粉末冶金基础原理（终）

粉末冶金基础原理（终）
绪论
粉末冶金：是冶金学的一种，是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（添加或不添加外金属粉末）制成材料和制品的一项工艺技术。

粉末冶金的特点：
优：1.能生产其他方法无法生产成很难生产的材料和制品：Cu-W 合金（假合金）（Cu、W 完全不互熔、电触头、发汗材料）；2，能够产生具有特殊性能的产品，性能优越：多孔含油轴承；3.粉末冶金是一种少切削甚至不切削的工艺：生产φ45齿轮。

缺：1.只适合大规模的生产，否则不经济；2.在制取形状复杂、尺寸大的产品时受到限制。

第一章
制粉法的分类：机械法(涡旋法，捣磨法，球磨法，切割磨法，超细粉碎法，雾化法)和物理化学法(冷凝法，热分解法，还原法，沉淀法，置换法，电解法，合金分解法，有机溶媒法)。

还原过程的基本原理和还原剂的选择(课本第9页)。

金属氧化物还原的动力学(见课本第15页)。

多项反应的机理
(1)“吸附—自动催化”理论
第一步：吸附—气体还原剂分子被金属氧化物吸附。

第二步：反应—被吸附的还原剂分子固体氧化物中的氧相互作用并产生新相。

第三步：解吸—反应的气体产物从固体表面上解吸
MeO(固) + X(气) = MeX(固)·X(吸附)
+ Me(固)·X(吸附) = Me(固)·XO(吸附)
+ Me(固)·XO(吸附) = Me(固)+XO(气)
= MeO(固) + X(气) = Me(固)+XO(气)
扩散到MeO的表面（还原剂氧化物通过产物层扩散）
（2）反应速度与时间关系曲线（见课本23页）
碳还原法制取铁粉的本质
影响还原过程和铁粉质量的因素
（1）原料
a 原料中杂质的影响；
b 原料粒度的影响
（2）固体碳还原剂
a 固体碳还原剂类型的影响；
b 固体碳还原剂用量的影响）
（3）还原工艺条件
a 还原温度和还原时间的影响；
b 料层厚度的影响；
c 还原罐密封程度的影响
（4）添加剂
a 加入一定的固体碳的影响；
b 返回料的影响；
c 引入气体还原剂的影响；
d 碱金属盐的影响
（5）海绵铁的处理
退火的目的：1.提高铁粉纯度；2.消除加工硬化；3.防止粉末自燃影响固体碳还原铁鳞的主要因素
（1）原料
A 铁鳞 a 杂质二氧化硅有害 < 0.3%
b 粒度粒度减小，反应面增大，还原速度加快
B 固体碳 a 类型还原能力木炭 > 焦炭〉无烟煤
b 用量根据碳氧比K值及还原温度而定
（2）还原工艺条件
A 还原温度适当提高温度有利于还原，但还原温度不宜过高950-1100℃
B 还原时间随温度而定，温度高时，时间可缩短，时间的影响远
不及温度的影响
C 料层厚度温度一定时，料层厚度增加，还原时间加长
D 还原罐密封程度密封不严时可造成还原不透或冷却时氧化
（3）添加剂
A 往原料铁鳞中加入一定量的固体碳时效果较好（疏松剂）
B 往原料中加入一定量的反馈料，有利于还原过程（废铁粉）
C 引入气体还原剂
挥发沉积长大机理：
（1）钨的氧化物具有挥发性，而且随着温度升高，挥发性升高；
（2）WO3的挥发性 > WO2的挥发性；
（3）WO3挥发后的气相被还原，然后沉积在已还原低价氧化钨或金属钨颗粒表面使其长大。

