粉末冶金原理第四章
粉末冶金原理第四章
第四章特殊成形理论根据：帕斯卡原理关于液体传递压强的规将所需压制的物料（粉末状）装入弹性模具内（如橡胶、塑料等做成的模具），将模具口封闭，置于高压容器内，然后将高压容器入口封闭，用超高压泵打入加压介质，容器内压力可升高到100-600MPa，高压容等静压制法比一般的钢模压制法有下列优点：1）能够压制具有凹形、空心等复杂形状的压件；2）压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所1）对压坯尺寸精度的控制和压坯表面的光洁度都高压泵把介质压入耐高压的钢质密封容器1.压力分布和摩擦力对压坯密度分布粉末压制时，粉末颗粒之间、粉末与压模模壁或压模之间发生了相对运动，产生了滑动摩擦压坯的密度分布沿纵断面是均匀的；压坯的密度分布沿横断面从外往内逐渐2.压制压力与压块密度的关系粉末体在等静压力压制时，压力与压坯密度的变化关系可用黄培云的压制双对1.冷等静压力机的结构及类型冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分干袋模•（1）湿袋模具压制•把无须外力支持也能保持一定形状的薄壁软模6装入粉末料8，用橡皮塞5塞紧密封袋口，然后套装入穿孔金属套7一起放入高压容器9中，使模袋泡浸在液体压力介质中经受高压泵注入的高压液体压制。
2012/3/13湿袋模具压制的优点和缺点能在同一压力容器内同时压制各种形状的压件，适合于小批量、多品种、大型及复干式等静压成形优点和缺点成形过程中操作人员不直接和液体介质接触，工序相对简单，生产率高，易于实现1）应有一定的强度和弹性，装粉时能保持原来的几何形粉末的工艺性能直接影响压制过程和压坯的质料袋内粉末装入的均匀程度直接影响压块的质量。
三个阶段。
卸压也不宜过快，过快会使残留在坯体中的受压缩气在高温高压密封容器中，以高压氩气为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料(或零件)施粉末体在等静压高压容器内同一时间经受高温和高压的联合作用，强化了压制与烧结过程，降低了制品的烧结温度，改善了制品的晶粒结构，消除了材热等静压技术已经成为提高粉末冶金制品性能及压制大型复杂形状零件的先进技术。
第四章 粉末冶金原理成形前粉末的预处理
成形剂及其分解产物不与粉末发生反应
分解温度范围较宽 分解产物不污染环境
润滑剂 ↓粉末颗粒与模壁间的摩擦
摩擦力导致
压坯密度分布不均匀 影响被压制工件的表面质量 降低模具的使用寿命
粉末压制用的润滑剂
硬脂酸
硬脂酸锌 工业润滑蜡
PEG
(二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也可起润滑作用)
难以通过压制所产生的变形而赋予粉末坯体足够的 强度
添加成形剂提高生坯强度，利于成形
2)流动性差的粉末 粘结剂作用
细粉或轻质粉末
适当增大粉末粒度，减小颗粒间的摩擦力
改善粉末流动性,提高压制性能
橡胶、硬脂酸、石蜡、SBS 、PEG、PVA等
选择准则
能赋予待成形坯体以足够的强度
易于排除
末压制性能
用还原法、机械研磨法、电解法、喷雾法以及
羰基离解法所制取的粉末通常都要进行退火处理。
粉末钝化
使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止粉末 自燃
退火温度
高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm 电解铜粉的退火温度约为300℃，电解铁粉或电解 镍粉约为700 ℃，不能超过900 ℃
退火气氛 还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空
在要求清除杂质和氧化物，即进一步提高粉末化学纯度时，要采用 还原性气氛(氮、分解氨、转化天然气或煤气等)或真空退火； 消除粉末的加工硬化或者使细粉末粗化防止自燃时，就可以采用惰
性气体作为退火气氛。
2、合批与混合 blending
混合
and
mixing
不同成分的粉末借助于外力作用实现颗粒组份间分 布均匀的过程 合批 同类粉末或粉末混合物的混合 消除因粉末在运输过程中产生的偏析或在粉末生产 过程中不同批号粉末之间的性能差异 获得性能均匀的粉末料
陶瓷核燃料工艺第4章
第4章陶瓷粉末成型原理及工艺4.1 成型前粉末的预处理成型是粉末冶金工艺的第二个基本工序，是使粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度及强度的压坯的工艺过程。
为了改善粉末成型过程和制品最终性能，在成型之前一般都要对原料粉末进行预处理，包括：热处理（退火或煅烧）、混合、筛分、加成型剂和润滑剂、制粒等。
