4.粉末冶金材料科学基础及烧结理论-material science and sintering basics

粉末冶金原理粉末冶金是一种特殊的金属加工方法，它利用金属和非金属粉末的物理特性和化学特性，通过粉末成型、烧结和后处理等工艺制备出各类金属材料和相关制品。

在这种加工方法中，粉末被视为材料的原子和晶粒的集合体。

本文将介绍粉末冶金的基本原理以及其在工业上的应用。

粉末冶金的基本原理1.原料选择：粉末冶金的首要任务是选择适当的原料。

原料可以是金属、合金或陶瓷等材料的粉末。

原料的选择应该考虑材料的化学成分、晶体结构、粒子形状和尺寸分布等因素。

2.粉末的制备：粉末的制备是粉末冶金的关键步骤之一。

常见的粉末制备方法包括研磨、机械合金化、溶液沉淀和气相反应等。

不同的制备方法可以获得不同尺寸和形状的粉末。

3.粉末的成型：成型是将粉末转变为所需形状的工艺。

常用的成型方法包括压制、挤出、注射成型和3D打印等。

通过成型，粉末可以被固化成具有一定强度和形状的零件。

4.烧结：烧结是粉末冶金过程中的关键步骤之一。

经过成型的粉末件放入高温环境中，粉末颗粒与颗粒之间发生扩散和结合，形成致密的材料。

烧结温度和时间会影响材料的致密性和力学性能。

5.后处理：烧结后的材料可能需要进行后处理。

常用的后处理方法包括热处理、表面处理和加工等。

通过后处理，可以改善材料的性能和功能。

粉末冶金的应用领域粉末冶金广泛应用于各个领域，包括汽车、航空航天、电子、能源、医疗和军工等。

1.汽车行业：粉末冶金技术在汽车行业中得到广泛应用。

例如，通过粉末冶金可以制备高强度和轻质的发动机零件和齿轮等关键部件，提高汽车的燃油效率和排放性能。

2.航空航天：航空航天行业对材料的要求非常高。

粉末冶金可以制备出具有优异的高温强度和耐腐蚀性能的钛合金和镍基合金等材料，用于制造航空发动机和航天器件。

3.电子：在电子行业中，粉末冶金可以制备具有高导电性和磁导率的材料，例如铜粉末用于制造电子线路板和电磁元件。

4.能源：粉末冶金在能源领域的应用主要集中在制备高温抗氧化和热电材料。

例如，通过粉末冶金可以制备铁素体不锈钢和铬基合金等材料，用于制造高温炉和热交换器等设备。

举例说明两种粉末冶金材料特点及其应用？
在固态下制 取粉末的方法包括
4.粉末冶金的优点
（3）粉末冶金能生产用普通熔炼法无法 生产的具有特殊性能的材料。
a、能控制制品的孔隙度。例如：多孔含油轴承等 b、能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果， 生产各种特殊性能的材料。 c、能生产各种复合材料。例如：金属陶瓷、硬质合 金、弥散强化材料等 绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料 只能用粉末冶金方法来制造。
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粉末冶金与铸造技术比较
粉末冶金优势：
铸造优势：
① 粉末冶金制件表面光洁度高； ① 形状不受限制； ② 制造的尺寸公差很窄，尺寸 ② 适于制造大型零件； 精确； ③ 零件生产批量小时，经济； ③ 合金化与制取复合材料的 ④ 一般说来，工、模具费用低 可能性大 ④ 组织均一（无偏聚、砂眼、 缩孔）、力学性能可靠； ⑤ 在经济上，粉末冶金工艺 能耗小。
德里柱表面上刻的碑文
德里柱最早是耆那教神庙建 筑群，27座神庙之中某间房 屋的一根柱子。 十三世纪初，神庙全部被毁， 并将拆毁后的材料，拿来兴 建宫殿与清真寺。 德里铁柱是剩余的建材，因 此被移到现址。在印度的达 哈、辛哈勒斯、克那拉克都 发现竖有相同技术的古铁柱
德里铁柱少有锈蚀的原因
4.粉末冶金的优点
（1）粉末冶金方法生产的某些材料， 与普通熔炼法相比，性能优越。
粉末冶金技术通常粉末冶金零件表面光洁、尺寸 精确，与铸造相比，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。 生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金 法。例如：钨、钼等。

