粉末冶金学复习资料

第一章 粉末的制取

一． 粉末制取的方法：机械粉碎法、雾化法、还原法、气相沉积法、液相沉积法、电解法、水热法、纳米及超细粉末的制备技术

二． 机械粉碎法

 固态金属的机械粉碎既可以是一种独立的制粉方法，又可以是其他方法的补充。

 机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎为粉末的。

 物料最终的粉碎程度：粗碎、细碎

✓ 压碎：碾碎、辊轧、鄂式破碎

✓ 击碎：锤磨

✓ 击碎和磨削多方面作用：球磨、棒磨等

机械研磨比较适用于脆性材料，涡旋研磨、冷气流粉碎多用于制取塑性金属或合金的粉末。

1. 机械研磨法

 研磨的任务(作用)包括：减小或增大粉末粒度；合金化；固态混料；改善、转变或改变材料的性能等。

 研磨后的金属粉末会有加工硬化、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。

（1）研磨规律

 研磨是粉末冶金工艺中耗时最长、生产效率最低的一个工序。

研磨过程中作用在颗粒材料上的力：冲击、磨耗、剪切以及压缩

✓ 冲击：是一个颗粒体被另一个颗粒体瞬时撞击，这时，两个颗粒体可能都在运动，或者一个颗粒体是静止的。

✓ 磨耗：由于两物体间的摩擦作用产生磨损碎屑或颗粒。（较脆弱材料和耐磨性极低的材料）

✓ 剪切：用切断法将颗粒断裂成单个颗粒，而同时产生很少的细屑。

压缩：缓慢施加压力于颗粒体上，压碎或挤压颗粒材料。

(2)影响球磨的因素

 决定因素：装料比、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球磨体与被研磨物料的比例、研磨介质、球体直径等。

 球磨筒尺寸的影响：

球筒直径D与长度L之比D/L：D/L>3 硬而脆的材料 D/L<3 塑性材料

2. 介质的影响：物料除可以在空气介质中干磨外，还可以在液体介质中进行湿磨。

✓ 液体介质：水、酒精、汽油、丙酮等。

✓ 湿磨的特点：①可减少金属的氧化；②防止金属颗粒的再聚集长大；③减少物料的成分偏析；④防止粉末飞扬，改善劳动环境；⑤湿磨会增加辅助工序，如过滤、干燥等。

3. 球体大小对物料的粉碎有很大的影响。一般是把大小不同的球配合使用。实践中，球磨铁粉一般选用10～20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用5～10mm大小的硬质合金球。

4. 球体与物料的比例：物料太少，则球体之间的碰撞增加，使之磨损增大；物料过多，则磨削面减少，甚至不足。一般在球体装填系数为0.4～0.5时，装料量应以填满球体的空隙，稍盖住球体表面为原则，可取装料量为球筒容积的20%。

5. 物料性能对研磨过程的影响：脆性物料虽然硬度很高，但是易粉碎；塑性物料则正好相反，故被研磨物料的人工脆化便显得很重要。

6. 研磨时间的影响：一般取决于研磨物料的性能以及以上诸多因素。一般不超过100小时。过长的研磨时间对研磨的效果影响已经不是很大。

(3)强化球磨

✓ 振动球磨和行星球磨

✓ 振动球磨主要是惯性式，由偏心轴旋转的惯性使筒体发生振动。球体的运动方向与主轴的旋转方向相反，除整体的运动外，每个球还有自转运动。振动的频率逾高，自转逾激烈。随着频率增高，各球层间的相对运动增加，而且球体在内部也会脱离磨筒发生抛射，因而对物料产生冲击力，极高的冲击次数可以大大提高研磨效率。

 机械合金化

✓ 机械合金化是一种高能球磨法。可以用于制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。

✓ 机械合金化是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进行机械合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末来实现机械合金化。