1.热处理（退火或煅烧）退火主要是针对金属粉末而言的，其目的为：使金属粉末中的氧化物还原，降低氧含量，提高粉末的纯度；消除金属粉末的加工硬化，恢复粉末的成型塑性（用还原法、机械球磨法、电解法、喷雾法以及羰基离解法等制备的金属粉末通常都要经过退火处理）；使某些超细金属粉末表面钝化，以防止发生自燃现象。
例如，一般在300℃、H2气中将电解Cu粉进行退火处理；电解Fe粉或电解Ni 粉通常在700℃、H2气中或真空中进行退火处理。
煅烧主要是针对陶瓷粉末而言的，其目的是：除去所吸附的杂质；使两种或两种以上的混合粉末发生固态反应而形成所需要的相结构；调整粉末的粒度和松装密度以满足压型技术的需要。
对于象TiC、TiB2、UC、UN、U3Si2等一些易氧化和易燃的非氧化物陶瓷超细粉末，最好在低氧手套箱内进行操作，并且在移出手套箱之前要在氧分压可控的电炉内加热进行表面钝化处理。
2.混合混合是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。
而合批一般是指将不同批次生产的、成分相同、但粒度不同的粉末进行混合。
混合方法一般有机械法和化学法两种。
其中，最简单、应用最广泛的是机械法，即将不同成分的粉末机械地掺和均匀而不发生化学反应。
常用的混合机有V 型混合机、（单、双）锥型混合机、螺旋混合机、三维运动混合机、球磨机等。
机械法混料又可分为干混和湿混两种。
加入磨球有利于提高混合效率，甚至还能使粉末粒度减小；但是，有时为了避免金属粉末在混合过程中产生加工硬化，或为了避免金属或陶瓷粉末的粒度发生变化，一般就不用磨球。
干混法几乎对于所有物料都适用。
粉末冶金第4章单元系粉末烧结
第四章单元系粉末烧结Sintering of single component§1 烧结现象（简介）纯金属、固定化学成分的化合物和均匀固溶体的粉末烧结体系1. 烧结现象：1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解）→形成内压→若内压超过颗粒间的结合强度→膨胀,起泡或开裂等→废品2）当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大产生回复和再结晶现象由于颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。
3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙4）晶粒长大1.烧结温度与时间（自学）T=（2/3-4/5）Tm2.烧结密度与尺寸变化（自学）§2 烧结过程中的晶粒长大1 .烧结材料的晶粒尺寸细小：在粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小而在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象但与普通致密材料相比较，烧结材料的这种晶粒长大现象几乎可以忽略。
原因有二：孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍烧结温度低于铸造温度1)对晶界的阻碍作用：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。
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而降低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细粉时，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，则会发生聚集再结晶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。
粉末中的夹杂物也对晶粒长大施加一定的阻碍作用。
夹杂物包括硅酸盐和稳定性高的金属氧化物对晶界迁移的阻碍作用大于孔隙因为孔隙随着烧结过程的进行可减弱或消失。
