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1、Powder Metallurgy,粉末冶金学,绪论 第一章：粉末的制取 第二章：粉末的性能及测定 第三章：成形 第四章：烧结 第五章：粉末冶金材料和制品,绪论：1.粉末冶金定义2.粉末冶金生产流程3.粉末冶金制品后处理4.粉末冶金与熔化冶金的区别5.粉末冶金的优缺点6.粉末的应用7.粉末冶金的发展史,1. 粉末冶金定义,定义：把先制取金属或合金粉末，并将这些粉末装 入模具里加压成形，然后在低于熔点的温度下烧结固化，即烧结成金属制品或金属坯的制造工艺。 依据：Fusion metallurgy Powder metallurgy,2.粉末冶金生产流程,图1 粉末冶金工艺流程,2.粉末冶金生产流
2、程,制备粉末 (podwer preparation) 制备方法：化学法、物理法及机械法 粉末种类：铁粉、不锈钢粉、低碳钢粉、合金粉、铜粉、铝粉、非金 属粉等 粉末形状：光滑形、不规则形 粉末混合 (mixing) 混合：不同种类的金属或合金粉末与非金属粉末混合 自润滑轴承：铜粉和锡粉混合 多孔材料：金属粉和有机物粉混合 硬质合金：金属粉与碳化物粉 合批：将相同种类而粒度不同的粉末混合,压制成形 (pressing and forming) 定义：将混合均匀的粉末按一定量（体积或质量）装入模具后，用 压力机压制成所希望的形状、尺寸的坯块。 模具：耐高压 压机：吨位大 坯块：各种形状 烧结 (s
3、intering) 定义：把坯块或松装粉末体加热到基本组元熔点以下温度，并在此温 度下保温，从而使粉末颗粒相互粘结在一起，改善其性能，这种热处理 过程叫烧结。 烧结温度：主成分金属熔点的三分之二或 0.70.8T（绝对温度） 保护气氛：氮气、碳氢气体等，防止制品氧化或发生反应。,2.粉末冶金生产流程,3.粉末冶金制品后处理,再加工(reworking) 定义： 将烧结件再施以大吨位压力加压（精整或整形）。 目的：使制品的加工面和尺寸精度更好。 浸渍(impregnation) 定义：采取一定方法使液态润滑剂或非金属物质或金属渗入到多孔烧结制品的孔隙内，以提高制品性能的一种方法。 目的：得到耐腐
4、蚀、耐磨损、高密度，能润滑的制品。 方法：将烧结制品与浸渍剂置于高压釜内，在一定温度下施加一定压力，浸渍剂渗透到制品的孔隙中。,3.粉末冶金制品后处理,熔渗(infiltration) 定义：采取一定方法使低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙， 以改善制品性能的一种方法。 目的：提高密度、硬度、塑性和韧性。 方法：将小片状低熔点金属或合金放在坯块上，达到一定温度后小片 熔化，然后借毛细管现象渗入到坯块孔隙内，同时与坯块一起烧结。 其他方法 电镀、涂层、机加工或蒸气处理。,4.粉末冶金与熔化冶金的区别,Powder metallurgy ：P.M; Fusion metallurgy ： F
5、.M 产品成分、结构不同 P.M最终产品成分未变，只是粉末固结在一起； F.M最终产品组织结构发生变化，例：开始是两种金属，最后是合金。 产品性能不同 P.M可生产特殊性能产品，例：高熔点金属、多孔材料、摩擦材料、 磁性或电性能材料； F.M只能生产普通产品。,4.粉末冶金与熔化冶金的区别,生产工艺不同 P.M工艺 a.传统方法：金属化学法、物理法、机械法不同形状、粒度的粉 末混合压制烧结制品后处理 b. 先进技术：热固结压制和烧结同时进行（热压、热挤压、热等静压、锻压等） F.M工艺 金属熔炼成锭轧制、拉伸、挤压、锻压、机加工线材、棒材、型材等不同形状、不同性能的产品,5.粉末冶金的优缺点,
