【正文】 粉末冶金學(xué) 材料科學(xué)與工程系 目錄 ? 第一章 粉末冶金概述 ? 第二章 粉末體及其制備技術(shù) ? 第三章 成型理論及工藝 ? 第四章 燒結(jié)理論及工藝 ? 第五章 粉末冶金材料及制備 第一章 粉末冶金概述 ? 概念 ? 過程 ? 特點(diǎn) ? 應(yīng)用及地位 ? 今后的發(fā)展 定義 ? 粉末冶金是一門研究制造各種金屬粉末和以粉末為原料通過壓制成型，燒結(jié)和必要的后續(xù)處理來制取金屬材料和制品的科學(xué)技術(shù)。 ? 第一個(gè)標(biāo)志是，二十世紀(jì)初，由于電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切地尋找各種新的電光源材料。第二個(gè)標(biāo)志是，本世紀(jì)三十年代采用粉末冶金工藝制造多孔含油軸承獲得成功第三個(gè)標(biāo)志是：粉末冶金新工藝，新材料在近二三十年來，不斷向高水平新領(lǐng)域方面開拓 . 粉末冶金工藝的基本工序 ? 1. 原料粉末的制取和準(zhǔn)備，粉末可以是純金屬或它的合金、非金屬、金屬與非金屬的化合物以及其他各種化合物。 ? 2．將粉末成型為所需形狀的坯塊。成型方式有簡(jiǎn)單的壓制、等靜壓制、軋制、擠壓、爆炸成型等。 ? 3．坯塊的燒結(jié)。燒結(jié)在物料主組元熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行，以使材料和制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。 粉末冶金的特點(diǎn) ? 1．絕大多數(shù)難溶金屬及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法來制造。 ? 2．材料的利用率高、生產(chǎn)效率高。因?yàn)閴号魍鶋褐瞥闪慵淖罱K尺寸，而不需要或很少需要隨后的機(jī)械加工。通常用粉末冶金的方法生產(chǎn)制品時(shí)，金屬的損耗只有 1~5%，而用一般熔鑄方法時(shí)，損耗可能達(dá)到80%。 ? 3．有可能制取高純度的材料。因?yàn)榉勰┮苯鸸に嚺c熔鑄法不同，在材料生產(chǎn)過程中，不會(huì)帶給材料任何污垢。 ? 4．粉末冶金工藝本身較簡(jiǎn)單，易操作。 ? 5．粉末冶金制品的大小和形狀受到一定限制，燒結(jié)零件的韌性較差。因?yàn)榉勰┏尚蜁r(shí)的模具加工比較困難，而且也受到壓制力的限制。 ? 6．對(duì)某些產(chǎn)品小批量生產(chǎn)時(shí)，成本較高，因?yàn)榉勰┏杀靖?，但為了得到某些?dú)特性能的產(chǎn)品而采用小批量生產(chǎn)也是合算的。 粉末冶金材料的應(yīng)用 ? 1．機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)材料 ? 2．多孔材料 ? 3．電工材料 ? 4．工具材料 ? 5．粉末磁性材料 ? 6．耐熱材料 ? 7．原子能工程材料 ? 8．粉末冶金武器材料 粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)及其在新材料研究中的作用 ? （ 1）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲(chǔ)氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如 AlLi合金、耐熱 Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。 ? （ 2）可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。 ? （ 3）可以容易地實(shí)現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。 ? （ 4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料等。 ? （ 5）可以實(shí)現(xiàn)凈近形成形和自動(dòng)化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。 ? （ 6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。 粉末冶金學(xué)科優(yōu)先發(fā)展方向 ? （ 1）發(fā)展粉末制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。重點(diǎn)是超細(xì)粉末和納米粉的制備技術(shù)，快速冷凝制備非晶、準(zhǔn)晶和微晶粉末技術(shù)，機(jī)械合金化技術(shù)，自蔓延高溫合成技術(shù)，粉末粒度、結(jié)構(gòu)、形貌、成分控制技術(shù)?？偟内厔?shì)是向超細(xì)、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。 ? （ 2）建立以“凈近形成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬理論，如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。 ? （ 3）建立以“全致密化”為主要目標(biāo)的新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬技術(shù)。如熱等靜壓、擬熱等靜壓、燒結(jié)－熱等靜壓、微波燒結(jié)、高能成形等。 ? （ 4）粉末冶金材料設(shè)計(jì)、表征和評(píng)價(jià)新技術(shù)。粉末冶金材料的孔隙特性、界面問題及強(qiáng)韌化機(jī)理的研究。 第二章 粉體性能及制備技術(shù) ? 167。 21粉體的概念 ? 167。 22粉體的性能指標(biāo) ? 167。 23粉體的制備 物理化學(xué)法 :還原法 ,電解法 機(jī)械法 :霧化法 ,機(jī)械粉碎法 167。 21 粉末體的概念 ? 固體材料 :致密體 (1mm)\粉末體 \ 膠體 () ? 由大量的顆粒及顆粒之間的空隙所構(gòu)成的集合體。 團(tuán)粒 \單次 (一次 )顆粒 \二次顆粒 晶粒 粉末顆粒的形狀 球形、近球形、片狀、多角形、樹枝狀、多孔海綿狀、碟狀、不規(guī)則形 167。 22 粉末的性能 ? 化學(xué)成分：主要金屬的含量和雜質(zhì)的含量 ? 物理性能 :顆粒密度 ,顯微硬度 ,顆粒大小 ,粒度組成 ,比表面積 ? 工藝性能：包括松裝密度、搖實(shí)密度、流動(dòng)性、壓縮性和成型性。 167。 金屬的含量 :常規(guī)化學(xué)分析技術(shù) ★ 碳硫分析儀 ★反應(yīng)氣相色譜法 ★示差熱導(dǎo)法 ★燃燒法 ★光譜法 化學(xué)元素分析 雜質(zhì)含量分析 氧含量 \雜質(zhì)含量 雜質(zhì) (1)與主要金屬結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬 或非金屬成分。 (2)從原料和從粉末生產(chǎn)過程中帶入的機(jī)械夾雜。 (3)粉末表面吸附的氧、水汽和其它氣體。 氧含量 的測(cè)定 :氫損法 ,測(cè)定可被氫還原的金屬氧化物的那部 分氧含量，適用于 Fe、 Cu、 W、 Mo、 Co等粉末。 氫損值 =揮發(fā)物的重量 (試樣重量 殘留物重量 )/試樣重量 100% 雜質(zhì)含量 的測(cè)定 :酸不溶法 . 鐵粉鹽酸不溶物 =鹽酸不溶物的克數(shù) /粉末試樣克數(shù) 100% 庫(kù)侖分析儀 167。 (1) 顆粒密度 ： 真密度 （理論密度）：顆粒質(zhì)量與除去開孔和閉孔 顆粒體積所得的商值。 似密度 ：顆粒質(zhì)量與包括閉孔在內(nèi)的顆粒體積之商。 表觀密度 （有效密度）：顆粒質(zhì)量用包括開孔和閉 孔在內(nèi)的顆粒體積去除所得商。 測(cè)試方法 :比重瓶法 使用設(shè)備 :分析天平 密度的測(cè)試方法 112mmm?? ??水 金屬絲稱量裝置 空氣中稱量 , 水中稱量 ρ試樣密 (g/cm3), m1試樣在空氣中的稱量值 (g), m2試樣在水中的稱量值 (g), ρ水 測(cè)量溫度下水的密度 (g/cm3) 物理性能 (2) 顯微硬度 ： 與致密材料測(cè)試方法類似。一般粉末純度愈高，硬度愈低。 顆粒形狀 :顯微鏡法 . 比表面積 ： 1克質(zhì)量的粉末所具有的總表面積，用米 2/克或厘米 2/克表示。 費(fèi)氏儀原理 ? 費(fèi)氏法屬于穩(wěn)流 (層流 ) 狀態(tài)下的氣體透過法 , 基于空氣在恒定壓力下先透過粉末堆積體 , 然后通過可調(diào)節(jié)的針形閥流向大氣。根據(jù)空氣透過粉末堆積體時(shí)所產(chǎn)生的阻力和流量求出粉末的比表面積和平均粒度。 ? 粉末的比表面積由 KozenyCarman 方程給出 : ? 費(fèi)氏儀由空氣泵、穩(wěn)壓管、樣品管、壓力計(jì)、針形閥和粒度讀數(shù)板等部件組成 , 見圖 2。當(dāng)氣泵開動(dòng)后 , 空氣流經(jīng)過濾器進(jìn)入帶有水的豎立穩(wěn)壓管 , 然后流過干燥劑管 , 除去水分后流進(jìn)樣品管 , 最后通過針形閥流向大氣。每次測(cè)定 , 粉末試樣預(yù)先須由齒條和手輪等部件構(gòu)成的壓制機(jī)構(gòu)按試樣高度曲線壓制成對(duì)應(yīng)孔隙率下的高度。當(dāng)空氣通過試樣堆積體時(shí) , 將產(chǎn)生一定的壓力降。被測(cè)顆粒越大 , 產(chǎn)生的壓力降越小 , 而 U 形管壓力計(jì)水位上升越高 , 在粒度讀數(shù)板上讀出的粒度值越大。反之越小。 U 形管壓力計(jì)有雙重作用 , 它既是壓力計(jì) , 又是流量計(jì) (毛細(xì)管流量計(jì) ) , 其值既表示空氣通過粉末試樣堆積體后的壓力 , 又表示空氣經(jīng)粉末試樣堆積體通過針形閥的流量。 . 物理性能 (3) 粒徑（粒度）： 以毫米或微米表示的顆粒大小。僅指單顆粒而言。 