粉末冶金材料学

1、粉末冶金技术的特点（优越性）能制造熔铸法无法获得的材料和制品1、难熔金属及其碳化物、硼化物和硅化物；2、孔隙可控的多孔材料3、假合金4、复合 材料；5微、细晶（准晶）和过饱和固溶的块体金属和制品；能制造性能优于同成分熔铸金属的粉末冶金材料1、制造细晶粒、均匀组织和加工性能好的稀有金属坯锭；2、制造成分偏析小、细晶、 过饱和固熔的高性能合金；具有高的经济效益1、少无切削；2、工序短，效率高；3、设备通用性好，适合于大批量生产；粉末冶金材料的分类1、机械材料和零件；2、多孔材料及制品；3、硬质工具材料4、电接触材料；5、粉末磁 性材料；6、耐热材料；7、原子能工程材料；粉末冶金材料的孔隙产生过程及

2、其存在形态产生过程：颗粒间隙（松装粉末聚集体或粉末成形素坯）烧结形成孔隙。存在形态：开 孔：与外表面连通的孔隙，半开孔：孔隙只有一端与外表面连通的孔隙，闭孔：与外表面 不连通的孔隙，连通孔：互相连通的孔隙孔隙对材料性能影响的基本理论;减小承载面积；应力集中剂（减小孔隙尺寸、孔隙球化、孔隙内表面圆滑处理能有效降低应力集中，从而提高强度和韧性）应力松弛剂：裂纹遇到孔隙后被磨钝，提高断裂水平哪些力学性能对孔隙形状敏感：强度、弹性模量、延伸率、断裂韧性、冲击韧性、硬度提高粉末冶金材料密度的方法:复压复烧，溶浸、粉末冶金热锻固溶强化机理：晶体中有合金元素，固溶原子与晶体中缺陷的交互作用，溶质元素使基 体

3、（溶剂）金属的塑性变形抗力、强度、硬度增大，延性和韧性降低影响固溶度（合金溶解度）的因素：晶格因素，相对尺寸因素，化学亲和力，电子浓度因素什么是金属材料热处理？将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改 变金属或合金的内部组织结构，使材料满足使用性能要求。加热奥氏体化时影响粒度的因素：加热温度和保温时间，加热速度，合金元素，原始组 织刚冷却时等温转变的基本类型及对应组织结构的名称共析钢等温转变：珠光体，贝氏体，马氏体；亚共析钢等温转变：奥氏体，铁素体，珠光体；过共析钢等温转变：奥氏体，渗碳体，珠光体烧结钢热处理的工艺特点及注意事项工艺特点：奥氏体化温度高：致密钢为AC+3050C

4、，烧结钢为AC+100200C,密度的要求：烧结钢密度过低（V6.0g/cm3）淬火无任何效果，淬透性比致密钢差注意事项：孔隙率10%易腐蚀，不能在盐浴中加热（2）表面热处理前应进行封孔处理: 滚压、精整、或氮化、硫化处理（3）加热时应气氛保护或添加保护性填料（4）淬火介质不能 用水。烧结钢淬透性的影响因素：孔隙度，合金元素，氧、碳含量 身高结钢合金化的特点：1、孔隙的影响：密度低于6.5g/cm3,合金的强化作用很弱；2、 某些强化效果好合金元素，如Cr、Mn易氧化，常以中间合金粉或预合金粉引入；3、铜和 磷常用，4、烧结钢中常用的合金元素除碳外，主要有Cu、Ni、Mo、Cr、P等C含量对烧

5、结Fe-C系结构与性能的影响珠光体随C含量而增大而增大，渗碳体随C含量而增大而增大强度有极大值，塑性（延伸 率、断面收缩率）单调下降；由于碳分布不均匀，一般烧结钢显微组织为：珠光依铁素体 +少量渗碳体+孔隙+夹杂常见烧结碳钢显微组织：铁素体，珠光体，渗碳体17 .影响烧结碳钢化合碳含量的因素：1、石墨加入量，2、烧结气氛3、烧结温度4、烧结 时间5、氧含量18.烧结钢牌号的标准及识别：1、烧结铁：FTG1010、FTG1015、FTG1020; 2、烧结低碳钢 FTG3010、FTG3015、 FTG3020; 3、烧结中碳钢：FTG6015、FTG6020、FTG6025;烧结高碳钢：FTG

