第二章
1.概念
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粉末（粉末体）：粒度小于1000 μm的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙） 粉末颗粒：组成粉末的固体微粒
一次颗粒（单颗粒）：制粉过程中最先制成的能够独立存在并相互分开的颗粒 二次颗粒：二个或二个以上的一次颗粒聚集而成的有一定结合强度的颗粒聚集体 团粒：单颗粒或二次颗粒靠范德华引力粘结而成的聚合体。造粒的产物
2.比表面积： Sw （m2/g）指单位质量粉末具有的表面积
体积比表面：Sv （m2/cm3）指单位体积粉末具有的表面积
气体透过法测外比表面（测二次颗粒）BET吸附法测量比表面积（测量一次颗粒）
3.粉末颗粒密度
真密度: 粉末材料理论密度D1 D1= m/（V-V孔）= m/（V-V开-V闭） 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2 D2= m/（V-V开）
似密度（表观密度）: 包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3 D3= m/ V （V—颗粒总体积； V孔—孔隙体积；V开、V闭—开、闭孔体积）D3 4.工艺性能 （1）松装密度：粉末在自然充填容器时，单位体积内自由松装粉末体的质量 （g/cm3） 影响粉末松装密度的因素： a. 粒度： 粒度小，松装密度小 b. 颗粒形状：形状复杂， 松装密度小，松装密度从大到小排列： 球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形 c. 表面粗糙度 d. 粒度分布：细粉比例增加，松装密度减小; 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大; （2）振实密度：粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度 （3）流动性（俗称流速）：一定量粉末(50g) 流经标准漏斗所需的时间 影响因素：粉末体和颗粒的性质，粉末密度，颗粒间粘附作用。 （4）压缩性：粉末被压紧的能力 影响因素：颗粒塑性，显微硬度，粉末密度，杂质含量。 （5）成形性：压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度表示 影响因素： 颗粒之间的啮合与间隙 一般来说，成形性好的粉末压缩性差，压缩性好的粉末成形性差，必须综合考虑压缩性和成形性 5. 粒度 粒径（粒度）：以mm或μm的表示的颗粒的大小称颗粒直径 粒度分布：由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同。具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称粉末的粒度组成 粒径基准 （1）几何学粒径dg （2）当量粒径de a.体积当量径 测出粉末体积, 能够换算出粉末的颗粒粒径； b.面积当量径 （3）比表面粒径dsp 球表面积：S= πd2，体积：V=(π/6)d3，体积比表面Sv=S/V=6/d。 d=dsp=6/Sv （4）衍射粒径dsc 频度分布曲线 频度：第i 级粉末颗粒数与总颗粒数之比 100%（或者是质量，体积） ｆｉ＝（nｉ／Ｎ）ｘ１００％ 相对频度： ｆｉ＝ｆｉ／ｕ 累积分布曲线：将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应５０％处称为中位径， 由小于某级的颗粒数占全部颗粒的百分含量对平均作图,由小到大是负量积分布曲线(如图) 平均粒度： 思考题 第一章： 1. （1）固体碳还原时, 何谓还原终点, 如何控制? （2）固体碳还原生产铁粉时, 还原退火的目的和方法? 2. 水溶液电解法制备金属粉末的成粉条件是什么? 影响电解铜粉粒度的因素有哪些? 3. 气体雾化过程的机制是什么?