粒度組成（粒度分布）： 把具有不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度組成。一般指整個(gè)粉末體。 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) : 幾何學(xué)粒徑：篩分析、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、電阻法 當(dāng)量粒徑：沉降法、離心法、水力學(xué)法 比表面粒徑：吸附法、透過法、潤(rùn)濕法 光衍射粒徑：用于粒度接近電磁波波長(zhǎng)的粉末。 泰勒篩制 泰勒篩制的規(guī)格 :直徑 8英寸 ,高 25~50毫米 泰勒篩制的分度 :以 200目的篩孔尺寸 如 :由粗到細(xì)具體有 35\48\65\100\150\200\270\400等 ,其模 數(shù)依次為 21/2. ?目數(shù)：指篩網(wǎng) 1英寸長(zhǎng)度上的網(wǎng)孔數(shù)。目數(shù)愈大，網(wǎng)孔愈細(xì)。 粉末粒度測(cè)試結(jié)果的表示方式 目數(shù) 粒徑大小 (mm) 數(shù)量 (g) 百分比 (%) +80 + 80~+100 + 100+150 + 150+200 + 200+250 + 250+325 + 325 圖表表示 :還原鐵粉的篩分析粒度組成 Stokes（斯托克斯）沉降定律 算出最大粒徑： （ μm) 式中 η —沉降介質(zhì)在不同溫度下的粘度（泊）； ρ s —被測(cè)樣品粉末的真密度，（ g/cm3）； ρ 0 —沉降介質(zhì)在不同溫度下的密度，（ g/cm3）； h —最大粒徑的沉降高度，（ cm）； t —最大粒徑的沉降時(shí)間，（分）。 th1 7 50sm a x ）（ ?????D167。 ?松裝密度 ：是粉末試樣自然地充填規(guī)定的容器時(shí)，單位容 積內(nèi)粉末的質(zhì)量（克 /厘米 3）。 ?搖實(shí)密度： 是在振動(dòng)或敲擊之下，粉末緊密充填規(guī)定的容器后所得的密度，比松裝密度一般高 20~50%。 ?流動(dòng)性 ： 50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)的流速漏斗流出所需的時(shí)間。單位為秒 /50克。 ?壓縮性 ：指粉末在壓制過程中被壓緊的能力。用規(guī)定單位壓力下（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為 4噸 /厘米 2壓力下壓制 75克粉末試料）粉末所達(dá)到的壓坯密度表示。 ?成型性 ：指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力。用粉末得以成型的最小單位壓制壓力表示或用壓坯強(qiáng)度（ S=3PL/2t2W）來表示。 （ a）裝配圖 (b) 流速漏斗 (c)量杯 松裝密度裝置結(jié)構(gòu)圖 松裝密度流動(dòng)性的影響因素 ? 粒度和粒度組成：粉末顆粒愈粗，松裝密度較大；愈細(xì)則減小。極細(xì)粉末占的比例愈大，流動(dòng)性愈差。 ? 粉末顆粒的形狀：顆粒形狀愈不規(guī)則，松裝密度愈小。等軸狀（對(duì)稱性好）或粗顆粒粉末流動(dòng)性好。 ? 粉末空隙度：粉末空隙度愈小，松裝密度愈大。若粉末的相對(duì)密度不變，顆粒密度愈高，則流動(dòng)性愈好；若顆粒密度不變，相對(duì)密度增大會(huì)使流動(dòng)性提高。 ? 顆粒松軟，形狀不規(guī)則的粉末，成型性好。塑性金屬粉末比硬脆材料粉末的壓縮性好。松裝密度高，壓縮性好。一般壓縮性和成型性是矛盾的統(tǒng)一體。 167。 23 粉末制取方法概述 粉末制取方法分類 :物理化學(xué)法和機(jī)械法 . 采用哪種方法制粉末不僅是由于技術(shù)上有可能使用這些方法（如還原、研磨、電解），而且還由于粉末及其制品質(zhì)量在很大程度上取決于制粉的方法。 生產(chǎn)中選擇制粉方法主要考慮以下兩個(gè)因素。 ①低的成本 ②粉末的性能顆粒大小、形狀、松裝密度、化學(xué)成分、壓制性、燒結(jié)性等 Ⅰ 還原法 ? 用還原劑還原金屬氧化物及鹽類來生產(chǎn)金屬粉末是一種最廣泛采用的制粉方法。 MeO(金屬氧化物 )+X(還原劑 )=Me+XO ? 那么到底哪些物質(zhì)能做哪些氧化物的還原劑呢？這可由金屬氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能圖中得出： 氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能 溫度圖的說明 ? 隨溫度升高，△ G176。 增大，各種金屬的氧化反應(yīng)愈難進(jìn)行，由于隨溫度升高，金屬對(duì)氧的親和力減小。因此，還原金屬氧化物通常要在高溫下進(jìn)行 ? △ G176。 T關(guān)系線在相變溫度處，特別是在沸點(diǎn)處發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折，這是由于系統(tǒng)的熵在相變時(shí)發(fā)生了