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1、第6章 粉末冶金,本章主要内容：粉体的成形原理，粉末冶金的成形工艺，本章重点：粉末冶金。,粉末冶金,粉末冶金是制取金属粉末及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成材料和制品的工艺技术。,粉末冶金的特点,生产普通熔炼法不能或很难生产的特殊材料及制品制品尺寸精度高生产过程材料不熔化适合大批量生产成本较高，零件尺寸不大，韧性不足，形状简单,第6章 粉末冶金,特点：材料制备与成形一体化。,粉末冶金与陶瓷的制备工艺过程,金属类：粉末冶金材料（powder metallurgy）非金属类：陶瓷材料（ceramics）,粉末烧结材料：,注浆成形（slip casting proc
2、ess）：,由粉末制成坯体：,压制成形（press forming）：,粉体不含液体或少量液体（67%），加压成形；,可塑成形（plastic forming）：,粉体加入适量液体（2030%），通过塑性变形成形；,粉体加入较多水分（2835%）和少量分散剂。,凝胶铸模成形（Gel casting process）：,一、粉料的基本物理性能,粒度（particle size）和粒度分布（particle size distribution）粒度：粉料的颗粒大小，r或d表示。球状颗粒：粒径；非球状：等效半径 粒度分布：多分散体系中，大小不等的颗粒所占的百分比。,6-1 粉体成形原理,2.颗粒的形
3、态与拱桥效应,粉料堆积的拱桥效应,柱状、针状、片状、球状、多面体状等。拱桥效应：粉料堆积空隙率理论值,颗粒形状,（1）粉体颗粒的表面能（surface energy）与表面状态 表面能：粉体颗粒表面的“过剩能量”。100nm以下 纳米材料（2）粉体颗粒的吸附与凝聚（coagulation）附着：一个颗粒依附于其他物体表面的现象。异种固体 凝聚：颗粒间在各种引力下的团聚。同种固体,3.粉体的表面特性,4.粉料的堆积（填充）特性（packing property）,一定粒度分布空隙自由堆积密度,圆锥体，自然安息角（偏角）=2040,5.粉料的流动性（flowing property）,二、压制成形
4、原理,压制成形过程中坯体的变化（1）密度的变化：P,P,P,（2）强度的变化：P,P,P,粉料在模具中受压形成坯体。,陶瓷粉末成型压力远低于金属粉末，但压坯密度也低。,（3）坯体中压力的分布：距离加压面越远，受到压力越小；H/D越大，压力分布越不均匀。,（1）成形压力=净压力（颗粒位移、颗粒变形）+消耗压力（颗粒对模壁摩擦）（2）加压方式 长径比较大的零件（1）必须双向加压，或改用其他方法成形（陶瓷材料）。（3）加压速度：粉末冶金材料：冲击成形比静压成形效率高；陶瓷材料：一轻、二重、慢提起。（4）添加剂的选用：含极性官能团的有机物 粉末冶金材料：润滑剂，降低摩擦，提高密度 硬脂酸盐，0.51%
5、(wt)。陶瓷材料：塑化剂，提高塑性 聚乙烯醇等（1%），水（35%）,2.影响坯体密度（density）的因素,a)单向压制 b)双向压制加压方式对坯体密度的分布图,良好的流动性，高的堆积密度压坯密度高；粉末越细，流动性越差，越易形成拱桥效应；球形粉末流动性较好；适当的粒度配比压坯密度高；粉末中气体要少。,3.对压制用粉料的工艺性能要求,三、可塑泥团的成形原理,利用外力对具有可塑性的坯料进行加工，使其变形并保持其形状而制成生坯的成形方法。,1.可塑泥团的流变特性（rheological behavior）,弹-塑性系统,y：流动极限、屈服值,n：假塑性变形,加压方式：多次加压，以长期维持塑性
6、状态。,p：最大变形量,2.影响泥团可塑性的因素,（1）固相颗粒大小和形状 颗粒粗 可塑性；颗粒细 可塑性；板片状、短柱状颗粒可塑性球状、立方体（2）液相的数量和质量,最佳（可塑）水分：可塑性最大时的含水量。,（3）塑化剂的种类和数量 陶瓷材料：塑化剂（如聚乙烯醇等）（4）粘土种类等（蒙脱石高岭石.）,3.对可塑坯料的工艺性要求,可塑性好；含水量适当；干燥强度高；收缩率小；颗粒细度适当；空气含量低等。,四、泥浆、粉料的成形原理,泥浆（粉浆）注入多孔模型贴紧模壁泥层多余泥浆倒出泥层脱水收缩毛坯,1.泥浆的流变特性,流动曲线：剪切应力剪切速度曲线触变（thixotropy）：泥浆搅动时获得流动性，
7、静置后重新稠化的现象。触变滞后环：曲线上，相同的剪切应力，对应不同的剪切速度，而出现的环状曲线。,影响泥浆流变性的因素：1）泥浆的浓度：浓度 流动性差2）固相的颗粒大小 颗粒细 流动性差 颗粒粗 稳定性差 球状颗粒 流动性好3）电解质的作用 触变滞后环4）泥浆的pH值等。,2.注浆成形对泥浆工艺性要求 流动性好；稳定性好；有适当的触变性；含水量少；滤过性好；坯体强度高；脱模容易；不含气泡等。,控制泥浆性能：泥浆相对密度、粘度、稠化度、水分等指标。泥浆成形性能：吸浆速度、脱模情况、坯体含水量及坚固程度等衡量。,6-2 粉体制备技术,粉体：大量固体粒子的集合系。具有流动性和变形。制备方法（fabr
8、ication method）：粉碎法：机械粉碎，气流粉碎；杂质多，1m以上；合成法：固相法、液相法和气相法。纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒微细。,一、粉碎与机械合金化方法,特点：设备定型，产量大，易操作，应用广泛。,粉碎（porphyrization）：粗碎4-5cm 中碎3-5mm细碎,粗碎：鄂式破碎机、圆锥破碎机、锤式破碎机；中碎：双辊破碎机、轮碾机；细碎：球磨机、雷蒙机、振动磨；超细碎：气流磨、搅拌磨等。,机械合金化（mechanical alloying）：行星式球磨机 金属粉末颗粒变形、焊合层片状组织（冷焊）加工硬化断裂冷焊、断裂交替颗粒变小，扩散介稳相、组织,助磨剂：表面活性物质
