粉末冶金原理第一章

• 装料量 • 筒壁的粗糙程度
• 在滚动与离心状态,颗粒之间很少发生相对 运动,混合效果最差
• 而对于组元之间比重差异大的混合物体系 • 剧烈的抛落容易造成组元间的成分偏析 • 应予避免
处于滚动状态时颗粒的微观运动状态
• 零速度区很容易在装料大于50%时出现
混合机理
• 严格意义上的扩散过程并不存在 • 实际上为微区内的颗粒对流 • 粉末颗粒混合通过对流与剪切作用实现
• §1 压制前粉末料准备 • 1 还原退火 reducing and annealing • 作用 • 降低氧碳含量，提高纯度 • 消除加工硬化，改善粉末压制性能
• 粉末钝化 • 使细粉末适度变粗，或形成氧化薄膜，防止
粉末自燃 • 退火温度 • 高于回复-再结晶温度，（0.5-0.6）Tm • 退火气氛 • 还原性气氛（CO,H2），惰性气氛，真空
• 2)粉末冶金
• 铁精矿粉末(总铁大于71.5%,SiO2小于0.3%)→ 隧道窑高温还原(1050-1100℃ ) →破碎→ 磁选→精还原(750-800℃) →破碎 →磁选 →合批→铁粉→混合(添加合金元素) →压 制→烧结→（热处理）→P/M齿轮
• 传统工艺比粉末冶金工艺
• ①主要工序：前者15个以上，后者8个
• 1）经济性：低成本
• 将材料冶金与零件制造有机地结合在一起， 直接制造零部件
• 加工流程少，能耗低，材料利用率高
• 生产效率高
• 制造过程高度自动化
• 齿轮
• 1)传统工艺：铸锭冶金+机加工
• 铁精矿→ 高炉炼铁→铁水 →炼钢 →铸锭 →开坯(多道次) →热挤压(多道次) →钢锭 （棒料） → 下料→机加工(车外圆 → 平端 面→铣轴向孔 →滚齿) →（热处理）→齿轮

无限固溶系：Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等
有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等
互不固溶系：Ag-W、Cu-W、Cu-C等
液相烧结
在烧结过程中出现液相的烧结。
包括：稳定液相（长存液相）烧结
不稳定液相（瞬时液相）烧结
二、烧结理论研究的目的、范畴和方法
研究目的：研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化
物质蒸发的角度
3.蒸气压差
曲面与平面的饱和蒸气压之差
P P0 / KTr
1 1 1 r x
吉布斯-凯尔文方程
x
1 1 r
P 0 / KT 颈 P
对于球表面，1/r=2/a (a为球半径）
P 0 2 / KTa 球 P
颗粒表面（凸面）与烧结颈表面（凹面）之间存在大的蒸气压 差，导致物质向烧结颈迁移
烧 结 的 重 要 性
4）纳米块体材料的获得依 赖烧结过程的控制
（三） 烧结的分类
粉末体烧结类型 不施加外压力
施加外压力
固相烧结 单相粉末
多相粉末
液相烧结
长存液相 瞬时液相
热压 热锻
热等静压
反应烧结
活化烧结
超固相线烧结 液相热压 反应热压 反应热等静压
强化烧结
按烧结过程有无外加压力
●无压烧结 (Pressureless sintering) 包括：固相烧结、液相烧结等 ●加压烧结（有压烧结）
烧结颈长大
3.封闭孔隙球化和缩小阶段 当烧结体密度达到90%以后，• 多数孔隙被完全分隔，闭 孔数量大的增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个 阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失 和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间， 但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。也就是一般不能 达到完全致密。

烧结机构，即解决How的问题， 也就是说物质迁移方式和迁移速度
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Part 2： 粉末烧结
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
计算机模拟
双球模型
原子迁移机构,扩散机构
组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的 反应
借助于建立物理、几何或化 学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
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Part 2： 粉末烧结
为什么能形成接触面？
➢ 范德华力:接触压力ｐ＝20-300Mpa （接触距离为0.2nm时）
➢ 静电力 ➢ 金属键合力:约为范德华力的20倍 ➢ 电子作用力 ➢ 附加应力（存在液相） ➢ 金属键合力 ➢ 电子作用力 ➢ 电子云重叠，导致电子云密度增加
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Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
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Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
• 蒸气压较高：Mn,Zn，Cd,CdO等 • 高温:接近烧结材料的熔点 • 化学活化：添加氯离子的烧结 • 纳米粉末的烧结
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Part 2： 粉末烧结
由Gibbs-Kelvin公式得到蒸气压差 P=PoγΩ/(kTR)
Po —平面的饱和蒸气压； R—曲面的曲率半径。
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Part 2： 粉末烧结
第一章 概述
§1 烧结的定义与分类 §2 烧结理论的研究范畴和目的 §3 烧结技术的发展

