6.1粉末冶金ppt课件

1、1,第 6章 材料的固相制备化学,61 粉末冶金 62 陶瓷和耐火材料的固相烧结 63 自蔓延合成与人工晶体的固相生长,2,61 粉末冶金,前言 金属粉末的制取 粉末性能的测定 成形 烧结,Powder Metallurgy: Cermet cutting tools (Ceramic-Metal composite),www.kyocera-.br,Microstructure: ceramic particles in metal matrix,Cermet-tipped saw blade for long life,Cermet cutting inserts for lathe,Po

2、wder Metallurgy: Porous Metals,Oil-impregnated Porous Bronze Bearings,nic.sav.sk,www.hd-,Metal filters,Forged on left; P/M on right,Powder Metallurgy: Connecting Rods,Powdered Metal Transmission Gear (传动齿轮, 变速齿轮),Warm compaction method with 1650-ton press Teeth are molded net shape: No machining UTS

3、 = 155,000 psi 30% cost savings over the original forged part,Powdered Metal Turbine blade-disk (“blisk”): 1 piece!,Conventional Forging vs. Forging of Powdered Metal blank (2nd op),DeGarmo,9,1. 前言 粉末冶金：是一门研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料和制品的科学技术。 Advantages: 用这种技术制造的材料和制品，或者具有优异的组织和性能，或者表现出

4、显著的技术经济效益。 粉末冶金工艺能够生产许多用其它方法所不能生产的材料和制品。如许多难熔材科，至今还只能用粉末冶金方法来生产。还有一些特殊性能的材料，如由互不熔解的金属或金属与非金属组成的假合金(钢一钨、银一钨、铜一石墨)，这种假合金具有高的导电性能和高的抗电蚀稳定性，是制造电器触头制品不可缺少的材料。 再如，粉末治金多孔材料，能够通过控制其孔隙度、孔径大小获得优良的使用特性等等。 粉末冶金还是一门制造各种机械零件的重要而又经济的成形技术。由于粉末治金工艺具有获得最终尺寸和形状的零件，不需要或需要很少机城加工这一特性，可以大量节省金属原材科，节省工时，节约能源等，因而，具有突出的经济效益。,

5、10,Limitations and Disadvantages with PM Processing High tooling and equipment costs Metallic powders are expensive Problems in storing and handling metal powders Examples: degradation over time, fire hazards with certain metals Limitations on part geometry because metal powders do not readily flow

6、laterally in the die during pressing. Variations in density throughout part may be a problem, especially for complex geometries.,11,综上所述，粉末冶金既是制造具有特殊性能材料的技术，又是一种能降低成本、大批量制造机械零件的无切削、少切削加工工艺。 目前采用粉末冶金工艺可以制造板、带、棒、管、丝等各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件，可以制造重量仅百分之几克的小制品，也可以用热等静压法制造近两吨重的大型坯料。粉末冶金工艺已成为当今世界各工业发达国家都十分

7、重视的课题。 粉末冶金典型的工艺过程是： 原料粉末的制备； 粉末物料在专用压模中加压成形，得到一定形状和尺寸的压坯； 压坯在低于基体金属熔点的温度下加热，使制品获得最终的物理机械性能。 现代粉末冶金工艺的发展已经远远超过此范畴而日趋多样化，如同时实现粉末压制和烧结的热压及热等静压法；粉末锻造；多孔烧结制品的浸渍处理、熔渗处理；精整或少量切削加工处理；热处理等。,12,粉末冶金内容包括： 金属粉末的制取； 粉末性能的测定； 粉末冶金制品的成形； 烧结及其后续处理的有关原理与应用； 以及粉末冶金制品的锻造和粉末冶金的应用等。,13,2、金属粉末的制取 制取金属粉末是粉末冶金的第一步。目前，在粉末冶

8、金材料和制品的生产中不仅使用金属粉末，也使用合金粉末。不同的材料和制品对粉末的性能要求是不一样的。为了满足粉末冶金材料对粉末性能的各种要求，研究出了各种制粉方法。 粉末的制造方法通常分为两大类，即物理化学法和机械粉碎法(见表11)，工业上应用最广的是还原法、雾化法和电解法。,14,15,16,17,2.1. 球磨法 机械法制造金属粉末是用机械将金属或合金原料粉碎成粉末，粉碎过程中，其化学成份基本上没有变化。 机械粉碎法中，使用最多的是球磨法，球磨法又分为滚动球磨，振动球磨及搅动球磨。其中滚动球球磨机是最基本的。,18,粉碎主要靠球的磨擦作用,物料的粉碎除指球与球之间的摩擦作用外，还靠球落下的冲