影响雾化粉末粒度、成分的因素有哪些？ 4. 为什么不能采用H2还原氧化铝制备Al粉？ 第二章： 1. 使用200g粉末测量粒度（Ni粉），测得平均粒度为120μm，估算在这一粉体样品中大约有多少颗粉末（Ni（ρ）=8.9g/cm3） 2. 对于边长为3μm的立方形颗粒：a. 它的当量球形表面直径是多少？b. 它的当量球形体积直径是多少？ 6. 10克+325-270目铁粉，大约有多少个粉末颗粒，表面积有多大，铁理论密度为7.86 g/cm3。 ? 某粉末粒度组成数据如下： 0～5μm 37 30～35μm 121 5～10μm 37 35～40μm 93 10～15μm 49 40～45μm 62 15～20μm 72 45～50μm 40 20～25μm 108 ＞50μm 19 25～30μm 164 做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线，确立中位径，计算平均粒径。 第三章 一、金属粉末压制过程 粉末压制过程中发生的现象 1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于粉末体的相对密度。 2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，其反作用力—侧压力产生。 3. 随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。 4. 由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部位密度存在不均匀。 5. 卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀—产生弹性后效 （弹性后效是压坯发生变形、开裂的最主要原因之一。） 粉末体在压制过程中的变形动力（变形内因） 1. 粉末体的多孔性 粉末体中的孔隙包括：一次孔隙（颗粒内部孔隙），二次孔隙（颗粒之间孔隙），拱桥效应产生的孔隙 拱桥效应：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔，（拱桥效应产生的孔隙尺寸可能远大于粉末颗粒尺寸。） 2. 粉末颗粒良好的弹塑性 3. 粉末体较高的比表面积 粉末体在压制过程中的（位移）变形规律 粉末的位移和变形与粉末本身性能有关；(不同粉末位移、变形规律不同） 粉末受力后，首先发生颗粒位移，位移方式多种多样； 粉末颗粒位移至一定程度，发生颗粒变形，变形方式多样； 位移和变形不能截然分开，有重叠；位移总是伴随着变形而发生 粉末变形必然产生加工硬化 模压成形不能得到完全致密压坯 二、致密化与弹性后效 致密化：压力作用下松散状态→拱桥效应的破坏（位移→颗粒重排）+颗粒塑性变形→孔隙体积收缩→致密化 弹性后效：当压力去除，把压坯从压模中脱出，由于弹性内应力的松弛作用，粉末压坯会发生弹性膨胀 影响因素： ① 粉末性能 粉末成形性差，难成形，需高的压制压力，增加弹性后效 δ雾化铁粉> δ还原铁粉> δ电解铁粉 细粉弹性后效高于粗粉：δ细粉> δ粗粉 ② 压制压力 P较低时，P增加， δ增加； P较大时，P增加，δ减小； ③ 润滑条件（Cu粉压制） 三、压制过程中力的分析 正压力（单位压制压力、总压力）: p，P 净压力（有效压力）：p’，P1 压力损失：?p，P2 —克服外摩擦力， P = P1 + P2 侧压力：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力 —侧压系数； —泊松比 ● 压力损失 Hp1?Pexp(?8??) ? P = P2 = P-P1 D压力损失是造成压坯密度分布不均匀的根本原因；应尽量减少； 四、粉末压坯密度的分布不均匀 密度分布不均匀现象 密度分布不均匀原因： 密度变化规律 沿箭头方向密度降低 改善压坯密度分布不均匀性的措施 1. 减小压坯的高径比 2. 改善模具内壁光洁度、使用润滑剂 3. 