粉末冶金原理

3氧化铁还原动力学
• 固体碳的间接还原氧化铁遵循多相还原机 理，即吸附-自动催化
600 还 原 速 率 mg /min 氧 300
C2 B3 C3
500 400
200
C1
100 0 0
B2 B1
20
40
60
80
100
还原百分率，%
• （1） Fe2O3还原的多层结构性： • 1）570以上： Fe2O3（芯部） Fe3O4 浮氏体 （Fe3O4·FeO 固溶体） Fe（外层） • 2）570以下： Fe2O3（芯部） Fe3O4 Fe • （2）反应速度：
第一章粉末制取
• • • • • • 1粉末的要求： 化学成分 物理结构 形状 粒度和粒度分布； 2制粉方法
生产方法 物 理 化 学 法
还 原 碳还原 气体还原 金属热还原 碳化或碳与金属氧 化物作用 硼化或碳化硼法 硅化或与硅与金属 氧化物作用 氮化或与氮与金属 氧化物作用 气相氢还原 气相金属热还原
一、金属氧化物还原基本原理
• 1.还原热力学
• 用还原金属氧化物可以获得金属粉末和合 金粉末
• 一种氧化物能否被还原首先要从热力学上 进行判断 • 判断依据： • MeO+X=Me+XO • 根据加和反应可写成：
• 2Me+O2=2MeO • 2X+O2=2XO
(1) (2)
• ½ [(2)-(1)] MeO+X=Me+XO
化学气相沉积
碳化物 硼化物 硅化物 氮化物
机 械 法
机 械 粉 碎
机械研磨 旋涡研磨 冷气流粉碎
脆性金属和合金 人工增加脆性的 金属和合金
Sb,Cr,Mn,高碳 铁 Sn,Pb,Ti Fe,Al
Fe-Al,Fe-Si Fe-Cr等合金 Fe-Ni,钢 不锈钢，超合金
雾化
气体雾化 水雾化 旋转圆盘雾化 旋转电极雾化
级 加工工艺
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
精密锻造 锻造（冲裁）
* * * * * * * * * * * * * * *
高精度锻造
冷压 粉末冶金 拉拔成型
磨加工
* * * * *
* * * * *
* * * * * *
各种方法可达到的径向尺寸公差
630
400
250 160 100 63 40 25
软磁材料 硬磁材料 高温磁性材料 矩磁铁氧体 旋磁铁氧体
电接触材料
电触头材料
金属-金属 金属-石墨 金属-金属化合物
电热材料
金属电热材料 难熔金属化合物
耐热材料
粉末超合金
粉末镍基超合金
粉末钴基超合金
难熔金属及其合 金 金属陶瓷 高温金属陶瓷 氧化物基 碳化钛基 高温涂层 弥散强化材料 氧化物弥散 碳化物 硼化物 氮化物 纤维强化材料 原子能工程材料 核燃料元件 铀合金 化合物 弥散强化 其他原子能工程 材料
摩擦材料
铁基摩擦材料
铜基摩擦材料
多孔材料
过滤器 流体分布元件 多孔电极 发散发汗材料 吸音材料 密封材料
工具材料
硬质合金
含钨硬质合金
WC-Co WC-Ti-Co 碳化钛基硬质合金 碳化铬基硬质合金
无钨硬质合金
钢结硬质合金
超硬材料
立方氮化硼
金刚石工具
陶瓷工具材料 粉末高速钢
磁性材料和电工 材料
磁性材料
(a) (b) (C)
(d)
根据△ZӨ= -RTlnKp 计算出不同温度下在
△ZӨ= 0时的上述每一个反应的CO的分压值， 然后作图，可得CO%-T图。
D
d
e
80 CO%
c
60
o
C
b
40
20
B
400
600
800
1000
1200
温度，℃
Fe-O-C
系平衡气相组成与温度的关系
2直接还原和间接还原
• 直接还原 即碳与氧化铁接触并通过碳原子 与氧化铁反应而进行的； • 间接还原 既碳发生气化反应产生CO，然后 通过CO气体在氧化铁表面的吸附并进行反 应，气化反应： • CO2+C=2CO, pco+pco2=1atm • 2C + O = CO, pco=1atm •
k Ae
E / RT
3）多相反应特点
• • • •
•
多相反应机理 吸附-自动催化： 吸附 MeO（固）+X（气）=MeO（固）· （吸附） X 反应 MeO（固）· （吸附）=Me（固）· （吸附） X XO 解吸 Me（固）· （吸附）=Me（固）+XO（气） XO
MeO（固）+X（气）= Me（固）+XO（气）
对于 反应物为球状的反应速度计算公式