9、击作用，其效果最好,粉碎作用就停止,19,振动球磨的主要原理是由偏心旋转产生的惯性使安装在支撑弹簧上的筒体产生激烈振动，除筒体整体运动外，每个钢球还有自转运动，而且振动频率越高，球的自转愈激烈。故随振动频率的增高，各球层间的相对运动增加，并且外层运动速度大于内层的运动速度。当球层空隙越大球几乎处于悬浮状态，球体在内部也会离开筒体发生抛射，因而对物料产生较大的冲击力。,20,2.2. 物理化学法制备金属粉末 制备金属粉末的物理化学法是通过化学的或物理的作用，改变原料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。目前应用最广、产量最高的是还原法。常见的还有电解法，羰基法，沉淀法，冷凝法，置换法等。 1

10、 还原法 还原法制取铁粉，是将铁的氧化物(铁精矿、轧钢铁鳞）在还原气氛中加热。将铁还原出来的方法。 在铁粉生产中还原法应用最广泛。其方法如表21所示。 还原方法按所用还原剂分为： 固体碳还原法(木炭、焦碳、无烟煤等)； 气体还原法(氢气、转化天然气，分解氨、煤气等)； 气一固联合还原法。,21,22,还原法生产铁粉的优点： 可用固体作还原剂，也可用CO、H2等气体作还 原剂； 铁氧化物较脆。容易粉碎与筛分； 可控制还原温度来调节铁粉的松装密度和粒度； 制造的铁粉颗粒一般呈多孔性，其成形性与烧结性较好； 生产规模可大可小，连续生产或间歇生产都适用。 从技术经济观点来看，固体碳还原铁精矿生产铁粉的

11、方法应用最早，也是被广泛采用的一种主要生产铁粉的方法。,23,2. 电解法 电解法在粉末生产中占有一定的地位其生产规模在物理化学法制备金属粉末中仅次于还原法。 由于电解法耗电量较多，电解粉的成本通常比还原粉和雾化粉要高。因此，电解法在粉末总产量中所占比重较小。 电解法可分为水溶液电解法和熔盐电解，还有有机电解质电解和液体金属阴极电解等，用得较多的是水溶液电解法，而熔盐电解法主要用于制取一些稀有难熔金属粉末。水溶液电解法可以制取铜、镍、铁、锡等金属粉末。在一定的条件下也可以使几种元素同时沉积而制得Fe-Ni, Fe-Cr等合金粉末。电解法制得的粉末纯度高形状为树枝状，压制性能好。,24,水溶液电

12、解法生铜粉的工艺： 当直流电通过硫酸铜水溶液时，在电极上发生电化学反应。 在阳极，主要是铜失去电子变成铜离子进入溶液：Cu Cu+2+2e 在阴极，主要是铜离子放电而析山金属铜： Cu2 十2e Cu,25,26,27,28,6. 雾化法 雾化法属于机械制粉法，它是利用高速流体直接击碎液体金属或合金而制得金属粉末的方法。应用较广泛，生产规模仅次于还原法。用雾化法可生产熔点低于1700左右的各种金属及合金粉末。 Sn、In、Pb、Al、Cu、Ni、Fe以及各种铁合金、铝合金、镍合金、低合金钢、不锈钢、高速钢和高温合金等都能用雾化法制成粉末。制造过滤器用的球形青铜粉、不锈钢粉、镍粉几乎全是采用雾化

13、法生产的。,29,用雾化法制取金属与合金粉末具有下列优点： (1) 雾化时金属呈熔融状态，由于在熔炼过程中较容易添加各种合金元素，因而可以制得各种成分的合金粉末； (2) 每个粉末颗粉具有相同和均匀的化学成分，没有偏析，即每个颗粒体内不存在化学成分的微观不均匀性； (3) 粉末颗粒的形状、大小和结构，以及粒度分布可通过改变雾化工艺和调节工艺参数，在较宽的范围内进行调整； (4) 雾化粉末的非金属夹杂物较少，纯度较高，适于制造高强度、高密度、高性能的粉末冶金制品； (5) 粉末氧化的可能性主要在颗粒表面，粉末的氧化程度，可通过调节雾化工艺参数进行调整，采用先进的雾化装置；严格的雾化工艺条件，可获