合理选择压制方式 几种典型压制方式 a）单向压制 b)双向压制 c）浮动模压制 d）拉下式（引下式）压制 （拉下式压制效果与双向压制相同，也是生产中广泛采用的一种设计！） a） b） c） d） 1）单向压制 阴模与芯杆不动，上模冲单向加压。 2）双向压制 压制过程中阴模不动、上、下模冲都对粉末体施加压力。 3）浮动阴模压制 定义：压制过程中上模冲向粉末加压，下冲不动、阴模不是固定不动，而是通过弹簧或汽缸、油缸等适当支撑。 4） 拉下式（强动式、引下式）压制 压制开始时，上模冲被压下一定距离，然后与阴模一同下降(阴模被强制拉下)。 (5)摩擦芯杆压制。 压制时，阴模和下模冲固定不动，上模冲强制芯杆一同下移 压缩比：粉末松装高度与压坯高度之比。 装填系数：压坯密度与粉末松装密度之比。 思考题 5、压制压力、净压力、摩擦压力、侧压力之间的关系怎样？ P=P1+P2 总压力=净压力+压力损失 P侧=ε P 侧压力小于压制力 （ε 为侧压系数） P=μ P μ为粉末体与模壁间的摩擦系数 P=ε μ P 6、压制时压力的分布状况怎样？产生压力降的原因是什么？压坯中产生压力分布不均匀的原因有哪些？ 由于存在压力损失，上部应力比底部应力大；在接近模冲的上部同一断面，边缘的应力比中心部位大；在远离模冲的底部，中心部位的应力比边缘应力大。 由于粉末颗粒之间的摩擦和颗粒与模壁间的外摩擦等，压力不能均匀的全部传递。 外摩擦力引起的压力降是导致压力沿高度分布不均匀的根本原因。取决于压坯、原料与压模材料之间的摩擦系数，压坯与压模材料间粘结的倾向，模壁加工的质量，润滑剂，粉末压坯高度，压膜的直径等。而压力在横向的分布不均是由颗粒与颗粒间的内摩擦力造成的。 7、压坯中密度分布不均匀的状况及其产生原因是什么？ 在与模冲相接触的压坯上层，密度从中心向边缘逐步增大的，顶部的边缘部分最大； 在压坯纵向层中，沿着压坯高度从上而下降低。但是在靠近模壁的层中，轴向压力的降低比压坯中心大得多，以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低，因此下层分布与上层相反。 压力损失是主要原因。 13、影响压制过程的因素数有哪些？ ⑴粉末性能对压制过程的影响：物理性能（粉末的硬度和可塑性、摩擦性能），粉末纯度，粉末粒度及粒度组成，粉末形状，粉末松装密度 ⑵润滑剂及成型剂：种类及选择原则、用量及效果 ⑶压制方式：加压方式、加压保持时间、震动压制的影响、磁场压制的影响。 第四章 一、等静压成型 定义：粉末装于弹性（柔性）模具（包套）中，以流体为传压介质，各向均匀受压。 分类： 冷等静压（CIP）：常温下进行的等静压 常温下，粉末装于弹性模具中，以液体为传压介质，粉末体各向均匀受压而密实成压坯 热等静压（HIP）：高温下进行的等静压 高温下，粉末或压坯装于包套中，在高压容器内，以气体为传压介质，使粉末同时承受高温和等静压力作用而获得致密材料或制品. 等静压的一般特点：压坯形状、尺寸范围大，尤大尺寸、形状复杂压坯或制品； 压坯密度高且均匀 形粉末广，尤难熔金属化合物、陶瓷、高合金钢等 工艺简单，可不加润滑剂 设备：冷等静压机分类：螺纹式、拉杆式、框架式 热等静压机分类：螺纹式、框架式 HIP特点： ① 压制、烧结同时进行，能消除粉末坯体中的所有孔隙，相对密度可达0.9999 ② 压力作用，使HIP的烧结温度低于通常的烧结温度 ③ HIP所需压制压力比CIP低 ④ 晶粒细小、组织均匀，无成分偏析 ⑤ 材料综合性能好，是PM高新技术之一 ⑥ 设备投资大，成本高 二、粉末连续成形 Ⅰ 粉末轧制的基本原理 Ⅱ 松散粉末需依次经过三个区域才能完成轧制： （三个特征区） Ⅲ Ⅰ区——自由充填区：此区粉末仅受重力和颗粒下移而产生的颗粒间摩擦力作用； Ⅱ区——喂料区：该区域内的粉末受轧辊的摩擦被咬入辊缝内。 Ⅲ区——压轧区：粉末将在轧辊力作用下被轧制成坯粉末，质量不变，体积缩小，密度增加。 ? 要实现轧制，必须使摩擦系数μ与测压系数ζ之和大于咬入角α的正切值 μ+ξ>tgα 粉末挤压成形原理 ? 粉末挤压适用于截面尺寸较小，形状多样的各种棒材、管材坯体及制品 1、粉末在挤压筒内的受力状态 ① 三向受压缩，一方向变形（向下挤出）。 