【正文】 《粉末冶金車間設(shè)備及設(shè)計(jì)》講義緒 論粉末冶金是材料科學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用。粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造鐵的第一個(gè)方法實(shí)質(zhì)上采用的就是粉末冶金方法。1909年制造電燈鎢絲，推動(dòng)了粉末冶金的發(fā)展；1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的出現(xiàn)被譽(yù)為機(jī)械加工中的革命；三十年代成功制取多孔含油軸承；繼而粉末冶金鐵基機(jī)械零件的發(fā)展，充分發(fā)揮了粉末冶金少切削甚至無(wú)切削的優(yōu)點(diǎn)；四十年代，出現(xiàn)金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化等材料；六十年代末至七十年代初，粉末高速鋼、粉末高溫合金相繼出現(xiàn)；利用粉末冶金鍛造及熱等靜壓已能制造高強(qiáng)度的零件。工程材料主要利用其力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等）；功能材料主要利用其物理性能（光、電、磁、熱、聲等）。領(lǐng)域：機(jī)械、化工、電器儀表、石油鉆探、國(guó)防等材質(zhì)：Fe基、Cu基、CuW合金、W制品、WCCo合金等用途：摩擦材料、減磨材料、結(jié)構(gòu)材料、工具材料、電工材料等多孔材料：孔隙度20～30％，可以過(guò)濾、減震、隔音、熱交換等減摩材料：多孔可含油，保證高耐磨性時(shí)低的摩擦系數(shù)。摩擦材料：高耐磨性和高的摩擦系數(shù)。工具材料：硬質(zhì)合金、粉末高速鋼、金屬陶瓷等工模具。電磁材料：電器、電子、通訊等元件高溫材料：助推火箭、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等。目前大家在做的事情：（1）金屬粉末高密度、高精度、高強(qiáng)度粉末冶金零件的發(fā)展，導(dǎo)致日本、歐美低合金粉末生產(chǎn)的迅速發(fā)展。按照加入的合金元素，現(xiàn)在有Cr一Mn系與Ni一Mo一Cu系，但它們皆趨向于采用復(fù)合型粉末（是指用氣體式液體霧化法制成的預(yù)合金化粉末。部分?jǐn)U散預(yù)合金化粉末，使一種或幾種組份以涂層狀或很細(xì)的彌散顆粒狀分布于主要組份粉末顆粒之上或之中組成的粉末）。（2）硬質(zhì)合金混料設(shè)備：采用微機(jī)控制的可傾式球磨機(jī)。新的干燥方法有噴霧干燥法及流態(tài)化床干燥法以及兩者結(jié)合的流態(tài)化床噴霧制粒裝置。 成形技術(shù)：，~30mm，長(zhǎng)達(dá)3m的棒針，外徑o。45mm的微型套管。還可生產(chǎn)整體銑刀、鉸刀、麻花鉆、微型鉆、螺旋銑、半月型空心深孔鉆等形狀復(fù)雜的制品，這是模壓法所難以勝任的。 燒結(jié)技術(shù)：過(guò)壓燒結(jié)，也稱低壓熱等靜壓、真空燒結(jié)熱等靜壓或低壓真空燒結(jié)。其實(shí)質(zhì)是脫蠟、預(yù)燒、燒結(jié)、熱等靜壓合為一道工序。這種新的燒結(jié)技術(shù)源于80年代初期，可以說(shuō)是由熱等靜壓技術(shù)演變過(guò)來(lái)的?？梢缘玫娇紫抖葹榱愕漠a(chǎn)品，且能消除鉆池和碳化物晶粒異常長(zhǎng)大，因而更能保證燒結(jié)質(zhì)量。 涂層硬質(zhì)合金：自1969年問(wèn)世后，發(fā)展速度很快，涂層刀片已達(dá)切削刀片總量的60一70%。 機(jī)夾刀片技術(shù)和廢料回收技術(shù)：硬質(zhì)合金工藝技術(shù)方面的重大進(jìn)展，除上述幾方面外，還有機(jī)夾刀片(或可轉(zhuǎn)位刀片)技木和硬質(zhì)合金廢料的回收拉術(shù)。