而夹杂物一般难以消除（若夹杂物在烧结过程中稳定）同时,粉末烧结温度远低于铸造温度故粉末烧结材料的晶粒一般较细小2 .晶粒长大（grain growth）的阻碍作用模型若附在晶界上的孔隙的尺寸为rP，平均晶粒尺寸为Ga，则孔隙的体积分数为fP=48(rP/Ga)3假设单位晶界面积上的孔隙个数为N，则N=24/πGa2晶界迁移的驱动力F=2kγgb(1/Ga-1/G)k=4/5(for normal grain growth)孔隙或夹杂物及溶质原子对晶界的拉力为Fd=πrPγgb(N+MP/Mb)其中：孔隙的移动性MP=An/rPnAn、rn依赖于导致孔隙迁移的物质迁移机构其中δ为表面层厚度；m为摩尔质量；αˊ为蒸发速度常数晶界移动性Mb=(αC∞+1/Mo)-1Mo：晶界本征移动性，C∞：溶质原子的平均浓度因而对晶界总的拉力为Fd=πrPγgb(N+AnαC∞/rPn+An/MorPn)产生晶界与孔隙分离或形成晶内孔隙的条件是晶界迁移驱动力F≥施加在晶界上的拉力Fd容易发现rP愈小,N↑，→Fd↑细粉末难以形成内孔隙原始晶粒尺寸分布愈均匀，晶界与孔隙分离的机率也愈小晶粒长大动力学方程为Gn -Go n =kt 2<n≤3Ga为平均晶粒尺寸孔隙等的存在导致晶粒长大速度下降§3 纳米粉末的烧结特性与烧结技术1. 纳米晶材料具有传统与微米晶材料的不同特性不透明→透明；脆性→超塑性；绝缘→导体；电子材料：很高的磁阻，超磁性（可控的能带间隙）技术困难纳米粉体的烧结是为了得到纳米晶全致密的块体材料(矛盾)2.目标：关键是在保持块体材料呈现纳米晶结构，而又能获得全致密化纳米粉末具有本征的偏离平衡态的亚稳结构纳米晶结构还导致晶体结构的改变固溶度增加物理性能改变问题是1）烧结后产生晶粒粗化→非纳米晶结构活性高:烧结驱动力用于致密化和晶粒长大2）试样细寸细小，特别是难以得到出现性能突变的可供测试的样品，无法判断对应晶粒尺寸3）工程应用也受到制约为什么纳米粉末颗粒的烧结活性很高？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2）烧结动力学由烧结动力学方程(X/a)m=F(T).t/am-n纳米粉末颗粒的a值很小达到相同的x/a值所需时间很短，烧结温度降低。
粉末冶金学第四章
结时成为液相，因液相的存在可保证烧结制品孔隙很少，甚至
没有孔隙。
第四章烧结
1.烧结过程的热力学 （1）烧结热力学 热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从 一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。 热力学主要研究某一变化在一定条件下能否发生，若能发生，其方向和 限度如何，而无法解释其发生的道理，也不可能预测实际产量，只预测反
图4-8阶梯状表面示意图
第四章烧结 Ⅴ晶界扩散机构 晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面，即晶粒与晶粒之间的接 触界面叫做晶界。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取 向，故晶界处原子排列处于过渡状态。 晶界扩散指烧结过程中，由于界面自由能的作用，使质点沿着颗粒界 面和相际界面的扩散迁移。 面两边的晶粒结构排列各不相同，而界面上的结构排列又必然要和相 邻的两个晶粒的结构状况相适应，因此界面易出现一个无序排列的过渡 层，在这一过渡层缺陷过多，空位浓度差较大，杂质浓度差也较大，使 界面扩散比体积扩散快得多。界面扩散往往成为物质传递和空位迁移的 通道和出口，由体积扩散产生的气孔最后往往通过界面扩散而消除。 界面扩散的结果使颗粒接触面增大，颗粒中心相互逼近，晶粒长大，烧 结体致密化，达到烧结目的。
第四章烧结 表面扩散机构是通过表面的原子与表面的空位互相交换位置来进行， 表面指表面之中而不是表面之上。
抛光的金属块表面，若以原子尺度观察，其表面凹凸不平，原子排列
呈阶梯状。金属粉末颗粒表面更不规则，烧结过程中，颗粒的相互联结 是在颗粒表面上进行。比表面较大的微细粉末在低温烧结时，表面扩散
占主导地位。
第
烧
四
章
结
Sintering
粉末冶金原理中文ppt课件
参考书目
1.黄培云主编：粉末冶金原理，冶金工业 出版社
2.王盘鑫主编：粉末冶金学，冶金工业出 版社
1
经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
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经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
绪论
➢ 粉末冶金材料和制品的发展方向 ➢ 1、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高
质量的结构零部件发展。 ➢ 2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密
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经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
绪论