得到中细钨粉措施:
二阶段还原法WO3（经低温）—WO2（经高温）—W粉得粗颗粒W粉
一阶段还原法 WO3（经高温）—W粉操作方便
若对粒度要求不大可用一阶段还原法
二阶段还原法的优点：1.得中、细颗粒；2.提高W粉质量的均匀程度；3.提高生产率
金属热还原（制取稀有金属Ta，Nb）
还原剂的条件：1.还原反应后所产生的热效应要大；2.形成的渣及残余还原剂易于金属分开；3.还原剂与制取金属不能形成合金或其他化合物
还原化合法制取WC粉
电解法的特点：1所得粉末纯度高；2粉末形状为树板状；3粉末粒度易控制
理论分析电压：原电池平衡电动势 E理论=ε阳-ε阴
分解电压：使电解显著进行的外加电压
电解的定量定律——法拉第定律：第一定律m=qIt；第二定律q=w/（n*96500）
成粉条件1.定性分析：只有阴极区阳离子浓度降到某一数值c时才可能粉末，只有当电流密度较大时，阴极区阳离子浓度才会急剧下降到ci
2：定量分析（见课本84页）
电流效率Ni=M/（qIt）×100%
电能效率Ne=Wo/We=Io×t×E（理论）/（I×E（槽）×t）×100%雾化法
1.定义：利用高压流体（高压水或气体）或其他特殊方法将熔融金属粉碎成粉末的过程
2.气体雾化机构：（图见课本95页）
A、负压紊流区（图中I）：由于高速气流的抽气作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层，金属液流受到气流波的振动，以不稳的波浪状向下流，分散成许多细纤维束，并在表面张力作用下有自动收缩成液滴的趋势。

形成纤维束的地方离及出口的距离取决于金属液流的速度，金属液流速度越大，离形成纤维束的，距离就越短。

B、原始液滴形成区（图中II）：在气流的冲刺下从金属液流柱或纤维束的表面不断分裂出许多液滴。

C、有效雾化区（图中III）：由于气流能量能集中于焦点，对原始液滴产生强烈击碎作用，使其分散成细的液滴颗粒。

D、冷却凝固区（图中）：形成的液滴颗粒分散开，并最终凝结成粉末颗粒。

机械粉碎法
1.定义：靠压碎、击碎和磨削等作用将块状金属或金属机械地粉碎成粉末的过程。

2.球和物料随球磨筒转速不同的三种状态：低转速、适宜转速和临界转速（详细分析见课本111-112页）
3．装填系数 V球/V筒 0.4-0.5
球料比 W球/W料填满球间的间隙稍微掩盖住球体表面
第二章
粉末体：简称粉末，是由大量的粉末颗粒组成的一种分散体系，
其中的颗粒彼此可以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。

单颗粒：粉末中能分开并独立存在的最小实体，主要影响烧结过程。

二次颗粒：单颗粒的某种方式聚集起来而形成更大的颗粒，主要影响压制过程。

一次颗粒：构成二次颗粒的原始单颗粒。

真密度：颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的商值。

实际上就是粉末的固体密度。

有效密度（又称比重瓶密度）：颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积去除得到的。

流动性：50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为s/50g。

压缩性：粉末在压制过程中被压紧的能力。

用压坯密度表示。

影响因素：塑型升高、杂志含量减小、ρ松增大都使压缩性增大。

成形性：粉末压制后压坯保持即定形状不变的能力。

用压坯强度表示。

一切促进粉末啮合的因素都讲提高成形性。

粒度：以mm或μm表示的颗粒的大小称为颗粒直径，简称粒径和粒度。

粒度组成：具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量。

中、粗颗粒：筛选粒度＞40μm粉末。

目数：是筛网1英寸长度上的网孔数，表示筛孔的孔径和粉末的粒度。

影响松装密度的因素：1颗粒形状规则时，ρ松增大；2颗粒大时ρ松增大；3粒度组成：外单一粒度组成时，ρ松增大；4颗粒的内部结构：孔隙度增大时ρ松减小。

比表面：1g粉末所具有的总表面积。

m2/g。

吸附法：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算1g物质的总表面积，即得克比表面。

透过法：测定气体透过粉末层（床）的透过率来计算粉末比表面或平均粒径。

第三章
成形:是粉末冶金工艺过程的第二道基本工序，是使金属粉末密室成具有一定形状、尺寸、空隙度和强度坯块的工艺过程。

成形的重要性:1.代表粉末冶金的显著特点；2.效率比较低的工序；
3.效率比较低，限制产品的关键
成形分类:普通模压成形、特殊成形
预处理包括:粉末退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂等。