supply powders
• 制品公司：买进粉末，制备零部件： Companies to
fabricate final parts
粉末冶金技术的优越性与局限性 advantages and limitation
• 能够大量节约材料、low cast无切削、less cuting少切削，
普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于 5%。Less or absent cutting machining. “Net shaping”
粉末冶金的特点 particularly points
能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊性 能的材料；ability to produce materials which can not be produced by other method.
① Porous materials and products, parts within lubricants ② Refractory metals such as tungsten, molybdenum, etc ③ Pesudo-alloys, such as, tungsten-copper alloys ④ Composite materials, such as 316 ss + bioceramic ⑤ Nano-crystalline, sub-micrometer crystalline grain metal ⑥ Special functional materials and products, such as
•Which method is suitable to sphere particles？
• How about the particle morphologies？ • How can we obtain the high purity？ • What takes place during the powder fabri.? • Which condition to control the particle size? • What can we do? related powder makings.

粉末冶金的特点(续2)
1）高合金粉末冶金材料的性能比熔 铸法生产的好。 2）生产难熔金属材料或制品，一般 要依靠粉末冶金法，如钨、钼等 难熔金属。
粉末冶金的不足之处： 粉末成本高 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 但是，随着粉末冶金技术的发展，这些问 题正在逐步解决中，例如，等静压成形技术已 能压制较大的和异形的制品；粉末冶金锻造技 术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等等。
0-7 粉末冶金专家—黄培云1
粉末冶金专家—黄培云2 技术职称 : 教授 院 士 : 中国工程院院士 出生日期 : 1917-08-23 出生地点 : 福建 福州 专业领域 : 金属材料 ; 粉末冶金 外 语 : 英语 ; 德语 ; 俄语 ; 日语 通讯地址 : 湖南省长沙市中南工业大学 工作单位: 中南工业大学 职 务: 学术顾问
学和力学性能。
0-3 粉末冶金发展历史 公元3000年前,埃及人已经使用铁粉 公元300年，印度德里铁柱是用大约 6.5t 还原铁粉制成的。 19世纪初，为制铂，粉冶重焕青春 20世纪初，粉末冶金制取W 20世纪40年代，欧洲开始生产Fe粉 汽车工业推动了现代粉末冶金技术的进步 新材料新工艺—金属陶瓷、弥散强化材料、 高速钢、超合金
粉末冶金专家 学 历: —黄培云3
时 间: 1934-1938 学 校: 清华大学 所获学位: 学士 国 别: 中国 时 间: 1941-1945 学 校: 麻省理工学院 所获学位: 科学博士 国 别: 美国
粉末冶金专家—黄培云4
我国粉末冶金学科的主要创始人之一。
创立了著名的粉末压制理论和烧结理论。研制成 功多种用于核、航天、航空、电子等领域的粉末冶 金材料。
粉末冶金专家—黄培云7

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一、粉末制备技术
1. 在不同状态下制备粉末的方法 1.1 在固态下制备粉末的方法
（1）从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有机 械粉碎法和电化学腐蚀法；
（2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有还 原法；
（3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取 金属化合物粉末的有还原－化合法。
3
绪论
1.粉末冶金——是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金 属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和烧结制造金属材料、 复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有 相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。
2.粉末冶金的发展 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方 法实质上采用的就是粉末冶金方法。
3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志： 1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。 1909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923年粉末冶 金硬质合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。
4
绪论
2）20世纪三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶 金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金制品少切削 甚至无切削的优点。
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一、粉末制备技术 （2）影响球磨的因素
球磨机中的研磨过程取决于众多因素：筒 内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机转 速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例 （球料比）、研磨介质以及球体直径等。
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一、粉末制备技术
例如：球磨筒转速n＝0.7-0.75n临界时，球体发生抛落； n＝0.6n临界时，球体发生滚动； n<0.6n临界时，球体
6
绪论
3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。 成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性 能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和 多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低， 则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔 点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通 烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧 结工艺。

