粉末冶金考试试题及答案

一、名词解释：（20分，每小题2分）临界转速：机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度二次颗粒：由多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒；离解压：每种金属氧化物都有离解的趋势，而且随温度提高，氧离解的趋势越大，离解后的氧形成氧分压越大，离解压即是此氧分压。电化当量：这是表述电解过程输入电量与粉末产出的定量关系，表达为每96500库仑应该有一克当量的物质经电解析出气相迁移：细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程颗粒密度：真密度、似密度、相对密度比形状因子：将粉末颗粒面积因子与体积因子之比称为比形状因子压坯密度：压坯质量与压坯体积的比值粒度分布：将粉末样品分成若干粒径，并以这些粒径的粉末质量（颗粒数量、粉末体积）占粉末样品总质量（总颗粒数量、总粉末体积）的百分数对粒径作图，即为粒度分布加工硬化：金属粉末在研磨过程中由于晶格畸变和位错密度增加，导致粉末硬度增加，变形困难的现象称为加工硬化；二流雾化：由雾化介质流体与金属液流构成的雾化体系称为二流雾化；假合金：不是根据相图规律构成的合金体系，假合金实际是混合物；保护气氛：为防止粉末或压坯在高温处理过程发生氧化而向体系因入还原性气体或真空条件成形性：粉末在经模压之后保持形状的能力。压缩性：粉末在模具中被压缩的能力称为压缩性。流动性：50克粉末流经标准漏斗所需要的时间称为粉末流动性。粉末粒度：一定质量（一定体积）或一定数量的粉末的平均颗粒尺寸成为粉末粒度比表面积：一克质量或一定体积的粉末所具有的表面积与其质量或体积的比值称为比表面积孔隙度：粉体或压坯中孔隙体积与粉体体积或压坯体积之比；松装密度：粉末自由充满规定的容积内所具有的粉末重量成为松装密度标准筛：用筛分析法测量粉末粒度时采用的一套按一定模数（根号2）金属网筛。弹性后效：粉末经模压推出模腔后，由于压坯内应力驰豫，压坯尺寸增大的现象称作单轴压制：在模压时，包括单向压制和双向压制，压力存在压制各向异性密度等高线：粉末压坯中具有相同密度的空间连线称为等高线，等高线将压坯分成具有不同密度的区域合批：具有相同化学成分，不同批次生产过程得到的粉末的混合工序称为合批雾化介质：雾化制粉时，用来冲吉破碎金属流柱的高压液体或高压气体称为雾化介质；活化能：发生物理或化学反应时，形成中间络合物所需要的能量称为活化能平衡常数：在某一温度，某一压力下，反应达到平衡时，生成物气体分压与反应物气体分压之比超硬材料：以金刚石或立方氮化硼单晶为原料制取的磨料、聚晶、及与其它材料结合而成的复合材料及制品。熔焊：触头闭合后出现融化使开关不能再断开的现象。静焊：电触头本身电阻使表面局部熔化。动焊：接通时，动触头打击静触头，弹跳，引起了电弧。等静压制：是借助高压泵的作用把液体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内粉末上，使粉末体在同一时间内各个方法均匀受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。粉浆浇注：金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成形的过程。对于压制性差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、氮化物、铭和硅等粉末，粉浆浇注是特别有效的成形方法。高性能粉末冶金材料：采用传统的或特殊的粉末冶金方法所制备的性能更高的粉末冶金材料。全致密化技术优点：材料与能量的合理利用，成分设计的灵活性，微观组织的完整性。固溶强化：加入与基体金属原子尺寸不同的元素（铭、钨、钼等）引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素(如钻)和加入能减缓基体元素扩散速率的元素(钨、钼等)，以强化基体。