其目的是:1.改变粉末的化学成分，提高产品的性能；2.改善粉末的压制成形性能，提高压制产品的质量。

退火目的:1.还原氧化物，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；2.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构；3.某些超细金属粉末的自燃，需要将其表面钝化。

混合:一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。

合批:为了需要将成分相同而粒度不同的粉末进行混合的过程。

筛分:把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。

其目的是:在于把颗粒大小不同的原始颗粒进行分级，以便根据产品的用途及性能要求更加准确配制一定粒度组成的粉末。

制粒:将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序。

其目的:改善粉末的流动性
金属粉末压制过程会出现位移与变形。

拱桥效应:粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔洞的现象。

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。

产生原因:a粉末颗粒间的机械啮合力；b粉末颗粒表面原子之间的引力。

压制压力与压坯密度的关系的解析:
净压力:使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦的力
压力损失:克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力
应力分布规律:上部压力比下部大，靠近模冲同一断面上边缘的压
力大于中部，靠近下模冲同一断面上心部大于边缘
侧压力:压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力
脱模压力:使压坯由模中脱出所需的压力
弹性后效:在压制过程中，当除去压制压力并把压坯压出压模之后，由于内应力的作用，压坯发生弹性膨胀的现象
压坯密度的分布规律:a平均密度沿高度逐渐降低；b在断面密度靠近上模冲量边缘高于心部，靠近下模冲量心部高于边缘；c底部中心密度比上部中心密度高但H/D很大时相反
压制方式对分布及使用范围:
单向压制：实用范围：高径比（H/D)小于等于1,高厚比小于等于3；
双向压制：实用范围：高径比（H/D）大于等于1，高厚比大于等于3；带摩擦芯
杆的压模：实用范围：高径比（H/D）大于等于4~6，适合压制细长，薄壁产品。

影响压制过程的因素:
1．粉末性能对压制过程的影响：a粉末物理性能的影响；b粉末纯度的影响；c粉末粒度及粒度组成的影响；d粉末形状的影响；e粉末松装密度的影响；
2．润滑剂和成形剂对压制过程的影响：a润滑剂和成形剂的种类及选择原则；b润滑剂和成形剂的用量及效果；
3．压制方式对压制过程的影响：a加压方式的影响；b加压保持时间的影响；c振动压制的
影响；d磁场压制的影响
压制过程中的废品及其分析
外形废品：掉边掉角、粘膜、尺寸不合格
工艺废品：分层、裂纹、未压好、脏化
一、分层
特征：在制品的受压断面上沿压坯棱角出现大约与受压面呈45°角
整齐界面的层裂。

产生原因：弹性受压后弹性后效力过大所致剪切应力。

凡是影响弹性后效的因素都会影响分层。

1、粉末的金属本性:塑性好的粉末变形大，密度高，强度大，接触应力小。

2、粉末的物理性能:
①粒度：细粉流动性差，松装容积大，压制压力和压力损失大，密度分布不均匀性大，分层倾向大。

②形状：球形粉因接触面积小，压坯强度小，分层倾向大。

③表面情况：长时间球形磨粉未变细，加工硬化，表面少量氧化，使分层倾向增大。

3、成形剂和润滑剂
①用量：成形剂多时，料粒塑性好，压坯强度高，分层倾向小。

润滑剂多时，压坯强度低，分层倾向增大。

②料粒大小：擦筛粒度变小，分层倾向增大。

③汽油残留量：汽油残留量越多，擦筛后料粒越细，粘滞性越大，流动性越差，分层倾向增大。

④料粒的温度：升高温度，料粒粘滞性增大，摩擦力增大，分层倾向增大。

⑤掺胶的均匀度：掺胶不均匀时，一部分太湿另一部分太干，擦筛时料粒过细，分层大
4、压制压力：凡是增大压制压力的因素都将增大分层
①压坯密度相同时，细粉末料所需压力大，故分层大。

