第二章 粉末材料制备

流态化床气流磨
旋涡研磨
（汉米塔克研磨机）
适用于软金 属粉末；粉 末颗粒大多 具有表面凹 型特征（蝶 状粉末）。
冷流冲击-利用金属的冷脆性
拉瓦尔管
• 一种先收缩后扩张、用以产生超声速气 流的管道，管的横截面为圆形或矩形。 1883年，瑞典工程师C.G.P.de拉瓦尔在 他发明的汽轮机中，首先使用这种管道， 因而得名。 • 拉瓦尔管广泛使用于超声速风洞（见风 洞）、喷气发动机、汽轮机、火箭推进 器等需用超声速气流的设备中。
Mechanochemical methods 机械力化学
Mechanical alloying 机械合金化 Milling 球磨
粉碎作用力的作用形式
颗粒结构变化，如表面结构自发地重组， 形成非晶态结构或重结晶； 颗粒表面物理化学性质变化，如表面电 性、物理与化学吸附、溶解性、分散与 团聚性质； 在局部受反复应力作用区域产生化学反 应，如由一种物质转变为另一种物质， 释放出气体、外来离子进入晶体结构中 引起原物料中化学组成变化。
I-负压紊流区
II-颗粒形成区
III-有效雾化区
IV-冷却凝固区
气雾化制粉的影响因素
（1）气体动能
（2）喷嘴结构 （3）液流性质
（4）喷射方式
（1）气体动能
根据气体动力学原理，喷嘴出口处的 气流速度可由下式表示
式中 g—重力加速度； R—气体常数； K—压容比，即Cp/Cv，空气的K值等1.4； T—压缩气体进喷嘴前的温度，K； P1—气体流往环境的压力； P2—使气体流出喷嘴的压力；
行星球磨
• 特点：效率较低；转速较慢；填 充率有限；粉体杂质含量较高； 多作为实验室研究用。
搅拌球磨
横臂均匀分布在 不同高度上，并 互成一定角度。 球磨过程中，磨 球与粉料一起呈 螺旋方式上升， 到了上端后在中 心搅拌棒周围产 生旋涡，然后沿 轴线下降，如此 循环往复。
只要转速和装球量合适，在任何情况下磨筒 底部都不会出现死角；由于磨球的动能是由转 轴横臂的搅动提供的，研磨时不会存在如滚筒 球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动 能大大增加。 同时还可以采用提高搅动转速、减小磨球直 径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研 磨球的总动能，这样才符合了提高机械球磨效 率的两个基本准则。
（2）粉末冶金方法生产的某些材料，与普 通的熔炼方法相比，性能优越。
• 可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、 不均匀的铸造组织。可制备高性能稀土永磁材 料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化 剂、高温超导材料、新型金属材料 ； • 可制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固 溶体等一系列高性能非平衡材料 ；
汽车发动机用粉末烧结钢零件
汽车变速器系统用粉末烧结钢件
连杆-活塞
粉末冶金的优点
（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； • 新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高 性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等； • 可实现多种类型材料的复合 ，如金属与非 金属组成的摩擦材料； • 能生产各种复合材料；
机械制粉方法的实质就是利用动能来 破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新 的界面。
能够提供动能的方法可以设计出许多 种，例如有锤捣、研磨、辊轧等，其中除 研磨外，其他几种粉碎方法主要用于物料 破碎及粗粉制备。
机械研磨的理论基础 ——机械力化学 物料颗粒受机械力作用而被粉碎 时，还会发生物质结构及表面物理化 学性质的变化，这种因机械载荷作用 导致颗粒晶体结构和物理化学性质的 变化称为机械力化学。
悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很
有限的。为了克服这个不足，人们
又进一步开发了新的球磨方法。
振动球磨
• 特点：通过振动方式输入能量，高能 高效；能高速工作，结构简单，节能； 填充率较高，磨粉粒度小，生产效率 高。 • 基本规律：振动频率、振幅越高，粉 体粒度越细；粉料填充率越大，则粉 末粒度越粗；研磨介质的填充率有一 个最优范围，一般为60%-80%。
•可获得超细粉体，粉末粒度均匀； •由于气体绝热膨胀造成温度下降，故可研 磨低熔点物料； •粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损， 因此粉末杂质含量少； •针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、 Ar等惰性气体。
2.2.2 物理制粉法
雾化法 物理蒸发冷凝法
一、雾化制粉法
雾化法是一种典型的物理制粉方法， 是通过高压雾化介质，如气体或水强 烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、 冷却凝固来实现的。
如果以空气为雾化介质进行雾化，假设 T不变化， 将P1=1大气压，K=1.4代入，则
K’为由g和R合成的一个比例常数。可知，随着 气体压力P的增大，气体的流速V也同时增大，但 存在一个极限值。
雾化介质的动能 N=Mv2/2
其中质量M与气体流量相对应，v为流速
比较M与v，v对提高动能的效果更显 著，可得出以下结论： 增大气体压力，能够增加气体的喷射 速度，因而有利于金属液体雾化率的提高。 前提条件，即保持金属液的流量为定值。
雾化原理
雾化
聚并
凝固
过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，
破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体 温度不变，则液体的能量变化可近似为液 体的表面能增加。
很明显，雾化时液体吸收的能量与雾化液 滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的 能量越高则粒径越小；反之亦然。
过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发
夹带有粉料的高压气流通过拉瓦尔管型硬质合金 喷嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热 膨胀过程。这一过程会同时产生两种效应：
加速效应： 加速后的气体可超过音速； 冷却效应： 气粉混合物的温度能降到零度以下。
这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞 击动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。
流态化床气流磨
磨球的受力分析
假设:
只一个球； 球直径比球磨桶直径小； 球受到两个力作用： P：离心力 G：重力，a:加速度，g：重力加速度 R: 球磨筒半径，D球磨筒直径 V 为线速度 ；n为球磨筒转速；
v2 a P ma R 在抛落点平衡时（A点）：二力相等，P＝P’，
P G cos
粉末的制备方法
机械制粉 物理制粉 化学制粉
粉末的制备
机械制粉
物理制粉
化学制粉
机械研磨
气流研磨
液体雾化
蒸发凝聚
气相沉积
还原化合
电化学法