硬质合金：指一种或多种难熔金属的碳化物(WC、TiC等)作为硬质相，用过渡族金属(Co等)作为粘结相，采用粉末冶金技术制备的多相材料。作为切削刀具用的硬质合金，常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的粘结相有Co、Ni、Fe等。硬质合金的强度主要取决于粘结相的含量。烧结摩擦材料:是一种包含多种金属与非金属元素的复合材料。粉末体的性质：除单颗粒的性质、以外，还有平均粒度、粒度组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦状态。粉末的孔隙性质：总孔隙体积、颗粒间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形状。二、分析讨论:(25分)1、 粉末冶金技术有何重要优缺点，并举例说明。(10分)优点：(1)能够制备部分其他方法难以制备的材料，如难熔金属，假合金、多孔材料、特殊功能材料(硬质合金)；因为粉末冶金在成形过程采用与最终产品形状非常接近的模具，因此产品加工量少而节省材料；部分产品，尤其是形状特异的产品，采用模具生产易于，且工件加工量少，制作成本低，如齿轮产品。缺点：(1)末冶金产品中的孔隙难以消除，因此粉末冶金产品力学性能较相同铸造加工产品偏低；形过程需要模具和相应压机，因此大型工件或产品难以制造；(3)效益比较小2、 分析为什么要采用蓝钨作为还原制备钨粉的原料？(5分)采用蓝钨作为原料制备钨粉的主要优点是可以获得粒度细小的一次颗粒，尽管二次颗粒较采用WO3作为原料制备的钨粉二次颗粒要大。采用蓝钨作为原料，蓝钨二次颗粒大，(一次颗粒小)，在H2中挥发少，通过气相迁移长大的机会降低，获得WO2颗粒小；在一段还原获得WO2后，在干氢中高温进一步还原，颗粒长大不明显，且产量高。3、 分析粉末粒度、粒度分布、粉末形貌与松装密度之间的关系。(10分)松装密度是粉末的一个重要物理性能，也是粉末冶金过程中的重要工艺参数，粉末粒度粉末形状对松装密度影响显著：粉末越细松装密度越小粉末形状越复杂松装密度越小粉末质量(粉末颗粒中孔隙因素)越小、松装密度越小在部分教大直径的粉末中加入少量较小粒径的粉末，构成一定粒度分布，有利于提高松装密度4、 熔体粘度，扩散速率，形核速率，以及固相长大速率都与过冷度相关，它们各自对雾化粉末显微结构的作用如何？(15分)提示：I=IoD2exp(-QL/kT)exp俾M/(TAT2)}形核率是过冷度的函数，在一定过冷度内(形核控制区内)，过冷度越大第二个指数项越大，形核速率增加；形核速率I与过冷度AT之间的关系如下，过冷度与形核速率为负指数关系，I=IoD2exp(-QL/kT)exp{-M/(TAT2)}，过冷度太大(扩散控制区内)，原子排列时间不够，形核率降低将上式变形I/D2=Ioexp(-QL/kT)exp{1-M/(TAT2)}晶粒直径与过冷度成正指数关系，增加过冷度，晶粒尺寸越小（3） 通常地，过冷度越大，原子扩散速度越小，晶粒尺寸越小（4） 通常地，温度越高，熔体黏度越小，过冷度大，溶体黏度变化梯度大，表面张力作用时间短，颗粒多呈不规则形状。5、 与传统加工方法比较，粉末冶金技术有何重要优缺点，试举例说明。（20分）优点：材料利用率高，加工成本较低，节省劳动率，可以获得具有特殊性能的材料或产品，缺点：由于产品中孔隙存在，与传统加工方法相比，材料性能较差例子：铜一钨假合金制造，这是用传统方法不能获得的材料；6、 气体雾化制粉过程中，有哪些因素控制粉末粒度？（10分）解：（1）二流之间的夹角，夹角越大，雾化介质对金属流柱的冲击作用越强，得到的粉末越细；（2）采用液体雾化介质时，由于质量大于气体雾化介质，携带的能量大，得到的粉末越细；（3）金属流柱直径小，获得粉末粒度小；（4）金属温度越高，金属熔体黏度小，易于破碎，所得粉末细小；7、 用比表面吸附方法测试粉末粒度的基本原理是什么？