dy k dt y ydy kdt
积分 : y 2 2kt 4 4 r03 (r0 y )3 y 3 由反应物分数X 3 1 (1 )3 4 r0 r03 3 y r0[1 - (1 - X )1/3] 则 [1 - (1 - X)1/3] 2kt Kt 2 r0
粉末冶金原理
Powder Metallurgy
绪论
• 1.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。
合金元素粉
原料粉
润滑剂
混合
成型 压坯 烧结
粉末制品生产示意图
产品
2.粉末冶金生产工艺
粉末冶金在汽车上的应用
据资料介绍：发达国家汽车制造业粉末 冶金制品的用量占其粉末冶金制品总产量 的绝大多数，如美国占90%，欧洲为80%， 而我国目前尚不足40%。欧洲平均每辆汽 车的粉末冶金制品使用量是14kg，日本为 16kg，美国已达到19.5kg以上，预计未来 可能达到22kg。而我国目前平均每辆汽车 粉末冶金制品的用量却只有4kg多点（按 2010乘用车产量1826万辆计算为4.15kg/ 辆）。
原材料
粉末产品 金属粉末
合金、化合物粉末
金属氧化物 金属氧化物及 盐类金属氧化 物
Fe，W Fe，W，Mo， Ni，Co，Cu
Fe-Mo，WRe Cr-Ni 碳化物 硼化物 硅化物 氮化物
还 原 化 合
气像还原
气态金属卤化 物 气态金属卤化 物 气态金属卤化 物
W，Mo Ta，Nb，Ti， Zr
Co-W，W-Mo
气体分子 氧化物
• 自动催化
速 度
a
b
c
时间 反应速度与时间的关系
影响反应速度的因素 （1）反应物之间的接触面积， 3(W01/3-W1/3)=Kt （2）化学反应速度 v=k2Acin （3）扩散速度 v=D/δ A(c-ci)=k1Ac0
103 102 10 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.2 1/T, K-1 温度对C+1/2O2 应速度的影响 CO反
• • • • • 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 粉末冶金材料和零件主要制造流程
原料粉末
添加剂
混合
压制
等静压
注射
挤压
轧制
粉浆浇注
热等静压
烧结
热挤压
复压 复烧
精整 浸油
锻造 热处理
轧制
后处理
成品 粉末冶金材料和制品生产工艺流程
3粉末冶金特点
• （1）粉末冶金能生产普通冶炼方法无法生产的具 有特殊性能的材料； • 1）孔隙度可控 • 2）可组成相图不成立的合金，如金属与非金属， 假合金，高合金含量等 • 3）复合材料 • （2）比普通冶炼法生产的材料性能优越； • 1）高合金材料，如超合金，高速钢等 • 2）难熔金属
（3）比普通熔炼法更经济
少切削、无切削和一次成形的特点
1）材料利用率高； 2）能耗低； 3）投资低，批量愈大成本愈低，粉末冶金产 品成本取决于模具和设备的一次投资； 4）可按照需要调节材料的成分； 5）可生产形状复杂的零件； 6）精度高，粗糙度低； 7）环境好，无污染、噪音；
齿轮的粉末生产工艺
粉末 成形 烧结
链轮系列 Sprocket Gears
轴承盖系列 Bearing Cap
同步器齿毂系列 Synchronic Hub
空调压缩机系列 Air Compressor Parts
轮毂系列 Flange
转子齿轮系列 Rotor
转向管柱系列 Steering Column Parts
滑块拨叉系列 Transmission Parts
Ө= 根据标准等压位△Z
-RTlnKp
则（1）式的
△ZӨ= -RTlnKp =- RTln
1 pO 2 ( MeO )
则（2）式的
△ZӨ= 则
-RTlnKp =- RTln
1 pO 2 ( XO )
△ZӨ =1/2(△ZӨ (2)- △ZӨ( 1))
如要还原反应进行那么
△ZӨ= <0 则△ZӨ (2)< △ZӨ( 1) PO2(XO) <PO2(MeO) 按氧化物 △ZӨ=a+bT 作图

dc dt
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ kc
1 t c0 c
k ln
• v= kCACB • 一级反应速度与浓度的关系：