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要 使 α c↑ ， 则 要 降 低 分 压 比 ， ↑CO浓度 若烧结体中碳含量高于α c，发生 脱碳现象 若烧结体中碳含量高于α c，发生 渗碳现象 LOGO
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碳势
某一含碳量的材料在某种气氛中烧 结时既不渗碳也不脱碳，以材料中 的碳含量表示气氛的碳势LOGO13源自 有机碳氢化合物气体：5
不同烧结气氛的成本比较
以电解氢的成本为参考：
H2：1.0； 氮基（nitrogen-based）气氛：0.6；
分解氨（dissociated ammonia）：0.4； 吸热性气氛(endothermal gas)：0.2； LOGO 放热性气氛(exothermal gas)：0.1； 真空(vaccum)：昂贵（设备投资大）
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电解氢的露点通常为几摄氏度（经冷冻干燥 可降低露点） 分解氨气体为-40—-50℃
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3. 含碳气氛
MeO+CO→CO2+Me （放热反应） Kp=Pco2/Pco T↑，Kp↓
因而，CO在低温时具有较强的还原 能力
LOGO
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4.可控碳势气氛
渗、脱碳原理
以CO为主的气氛 Fe+2CO→Fe(C)+CO2 Kp=(α c.Pco2)/(α Fe.Pco2) α c -碳在铁中的固溶度；α Fe=1 在给定的烧结条件，要控制待烧结铁基 LOGO 料 的 碳 含 量 （ 即 ） ， 必 须 控 制 材 Pco2/Pco2 即气相中两组分的浓度比
fe1必须控制logo12?要使c则要降低分压比co浓度?若烧结体中碳含量高于c发生脱碳现象?若烧结体中碳含量高于c发生渗碳现象logo13?碳势?某一含碳量的材料在某种气氛中烧结时既不渗碳也不脱碳以材料中的碳含量表示气氛的碳势logo?渗碳反应不仅取决于co的浓度而且与露点有关?在高低温下均具有较强的还原能力14?有机碳氢化合物气体

绪论粉末冶金：是冶金学的一种，是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（添加或不添加外金属粉末）制成材料和制品的一项工艺技术。

粉末冶金的特点：优：1.能生产其他方法无法生产成很难生产的材料和制品：Cu-W合金（假合金）（Cu、W 完全不互熔、电触头、发汗材料）；2，能够产生具有特殊性能的产品，性能优越：多孔含油轴承；3.粉末冶金是一种少切削甚至不切削的工艺：生产φ45齿轮。

缺：1.只适合大规模的生产，否则不经济；2.在制取形状复杂、尺寸大的产品时受到限制。

第一章制粉法的分类：机械法(涡旋法，捣磨法，球磨法，切割磨法，超细粉碎法，雾化法)和物理化学法(冷凝法，热分解法，还原法，沉淀法，置换法，电解法，合金分解法，有机溶媒法)。

还原过程的基本原理和还原剂的选择(课本第9页)。

金属氧化物还原的动力学(见课本第15页)。

多项反应的机理(1)“吸附—自动催化”理论第一步：吸附—气体还原剂分子被金属氧化物吸附。

第二步：反应—被吸附的还原剂分子固体氧化物中的氧相互作用并产生新相。

第三步：解吸—反应的气体产物从固体表面上解吸MeO(固) + X(气) = MeX(固)·X(吸附)+Me(固)·X(吸附) = Me(固)·XO(吸附)+ Me(固)·XO(吸附) = Me(固)+XO(气)= MeO(固) + X(气) = Me(固)+XO(气)扩散到MeO的表面（还原剂氧化物通过产物层扩散）（2）反应速度与时间关系曲线（见课本23页）碳还原法制取铁粉的本质影响还原过程和铁粉质量的因素（1）原料a 原料中杂质的影响；b 原料粒度的影响（2）固体碳还原剂a 固体碳还原剂类型的影响；b 固体碳还原剂用量的影响）（3）还原工艺条件a 还原温度和还原时间的影响；b 料层厚度的影响；c 还原罐密封程度的影响（4）添加剂a 加入一定的固体碳的影响；b 返回料的影响；c 引入气体还原剂的影响；d 碱金属盐的影响（5）海绵铁的处理退火的目的：1.提高铁粉纯度；2.消除加工硬化；3.防止粉末自燃影响固体碳还原铁鳞的主要因素（1）原料A 铁鳞 a 杂质二氧化硅有害 < 0.3%b 粒度粒度减小，反应面增大，还原速度加快B 固体碳 a 类型还原能力木炭 > 焦炭〉无烟煤b 用量根据碳氧比K值及还原温度而定（2）还原工艺条件A 还原温度适当提高温度有利于还原，但还原温度不宜过高 950-1100℃B 还原时间随温度而定，温度高时，时间可缩短，时间的影响远不及温度的影响C 料层厚度温度一定时，料层厚度增加，还原时间加长D 还原罐密封程度密封不严时可造成还原不透或冷却时氧化（3）添加剂A 往原料铁鳞中加入一定量的固体碳时效果较好（疏松剂）B 往原料中加入一定量的反馈料，有利于还原过程（废铁粉）C 引入气体还原剂挥发沉积长大机理：（1）钨的氧化物具有挥发性，而且随着温度升高，挥发性升高；（2）WO3的挥发性 > WO2的挥发性；（3）WO3挥发后的气相被还原，然后沉积在已还原低价氧化钨或金属钨颗粒表面使其长大。