中南大学粉末冶金研究院 硕士研究生入学考试 粉末冶金原理 历年真题大题

2000

四、问答

1、压制一直径为38mm的圆柱体Fe基零件压坯，已知Fe粉的径向弹性后效为0.2%，烧结径向收缩率为0.3%，试计算阴模内径尺寸为多少？ D（1+0.2%）（1-0.3%）=38 D=38.04mm

2、简述烧结机械零件与材料的分类，说明其中各类材料的基体类型及适用场合有哪些？ 烧结机械零件与材料的分类：烧结结构材料、烧结减摩材料、烧结摩擦材料 烧结结构零件:烧结铁基材料:烧结铁,碳钢,合金钢,不锈钢

烧结铜基材料:烧结青铜,黄铜,Cu-Ni合金,弥散强化 烧结铝基材料:烧结铝合金,弥散强化铝 烧结镍基材料:

烧结钛基材料:

烧结减摩零件:多孔轴承:铁基,铜基,铝基,不锈钢基 固体自润滑材料:铁基,铜基,银基,双金属

烧结摩擦零件:铜基摩擦零件:

铁基摩擦零件:

碳-碳复合材料:

陶瓷基复合摩擦材料;

用于干摩擦式离合器和制动器的关键材料.

？？3、欲制造Cu基结构零件、Cu基电工触头和Cu基过滤器三种粉末冶金零件，其原料Cu粉应分别采用哪种制粉方法？为什么？

Cu基结构零件：雾化法（水雾化）；颗粒形状不规则，颗粒间机械啮合，压坯强度也大。 Cu基电工触头：电解法；纯度高，导电性能好。

Cu基过滤器：雾化法（气雾化）；颗粒近球形，粒子尺寸均匀，高输出体积

4、说明粉末注射成形的工艺流程，它对原料粉末有何要求？流程中的关键工序及注意事项是什么？

工艺流程： 粉末（金属或陶瓷） + 粘结剂及添加剂

↓ 预混合 ↓

混炼（混合与制粒） ↓ 原料 ↓ 注射成形 ↓

脱脂（溶剂脱脂或热脱脂） ↓ 烧结 ↓

粉末零件

粉末注射成形常用的粉末颗粒一般在2-8um，一般小于30um，粉末形状多为球形，颗粒外形比最好在1-1.5之间，具有相当宽或窄的粒度分布，填充密度较高。 注射成型是整个工艺流程的关键工序，注射成形时，对可能产生缺陷的控制应从两个方面进行考虑：（1）注射温度、压力、时间等工艺参数的设定；（2）填充是喂料在模腔中的流动控制。

？？5、运用挥发-沉淀长大机理，说明H2还原WO3制取细W粉时应如何控制工艺条件？ （1） 原料：

A 粒度：当采用WO3时，其粒度与还原钨粉粒度间的依赖性不太明显，而主要取决于WO2的粒度。目前，采用蓝钨（蓝色氧化钨）作原料。该原料具有粒度细、表面活性大，W粉一次颗粒细和便于粒度控制的特点。