6、优点 1.经济 烧结后制品可直接应用；金属损耗低（15%），大规模生产更经济。 2. 可制备其他方法不能生产或虽能生产但很困难的制品 （1）高熔点金属或化合物,（2）高纯材料 粉末冶金不熔化材料，在保护气氛或真空中烧结，只要粉末纯度高即 可生产高纯产品。 （3）互不相溶的粉末制品 碳粉与铜粉互不相溶，但将碳粉与铜粉均匀混合后压制烧结成电机用 电刷。 （4）多孔材料 金属粉末中预先混入少量低温下挥发的有机物粉末或易挥发低熔点金 属粉末，控制一定的压制压力、烧结温度、时间，易挥发金属或有机物 挥发形成孔隙。,5.粉末冶金的优缺点,缺点 1.昂贵的粉末 要控制粉末形状、粒度、粒度分布等。 2.昂贵的
7、模具 要承受更大的压力。 3.压机 吨位要足够大。,5.粉末冶金的优缺点,6.粉末的应用,直接应用 颜料、油墨、试剂、炸药、燃料、食品添加剂； 结构件 烧结铁基零件、不锈钢零件，烧结铜、铝及其合金零件 特殊材料及制品 多孔、磁性、超导材料，自润滑轴承，金属陶瓷，电极，石墨电刷，硬质合金,7.粉末冶金的发展史,海绵铁粉(sponge iron) 时间：公元前3000年前，最早的粉末冶金技术，生产的粉末是海绵铁粉。 生产方法：较纯的铁矿（Fe3O4）木炭还原（在木炭炉内） 海绵铁破碎成细粒清洗干净拣出脉石和渣压制烧结（或松散状态烧结）锻压产品,锻压铂（wrought platinum) 熔点：17
8、72 时间：17501850年 生产方法：自然铂清洗干净压制成形烧结热锻 锻压铂 生产国家：西班牙、英国、前苏联 发展状况：随着科技的发展，合适的炉子和耐火材料出现。P.M生产锻压铂的工艺消失，现在采用F.M法。,7.粉末冶金的发展史,7.粉末冶金的发展史,钨丝(tungsten wire) 熔点：3140 时间：20世纪初开始，1913年获得专利 生产方法：WO3氢还原W粉烧结低压高密度电流再烧结 密度90% 的固态W 模锻 钨丝 还原反应： WO3+3H2= W+3H2O 烧结温度： 1200； 模锻温度： 2000 高熔点金属（ refractory metal) Mo、Nb、Ti、Ta
9、、Zr 时间：1940年前采用粉末冶金方法，1940年后采用真空电弧、电子束,7.粉末冶金的发展史,自润滑轴承或含油轴承（self-lubricating bearing) 时间：20世纪20年代 特征：孔的体积占轴承体积的1530%，润滑剂贮存在孔内 材料：90%Cu粉，10%锡粉，无机物粉 生产方法：Cu粉+锡粉+无机物粉混合压制成轴承形状烧结多孔轴承浸渍（油） 含油轴承 与自润滑轴承相关的产品 多孔过滤器、金属电刷（Cu粉和石墨粉）、摩擦材料等。,7.粉末冶金的发展史,硬质合金(cemented carbides) 时间：20世纪20年代，1925年获得专利 特征：硬度高、耐磨损，作为切
10、割工具、模具或轧辊等 材料：金属碳化物（TiC、TaC、WC）、金属粘结剂 生产方法： WC粉+Co粉混合烧结硬质合金 烧结温度：1400 ； 烧结气氛：氢气 微观结构：粘结剂基体中弥散着碳化物颗粒,7.粉末冶金的发展史,结构件(structural parts) 时间：20世纪30年代后期 最早的结构件：油泵齿轮，由铁粉和石墨粉混合烧结而成，基体为共 析合金钢，有25%孔，性能类似于铸铁 结构件种类：铁基零件、低碳钢、不锈钢、铜、青铜、黄铜、镍、 铝、钛、银等 特点：数量大、用途广，自动压制、连续烧结炉烧结 生产方法：传统方法再加工（浸渍、热锻、淬火和回火、渗碳、渗碳氮）结构件,7.粉末冶金
11、的发展史,最先进的技术热固结（hot consolidation) 热固结：压制与烧结结合起来同时进行的一种技术 时间：20世纪40年代后 热固结方法：热压、热等静压、热挤压、热锻等 热固结产品：工具钢、超合金、钛合金等 产品特征：全密产品,第一章粉末的制取,粉末的制取方法 1.物理法（physical methods) 借助物理作用改变原材料的聚集状态而获得粉末的工艺过程； 2.化学法(chemical methods) 借助化学作用改变原材料的化学成分而获得粉末的工艺过程； 3.机械法(mechanical methods) 将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。 制粉原