6、9020、FTG9025、FTG90-3019.20. Fe-Cu系烧结时Cu、C 含量对铜钢尺寸的影响1、与Fe-Cu二元系烧结尺寸变化区别较大；2、碳降低Fe-Cu的熔点、降低Cu在丫-Fe中 的溶解度，增加液相含量，促进收缩；3、C加入可显着改变Fe-Cu-C系烧结尺寸变化4、 有一个尺寸稳定区：CV1%； 1% V Cu 3%;21. 22 . 23 . 24.钼、镍、锰、铬在烧结钢中的作用及工艺注意事项Mo的作用：固溶强化、主要是细化晶粒，提高淬透性和防止回火脆性引入Mo应注意的 事项：Mo在铁中的扩散系数远低于C,选用共还原Fe-Mo合金粉或Mo-Fe中间合金粉替 代Mo粉 镍是扩

7、互溶产生固溶强化，在一定添加量内镣可提高强度而不降低韧性。注意 事项：镣在奥氏体铁中的扩散系数低于碳和铜，选用细镣粉并在较高温度下烧结（1200C）； 当镣含量超过23%时，镣和碳对收缩同时起作用，温度越高收缩也越大；引入少量的铜 可控制这种过大的收缩。Mn的作用：固溶强化；提高钢的淬透性引入Mn应注意：锰与 氧亲合力强，在一般烧结气氛下易氧化且难以还原，应以含碳的母合金形式引入总的作用:提高钢的强度，还可以改善钢的抗氧化性和抗腐蚀性。当含量较少时，Cr主要是通过稳 定过冷奥氏体改善组织而其强化作用 引入Cr应注意：易氧化，采用混合粉烧结时Cr以 Fe-Cr中间合金或。相粉形式加入到配料中；烧

8、结时严格控制气氛的露点或真空烧结磷钢的烧结机制烧结钢中加入？可改善和提高强度和韧性1）固溶强化；2）与Fe在1050C共晶反应，形 成液相，促进致密化；3）铁在铁素体中的扩散系数比在奥氏体中的扩散系数大100倍左右。 而P有缩小奥氏体相区的作用，使铁在铁素体相区或铁素体+奥氏体双相区烧结，故P能促进铁的扩散，加速铁的致密化和孔隙球化4）加P可使Fe-P合金收缩明显，可分别或同 时加入Cu和石墨来抑制收缩采用铜，锡元素混合粉为原料制备锡青铜合金，烧结时应注意的事项1、低密度制品（V7g/cm3）用混合粉；高密度制品（7g/cm3）用合金粉；2、为改善锡 青铜的性能，一般会引入其它合金元素如P、Z

9、n、Ni等锌黄铜烧结为什么优先采用合金粉，合金粉烧结时的注意事项1、锌在烧结时易挥发，故常用雾化合金粉，但仍存在烧损。注意事项：1）气氛干燥；2） 采用含锌的填料密封；3）提高升温和降温速度4、烧结温度一般控制在固相线以下100C 左右，5、通过复压复烧将孔隙率降至36%，冷锻和热锻都可降至密度提高至9798%；什么是镍银合金？将黄铜中的锌用镣替代10%20%就得到镣黄铜，Cu-NI-Zn三元合金呈银白色，故又称镣 银合金。什么是烧结铝，烧结铝的基本工艺过程铝合金包括两个大类：铸造铝合金和变形铝合金，工艺过程：制粉、混料、压制、烧结 和后处理等粉末冶金热锻对粉末冶金原料的要求1）优先雾化预合金

