01 第一章 粉末的制取机械法

装装球球量量的的多多少少是是随随球球磨磨筒筒的的容容积积而而变变 化化的的。。装装球球体体积积与与球球磨磨筒筒体体积积之之比比，， 叫叫做做装装填填系系数数
影响球磨的因素
▪ 球磨机的转速 ▪ 装球量 ▪ 球料比 ▪ 球的大小 ▪ 研磨介质 ▪ 研磨物料的性质与研磨时间 ▪ 球磨筒尺寸
球料比
一一般般在在球球体体的的装装填填系系数数为为00..44——00..55 时时，，装装料料量量应应该该以以填填满满球球间间的的空空隙隙 稍稍掩掩盖盖住住球球体体表表面面为为原原则则。。
仅需要
Balls 球 Materials
干 dry 湿 wet
Cyindrical jar 球磨桶
也是能量效能利用率低的方法,能量利用率<10%. Small than 10%percent
1、机械研磨法
（（aa))低低转转速速时时，，球球和和物物料料沿沿筒筒体体上上升升至至自自然然坡坡度度角角，，然然后后滚滚下下，，称称为为泻泻 落落。。粉粉碎碎主主要要靠靠球球的的摩摩擦擦作作用用。。
一、概述
一、概述
一 机械法
二、机械粉碎法
▪ 固态金属的机械粉碎，既是一种独立的制粉方 法，又常作为某些制粉方法的补充工序。 机机械械粉粉碎碎是是靠靠压压碎碎、、击击碎碎和和磨磨削削等等作作 用用，，将将块块状状金金属属或或合合金金机机械械地地粉粉碎碎成成粉粉 末末。。
根根据据物物料料粉粉碎碎的的最最终终程程度度，，基基本本 上上可可以以分分为为粗粗碎碎和和细细碎碎两两类类。。
这些都能形成破碎作用.Crush Particles. 那么破碎脆性brittle粉末所需要冲击colliding力 应力与缺陷结构defect和裂纹扩展敏感程度相关.
最简单的方法(Simplest method),最简单的设备 (Simplest Equi.), 最有效(Most effect)有方法之一.
球的大小
球球的的直直径径小小，，球球的的重重量量轻轻，，则则对对物物料料的的冲冲 击击力力弱弱；； 球球的的直直径径太太大大，，装装球球的的个个数数太太少少，，因因而而撞撞 击击次次数数减减少少，，磨磨削削面面积积减减小小，，也也使使球球磨磨效效 率率降降低低。。 实实践践中中，，球球磨磨铁铁粉粉一一般般选选用用1100--2200mmmm的的 钢钢球球；；球球磨磨硬硬质质合合金金混混合合料料时时，，则则选选用用55-1100mmmm大大小小的的硬硬质质合合金金球球。。
筛目
270 325 400 450 500 600 700 800 1000 1250 1670 2000 5000 8000 10000 12000
微米
53 45 38 32 28 23 20 18 13 10 8.5 6.5 2.5 1.5 1.3 1.0
一、概述
▪ 制取粉末的方法很多，它的选择主要取决于该材 料特殊性能及制取方法的成本。粉末的形成是依 靠能量传递到材料而制造新表面的过程。例如一 块1m3的金属可制成2X1018个直径1µm的球形颗粒， 其表面积大约为6X106m2。 机机械械法法是是将将原原材材料料机机械械地地粉粉碎碎，，而而化化学学 成成分分基基本本上上不不发发生生变变化化的的工工艺艺过过程程。。 物物理理化化学学法法是是借借助助化化学学的的或或物物理理的的作作用用，， 改改变变原原材材料料的的化化学学成成分分或或聚聚集集状状态态而而获获得得 粉粉末末的的工工艺艺过过程程。。
如何计算球磨时间
如果我们知道初始粒度(颗粒尺寸)initial Particle Size 当要研磨到所需粒度 时, 需要多少能量可以由 一个 simple relationship 去估计(estimating) 需要的能量.