12、材料：纯金属、合金、有机物、碳化物 选择方法的依据：粉末性能、成本,第一章粉末的制取,雾化法 雾化：将熔融金属或合金直接破碎成细小液滴，然后冷凝成粉末。始于第 二次世界大战生产铁粉。 方法：二流雾化（水流、气流）、离心雾化、真空雾化、超声波雾化等。 流程：金属熔化破碎液滴冷凝粉末 原理：熔融金属借助介质（水、气、离心力、真空、超声波能量）的作用 破碎成液滴，然后凝固成粉末。整个过程只要克服液体金属原子间的结合力 就能把液体金属分散成液滴。相比较而言，机械法要克服固体金属原子间的 结合力。因此，从能量消耗来看，雾化法是一种简便且经济的粉末冶金方法。,第一章粉末的制取,1.二流雾化（水雾化或气雾化
13、） 借助高压水流或气流的冲击来破碎熔融金属流。,图2-2水雾化和气雾化示意图 (a)水雾化；(b)气雾化,第一章粉末的制取,（1）二流雾化形式 a.平行喷射：气流与金属流平行； b.垂直喷射：气流或水流与金属流成垂直方向； c.V 形喷射：气流或水流与金属流成一定角度； d.锥形喷射：气体或水从平均分布在圆周上的小孔喷出，构成一个封 闭的锥体，交汇于锥顶点，将流经该处的金属流击碎； e.旋涡环形喷射：压缩气体从切想方向进入喷嘴内腔，然后以高速喷 出形成一封闭的锥体，金属流在锥底被击碎。,第一章粉末的制取,图2-5二流雾化形式,第一章粉末的制取,图2-7V形水喷射形式,第一章粉末的制取,图2-6
14、二流雾化喷嘴结构 气流与金属流间的交角；A喷口与金属流轴间的距离； D喷射宽度；P漏嘴突出喷嘴部分,(2)二流雾化喷嘴 作用：使雾化介质获得高能量、高速度，稳定雾化效率和雾化过程。,第一章粉末的制取,（3）气雾化 雾化介质：高压惰性气体 粉末形状：球形,图2-9气雾化粉末形成过程,图2-8气雾化装置,第一章粉末的制取,（4）水雾化 雾化介质：高压水 粉末形状：不规则形 粉末粒度： 其中 D常数； 金属流与水流轴间的夹角。,图2-10水雾化装置,第一章粉末的制取,(5)水雾化机理： a. 溅落机理：所得金属液滴与水滴飞行方向相反； b. 擦落机理：所得金属液滴与水滴飞行方向相同。,图2-11水雾
15、化模式,第一章粉末的制取,（6）雾化粉末性能： a. 粒度、粒度分布及可用粉末收得率； b. 粉末形状、松装密度、流动性、坯块密度及比表面； c. 粉末的纯度和结构。 （7）影响二流雾化粉末性能的因素： a. 雾化介质 气雾化可得球形粉末，水雾化得不规则形粉末，水冷却能力强且廉价，用于 含氧化物的金属或合金，气用于制取易氧化金属或合金粉末。 b. 金属流 金属的表面张力、粘度、过热度及金属流直径； c. 雾化装置 金属流长度、喷射长度、喷射角度。,第一章粉末的制取,图2-1离心雾化示意图,2.离心雾化（离心力） 借助离心力破碎熔融金属流。,第一章粉末的制取,离心雾化形式 a. 旋转圆盘：利用机械旋转产生的离心力将金属流击碎成小液滴，然后 冷凝成粉末。制备铁粉、钢粉。 b.旋转坩埚雾化：有一固定电极和一个旋转水冷坩埚，电极和坩埚内的 金属之间产生电弧时金属熔化，在离心力作用下，熔融金属在坩埚出口 处被破碎成液滴。制备铝合金、钛合金、镍合金粉末。 c.旋转电极雾化：将要雾化的金属作为旋转自耗电极，国定的钨电极产 生电弧，使金属熔化。制备高合金粉末、活性金属粉末（Zr、Ti）、超合 金粉末等。,第一章粉末的制取,3. 超声波雾化 利用超声波能量破碎金属流成液滴。 高速气体脉冲以60000120000Hz的特 征频率和4个马赫数的高速冲击金属， 将金属流破碎成液滴。 粉末形