B 杂质元素：影响透气性或生成难还原化合物。 . K、Na等促使钨粉颗粒粗化； . Ca、Mg、Si等元素无明显影响：

. 少量Mo、P等杂质元素可阻碍W粉颗粒长大 （2）还原方式：二阶段还原

（3）氢气：降低氢的露点，流量不宜过高，顺流通氢。

（4）还原工艺条件：

.还原温度T：降低T，高的温度会提高钨氧化物的水合物在气相中的浓度，颗粒粗化； .推舟速度V：降低V，推舟速度打导致氧气增加，高氧指数的氧化物具有更大的挥发性，

提高浓度，颗粒粗化；

.料层厚度t：降低t，料层厚度过高不利于氢向底层物料的扩散，钨氧化物的含氧量高，

颗粒粗化。 （5）添加剂：少量的添加剂如Cr、V、Ta、Nb等的盐可抑制钨粉颗粒的粗化。

6、由巴尔申、北川公夫和黄培云三种压制方程的理论假设，比较三种压制方程的适用性。 巴尔申方程

基本假设:（1）将粉末体视为弹性体

（2）不考虑粉末的加工硬化

（3）忽略模壁摩擦

适用性：硬质粉末或中等硬度粉末在中压范围内压坯密度的定量描述。 北川公夫方程

基本假设：（1）粉末层内所有各点的单位压力相等

（2）粉末层内各点的压力是外力和粉末内固有的内压力之和

（3）粉末层内各断面上的外压力与该断面上粉末的实际断面积受的压力总和保

持平衡。 （4）各个粉末颗粒仅能承受它固有的屈服极限的能力。

（5）粉末压缩时的各个颗粒位移的几率和它邻接的孔隙大小成比例。 适用性：在压制压力不太大时优越性显著。

黄培云方程

基本假设：视粉末为非线性弹一塑体

适用性：不论对软粉末或硬粉末适用效果都比较好

7、用能量的观点阐述互不相溶系固相烧结的热力学条件

互不溶系的烧结服从不等式：γAB<γA ＋γB，即A-B的比界面能必须小于A、B单独存在的比表面能之和；若γAB>γA ＋γB，虽然在A-A或B-B之间可以烧结，但在A-B之间却不能。

在满足上式的前提下，如果γAB>|γA －γB|，在两组元的颗粒间形成烧结颈的同时，它们可互相靠拢至某一临界值在满足上式的前提下，如果γAB>|γA －γB|，在两组元的颗粒间形成烧结颈的同时，它们可互相靠拢至某一临界值；如果γAB<|γA －γB|，则开始时通过表面扩散，比表面能低的组元覆盖在另一组元的颗粒表面，然后同单元系烧结一样，在类似复合粉末的颗粒间形成烧结颈。

不论是上述中的哪种情况，只有γAB越小，烧结的动力就越大。即使烧结不出现液相，但 两种固相的界面能也能决定烧结过程

？？8、什么是烧结气氛的碳势？能进行碳势控制的烧结气氛有哪些？ 某一含碳量的材料在某种气氛中烧结时既不渗碳也不脱碳，以材料中的碳含量表示气氛的碳势。

可控碳势气氛：CO、CH4、H2+CO混合气体、有机碳氢化合物气体、吸热型气氛、放热型气氛。

2001

四、问答题

？？1、还原铁粉与雾化铁粉在工艺性能上有何差异？它们在制造铁基粉末冶金零部件时有什么特点?

还原铁粉：颗粒形状复杂，粉末成形性能好，便于制造形状复杂或薄壁类零部件；粉末烧结活性好；粉末纯度、压缩性较低。可制造大量价质优价廉的中低密度铁基粉末冶金零部件。 雾化铁粉：包括水雾化铁粉和气雾化铁粉。气体雾化：铁、铜、铝、锡、铅及其合金粉末（如青铜粉末、不锈钢粉末）；水雾化：铁、铜及合金钢粉末；

水雾化铁粉颗粒表面粗糙，易得氧含量较低、压缩性较好的不规则粉末， RZ法可以直接处理废钢。气雾化铁粉颗粒近球形，粒子尺寸均匀，高输出体积，制造过滤器用的不锈钢球形粉末几乎全是采用雾化法生产。

2、试简述RZ工艺制雾化铁粉的设计思路。 工艺设计思路：

① 解决纯铁高熔点所带来的工艺困难：工业纯铁的熔点在1500℃以上，熔炼温度达1650―1700℃，采用低硅高碳（3.2-3.6%）合金，使熔体温度保持在1300-1350℃。而过高的碳则会导致铁液的表面张力增加，难以得到细粉。 ② 高碳铁水可减轻空气与铁反应形成铁氧化物所造成铁水粘度增加的趋势；同时，碳与氧在后续高温还原时具有脱氧作用，为焖火处理创造条件。 ③ 成形性能的改善：

A 利用雾化过程中铁中的碳与氧的反应使颗粒表面形成凹凸而粗粗糙化：

Fe(C)(l)+O2=Fe(l)+CO2

CO2微气泡在逸至铁液滴表面时造成表面凹凸。 B 破碎时颗粒表面形成凹凸；

C 高温还原时使颗粒间产生轻度烧结，即细小颗粒粘结在大颗粒上。 三都有利于降低雾化铁粉的松比，改善粉末的成形性能。

3、怎样正确看待刷粉周期对电解铜粉末粒度的影响？

适度刷粉可提高电流密度，利于粉末细化。而过频也具有与搅拌相似的效果，使阴极附近的铜离子浓度得到及时补充，导致铜离子浓度升高，导致粉末粗化。但长的刷粉周期却使电流密度下降，粉末粗化。

？？4、选择成形方法时需要考虑的基本问题有哪些？ 几何尺寸、形状复杂程度 性能要求（材质体系）：力学、物理性能及几何精度 制造成本（结合批量、效率）：最低

5、液相烧结的三个基本条件是什么？它们对液相烧结致密化的贡献是如何体现的？ 液相烧结的三个基本条件：润湿性、溶解度和液相数量

（1）液相必须润湿固相颗粒：这是液相烧结得以进行的前提（否则产生反烧结现象）。即烧结体系需满足方程γS=γSL+γLCOSθ (θ为润湿角) 液相烧结需满足的润湿条件是θ<90；