粉末冶金工艺的基本工序 1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：
机械法和物理化学法。其中机械法又可分为：机械粉碎和 雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合 法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。 其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。
绪论
1.粉末冶金——是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金 属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和烧结制造金属材料、 复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有 相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。
粉末冶金学复习资料第四章
第四章烧结粉末冶金是一门研究制取各种粉末，并以粉末为原料，通过压制成形、烧结和必要的后续处理制成材料和制品的科学技术。
又叫金属陶瓷法（生产工艺类似烧结机械零件的基本制造工艺• 4.1 烧结的定义和分类烧结的重要性和必要性：烧结是粉末冶金生产过程中最基本和最重要的工序，对粉末冶金材料和制品的性能将起决定性作用。
虽然粉末冶金生产过程一般看作是由粉末成形和烧结两道基本工序完成的，但是粉末松装烧结、粉末双金属板材等不一定需要成形工序，而烧结工序或者相当于烧结的高温工序（如热压或热锻）却是所有粉末冶金材料和制品生产中不可缺少的最重要工序之一。
烧结的定义和分类烧结的实质：烧结就其实质而言，仍属于一种高温热加工处理过程。
将粉末成形压坯在低于材料主要组分熔点温度以下进行高温处理，并在某个特定温度和气氛中发生一系列复杂的物理和化学的变化，把粉末压坯中粉末颗粒由机械啮合的聚集体变为原子晶体结合的聚结体，最终获得材料必要的物理和力学性能。
烧结的定义和分类烧结的定义：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)下进行加热处理，借助于原子迁移实现颗粒绝对熔点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。
烧结过程按照有无外加压力可以分为两大类：不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结，简称不加压烧结和加压烧结固相烧结是指整个烧结过程都是在固态下进行的。
烧结体系按粉末原料的组成可以分成：由纯金属、化合物（如Al2O3，B4C等）或固溶体组成的单相系；由金属-金属、金属-非金属、金属-化合物组成的多相系。
单元系烧结：纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物，在其熔点以下的温度进行的固相烧结过程。
(属于固相烧结)由两种或两种以上组元构成的多元系烧结，分为两种类型：一种是烧结温度低于多元系中低熔点组元的熔点下进行的烧结，属于多元系固相烧结，如铁-石墨、Cu-Ni、Fe-Ni熔点成分的熔点温度下进行的烧结，即在烧结中出现明显的液相成分，称其为多元系液相烧结。
粉末冶金原理第四部分 粉末烧结技术
52
Part 2： 粉末烧结
对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则:
• • • • K=COS(θ /2)=γ gb/2γ s E=6γ sρ Vb[K+A(1-K)]/G ρ 为烧结进行过程中的密度 对Vb微分，得致密化压力 Pd=6γ s(1-ρ )ρ 2(1-K)/[G(1-ρ o)2] ρ o为坯块的起始密度
一、作用在烧结颈上的原动力(driving force for neck growth) 二 、 烧 结 扩 散 驱 动 力 (driving force atom diffusion) 三、蒸发-凝聚物质迁移动力—蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力
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Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
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Part 2： 粉末烧结