（10分）解：粉末由于总表面积大，表面原子力场不平衡，对气体具有吸附作用，在液氮温区，物质对气体的吸附主要为物理性质的吸附（无化学反应），经数学处理，若知道吸附的总的气体体积，换算成气体的分子数，在除以一个气体分子的体积，即获得粉末的表面积，通常采用一克粉末进行测量，因此我们将一克质量粉末所具有的表面积定义为比表面积，当我们知道了总表面积数值后，可以假设粉末为球形，然后根据球当量直径与表面积的关系（形状因子），获得粉末平均粒径。为了尽量获得准确的测量数据，被吸附的气体通常是惰性气体。这样一种由测量一定质量粉末总表面积，然后计算粉末平均粒度的方法，就是通过测试粉末比表面积，计算粉末粒度的基本原理。8、 分析粉末冶金过程中是哪一个阶段提高材料利用率，为什么？试举例说明。（10分）粉末冶金过程中是由模具压制成形过程提高材料利用率，因为模具设计接近最终产品的尺寸，因此压坯往往与使用产品的尺寸很接近，材料加工量少，利用率高；例如，生产汽车齿轮时，如用机械方法制造，工序长，材料加工量大，而粉末冶金成形过程可利用模具成形粉末获得接近最终产品的形状与尺寸，与机械加工方法比较，加工量很小，节省了大量材料。9、 气体雾化制粉过程可分解为几个区域，每个区域的特点是什么？（10分）（1） 气体雾化制粉过程可分解为金属液流紊流区，原始液滴形成区，有效雾化区和冷却区等四个区域。其特点如下：（2） 金属液流紊流区：金属液流在雾化气体的回流作用下，金属流柱流动受到阻碍，破坏了层流状态，产生紊流；（3） 原始液滴形成区：由于下端雾化气体的冲刷，对紊流金属液流产生牵张作用，金属流柱被拉断，形成带状-管状原始液滴；（4） 有效雾化区：音高速运动雾化气体携带大量动能对形成带状-管状原始液滴的冲击，使之破碎，成为微小金属液滴；（5） 冷却区。此时，微小液滴离开有效雾化区，冷却，并由于表面张力作用逐渐球化。10、 分别分析单轴压制和等静压制的差别及应力特点，并比较热压与热等静压的差别。（10分）单轴压制和等静压制的差别在于粉体的受力状态不同，一般单轴压制在刚模中完成，等静压制则在软模中进行；在单轴压制时，由于只是在单轴方向施加外力，模壁侧压力小于压制方向受力，因此应力状态各向异性，。1》。2=。3导致压坯中各处密度分布不均匀；等静压制时由于应力均匀来自各个方向，且通过水静压力进行，各方向压力大小相等，粉体中各处应力分布均匀，。1=。2=。3因此压坯中各处的密度基本一致。11、 分析还原制备钨粉的原理和钨粉颗粒长大的因素。（10分）钙粉由氢气还原氧化钙粉的过程制得，还原过程中氧化物自高价向低价转变，最后还原成钙粉，WO3—WO2—W；其中还有WO2。90—WO2。72等氧化物形式。由于当温度高于550度时，氢气即可还原WO3，由于当温度高于700度时，氢气即可还原WO2。因为在这种条件下水分子的氧离解压小于WO3，WO2离解压，水分子相对稳定，WO3，WO2被还原，同时由于温度的作用，疏松粉末中还原产物容易经扩散排走，还原动力学条件满足，导致氧化钙被氢气还原；由于WO3，和WO2在含有水分子的氢气中具有较大的挥发压，而且还原温度越高，挥发压越大，进入气相中的氧化车乌被还原后，沉降在以还原的钙粉颗粒上导致钙粉颗粒长大。粉末在高温区停留的时间长也会因原子迁移致使钙粉颗粒长大。氢气湿度大，导致WO3和WO2细颗粒进入气相，也是导致乌粉颗粒长大的重要因素。12、 什么是假合金，怎样才能获得假合金？（10分）解：两种或两种以上金属元素因不经形成固溶体或化合物构成合金体系通称为假合金，是一种混合物；假合金形成的条件是形成混合物之后两种物质之间的界面能，小于他们单独存在时的表面能之和，即YAB<YA+YB13、 氧化铁氢还原方法制备还原铁粉：FeO+H2=Fe+H2O,平衡常数：LgKp=-1000/T+0.5,Kp=PH2O/PH2，讨论还原温度分别为500oC，600oC，700oC时，平衡常数变化趋势和温度对还原的影响。