1、1粉末冶金基本知识篇绪论粉末冶金（也称金属陶瓷法）：制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过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。粉末冶金工艺：1） 、制取金属、合金、金属化合物粉末以及包覆粉末；2） 、将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。大概流程：物料准备（包括粉末预先处理（如加工，退火） 、粉末分级、混合和干燥等）成形烧结烧结后处理（精整、浸油、机加工、热处理、粉末冶金的特点：1. 能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊性能的材料： 能控制制品的孔隙度(多孔材料、多孔含油轴承等)； 能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生
2、产各种特殊性能的材料（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） ； 能生产各种复合材料。2.粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越： 高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好（粉末高速钢可避免成分的偏析） ； 生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法（钨、钼、铌等难熔金属） 。粉末冶金技术的优越性和局限性：优越性：1） 、无切削、少切削，能够大量节约材料，节省能源，节省劳动。普通铸造合金切削量在 30-50%，粉末冶金产品可少于 5%。2） 、能够大量能够制备其他方法不能制备的材料。3） 、能够制备其他方法难以生产的零部件。局限性：1、粉末成本高；2、制品
3、的大小和形状受到一定限制；3、烧结零件的韧性较差。2常用粉末冶金材料：粉末冶金减摩、多孔、结构、工具模、高温和电磁材料。第一章：粉末的制取第一节：概述制粉方法分类：机械法：由机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：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，获得粉末。化学法：依靠化学或电化学反应，生成新的粉态物质（气相沉积、还原化合、电化学发） 。在固态下制取粉末的方法包括：有机械粉碎法和电化腐蚀法；还原法；还原-化合法。在气态制备粉末的方法包括:蒸气冷凝法；羟基物热离解法。在液态制备粉末的方法有:雾化法；置换法、溶液氢还原法；水溶液电解法；熔盐电解法
4、。从过程的实质看，现有制粉方法大体上可归纳为两大类，即机械法和物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；物理化学法是借助化学或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而活的粉末。第二节：还原或还原-化合法还原法：定义:用还原气体 (固体)或活泼金属将氧化物还原制备粉末的过程。具体包括：气相还原法和碳还原法。前者分为气相氢还原（还原剂-氢气）和气相金属热还原（还原剂-低熔点、低沸点的金属如Mg、Ca、Na 等） ；后者举例：Fe 2 O3 Fe3 O 4浮斯体(FeO Fe 3O4 ) Fe。当然，用固体碳还原还可以制取钨粉，用氢或分解氨还原可制取钨、钼、铁、铜等，用
5、钠、钙、镁等金属还原剂可制取钛、锆、铀等。影响碳还原铁氧化物过程和铁粉质量的因素：31）原料原料中杂质:原料中杂质特别是 SiO2 的含量超过一定限度后，不仅还原时间延长，并且使还原不完全，铁粉中含铁量降低。因此，一般以铁磷或矿石作原料需要进行磁选。 原料粒度 :多相反应与界面有关，原料粒度愈细，界面的面积愈大，因而促进反应的进行。所以，原料准备中一般要粉碎。2）固体碳还原剂 固体碳还原剂类型：还原能力：木炭 焦炭 无烟煤 固体碳还原剂用量：一定还原条件下，其用量主要依据氧化铁的含氧量来定。适宜的还原剂加入量：86%-90%3）还原工艺条件 还原温度和还原时间：随温度升高，还原时间缩短。 料层
6、厚度：随着料层厚度的增加，还原时间随之增长。在料层 0.63.6cm范围，还原时间增长与厚度增厚成直线关系，这是传热阻力增大的缘故。 （装罐层装法装罐环/柱装法） 还原罐密封程度的影响：保证一定的气氛（为保证有足够 CO，一般要密封还原罐） 。4）添加剂 加入一定的固体碳：碳加入方法：原料铁鳞或铁矿石与固体碳混合压团装入；原料与还原剂分层相间装入。生产上常采用后者。且加入适量固体碳可起疏松剂和辅助还原剂作用。 返回料的影响：加入一定量飞废铁粉，加速还原过程（主要缩短诱导期） 。 引入气体还原剂：引入气体可使还原过程加速。 碱金属盐的影响：引入碱金属盐可使还原过程加速（Na 2CO3，K 2CO