10、粉，保证成分均匀，有利于合金化和热处理强化。2）合金元素的选择 要考虑其与氧的亲和力。如Cr、Mn、V、Ti、Al等合金元素不宜，当Cr、Mn含量小于1%,进行防氧化处理措施后也可应用；常用的合金元素为Cu、Mo和Ni等。3）原料粉的纯度 要高，氧含量和非金属夹杂物含量低。铁基粉末冶金结构材料烧结工艺及各工艺环节的气氛控制铁基粉末冶金零件（主要是烧结钢）通常是采用铁、石墨和合金元素的混合粉经压制和烧结 制成。在烧结过程中的完成烧结体与气氛的反应以及合金化，并决定最终的组织结构。只 有制定合理的烧结工艺，才能获得合格的烧结钢产品。气氛控制：1.预热区I段：为了有 利于润滑剂的烧除，此区需要氧化性

11、气氛。通常采用的是放热型气氛或混有空气的氮、空 气混合气体。2.预热区U段：预热区U段是氧化物还原区，此段需要还原性气氛。通常采 用吸热性气氛或还原性氮基气氛。3.烧结区：烧结区是高温区。两个以上组元的压坯在此 区域将发生合金化反应。因此这一区的气氛必须要有维持烧结零件成分的作用。对烧结钢 而言，需要维持一定的碳势，通常采用可控碳势气氛，如吸热性气氛或添加有甲烷的氮基 气氛，并通过调节气氛中CO2、H2O或CH4的含量来维持一定的碳势。4.预冷区：对烧 结钢而言，这一区为重新渗碳区。在烧结区产生脱碳的烧结零件，可在这一区域采用渗碳 性气氛.如CO、CH4含量较高的吸热性气氛或含甲烷的氮基气氛，

12、恢复或增加烧结钢零 件的碳含量。5.冷却区：这一区的气氛主要起保护作用，防止烧结零件氧化变黑或变蓝）， 以便获得正常的显微结构、性能稳定、再现性好的烧结零件。通常采用氮气和有轻度还原 的烧结气氛。铁基粉末冶金零件的水蒸气表面处理的热力学和动力学原理：3FeO+H2O=Fe3O4+H2; Fe+H2O=FeO+H2; 3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2 （低于 570C ）根 据热力学原理Z = RTlnKp, Kp=pH2O/pH2反应取决于蒸汽压与氢的气压比和温度。在 570C下，只要不断地通入水蒸气，反应便会连续地朝生成Fe3O4的方向进行，因为水蒸气 中不存在氢。动力学：水蒸汽首先吸附

13、于铁的表面，发生氧和氢的分解反应，氧原子具有 很强的活性，与铁反应生成Fe3O4的速度很快。由于Fe3O4膜比较致密.在铁的表面形成 连续的氧化膜。烧结减磨材料常用的润滑剂石墨，硫和硫化物，硒化物和碲化物，氟化物，六方氮化硼，一些有机物烧结含油轴承自润滑的原理1）热的作用：轴旋转时，因摩擦使轴承升温，导致润滑油粘度降低并同时受热膨胀，油便 从孔隙中渗出渗出形成油膜、维持润滑。轴停止工作，轴承温度降低，油因冷却而收缩， 在毛细管吸力下进入轴承内的孔隙内储存起来2）泵的作用：轴旋转时，把润滑油从一个 方向压入孔隙，油通过轴承内的孔隙通道渗至较远处后又益处到工作面，使润滑油不断循 环使用、钢背轴瓦复

14、合减摩材料的种类：1）铜铅合金（铅青铜）；2）多孔铜镍合金，孔隙中浸渍巴氏合金；3）多孔锡青铜浸渍易 熔减摩合金（或浸渍氟塑料、浸油）；钢背-烧结铜铅合金双金属带材生产工艺：粉末冶金+压力加工+机械加工1）制粉：雾化法制取铅青铜粉。铅含量可达50%以上，粉末粒度控制在0.40mm左右；2） 钢带去锈，调平，根据需要可以电镀铜或锡；3）布粉，布粉厚度在0.4至1.5mm之间，可 预先在钢带上涂胶以稳定粉末；4）还原气氛下预烧，温度780850C，保温时间1520 分钟；5）轧制，精确控制压下量，以保证全致密，但压下量过大会导致二次烧结出汗；6） 二次烧结，工艺同预烧；7）二次精轧制至预定尺寸；8