14、得含氧量低于0.01%的优质合全粉末； (6) 可制得松装密度与振实密度较大，压缩性能较好的粉末； (7）粉末性能重复性好，适于大批量生产； (8) 工艺流程简单，设备不复杂，投资少，不论规模大小，其技术经济指标都较合理。 (9）可以应用资源丰富并廉价的原料(废钢、铸铁等),30,雾化法包括： (1) 气体雾化和水雾化； (2) 离心雾化法，它又分为旋转圆盘雾化，旋转电极雾化，旋转坩锅雾化等； (3) 其它雾化法如超声波雾化，转滚雾化等。 根据雾化介质(气体、水)对金属液流作用的方式不同，雾化有以下几种形式： (一)平行喷射 (二)垂直喷射 (三)互成角度的喷射： (1)V型喷射 (2)锥形喷

15、射,31,32,Figure ：gas atomization method,Gas Atomization Method High velocity gas stream flows through an expansion nozzle, siphoning molten metal from below and spraying it into a container Droplets solidify into powder form,33,水雾化-喷雾设备主要有： 漏包、喷嘴、高压水泵和雾化筒。,34,3. 粉末性能的测定,金属或合金粉末与金属或合金一样都具有自己独有的性能。严格来说

16、，金属粉末的性能包括单颗粒的性能与团粒的性能。单颗粒的性能与粉末材料和粉末的生产方法有关。 由粉末材料所决定的单颗粒性能有：晶体结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、纯度及夹杂物等。 由粉末生产方法所决定的单颗粒的性能有：颗粒大小、颗粒形状、密度、孔隙度、表面状态、显微结构、点阵缺陷，颗粒内气体的含量、吸附气体量、表面氧化膜的厚度。粉末的活性等。 粉末性能从使用角度出发可分为：化学性能、物理性能和工艺性能。 工艺性能是一种综合性能，与化学性能、物理性能有关。 化学性能主要指化学成分，如铁粉的化学成分包括Fe、杂质、夹杂物和以化合态、吸附状态或溶解状态存在的气体含量。 物理性能包括颗粒的形状与大小，

17、平均颗粒大小，粒度分布，颗粒密度和表面，比表面，显微结构，活性等; 工艺性能指松装密度，振实密度，流动性，压缩性和成形性。,35,Measuring Particle Size Most common method uses screens of different mesh sizes; Mesh count - refers to the number of openings per linear inch of screen A mesh count of 200 means there are 200 openings per linear inch; Since the mesh i

18、s square, the count is the same in both directions, and the total number of openings per square inch is 2002 = 40,000 Higher mesh count means smaller particle size,36,Figure - Screen mesh for sorting particle sizes,37,38,Interparticle Friction and Flow Characteristics Friction between particles affe

19、cts ability of a powder to flow readily and pack tightly A common test of interparticle friction is the angle of repose(松装，静止), which is the angle formed by a pile of powders as they are poured from a narrow funnel,Interparticle friction as indicated by the angle of repose of a pile of powders poure

20、d from a narrow funnel. Larger angles indicate greater interparticle friction.,39,Observations Smaller particle sizes generally show greater friction and steeper angles； Spherical shapes have the lowest interpartical friction； As shape deviates from spherical, friction between particles tends to inc

21、rease；,40,Porosity Ratio of the volume of the pores (empty spaces) in the powder to the bulk volume In principle, Porosity + Packing factor = 1.0； The issue is complicated by the possible existence of closed pores in some of the particles； If internal pore volumes are included in above porosity, the

22、n equation is exact；,41,4. 成形,成形是粉末冶金生产的主要工序之一。 成形:是将粉末密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。 成形可分为：钢压模成形 特殊成形 两大类。 钢压模成形在粉末冶金工业生产中具有极重要的地位。这种成形方法是将金属粉末或混合料装入钢制压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出。在这一过程中将发生粉末颗粒与颗粒之间、粉末颗粒与模壁之间的摩擦；压力的传递以及压坯密度和强度的变化等一系列复杂现象。 特殊成形人们除了不断地改进钢模压制法外，还广泛地研究了各类非钢模成形法。这些成形法按其工作原理和特点分为等静压成形、连续

23、成形、无压成形、注射成形、高能成形等，统称为特殊成形。,42,1）、在压制过程中粉末的运动和变化情况：,钢压模成形,43,44,45,2） 合理选择压制方式; 一般压制方式有五种，即： 单向压制； 双向压制； 浮动压制； 强动压制； 错位双向摩擦压制； 这几种方式是设计模具和压机的基础。合理选择压制方式对压坯质量和提高生产效率有重要意义。 单向压制时，阴模和下模冲不动，由上模冲单向加压。在这种情况下，因摩擦力的作用使制品上下两端密度不均匀。即压坯直径越大或高度越小，压坯的密度差越小。 所以要求单向压制的压坯，棒状的H/D1,套类的H/3. 其中， D 压坯直径； H 压坯高度； 套的壁厚；,4

