电解过程正常进行的总电压。理论分解电压和电化学极化电压取决于具体的电解体系，不可降低。但可采取如下措施来降低槽电压：. 降低电阻极化电压：适当增加刷粉次数（但过多会导致粉末变粗）。. 降低浓差极化电压：搅拌和适当提高电解液温度（否则使粉末粗化）。. 降低电解液电阻压降：适当提高温度和增加溶液酸度，缩短

49、极间距。. 降低接触电阻压降：保持接触处光洁，采用良导体。1.4电解产量定律(法拉第第一定律)及电解制粉过程中的能量问题对于不同电解液，通过等量电量时，每种物质（电解槽中或阴极上形成粉末量）与电化当量成正比，并通过96500库仑的电量或96500安培秒才能析出1克当量的物质；因此，电化当量每96500安培秒电流所析出的克当量物质有： q（电化当量）g当量/96500库仑 g当量/96500安培秒 g当量/26.8安培时即向电解槽中通入26.8安培时电量，就有1克当量的物质析出，这就是电化当量的概念书上用： w 原子量 n 原子价数 w/n 克当量 所以qg/26.8安培小时，电解产量等于电化当

50、量与电量的乘积； I 电流强度 t 电解时间 电量：库仑电化学当量(hu xu dn lin) q=m0/(n96500C)=m0/(n26.8Ah) 金属(jnsh)的原子量 法拉第常数F 即通过(tnggu)一安培.小时的电量所能析出物质的克数，克/安培.小时。 电解产量 m=电化学当量与电量的乘积qIt即电解产量与电化学当量和电量成正比。如果电流密度小，阴极区离子通过扩散，得到补充，很快达到c0值，此时还是不能得到疏松的粉末。 只有当电流密度足够大，在阴极上放电析出的离子数与扩散到阴极区的离子数相等，即析出速度等于扩散速度时，才能维持c0不变，才有粉末析出，否则析出的是致密体。电流效率和

51、电能效率是电解制粉的两项重要的技术经济指标。电流效率：指一定电量电解出的产物的实际质量与理论质量之比，反映电量的利用率。即i=M/(qIt)断裂强度断裂塑性粉末：点接触应力屈服强度塑性变形加工硬化脆化断裂2 致密化现象(此处需一表示粉末颗粒变形及致密化的动画)致密化机理：脆性粉末：颗粒重排（脆性断裂）塑性粉末：颗粒重排塑性变形2.1致密化松散状态拱桥效应的破坏（颗粒位移和变形颗粒重排restacking or rearrangement）孔隙体积收缩致密化拱桥(gngqio)效应（搭桥）：颗粒间由于(yuy)摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象拱桥(gngqio)效应的影响因素（与粉末松装

52、密度、流动性存在一定联系）。松提高，流动性提高，BE降低。.颗粒形状.粒度组成.颗粒表面粗糙度.颗粒表面粘附作用（液膜存在）.颗粒比重颗粒滑动与旋转阻力的影响因素：.颗粒形状.粒度组成.表面粗糙度.颗粒间润滑状态变形阻力的影响因素.颗粒的显微硬度（本质和合金化程度）.加工硬化速度（晶体结构）.颗粒形状.压制速度2.2 弹性后效Spring back反致密化现象当压力去除之后和将压坯脱出之后，由于内应力作用，压坯产生的膨胀称为弹性后效（指压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象）。弹性后效的大小取决于残留应力的高低：.压制压力：压制压力高，弹性内应力高.粉末颗粒的弹性模量：弹性模量越高，弹性后效越大.粉末粒

53、度组成：越合理，产生的弹性应力越小；粒度小，弹性后效大.颗粒形状：形状复杂，弹性应力大，弹性后效大.颗粒表面氧化膜.粉末混合物的成份（如石墨含量） AFe-2Cu B、Fe-2Cu-0.8C B的弹性后效明显，因为C的模量很高3压坯强度Greenstrength表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度。影响因素：本征因素：颗粒间的结合强度（机械啮合mechanical interlocking）和接触面积 机械啮合：通过压制，颗粒之间由于位移、变形相互楔住钩连颗粒间的结合强度：a.颗粒表面的粗糙度b.颗粒形状 粉末颗粒形状越复杂，表面越粗糙，则粉末颗粒之间彼此啮合的越紧密，压坯强度越高。c.