機(jī)夾刀片的發(fā)展給機(jī)械加工業(yè)帶來(lái)巨大效益，因此成為世界各國(guó)硬質(zhì)合金廠的主要產(chǎn)品。最近發(fā)展起來(lái)的電泳回收法，亦可方便地回收WC和CO，克服了產(chǎn)物中的含鋅間題，但還需進(jìn)一步控制粒度。 （3）航空工業(yè)粉末冶金結(jié)構(gòu)材料 60年代以來(lái)，粉末冶金技術(shù)在航空上的應(yīng)用出現(xiàn)了突破性的發(fā)展，一系列新技術(shù)、新工藝和新材料相繼涌現(xiàn)。如超細(xì)超微、高純高合金化粉末制造技術(shù)，快速凝固、機(jī)械合金化、噴射成形（4）非晶態(tài)合金粉末非晶態(tài)合金在結(jié)構(gòu)和成份上的均勻性，使它具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐腐蝕性、耐磨性，高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電藕合系數(shù)，以及良好的催化活性，儲(chǔ)氫特性，釬焊性能和防輻照特性等，由于其性能優(yōu)異、制備工藝簡(jiǎn)單，非晶態(tài)合金的研究和產(chǎn)品開發(fā)已成為80年代材料科學(xué)界的熱點(diǎn)項(xiàng)目之一。制取非晶態(tài)合金粉末的主要方法有:常規(guī)氮?dú)忪F化法，高壓水霧化法，超聲氦氣霧化法。其它方法還有，高速旋轉(zhuǎn)筒法，滾筒急冷法等。（5） 精細(xì)陶瓷研究與開發(fā)只有嚴(yán)格控制精細(xì)陶瓷的形狀與結(jié)構(gòu)，才可以提高陶瓷的性能并開發(fā)新用途。（6） 粉末冶金新工藝的發(fā)展自芡燼高溫合成技術(shù)(SHs)自蔓燃高溫合成技術(shù)是一種能合成，制造和加工處理各種材料的新技術(shù)。SHS技術(shù)是利用化學(xué)能而不是電能，用快速內(nèi)燃，而不是慢速外部加熱的方法，與傳統(tǒng)的材料制造工藝相比，其工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗和原材料消耗低，由于高溫蒸發(fā)低沸點(diǎn)雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高，而高溫梯度和大的冷卻速率，能獲得復(fù)雜相或亞穩(wěn)相，生產(chǎn)效率高，成本低等。 SHS的應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域一般可分為6個(gè)方面，即SHS制粉，SHS燒結(jié)，SHS致密化。SHS焊接，SHS涂層，SHS熔敷。 超細(xì)粉末的制備及其應(yīng)用有人預(yù)測(cè)，2000年新材料發(fā)展的焦點(diǎn): 一是超導(dǎo)材料。二是超細(xì)粉末。超細(xì)粉末的制備方法很廣，分物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法三大類。物理法有:流動(dòng)油面上真空蒸發(fā)法、放電爆炸法、低壓氣中蒸發(fā)法(包括等離子射流法、電子束法、激光束法等)。化學(xué)法有:氣體還原法、氣相反應(yīng)法、金屬碳基物熱分解法。汞齊法、冷凍干燥法等。物理化學(xué)法有代表性的是活化氫熔融金屬反應(yīng)法(其粒度范圍為。.02~)，該法是一種頗有前途的工業(yè)化生產(chǎn)超細(xì)粉末的方法。應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、生產(chǎn)低投入、深度加工高回報(bào)等，導(dǎo)致粉末冶金行業(yè)發(fā)展非常迅速，工廠層出不窮。株洲的知名企業(yè)與著名商標(biāo)，而成為硬質(zhì)合金的代名詞。