估算关系
W
=
g
(
D
− f
a
− Di−a )
Df 研磨粒度; Di初始粒度 a=2
((cc))临临界界转转速速，，继继续续增增加加球球磨磨机机的的转转速速，，当当离离心心力力超超过过球球体体的的重重力力时时，， 球球与与筒筒体体一一起起回回转转，，此此物物料料的的粉粉碎碎作作用用将将停停止止。。
A view of the action in a jar mill, the impact of the falling balls grinds the material into powder
▪ 目数×孔径（微米数）=15000：200目筛网的 孔径是75微米，800目是18微米。
筛目
20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 100 120 140 170 200 230
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
微米
850 710 600 500 425 355 300 250 212 180 150 125 106 90 75 63
P ： 离心力 centrifuge force
G ： 重力 gravity
V ： 线速度 linear velocity of the small ball.
P = ma
m=G g
a = v2 R
在抛落点平衡时（A点）：二力相等，P＝P’，
P′ = G × cosα
P = ma = G • v2 = G cosα
1、机械研磨法
▪ 研磨的规律：
‐冲击：是一个颗粒体被另一个颗粒体瞬时撞击；
‐磨耗（研）：由于两物体间的摩擦作用产生磨损碎屑 或颗粒
‐剪切：将颗粒切割或劈开，通常与其他形式的力结合 在一起
‐压缩：是缓慢施加压力于颗粒粉体上，压缩或挤压颗 粒材料。
至少有四种作用力在破碎粉末: 冲击：Collideing 剪切：Shearing 压缩：Compressing 磨研：Grinding
作业题
▪ 机械研磨制备铁粉时，将初始粒度为 200 微米的 粉末研磨至 100 微米需要 5 个小时，问进一步 将粉末粒度减少至 50 微米，需要多少小时？（a 取2）
影响球磨的因素
▪ 球磨机的转速 ▪ 装球量 ▪ 球料比 ▪ 球的大小 ▪ 研磨介质 ▪ 研磨物料的性质与研磨时间 ▪ 球磨筒尺寸
((bb))适适意意转转速速时时，，球球在在离离心心力力的的作作用用下下，，随随着着筒筒体体上上升升至至比比第第一一种种情情况况 更更高高的的高高度度，，然然后后在在重重力力作作用用下下掉掉下下来来，，称称为为抛抛落落。。物物料料不不仅仅靠靠球球与与球球之之 间间的的摩摩擦擦作作用用，，而而主主要要靠靠球球落落下下时时的的冲冲击击作作用用而而被被粉粉碎碎，，效效果果最最好好。。
取取5544度度4400分分 抛抛落落状状态态下下 的的工工作作转转速速
临界转速与工作转速的关系
球体滚动和自由下落是最有效的研磨制度。粉末的细磨 只有在滚动下才能实现。
球的受力分析
假设: we suppose that
a 只一个球，only one ball,
b 球直径比桶直径小
球受到两个力作用，Two force acting on the ball
ßß临临界界称称为为自自然然坡坡度度角角，，指指 材材料料不不会会撒撒落落的的最最大大倾倾斜斜 角角。。
ßß小小于于自自然然坡坡度度角角时时，，滑滑动动。。 ßß大大于于自自然然坡坡度度角角时时，，滚滚动动
冲击应力
δ = (2Er / D)1/2 ⎧δ : 冲击应力
⎪⎪E:材料弹模.Elastic Modalus ⎨⎪r:缺陷尺寸.Defect.裂纹尖端曲率半径,裂 ⎪⎩D:粉末尺寸.Partide Size
球磨筒的转速
球磨筒的转速
球球体体的的运运动动 状状态态随随筒筒体体 转转速速而而变变。。
▪ n工作＝0.70一0.75n临界时，球体发生抛落（磨 粗料）
▪ n工作＝0.6n临界时，球体滚动。（磨细料） ▪ n工作＜0.6n临界时，球以滑动为主。
▪ 球的不同运动状态对物料的粉碎作用是不同的
影响球磨的因素
代入 cosα = v2 得 cosα = π 2 Rn2
gR
g ⋅ 302
α2
cos = n R 以g＝9.8m/s2代入
得：
900
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，
α =0
n2R = cosα = 1
900
Thus， the critical rotation speed is
▪ 料太少，则球与球间碰撞加多，磨损太大； ▪ 料过多，则磨削面积不够，不能很好磨细粉末，需要
延长研磨时间，能量消耗增大。
▪ 料与球装得过满，球磨筒上部空间太小，球的运动发 生阻碍后球磨效率反而降低。
▪ 一般取装料量为球筒容积的20%
影响球磨的因素
▪ 球磨机的转速 ▪ 装球量 ▪ 球料比 ▪ 球的大小 ▪ 研磨介质 ▪ 研磨物料的性质与研磨时间 ▪ 球磨筒尺寸
gR
cosα = v2
所以
gR
Relation of linear speed and rotate speed is
v = 2πRn = πRn
60 30
Force action on the small steel ball include centrifuge and gravity force, suppose only one ball in the jar.