54、颗粒表面洁净程度d.压制压力：压力提高，结合强度提高（与变形度有关）e.颗粒的塑性(sxng)（与结合面积有关）f.硬脂酸锌及成形(chn xn)剂添加与否g.高模量组份的含量(hnling)：含量高，结合强度大颗粒间接触面积：即颗粒间的邻接度（contiguity）.颗粒的显微硬度.粒度组成.压制时颗粒间的相互填充程度，进而提高接触面积.压制压力：压力大，塑性变形大，S提高 颗粒形状：复杂，结合强度提高，但S降低外在因素：残留应力大小.压坯密度分布的均匀性（粉末的填充性）.粉末压坯的弹性后效.模具设计的合理性表征方法：抗弯强度或转鼓试验的压坯重量损失3压坯密度与压制压力间的关系1压制过程力的

55、分析.P施加在模腔中的粉末体粉末向周围膨胀侧压力Fn(Pn)；.粉末与模壁之间出现相对运动摩擦力Ff( Pf)；.下冲头的压力Pb。 Ph =/(1-) P=P Pf =Pn =P Pb =P- Pf压力损失 P=P- Pb在距上冲为X处的有效外压Px可表示如下， Px=Poexp(-4X/D) 式中D为模腔内径。从而，模壁作用在粉末体上的侧压力和摩擦力也呈现相似的分布。 随着压坯尺寸增大，所需单位压制压力相应地减少。（因为：压坯尺寸越大，不受外摩擦力影响的粉末颗粒的百分数越大，消耗于克服外摩擦所损失的压力越小，压力损失就相对减小，所需总压制压力与单位压力会相对减少）脱模压力（ejection

56、 force）：使压坯从模中脱出所需的压力与坯件的弹性模量，残留应变量即弹性后效及其与模壁之间的摩擦系数直接相关脱模压力与压制压力的比例，取决于（摩擦系数）和（泊松比）数值：应等于压坯运动时与模具模壁的摩擦力.压坯密度或压制压力.粉末原料（显微硬度、颗粒形状、粒度及其组成、润滑剂含量）.粉末颗粒与模壁之间的摩擦系数.模具材料的硬度.零件的侧面积2 密度(md)与压力间的关系压制(yzh)方程压坯密度(md)是外压的函数，即=k.f(P)。粉末压制时压坯密度变化：阶段 粉末变形 密度增高阶段 粉末变形 密度缓慢增高阶段 粉末变形 断裂, 密度再增高。2.1常用力学模型.理想弹性体-虎克体（H体）

57、 =M.理想流体-牛顿体（N体） =d/dt.线弹-塑性体-Maxwell体（M体）：H体与N体串联 T=1+2 T=1+2.线弹性体-Kelvin体（K体）：H体与N体并联 T=1+2 T=1=2 =M(+2d/dt) 2应变驰预时间.标准线性固体（SLS体）：M体与H体并联 T=1+2 T=1+2 +1d/dt=M(+2d/dt) .标准非线性固体（SNLS体） (+1d/dt)n = M(+2d/dt) n21密度分布：(d/dX)1 (d/dX)2 (d/dX)3强制摩擦芯杆压制获得的密度最高，分布也最均匀。（带浮动芯杆压制、有利于改善密度分布，因浮动芯杆利用摩擦力，带动粉末下降。）.

58、粉末颗粒平均粒度：粒度较粗的粉末的压缩性较好，密度分布也较均匀。如高性能还原铁粉的开发.模具设计的合理性：设计成形模具时应使台阶间的粉末压缩比相同。.粉末的流动性：填充均匀.零件的形状.粉末塑性：颗粒的本征塑性，化学纯度（氧、碳及难溶物含量，合金化程度）和加工方法3粉末性能对压制过程的影响.粉末压缩性.粉末成形性.弹性后效4复杂形状的成形.密度分布的控制.多台阶零件：恒压缩比.压坯强度：合适粒度组成和表面较粗糙的近球形粉末高压坯强度.脱模压力：润滑和低的弹性后效，脱模压力.压坯形状的合理设计压制过程的影响一、粉末原料1、粉末性能 粉末化学性能的影响：粉末纯度愈高，压缩性愈好，压坯强度高；O2、

59、C、SiO2使压坯弹性后效增加，损坏模具。 合金粉末压制性比纯金属粉末压制性能差，采用混合粉末压制性优于合金粉末压制性，（压缩性、成形性）如 Cu-Sn混合粉末压制性优于合金粉末压制性。2、粉末塑性好、压缩性好、压坯强度高，晶格畸变，导致压制性能变差；3、粉末粉应的影响：粉末颗粒越粗，压缩性好，流动性，松装密度提高，但成形性较差，压坯啮度可能会降低，粉末粒度分布有在流动。4、颗粒形状，球形粉末，流动性好，压缩性好，但成型性差，压坯密度偏低。5、高径比，高径比增加，摩擦作用增加。润滑剂选择原则：易于分散在粉末中（加溶剂）。在烧结致密之前应易于排泻。不应改变粉末的化学性能。MoS2有可能改变，在F

60、e基制品中MoS2中的Mo可作用为合金元素。对人体无害。润滑剂用量：1) 粉末细,不规则,复杂,用量高。 2) 产品密度高时,应用量少。 3) 产品开关复杂时，用量较高。加入方式：1) 加入粉末中，适于高压。 2) 润滑模壁，适于低压(dy)。润滑模壁的操作难题第五章 特殊及新型(xnxng)成形技术Chapter 5 Special and New Forming Techniques1概述(i sh)传统模压技术的主要优缺点：优点：a、可实现连续自动化生产生产效率高（自动压制）b、尺寸一致性好（5万件以上）c、精度较高d、制造成本低缺点：性能较低（密度低,密度分布不均匀）由于上下加压，垂直