②收缩系数的影响：压制同种粉末，因收缩系数大的模具所需压力小，故分层小。

③装料不均匀时，易引起局部压力过高，易分层。

5、压坯的形状与尺寸：压坯太高、太短时，密度分布不均匀，分层大
压坯形状太复杂时，装料不均匀，分层大
二、裂纹
特征：压坯产生的有表面向内延伸，但无整齐界面的裂痕
产生原因：弹性后效直接影响的结果
消除方法：1.加压速度与保压时间：压力速度要慢，保压时间要长；2.压制压力：压制压力不能过高；3.压模结构：合理设计模具，尽量减少应力集中部位；4.脱模：脱模速度要快，不可停留
三、未压好
特征：由于压坯内孔洞尺寸太大，在烧结过程中不能完全消失，使烧结体内残留较多的特殊孔洞的现象
产生原因：1.模具的收缩系数过大或设计不合理，使压坯内局部压力孔隙过大；2.混合料团粒过硬过粗；3.料粒在模具腔内分布不均匀；
4.压制压力过低；
5.压制速度过快。

四、脏化
特征：压坯断面有＞40μ杂质
产生原因：一切掺进混合料中的其他杂质都有可能引起脏化
五、弯曲
特征：制品的表面不呈平面而呈某种弧度
产生原因：单向压制压坯密度不均匀，出模后弹性后效不一引起弯曲
第四章
等静压制：将粉末或压坯施以各方向大致相等压力压制。

超前现象：挤压过程中挤压料与模壁之间有摩擦，中心部位的挤压物料的流动速率比外层挤压物料的流动速率快的现象。

连续成型：粉末体在压力的作用下，由松散状态经历连续变化成为具有一定密度和强度以及所需尺寸形态的压块方法。

粉末轧制：将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，即可压轧出具有一定厚度和连续长度且有适当强度的板带坯料。

挤压成型：金属粉末在外力作用下，通过规定挤压嘴成型。

密度分布规律：延纵向密度分布均匀，在横断面上由外向内逐渐减小
要使粉末被咬入轧辊缝内，必须满足摩擦系数u与测压系数ε之和大于咬入角的正切值：tg a<u+ε< bdsfid="238" p=""></u+ε<>
第五章
烧结:是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。

单元系烧结:是指纯金属或有固定化学成分合物或均匀固态下的烧结，过程中不出现新的组成物或新相，也不发生凝聚状态的改变。

活化烧结:采用化学和物理的措施，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。

活化烧结的本质:通过改变烧结的热力学参数，达到改变烧结过程的动力学方程。

液相烧结：液相烧结可得到具有多相组织的合金或复合材料，既由烧结过程中一直保持固相的难熔组分的颗粒和提供液相。

热压：又称加压烧结，是把粉末装在模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低一些，经过较短时间烧结成致密而均匀的制品。

烧结过程的原动力是什么，具体包括哪几个方面？
烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力，包括下述几个方面：
1.由于颗粒结合面的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减少。

2.烧结体内孔隙的总体积和总表面积减少。

3.粉末颗粒内晶格畸变的消除。

最低起始烧结温度：烧结体的某种物理或力学性质出现明显变化的因素。

最低塔曼温度指数：烧结的绝对温度与材料熔点之比。

液相烧结的特点：低熔组元熔化或形成低熔共晶物，那么由液相引起的物质迁移比固相扩散快，而且最终液相将填满烧结体内的孔隙，因此可获得密度高、性能好的烧结产品。

烧结在粉末冶金生产过程中的重要性:
1烧结是粉末冶金生产过程中最基础的工序之一；
2烧结也是粉末冶金生产过程的最后一道主要工序，对最终产品的
性能起着决定性作用；
3烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救；
4在经济上的意义很大。