7、3 等） 。5）海绵铁的处理：还原退火处理作用：退火软化作用，提高铁粉的塑性，改善铁粉的压缩性；补充还原作用；脱碳作用，把碳含量降低到 0.25-0.05%以下。复合型粉末：是指用气体或液体雾化法制成的完全预合金粉末、部分扩散预合4金粉末以及粘附型复合粉末。补充：1、气体还原法：可作为还原剂的有氢、分解氨（H 2+N2） 、转化天然气（主要成分为 H2 和 CO） 、各种煤气（主要成分是 CO）等。此方法制取的铁粉比用固相法制备的要纯。氢还原法制取铁过程：当氢还原氧化铁时，提高压力对还原是有利的，相当于提高温度来提高还原速度。或者说，当采用高压还原时，还原温度可以大大降低，还原所得的铁粉不会粘
8、结成块。值得注意的是，在低温下所得的铁粉有自燃性，为防止氧化，要在常压下在保护气氛中加热到 600800，使铁粉被钝化而失去自燃性。氢铁法特点：1） 、采用较低的还原温度和较高压力；2） 、可利用粉矿；3） 、所得的铁粉很纯，适合生产粉末冶金铁基零件；4） 、所用的氢是将转化天然气中的 CO 转化成 CO2 除去后的转化氢； 5） 、还原后的气体带出一部分固体颗粒，由还原反应器顶部引入旋风收尘器内，大于 325 目的颗粒返回还原反应器。氢还原法制取钨过程：一般用分段还原法制取。影响钨粉粒度和纯度的因素：原料（WO3 粒度、含水量、杂质） ；氢气（湿度、流量和通氢方向） ；还原工艺条件（温度、推
9、舟速度、舟中料层厚度）以及添加剂。注意：粗颗粒钨粉通常采用一阶段直接还原法（1200）制取；中、细颗粒一般采用两阶段还原法。2、金属热还原法：主要应用于制取稀有金属，特别适用于生产无碳金属。还原化合法：生产难熔金属化合物的方法：1、用碳（或喊碳气体） 、硼、硅、氮与难熔金属直接化合；2、用碳，碳化硼、硅、氮与难熔金属氧化物作用而得碳化物、硼化物、硅化物和氮化物。第三节：气相沉积法物理气相沉积法：用物理方法（蒸发、溅射等） ，使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法。化学气相沉积法：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他5们相互之间发生化学反应，形成一种新材料，沉积到晶片表面上
10、。气相沉积法用在粉末冶金中的有以下几种：1、 金属蒸气冷凝：主要用于制取具有大蒸气压的金属（锌、镉等）粉末，这些金属的特点是具有较低的熔点和较高的挥发性；2、 羰基物热离解：离解金属羰基化合物而制取粉末。不过，金属羰基化合物挥发时有不同程度的毒性，生产上应采取防毒措施；3、 气相还原法：包括气相氢还原和气相金属热还原。前者主要是还原金属氯化物，制得粉末、合金粉和包覆粉末，一般是很细的或超细的；4、 化学气相沉积（CVD）：是从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末和各种涂层（包括碳化物、硼化物、硅化物和氯化物等）的方法。第四节：液相沉积法定义：在溶液状态下将不同化学成分的
11、物质混合，在混合液中加入适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物再将沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的粉体颗粒。液相沉淀法在粉末冶金中的应用有以下几种：1） 、金属置换法：制取铜粉、铅粉、银粉等。用一种金属从水溶液中取代出另一种金属的过程叫做置换。影响置换过程和粉末质量的因素有：金属沉淀剂、被沉淀金属等。2） 、溶液气体还原法：主要是溶液氢还原法，可以制取铜粉、镍粉、钴粉，也可以制取合金粉（如镍-钴合金粉）和各种包覆粉（如Ni/Al等） 。3） 、共沉淀法制取复合粉 ：共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀。共沉淀法是制备含
12、有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。共沉淀制取复合粉的方案：1.使基体金属和弥散相金属的盐或氢氧化物在某种溶液中同时均匀析出，后经干燥、分解、还原以得基体金属和弥散相的复合粉；2.将弥散相制得最终粒度，后悬浮在含基体金属的水溶液中作为沉淀结晶核心，待基体金属以某种化合物沉淀后，经干燥和还原就可得以弥散相为核心，基体金属包覆在外的包覆粉。6第五节：电解法电解制粉可以分为：水溶液电解、有机电解质电解、熔盐电解和液体金属阴极电解。其中用的较多的是水溶液电解和熔盐电解。水溶液电解法：可以生产铜、铁、镍、银等。从粉末特性来看，电解法有一个提纯过程，因而所得粉末较纯；同时，由于电解结晶
13、粉末形状一般为树枝状，压制性（包括压缩性和成形性）较好；电解还可以控制粉末粒度，因而可以生产超细粉末。水溶液电解基本原理电化学原理电解：在直流电作用下，在电极上产生氧化与还原的过程。在阳极上失去电子，氧化反应，成为正离子；在阴极上金属正离子获得电子，还原成为金属原子。电解时，电能转化为化学能 作用与原电池相反。第六节：雾化法1. 雾化法雾化法属于机械制粉法，是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法。又称喷雾法。可用于制取铅、锡、铝、铜、镍、铁、锌等金属粉末，也可制取合金粉末。液体金属的击碎包括制粒法和雾化法：1.制粒法（让熔化金属通过小孔或筛网自动注入空气或水中，冷却凝固后得到金属粉末，粒度较
