中南大学 粉末冶金 课件

ed.)
Industries
Federation,Princeton,NJ,USA,1994 粉末冶金原理 出版社 2012 黄培云，冶金工业出版社，2011 陈振华、陈鼎，化学工业 现代粉末冶金原理

较新的文献资料
考试 2hrs (闭/开卷考试) 考核成绩 平时成绩30% 卷面考试70%
课程内容
概述 粉体制备的原理和技术
粉末结构和性能分析 粉末成形前预处理
概述
粉末冶金的概念
粉末冶金的工艺过程
粉末冶金的特点
粉末冶金的发展历程和前景
粉末冶金的材料和主要应用
粉末冶金工业
粉末制备
机械研磨法 雾化法 氧化物还原法 还原化合法 电解法 其他化学方法
粉末结构和性能分析
粉末的微观结构及表征
粉末的性能 粉末的粒度与粒度分布 粉末性能测试原理与技术
粉末成形前预处理
粉末退火与还原
筛分
混合与合批 制粒 加润滑剂和成型剂
教 材：粉末冶金原理 版社，2012
阮建明 黄培云，机械工业出
参考书籍:
Powder
R.M.German
Metallurgy Metal
Science(2nd Powder
成本低廉性。
实现材料多功能、高性能的重要途径
粉末制备技术多样性：雾化法、还原法、机械合金化 、气相沉积法、溶胶凝胶法、自蔓燃反应合成法、电 解法。 成形技术多样性：喷射沉积、注射成形、挤压成形、 粉末锻造、粉末轧制、温压成形、冷热等静压及特种 固结技术、爆炸成形。 烧结技术多样性：微波烧结、反应烧结、液相烧结、 超固相线液相烧结、电火花烧结。 超固相线液相烧结：是将完全预合金化的粉末加热到合金相 图的固相线与液相线之间的某一温度，使每个预合金粉末的 晶粒内、晶界处及颗粒表面形成液相，从而使烧结体迅速达 到致密化的烧结方法。
金属陶瓷法
与陶瓷材料制备工艺极相似：制泥、成型、干燥、烧结
几乎所有PM制备技术都可制备先进工程陶瓷，但PM 后续加工是工程陶瓷制备中难以使用的

粉末冶金是交叉的综合性科学技术，涉及化学、冶金 、材料制备、热工、机械、自动控制等学科领域，与 相邻学科和相关技术的相互渗透和结合。粉末冶金新 工艺层出不穷，粉末冶金新材料渗透到各领域。 粉末冶金是使材料和制品高性能化、多功能化、复合 化、超精细化、纳米结构化的制造技术。 粉末冶金是高效、节能、节材、环境友好、低成本、 大批量的生产工艺。
（二）生产其他方法也能生产的材料，但 材料性能更为优异
1）高合金粉末冶金材料（粉末高速钢、粉末超合 金）：可避免成分偏析、保证合金组织均匀、性 能稳定 2）生产难熔金属材料或制品，一般都依靠粉末冶 金法（W、Mo等难熔金属）：晶粒细小、纯度高
（三）节能省材的先进制造技术
能够大量节约材料、少、无切削，普通铸造合金切削量在
能制造性能更优的材料（与熔炼法比）。如粉
末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保 证合金具有均匀组织和稳定性能，同时，这种 合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善。
4、粉末冶金发展历程与趋势
粉末冶金是一项新兴技术，但也是一项古老技术。
公元前3000年以前，古埃及人在一 种风箱中用
碳还原氧化铁得到海绵铁，经高温锻造成致密 块，再锤打成铁的器件；公元前2300年左右出 现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石 （800~1000C）；
30-50%，粉末冶金产品可少于5%。材料利用率高
能够大量节省能源；
能够大量节省劳动 投资低、批量愈大成本余地，粉末冶金产品成本取决于模
具和设备的一次投资
减少生产工序 可按照需要调整材料成分 精度高、粗糙度低 环境好，无污染、噪音低
粉末冶金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。


