材料工程基础讲稿30

气流研磨大体分为三种类型：旋涡研磨，冷流冲击，流 态化床气流磨。
1)旋涡研磨
研磨软金属粉末的制粉方法。 通过一对高速旋转的螺旋桨使 气体流动→两股相对气流，夹 带着被研磨的粉末物料，使颗 粒间或颗粒与螺旋桨间相互 碰撞、摩擦→粉末细化。 通入惰性气体或还原性气体防 止金属氧化和安全作用。 原料：细金属丝、切削料等。 旋涡研磨制得的粉末颗粒具有 表面凹型特征——碟状粉末。
§1-3 化学制粉方法 1、化学气相沉积法 使气相物质发生气-固相变或气相化学反应→金属或陶 瓷粉体。 按制备的物化原理划分，气相沉积制粉可分为物理气相 沉积和化学气相沉积。 1）化学气相沉积制粉原理 化学气相沉积的反应类型分为两种： 分解反应 aA(气)→mM(固)+nN(气) 化合反应 aA(气)+bB(气)→+mM(固)+nN(气) 四个步骤：化学反应、均相形核、晶粒生长、团聚。
上表数据说明:细化过程→总表面增加的同时，立方体的
棱边及顶角数剧增加。
从材料的结构角度考虑，无论何种大小的颗粒，都可认
为是由内部结构和表层结构组成。
内部结构：材料的晶体学结构，材料及材料的制备方法 确定后，内部结构也就同时确定； 表层结构与内部结构不同，是集中在表层的几个原子范 围内。
按照材料的结构决定材料的性质这一基本准则，可以 得出结论:颗粒内部性质与表层性质是不同的。当颗粒较 大时，表层原子所占的比例很小，可不考虑此影响。但是
1)粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特 殊性能的材料： 控制孔隙度：如可生产各种多孔材料、多孔含油轴承 等； 利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种 特殊性能的材料，例如，钨-铜假合金型的电触头材料、 金属和非金属组成的摩擦材料等； 生产各种复合材料，如由难熔化合物和金属组成的硬质 合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料；纤维强化复合材料 等。
粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的→↑颗粒动能 →↑载流气体的速度。 两种办法： 提高气体的入口压力； 气体喷嘴的气体动力学设计。 使喷嘴出口端的气体流速达到超音速。 ↑效率，研磨腔内气体中保持一定的粉末浓度→↑颗粒 碰撞几率——适当。 浓度↑→气体流动阻力↑→气流速度降低，对提高粉末
颗粒的动能不利。
(1)化学反应：对于一个确定的化学反应体系，判断其 能否进行的热力学判据为： 分解反应： n pN o (1-5) G G RT ln
p
a A
化合反应：
G G RT ln
o
n pN a b p A pB
(1-6)
由式(1-5)、 (1-6)可知，化学气相沉积反应的控制因素 包括： 反应温度、气相反应物浓度和气相生成物浓度。
§1-3 物理制粉方法 1、雾化法 通过高压雾化介质强烈冲击金属液流，或离心力使其破 碎、冷却凝固——制粉。 破碎过程：大聚集体分裂成小 液体颗粒→再凝固成小固体颗粒。 提高雾化制粉效率的基本准则。 ①能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体从系统 中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加； ②快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防止液体 微粒的再次聚集。 雾化制粉可分为：双流雾化、单流雾化
制粉方法可归纳为三类： 机械制粉、物理制粉和化学制粉。 机械制粉：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块 材料或粗大颗粒细化的方法； 物理制粉：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料 的聚集状态发生改变，获得粉末； 化学制粉：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的 粉态物质，化学制粉的方法很多，主要有还原法、热分解 法、沉淀法、电解法等。
