《材料工程基础讲稿30 粉末冶金概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料工程基础讲稿30 粉末冶金概论（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、粉末冶金概论用金属粉末或与非金属粉末的混合物为原料，经成形 和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺 过程。与生产陶瓷有相似处金属陶瓷法。 1、粉末冶金工艺1）制取金属粉末、合金粉末、金属化合物以及包覆粉 末；2）原料粉末成形；3）烧结4）处理制得成品。,2、粉末冶金的发展简史 粉末冶金材料和制品 出现年代 钨 1909 难熔碳化物 1900-1914 电触头材料 1917-1920 WC-Co硬质合金 1903-1925 烧结摩擦材料 1929 多孔青铜轴承 1921-1930 WC-TiC-Co硬质合金 19291932 烧结磁铁 1936 多孔铁轴承 1936 机械零件、合金钢
2、机械零件 1936-1946 烧结铝 1946,金属陶瓷(TiC-Ni) 1949 钢结硬质合金 1957 粉末高速钢 1968 超细化粉末冶金 1980 现代：高纯度、超细化粉末材料，如生物、特殊功能材料超导等 3、粉末冶金的特点在技术上和经济上具有一系列的特点。从制取材料方面来看，能生产具有特殊性能的结构材 料、功能材料和复合材料。,1)粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特 殊性能的材料：控制孔隙度：如可生产各种多孔材料、多孔含油轴承 等；利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种 特殊性能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、 金属和非金属组成的摩擦材料等；生产各种复
3、合材料，如由难熔化合物和金属组成的硬质 合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料；纤维强化复合材料 等。,2)生产的某些材料，与普通熔炼法相比具有新的特点：高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法好，如粉末高速 钢、粉末超合金可避免成分的偏析具有均匀的组织和稳 定的性能，同时具有细晶粒组织使热加工性改善；生产难熔金属材料或制品，一般依靠粉末冶金法，例 如，钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末 冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。从制造机械零件看，制造机械零件具有少切屑、无切屑 特点，减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。不足之处，如粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状 受到一定的限制，烧结零件的韧
4、性较差等。,第一章 粉末的制取 1.1 概 述材料粉体工程中，粉末的制取是重要的初始环节。粉末制取技术：机械粉碎法、还原法、雾化法、电解法、沉积法等，可 以制取金属粉末、无机非金属粉末、高分子材料粉末及生 物粉料。如将水泥和面粉包括在内，则机械粉碎法的生产规模 最大。在现代材料粉体工程中，重点研究的还是金属和陶 瓷的微粉制备技术。从这个观点出发，目前还原法制粉的 生产规模最大，雾化法及电解法次之。,制粉方法可归纳为三类：机械制粉、物理制粉和化学制粉。机械制粉：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块 材料或粗大颗粒细化的方法；物理制粉：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料 的聚集状态发生改变，