2、粉末冶金工艺过程（PM Process） （1）常规粉末冶金工艺过程
传统粉末冶金工艺以钢（刚）模压制成形（压制、 压型）为基础； 包括三个基本的工序 粉末准备（制粉、粉末混合）、压制成形、烧结 在基本工序后可增加一些辅助工序，赋予材料、制 品特殊的性能、形状尺寸等
a. 金属粉末生产Metal Powder Manufacture 许多方法可以生产各种金属（合金）粉末
工序可以合并 热成形、高能成形、喷射沉积……
基本工序
现代粉末冶金工艺
3、粉末冶金的特点 （1）优点 （一）可以生产其他方法无法生产的材料
1）控制制品的孔隙度（可生产各种多孔材料、多孔含油轴承） 2）能利用金属和金属、金属与非金属的组合效果、生产各种特 殊性能的材料（W-Cu假合金型的电触头材料、金属-非金属组成 的摩擦材料等） 3）能生产各种复合材料（由难熔金属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
粉末冶金的不可替代作用！
(a) (b) 粉末冶金多孔材料举例 (a) 青铜过滤器; (b)金属多孔材料孔隙结构
Oil-impregnated Porous Bronze Bearings
由于高尔夫球头配重块彼此间溶解度低， 且熔点及比重差异大，无法以熔炼方法制 备，但可通过粉末冶金熔渗方法制备。
大多在机械压机、液压机或气压机上完成
d. 烧结Sintering
定义：压坯置于基体金属熔点以下温度（约0.7~0.8T， 单位K）加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、 固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化。 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；提高烧结体的强度。
原理：粉末在热激活状态下，表面能降低，导致孔隙 减小，密度增大，强度增加。

随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年)、Pt 粉及Pt块；

1909年，美国通用电器公司Coolidge发明 电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；
1923年德国人施勒特尔(K．schroter) 用粉末冶金
法研制成功钨钴硬质合金； 1927年德国Krupp公司 生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命
按制粉过程中有无物理化学反应—机械法 （物理法）、物理化学法 最重要的制粉方法： 雾化方法Atomization： 还原法Reduction： 电解法Electrolysis：
b.粉末预处理
粉末成形工艺的准备工序。
为满足产品最终性能的需要或成形的要求，在粉末成形 之前对粉末原料进行的预先处理。 退火。在一定气氛中于适当温度对原料粉末进行加热处理 。其目的有还原氧化物、降低碳和其他杂质含量，提高粉 末纯度；同时，也能消除粉末在处理过程中产生的加工硬 化，提高粉末压缩性。 筛分。其目的在于将粉末原料按粒度大小进行分级处理。 混合。将两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。 制粒。将小颗粒粉末制成大颗粒粉末或团粒的操作过程。 常用来改善粉末的流动性和稳定粉末的松装密度。 加成形剂和润滑剂。在压形前，粉末混合料中常需要添加 一些改善压制过程的物质。
Powder Metallurgy is a name given to a process in which fine powder materials are blended, pressed into desired shape, heated (sintered) in controlled atmospheres to desired properties. ——《PM Science》
3．切削加工 横槽、横孔，以及轴向尺寸精度高的面等。
4．热处理 可提高铁基制品的强度和硬度。
5．表面保护处理 对用于仪表、军工及有防腐要求的制品
（2）特殊（非常规）粉末冶金工艺
特殊在哪里？ 成形方法不局限于模压 连续成形、注射成形、浆料成形、高能成形…… 不一定必须有三个基本工序
粉末松装烧结……
影响因素：烧结温度、保温时间、加热和冷却速度。
烧结体系分：单元系—由纯金属、化合物或固溶体组成 多元系—金属-金属，金属-非金属、金属化合物
烧结过程有无液相分：单元系烧结
多元系固相烧结 多元系液相烧结
烧结气氛：真空、气氛、外场
烧结后处理：
1．浸渍 利用烧结件多孔性的毛细现象浸入各种液体。 2．表面冷挤压 提高零件的尺寸精度和减小表面粗糙度。
（2）粉末冶金缺点：