15、）后加工成轴瓦、轴套：下料、打 弯、成形、整形和机械加工；9）电镀Cu-Sn、Pb-Sn-Cu或Pb-In合金保护膜，膜厚0.05mm。DU和DX复合减摩材料的性能DU： 1）可在干燥条件下工作，2）在-200280C范围内减摩性能和耐蚀性基本不变，3） 强度高，可承受高的动负荷和静负荷；4）滑动平稳，5）对绝大多数溶剂和和许多工业液 体（包括水和油）与气体都是稳定的，6）可用于粉尘浓度高的场所，7）适用于转动、摆 动、往复运动和滑动等，8）也可在液体润滑条件下使用DX: 1）不适用于干摩擦，2）涂润滑脂后寿命比DU长，3）适用范围不及DU广，3）在 聚甲醛减摩层加入固体润滑剂，如Pb、PbI

16、2,以改进减摩性能；摩擦材料的分类：1）石棉摩擦材料2）半金属摩擦材料3）粉末冶金摩擦材料4）碳-碳摩擦材料粉末冶金摩擦材料的组成及各组元的作用基体组元：其成分、结构决定了摩擦材料的强度、耐热性和耐磨性2、润滑组元：其成分、 结构决定了摩擦材料的强度、耐热性和耐磨性3、摩擦组元：提高摩擦系数，消除摩擦对 偶件表面从烧结摩擦片转移过来的金属，减少对偶表面的擦伤和磨损。摩擦组元不是对配 偶件的磨料磨损，而是保证与对偶件达到最佳啮合，并使对偶表面保持良好的性能。低熔点金属用作润滑组元的自调节原理在无润滑摩擦状态下，铅由于摩擦温升而融化，形成润滑膜，降低摩擦系数，同时降低摩 擦面的温度，降温后铅又凝固

17、，使摩擦系数回升至原有水平。称之为低熔点金属用作润滑 组元的自调节原理。41 .粉末冶金摩擦材料的制造工艺1）钢背的加工：铜基20钢，铁基合金钢。2）钢背涂覆：铜基镀铜（1015微米）+镀锡 （35微米）；铁基镀铜+镀镍或直接镀铜，钝化处理，使用时再酸洗。3）混料：一次混 入或逐级混（铜基：SnTSiO2iPbTFeTCuT石墨；铁基：石棉粉SiO2BaSO4Cu Fe-石墨）、4）压制：（1）将粉末直接压在钢背上（薄离合器片）：铁基300600MPa，铜 基150300MPa；（2）先将粉料压型后再与钢背叠合（制动片）5）烧结：压力：铜基逐步 加压至1 MPa。烧结温度750850C ；铁基

18、逐步加压至1.51.8MPa,烧结温度10301100C； 6）烧结后处理与检测粉末冶金多孔材料的主要用途冶金和化学工业的高温、高压过滤和分离材料，催化反应的催化剂的载体，航空与液压系 统的油类的过滤与净化，液态金属如钠、锂和铋的过滤；航空发动机和火箭高温部件的冷 却部件等。金属粉末多孔材料粉末常见的固结工艺1、模压成型与烧结2、等静压制3、松装烧结4、粉末增塑挤压5、粉浆浇注泡沫金属材料制备方法及用途1、化学镀和电镀2、液态金属发泡法3、熔盐浇铸法4、粉末冶金法 用途：泡沫金属主要用于：催化剂载体、多孔电极、阻火器、过滤器、消音减震器和热交 换器等。45 .多孔材料汞压入法孔径测定的基本原理