（10分）解：T=773LgKp=-1000/773+0.5=-0.8,Kp=PH2O/PH2=T=873LgKp=-1000/873+0.5=-0.65,Kp=PH2O/PH2=T=973LgKp=-1000/973+0.5=-0.53,Kp=PH2O/PH2=计算表明，温度月高，平衡常数值越大（正）,说明随还原温度提高，气氛中的H2O比例可越大，氢气中水蒸气含量提高，提高温度有利于还原进行。14、 氧化钨氢还原方法制备还原铁粉：WO2+2H2=W+2H2O平衡常数：LgKp=-3225/T+1.65,Kp=PH2O/PH2讨论还原温度分别为700oC，800oC，900oC时，平衡常数变化趋势和温度对还原的影响。（10分）解：T=973LgKp=--3225/973+1.65=-1.66,Kp=PH2O/PH2=0.022T=1073LgKp=--3225/1073+1.65=--1.36,Kp=PH2O/PH2=0.044T=1173LgKp=--3225/1173+1.65=-1.11,Kp=PH2O/PH2=0.078计算表明，温度月高，平衡常数值越大（正）,说明随还原温度提高，气氛中的H2O比例可越大，氢气中水蒸气含量提高，提高温度有利于还原进行。15、 碳直接还原氧化铁制备铁粉时热力学条件如图所示，说明图中各条曲线的含义，表明各相稳定存在区域并讨论氧化亚铁还原成铁粉的条件。（10分）b曲线：Fe3O4被还原成FeO的反应平衡曲线；c曲线：FeO被还原成Fe的反应平衡曲线；d曲线：Fe3O4被还原成Fe的反应平衡曲线。与b、c相交的曲线为碳氧化反应的平衡曲线在do，oc线以上Fe稳定存在；do，ob线以下部分Fe3O4稳定存在，在ob、oc线之间FeO稳定存在；只有当温度高于碳的氧化反应平衡曲线与FeO被还原成Fe的反应平衡曲线的焦点温度时，气相中的CO百分含量(浓度)才能使FeO被还原成Fe；即温度高于680oC,CO的百分含量超过61%。16、为什么采用环缝形喷嘴容易引起露嘴堵塞,采用什么办法可以解决这一问题？(10分)当采用环缝形喷嘴时，由于锥型的气流形成密闭的空间，导致金属流柱下流受阻，而堵塞喷嘴.采用v型喷嘴可以解决这一问题。三、分析计算：(30分，每小题10分)1、机械研磨制备铁粉时，将初始粒度为200微米的粉末研磨至100微米需要5个小时，问进一步将粉末粒度减少至50微米，需要多少小时？提示W=g(Dfa-Dia)，a=-2解：根据已知条件W1=g(Dfa-Dia)=9.8(100-2-200-2),初始研磨所做的功W2=g(Dfa-Dia)=9.8(50-2-100-2)进一步研磨所做的功W1/W2=t1/t2,t2=t1(W2/W1)=20小时2、在低压气体雾化制材时，直径1mm的颗粒，需要行走10米和花去4秒钟进行固化，那么在同样条件下，100um粒度颗粒需要多长时间固化：计算时需要作何种假设。解：固化时间：t=DPm{Cpln(Tm-To/Ts*)+AH/Ts-To}/6&简化成t=KD并令K=Pm{Cpln(Tm-To/Ts-To)+AH/Ts-To}/6&,假设重力的作用很小时，有4/X=1000K/100KX=0.4秒S=1米3、相同外径球型镍粉末沉降分析，设一种为直径100微米实心颗粒，一种为有内径为60的空心粉末，求他们的在水中的沉降时间(沉降速度)，D理二8.1.TOC\o"1-5"\h\z解：v二h/t=gd2 ( P 1 - P 2)/(18 n )h/t=gd2( P 1 - P 2 )/(18n )t=h/gd2( P 1 - P 2 )/(18n )求得t1(实心)=31秒，t2=23秒4、 一压坯高度是直径的三倍，压力自上而下单向压制，在压坯三分之二高度处压力只有压坯顶部压力的四分之三，求压制压力为500Mpa时，压坯三分之一高度和压坯低部的压制压力？(10分)解：根据已知条件，在h=2/3H时，P2=3/4P1，计算得EXP(-Q1)=3/4h=1/3H时，P3=P1EXP(-Q2)=281。25Mpa在压坯底部压制压力P=210。94MPa5、 若用镍离子浓度为12克/每摩尔(g/mol)的硝酸镍做电解液制取镍粉时，至少需要多大的电流密度才能够获得松散粉末？