用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。故用较粗的原料也可以获得超细弥散体粉末

 其他机械粉碎法

(1)涡旋研磨

 一般机械研磨只适用于粉碎脆性金属和合金，而涡旋研磨就是为了有效地研磨软金属而发展起来的，最早用于生产磁性材料的纯铁粉。

 涡旋研磨机的工作室内不放任何研磨体，主要依靠被研磨物料颗粒间自相撞击和物料颗粒与磨壁、螺旋桨间的撞击进行研磨的。

 由于涡旋研磨所得的粉末较细，工作过程中，为了防止粉末氧化，可以在工作室中通入惰性气体或还原性气体作为保护气氛。

 碟状粉末（凹形） 细金属丝，切屑以及其他废屑 (2)冷气流粉碎

 基本工艺：利用高速高压的气流带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室中的靶子，压力立即从高压7MPa降到0.1MPa，发生绝热膨胀，使金属靶和击碎室的温度降到室温以下，甚至零度以下，冷却了的颗粒即被粉碎。

三． 雾化法

 雾化是指利用高压流体或其他特殊的方法将熔融金属粉碎成细小的液滴，从而得到粉末的过程。

 雾化法是将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150μm，而成为粉末。

 雾化法可用来制取多种金属粉末，各种预合金粉末。

 理论：任何能形成液体的材料都可以进行雾化。

✓ 能量消耗：雾化法是一种简便且经济的粉末生产方法。

✓ 生产规模：雾化法是仅次于还原法的第二大粉末生产方法。

雾化与“造粒”的区别

 “制粒”又叫“造粒”：它是让熔融金属通过小孔或筛网自动地注入空气或水中，冷凝后便得到金属粉末。

 该法得到的粉末粒度较粗，一般为0.5～1mm。 适于制取低熔点金属粉末。

 雾化制粉法主要包括：二流雾化（气雾化和水雾化），离心雾化（旋转圆盘雾化，旋转坩埚雾化，旋转电极雾化），真空雾化，辊筒雾化，超声雾化，电磁离心雾化，振动电极雾化等。

 雾化制粉的优点：

 ①容易制得所需成分的、纯度高和组织均匀的、且工艺性能好的优质金属粉末；

 ②粉末颗粒形状、大小和粒度分布等均可在一定范围内调整；

 ③可以使用廉价原料(废金属等)；

 ④工艺流程短，设备简单，因而总体成本也低。

1.二流雾化

 借助高压水流或高速气流的冲击来破碎金属液流，称二流雾化，包括水雾化和气雾化。

 雾化的形式：平行喷射、垂直喷射、V形喷射、锥形喷射、旋涡环形喷射。

 雾化过程是一个复杂的过程，按雾化介质与金属液流相互作用的实质，既有物理机械作用，又有物理化学变化。

 高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力(能量交换)，又是金属液流的冷却剂(热量交换)。

影响二流雾化的因素

 雾化粉末的三个主要性能：粒度、颗粒形状及与其相关的性能、颗粒的纯度和结构。

 影响这些性能的主要因素：雾化介质、金属液流的特性以及雾化装置的结构特征等。

✓ 雾化介质的影响：对于易氧化金属或合金粉末(Cr, Mn, Si, V, Ti, Zr等)，需采用惰性气体作为雾化介质。对于易被还原的氧化物的金属或合金而言，采用水雾化最合适的。