当θ=0，液相充分润湿固相颗粒，这是最理想的液相烧结条件； 当θ>90O，固相颗粒将液相推出烧结体，发生反烧结现象。 当0<θ<900，这是普通的液相烧结情况，烧结效果一般。

如果θ>90，烧结开始时液相即使生成，液会很快跑出烧结体外，称为渗出。这样，烧结合金中的低熔组分将大部分损失掉，使烧结致密化过程不能顺利完成。

液相只有具备完全或部分润湿的条件，才能渗入颗粒的微孔和裂隙甚至晶粒间界。 （2）固相在液相中具有有限的溶解度：有限的溶解可改善润湿性；增加液相的数量即体积分数，促进致密化；马栾哥尼效应（溶质浓度的变化导致液体表面张力的不同，产生液相流动）有利于液相迁移；增加了固相物质迁移通道，加速烧结；颗粒表面突出部位的化学位较高产生优先溶解，通过扩散和液相流动在颗粒凹陷处析出，改善固相晶粒的形貌和减小颗粒重排的阻力。但较高的溶解度导致烧结体的变形和为晶粒异常长大提供条件，这是不希望的。 （3）液相数量：在一般情况下，液相数量的增加有利于液相均匀地包覆固相颗粒，为颗粒重排列提供足够的空间和致密化创造条件。同时，也可减小固相颗粒间的接触机会。但过大的液相数量造成烧结体的形状保持性下降。

？？6、为什么弥散强化铜材料具有高的红硬性？

7、在热等静压技术中，选用包套材料应注意哪些技术问题？ 1可塑性和强度 ○

2不破裂和隔绝高压气体渗入 ○

3良好的可加工性和可焊接性 ○

4不与粉末发生反应和造成污染 ○

5HIP后易被除去 ○

6成本低 ○

8、在金属粉末注射成形过程中，为什么必须采用细粉末做原料？通常采用哪两种基本的脱脂方法？

细粉末提高粉末烧结驱动力和脱脂后坯体的强度，便于混练和注射，制造形状复杂、薄壁、小尺寸件；通常采用的脱脂方法：溶剂脱脂、热脱脂。

9、对于一多台阶的粉末冶金零件，设计压膜时应注意哪些问题？

必须保证整个压坯内的密度相同，否则在脱模过程中，密度不同的连接处就会由于应力的重新分布而产生断裂或分层。压坯密度的不均匀也将使烧结后的制品因收缩不一急剧变形而出现开裂或歪扭。为了让横截面不同的压坯密度均匀，必须设计出不同动作的多模冲压膜，并且应使他们的压缩比相等，而且易脱模。

五、分析题

1、为什么说稳压技术是传统模压技术的发展与延伸？

温压技术是粉末与模具被加热到较低温度（一般为150℃）下的刚模压制方法。除粉末与模具需加热以外，与常规模压几乎相同，但它摆脱一些传统模压技术的弱点，加热后粉末塑性 变性得以充分进行，加工硬化速度和程度降低，有效地减小粉末与膜壁间的摩擦和降低粉末颗粒间的内摩擦，便于颗粒间的相互填充，能压制高性能，高强度、高精度的压坯。并且温压与粉末热压完全不同，温压的加热温度远低于热压（高于主要组分的再结晶温度），而且被压制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光洁。是传统模压技术的发展与延伸。

？？2、分析Fe-12Cu，YG10，W-Cu-Ni合金中固相颗粒保持特定形状的原因。

（但学长）上述所得的三种粉末冶金合金，由液相烧结而成，Fe-12Cu，YG10，W-Cu-Ni中低熔点金属或合金（Cu、Co、Cu-N）对更高熔点金属的润湿性好（润湿角趋于00），液相在更高熔点金属不溶解；而相反的，高熔点金属能够在低熔点金属溶解或部分溶解，液相始终存在，而当液相完全润湿固相情况下，晶粒不会长大，而只有当润湿不良的情况下，靠颗粒彼此接触，聚合长大。故上述三种粉末冶金合金中的固相颗粒保持特定形状。

