粉末冶金

粉末冶金

粉末冶金定义:生产金属粉末和用金属粉末（也包括非金属粉末）作为原料经过成型和烧结生产金属材料、复合材料和各种类型制品的冶金工程与材料科学和机械零件制造技术。 超硬材料:立方氮化硼金刚石工具金属粉末中金属或合金组元不能低于98%～99%。 粉末冶金生产工艺由三大步骤组成：（1）粉末生产（2）粉末成型（3）成形坯烧结 一、粉末生产：单颗粒：粉末中能将其分开并可独立存在的最小实体称为单颗粒。 单颗粒如果以某种方式聚集就构成所谓的二次颗粒，二次颗粒又称为聚合体或凝集颗粒.其中的原始颗粒就称为一次颗粒。粒度仅指单颗粒而言，粒度组成则针对整个粉末体 粉末生产中，一般由金属气态或熔融液态转变成粉末时，粉末颗粒形状趋于球形；由固态转变为粉末时，粉末颗粒形状趋于不规则形。水溶液电解法制备的粉末多数呈树枝状， 粉末颗粒形状对其工艺性能的影响：①表面光滑的球形粉末，流动性好，松装密度高，在相同压制条件下，压坯密度高。多角形和树枝状粉末则较差。 ②形状复杂的粉末流动性比球形粉末差，但粉末之间机械啮合力增高，所以在相同压力下，树枝状粉末压坯强度高，片状和球形粉则较差。 ③一般能提高压坯强度的粉末，压坯脱模后弹性后效减小。在烧结时，粉末颗粒形状复杂，表面粗糙，压坯中粉末颗粒接触紧密的，能够促进烧结。反之，颗粒形状简单，表面光滑，颗粒之间接触不良的粉末压坯，如球形和片状粉末，烧结性较差。 用筛分析法不能精确测定粉末颗粒大小，只能测定粉末粒度的范围。如-200目/+325目粉，表示通过200目筛筛下的粉末，但不能通过325目筛的筛上粉末。（“+”表示筛上粉末，“-”表示筛下粉末）“目数”就是在一英寸(1in=25.4mm)长度筛网上分布的筛孔数,325目就是指1英寸长度上有325个孔

金属粉末的工艺性能主要包括松装密度，振实密度，流动性，压缩性和成形性。

松装密度：是指粉末自然的充满规定的容器时单位容积的粉末质量。松装密度也称松装比重，以g/cm3表示。松装密度的倒数称松装比容，单位是cm3/g。

振实密度：指将松散粉末装入震动容器中，在规定条件下经过振实后所测得的粉末密度。一般振实密度比松装密度高20%～50%。

流动性：是指50克粉末从标准流速计漏斗自然流出所需的时间，单位s/50g。其倒数为单位时间内流出粉末的质量，称为流速。 一般，等轴状（对称性好）粉末、粗颗粒粉末的流动性好；粒度组成中，极细粉末占的比例越大，流动性越差。 如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，则流动性越好。 压制性是压缩性和成形性的总称。压缩性：就是金属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力,用压坯密度来表示。成形性：是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。用压坯强度来衡量.松装密度的测定可以用漏斗法真密度(理论密度)>似密度>表观密度 所谓金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化（简称尺寸变化），通常是指金属粉末在压制成形过程中发生的弹性后效，和压坯在烧结中发生的尺寸缩小或增大。 尺寸变化是金属粉末的重要性能之一，也是粉末冶金冷压成形模具设计的重要设计参数。 金属粉末的粒度越细，颗粒表面越光滑，氧含量越高以及低塑性的金属粉末等，其弹性后效越大

二、粉末成型： 1粉末预处理：粉末退火、混合、筛分、制粒、加成形剂、润滑剂 1.退火：退火温度 T退?（0.5~0.6）T熔退火气氛：a.还原性气氛b.惰性气氛c.真空退火 金属粉末退火的目的：a.氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度； b.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构；c.防止超细粉末自燃，将其表面钝化。