14、粗）- 低熔点金属制取（铅、锡、锌等） ；2.雾化法 二流雾化法，分气体雾化和水雾化； 离心雾化，分旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、旋转坩埚雾化； 其他雾化法，如真空雾化、油雾化等比较原理：二流雾化法是利用高速气流或高压水击碎金属液流的，而机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合，所以雾化法只要克服液体金属原子间的键合力就能使之分散成粉末，因而，雾化过程所消耗的外力比机械粉碎法小得多。根据雾化介质对金属液流作用的方式不同，雾化就有多种形式：平行喷射、垂直喷射和互成角度的喷射（V型、锥形和旋涡环形喷射） 。其中互成角度的喷射最有意义。7雾化机理分析：有物理机械作用和物理化学变化（具体分析见P9
15、5） 。影响雾化粉末性能的因素：（1）雾化介质1）雾化介质类别：气体：空气和惰性气体等。空气-雾化过程氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属（如铜、铁和碳钢等） 。惰性气体减少金属液的氧化和气体溶解。 液体：水2）气体或水的压力的影响：气体压力愈高，所得粉末愈细。（2）金属液流1）金属液的表面张力和粘度：在其他条件不变时，金属液的表面张力愈大，粉末成球形的愈多，粉末粒度也较粗；相反，金属液的表面张力小时，液滴易变形，所得粉末多呈不规则形状，粒度也减小。减小金属的粘度，促进液滴球化。2）金属液过热温度：在雾化压力和喷嘴相同时，金属液过热温度愈高，细粉末产出率愈高，愈容易得球形粉末。3）金属液流
16、股直径：当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多。（3）其他工艺因素1）喷射参数：金属液流长度、喷射长度、喷射顶角等对不同的体系，适当的喷射顶角一般都通过试验确定。2）聚粉装置参数的影响：液滴飞行路程较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。气雾化和水雾化的区别：粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化
17、制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。8另外，对于水雾化而言，由于金属液滴冷却速度快，粉末表面氧化大大减少，可以用于制取铁、低碳钢等。但目前还不适用于活性很大的金属或合金、超合金等。且，由水雾化制取铁粉和合金钢粉工艺中发现：由于水比气体的粘度大且冷却能力强，水雾化法特别适用于熔点较高的金属与合金以及制造压缩性好的不规则形状粉末。2.离心雾化法利用机械旋转的离心力将金属液流击碎成细的液滴，然后冷却凝结成粉末。3.快速冷凝技术（RST ）主要特点：（1）急冷可大幅度地减小合金成分的偏析；（2）急冷可增加合金的固溶能力；（3）急冷可消除相偏聚和形成非平
18、衡相；（4）某些有害相可能由于急冷而受到抑制甚至消除；（5）由于晶粒细化达微晶程度，在适当应变速度下可能出现超塑性等。第七节：机械粉碎法定义：利用机械力将金属或其它材料破碎制取末的方法。是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末的方法。机械粉碎法的四种基本形式：压碎、击碎、磨碎和剪切。注意：虽然所有的金属和合金都可以被机械地粉碎，但实践证明，机械研磨比较适用于脆性材料。研磨塑性金属和合金制取粉末的有旋涡研磨、冷气流粉碎。球磨的基本规律：几种研磨机中用得 最多的是球磨机，而滚动球磨机又是最基本的。它是最简单的方法，最简单的设备，最有效有方法之一。仅需要球、材料（干、湿）和球磨筒
19、。球磨粉碎物料的作用（压碎、击碎和磨削）主要取决于球和物料的运动状态，而球和物料的运动又取决于球磨筒的转速。球和物料的运动有三种基本情况：泻落、抛落和临界转速。影响球磨的因素：（P114116）a、球料比：一般在球体装填系数0.4-0.5时，装球量应以填满球间的空隙稍掩9盖住球体表面为原则；b、球体直径（大小）：选择范围：d1mm -致密10体或常说的固体；0.1m -1mm -粉末体或简称粉末；0.1 m -胶体。一、粉末颗粒与粉末体：粉末颗粒： 晶粒或多晶聚合体粉末体：简称粉末，是由大量的粉末颗粒组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此可以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的
