粉末冶金原理

课程名称：粉末冶金学

Powder Metallurgy Science

第一章导论

1粉末冶金技术的发展史History of powder metallurgy

粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法。

粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。

.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；

.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达6.5T的“DELI柱”（含硅Fe合金，耐蚀性好）。

.19世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，成为现代粉末冶金技术的基础。

.20世纪初，现代粉末冶金的发展起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。钨灯丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。

.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。

.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工业部门的广泛应用。随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的制造成本生产高性能零部件的技术优点。

.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。

.战后，迫使人们开发研制更高性能的新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高强度铁基粉末冶金零部件(热锻)。大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领域。

.粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。

2粉末冶金工艺

粉末冶金技术的大致工艺过程如下：

↓

成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）

↓

烧结（加压烧结、热压、HIP等）

↓

—后续处理

Fig.1-1 Typical Processing flowchart for Powder Metallurgy Technique 3粉末冶金技术的特点

.低的生产成本：

能耗小，生产率高，材料利用率高，设备投资少。

↑↑↑

工艺流程短和加工温度低加工工序少少切削、无切削

.材料成分设计灵活、微观结构可控（由工艺特征决定）：

能制造普通熔练法不可能生产的材料，如W-Cu、SnO

2

-Ag、WC-Co、Cu-石墨、金

属陶瓷（TiC-NiCr,Al

2O

3

-Ni或Cu,TiB

2

-Cu等）、弥散强化材料（Al

2

O

3

-Cu Al

2

O

3

-Al，

Y 2O

3

-Fe基合金）、粉末超合金（非相图成分）、难熔金属及其合金如钨钼、含油

轴承、过滤材料等。

.高的性能：

粉末高速钢、粉末超合金因无成分偏析和稳定的组织（细的晶粒）而性能优于熔炼法制备的合金；纳米材料，金属－陶瓷梯度复合材料（梯度硬质合金）。

主要不足之处：

.由于受设备容量的限制，传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零部件的尺寸较其它加工方法（铸造，机加工等）小；

.材料韧性不高；

.零部件的形状复杂程度和综合力学性能有限等。

正被新型成形技术（如无模成形技术，温压成形，注射成形）逐步克服。

4粉末冶金材料及其零部件的应用

由于粉末冶金材料及其零部件较其它加工方法制造的零部件的成本低，以及其性能能满足特种要求，因而粉末冶金零部件和材料在国民经济各部门的应用十分广泛。如：

.汽车制造业的各种粉末冶金零部件；

.机加工工业中的切削用硬质合金和粉末高速钢刀具；

.电子工业用粉末冶金磁性材料和电触头；

.计算机的原器件用电子封装材料；

.机械制造业的减磨零件和结构部零件；

.航天航空业中的耐热材料及结构零部件；

.家用电器中的微型轴承；

.原子能材料；

.武器系统和作战平台（高效、低成本）；

.建材工业用金刚石工具材料等。

.环保与化工用催化剂及过滤器件。

总之，粉末冶金材料与人们的生活密不可分，在国民经济和国防建设中发挥重大作用。而且，随着粉末冶金新技术和新工艺的开发与应用，粉末冶金的技术上的优越性也更加显著，应用领域不断扩大。如温压成形技术的出现使粉末冶金零部件在轿车上的应用水平由原来的13.2Kg/辆增加到22Kg/辆，大大扩大了粉末冶金零部件的应用范围。

5粉末冶金的未来发展

. 大量高性能铁基粉末冶金结构零部件的开发与应用。

．组织均匀的全致密、高性能难加工材料的开发与应用。

．非平衡材料（amorphous,microcrystalline,metastable alloys）.

．特种新型材料的开发与应用（纳米复合材料，梯度复合材料）

. 新型成型与烧结技术的开发

. 计算机仿真技术的应用

6粉末冶金技术与其他材料加工技术间的关系

粉末冶金作为一种加工方法，主要从成本和性能上弥补其他加工技术上的不足。与其它加工技术一样同属材料科学与工程的范畴，为人类社会的文明和进步不断提供物质基础。特别是，在新材料的研制和开发过程中，粉末冶金技术因其独特的工艺优势将继续发挥先导作用。

第二章粉末的性能与测试方法简介

§1 粉末及粉末性能

1粉末颗粒与粉末体的概念

习惯上，人们按分散程度将自然界的固体分为三类，即致密体（>1mm）、粉末体（0.1μm―1mm）和胶粒（<0.1μm）。然而随着纳米技术的发展，现在看来，这一分类方法存在严重不足之处。也就是说，超细颗粒与纳米颗粒均同属于粉末体的范筹。

粉末颗粒指组成粉末体的最小单位或个体，简称颗粒。

粉末体则是由尺寸小于1mm的颗粒及颗粒间孔隙所组成的集合体。

可流动性：由于粉末颗粒之间的相互作用力远低于通常固体内原子间作用力

压缩性：由于颗粒间存在相当数量的孔隙，也具有可压缩的特性。

单个粉末颗粒可能是单一晶粒，也可能是多晶粒。主要取决于粉末制备方法和制取工艺条件、颗粒大小和颗粒的晶体学特性。

2 粉末颗粒的性质

2.1颗粒的聚集状态

由于粉末颗粒细小，具有发达的表面积，颗粒表面附近的原子活性很高，导致粉末颗粒发生某些聚集现象。

单颗粒：单个独立存在的颗粒被称为单颗粒（粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒）。粗粉末通常以单颗粒形式存在。

一次颗粒（primary particle）：最先形成的不可以独立存在的颗粒，它只有聚集成二次颗粒时才能独立存在。

二次颗粒（secondary particle）：由两个以上的一次颗粒结合而又不易分离的能独立存在的聚集颗粒被称为二次颗粒。若能被分离，就成为单颗粒。细粉末由于表面发达而结合，通常以二次颗粒的形式存在。

一次颗粒往往不能单独存在而聚集在一起，聚集力主要是物理作用力，而非强化学健结合

一次颗粒粒度测定：惰性气体表面吸附方法BET

二次颗粒粒度测定：x-ray, optical microscope, TEM, SEM,light scattering

团粒（agglomelate）:由单颗粒或二次颗粒依靠范德华力粘结而成的聚集颗粒。絮凝体（flocculate）:在液体介质中由单颗粒或二次颗粒结合的更松软的聚集颗粒。

致密体：晶粒之间没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联结

粉末体：颗粒之间有许多小孔隙，而且联结面很小，面上的原子不可能形成强的键力

2.2 颗粒表面形貌(surface morphology)

粉末颗粒的表面形貌一般来说凹凸不平的，即使是采用机械破碎法制得的陶