▪▪ 根根据据粉粉碎碎的的作作用用机机构构：： ▪▪ 以以压压碎碎作作用用为为主主的的有有碾碾碎碎、、辊辊轧轧以以及及颚颚式式破破碎碎
等等；；
▪▪ 以以击击碎碎作作用用为为主主的的有有锤锤磨磨等等；； ▪▪ 属属于于击击碎碎和和磨磨削削等等多多方方面面作作用用的的有有球球磨磨、、棒棒磨磨
等等。。 ▪▪ 机机械械研研磨磨 ssuuiittaabbllee ffoorr bbrriittttllee ppoowwddeerrss ▪▪ 旋旋涡涡研研磨磨 ▪▪ 冷冷气气流流粉粉碎碎
从粉末粒度分
粗粉末（500一 1000微米）
细粉末粒度小 0.5微米等。
一、概述
目数
▪ 目数：就是孔数，即每平方英寸上的孔数目。50 目就是指每平方英尺上的孔眼是50个，500目就 是500个，目数越高，孔眼越多。同时表示能够 通过筛网的粒子的粒径，目数越高，粒径越小。 筛分法指筛网上每英寸长度内的网孔数。
1、机械研磨法
▪ 研磨的任务：
– 减少或增大粉末粒度 – 合金化 – 固态混料 – 改善、转变或改变材料的性能
▪ 研磨的对象：
– 粉碎脆性金属和合金，如锑、锰、高碳铁、铁合金等 以及研磨还原海绵状金属块或电解阴极沉积物
– 可以研磨经特殊处理赋予脆性的金属和合金，例如钛 经氢化处理后，进行研磨，最后脱氢可以制取细粒度 的高纯钛粉。
▪ 球磨机的转速 ▪ 装球量 ▪ 球料比 ▪ 球的大小 ▪ 研磨介质 ▪ 研磨物料的性质与研磨时间 ▪ 球磨筒尺寸
装球量
球球磨磨机机的的装装填填系系数数以以00..44一一 00..55为为宜宜，，随随着着转转速速的的增增 大大，，可可略略有有增增加加。。
▪ 在一定范围内增加装球量能提高研磨效率。在转 速固定时，装球量过少球在倾斜面上主要是滑 动，使研磨效率降低；但是，装球量过多，球层 之间干扰大，研磨效率也降低。
第1章 粉末的制取 机械法
一、概述
▪ 制取粉末是粉末冶金的第一步。这些粉末可以是纯金属， 也可以是非金属，还可以是化合物。
▪ 粉末冶金材料和制品不断增多，其质量不断提高，要求提 供的粉末的种类愈来众多。 粉末分类：
从材质范分： •金属粉末 •非金属粉末 •化合物粉末
从粉末形状分： 球形 片状 角状 树枝状
n ＝ 30 = 42.4转/ 分
临界
R
D
D， the diameter of the jar
转转速速慢慢时时，，研研磨磨体体作作滚滚动动还还是是滑滑动动，，不不仅仅取取决决于于筒筒体体的的转转 速速，，而而且且与与装装球球量量有有关关。。
筒筒体体转转动动时时，，球球体体表表面面发发生生倾倾 斜斜，，在在一一定定转转速速和和装装球球量量的的情情 况况下下倾倾角角ßß也也一一定定，，转转速速低低，， 装装球球量量小小，，则则ßß角角小小，，反反之之，，ßß 角角便便加加大大。。
SEM of milled niobium powder, prepared by hydriding, milling, and vacuum dehydriding leading to an angular particle shape
研磨规律
研磨规律
球球与与筒筒 不不一一起起回回 转转的的临临界界 转转速速