20、集合体。粉末颗粒表现出流体性质，粉末越细，流动性质越明显。二、粉末颗粒：1.颗粒聚集状态 粉末聚集状态：二次颗粒、团粒和絮凝体。 单颗粒：粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒。 二次颗粒：单颗粒以某种方式聚集就构成二次颗粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。 团粒：由单颗粒或二次颗粒依靠范德华引力的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散。 絮凝体：用溶胶凝胶方法制备的粉末，在粉末悬浊液中，由单颗粒或二次颗粒结合成的更松软的聚集颗粒。注：一次颗粒往往不能单独存在而聚集在一起，聚集力主要是物理作用力，而非强化学健结合。一次颗粒之间形成一定的粘结面，在二次颗粒内存在一些微细的空隙。一次颗粒或单颗粒可能
21、是单晶颗粒，而更普遍情况下是多晶颗粒，但晶粒间不存在空隙。一次颗粒粒度测定, 惰性气体表面吸附方法 BET二次颗粒粒度测定, x-ray, optical microscope, TEM, SEM2.颗粒结晶构造和表面状态1）颗粒结晶构造 颗粒的内部结构与颗粒的外部结构比较， 颗粒的内部结构非常复杂。 多晶颗粒通常的粉末只能制得多晶颗粒，用RST快速冷凝技术可制备单晶颗粒或准晶、非晶粉末颗粒。 缺陷：表面缺陷，加工硬化，内空隙。畸变，杂质，裂纹、亚结构、第二相、合金元素，吸附物。112）颗粒表面状态： 内表面、外表面， 内表面远比外表面复杂、丰富。 外表面：颗粒表面所有宏观的凸起和凹进的部分以
22、及宽度大于深度的裂隙。 内表面：深度超过宽度的裂隙、微缝以及与颗粒外表面相通的孔隙、空腔等的壁面，不包括封闭在颗粒内的潜孔。三、粉末性能粉末性能分类：（1）单颗粒性能（质）由材质决定：点阵类型、理论密度、熔点、电磁性能由制粉方法决定：粒度、形状、有效密度（2）粉末体性能（质）：单颗粒性能+粒度组成、平均粒度、比表面、振实密度、松装密度、流动性、压制性能（3）粉末孔隙特性：总孔隙、颗粒间孔隙、颗粒内孔隙、孔隙的开闭性、孔隙大小、形状等。最常见的性能分类体系：化学性能（成分） 、物理性能、工艺性能。1.化学成分：化学性质主要指粉末的化学组成包括主要金属的含量和杂质的含量。 主要成分（如铁粉中的Fe
23、）含量对粉末性能有决定影响； 化学组成还包括杂质的种类和含量对粉末性能也有重要影响。粉末中的杂质主要指：1.与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分:Fe-C， Fe-Ni，W-Mo等。2.从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂: 主要为非金属类机械夹杂物： Si、Al 氧化物、硅酸盐等。3.粉末表面吸附水，氧，空气。4.制粉过程中带进的杂质：电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等。针对不同成分，有多种分析方法：传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧12光分析法、能谱分析法等。粉末氧含量测定： 氢损值（P125 ） （可被H还原氧含量测定）：用氢还原，计算粉末还原前后的重量变化。
24、 适用于工业铁、铜、钨、镍、钴等粉末。氢损值=（A-B）/（A-C） x 100% A粉末（5克）加烧舟的质量； B氢气中煅烧后残留物加烧舟的质量；C烧舟的质量注：对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的估算：1.SiO2、CaO 、Al2O3不被氢还原：实际氧含量高于测得氧含量2.粉末有脱碳、脱硫反应及金属挥发：实际氧含量低于测得氧含量 酸不溶物法原理：粉末试样用某种无机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解，将不溶物沉淀和过滤出来，在980下煅烧1h后称重，再按下列公式计算酸不溶物含量：铁粉盐酸不溶物=A/B100% 式中A- 盐酸不溶物的克数；B-粉末试样的克数。 铜粉硝酸不溶物=（ A-B）/C
25、100% 式中A-硝酸不溶物的克数；B-相当于锡氧化物的克数；C-粉末试样的克数。2.物理性能：颗粒形状及结构、颗粒大小及粒度组成、比表面积、颗粒密度、颗粒硬度、熔点、热学、电学、磁学、光学性质等。（1）颗粒形状：主要由制粉方法和制粉决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关。某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产：球形粉末-雾化法、多孔粉末- 还原法、树枝状粉末 -电解法、片状粉末-研磨法颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响。（2）颗粒密度 真密度: 颗粒质量除去开孔和闭孔的颗粒体积去除得的商值，粉末材料理论密度D1 。 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内