烧结理论的发展是围绕哪两个问题在讨论:
1烧结为什么会发生？也就是所谓烧结的驱动力或热力学问题。

2烧结是怎样进行的？即烧结的机构和动力学问题。

每种机构的物质迁移方式，特征方程,哪种烧结机构在什么条件下起主导作用，其适用范围: 1、粘性流动（适用晶体粉末），在表面张力作用下，颗粒发生类似粘性流动，使表面积减少【x2∝t】
2、蒸发与凝聚（适用饱和蒸气压高），蒸气压差使原子从球表面蒸发，重新在烧结劲凹面凝聚【x3∝t】
3、体积扩散（适用高温或烧结后期），空位由烧结颈表面通过颗粒内部向球体表面扩散【x5∝t】
4、表面扩散（适用烧结初期），空位由烧结颈表面通过颗粒表层向球体表面扩散【x7∝t】
5、晶界扩散，空位通过晶界扩散或被晶界吸收【x6∝t】
6、塑性流动，金属粉末在表面张力作用下，发生塑性变形的结果，高温蠕变【x9∝t】
液相烧结的三个基本条件：
1、湿润性：包括温度与时间的影响、表面活性物质的影响、粉末表面状态的影响气氛的影响。

2、溶解度：固相在液相中有一定溶解度是液相烧结的又一条件，因为：A固相有限溶解于液相可改善湿润性；B固相溶于液相后，液相数量相对增加；C固相溶于液相，可借助液相进行物质迁移；D溶在液相中的组分，冷却时如能析出，可填补固相颗粒表面的缺陷和颗粒间隙，从而增大固相颗粒分布的均匀性。

3、液相数量。

烧结气氛的作用:1.防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应，如氧化、脱碳等，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定。

2.排除有害杂质，如吸附气体、表面氧化物或内部夹杂。

3.维持或改变烧结材料中的有用成分。

净化后通常可提高烧液相烧结的过程和对应的机构？
液相烧结过程大致上可划分三个界限不十分明显的阶段：
1、液相流动与颗粒重排阶段：颗粒在液相中悬浮存在，在液相表面张力作用下，重新排列至最紧实状态，烧结体致密度迅速增加---对应颗粒重排机构
2、固相溶解和再析出阶段：固相表面原子逐渐溶解，小颗粒或颗粒表面有棱角和突起的部分先溶，颗粒越来越小，表面也趋于平滑，同时液相中的过饱和原子析出在颗粒表面，致密化速度减慢---对应溶解-再析出机构
3、固相烧结阶段：颗粒相互靠拢，在颗粒表面烧结，使颗粒相互结合称骨架，剩余液相填充于孔隙，致密化显著减慢---对应固架烧结机构
放热型和吸热型气氛的特点:吸热型特点:氢气，一氧化碳含量高，还原性强。

放热型特点:氢气，一氧化碳含量低，还原性差。

热压模具的选择:
对于低温（＜800℃）高压（＞700㎏／㎝2）选高速钢，合金钢，硬质合金。

对于高温（＞800℃）低压（＜700㎏／㎝2）选石墨。

影响烧结过程的因素: 一、原料的性质
1、各种界面能rAB＜rA+rB
2、扩散参数:体积、表面、晶界扩散
3、粘性系数
4、临界剪切应力
5、饱和蒸气压差
6.点阵类型:对称性好的，烧结开始温度低
7.品型:有同素异晶转变时烧结过程慢8.颗粒表面活性，颗粒小，活度大，烧结温度低
9.晶粒活性:晶粒小，晶界多，有利于扩散
10.粘结相对基体的湿润性:θ减少对液相烧结有利11.压坯密度:ρ增大，颗粒靠得近，接触面大，有利。