（但学长有解）？？3、分析模压时产生压坯密度分布不均匀的原因？

刚模压制时，由于摩擦力的作用，在压坯高度方向存在压力降低。因此造成压坯的各处密度不均匀。

2002

三、简答题

？？（但学长有解）1、从烧结驱动力的角度说明纳米粉末具有高烧结活性的原因。 （1）烧结热力学

具有巨大的表面能，为烧结过程提供很高的烧结驱动力，使烧结过程加快

4、当保护气体压力为一个大气压时，表面张力为0.25N，求烧结体中尺寸不再发生变化时的空隙变化。

有效烧结应力Ps为Ps =Pv-2γ/r

令Ps=0，即封闭在孔隙中的气氛压力与烧结应力达到平衡，孔隙收缩停止。 联立方程得 D=0.01mm

四、讨论题

1、为什么利用X-射线衍射也可以分析粉末粒径，基本原理是什么？

由于粉末颗粒的尺寸大于光波长，当粉末的悬浮液流被一束单色光（如激光）直射时，相干光的散射角大小将随颗粒直径成反比变化，而散射光的强度则与颗粒直径的方根值有关。因此，用微机采集和分析散射光的强度-角度扫描数据就可以提供粉末粒度组成的信息。该法具有方便、迅速、结果重现性好的特点，适合测量1-200μm范围的粒度及粒度组成。

？？2、讨论金属氧化物还原制备金属粉末的热力学条件因素，并以Fe2O3、Fe3O4、FeO，Fe的还原过程进行说明，并作图。如何控制粉末的粒度和纯度？ 热力学条件：金属氧化物的离解压(PO2)XO大于还原剂的氧化产物的离解压(PO2)MeO。换句话说，在还原温度下，氧与还原剂X的亲和力大于氧与金属元素的亲和力。

铁的氧化物被碳分步还原， 遵循下述反应， C+CO2=2CO FeOx+CO→FeOy+CO2

其中X>Y，X=1.5,4/3,1；Y=4/3,1,0。当X=0，则铁被还原。

A.固体碳不是直接的还原剂，CO才是直接还原剂。虽然固体碳也能还原铁的氧化物，但反应界面很小，碳的固相扩散速度与碳以CO形式的气相迁移相比几乎

可以忽略，在整个还原过程中处于次要地位。

B.若将Fe-O,C-O两相图的重叠，当温度T>570℃，Y值在4/3→1→0范围内依次变化即由Fe2O3→Fe3O4→浮斯体（FeO. Fe3O4固溶体）→Fe（金属铁）；当T<570℃，则Y值在4/3→0之间依次变化（此时氧化亚铁不能稳定存在）。Fe3O4被CO开始还原成FeO的温度为650℃，使FeO还原成金属Fe的开始温度为685℃。

T＞T2温度，为C的气化反应所形成 CO%高于平衡下所需CO％，Fe稳定存在。 IF C的气化反应产生CO% 高于Fe2O3存在状态所需要的CO％，but，不足于将FeO还原成Fe的气相中的CO％，因此T1～T2之间，FeO稳定存在。 在T1温度之下，只有Fe3O4稳定存在。

只要还原温度高于650℃，就有利于还原反应正向进行，有利于还原过程。 在900～1000℃，CO稳定存在，因此升高温度有利于还原过程。

一定范围内提高还原温度，尽可能缩短还原时间、正确判断还原终点可控制粉末的粒度和纯度。

？？3、为什么要采用热等静压，使用热等静压的基本条件是什么？

因为热等静压几乎能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度达0.9999；在压力作用下，加热温度低于通常的烧结温度；无成份偏析；核废料HIP处理，避免环保问题和对操作人员的损害；铸件等的后处理，消除孔洞或裂纹等；热等静压适合用于生产全致密、高性能、难烧

结粉末冶金制品。

？？4、讨论固相烧结后期，孔隙为什么会球化，小空隙为什么会消失？ 烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的迁移。粉末颗粒的原始边界随着烧结过程的进行一般发展成晶界。而烧结坯中的大量孔隙大都与晶界相连接。孔隙对晶界迁移施加的阻力随其中孔隙尺寸的减小和孔隙的数量的下降而降低。当孔隙度固定时，孔隙数量愈大，这种阻碍作用也愈强。相应地，晶粒长大趋势亦小。对于相同材质的金属或合金粉末在相同烧结条件下，粒度粗的粉末易得到较粗大的晶粒。而粒度较细的粉末则易获得较细小的晶粒结构。因为在细粉的情形下，孔隙数量大，对晶界的阻碍作用较强。但烧结温度过高或烧结时间过长，则又为聚集再结晶提供高的能量条件。