26、的密度D2 似密度（表观密度）: 包含开、闭孔隙在内的粉末密度D313D1= m/（V-V孔）= m/（V-V 开-V 闭） D2= m/（V-V开） D3= m/ VV颗粒总体积； V孔孔隙体积；V开、V 闭开、闭孔体积D3D2D1（3）显微硬度 不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。粉末纯度越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程度、减少氧、碳等杂质含量后，硬度降低。 硬度对粉末的压制性能有重要影响，模压成形时对模具的寿命影响显著。3.工艺性能：松装密度、振实密度、流动性、压缩性与成型性。主要取决于粉末的生产方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、加润滑剂、制粒等） 。（1）松装密度和振实
27、密度松装密度：粉末在规定条件下自然充填容器时，单位体积内自由松装粉末体的质量g/cm3。 测量方法: 流量法，粉末自由落下影响因素: a. 粒度: 粒度小，松装密度小；b. 颗粒形状：形状复杂， 松装密度小，松装密度从大到小排列：球形粉类球形不规则形树枝形c. 表面粗糙度d. 粒度分布：细粉比例增加，松装密度减小;粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大。振实密度：粉末装于振动容器，规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度。振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的孔隙。孔隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数称为孔隙度（） 。孔隙振实密度与粉末体中的孔隙：粉末体中的孔隙包括颗粒之间的空隙和颗粒内
28、更小的空隙。1/ 理 松装密度， 理材料的理论密度或颗粒真密度。/理称为粉末体的相对密度，用d 表示，其倒数，1/d称为相对体积。孔隙度与相对密度和相对体积的关系为：1d 和11/14由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度：0.476 ，最松散的堆积 0.259 ，最紧密的堆积如果颗粒的大小不等，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低；颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；（2）流动性：一定量粉末(50g) 流经标准漏斗所需的时间：s/50 g意义：反映压制时粉末充填模腔的能力影响因素:1.颗粒间的摩擦、形状复杂，表面粗糙，流动性差、理论密度增加，流动性增加、粒度组成：细粉增加
29、，流动性变差。测定方法：标准漏斗测量流速、粉末自然堆积角（安息角）试验测定流动性。2.流动性与粉末密度有关：如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；颗粒密度不变，相对密度增大会使流动性提高; 3.同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响：颗粒表面吸附水分、气体, 加入成形剂减低粉末的流动性。流动性直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性：是自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。（3） 压制性和成形性压制性是压缩性和成形性的总称。压缩性：粉末在压制过程中被压紧的能力。表示方法是：一定压制条件下粉末压坯的密度（在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力（500MPa）
30、下粉末所达到的压坯密度表示）意义: 压坯密度对最终烧结密度有重要影响，进而影响烧结体性能。影响压缩性因素:a 颗粒塑性，显微硬度；b 合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性；c 颗粒形貌：不规则的颗粒压缩性差；d 密度减少时（空隙增加）压缩性差。凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响。成形性：压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度表示。意义: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性15影响因素： 颗粒之间的啮合与间隙：不规则颗粒，颗粒间连接力强, 成形性好；颗粒越小，成型性越好。成形性和压缩性矛盾：成形性好的粉末压缩性差，压缩性好的粉末成形性差。第二节 粉末粒度及其测定一、粒度和粒度组