✓ 气雾化（球状颗粒），水雾化（不规则形状颗粒） ✓ 金属液流的影响：主要是指熔化金属的表面张力和粘度、过热度以及金属液流直径的影响。

2.离心雾化

✓ 离心雾化是利用机械旋转的离心力将金属液流击碎成细的液体，然后冷却凝结成粉末的形状。

✓ 离心雾化的发展是与控制粉末粒度的要求和解决制取活性金属粉末的困难相关。

离心雾化的几种形式的适用范围

 旋转圆盘雾化：铁、钢等粉末

 旋转坩埚雾化：铝合金、钛合金、镍合金粉末

 旋转电极雾化：高温合金粉末、活性金属（锆、钛等）粉末及超合金粉末。

旋转电极雾化的特点：粉末干净，球形粉末，粒度均匀没有坩埚污染；生产效率低，设备和加工成本较高，粉末粒度粗

3.其他雾化工艺

 辊筒雾化法：制取非晶态金属，片状

 振动电极雾化法：自耗电极的振动，球形粉末

 熔滴雾化法：真空和惰性气氛，球形颗粒

 超声雾化法：高速气体脉冲，球形粉末

 真空雾化：球形粉末，纯度较高

四．还原法

 还原法是还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末的制粉方法，是一种应用最广泛的制粉方法。

 还原法：用还原气体(固体)或活泼金属将氧化物还原制备粉末的过程。

✓ 还原剂状态：固态、气态、液态；

✓ 被还原物料状态：固态、气态、液态

 还原反应向生成金属方向进行的热力学条件是还原剂氧化反应的生成自由能变化小于金属氧化反应的生成自由能变化。 MeO + X = Me + XO

还原法制粉的常用还原剂

 制造金属粉末常用的还原剂有：

 ① 固体碳（如木炭、焦炭和炭黑等）；

 ② 气体（如氢、分解氨和转化天然气等）；

③ 金属（如钠、钙和铝等）

影响还原反应速度和还原程度的因素：反应物浓度、反应过程的温度、界面特性(如晶格缺陷)、界面的面积、流体的速度、反应相的比例、形核以及扩散层等。

 第一阶段反应速度很慢，还原仅在固体氧化物表面的某些活化质点上开始，新相形成有很大的困难。

 第二阶段是当新相一旦形成，由于新旧界面上力场不对称，较易吸附气体还原剂和晶格重新排列，因此反应就沿着新旧相的界面逐渐扩展，反应面逐渐扩大。反应速度也就不断增加。

第三阶段由于反应沿着以新相晶核为中心而逐渐扩大到相邻反应面，然而反应面随着过程的进行不断减少，引起反应速度的降低

1.碳还原法

 用固体碳可以还原很多种金属氧化物，如铁、锰、铜、镍、钨等。

 碳还原法制取金属粉末在工业上大规模应用的主要是用于生产铁粉。因为碳还原法会造成产品中含碳量增加。

 需要注意的是：铁的还原是分阶段进行的，即先从高价氧化铁还原成低价氧化铁，最后还原成金属铁：

 Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

2.气体还原法

 气体还原法不仅可以制取铁、镍、钴、铜、钨以及钼等金属粉末，还可制取一些合金粉末。

 优点：所得粉末比固体还原所得粉末纯度高，生产成本低。

✓ 氢还原法制取铁粉（也是从高价到低价的还原过程）

✓ 水冶法制取钴粉（仍然是以H2为还原剂）

✓ 氢还原法制取钨粉（氢还原三价钨）

3.金属热还原

 金属热还原法主要应用于制取稀有金属粉末，如钽、铌、钛、锆、钍、铀等金属粉末。

 金属热还原的反应可用一般化学式表示：

MeX + Me' = Me'X + Me + Q

MeO + X = Me + XO

 式中MeX - 被还原的金属化合物（氧化物、盐类等）；

Me' - 金属热还原剂；

Q - 反应热效应。

金属热还原剂需要满足的条件

 金属热还原反应过程顺利进行时，热还原剂需要满足的条件：

✓ ① 还原反应所产生的热效应Q应较大，使还原过程能依靠反应热效应自发的进行；

✓ ② 还原过程中所形成的渣和残余的金属还原剂应该容易与所得金属分离开来；

③ 金属还原剂与被还原金属不能形成合金或其他化合物。一般我们多采用钠、钙、镁做金属还原剂

4.难熔化合物粉末的制取

 制取难熔化合物粉末(碳化物、硼化物、氮化物和硅化物)的主要方法，与还原法制取金属粉末极为相似。碳、硼和氮能与过渡族金属元素形成间隙固溶体或间隙化合物，而硅与这类金属元素只能形成非间隙固溶体或非间隙化合物(置换固溶体)。

 难熔化合物的特点：难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用性能，在现代技术中被广泛用作硬质合金、耐热材料、电工材料、耐蚀材料以及