2)生产的某些材料，与普通熔炼法相比具有新的特点： 高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法好，如粉末高速 钢、粉末超合金可避免成分的偏析→具有均匀的组织和稳 定的性能，同时具有细晶粒组织使热加工性改善； 生产难熔金属材料或制品，一般依靠粉末冶金法，例 如，钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末 冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。 从制造机械零件看，制造机械零件具有少切屑、无切屑 特点，减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。 不足之处，如粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状 受到一定的限制，烧结零件的韧性较差等。
1、粉末的基本特性 粉体的基本性质：粉末共性，与材料的类型无关。 对于粉体，除了解因材料种类不同而引起的物性区别 外，还应分析：单个颗粒及颗粒的聚集状态。 单个颗粒:内部没有孔隙的致密材料：非晶、单晶或是 内部晶界密度不很高的多晶体。 颗粒聚集体:是由单个颗粒以弱结合力构成的。 二次颗粒：一次颗粒与孔隙，低于该材料的理论密度； 结合强度：内部的单颗粒间 是弱连接方式结合。 一次颗粒：内部原子的断 键过程→↑能量输入； 二次颗粒：界面的弱结合力 断开，由界面能→表面能， 能量的输入↓。
颗粒大小与粉体材料的性质之间的相互关系： 根据目前的习惯划分，颗粒大小分为以下几个范围: 粗颗粒 150-500μ m 中颗粒 44-150μ m 细颗粒 10-44μ m 极细颗粒 0.5-10μ m 纳米颗粒 ＜0.1μ m 颗Leabharlann Baidu的不断细化，必然导致材料性能性能的变化。
表1-1 立方体细化的数据
随着颗粒不断细化，大量的内部原子移至表面，表层结构
对材料性质的影响将成为主要因素，最主要的是粉体的比
表面积增大，表面能增大。
粉末颗粒有：球状、片状、蝶状、树枝状、不规则状、
多孔状、多角状等。
测量粉末直径时应注意聚集状颗粒的影响。
§1.2 机械制粉方法 1、机械研磨法 利用动能来破坏材料的内结合力→分裂产生新的界面。 提供动能的方法：如锤捣、研磨、辊轧等。 球磨制粉要素:球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质→对 研磨效率有直接的影响。在球磨过程中，球磨筒将机械能 传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击 力、侧向挤压力、摩擦力等→作用到脆性粉末颗粒→细 化。实质：大颗粒的不断解理过程；如粉末的塑性高，则 颗粒的细化过程：磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等 行为。不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原 则是一致的。
表1-4 固溶体中w（Si）和冷却速率的关系
③↓↓成分偏析→成分均匀，如高温合金中的σ相，因 激冷被抑制或者消除某些有害相。 ④冷速提高→枝晶间距↓、晶粒细化，晶体结构向非稳 态转变，可获得细晶、微晶、准晶甚至非晶粉末。 2、物理蒸发冷凝法 采用不同的能量输入→金属汽化→在冷凝壁上沉积→金 属粉末。 粉末粒度↓↓→比表面积↑↑→化学活性↑。为防止粉 末氧化，在冷凝室内通入惰性气体。在金属蒸气脱离熔体 的很短时间内→被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集 成超微颗粒。物理蒸发冷凝法生产效率较低，但可获得粒 径达2nm的纳米颗粒。
1）双流雾化法 气雾化和水雾化法：金属粉末制备。 雾化制粉：熔化金属或合金→中间包→液滴与流体混合 流动→热量被雾化介质带走→短时间内凝固→粉末颗粒。 过程有四种情况同时发生： ①动能交换：雾化介质动能→金属液滴表面能； ②热量交换：雾化介质带走 大量的液固相变潜热； ③流变特性变化：粘度及表 面张力随温度↓→变化； ④化学反应：高比表面积颗粒 的活性↑→化学反应。
(2)转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球 与筒及球与球间的碰撞。V临l值的大小受磨球的加入量、 研磨介质、磨球大小等因素决定，应根据实际情况进行研 究确定。只有当滚筒转速大于V临1时，才能有较好的研磨 效果。
(3)转速增加到某一值时，磨球的离心力大于重力，磨 球、粉料与磨筒处于相对静止状态→研磨作用停止——临 界转速V临2，理论上可以推导出: V临2=42.4/D1/2 （1-1）
粉末冶金概论