5、获得粉末；化学制粉：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的 粉态物质，化学制粉的方法很多，主要有还原法、热分解 法、沉淀法、电解法等。,1、粉末的基本特性粉体的基本性质：粉末共性，与材料的类型无关。对于粉体，除了解因材料种类不同而引起的物性区别 外，还应分析：单个颗粒及颗粒的聚集状态。单个颗粒:内部没有孔隙的致密材料：非晶、单晶或是 内部晶界密度不很高的多晶体。颗粒聚集体:是由单个颗粒以弱结合力构成的。二次颗粒：一次颗粒与孔隙，低于该材料的理论密度； 结合强度：内部的单颗粒间 是弱连接方式结合。一次颗粒：内部原子的断 键过程能量输入； 二次颗粒：界面的弱结合力 断开，由界面能表面能， 能量的输
6、入。,颗粒大小与粉体材料的性质之间的相互关系： 根据目前的习惯划分，颗粒大小分为以下几个范围: 粗颗粒 150-500m 中颗粒 44-150m 细颗粒 10-44m 极细颗粒 0.5-10m 纳米颗粒 0.1m 颗粒的不断细化，必然导致材料性能性能的变化。表1-1 立方体细化的数据,上表数据说明:细化过程总表面增加的同时，立方体的 棱边及顶角数剧增加。从材料的结构角度考虑，无论何种大小的颗粒，都可认 为是由内部结构和表层结构组成。内部结构：材料的晶体学结构，材料及材料的制备方法 确定后，内部结构也就同时确定；表层结构与内部结构不同，是集中在表层的几个原子范 围内。,按照材料的结构决定材料的性
7、质这一基本准则，可以 得出结论:颗粒内部性质与表层性质是不同的。当颗粒较 大时，表层原子所占的比例很小，可不考虑此影响。但是 随着颗粒不断细化，大量的内部原子移至表面，表层结构 对材料性质的影响将成为主要因素，最主要的是粉体的比 表面积增大，表面能增大。粉末颗粒有：球状、片状、蝶状、树枝状、不规则状、 多孔状、多角状等。测量粉末直径时应注意聚集状颗粒的影响。,1.2 机械制粉方法1、机械研磨法利用动能来破坏材料的内结合力分裂产生新的界面。提供动能的方法：如锤捣、研磨、辊轧等。球磨制粉要素:球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质对 研磨效率有直接的影响。在球磨过程中，球磨筒将机械能 传递到筒内的球磨物
8、料及介质上，相互间产生正向冲击 力、侧向挤压力、摩擦力等作用到脆性粉末颗粒细 化。实质：大颗粒的不断解理过程；如粉末的塑性高，则 颗粒的细化过程：磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等 行为。不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原 则是一致的。,(1)动能准则:提高磨球的动能。 (2)碰撞几率准则:提高磨球的有效碰撞几率。依据这两条准则，设计的球磨方式:滚筒式、振动式、 搅动式。运动特征,1）滚筒式球磨进行粉料研磨时，筒内的磨球和粉料的分布状态随磨筒 转速由低向高存在三种形式。(1)当转速较低时，球料 混合体与筒壁作相对滑动 运动，并保持一定的斜度。 随转速的增加，球料混合 体斜度增加，抬升
9、高度加 大，这时磨球并不脱离筒 壁。,(2)转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球 与筒及球与球间的碰撞。V临l值的大小受磨球的加入量、 研磨介质、磨球大小等因素决定，应根据实际情况进行研 究确定。只有当滚筒转速大于V临1时，才能有较好的研磨 效果。,(3)转速增加到某一值时，磨球的离心力大于重力，磨 球、粉料与磨筒处于相对静止状态研磨作用停止临 界转速V临2，理论上可以推导出:V临2=42.4/D1/2 （1-1） D磨筒的直径为获得最佳研磨效果，滚筒球磨的转速的限定条件为 V临1V实际V临2 （1-2）提高球磨效率的一个基本准则是提高磨球的动能。式 (1-2)的限定条件实际上与
10、这一动能准则相违背，因此滚 筒球磨的球磨效率是很有限的。,2、气流研磨法 通过气体传输粉料的研磨方法。气流研磨腔内是粉末与气体的两相混合物，不同化学性 质的粉料不同的气源，如陶瓷粉空气，金属粉末用 惰性气体或还原性气体。化学纯度高。制粉过程：粉料由高速气流的流动获得动能，通过粉末 颗粒间的相互摩擦，撞击或颗粒与制粉装置间的撞击使粗 大颗粒细化。提高气流研磨效率遵循两条准则(1)动能准则：提高粉末颗粒的动能。(2)碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。,粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的颗粒动能 载流气体的速度。两种办法：提高气体的入口压力；气体喷嘴的气体动力学设计。使喷嘴出口端的气体流速达到超