用还原法、机械研磨法、电解法、喷雾法以及羰基离解法所制得的粉末通常都要退火处理。 2.混合：a.将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。 b. 将相同成分而粒度不同的粉末混合均匀的过程（合批） 混合方法：机械法（干混、湿混）和化学法机械法：干混用于生产铁基及其他粉末冶金类制品；湿混用于生产硬质合金或含易氧化组份合金。（常用液体介质酒精、汽油、丙酮。）混料设备有球磨机、V型混合器、锥形混合器、螺旋混合器等

化学法混合较机械法更为均匀,可以实现原子级混合,消除元素粉末组元（特别是轻重组元）间的偏析

3.筛分:筛分指把不同粒度的粉末通过网筛或振动筛进行分级，使粉末能够按照粒度分成粒度范围更小的级别。

4.制粒:制粒指将小颗粒粉末制成较大颗粒或团粒，目的是改善粉末的流动性 5.加成形剂、润滑剂:成形剂：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。 润滑剂：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，常加入的添加物，如石墨粉、硬脂酸、硫磺粉等

2、粉末压制成形：金属粉末压制现象：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。粉末与模壁之间产生摩擦力，该摩擦力导致压坯在高度方向上出现压力降,这也就造成了压坯密度分布不均 何谓拱桥效应？粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象。 当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充孔隙，重新排列位置 致密化现象：压力作用下松散状态→拱桥效应的破坏（位移→颗粒重排）+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩→致密化

压坯强度是指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。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：(1)粉末颗粒之间的机械啮合力 (2)粉末颗粒表面原子之间的引力

金属粉末压制时压坯密度的变化规律：

a.粉末颗粒发生位移，填充孔隙，施加压力，密度增加很快；（粉末体的致密化以粉末体的位移为主，同时有少量的变形）

b.密度达到一定值后，粉末体出现一定压缩阻力，由于位移大大减少，而变形尚未开始，虽然加大压力，但孔隙度不能减少，密度增加很少；

c.当压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，由于位移和变形都起作用，使坯块密度继续增大。（致密化是以粉末颗粒的变形为主，而同时伴随着少量的位移） 压制压力与密度间的定量数学关系几种理论的适用范围：

①黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末都适用；并且，与粉末实际压制过程较符合。 ②巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好， ③川北方程在压制压力不太大时，是个较好的经验方程。 ④所有方程在导出过程中都没有考虑压坯的形状尺寸、模壁摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。压坯实际密度分布：压坯密度分布不均匀是压制过程主要特征之一。

压坯实际密度分布规律：1、与模冲相接触的压坯上层，密度和硬度都是从中心向边缘逐步增大的，顶部的边缘部分密度和硬度最大；

2、 压坯中下部，由于外摩擦的作用，轴向压力的降低比压坯中心大得多，以致在压坯底部

的边缘密度比中心的密度低。压坯中间密度分布先增大，后减小。 原因：压制时所用的总压力为净压力与压力损失之差，而这种压力损失就是在普通模压过程中造成压坯密度分布不均匀的主要原因

影响压坯密度分布的因素：1、H/D高径比；2、润滑 3、压制工艺

压制废品分析：1)分层沿坯块的棱边向内部发展的裂纹，与受压面呈450角的整齐界面。 分层原因：弹性后效。压制压力过高，易引起分层。因为压制压力过高，坯块密度过高，其弹性后效明显增大。

三、烧结烧结的定义：所谓烧结，就是将粉末或粉末压坯在低于其主要组元熔点的温度(大约0.7～0.8T绝对熔点)下进行加热处理，借助于原子迁移实现颗粒间的联结以提高压坯强度和各种物理机械性能的工艺过程。烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力。 4.2发生在烧结过程中的一些主要现象：1、烧结密度与尺寸的变化（体积收缩） 2、烧结体显微组织的变化（致密化）3、力学性能特征①烧结材料的力学性能值比较分散②对于烧结材料而言，决定力学性能高低的主要因素是烧结体密度的高低 烧结过程体积收缩和致密化为最主要特征。 烧结过程最基本的驱动力是表面能的减低，粉末越细，压坯具有的表面能越大，烧结的驱动力就越大。

粉末的等温烧结大致可以分为三个界限不十分明显的阶段： ①开始阶段：烧结的初期，或称粘结阶段。颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，但是，烧结体的强度和导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显的增加。此阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。 ②中间阶段：烧结颈长大阶段。原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动。而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。密度和强度增高是这个阶段的主要特征。这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。 ③闭孔隙球化和缩小阶段：此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球化而且不断缩小。这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。此阶段可延续很长时间，但是仍有少量残留的隔离小孔隙不能被消除。