• 考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为 ρ ）空位浓度的差异 空 位 浓 度 梯 度 ▽ Cv= Cvoγ Ω / （kTρ 2） • 可以发现 • ↑γ （活化） • ↓ρ （细粉） • 均有利于提高浓度梯度
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Part 2： 粉末烧结
三、蒸发-凝聚气相迁移动力—蒸汽压差 (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)
Part 2： 粉末烧结
含 义
2 低于主要组分熔点的温度
* 固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点 * 液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
Part 2： 粉末烧结
含 义
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging →Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
粉末冶金原理
粉末冶金原理粉末冶金新技术摘要本文主要从粉末冶金的基本工艺过程阐述粉末冶金工业今年出现的新工艺，粉末冶金的制粉，成型，烧结等方面论述了粉末冶金的新工艺以及这些工艺的特点及相关应用，论述粉末冶金的新工艺的发展方向关键字：粉末冶金、新技术、粉末冶金工艺1.引言粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。
粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。
由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用粉末冶金是一门新兴的材料制备技术。
近代粉末冶金兴起于19世纪末20世纪初。
至20世纪30年代, 粉末冶金整套技术逐步形成, 工业生产初具规模, 对工艺过程及其机理的研究也取得了一定成果。
20世纪中期, 粉末冶金生产技术发展迅速, 产品应用领域不断扩大, 成为现代工业的重要组成部分。
并在此基础上, 为适应科学技术飞速发展对材料性能和成形技术提出的更高要求, 开发了多项粉末冶金新工艺, 包括: 热等静压、燃烧合成、快速凝固、喷射成形、机械合金化、粉末注射成形、温压成形、快速全向压制、粉末锻造、热挤压、爆炸。
2.粉末冶金新技术--制粉2.1雾化法制备金属粉末---低氧含量铁粉生产在无氧气氛中进行, 并包含一些石蜡,这些分解为碳与氢。
碳与铁反应, 形成很薄的富碳表面层。
碳含量使颗粒的延性降低, 但提高了表面的烧结活性。
在粉末压块中, 碳易于扩散到颗粒中心及相邻的颗粒中, 因而可用于生产不需添加石墨的粉末冶金钢。
瑞典IPS钢粉公司每年低氧含量雾化铁粉, 其氧含量低于 (0.015%)。
对于粉末冶金应用来说,这种无氧粉末允许使用便宜的合金元素(铬和锰等)代替镍和铜。
镍作为战略性资源，不但价格昂贵，并且还是一种致癌物, 应尽量避免使用。
这种粉末也很适合于用温压与热等静压工艺来生产高强度部件。
粉末冶金学
Ⅰ还原法
用还原剂还原金属氧化物及盐类来生产金 属粉末是一种最广泛采用的制粉方法。 MeO(金属氧化物)+X(还原剂)=Me+XO 那么到底哪些物质能做哪些氧化物的还原 剂呢？这可由金属氧化物的标准生成自由 能图中得出：
氧化物的标准生成自由能-温度图
氧化物的标准生成自由能-温度图的说明
随温度升高，△G°增大，各种金属的氧化反应愈难进 行，由于随温度升高，金属对氧的亲和力减小。因此， 还原金属氧化物通常要在高温下进行 △G°-T关系线在相变温度处，特别是在沸点处发生明 显的转折，这是由于系统的熵在相变时发生了变化。 CO生成的△G°-T关于系统得走向是向下的；即CO的 △G°随温度升高而减小。即这条线与很多金属氧化物 的△G°相交。这说明在一定温度下碳能还原很多金属 氧化物。如Fe、W的氧化物。 2H2+O2=2H2O的△G°-T关系线在Cu、Fe、Ni、Co、 W等氧化物的关系线以下，说明在一定条件下氢可以还 原Cu、Fe、Ni、Co、W等氧化物 位于图中最下面的几条关系线所代表的金属如Ca、Mg 等与氧的金和力最大。所以Ti、Zr、Th、U等氧化物要 用Ca、Mg作还原剂，这就是所谓的金属热还原。 在同一温度下，图中位置愈低的氧化物，其稳定性愈大， 即该元素对氧的亲和力愈大。
晶粒
各种粉末实物图
锌粉
铁粉
合成金刚石粉
不锈钢粉
粉末实物照片
纯钨粉
a)
b
Al2O3和C粉
1mm
粉末颗粒的形状