我國(guó)粉末冶金行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近10年的高速發(fā)展，但與國(guó)外的同行業(yè)仍存在以下幾方面的差距：(1)企業(yè)多，規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益與國(guó)外企業(yè)相差很大。(2)產(chǎn)品交叉，企業(yè)相互壓價(jià)，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。(3)多數(shù)企業(yè)缺乏技術(shù)支持，研發(fā)能力落后，產(chǎn)品檔次低，難以與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)。(4)再投入缺乏與困擾。(5)工藝裝備、配套設(shè)施落后。(6)產(chǎn)品出口少，貿(mào)易渠道不暢。工廠性質(zhì)不同：國(guó)有控股、民營(yíng)企業(yè)、合資企業(yè)等產(chǎn)品性質(zhì)不同：粉末專業(yè)生產(chǎn)廠、粉末冶金制品生產(chǎn)廠等本課程分兩個(gè)部分：車間設(shè)備和車間設(shè)計(jì)本課程學(xué)習(xí)目的：1 了解粉末冶金生產(chǎn)中基本設(shè)備2 了解工廠設(shè)計(jì)的基本概念3 了解生產(chǎn)和質(zhì)量管理的基本過(guò)程與環(huán)節(jié)4 建立安全、環(huán)保、防范的基本意識(shí)結(jié)業(yè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：平時(shí)成績(jī)（含作業(yè)）30分，考試70分。第一部分 粉末冶金車間設(shè)備第一章 制粉設(shè)備教學(xué)內(nèi)容：固體還原、氣體還原制粉原理及設(shè)備；安全用氫；物理制粉設(shè)備。教學(xué)要求：掌握氣體還原制粉原理及設(shè)備；掌握安全使用氫氣；了解物理制取金屬粉末方法及設(shè)備。教學(xué)難點(diǎn)：氫氣的安全使用。教學(xué)安排：4課時(shí)金屬粉末屬于松散狀物質(zhì)，其性能綜合反映了金屬本身的性質(zhì)和單個(gè)顆粒的性狀及顆粒群的特性。一般將金屬粉末的性能分為化學(xué)性能、物理性能和工藝性能?；瘜W(xué)性能是指金屬含量和雜質(zhì)含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，顆粒的形狀、表面形貌和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)。工藝性能是一種綜合性能，包括粉末的流動(dòng)性、松裝密度、振實(shí)密度、壓縮性、成形性和燒結(jié)尺寸變化等。按轉(zhuǎn)變的作用原理分為機(jī)械法和物理化學(xué)法兩類，既可從固、液、氣態(tài)金屬直接細(xì)化獲得，又可從其不同狀態(tài)下的金屬化合物經(jīng)還原、熱解、電解而轉(zhuǎn)變制取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或還原－化合方法制取。粉末冶金制品的原材料—金屬粉末可有多種路徑得到。物理化學(xué)方法：氧化還原（礦山產(chǎn)品）、氣相冷凝、液相沉淀、電解等機(jī)械方法：機(jī)械破碎、霧化等應(yīng)用最廣的是還原法、霧化法、電解法。 固體碳還原制粉設(shè)備主要適用于鐵粉生產(chǎn)生產(chǎn)原理：C + Fe2OFe3OFeO === Fe + CO2本還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度有利反應(yīng)進(jìn)行。參加反應(yīng)的原材料是固體C（煤、焦碳、木炭）和氧化鐵（鐵鱗），生成物是鐵（海綿鐵）和廢氣。