9、。如醇类、胺类、油酸及有机酸的无机盐类等。通过湿润、吸附颗粒表面能降低助磨剂进入粒子微裂缝中产生劈裂作用,二、合成法,1.原料合成的目的和作用,2.合成方法（synthetic method）（1）金属粉末的合成方法 从固态：电化学腐蚀法，还原法；从气态：蒸汽冷凝法，热分解法，气相还原法；从液态：雾化法，水溶液电解法，溶液氢还原法,1）还原法（reduction method）：WO3+H2 WO2+H2O WO2+2H2 W+2H2O,2）雾化法（atomization method）：气体雾化：锡、铅、铝、铜、铁、不锈钢、合金钢等；水雾化：铜、铁、黄铜、青铜、合金钢等；旋转电极雾化：无氧铜
10、、难熔金属、铝合金、钛合金、不锈钢、超合金等。,3）电解法（eletrolysis method）水溶液电解：铜、镍、铁、银、铬及合金粉末。纯度高，树枝状，压制性好，但成本高；熔盐电解：稀有金属，如钽、铌、钛、锆、钍、铀等。,（2）化合物粉末的合成方法 1）固相法（solid reaction process）,化合反应法：A(s)+B(s)C(s)+D(g)钛酸钡：BaCO3+TiO2 BaTiO3+CO2 碳化钨：W+C WC,氧化物还原法：SiC、Si3N4 SiO2+C SiO+CO,SiO+2C SiC+CO,SiO+C Si+CO,Si+C SiC,热分解反应法：特种陶瓷氧化物粉末
11、 Al2(NH4)2(SO4)4 24H2O Al2(SO4)3(NH4)2SO4H2O+23H2O Al2(SO4)3(NH4)2SO4 H2O Al2(SO4)3+2NH3+SO3+2H2O Al2(SO4)3-Al2O3+3SO3-Al2O3-Al2O3,200,500-600,800-900,1300,2）液相法 溶液法：高纯度粉料 金属盐溶液 盐或氢氧化物 化物粉末 生成沉淀法（precipitation method）直接沉淀法：BaTiO3微粉 均匀沉淀法：不外加沉淀剂 共沉淀法：溶剂蒸发法（solvent vaporization）冰冻干燥法 喷雾干燥法 喷雾热分解法,沉淀剂,
12、溶液蒸发,热分解,3）气相法制备粉末 蒸发-凝聚法（PVD）：氧化物、碳化物、金属微粉（501000）气相化学反应法（CVD）：氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。单一化合物热分解 两种以上化学物质之间反应,6-3 粉末冶金的成形工艺,钢模压制成形：广泛用于中、小零件大量生产；粉浆浇注成形楔形压制成形,一、压制成形,物料准备（1）粉末分级 粉末粒度和粒度组成 用筛分级或气体（液体）分级器,（2）配料混合 球磨机或混料器（V形、叶片式、圆锥形、酒桶式等）（3）混合料湿磨 湿磨机，振动球磨机（4）其他 粉末退火、补充还原、球化、制粒等。,2.压制工艺（1）称料：质量法；容量法 Q=VK 硬质合金：K
13、=1.01-1.02;铁基制品：K=1.05（2）装料 敲击、振动模套或改善粉末流动性保证粉末分布均匀（3）压制：液压机或机械压力机 F=pS 控制单位压制压力：压坯密度控制准确；控制模冲运动的行程：压坯高度控制准确，应用广。（4）脱模：向上顶出或向下推出（5）检验：尺寸过大过小，掉边掉角，密度过大过小，分层开裂等。,二、粉浆浇注成形,粉末悬浮状（糨糊）状石膏模注浆成形冷冻成形、离心铸造、涂抹成形等。粉浆制备：改善流动性 与粉末亲和的分散剂：有机物、胶溶剂、磷酸盐等；HCl或NaOH：调整pH值2.模具材料：石膏+涂肥皂/滑石粉/云母粉/石墨粉等浇注方法：手工浇注，压缩空气浇注（1）制造难熔金
14、属、各种硬质化合物的坩埚；（2）生产各种制品和型材。,特别适于复杂形状零件的制造。但不易控制。,三、楔形压制（循环压制）,适用于小压力机生产大型制品，如大型型材、厚壁圆环制品等。,四 烧结 烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状态的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形成了烧结。固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧
15、结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。,烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”的废品；如烧结温度过低或时间过短，则产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓“欠烧”的废品。,表5-1 常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛,五 后处理,后处理的方法按其目的不同，有以下几种：1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复
16、压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电镀等。3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。,粉末冶金材料或制品的工艺流程,粉末冶金的新发展,粉末制备1.快速冷凝技术2.机械合金化 3.自蔓延高温合成 SHS4.气体雾化制粉成形1.粉末注射成形2.喷射沉积3.大气压力固结 4.温压技术5.流动温压工艺烧结1.电场活化烧结2.等离子体活化烧结3.微波烧结4.低温烧结,思考题：何谓粉末冶金？粉末冶金的主要工序有哪些？金属粉末的制备方法分为哪几类？简述各类方法的基本原理3.何谓粉末的成形性与压缩性？如何表征？,