球形、近球形、片状、多角形、树枝状、多孔海绵状、碟状、不规则形
§2-2 粉末的性能
1、化学成分：主要金属的含量和杂质的含 量 2、物理性能 :颗粒密度,显微硬度 ,颗粒大 小,粒度组成,比表面积 3、工艺性能：包括松装密度、摇实密度、 流动性、压缩性和成型性。
粉末冶金原理课程教学大纲
粉末冶金原理课程教学大纲课程名称：粉末冶金原理英文名称：The Principle of Powder Metallurgy课程编号：X3010781学时数：80学时其中实验学时数：16课外学时数：0学分数：5.0适用专业：材料化学一'课程的性质和任务《粉末冶金原理》是材料化学专业的专业必修课。
是培养材料化学专业工程技术人员和相关领域研究人员必要的专业课程。
课程涉及粉末冶金原理、工艺、粉末冶金材料及新技术, 特别是粉末冶金技术在新材料研究上的应用。
通过教学，要求学生基本到达：1了解粉末冶金技术的现状及开展，以及在目前新材料研究中的应用。
2较为系统地掌握粉末冶金学原理和工艺技术。
掌握粉末冶金及材料制备的基础理论和工艺过程，熟练掌握铁基粉末冶金材料的工艺制备技术，理解热力学、冶金动力学等方面的基本概念、基本理论。
3理解粉末冶金材料的分类与应用，以及基本制备方法。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点课程教学的基本要求：（-）概述掌握粉末冶金的概念，了解粉末冶金技术的现状及开展前景，以及在目前新材料研究中的重要应用。
重点：粉末冶金基本概念。
难点：粉末冶金工艺。
（二）粉末的制取了解各种粉末制取方法与特点：了解液相沉淀法、电解法制备金属粉末技术，熟练掌握机械粉碎法，雾化法，还原法制备金属粉末的工艺技术和设备。
重点：水雾化法、还原法。
难点：还原法。
（三）粉末的性能及其测定了解粉末的概念及粉末的性能，了解粉末化学检验内容与方法，掌握粉末颗粒形状分类与分析。
熟练掌握金属粉末工艺性能测试方法。
重点：粉末工艺性能。
难点：粉末比外表的分析。
（四）成形掌握成形前材料准备方法，了解粉末压制过程及力学分析，熟练掌握压坯密度及其分布, 了解压制设备，理解特殊成形技术方法。
重点：压坯密度分布规律。
难点：压制方程。
（五）粉末冶金模具设计基础了解模具设计基础，掌握压坯的正确设计，掌握模具参数选择和零件尺寸计算。
重点：压坯设计。
粉末冶金原理
雾化机理分析：有物理—机械作用和物理—化学变化（具体分析见P95）。
影响雾化粉末性能的因素：
（1）雾化介质
1）雾化介质类别：气体：空气和惰性气体等。空气-雾化过程氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属（如铜、铁和碳钢等）。惰性气体—减少金属液的氧化和气体溶解。液体：水
利用机械旋转的离心力将金属液流击碎成细的液滴，然后冷却凝结成粉末。
3.快速冷凝技术（RST）
主要特点：
（1）急冷可大幅度地减小合金成分的偏析；
3）金属液流股直径：当雾化压力与其他工艺参数不变时，金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多。
（3）其他工艺因素
1）喷射参数：金属液流长度、喷射长度、喷射顶角等对不同的体系，适当的喷射顶角一般都通过试验确定。
2）聚粉装置参数的影响：液滴飞行路程较长，有利于形成球形颗粒，粉末也较粗。
气雾化和水雾化的区别：
2.雾化法
①二流雾化法，分气体雾化和水雾化；
②离心雾化，分旋转圆盘雾化、旋转电极雾化、旋转坩埚雾化；
③其他雾化法，如真空雾化、油雾化等
比较原理：二流雾化法是利用高速气流或高压水击碎金属液流的，而机械粉碎法是借机械作用破坏固体金属原子间的结合，所以雾化法只要克服液体金属原子间的键合力就能使之分散成粉末，因而，雾化过程所消耗的外力比机械粉碎法小得多。
第六节：雾化法
1.雾化法
雾化法属于机械制粉法，是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法。又称喷雾法。可用于制取铅、锡、铝、铜、镍、铁、锌等金属粉末，也可制取合金粉末。
液体金属的击碎包括制粒法和雾化法：
粉末冶金原理-粉末成形-第一讲
提纲
第4章 粉末成形
1. 成形前粉末的预处理 2. 粉体压制成形原理与技术 3. 特殊成形技术
2
4.1成形前粉末的预处理
预处理包括分级、合批、粉末退火、筛分、混合、 制粒、加润滑剂、加成形剂。
粉末退火
作用: 1. 降低氧碳含量，提高纯度 2. 消除加工硬化，改善粉末压制性能 3. 退火温度：高于回复-再结晶温度（0.5-0.6）Tm。 4：退火气氛：还原性气氛（CO，H2），惰性气氛， 真空
十四面体是一种高效率的空间填充方 式，表面积和体积的比值最小。
十四面体示意图