1 ② 挤压杆施加压力P，筒壁约束产生侧压力P侧， P侧 =ξP 2 相对运动产生摩擦力Pf（筒、嘴）, 3 Pf =μP侧 =ξμP 4 ? 物料被挤出的条件： P≥Pf + Pr(粉末变形阻力) 1—轴向压力，2—径向（侧）压力， 3—模壁摩擦力，4—拉力 2.粉末在挤压筒内的流动状况 三个区域： V1区：挤压初期物料不流动，后 期进入V3区，向下流动； V2区：物料回流； V3区：向下（模嘴）流出 ? 三个区域位置不断变化、大小、形状受多重因素影响 思考题： 1、粉末冶金技术特殊成型包括哪些内容？与一般钢模压制法相比有什么特点？ 等静压成型，粉末连续成型，粉浆浇注成型，粉末注射成形，爆炸成形 等静压成型：1）能够压制具有凹形、空心等复杂形状的杆件；2）压制时，粉末体与弹性模具的相对移动很小，所以摩擦损耗也很小。单位压制压力较钢模制法低；3）能够压制各种金属粉末及非金属粉末。压制坯件密度均匀，对难熔金属粉末及其化合物尤其有效；4）压坯强度较高，便于加工和运输；5）模具材料是橡胶和塑料，成本较低廉；6）能在较低的温度下制得接近完全致密的材料 粉末连续成型：1）能够生产一般轧制法难于或无法生产的板带材；2）能够轧制出成分比较精确的带材；3）粉末轧制的板带材料具有各向同性；4）工艺过程短、解约能源；5）粉末轧制法成材率比熔铸轧制法高；6）不需大型设备，减少大量投资 第五章 一、单元系烧结 定义：单相（纯金属、固定成分化合物或均匀固溶体）粉末或压坯在固态下烧结，烧结过程中不出现新的组成物或新相、无物质聚集状态的改变。 1. 烧结过程的现象 （1）排除辅助添加剂（蒸发与分解） （2）当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大, 产生回复和再结晶现象 （颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。） （3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙…… （4）晶粒长大 （5）烧结体强度增大，物理性能明显改善 2. 单元系烧结的三个阶段 ① 粘结面的形成 ② 烧结颈的形成与长大 ③ 闭孔隙的形成和球化 3. 烧结温度 （1）单元系烧结的起始温度：使烧结体物理力学性能发生显著改变的温度。 密度发生显著改变的最低塔曼温度指数α：α= Ts/Tm 不同金属，α值不同（Ts不同） （2） 按温度划分的烧结阶段 低温预烧阶段：α≤0.25 金属回复、吸附气体、粘结剂等排除 中温升温烧结阶段： α≤0.45-0.55 再结晶、形成烧结颈 高温保温完成烧结阶段：α≤0.5-0.85 闭孔形成、烧结体密度增加 （3） 烧结温度 T：指最高烧结温度，即高温保温温度 一般：T烧绝 =（2/3-4/5） T熔绝 （α=0.67-0.80） 4、烧结时间t：指高温保温阶段的时间（注意：烧结时间≠烧结过程时间） 5、烧结体显微组织的变化 孔隙的变化：孔隙的形状、大小、数量、分布都发生变化 孔隙形状：连通网络→封闭→球化 孔隙大小：平均尺寸逐渐减小，烧结后期闭孔形成，小孔消失，少数孔隙可能增大 孔隙分布：靠近晶界、表面的孔隙易通过扩散消失，最终少量隔离孔隙远离表面和晶界。 孔隙数量：一般烧结后密度增加，总孔隙率减少，但开、闭孔率变化趋势不同。 晶粒和颗粒的变化 （1） 单元系烧结再结晶的基本形式 颗粒内再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表面，向相邻颗粒内长大，晶粒边界不越过颗粒边界。 颗粒间聚集再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表面，向相邻颗粒内长大，晶粒边界越过颗粒边界，颗粒合并，晶粒长大。 （2）影响烧结再结晶的因素 1）孔隙：阻碍再结晶晶粒长 2）第二相：阻碍再结晶晶粒长大 第二相的尺寸和含量都对再结晶有影响 df = d/f 3）晶界沟：阻碍再结晶晶粒长大 二、 多元系固相烧结 ? 