4.4多元系固相烧结：包括了成分间互溶的和不互溶的两类。成分互溶的又分为无限互溶的和有限互溶的两种情况

采用混合粉末来替代预合金粉末的优点是：(1)容易改变成分；

(2)由于这类粉末具有低的强度、硬度以及加工硬化现象，所以容易进行压制成形；(3)有较高的压坯密度和强度；(4)可能形成均匀的显微组织； (5)有一些与烧结致密化相关的可能的优点。

1、无限互溶的混合粉末烧结：铜-镍、铜-钴、铜-金、钨-钼、铁-镍等都属于无限互溶的混合粉末。混合粉末烧结，在一定阶段发生体积增大现象，烧结收缩随时间的变化，主要取决于合金均匀化的程度

2有限互溶的混合粉末烧结：有限互溶混合粉末的烧结合金有铁-碳、铁-铜、钨-镍、银-镍等。这类合金烧结后得到的是多相合金。有限互溶体系的收缩过程，与合金元素含量有关

3、 互不溶解的混合粉末烧结：烧结的条件γ

AB <γA+γ

B凸出的方向朝向表面能低的组元； 4.5混合粉末的液相烧结和熔浸：1、液相烧结的条件：(1)润湿性(2)溶解度(3)液相数量 1、润湿性：液相必须润湿固相颗粒是液相烧结得以进行的前提

当θ=0，液相充分润湿固相颗粒，最理想的液相烧结条件，当θ>90°，液相被推出烧结体，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，可加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性，促进液相烧结过程

润湿角的影响因素：(1)温度和时间：烧结温度↑，θ↓ ，烧结时间适当延长，θ↓； 2、表面活性物质（主要方式）：添加表面活性物质θ↓。3、粉末表面状态（杂质） 4、气氛 2、溶解度:1)有限的溶解可改善润湿性 2）可相对增加液相数量 3）可借助液相进行物质迁移 4）增大固相颗粒分布的均匀性。

3、液相数量：液相数量以占烧结体体积的0.35为宜。 液相数量应以液相填满颗粒的间隙为限度。 2、液相烧结的基本过程：(1)生成液相和颗粒重新分布阶段(2)溶解和析出阶段(3)固相的粘结或形成刚性骨架阶段

3、液相烧结时的致密化和颗粒长大：影响致密化的因素有：液相数量。液相对固相的润湿性、各个界面的界面能。固相颗粒大小、固相与液相间的相互溶解度以及压坯密度等。 在液相烧结时，固相颗粒长大一般可以通过两个过程进行：

1) 细小的颗粒溶解在液相中，而后通过液相扩散在粗大颗粒的表面上沉淀析出；2) 通过颗粒中晶界的移动来进行颗粒的聚集长大以及通过溶解析出的过程来改变粉末颗粒的外形。 4、熔浸：将粉末压坯与液体金属接触或浸埋在液体金属内，让坯块内孔隙为金属液填充，冷却下来就得到致密材料或零件，这种工艺称为熔浸或熔渗。 熔浸所必需具备的基本条件：

(1)骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大，不致造成零件变形； (2)熔浸金属应能很好润湿骨架材料，即θ<90°；

(3)骨架与熔浸金属之间不发生互溶或溶解度不大，以避免在熔浸过程中产生新相而致液相消失；(4)熔浸金属的量应以填满压坯中的空隙为限度，过多或过少均为不利。

4.6强化烧结：强化烧结的目的是提高烧结过程中的致密化，使得烧结材料与铸锻材料的性能具有可比性。1、活化烧结2、电火花烧结3、相稳定化

4.7全致密工艺：致密化被认为是改变粉末冶金制品和材料的关键。全致密工艺是将压力和温度同时并用，以达到消除孔隙的目的。

1、热压2、热等静压3、热挤4、热锻5、喷雾沉积6、大气压固结

搅拌球磨机其研磨效率高跟着她做实验时 步骤一般为：配料-磨料-干燥-掺胶-干

燥-压制-烧结-性能检测

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