假设a=1(10分)解：镍离子浓度为12克/每升(g/L)时等于12/58.71=0.2051mol/L,既c=0.2051mol/L,并已知a=1由i=1/aC,I=1x0.2051=0.2051A/cm2=20.51A/dm2至少需要电流密度等于20.51A/dm2才能够获得松散粉末.由铁粉与石墨粉的混合粉成形的压坯，在烧结时，石墨中的碳扩散到铁中，形成奥氏体（碳在高温形态铁中的固溶体）压坯烧结后冷却到室温时，奥氏体发生相变，化合碳含量为0.80%时，形成珠光体（铁素体与渗碳体的共晶混合物）；化合碳含量低于0.80%（即亚共析钢）时，形成铁素体与珠光体的混合物；化合碳含量高于0.80%（即过共析钢）时，形成珠光体与渗碳体的混合物。烧结碳素钢的金相组织和常规的共析钢、亚共析钢及过共析钢是一致的。普碳钢的强度因含碳量增加而增高。碳钢的抗拉强度一直增高到共析组成，当含碳量更高时，抗拉强度大体上处于恒定状态。由铁粉与石墨粉的混合粉制成的结构零件，其材料的强度同样随着含碳量增加而增高。在化合碳含量达到共晶点之前，强度随着化合碳含丛增加而增高；化合碳含量超过共晶点之后，由于连续的、脆性的渗碳体网络出现，烧结碳钢的横向断裂强度减低。合金化的特点:金属学原理与普通钢一致，合金元素选用上的差别，孔隙度对合金元素的强化效果有直接影响，密度小于6.5g/cm3时效果不好，强化效果好的元素Cr,Mn易于氧化，合金形式,Cu,P在烧结钢中有强化作用，提高材料的密度的方法:复压复烧:二次压制与烧结.熔浸:低熔点组元熔化后浸入到骨架中.粉末冶金热锻:热等静压。Fe-C体系：含碳量的控制，游离石墨的防止,组织性能与烧结后的冷却速度有关。Fe-Cu-C与Fe-Cu-Mo-C系:烧结铜:10%以内,熔浸铜:15~25%,较佳配比为C,1.5%;Cu,8%,时效作用比较明显，对尺寸变化有很大影响,Mo的主要作用是固溶强化，细化径粒,Mo的扩散慢，一般采用合金粉.Fe-P-C系:形成Fe-P固溶体，固溶强化,缩小奥氏体区，促进扩散,Fe-P在1050度共晶，形成液相,促进烧结,以合金形式加入.Fe-Mn-C系:固溶强化，提高淬透性，资源丰富,价格低，易于氧化。Fe-Cr-C系:改善力学性能，抗氧化性，耐腐蚀性，以合金粉的形式加入。膨胀与收缩：在包晶线温度以下烧结，不发生异常膨胀。超过包晶温度时，液相迅速消失，氢气自液相析出，造成气孔而出现异常膨胀。烧结温度越低，所需要的保温时间越长。制造工艺：原料粉末及润滑剂:雾化Al,元素粉末，容易压制，烧结时出现液相，利于烧结，压制:不大的压力下，能够达到95%的相对密度，烧结:润滑剂（湿度低，灰分少）与烧结气氛（低露点,-40度以下）,添加溶解度高的合金元素，烧结后处理。烧结金属摩擦材料:是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件。它具有足够的强度，合适而稳定的摩擦系数，工作平稳可靠，耐磨及污染少等优点，是现代摩擦材料家族中应用面最大、量最大的材料。基本要求:足够的摩擦系数,高温高压下的稳定性，耐磨性，强度，导热性，耐腐蚀，不黏结，抗咬合等.烧结摩擦材料的分类：干摩擦传动装置：轻负荷和中等负荷的传动装置。干摩擦制动器：中等负荷和重负荷制动器。油中工作的离合器：中等负荷控制离合器和重负荷的离合器。液体润滑制动器：中等负荷和重负荷的制动器。烧结摩擦材料的三组元：基体组元，润滑组元，摩擦组元。基体组元作用：很大程度上决定材料的强度，耐热性，耐磨性。铁基：熔点高，强度大；易于对偶材料形成黏附。可加入合金元素改善性能，硬度、强度、摩擦系数等。铜基：耐腐蚀，与对偶材料配合好；Cu50~90%；强化合金元素：Sn，Al，Zn，Ni等。润滑组元作用：改善抗卡性，提高耐磨性。分类：低熔点金属：铅、铋、锑等。石墨硫化物：二硫化钼、二硫化钨、硫化亚铜。金属（Cu、Ni、Fe、Co）磷化物，滑石等。摩擦条件对性能的影响：压力、温度、速度、对偶材料；