19、润湿现象46.过滤精度及影响过滤精度的因素1、过滤精度又称净化精度，可用过滤时透过多孔体的最大固体微粒的尺寸表示，也可用过 滤时过滤元件所能截留的最小固体微粒的尺寸表示。过滤精度取决于过滤元件的孔径大小。2、过滤精度受原料粉末粒度、生产工艺（成形压力、添加剂含量、烧结温度等）和过滤过 程等影响47 .影响多孔材料透过性能的因素1、粉末性能2、孔隙度3、材料厚度4、工作条件5、制造工艺参数常见粉末冶金多孔材料的种类金属粉末多孔材料，金属纤维多孔材料，泡沫金属材料粉末冶金多孔材料用作热交换材料进行冷却的方式有哪些1、发散冷却2、发汗冷却3、自发汗冷却接触电阻：接触电阻是指两接触元件在接触部位产生的

20、电阻。R=E/1接触电阻包括两部 分：收缩电阻Rc和膜电阻Rf R=Rc+Rf解释触头材料熔焊现象 熔焊是指触头闭合后出现熔化而使开关不再断开的现象，必须用外力才能拉开触头。触头 熔焊分静熔焊和动熔焊两种。静熔焊：触头闭合时，由于触头本身的电阻和接触电阻的存 在，使触头表面局部熔融而发生的熔焊。动熔焊：触头接通时，由于动触头打击静触头产 生弹跳而引起电弧所产生的熔焊。电触头的破坏形式1、起弧 2、氧化 3、熔焊 4、桥接电触头材料的分类及实例1、按电流、电压等级分类：1）高、中压触头材料：主要用于各类高压重负载断路器（如 空气断路器、油断路器、SF6断路器及真空断路器）的触头材料2）低压触头材

21、料：分两 类：保护电器触头，控制电器触头3）弱电触头材料2、按制造方法分类：1）熔炼加工触头材料：包括铜及其合金，银及其合金，金基合金， 铂族合金；2）烧结触头材料：包括各类假合金、金属-氧化物触头材料以及难熔金属钨、 钼触头。3、按材料组合类型分类1）金属-金属2）金属-金属氧化物3）金属-无氧难熔化合物4）金属-减磨材料压制烧结法制备电触头材料常用工艺技术 固相烧结材料：Ag-Ni，Ag-Fe，Ag（Cu）-石墨，低W的Ag-W和Cu-W，活化烧结材料:W、Mo触头；液相烧结材料：高W的Cu-W、Ag-W或高WC的Ag-WC触头采用压制-烧结-复压-复烧或退火工艺制备银基触点的注意事项银基

22、触点不能仅依靠提高压力来提高密度，因为烧结时银粉会释放气体，当素坯致密度过 高时，孔隙通透性差会影响气体排放而产生张力使坯体膨胀。必须选择适当的成形压力和 烧结温度，以保证足够的烧结收缩以便于用同一模具复压，该工艺获得的触点仍有一定的 孔隙度，性能不高。压制-烧结-挤压工艺的优点1）挤压后致密度高达99%，材料的物理机械性能和耐电弧烧损等电性能大为提高；2）材 料成分及质量较其它方法（如合金内氧化法和共沉淀法）易于控制，产品性能的稳定性和 一致性好；3）复合体系中的第二组元，如石墨、镍、氧化物等成纤维状排布，且纤维排列 方向垂直于触点使用面，耐电弧烧蚀性大大提高。Ag-C触点为什么要进行表面脱

23、碳处理由于Ag-C触头抗熔焊性好，难焊接，在用压制-烧结法制取时，均覆以纯银焊接层。烧结 挤压法没有纯银覆层，所以要采用脱碳处理，使焊接表面烧出而获得纯银覆层。溶浸法适合制造哪些触点该工艺可制备几乎无孔的触点，适用于高钨或钼的 W-Ag、W-Cu、Mo-Cu及高碳化钨的 WC-Ag、WC-Cu等高压触点。CdO在银基触点中的作用和机理CdO使触头抗熔焊、耐电弧烧损；原因：（1）受热分解而吸收大量的热，靠Cd的挥发去 冷却基体并熄灭电弧；（2）CdO的存在提高了表面熔融物的粘度，防止融化的银被电弧吹 离（3）CdO相当于夹杂聚集在固-液界面，使形成的熔焊物变脆，减少熔焊的危险；与W-Cu触头材料