二、烧结的工艺
1.升温阶段：升温速度过快导致加热不均匀，成型剂来不及排出。

2.烧结阶段：温度：温度：高时，可缩短烧结时间，但不宜过高；时间：根据烧结温度，制品大小，压坯密度等因素而定。

3.冷却阶段：冷却速度的大小对产品的组织形貌和性能有一定影响，对制品的表面氧化也有影响。

4.装舟量：宜适中；过多：导致温度不均匀；过少：导致生产率低。

5.填料：Al2O3+C，作用：加热均匀，防止产品氧化，防止产品粘结。

三、外来物质
1.部分溶于粘结相的外来物质：可加快烧结过程。

2.表面氧化物：若在烧结时能被还原，则可加快烧结过程。

3.烧结气氛：氢气、真空有利于烧结。

4.某些不溶性杂质可阻碍烧结过程，如硅，锰。

5.加入预合金粉有利于烧结过程。

烧结废品及其分析
一、按产生原因：
1.由于破坏了规定的加热规程；
2.由于破坏了烧结气氛的条件；
3.与产生压坯所经过的过程有关
二、按特征分为以下十类
（一）变形和弯曲
A、变形：烧结体不同部位的体积收缩不一导致形状不规则的形变
产生原因：a压坯密度分布不均匀；b由于压坯结构上厚薄比较悬殊，烧结温度偏高，升温速度过快；c烧舟变形严重，舟底不平以及装舟方式不当
消除方法：改进之
B、弯曲
定义：烧结体各部分体积收缩一样，但处在同一坐标平面变成有规律的曲面
产生原因：烧结体成分不均匀（主要指含碳量），因而各部分的凝固温度不一
消除方法：1.尽量混合均匀；2.氢气的流量要小；3.烧结体的尺寸要小；4.正确装舟；
5.尽量避免烧结体与炉内气氛接触，密封装舟
（二）分层和裂纹
A、分层
定义：同压制
产生原因：压制过程不合理（模具设计不合理、压制压力过高、粉末含氧量过高）消除方法：提高粉末质量，改进压模技术，减小单位压力
B、裂纹
定义：比较大的开裂，无规则
产生原因：同分层
消除方法：同分层
（三）起泡
定义：烧结体表面出现大小不一的较圆滑的突起
产生原因：升温速度太快，压坯局部突然接触高温造成润滑剂分解挥发
消除方法：控制升温速度，改善炉子结构
（四）孔洞
定义：制品内有大小不一的孔洞，表面无突起
产生原因：1.较少的空气在烧结体内集中；2.有生成少量气体的反应；
3.杂质不为液相所湿润
（五）再生气孔
定义：表面不平，有微孔
产生原因：成型剂没有完全挥发
消除方法：减慢升温速度
（六）麻点
定义：有局部出现白亮色的麻点
产生原因：混料不均匀，有偏析，局部熔化
消除方法：尽量减小偏析
（七）尺寸超差
A、胀大
定义：尺寸增大，密度低，强度低
产生原因：1.压制压力过高时，由于残余内应力消除而胀大
2.压坯内气体与润滑剂的分解挥发阻碍产品的收缩，冲松原压坯
消除方法：降低压制压力，升温速度要慢，可采取复压加工
B、收缩
定义：尺寸减小，密度升高
产生原因：烧结温度过高，压坯尺寸单重不准，压坯密度过低
消除方法：适当的选择烧结温度，粉末粒度不宜过细，压坯密度不宜过低
（八）欠烧
定义：颜色灰暗，无金属光泽，敲击声音沉哑，少金属声，强度、硬度低，尺寸不收缩，密度低
产生原因：1.烧结温度不够；2.保温时间不够；3.控温仪表不准
消除方法：1.合理选择烧结温度和时间；2.检查控温仪表；3.返烧处理
（九）过烧
定义：局部熔化、歪扭、粘结现象，零件断面晶粒粗大，显著变脆
产生原因：(烧结温度过高 )
1.工艺制度不合理；
2.热电偶老化，测温仪表失灵；
3.炉管破裂，加热元件起伏造成局部温度偏高。