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1、1 课程名称：粉末冶金学Powder Metallurgy Science 第一章导论1粉末冶金技术的发展史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 世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英
2、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，迫使人们开发研
3、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。 2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 3粉末冶金技术的特点 . 低的生产成
4、本： 能耗小，生产率高，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2 . 材料成分设计灵活、微观结构可控（由工艺特征决定）： 能制造普通熔练法不可能生产的材料，如W-Cu 、SnO2-Ag、WC-Co 、Cu-石墨、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
5、米材料，金属陶瓷梯度复合材料（梯度硬质合金）。 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。4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
6、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
7、末冶 金零部件的应用范围。5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3 6粉末冶金技术与其他材料加工技术间的关系 粉末冶金作为一种加工方法， 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
8、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 粉末及粉末性能1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（0.1 m 1mm ）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
9、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0.001 m 。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
10、：重力 G=d3g/6 浮力 F=d3 og/6 运动阻力 R=3 dv。 当颗粒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。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 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
11、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。 31 气体吸附法 BET法7 原理：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
12、积； M =粉末质量 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。适合于微小粉末粒度和比表面的测定。 3 粉末的工艺性能（ Processing property）1粉末松装密度 (apparent density) 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
13、（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） 。 . 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。 . 粉末体的孔隙度 =孔隙体积 / 粉末表观体积 =1-/ m（相对密度 d） ； . 相对体积 是相对密度的
14、倒数 1/d=m / 1，且=1-1/ 2 流动性 （flowability,flow rate ） ： 50 克粉末从标准漏斗流出所需的时间，以秒/50g 表示。一般来说，粉末的流动性与其松比成正比。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。若粉末的流动性太差， 需对粉末进行制粒处理。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
15、对密度表示）表示。主要取决于粉末颗粒的塑性，颗粒的 表面粗糙程度和粒度组成。 . 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、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。8 4 化学成分1 粉末化学成分金属粉末的化学成分包括主要金属的含量和杂
16、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 理性能的下降。 2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。 对于超细或