①单元系固相烧结single phase sintering 单相烧结—单相粉末的固相烧结过程 单相:纯金属、化合物、固溶体粉末 ②多元系固相烧结 multi-component solid
phase sintering 两个或两个以上组元的粉末烧结过程 包括反应烧结(reaction sintering)等
程进行计算机模拟——蒙特-卡洛模拟等
§3 烧结技术的发展
针对纳米晶、超细结构材料等 1 超高压烧结 2 快速烧结技术
1） 电固结工艺 2） 快速热等静压(quick-HIP) 3） 微波烧结技术 4） 等离子体烧结（SPS,PAS） 5） 电火花烧结 6） 激光烧结 增材制造
第二章 烧结热力学基础
3 研究方法
1）烧结几何学 双球模型,球-平板模型 获得烧结过程中可测的几何参数 2）烧结物理学 原子迁移机构,扩散机构 3）烧结化学 组元间的反应（溶解、形成化合物）及组元与
气氛间的反应 4）计算机模拟（computer simulation） 借助于建立物理、几何或化学模型，对烧结过
分类 1）加压烧结 施加外压
applied pressure or pressure-assisted sintering
（1）热压 hot pressing HP （2）热等静压 HIP
2）无压烧结
不施加外压力 pressureless sintering 固相烧结 液相烧结
（1）固相烧结 solid phase sintering
银粉的烧结提供了相关证据
3 闭孔隙的形成和球化 formation of isolated pores and pore spheriodization
2 烧结颈的形成与长大 formation of sintering neck and neck growth

pco2 1 pco
pco
1 1 Kp
Fe3O4还原： Fe3O4 CO 3FeO CO2
lg Kp 1373 0.47lg T 0.41103T 2.69 T
pco
1 1 Kp
T升高，Kp增大，CO%下降，吸热反应 温度越高，所需CO%越小，对还原越有利。
还原法
• 课堂练习：
该工艺是将金属及合金熔化后，经过密 闭的加热输送管，将熔融液送到一定气氛 的雾化器内，经不同转速的高速离心雾化、 急速冷却、收圆、凝固等，即可得到所需 产品。
装置主要由熔化炉、高速离心雾化器、 集粉桶组成。
可制备粒度３～１００ｍｍ的球形、类 球形、棒缒形等形貌粉体。工艺及操作简 便，产品粒度分布好、含氧量低，可用一 套装置制取一种或多种产品，产量大（１ ２０～１７０ｋｇ／ｈ），具有较好适应 性。
• 球磨筒尺寸：研磨硬脆材料，D/L>3,保证球的冲击作用。 研磨塑性材料，D/L<3,只发生摩擦作用。
• 装球量：
• 球体与被研磨物料的比例
• 球体直径：一般将大小不同的球配合使用
• 研磨时间 • 研磨介质
• 振动球磨
机械研磨法—研磨的强化
• 搅动球磨
机械研磨法—研磨的强化
机械研磨法—其他机械粉碎法
讨论还原温度分别为7003225lgkp202192527还原法还原法固体碳还原法固体碳还原法202192528还原法还原法固体碳还原法固体碳还原法118还原剂219铁矿粉3干燥4破碎5筛分6磁选7装料8隧道窑中还原9卸载10粗碎11贮料仓库12粉碎13磁选14分级和筛分15退火16均匀化17自动包装202192529还原法还原法固体碳还原法固体碳还原法202192530还原法还原法固体碳还原法固体碳还原法202192531液相沉淀法简介液相沉淀法简介1

第1章 绪 言
1.1 粉末冶金科学的基本定义 1.2 粉末冶金工艺 1.3 粉末冶金发展简史 1.4 粉末冶金科学与技术的特点与应用 1.5 粉末冶金的未来
1.1 粉末冶金科学的基本定义
粉末冶金是由粉末制备、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。 粉末冶金科学主要研究材料制备与生 产过程相关的科学现象和科学问题
1.4 粉末冶金科学与技术的特点与应用
① 高合金元素含量粉末冶金材料的性能比熔炼法生产的合 金材料要好。例如：粉末高速钢、粉末超合金可避免成分偏 析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合 金具有细小的晶粒组织，使加工性能大为改善。 ② 粉末冶金法还可用来生产难熔金属材料或制品。例如： 钨、钼等一系列难熔金属，虽然可以用熔炼法制造，但所制 产品比粉末冶金制品的晶粒要粗、性能要低。 ③ 在制造机械零件方面，粉末冶金法是一种少切屑或无切 屑的新工艺，可以大大减少机加工量，节约金属材料，提高 劳动生产率。
1.5 粉末冶金的未来
8.金属基复合材料，如SiC纤维强化铝合金的制备是粉末冶 金的应用领域，你能说明复合材料制备方法吗？ 参考文献
1.5 粉末冶金的未来
图1-6 常用金属粉末产品数量 的相对比较图
1.2 粉末冶金工艺
图1-1 粉末冶金生产工艺流程图
1.2 粉末冶金工艺
图1-2 粉末的特性、化学构成、加工过程与最终粉末冶金产品性能 之间的关系
1.3 粉末冶金发展简史
•最初选择粉末冶金生产零部件主要考 虑它们的低成本性质，现在则已经与 质量﹑性能﹑成本和生产率等全面联 系起来。比如，高温镍基超合金﹑高 性能航空铝合金等。通过粉末冶金方 法不仅创造了更好的材料经济，而且 可以控制微观结构及精确制造改性新 材料。