對(duì)設(shè)備的基本要求： 加熱 反應(yīng)11001200℃ 保溫 擴(kuò)散型相變需要時(shí)間 冷卻 高溫出爐遇空氣又氧化 排氣 廢氣分壓影響反應(yīng)方向 測(cè)溫 控制反應(yīng)速度與產(chǎn)品質(zhì)量 進(jìn)料 減小勞動(dòng)強(qiáng)度常見設(shè)備： 倒焰爐 圖11 P3 隧道窯 圖12 P4* 生產(chǎn)過(guò)程控制：原料準(zhǔn)備：鐵礦粉（烘干）、還原劑（煤粉或焦炭粉）、脫硫劑（石灰石）裝罐：ф350380隧道窯分為三段：預(yù)熱帶、還原帶、冷卻帶。窯長(zhǎng)260 m預(yù)熱帶（51 m） 水分的蒸發(fā)、水合物分解和碳酸鈣分解還原帶（154 m） 鐵的氧化物被CO還原 C+CO2==2CO FeO+CO==Fe+CO2 CO2+C==2CO…….循環(huán)一切有利碳?xì)饣磻?yīng)的措施，均提高還原速度。如提高溫度、增加配碳量、增加碳粉表面積、加催化劑等。FeO消失后，爐內(nèi)氣氛為滲碳?xì)夥眨＞d鐵開始滲碳 2CO ==C+CO2 3Fe+C== Fe3C 正確控制還原終點(diǎn)，控制碳含量。冷卻帶（55 m） 低于100℃出爐溫度下降、氣氛變?yōu)檠趸再|(zhì)、海綿鐵收縮等，再氧化。預(yù)防海綿鐵再氧化措施：反應(yīng)罐加蓋密封。過(guò)程達(dá)20～40 h，還原溫度1180℃，噴嘴152支，溫度控制點(diǎn)25個(gè)。 氣體還原制粉設(shè)備 前面介紹起還原作用的是CO氣體，但還原劑加入為固體形式。而氣體還原制粉的還原劑卻是另一種還原性氣體——?dú)錃狻? 主要應(yīng)用于W粉、Mo粉、Co粉、Ni粉、Cu粉等的生產(chǎn)。生產(chǎn)原理：H2 + MeO === Me + H2O本還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度有利反應(yīng)進(jìn)行。參加反應(yīng)的原材料是還原性強(qiáng)的氫氣和金屬的氧化物，生成物是還原金屬和氧化性強(qiáng)的水蒸氣。對(duì)設(shè)備的基本要求： 加熱 反應(yīng)950～1000℃ 保溫 擴(kuò)散型相變需要時(shí)間 冷卻 高溫出爐遇空氣又氧化 排氣 廢氣分壓影響反應(yīng)方向 測(cè)溫 控制反應(yīng)速度與產(chǎn)品質(zhì)量 進(jìn)料 減小勞動(dòng)強(qiáng)度生產(chǎn)過(guò)程控制： 原材料處理，生產(chǎn)方法（裝料，還原金屬，溫度控制）。 與前不同是，使用了非常危險(xiǎn)的易爆氣體—?dú)錃?，且產(chǎn)生強(qiáng)氧化性水蒸氣。常見設(shè)備： 管式爐或管式還原爐 圖15 P6 網(wǎng)帶式還原爐 圖16 P7 回轉(zhuǎn)管式還原爐 圖111 P10設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)：爐頭、爐身、爐尾、爐管、爐殼；推舟系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氫氣管道系統(tǒng)、進(jìn)氣排氣設(shè)置、水冷系統(tǒng)等。* 生產(chǎn)舉例：氫氣還原氧化鎢工藝W的氧化物中有四種比較穩(wěn)定形式：黃色WO褐色WO2。實(shí)際反應(yīng)順序：WO3 + === + + === + + === WO2 + WO2 + 2H2 === W + 2H2 WO3 + H2 === W + 3H2O機(jī)理：化學(xué)氣相遷移長(zhǎng)大機(jī)理。在水蒸氣下，WO3生成揮發(fā)性較強(qiáng)的水合氧化物WO2（OH）2，呈氣相，并在H2作用下沉淀在W粉顆粒上，W粒聚集長(zhǎng)大。 從機(jī)理上看，高溫和濕氫有利于氣相遷移。還原過(guò)程分析，它受T 和比值控制1 T ： T ＞775℃ WO2 αW T = 575—585℃ WO2 αW T = 525—550℃ βW αW T 越低 還原時(shí)間越長(zhǎng)2 ：如比值較大，T將