31、成1、基本概念粒度：以mm或m 的表示的颗粒的大小称颗粒直径，简称粒径或粒度。粒度分布：由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同。具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称粉末的粒度组成，又称粒度分布。粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。但是通常说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径（对粉末体也可称粒度，但是指平均粒度） 。粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能。2、粒径基准用直径表示的颗粒大小称粒径。规则粉末颗粒可以直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径最简单和最精确。 近球形、等轴状颗粒，用最大长度方向的尺寸代表粒径，误差也不大。大多数粉末颗粒，形状不对称，仅
32、用一维几何尺寸不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高三维尺寸的某种平均值来度量，称为几何学粒径。几种粒径基准：（1）几何学粒径dg：用显微镜按投影几何学原理测得的粒径称投影径。二轴平均径： (l+b) 三轴平均径： (l+b+t)加和（调和）平均径：几何平均径：（2lb+2bt+2tl）1/2/6 体积平均径：3lbt/(lb+bt+tl)（2）当量粒径d e：用沉降法、离心法或水力学法等测得的粉末粒径。（斯托克斯径物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律的同质球形粒子的直径）包括：体积当量径（d球=(6V/ )1/3）和面积当量16径（d圆=（4/）s 1/2圆 ） 。（
33、3）比表面粒径d sP：利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积径。 （4）衍射粒径d sc：对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光与电磁波(如X光等) 的衍射现象所测得的粒径称为衍射粒径。3、粒度分布基准：（1）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒粉占全部颗粒总数中的个数表示，又称频度分布；（2）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和中的多少表示；（3）面积基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的表面积总和中的多少表示；（4）质量基准分布: 以每一粒径间隔内的颗粒总质量占全部颗粒的质量总和中的多
34、少表示。粒度分布基本概念：频度: 第i 级粉末颗粒数与总颗粒数之比100%；第i 级粉末重量数与总重量数之比100% ；第 i 级粉末体积数与总体积数之比100%。相对频度：单位尺寸(微米) 上的频度数粒度分布曲线：以颗粒数或颗粒频度对平均粒径所作的粒度分布曲线称为频度分布曲线，曲线峰值所对应的粒径称为多数径累积分布曲线：将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应处称为中位径，当考虑累积分布曲线中粒径小于某个粒度的粉末占总体粉末的百分率时，这种累计为负累积. 也可知道大于某个粒级的粉末占总粉末的百分率，称正累积分布曲线。4、平均粒度：由符合统计规律的粒度组
35、成计算的平均粒径统称平均粒径。包括算术平均径、长度平均径、体积平均径、面积及比面积平均径等。粒度测定原理17粒度测定主要方法一览表粒径基准 方法名称 测量范围m 粒度分布基准几何学粒径 筛分析光学显微镜电子显微镜405000.2100.01质量分布个数分布同上当量粒径 重力沉降离心沉降501.0100.05质量分布同上比表面粒径 气体吸附气体透过200.001500.2比表面积平均径同上光衍射粒径 光衍射X光衍射100.0010.050.0001体积分布体积分布1、 筛分析法：标准筛, 在一英寸距离上有的网目数： m=25.4/(a+d) a金属网丝直径；d网孔直径2、 显微镜法：采用显微镜观
36、察颗粒，在刻度尺上量出颗粒直径，测5001000粒，用算术平均值法计算。3、沉降分析：是根据物质颗粒在介质中的沉降速率来测定颗粒大小的一种方法。有液体沉降和气体沉降之分。沉降分级原理：在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，粗颗粒沉降快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离（或时间）后，就能将粉末按粒度的差别分开，这就是最简单的沉降分级原理。 沉降颗粒受三种力的作用：颗粒的重力介质浮力介质由于粘性对颗粒的阻力。4、光散射法：颗粒越大，产生的散射光的角就越小；颗粒越小，产生的散射光的角就越大。5、光遮法； 6、电阻法； 7、淘析法（风选和水力分级