当烧结坯中的孔隙尺寸和总孔隙度下降到一定程度后，孔隙的阻碍作用迅速减弱，导致晶界与孔隙发生分离现象。这时，晶内孔隙形成。

2010

四、问答题

1、根据还原法制备钨粉时的粒度粗化机理，简述获得细粒度钨粉在选择还原工艺参数方面的努力。（第3次） (1)原料：

A 粒度：当采用WO3时，其粒度与还原钨粉粒度间的依赖性不太明显，而主要取决于WO2的粒度。目前，采用蓝钨（蓝色氧化钨）作原料。该原料具有粒度细、表面活性大，W粉一次颗粒细和便于粒度控制的特点。

B 杂质元素：影响透气性或生成难还原化合物。 . K、Na等促使钨粉颗粒粗化；

. Ca、Mg、Si等元素无明显影响：

. 少量Mo、P等杂质元素可阻碍W粉颗粒长大

（2）还原方式：二阶段还原

（3）氢气：降低氢的露点，流量不宜过高，顺流通氢。 （4）还原工艺条件：

.还原温度T：降低T，高的温度会提高钨氧化物的水合物在气相中的浓度，颗粒粗化； .推舟速度V：降低V，推舟速度打导致氧气增加，高氧指数的氧化物具有更大的挥发性，提高浓度，颗粒粗化；

.料层厚度t：降低t，料层厚度过高不利于氢向底层物料的扩散，钨氧化物的含氧量高，颗粒粗化。

（5）添加剂：少量的添加剂如Cr、V、Ta、Nb等的盐可抑制钨粉颗粒的粗化。

2、活化烧结与强化烧结有何异同？（同2004年第7题） 活化烧结与强化烧结的比较

活化烧结：系指能降低烧结活化能，使体系的烧结在较低的温度下以较快的速度进行、烧结体性能得以提高的烧结方法。（采用化学或物理的措施，使烧结温度降低、烧结过程加快，或使烧结体的密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结）

强化烧结是泛指能够增加烧结速率，或能够强化烧结体性能（合金化或抑制晶粒长大）的所有烧结过程，包括位错激活烧结，高温烧结，活化烧结，液相烧结，自蔓燃反应烧结

3、粉末注射成形采用微细粉末作原料具有哪些技术上的优越性？（第6次）

细粉末提高粉末烧结驱动力和脱脂后坯体的强度，便于混练和注射，制造形状复杂、薄壁、小尺寸件。

？？4、巴尔申提出的三个基本假设在建立压制方程中有何意义？

（1）他将粉末体当作理想弹性体看待，这是为了运用虎克定律于压制过程，实际上，粉末体在压制过程中并不适用虎克定律。

（2）假定粉末变形时无加工硬化，这样虎克定律也可用于塑性变形。巴尔申认为，在塑性变形时，没有加工硬化的条件下，接触区的应力可以理解为金属粉末颗粒接触区的应力也应不变。

（3）忽略膜壁摩擦，简化受力分析，运用虎克定律。

？？5、简述经固相烧结的粉末烧结钢的晶粒较同成份的铸钢细小的原因。（第4次） 粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小，在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象，但与普通材料相比较，烧结材料的这种长大现象几乎可以忽略，原因有二：1、孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍；2、烧结温度低于铸造温度。

？？6、烧结过程中表面迁移方式有哪几种形式？根据双球模型，简述其物质的具体迁移方式（也可图示说明）。（第2次）

表面迁移包括表面扩散和蒸发-凝聚。

？？7、为什么在模压坯件中出现密度分布不均匀？产生压坯密度分布有什么主要危害？（第一问出现三次）

刚模压制时，由于摩擦力的作用，在压坯高度方向存在压力降低。因此造成压坯的各处密度不均匀。

压坯密度分布不均匀的后果：

.不能正常实现成形，如出现分层，断裂，掉边角等； .烧结收缩不均匀，导致变形； .限制拱压产品的形状和高度。、

8、粉末原料在哪些情况下需作制粒处理？为什么？

.细小颗粒的粉末或硬质粉末(为便于成形需添加成形剂\\改善流动性添加粘结剂） .进行自动压制或压制形状较复杂的大型P/M制品

五、分析、计算题

1、一个以A、B两种粉末为原料构成成分为80%A-20%B的混合粉，然后再上述混合粉中添加一定量的成形剂。金属粉末组元为99%，成形剂为1%。该粉末混合物在一定压制压力下成形，压坯密度为8.0g/cm3。请计算该粉末压坯中孔隙度。若在一定温度下脱除其中的成形剂，预烧后坯件中的孔隙度是多少？