V 1281 2 L3 11.31L3
S 4321 2 6 L2 26.78L2
G 81 2 L 2.83L
L是多面体的棱长；
V 体积；S面积；G晶粒尺寸
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4.2粉体压制成形原理与技术
内，通过模冲对粉末进行加压，卸载后，压坯从阴 模内压出。
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4.2粉体压制成形原理与技术
粉体压制成形
粉体压制现象
压力经上模冲传向粉末时，粉末向 各个方向流动，产生垂直于侧模壁 的压力（侧压力）。
粉末所受压力的分布是不均匀的： 压力沿横向比垂向困难很多； 压坯在高度上出现显著的压力降， 上模冲端面的压力相比很大； 中心部分与边缘部分也存在着压力 差。
即该离子的配位数。如在NaCI 结构中，钠离子在八 面体空隙中，每个钠离子周围有6个氯离子，钠离子 的配位数即为6。 压缩过程中配位数 Nc 随残余孔隙度 有如下的变化：
Nc 14 10.4 0.38
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4.2粉体压制成形原理与技术
粉体压制成形-位移和变形
开始阶段大孔隙消失，随着压力的增加，每个颗粒 与相邻颗粒接触的配位数增加；
粉末冶金原理-粉末成形-第二讲
16
4.2粉体压制成形原理与技术
压制压力与压坯密度关系的解析
• 黄培云压制理论：考虑粉末的非线性弹滞体的特征和压形 时大幅度变化
lg ln
m m
0 0
n lg
p lg M
：压坯密度；0：压坯原始密度 m：致密金属的密度；
n：硬化指数的倒数； M：压制模量。
不规则粉末在压制过程中的接触面积比规则形状粉末大，压 坯强度高，成形性好。 粉末松装密度的影响
松装密度小，模具的高度及模冲的长度必须大，压制高密度 压坯时，密度分布容易不均匀。
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4.2粉体压制成形原理与技术
压坯密度的分布分析 影响压制过程的因素
• 粉末的性能 材料及粉末组成的影响
粉末的强度越高，压制成 形越难。
面，边缘的应力比中心 部位的大； 远离模冲的底部，中心 部位的应力比边缘应力 大。
3
4.2粉体压制成形原理与技术
侧压力和模壁摩擦力
侧压力与正压力关系：
P侧
=
P=
1
P
测压系数 ：单位侧压力与单位压制压力的比值
测压系数
=
P侧 P压
=最大
最大 为达到理论密度的测压系数；
• 常用的压坯强度与压坯相对密度的关系
C 0 m
C为常数；m 6
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4.2粉体压制成形原理与技术
压制压力对压坯强度的影响
• 压坯强度的提高依赖于压坯密度的提高，压坯密度的提高又 需要高的压制压力。如何建立压坯强度与压制压力的关系？
• 途径一：通过压坯强度与压坯密度的关系、压坯密度与压制 压力的关系建立模型（解析的）。
• 第Ⅲ阶段：压力继续增大超过某一 定值后，随着压力的升高，压坯的 相对密度继续增加。（粉末颗粒开 始变形，位移和变形都起作用）
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4.2 粉末退火
粉末的退火可使氧化物还原，降低碳 和其他杂质的含量，提高粉末的纯度， 同时还能消除粉末的加工硬化，稳定 粉末的晶体结构。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。
4.3 团聚粉末的分散
图4-1 颗粒接触处液体 作用产生粉末团聚
4.3 团聚粉末的分散
4.5 粉末的充填
4.5.1 粉末充填的意义 4.5.2 改善粉末充填的技术
4.5.1 粉末充填的意义
图4-7 粉末的松装密度与颗粒形状的关系
4.5.2 改善粉末充填的技术
图4-9 由大小颗粒组成的混合粉的 成分与粉末松装密度的关系
4.5.2 改善粉末充填的技术
图4-10 颗粒粒径比对混合 粉末松装密度的影响
4.4.5 干燥粉末的混合
图4-4 粉末在螺旋混合器中的对流混合和叶片式混合机的剪切混合
4.4.5 干燥粉末的混合
图4-5 混料器 a)圆筒 b)立方体 c)双锥筒 d)V形筒
4.4.5 干燥粉末的混合
图4-6 工艺条件对混合速度的影响
4.4.6 混合粉末的密度计算
混合后的粉末应当注意以下几点：避 免振动已经干燥的粉末；装料时不要 让干燥的粉末自由落下，因为这样易 发生粒度偏析；对粉末-黏结剂的混合 物来说，尽量减少粉末间不必要的剪 切。
图4-2 粉末颗粒研磨后发生明显的解团聚，形状发生改变