37、） 。沉降法优点：粉末取样较多，代表性好，结果的统计性和再现性提高；可选择不同的装置，能适应较宽的粒度范围（50- 0.01 m） ；18第三节 粉末的比表面及其测定1、 粉末克比表面Sw：1g质量的粉末所具有的总表面积质量比表面（ m2/g 或cm 2/g）2、 体积比表面Sv：致密体的比表面。 （m 2/cm2）3、 测定方法：吸附法（BET）测量比表面积，测量一次颗粒透过法（Fsss）气体透过法测外比表面，测二次颗粒粒径（50-0.1m）气体吸附法：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算1g物质的总表面积，即得克比表面。分为物理吸附和化学吸附。前者是范德
38、华力的作用，后者是化学键力起作用。 测试方法：静态法、动态法。透过法：分气体透过法和液体透过法（只适用于粗粉末或孔隙较大的多孔性固体） 。第三章 成形普通模压成形：将金属粉末或混合料装在钢制压模内通过模冲对粉末加压，卸压后，压坯从阴模内压出。第一节 成形前的原料预处理（一）预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。（二）预处理的作用：1、退火：还原氧化物，消除杂质，提高纯度；消除加工硬化，稳定粉末的晶体结构；钝化金属，防止自燃（使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜） 。一般用还原气氛，有时也可用惰性气氛或真空。2、混合：将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀。分为机械法和化学法。有时需将
39、成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。（1）机械法：各种混合机将粉末或混合料机械地掺合均匀而不发生化学反应。19a.干混法：铁基及其它粉末冶金零件的生产b.湿磨法：硬质合金或含易氧化组份合金的生产。一般采用工业酒精作为研磨介质。影响均匀程度的因素：混合组元的颗粒大小和形状、组元的比重、混合时所用介质的特性、混合设备的种类、混合工艺（装料量、球料比、时间、转速等） 。（2）化学法混料：将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合，或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥、还原等处理而得到均匀分布的混合物。注：混合较前者更为均匀,可以实现原子级混合。3、筛分：筛分的目的在于把
40、颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。通常用标准筛网制成的筛子或振动筛来筛分，而对于钨钼等难熔金属的细粉或超细粉末则用空气分级的方法。4、制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。 原理：借助于聚合物的粘结作用将若干细小颗粒形成团粒。常用的制粒任务的设备有圆筒制粒机、圆盘制粒机和擦筛机等，有时也用振动筛来制粒。5、加成形剂和润滑剂成形剂：成形剂是为了提高压坯强度或为了防止粉末混合料离析而添加的物质，在烧结前或烧结时该物质被除掉，有时也叫粘结剂，如硬脂酸锌、合成橡胶、石蜡等。成形剂在混料过程中以干粉末或溶液状态的形式加入，在某些场
41、合（如硬质合金生产）也以溶液状态加。 （P169）润滑剂：润滑剂是为了降低压形时粉末颗粒与模壁和模冲间摩擦、改善压坯的密度分布、减少压模磨损和有利于脱模，如石墨粉、硫磺粉、橡胶、硬脂酸、石蜡等。选择成形剂、润滑剂的基本条件：（1）有较好的粘结性和润滑性，在混合粉末中易均匀分散，且不发生化学变化；（2）软化点较高，混合时不易因温度升高而熔化；（3）混合粉末中不致于因添加这些物质而使其松装密度和流动性明显变差，对烧结体特性也不能产生不利影响；20（4）加热时，从压坯中易呈气体排出，且这种气体不影响发热元件、耐火材料的寿命。第二节 金属粉末压制过程压制的主要功能：（1）将粉末成形为所要求的形状；（2
42、）赋予坯体以精确的几何形状与尺寸，应考虑烧结时的尺寸变化；（3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；（4）赋予坯体以适当的强度，以便搬运。工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。压制方式：a)单向压制b)双向压制c)浮动压制（一）弹性后效：在压制过程中，粉末由于受力而发生弹性变形和塑性变形，压坯内存在着很大的内应力，当外力停止作用后，压坯便出现膨胀现象（二）压坯密度与影响因素的关系：a.随压制压力的增高而增大； b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大； c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度； d.降低压制速度，提高压坯密度。（三）搭桥：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒
43、相互搭架而形成拱桥孔洞的现象。（四）压坯强度：压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。表征压坯抵抗破坏的能力，即颗粒间的粘结强度。粉末颗粒间联结力：（1）颗粒间的机械啮合力；（2）颗粒表面原子间的引力。对于任何金属粉末来说，压制时粉末颗粒之间的机械啮合力是使压坯具有强度的主要联结力。第三节 压制压力与压坯密度关系的关系21（一）压制理论：粉末压制理论研究粉末压制成形过程中颗粒移动和变形的规律，讨论并定量描述压坯密度和压制压力的关系。包括：1.巴尔申压制理论；2.川北公夫压制理论；3.艾西- 沙皮罗-柯诺皮斯基压制理论； 4.黄培云压制理论。1.巴尔申压
44、制理论：适用于硬脆粉或中等硬度粉末的压制，对于塑性较好的粉末如铅、锡粉则出现偏差。且较适用于中等压力范围，较高或较低压力时均会出现偏差。2.川北公夫压制理论：川北公式形式简单，没有采用对数关系。对低压力范围和软粉末适应较好。3.艾西-沙皮罗- 柯诺皮斯基压制理论：在中压及高压范围内应用较好，在很低的压力下出现偏差，适用于大多数粉末的压制。4.黄培云压制理论：既适合于硬粉也适合于软粉，适用于粉末压制成形，也适用于粉末冷等静压成形。（二）黄培云压制理论的优势：黄培云的双对数方程既适合于硬粉也适合于软粉，适用于粉末压制成形，也适用于粉末冷等静压成形。用回归分析方法整理铜、锡、钨、钼、碳化钨粉末的模压
45、成形和冷等静压成形实验数据表明，与巴尔申、柯诺皮斯基和川北公夫的压制公式相比，黄培云双对数压制方程的直线关系符合最好，其回归直 线的相关系数R最接近于1。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好；川北公夫方程在压制压力不太大时优越性显著； 艾西-沙皮罗 -柯诺皮斯基方程适用于一般粉末； 黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用。第四节 压制过程中力的分析一、应力和应力分布净压力（P1）：使粉末产生位移、变形、克服粉末的内摩擦。压力损失（P2）：克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力。压制时所用的总压力为： P= P1 + P2所以，压模内各部分的应力是不相等的。由于存在着压力损失，上部应力比底部应力大；在
46、接近模冲的上部同一断面，边缘的应力比中心部位大；而在远离模冲的底部，中心部位的应力比边缘应力大。二、侧压力和模壁摩擦力（了解P196图3-18的应力分布）22侧压力：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力。侧压力在压制过程中的变化是很复杂的。注意：侧压力始终小于压制压力，其大小受粉末体各种性能及压制工艺的影响。在没有润滑剂的情况下，外摩擦的压力损失可达60-90% ，这是引起压块密度沿高度分布不均匀的根本原因。一般情况下，外摩擦的压力损失应当取决于：（影响因素）压坯、原料与压模材料之间的摩擦系数，压坯与压模材料间粘结的倾向，模壁加工的质量，润滑剂的情况，粉末压坯高度，压模的直径等
47、。为了减少因摩擦出现的压力损失，采取的措施有：添加润滑剂；提高模具光洁度和硬度；改进成形方式如采用双面压制等。三、脱模压力：使压坯由模中脱出所需的压力。影响因素：压制压力、粉末性能、压坯密度和尺寸、压模和润滑剂。四、弹性后效：在压制过程中，当除去压制压力并把压坯压出压模后，由于内应力的作用，压坯发生弹性膨胀。弹性膨胀现象的原因：由弹性内应力引起。第五节：压坯密度的分布影响压坯密度的因素：压坯的高度和直径；模壁的光洁度。为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径
48、比。第六节：影响压制过程的因素一、粉末性能对压制过程的影响1.粉末的物理性能的影响（1）金属粉末本身的硬度和可塑性：软金属粉末比硬金属粉末易于压制，软金属粉末在压缩时变形大，粉末之间的接触面积增加，压坯密度易于提高，塑23性差的硬金属粉末在压制时则必须利用成形剂，否则很容易产生裂纹等压制缺陷。（2）金属粉末的摩擦性能：压制硬金属粉末时压模的寿命短，压制硬质合金粉末比压制铁制品消耗更多的压模，为了保证得到合格压坯和降低压模损耗，在压制时通常要添加润滑剂或成形剂。2.粉末纯度（化学成分）的影响纯度越高越容易压制。杂质多以氧化物形态存在，而金属氧化物粉末多是硬而脆的，且存在于金属粉末表面，压制时使得
49、粉末的压制阻力增加，压制性能变坏，并且使压坯的弹性后效增加，如果不使用润滑剂或成形剂来改善其压制性，结果必然降低压坯密度和强度。为了保证获得合格的压坯，一般要求粉末的含氧量在规定范围内。如：压形前粉末进行还原退火处理，进行真空退火也可以得到很好的效果。3.粉末粒度及粒度组成的影响粉末越细，流动性越差，在充填狭窄而深长的模腔时越困难，越容易形成搭桥。实践表明，非单一粒度组成的粉末压制性较好，因为这时小颗粒容易填充到大颗粒之间的孔隙去，压坯密度和强度增加，弹性后效减少，易于得到高密度的合格压坯。4.粉末形状的影响生产中所使用的粉末多是不规则形状的，为了改善粉末混合料的流动性，往往需要进行制粒处理。粉末的形状对压制性能也有影响，不规则形状的粉末在压制过程中其接触面积比规则形状粉末大，压坯强度高，所以成形性好。5.粉末松装密度的影响：实际中，合适的松装密度视具体情况确定。二、润滑剂和成形剂对压制过程的影响压制过程减少摩擦的方法：1）采用高光洁度的模具