注1）金属A、B与成形剂的理论密度分别为16.0、8.0与1.0g/cm3； 2）均为质量百分数；3）不考虑脱除成形剂时有可能出现的尺寸变化； 4）计算过程中密度值保留到小数点后两位。

手写

2、以W-Ni-Fe重合金为例，分析液相烧结的三个基本条件在合金烧结致密化过程中的作用。（第6次，不过要联系实际）

液相烧结的三个基本条件：润湿性、溶解度和液相数量

（1）液相必须润湿固相颗粒：这是液相烧结得以进行的前提（否则产生反烧结现象）。即烧结体系需满足方程γS=γSL+γLCOSθ (θ为润湿角)

液相烧结需满足的润湿条件是θ<90；

当θ=0，液相充分润湿固相颗粒，这是最理想的液相烧结条件； 当θ>90O，固相颗粒将液相推出烧结体，发生反烧结现象。

当0<θ<90，这是普通的液相烧结情况，烧结效果一般。

如果θ>90，烧结开始时液相即使生成，液会很快跑出烧结体外，称为渗出。这样，烧结合金中的低熔组分将大部分损失掉，使烧结致密化过程不能顺利完成。

液相只有具备完全或部分润湿的条件，才能渗入颗粒的微孔和裂隙甚至晶粒间界。

（2）固相在液相中具有有限的溶解度：有限的溶解可改善润湿性；增加液相的数量即体积分数，促进致密化；马栾哥尼效应（溶质浓度的变化导致液体表面张力的不同，产生液相流动）有利于液相迁移；增加了固相物质迁移通道，加速烧结；颗粒表面突出部位的化学位较高产生优先溶解，通过扩散和液相流动在颗粒凹陷处析出，改善固相晶粒的形貌和减小颗粒重排的阻力。但较高的溶解度导致烧结体的变形和为晶粒异常长大提供条件，这是不希望的。 （3）液相数量：在一般情况下，液相数量的增加有利于液相均匀地包覆固相颗粒，为颗粒重排列提供足够的空间和致密化创造条件。同时，也可减小固相颗粒间的接触机会。但过大的液相数量造成烧结体的形状保持性下降。

3、有两种铁基粉末A与B，两者成分均为Fe-0.5C，且硬脂酸锌添加量相同，但A、B粉末中的铁粉分别为还原铁粉和雾化铁粉。两种粉末在500MPa下于Φ15的模具中采用相同压制方式分别成形。请你判断：脱模后，两种粉末对应的压坯密度和压坯强度有无差异？为什么？ 有差异。

还原铁粉：颗粒形状复杂，粉末成形性能好，粉末纯度、压缩性较低。 雾化铁粉：包括水雾化铁粉和气雾化铁粉

水雾化铁粉颗粒表面粗糙，易得氧含量较低、压缩性较好的不规则粉末； 气雾化铁粉颗粒近球形；

故压坯密度：还原铁粉>水雾化铁粉>气雾化铁粉 压坯强度：还原铁粉<水雾化铁粉<气雾化铁粉

0

2)-80目还原Fe粉，-80目水雾化铁粉，-80目水雾化铁粉+0.5%石墨粉末，成形压力500MPa -80目还原Fe粉>-80目水雾化铁粉>-80目水雾化铁粉+0.5%石墨粉末

因为-80目的还原铁粉为多孔海绵状，而水雾化铁粉形状不规则，因此还原铁粉的压坯强度更高。而针对雾化铁粉中加0.5%的石墨润滑剂会降低压坯强度。

3)-200目钼粉，-200目铜粉，-200目还原铁粉，成形压力为300MPa

-200目钼粉>-200目铜粉>-200目还原铁粉

根据一般松装密度高，粉末压缩性好，压坯强度大，而钼粉、铜粉、铁粉的尺寸大小一致，但密度大小为钼粉>铜粉>铁粉,故压坯强度钼粉>铜粉>铁粉

2、有一汽车制造商的质检部配合开发部拟用铁基粉末冶金零件取代原机加工45#钢件，对粉末冶金零件供应商按同材质提供的样件进行金相检验。质检人员发现粉末冶金件中的铁晶粒与45#钢机件之间有无差异？为什么？（第3次）

有差异；粉末冶金件中的铁晶粒比45#钢件更细小

原因：粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小，在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象，但与普通材料相比较，烧结材料的这种长大现象几乎可以忽略，原因有二：1、孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍；2、烧结温度低于铸造温度。