原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉） 成形模具成本高； 靠产量规模降低费用； 烧结制品残余孔隙影响性能；


氧和杂质含量较高；
制备高纯活性金属困难
(3)粉末冶金技术特征
特征： 技术多样性; 粉末制备、成形、烧结技术多选择 工艺复杂性; 手段先进性； 压机、烧结炉等设备与最新科技结合 性能优异性； 零件复杂性； 规模扩大性；
工艺复杂性
原料：元素粉末、合金粉末 成形：热压（ 热等静压、挤压...） 冷压（模压、冷等静压...） 烧结：真空、气氛、外场 其它制备技术：复压、精整、熔浸...
其它后续处理技术：热处理、机加工...
性能优异
材料具有特殊结构和性能。如硬质合金、摩擦
材料、多孔材料、钨铜假合金、钨钼难熔金属 制品等。

通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的 Dehli Piller, 重6.5吨； 我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。

印度德里铁柱，材质为纯度 高达98.72％的铁，历时千百 年，却少有锈蚀的痕迹。
错金书刀，刘胜墓 出土

1903年Hoganas公司开始用固相还原法生产海 绵铁。
What is Powder Metallurgy (PM) ? Powder metallurgy, or PM, is a process for manufacturing metal or alloyed powders, and/or forming metal parts by heating compacted metal powders to just below their melting points. ——Dorst Technologies

c. 粉末压制Powder compacting，Pressing
定义:使粉末密度成具有一定形状、尺寸、孔隙度和
强度坯块的工艺过程 用压坯强度表示 意义: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性 影响因素:颗粒之间的啮合与间隙
wk.baidu.com
a
b
不规则颗粒，颗粒间连接力强, 成型性好
颗粒越小，成型性越好; 与压缩性影响后果相反,必须综合考虑
高尔夫球杆头底部为了降低重心所加的配重块
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) 熔炼方法无法生产的粉末冶金材料举例:
(f)
(a)硬质合金钻头；(b)硬质合金切削刀具； (c)铜基粉末冶金摩 擦材料；(d) 钨铜假合金； (e)钨制品；(f) 钼制品
根据不同粉末冶金制程可制作钨铜不互溶复合材料且具有 不同显微组织（a）钼粉生坯直接渗铜（b）钼粉烧结后 再渗铜（c）镀铜钼粉烧结后再渗铜

粉末冶金原理
（粉末部分）
中南大学粉末冶金研究院 任课老师：尹 健 副教授 jianyin@csu.edu.cn
课程的基本要求:《粉末冶金原理》是研究、设计、 制备粉末冶金材料的基本原理和基本方法，着重研 究材料的结构、性能相互关系以及粉末制备过程、 粉末致密化过程热力学与动力学等相关因素，以此 指导学生正确地理解粉末冶金材料的结构和物理性 质的关系，设计与制备粉末冶金材料，合理地制定 材料研究方法与技术路线，通过该课程的学习，贯 通材料组成-制备过程-微观结构-力学性能间基本原 理与科学问题。 先修课程要求：物理化学、材料科学基础、现代材 料分析检测技术
特别说明：
本教学PPT参考了阮建明教授的教案和网上资料， 在此表示感谢！
第一章 概述
一、粉末冶金的概念 二、粉末冶金的工艺过程 三、粉末冶金的特点 四、现代粉末冶金的发展历程和前景 五、粉末冶金材料和主要应用 六、粉末冶金工业
1、粉末冶金的概念
粉末冶金（Powder Metallurgy ，PM）由粉 末制备、粉末成形、高温烧结以及加工热处理等重 要过程组成的材料制备和生产的工程技术。 用金属（合金）粉末或金属间化合物粉末，或 以金属粉末（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、复合材 料以及各种类型制品的工艺过程。