用金属粉末或与非金属粉末的混合物为原料，经成形 和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺 过程。 与生产陶瓷有相似处——金属陶瓷法。 1、粉末冶金工艺 1）制取金属粉末、合金粉末、金属化合物以及包覆粉 末； 2）原料粉末成形； 3）烧结 4）处理制得成品。
2、粉末冶金的发展简史 粉末冶金材料和制品 钨 难熔碳化物 电触头材料 WC-Co硬质合金 烧结摩擦材料 多孔青铜轴承 WC-TiC-Co硬质合金 烧结磁铁 多孔铁轴承 机械零件、合金钢机械零件 烧结铝
(2)均匀形核：气相反应发生后的瞬间，在反应区内形 成产物蒸气→浓度达到过饱和状态→形成产物晶核。 由于体系中无晶种或晶核生成基底，产物晶核→均匀形 核。设晶核为球形，半径为r，则形成一个晶核，体系自 由能的变化∆G为： ∆G=4/3π r3∆Gr+4π r2σ (1-7)
将气相产物的形核生长过程认为是蒸发气相的冷凝过 程，就可以得出以下关系式： (1-8) * 2
第一章
粉末的制取
§1.1 概 述 材料粉体工程中，粉末的制取是重要的初始环节。 粉末制取技术： 机械粉碎法、还原法、雾化法、电解法、沉积法等，可 以制取金属粉末、无机非金属粉末、高分子材料粉末及生 物粉料。 如将水泥和面粉包括在内，则机械粉碎法的生产规模 最大。 在现代材料粉体工程中，重点研究的还是金属和陶 瓷的微粉制备技术。从这个观点出发，目前还原法制粉的 生产规模最大，雾化法及电解法次之。
出现年代 1909 1900--1914 1917--1920 1903--1925 1929 1921--1930 1929—1932 1936 1936 1936--1946 1946
金属陶瓷(TiC-Ni) 1949 钢结硬质合金 1957 粉末高速钢 1968 超细化粉末冶金 1980 现代：高纯度、超细化粉末材料，如生物、特殊功能材料 超导等 3、粉末冶金的特点 在技术上和经济上具有一系列的特点。 从制取材料方面来看，能生产具有特殊性能的结构材 料、功能材料和复合材料。
(1)动能准则:提高磨球的动能。 (2)碰撞几率准则:提高磨球的有效碰撞几率。 依据这两条准则，设计的球磨方式:滚筒式、振动式、 搅动式。运动特征
1）滚筒式球磨
进行粉料研磨时，筒内的磨球和粉料的分布状态随磨筒 转速由低向高存在三种形式。 (1)当转速较低时，球料 混合体与筒壁作相对滑动 运动，并保持一定的斜度。 随转速的增加，球料混合 体斜度增加，抬升高度加 大，这时磨球并不脱离筒 壁。
D—磨筒的直径
为获得最佳研磨效果，滚筒球磨的转速的限定条件为 V临1＜V实际＜V临2 （1-2） 提高球磨效率的一个基本准则是提高磨球的动能。式 (1-2)的限定条件实际上与这一动能准则相违背，因此滚 筒球磨的球磨效率是很有限的。
2、气流研磨法 通过气体传输粉料的研磨方法。 气流研磨腔内是粉末与气体的两相混合物，不同化学性 质的粉料→不同的气源，如陶瓷粉—空气，金属粉末—用 惰性气体或还原性气体。 化学纯度高。 制粉过程：粉料由高速气流的流动获得动能，通过粉末 颗粒间的相互摩擦，撞击或颗粒与制粉装置间的撞击使粗 大颗粒细化。 提高气流研磨效率遵循两条准则 (1)动能准则：提高粉末颗粒的动能。 (2)碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。
3）雾化制粉的特性 ①主要用于金属、合金和可熔的氧化物陶瓷材料加工。 氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力↑↑，难以获得细微 陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，如，硅酸铝 纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。 ②快速凝固技术 ，能够增加金属元素的固溶度。Al-Si合 金平衡凝固时，α相Si含量为1.65%；雾化Al合金粉中， α固溶体中Si含量随冷速增加
按能量输入方式物理蒸发冷凝法可分为： 1）电阻加热方式 蒸发源采用舟状难熔金属，如钨、钼、钽等作为电阻发 热体。由于发热源与被蒸金属在高温状态下直接接触，须 注意： ①不与被蒸高温熔融原料形 成合金； ②被蒸原料的蒸发温度不能 高于发热体的软化温度，电阻 加热蒸发法适合于低熔点金属 超微粉制备。
2）等离子体加热方式 蒸发金属放在水冷铜坩埚上，在斜上方有一等离子体 枪。施加高频直流电压后，等离子枪内的惰性气体被电 离，形成等离子体→弧柱内的温度高达10000K，被蒸金 属作为阳极接受电子流→成为受热部位→金属局部迅速融 化→过热蒸发→蒸发室中有烟雾生成→金属超微粒子。