2008

三、分析讨论

1、分析粉末粒度、粉末形貌与松装密度之间的关系。（与2006年第6题类似）

松装密度取决于粉末的制备方法[粉末颗粒的形状（导致机械啮合和产生拱桥效应的机会）、颗粒的密度（自然填充的动力，固体的理论密度和内孔隙存在与否）及表面状态（粗糙程度，决定了颗粒之间的摩擦力）、粉末的粒度及其组成（→ 拱桥效应←粉末颗粒间的摩擦力+颗粒重力）]及粉末的干湿程度（液膜导致颗粒间粘附力）。

a、粒度：粒度小，流动性差，松装密度小 b、颗粒形状：形状复杂松装密度小 粉末形状影响松装密度，从大到小排列：

球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形

c、表面粗糙，摩擦阻力大，松装密度小

d、粒度分布：细分比率增加，松装密度减小; 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉

？？2、分析烧结时形成连接通孔隙和闭孔隙的条件。

书P268：原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的空隙网络；当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙被完全分隔，闭孔隙大为增加。

孔隙变化：烧结过程中，孔隙随时都在变化，由孔隙网络逐渐形成隔离的闭孔，孔隙球化收缩，少数闭孔长大。

连通孔隙的不断消失与隔离闭孔的收缩是贯穿烧结全过程中组织变化的特征。 孔隙的消失主要靠体积扩散和塑性流动，表面扩散和蒸发凝聚也起一定的作用；

闭孔生成后，表面扩散和蒸发凝聚只对孔隙球化有作用，但不影响收缩，塑性流动和体积扩散才对孔隙收缩起作用。

3、分析为什么要采用蓝钨作为还原制备钨粉的原料。

该原料具有粒度细、表面活性大，W粉一次颗粒细和便于粒度控制的特点。

四、分析计算

1、机械研磨制备铁粉时，将初始粒度为200微米的粉末研磨至100微米需要5个小时，问

aa

进一步将粉末粒度减少至50微米，需要多少小时？提示W=g（Df-Di），a=-2 根据已知条件

W1= g （Df -Di） =9.8 （ 100-200） , 初始研磨所做的功 W2 =g （Df -Di） =9.8 （ 50-100），进一步研磨所做的功 W1/W2=t1/t2, t2=t1(W2/ W1)= 20 小时

2、经氢气还原氧化钨方法制备还原钨粉：

a

a

-2

-2

a

a

-2

-2

WO2+2H2=W+2H2O

平衡常数：LgKp=-3225/T+1.65，Kp=PH2O/PH2

计算还原温度分别为700oC、800oC、900oC时平衡常数，并说明平衡常数变化趋势和温度对还原的影响。

根据公式 LgKp=-3225/T+1.65

T= 973LgKp=--3225/973+1.65=-1.66, Kp=PH 2 O/PH 2 =0.022

T =1073 LgKp=--3225/1073+1.65=--1.36, Kp=PH 2 O/PH 2 =0.044 T =1173 LgKp=--3225/1173+1.65=-1.11,Kp=PH 2 O/PH 2 =0.078

计算表明 , 温度越高 , 平衡常数值越大 ( 正 ), 说明随还原温度提高，气氛中的 H2O 比例可越大 , 氢气中水蒸气含量提高 , 提高温度有利于还原进行。 温度升高，平衡常数增加，说明升高温度，有利于上述反应的进行。

3、相同外径球形镍粉末沉淀分析，沉降桶高度100mm。设一种为直径100微米实心颗粒，一种为有内径为60mm的空心颗粒，分别求他们在水中的沉降时间。 ρ（Ni）=8.9g/cm3，介质粘度η=8.9×103kg/m3 解：v=h/t=gd2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η ) h/t=gd2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η )

t=h/gd2 ( ρ 1 - ρ 2 )/(18 η )

求得 t1 （实心） =31 秒， t2=23 秒

？？4、一压坯高度是直径的三倍，压力自上而下单向压制，在压坯三分之二高度处压力只有压坯顶部压力的四分之三，求压制压力为 500Mpa 时，压坯三分之一高度和压坯底部的压制压力？（ 10 分） 解：

根据已知条件，在 h=2/3H 时， P2=3/4P1 ，计算得 EXP （ -Q1 ） =3/4 h=1/3H 时， P3=P1EXP （ -Q2 ） =281 。 25Mpa 在压坯底部压制压力 P=210 。 94MPa

五、问答

1、试推导烧结颈处烧结驱动力

烧结初期：

根据Young-Laplace 方程，作用在颈部弯曲面上的应力σ为 σ=-γ(1/x-1/ρ)