24、6,双向压制时，阴模固定不动，上下模冲以大小相等方向相反的压力同时加压。 这种压坯中间密度低，两端密度高且相等。正如两个条件相同的单向压坯，从尾部连接起来一样。所以，双内压制的压坯，允许高度比单向压坯高一倍，适于压制较长的制品。双向压制的阴模不动，结构简单，刚性好。 缺点是上下模冲用相同的压力，和浮动压制相比，压机下部的压力过大，和单向压制比，生产效率低。,47,48,非同时双向压制 单向压制结束后，在密度低的一端再进行一次反向单向压制，以改善压坯密度的均匀性。这种分二次进行的正反单向压制叫做非同时双向压制，又叫后压。 每次单向压制，都可得到一条压坯密度沿高度分布的曲线。经后压的压坯密度分布曲

25、线，由两条单向压制曲线相交组成，其相交点即低密度层。若两次压制的压力相等，则低密度层正好在中间，其结果和同时双向压制相同。,49,50,特殊成形,1）、 等静压制是将粉末装于有弹性的橡皮或塑料囊中，用高压液体进行均匀压制的一种方法。压制时液体压力从零逐渐增大到要求值。 等静压可成形较长的压坯，其长度取决于工作室的高度。理论上工作室的高度是不受限制的。等静压制不存在粉末颗粒对模壁的摩擦，所以，压坯任一部位的密度完全相同。 若橡皮囊中粉末装得均匀，即松装密度一致，则等静压制时，粉末的收缩在各个方向将是一样的。因此，压坯的形状与囊相似。等静压与钢压模成形相比，当相对密度一样时，所需压力较低。,51,

26、等静压制采用水、油、甘油作为介质，其压力通常为10002000大气压或更高些，可制造重达300公斤的制品。压坯的形状有：圆柱形、球形、坩锅形、棒形和管形等。还可制造多层复合压坯和将粉末材料压制于致密金属零件之上。如在钢管内表面上，压制一层铜粉末；用此法也可制造涡轮叶片压坯。 等静压法的优点是： 压坯密度分布均匀，设备简单，用较低的压制压力可获得较高密度的制品，不需使用昂贵的钢模。但压坯尺寸精度较低，一般需要后续机械加工。,52,2）软摸成形 它不是以液体作介质，而是把弹性体(橡胶、塑料等)既作为模腔，又作为传递压力的介质。把弹性模放在普通钢压模内，在压机上加压成形。它也是一种等静压制，可以成形

27、球体、圆锥体等难于用钢模压制成形的压坯，而且密度较高。,53,3）热等静压 它的工艺流程为：用等静压制生产预成形坯，把预成形坯装入低碳钢壳体内，用气体作介质，在高温下进行等静压制。 近年来，该法广泛地用于制造粉末高速钢、粉末高温合金，核燃料和钨制品等。 优点是： (1) 可在较低的温度下进行致密化，晶粒细、偏析小。 (2) 对于所有粉末，都能得到接近理论值的均一密度。 (3) 即使是粗大的球形粉末，也能达到高密度。 (4) 可制造金属陶瓷以及其他各种难以成形和烧结的产品。 除上述成形方法外，还有，热压、烧结粉末轧制、楔形压制等方法。,54,5. 烧结,1） 烧结定义及作用 所谓烧结，就是将粉末

28、压坯在低于其主要成份熔点的温度下进行加热，从而提高压坯强度和各种物理机械性能的一种过程。 烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一，对产品最终的性能起着决定性的作用。一般来说，烧结废品是无法挽救的。但在烧结以前的工序中，由于粉末化学成份、粒度组成的波动以及压制压力和压坯尺寸的变化所带来的某些缺陷，却可以在一定范围内，通过调整烧结工艺(如改变烧结温度、保温时间及加热冷却速度等)加以弥补。因此，在生产实践中，烧结工序对产品质量有着十分重要的影响。,55,2） 烧结的分类 烧结的分类方法很多。为了反映烧结的主要过程和机构的特点，通常按烧结过程有无明显的液相出现和烧结系统的组成进行分类。 固相烧结凡整

29、个烧结过程都是在固态下进行的，称为固相 烧结。 液相烧结当压坯中有两种以上成分， 且烧结中有某种成分熔化时，则称之为液相烧结。 按照成分可分为单元系烧结和多元系烧结。 单元系烧结指压坯中只有一种成分； 多元系烧结指压坯中含有两种以上成分。 单元系烧结都是固相烧结，如纯铁制品及钨、钼条的烧结。多元系烧结有固相烧结和液相烧结，固相烧结如铁石墨、铜石墨等，液相烧结如铁铜及钨钴类硬质合金等。,56,3) 压坯在烧结中的变化 单元系粉末压坯的烧结，指单一金属粉末压坯的烧结。单元系粉末压坯在烧结过程中发生哪些变化呢? 下面进行简要介绍。 粉末压坯发生收缩，密度增加 对于不同的粉末粒度组成及烧结工艺，粉末压