24、相比，Cu-Cr 合金有哪些优点既保留了难熔组元-良导电金属类材料的某些优点，又使电流分段能力大为提高；由于Cu 和Cr蒸气压相当，起弧时二者熔化与蒸发的量也大致相等，凝固后触头材料表面较为光滑 平整，成分与熔化前相同，能保持开断能力不下降；由于Cr与氧的亲和力大，吸氧作用好， 能使真空度维持在较低的恒定值，有利于触点介质具有较高的介电强度。高性能粉末冶金材料及技术的特点1、粉末冶金技术获得高性能的基本方法是全致密化：热压、热等静压、热挤压、粉末热锻 以及各种粉末坯锭的热加工；2、在全致密化的过程中同时实现近终成形（近净成形），节 省贵重金属用量，减少能耗3、化学成分设计上的灵活性和微观组织结

25、构的完整性方面优 于熔铸合金。雾化粉末成分偏析现象及原因a）温度过冷：形成枝晶，枝晶间距与冷却速度有关；b）成分过冷：凝固部分的成分不同于 残留的液相，液相内含有过剩的溶质，形成微偏析，典型的微偏析是晶内偏析。过冷层深形成枝晶凝固，过冷层薄形成胞状组织粉末冶金热致密化的流动工艺模型流动模工艺：比HIP经济的固结工艺，利用金属内膜在热压温度下软化，将压力均匀传递 到粉末上，达到近似HIP的效果。可采用普通压机，压力比HIP高610倍；（2）热压 温度比HIP低（约1000C左右），致密化时间可缩至1秒以内；（3）合金晶粒极为细小，特 别适合RSP粉；（4）流动模采用NI-Cr连续固溶体，其熔点和

26、软化温度可调，模具可多次使 用且能回收利用；什么是氧化物弥散强化型高温合金氧化物弥散强化（ODS）高温合金是一类由热稳定性好的超细氧化物质点（大小为几十个 纳米以内、间距约100纳米）均匀弥散在普通高温合金基体中起补充强化作用的合金，该 合金兼有沉淀强化和弥散强化两种机制，合金经热加工后晶粒具有与定向凝固合金相似的 织构特征。65.ODS高温合金的制造工艺过程（1）粉末原料制备：a、选择还原法b、预合金粉末部分氧化法c、机械合金化法（2） 固结-热机械加工66.高速钢中合金元素及作用钨 钙是造成高速钢红硬性的主要元素，而且是强碳化物形成元素。钙部分固溶于基体， 而且与碳原子的亲和力强，能提高回

27、火马氏体的分解温度；同时钙的原子半径大，能提高 铁的自扩散激活能，改善钢的回火稳定性。钙的碳化物在淬火加热时很难溶解，对晶粒长 大起阻碍作用，能提高淬火加热温度以提高奥氏体的合金度；回火时从奥氏体中析出碳化 物，弥散分部在马氏体基体内，与碳化钒一起造成钢的二次硬化效应。部分碳化物留在回火a相中，提高钢的红硬性和抗回火性。钨的不利影响是大幅降低钢的导热性和增加碳化物 的不均匀分布。钼 钳与钨同族，晶体结构与原子半径相近，化学性质相同，在钢中的作用也一样。钳也 是强碳化物形成元素，能提高钢的硬度和红硬性，造成二次硬化。可取替代钨。含钳钢的 特点是碳化物偏析程度轻，热塑性好。由于碳化物（Fe，Mo）6C溶于奥氏体温度比（Fe，W）6C 低，淬火加热时易出现晶粒长大，过热敏感型高；同时钳高速钢的氧化脱碳倾向也大。铬铭