1、有限互溶多元系固相烧结 有限互溶：两种或两种以上组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶。 ? 烧结的理论基础—— Fe-C二元合金相图 ? 2.互不相溶多元系固相烧结（假合金） 互不互溶：两种或两种以上组元在固态、液态下都没有互溶性。 (1)烧结的热力学条件(A-B系) 必要条件： γAB <γA +γB 充分条件：若γAB>|γA-γB| ，界面能大于两组份单独存在时能量之差，可以实现烧结，但不太理想 若γAB<|γA-γB|，烧结比较理想， 因为，若γA》γB ，则B有可能附在A上，均匀地形成B包裹层，烧结效 (2)互不相容多元系固相烧结的特点 ① 粉末冶金工艺的固有优点：多种假合金，颗粒增纤维增强复合材料 ② 烧结温度的选择存在很宽的范围—固相、液相 ③ 为提高密度，需补充致密化，工艺或热成形工艺； ④ 存在性能-成分加和规律，可用于复合材料设计： a根据性能需要设计组成 b由组成预测性能 ⑤ 有时需采用特殊的混料方法； ⑥ 颗粒间的结合界面对材料性能影响明显。 ⑦ 注意非活性相问题 → ? 3、多元系液相烧结 .定义：两种或两种以上组元组成的压坯，在其中低熔成分熔点温度之上、高熔成分熔点温度之下某一温度进行的烧结。 注意：低熔成分不一定是组元单质，可能是低共熔物。（硬质合金） 液相烧结的特点（优、缺点） 优点： （1） 加快烧结速度 （2） 晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制，便于优化显微结构和性能 （3）可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高 （4） 粉末颗粒的尖角处优先溶于液相，易于获得有效的颗粒间填充 不足之处： a. 变形：当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度、混合不均匀时，易出现变形 b. 收缩大，尺寸精度控制困难 液相烧结的条件： （1）润湿性条件 液相润湿固相颗粒，是液相烧结得以进行的前提。否则，产生反烧结现象！ θ—润湿角 当θ=0，液相充分润湿固相颗粒（最理想的液相烧结条件） 当θ>90o，液相被推出烧结体，发生反烧结现象 当0<θ<90o，—普通的液相烧结情况， 烧结效果一般，可加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性，促进液相烧结过程 （2）固相在液相中应具有一定的溶解度 （3）液相数量 液相数量的增加，有利于液相充分而均匀地包覆固相颗粒，减小固相颗粒间的接触 机会，为颗粒重排列提供足够的空间和降低重排列阻力，对致密化有利 但，过大的液相数量造成烧结体的刚度降低，形状保持性下降 一般液相数量控制在35vol%以内 液相烧结过程（阶段）和烧结机构 液相烧结致密化的三个阶段： 液相形成与颗粒重排：流动（液相流动）与颗粒重排是此阶段液相烧结的主导致密化机制 固相溶解－再析出：溶解-析出是此阶段烧结致密化的主要机制 在化学位高的部位（突起or尖角，细颗粒）处溶解，在化学位低的 部位（凹陷，大颗粒表面）析出 固相烧结晶粒粗化：扩散是此阶段烧结致密化的主要机制 与前两阶段相比，本阶段进行速度较慢 思考题： 10、互不溶系固相烧结的热力学条件是什么？为获得理想的烧结组织，还就满足怎样的充分条件？ A-B的比界面能必须小于A、B单独存在的比表面能之和（即rAB 11、简明阐述液相烧结的溶解 - 再析出机构及对烧结后合金组织的影响。 阐述：因颗粒大小不同、表面形状不规整，各部位的曲率不相同造成饱和溶解度不相等，引起颗粒之间或颗粒不同部位之间通过液相迁移时，小颗粒或颗粒表面曲率大的部位溶解较多，相反的，溶解物质又在大颗粒表面或具有负曲率的表面析出。在这一阶段，致密化过程已明显减慢，因为这时气孔已基本上消失，而颗粒间距离更缩小。使液相流进孔隙变得更加困难。 对组织的影响：溶解和再析出过程使得颗粒外形逐渐趋于球形，固相颗粒发生重结晶长大，冷企鹅后的颗粒多呈卵形，紧密的排列在粘结相内。