30、坯在烧结中的收缩程度是不一样的。在一定范围内，随着粉末粒度减小、烧结温度提高及保温时间延长，粉末压坯的收缩相应地增大。 粉末压坯的强度显著增高。 未烧结的粉末压坯，用手就可掰碎。经过烧结后压坯变成很结实的制品，这是因为在烧结之前，粉末压坯的强度主要是由于颗粒表面原子的相互作用力，以及颗粒表面凹凸不平而发生相互啮合作用形成的，强度很低。烧结后，粉末压坯已由颗粒聚集体变成了晶体结合体，粉末压坯的强度得到显著提高。,57,4) 烧结件组织结构的变化 烧结过程孔隙的变化 粉末压坯在烧结前，颗粒间只是相互机械地啮合在一起，接触点只有极小的一部分是原子结合。烧结过程就是从这些接触点开始，这些接触点随烧结时

31、间的延长而逐渐增大。与此同时，颗粒间的孔隙发生变化，不仅孔隙的数量发生变化，其形状和大小也发生变化。例如，孔隙由开口的变为封闭的或孤立的；由不规则形状变为较规则形状，并趋于球形；由于发生收缩，孔隙总的数量减少；在烧结后期，由于孔隙的聚集，小孔隙消失，大孔隙增大，残留的少数较大的球形孔隙很稳定，甚至长时间加热也不会发生明显变化 回复、再结晶及晶粒长大 粉末压坯在烧结时，除了孔隙变化外，还发生回复、再结晶及晶粒长大等组织变化。 所谓回复是指存在于压坯内的弹性内应力的消除，主要发生在颗粒接触面上回复在烧结保温之前就已基本完成。 再结晶与烧结的致密化过程同时发生。这时原子进行重新排列、改组、形成新的晶

32、核以及新晶核的长大，或者借助晶界移动使晶粒之间发生并吞。总之，再结晶是以新的晶粒代替旧的，并伴随有晶粒长大的现象。,58,5）烧结的推动力 粉末压坯的密度和强度与压制压力相关。但是一般烧结时并没有施加外力，为什么压坯的密度和强度也会提高呢？即烧结的推动力究竟是什么？ 表面能 由于粉末高度分散，而且粉末颗粒外表面凹凸不平，故粉末体与致密金 属和烧结后的制品比较，具有很大的比表面(即单位重量粉末具有的总表面积)。 畸变能 粉末颗粒是由晶体组成的，即原子排列比较整齐，但在制造过程中，由 于各种加工(如球磨)，使粉末颗粒内部的晶格发生畸变，产生了各种缺陷。另外，在制造过程中，由于粉末颗粒变形，在颗粒内

33、部及颗粒间的接触处产生相当大的点阵畸变(晶格歪扭)，使粉末压坯储存了大量的畸变能。 上述两方面的能量，使得压坯内粉末颗粒的原子处于不稳定状态。粉末颗粒越细，比表面越大、结构缺陷越多，则处于不稳定状态的原子也就越多粉末越不稳定。 烧结时，粉末颗粒表面的原子和因晶格畸变处于不稳定状态的原子，都趋向于把自己的能量降低下来。从压坯整体来看，当粉末颗粒相互结合起来，就可以减小压坯内部的总表面积，也就降低了系统的总表面能。能量降低的过程是一种自发过程。因此，压坯内部颗粒之间力图结合起来也是一种自发过程。这就是烧结过程能够自动进行的内在原因。,59,对于粉末压坯来说，从上述观点来看，似乎在低温下烧结过程也是

34、能够进行的。实际上由于原子在低温下的扩散速度极慢，所以粉末压坯在室温下， 一般是不可能自动烧结的。高温的作用就是要创造一种外在条件，以增加原子的活动能力，为粉末颗粒原子将自己贮存的能量释放出来提供条件。粉末颗粒的原子在释放能量过程中引起了物质的迁移从而使粉末颗粒之间产生了烧结现象。,60,Figure .(a)Typical heat treatment cycle in sintering; and(b) schematic cross-section of a continuous sintering furnace,61,Impregnation and Infiltration Porosity is a unique and inherent characteristic of PM technology It can be exploited to create special products by filling