≌-γ/ρ （x>>ρ）

作用在颈部的张应力指向颈外，导致烧结颈长大，孔隙体积收缩。与此同时，∣ρ∣的数值增大，烧结驱动力逐步减小。

.中期：

孔隙网络形成，烧结颈长大。有效烧结应力Ps为 Ps =Pv-γ/ρ .后期：

孔隙网络坍塌，形成孤立孔隙→封闭的孔隙中的气氛压力随孔隙半径R收缩而增大。由气态方程Pv.Vp=nRT

气氛压力Pv=6nRT/(πD3)

若气氛初始压力为Po，孔隙尺寸为Do，收缩至D时所对应的气氛压力Pv为 Pv=(Do/D)3.Po

此时，烧结驱动力σ=-4γ/D

令Ps=0，即封闭在孔隙中的气氛压力与烧结应力达到平衡，孔隙收缩停止。

2、什么是假合金，怎样才能获得假合金？

两种或两种以上金属元素因不经形成固溶体或化合物构成合金体系通称为假合金，是一种混合物；

假合金形成的条件是形成混合物之后两种物质之间的界面能，小于他们单独存在时的表面能之和，即 γ AB < γ A+ γ B

？？3、致密材料或高密度低孔隙材料的应力集中因子、断裂强度与裂纹尺寸之间是何种关系？

2009

三、分析题

？？1、作图并推导巴尔申压制方程。

圆柱压坯 高度H 截面积A，实际粉末实际的接触面积为AH ； 当P压力时，对应高度H,再加dP压力时高度为H-dh 完成压制时，H= H0， P=P0

根据古典力学，弹性压缩服从虎克定律：

??PdP,d????KdhAA dh并非应变，而是绝对变形量，应用于粉末压制

d??dPAH AH为粉末颗粒部分，排除孔隙部分

??K?d???Kdh 应变：???LL0 k，k‘都与L0或H0相关

当压力p 增大，AH增大，颗粒接触面积增大。

d??-k?k?dhh0K???K?k?dh或d??-k??相当的有h0hkh（面积hkdhhk-体积-高度关系） ??d???:相对体积 P??k?CAH相当于材料屈服强度极限?k 没有加工硬化—材料硬度不变

?k 屈服强度为恒定(假设)

PAH??k代入?k??dP??k??d?Pk?? dPP??ld?l?k L为压制模数

假设条件：无加工硬化，弹性体，无摩擦

Pmax?PdP???Ld(??1)PV压?Vm时，??1?1 ??1时，P?PmaxlnPmax?lnP?L(??1)巴尔申方程积分式

??2、作图并建立烧结时原子体积扩散迁移机构的动力学方程。 烧结动力学方程

烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散，球内部原子向颈部迁移的结果。颈长大的连续方程

dv/dt=Jv.A.Ω

Jv=单位时间内通过颈的单位面积空位个数，即空位流速率。 A=扩散断面积 Ω=一个空位的体积 由Fick第一定律

Jv=Dvˊ.▽Cv= Dvˊ.△Cv/ρ Dv‘=空位扩散系数（个数）

若用体积表示原子扩散系数，即Dv=Dv‘Cvo=Dvo.exp(-Q/RT) dv/dt=A Dv.Ω.△Cv/ρ

其中A=(2πX).(2ρ)；V=πX2.2ρ；ρ=X2/2a →x/a=20DvγΩ/KT.t

Kingery-Berge方程：ρ=X2/4a x5/a2=80DvγΩ/KT.t

三、计算题

？？1、氢气还原金属氧化物制备金属粉末（WO2还原），已知平衡常数， LgKp=-3225/T+1.65，分别计算700oC、850oC气氛中水的含量 T= 973LgKp=-3225/973+1.65=-1.66, Kp=PH 2 O/PH 2 =0.022 T =1573 LgKp=-3225/1573+1.65=-0.4, Kp=PH 2 O/PH 2 =0.398

？？2、已知粉末材料弹性模量等于0.2GPa，裂纹尺寸等于2微米，求粉末粒径为10微米时的弹性模量与破碎应力。

3、单向压制，压坯1/2处高度压力和压坯底部单位压力的计算，压坯高度40mm，直径40mm，单位压力2000MPa。μ*ζ=0.25

当考虑消耗在弹性变形上的压力时 P1=Pe故压坯1/2处高度的压力 P1=3297MPa

压坯底部单位压力 P2= 2000/e=735.76MPa

-8Hμ*ζ/D

5

2

‘

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