11、音速。效率，研磨腔内气体中保持一定的粉末浓度颗粒 碰撞几率适当。浓度气体流动阻力气流速度降低，对提高粉末 颗粒的动能不利。气流研磨大体分为三种类型：旋涡研磨，冷流冲击，流 态化床气流磨。,1)旋涡研磨研磨软金属粉末的制粉方法。通过一对高速旋转的螺旋桨使 气体流动两股相对气流，夹 带着被研磨的粉末物料，使颗 粒间或颗粒与螺旋桨间相互 碰撞、摩擦粉末细化。通入惰性气体或还原性气体防 止金属氧化和安全作用。原料：细金属丝、切削料等。 旋涡研磨制得的粉末颗粒具有 表面凹型特征碟状粉末。,1-3 物理制粉方法 1、雾化法通过高压雾化介质强烈冲击金属液流，或离心力使其破 碎、冷却凝固制粉。破碎过程：大聚集
12、体分裂成小 液体颗粒再凝固成小固体颗粒。提高雾化制粉效率的基本准则。 能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体从系统 中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加；快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防止液体 微粒的再次聚集。雾化制粉可分为：双流雾化、单流雾化,1）双流雾化法气雾化和水雾化法：金属粉末制备。雾化制粉：熔化金属或合金中间包液滴与流体混合 流动热量被雾化介质带走短时间内凝固粉末颗粒。过程有四种情况同时发生：动能交换：雾化介质动能金属液滴表面能；热量交换：雾化介质带走 大量的液固相变潜热；流变特性变化：粘度及表 面张力随温度变化；化学反应：高比表面积颗粒 的活性化学反应。,3）雾化制粉
13、的特性主要用于金属、合金和可熔的氧化物陶瓷材料加工。氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力，难以获得细微 陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，如，硅酸铝 纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。快速凝固技术 ，能够增加金属元素的固溶度。Al-Si合 金平衡凝固时，相Si含量为1.65%；雾化Al合金粉中， 固溶体中Si含量随冷速增加表1-4 固溶体中w（Si）和冷却速率的关系,成分偏析成分均匀，如高温合金中的相，因 激冷被抑制或者消除某些有害相。冷速提高枝晶间距、晶粒细化，晶体结构向非稳 态转变，可获得细晶、微晶、准晶甚至非晶粉末。2、物理蒸发冷凝法采用不同的能量输入金属汽化在冷凝壁上沉积金 属粉末。粉
14、末粒度比表面积化学活性。为防止粉 末氧化，在冷凝室内通入惰性气体。在金属蒸气脱离熔体 的很短时间内被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集 成超微颗粒。物理蒸发冷凝法生产效率较低，但可获得粒 径达2nm的纳米颗粒。,按能量输入方式物理蒸发冷凝法可分为： 1）电阻加热方式蒸发源采用舟状难熔金属，如钨、钼、钽等作为电阻发 热体。由于发热源与被蒸金属在高温状态下直接接触，须 注意：不与被蒸高温熔融原料形 成合金；被蒸原料的蒸发温度不能 高于发热体的软化温度，电阻 加热蒸发法适合于低熔点金属 超微粉制备。,2）等离子体加热方式 蒸发金属放在水冷铜坩埚上，在斜上方有一等离子体 枪。施加高频直流电压后，等离子
15、枪内的惰性气体被电 离，形成等离子体弧柱内的温度高达10000K，被蒸金 属作为阳极接受电子流成为受热部位金属局部迅速融 化过热蒸发蒸发室中有烟雾生成金属超微粒子。,1-3 化学制粉方法 1、化学气相沉积法使气相物质发生气-固相变或气相化学反应金属或陶 瓷粉体。按制备的物化原理划分，气相沉积制粉可分为物理气相 沉积和化学气相沉积。1）化学气相沉积制粉原理 化学气相沉积的反应类型分为两种： 分解反应 aA(气)mM(固)+nN(气) 化合反应 aA(气)+bB(气)+mM(固)+nN(气)四个步骤：化学反应、均相形核、晶粒生长、团聚。,(1)化学反应：对于一个确定的化学反应体系，判断其 能否进行的热力学判据为： 分解反应：(1-5) 化合反应： (1-6)由式(1-5)、 (1-6)可知，化学气相沉积反应的控制因素 包括：反应温度、气相反应物浓度和气相生成物浓度。,