2）活化能
• 根据可逆反应达到平衡是 的平衡常数与温度的关系： • 可得到 • 公式中的E即为反应活化能， 其含义是发生反应必须克 服的势垒大小，降低反应 的活化能是提高反应速度 的重要措施。
dlinK H 2 dt RT
• 2现代粉末冶金 • 起源于难熔金属，难熔金属粉末压制、烧结、热锻工艺。1750-1850 年，铂； 1909年钨丝。 • 3含油轴承的发明、硬质合金的生产推动了粉末冶金在机械制造业的 发展 • 4科学技术的发展带动了粉末冶金材料和技术的的发展 • 5粉末冶金制造技术和设备的发展 • 6我国粉末冶金的发展 • 7粉末冶金的发展现状和前景 新工艺和新技术：温压成形，粉末注射， 粉末锻造，粉末喷射成形，微波烧结，放电等离子烧结
液态金属和合金 液态金属和合金 液态金属和合金 液态金属和合金
Sn,Pb,Al,Cu,Fe Cu,Fe Cu,Fe, 难熔金属，无氧 铜
黄铜，青铜，合 金钢，不锈钢 黄铜，青铜，合 金钢 铝合金，钛合金， 不锈钢
第一节 还原法
• 1.还原法的特点 应用面广，原料易获得， 还原方法工艺简便，生产投资成本低，可 大规模生产； • 2.应用范围：钨、钼、铁、铜、钴、镍 • 3.生产方法 固体碳还原，氢气还原，天然 转化气还原，金属热还原，气相还原，
齿轮的机加工生产工艺
冶炼 铸造 锻打 淬火 磨加工 成品
精整
切割
高频淬火 成品
退火 机加工
90
铸造
38
28.5
95
粉末冶金
85
冷成形
41
80
锻造
49
50
机械加工
82
100 75
50
25
0（%）
0
25
50
75
100（MJ）
材料利用率
每kg零件的能耗
各种方法材料利用率与能耗
径向可达到的ISO公差标准
VVT链轮 凸轮轴链轮
平衡轴机构
平衡轴链轮
双联曲轴链轮
机油泵总成
真空泵总成
水泵总成
空调总成
EA 888 发动机
凸轮轴护圈
凸轮轴组件 凸轮轴轴承盖
气门导管
摇臂支架
杆导承
曲轴连杆
曲轴轴承盖 进排气座圈
MPIF确认VVT为PM里 程碑技术
真空泵
燃油泵
齿轮泵
转子泵
内外齿泵
铸物产品
带轮系列 Pulley
平均粗糙度
16 10 6.30 4.00 2.50 1.60 1.00 0.63
0.40
0.25 0.16 0.10 0.06
高精度锻造
加工工艺
机械加工
粉末冶金 磨加工 锻造 冲压
4粉末冶金的发展
• 1远古的粉末冶金
海绵铁锻打冶金工艺。我国早在春秋末期，也就是2500多年以前，就已用 块炼铁(即海 绵铁)锻造法制造铁器了。公元4世纪，古印度用同一工艺制成了举世闻名 的德里铁柱 (高7．2m，重6t)和达尔铁柱(高12．5m，重7t)。
△ZӨ-T图规律
• 1.随温度升高， △ZӨ增大，即氧化物的离 解压(po2)增大; • 2. △ZӨ-T曲线在相变处发生转折； • 3.CO生成的△ZӨ-T曲线走向向下，与其他氧 化反应相反； • 4.在同一温度下位置越低的氧化物生成物越 稳定。
2金属氧化物还原反应动力学
• 动力学研究的问题是反应进 行的速度和影响反应速度的 因素 • 1）碰撞理论 碰撞-接触-反应 是分子之间的反应的必要条 件，参加化学反应的物质浓 度越高则碰撞几率越大，则 化学反应速度越快，因此有：
y
r0
dy
二、氧化铁还原基本原理
• • • • • • • • 1.还原热力学 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe CO还原 在570℃以上 3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 +CO2 Fe3O4 + CO =3 FeO +CO2 FeO + CO = Fe +CO2 在570℃以下 Fe3O4 +4 CO =3 Fe +4CO2
5粉末冶金材料的种类和应用
• • • • • • • （1）粉末冶金材料和制品的种类 1）机械零件 2）工具材料 3）磁性和电工材料 4）耐热材料 5）原子能工程材料 （2）应用领域
类别 机械零件 和结构零 件
材料和制品的名称
减磨材料 多孔含油轴承 铁基含油轴承 铜基含油轴承
铝基含油轴承
金属塑料减磨材料 致密减磨材料 机械零件 铁基机械零件 有色金属机械零件