4.4 粉末混合
4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6
粉末混合的意义 粉末形状、粒度和纯度调整 混合物的均匀性 粉末混合方法 干燥粉末的混合 混合粉末的密度计算
4.4.1 粉末混合的意义
如前所述，混合和合批是压制前两个 常用的预处理步骤，它们的共同点是 将粉末混合均匀。不同点是合批是指 将成分相同而粒度不同的粉末或不同 生产批次的粉末进行均匀混合，保持 产品的同一性；而混合是指将成分不 同的粉末均匀混合，得到新成分的材 料。通过合批可以达到控制粉末粒度 分布的目的。
4.6.2 润滑剂
图4-13 润滑剂含量对压坯密度的影响
4.7 筛分
筛分的目的是筛选出符合粒度要求的 粉末颗粒。该过程一般是在振动筛系 统或气体分离器上完成，为了得到高 质量的制品，筛分过程可以除去粉末 中的部分机械杂质，杂质主要集中分 布在一个较小的粒度范围内而比较易 于筛分去除。
4.8 粉末制粒
第4章 成形前粉末的预处理末混合 4.5 粉末的充填 4.6 成形剂与润滑剂 4.7 筛分 4.8 粉末制粒 4.9 粉末操作安全与健康因素
4.1 概述
由于产品最终性能的需要或者改善粉 末的成形过程的要求，粉末原料在成 形之前要经过预处理。包括分级、合 批、粉末退火、筛分、混合、制粒、 加润滑剂、加成形剂等主要步骤。
4.6 成形剂与润滑剂
4.6.1 成形剂 4.6.2 润滑剂
4.6.1 成形剂
1)有较好的黏结性和润滑性能，在混合粉末中容易均匀分散， 且不发生化学变化。 2)软化点温度较高，混合时不易因温度升高而熔化。 3)混合粉末中不至于因添加这些物质而使其松装密度和流动 性明显变差，对烧结体特性也不会产生不利影响。 4)加热时，从压坯中容易呈气体排出，并且这种气体不影响 发热元件、耐火材料的寿命。
问题与习题 1.试区分成形剂和润滑剂的作用。 2.试述添加润滑剂的有害作用。 3. -100目/+325目的铜粉松装密度、压坯密度(350MPa成形压 力)随润滑剂含量变化的数据见表4-5。 4.润滑剂对于离心雾化的粉末会产生何种影响？ 5.对于长45cm、中心直径为35cm的双锥形混料器，最高旋 转速度是多少？ 6.试述软金属(锡)如果作为改进压坯密度的黏结剂会产生的 问题。 7.铁粉理论密度为7.86g/cm3，松装密度为3.04g/cm3，与质量 分数为1%的硬脂酸锌均匀混合，问混合物的理论密度是多 少？并估算松装密度。
4.9 粉末操作安全与健康因素
8.选择成形剂的原则是什么？成形剂的加入方式有几种？ 9.由混合方法准备Fe-2%Cu(质量分数)合金，铁粉由水雾化 法制得，铁粉粒度组成为5%为+100目，20%为-325目，25% 为-100 +325目(质量分数)。 10.在Fe-8%Ni合金中，如果每个Fe颗粒都至少与一个Ni颗粒 相邻(接触)的可能性为50%，假设颗粒接触相关数为8，那么， DFe/DNi的颗粒粒径比为多少？ 11.计算水分为0.11%的20μm不锈钢粉混合物的结合温度。 12.有一种干燥粉末，产生流动剪切应力只有表现应力的1/2， 请问该粉末的自然堆积角是多少？ 13.添加硬脂酸作润滑剂后，理论密度等于2.6g/cm3的银粉末 被压制到85%的理论密度，如果孔隙饱和度小于75%，润滑 剂加入的最大量是多少？
4.4.2 粉末形状、粒度和纯度调整
表4-1 单一粒度的球形粉末混合后的比例
4.4.3 混合物的均匀性
图4-3 粉末各组元的分散程度
4.4.4 粉末混合方法
粉末混合方法有机械法和化学法两种。 其中用得最广泛的是机械法，即用各 种混合机械如球磨机、V形混合器、锥 形混合器、酒桶式混合器和螺旋混合 器等将粉末或混合料机械地掺和均匀 而不发生化学反应。
4.9 粉末操作安全与健康因素
14.如果以直径为20μm的球形颗粒排列成立方结构(每角一个 球体)，那么，在留下的间隙中，能装下最大直径为多少的 球形颗粒？如果该(20μm)球形颗粒随机排列，孔隙尺寸(孔 隙度)可能有多少？ 参考文献
表4-2 硬脂酸锌作为成形剂时的技术要求 表4-3 石墨粉作为成形剂的技术要求
4.6.2 润滑剂
表4-4 一些常用粉末冶金润滑剂的特性
4.6.2 润滑剂
图4-11 润滑后的水雾化不锈钢粉的松装 密度与混合时间和润滑剂质量分数的关系
4.6.2 润滑剂
图4-12 霍尔流量计测出的 润滑剂对流动时间的影响
图4-15 粉末制粒过程
4.8 粉末制粒
图4-16 喷雾干燥钼粉的扫描电镜照片
4.8 粉末制粒
图4-17 喷雾干燥制粒装置示意图 1—搅拌槽 2—雾化塔 3—喷嘴 4—鼓风机 5—旋风收集器 6—洗涤冷凝器
7—冷凝器 8—加热器 9—水槽 10—贮槽 11—料桶 12—泵
4.9 粉末操作安全与健康因素