粉末的特性
• 小尺寸效应、表面与界面效应、量子 尺寸效应、宏观量子隧道效应
2.2 粉末的制备
2.2.1 机械制粉法
机械研磨
气流研磨
一、机械研磨法--milling
雾化过程的四种情况
动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表 面能； 热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热； 流变特性变化 ：液态金属的粘度及表面张力随温 度的降低而不断发生变化； 化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化 学活性很强，会发生一定程度的化学反应。
气雾化的四个区域
•负压紊流区：高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心 孔下方形成负压紊流层； •颗粒形成区：在气流冲击下，金属液流分裂为许 多液滴； •有效雾化区：气流汇集点对原始液滴产生强烈破 碎作用，进一步细化； •冷却凝固区：细化的液滴的热量迅速传递给雾化 介质，凝固为粉末颗粒。
G v2 P ma G cos g R
所以
G m g
v2 cos gR
线速度v与球磨筒转速n之间的关系：
2Rn Rn v 60 30
代入
v cos gR
2
得
cos
2 Rn2
g 302
2 以g＝9.8m/s 代入得：
n2 R cos 900
生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的 液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化， 这个过程中，体系的总表面能降低，属于 自发过程。
过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。
提高雾化制粉效率基本准则
A、能量交换准则
提高单位时间、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。
B、快速凝固准则
球磨制粉的基本原则
A、动能准则：
提高磨球的动能
B、碰撞几率准则： 提高磨球的有效碰撞几率
球磨制粉的基本方式 滚筒式
行星式
振动式 搅动式
滚筒式球磨机
行星式球磨机
振动球磨
搅拌球磨机
滚筒式球磨
转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动 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； 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； 转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其 重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态， 此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速 V 临2。
• 特点：研磨效率及能量利用率在机械 研磨机中最高；粉体粒度能达到亚微 米级；适于工业化生产。
气流研磨法
通过气体传输粉料的一种研磨方法。 与机械研磨法不同的是，气流研磨不需要 磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉 末与气体的两相混合物。 根据粉料的化学性质，可采用不同的气 源，如陶瓷粉多采用空气，而金属粉末则 需要用惰性气体或还原性气体。由于不使 用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的 化学纯度一般比机械研磨法的要高。
提高雾化液滴的冷却速度，防止液体 微粒的再次聚集。
雾化制粉分类
双流雾化:指被雾化的液体流和喷射的介质流；
单流雾化：直接通过离心力、压力差或机械冲击
力实现雾化。
双流雾化法
气雾化 水雾化
注：适合于金属粉末制备
液流
模具 气流
金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气 体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或 水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使 液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。
Vg表示喷嘴处的气体体积流量，ml表示金属液漏嘴 端的质量流量。
临界状态 当转速加快，球不落下，球转到最高点A1点，此时在这 临界状态下，
0
n2 R cos 1 900
故，临界转速为：
n临界＝ 30 R 42.4 D 转/ 分
V临界 2
42.4 D
(转 / 分)
D是磨筒的直径
滚筒球磨的转速应有一个限定条件
V临1< V 实际 < V临2
限定条件实际上与动能准则相
研磨喷嘴 粉碎区 高速气流喷嘴
推进式喷嘴 出口 分级区 研磨机盘 陶瓷垫圈
• 原理：物料在研磨室流态化，加速， 自身相互碰撞、摩擦而细化；粉料随 气体循环运动； • 与冷流冲击不同的是粉末颗粒的粉碎 是颗粒间不断碰撞、摩擦作用的结果， 因此只要保持足够的研磨时间，粉末 就能细化到一定程度。
流态化床气流磨的特点：
第二章 粉末材料制备
• 2.1 粉末冶金概述 • 2.2 粉末的制备 • 2.3 粉末的特性及表征
2.1 粉末冶金概述
• 1、粉体材料发展历史
陶瓷、粉末冶金
• 2、粉末冶金Powder Metallurgy 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。
气流研磨制粉的基本原则
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
由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此， 提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。
两种办法来实现：
提高气体的入口压力
气体喷嘴的气体动力学设计
通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速
气流研磨三种类型： 旋涡研磨 冷流冲击
粉末冶金的不足之处：
• 粉末的成本高；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；
原料粉末 混合
其它添加剂
热压 松装烧结 粉浆烧注 烧结 烧结
压制 预烧结
等静压制 轧制 挤压 烧结
浸适 热处理 电镀 高温烧结 复压 精整 锻造 轧制 挤压 烧结
锻打 拉丝
复烧 （浸油）热处理
粉末冶金成品
球磨制粉
球磨制粉包括四个基本要素： 球磨筒 磨球
研磨百度文库料
研磨介质
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，当这些复 杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过 程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果 粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复 杂，存在着磨削、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。