現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)概述

1、現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)蘭州金川科技園蘭州金川科技園 粉末冶金技術(shù)的特點（優(yōu)、缺點）粉末冶金技術(shù)的特點（優(yōu)、缺點） 粉末冶金技術(shù)發(fā)展史粉末冶金技術(shù)發(fā)展史 現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的特征與發(fā)展趨勢現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的特征與發(fā)展趨勢 粉末冶金技術(shù)的主要應(yīng)用粉末冶金技術(shù)的主要應(yīng)用 課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)概況現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)概況 采用采用PMPM技術(shù)制備材料技術(shù)制備材料/ /產(chǎn)品的優(yōu)點產(chǎn)品的優(yōu)點：v成形體的致密度可控；多孔材料成形體的致密度可控；多孔材料v晶粒細(xì)小、顯微組織均勻、無成分偏析晶粒細(xì)小、顯微組織均勻、無成分偏析v近型成形，原材料利用率高近型成形，原材料利用率高95%95

2、%v材料組元可控，利于制備復(fù)合材料材料組元可控，利于制備復(fù)合材料v制備難熔金屬、陶瓷材料與核材料制備難熔金屬、陶瓷材料與核材料粉末冶金技術(shù)的特點粉末冶金技術(shù)的特點原料粉末原料粉末成形成形燒結(jié)燒結(jié) PM Production of notch segment （槽型件）for truck transmission 90 鑄造 3895 粉末冶金 28.585 冷成形 4180 鍛造 4950 機(jī)械加工 82 100 0 0 100 材料利用率/ 零件的能耗/MJkg-1各種生產(chǎn)工藝的材料的利用率與能耗 采用采用PMPM技術(shù)制備材料技術(shù)制備材料/ /產(chǎn)品的缺點：產(chǎn)品的缺點： 原料粉末價格較貴（原料

3、粉末價格較貴（FeFe和和FeFe粉）；粉）； 成形模具成本高；靠產(chǎn)量規(guī)模降低費用；成形模具成本高；靠產(chǎn)量規(guī)模降低費用； 燒結(jié)制品殘余孔隙影響性能；燒結(jié)制品殘余孔隙影響性能； 氧和雜質(zhì)含量較高；制備高純活性金屬困氧和雜質(zhì)含量較高；制備高純活性金屬困難；難；v公元前公元前30003000年以前，古埃及人使用隕鐵；年以前，古埃及人使用隕鐵；公元前公元前23002300年左右出現(xiàn)塊煉鐵技術(shù)：固年左右出現(xiàn)塊煉鐵技術(shù)：固相碳還原鐵礦石（相碳還原鐵礦石（80080010001000 C C）。通過高）。通過高溫鍛焊成各種器件。如公元溫鍛焊成各種器件。如公元300300年左右印年左右印度的度的Dehli P

4、iller, Dehli Piller, 重重6 6噸；我國西漢噸；我國西漢（公元前（公元前113113年）的劉勝墓出土的錯金書年）的劉勝墓出土的錯金書刀等。刀等。v19301930年年HoganasHoganas公司開始用固相還原法生公司開始用固相還原法生產(chǎn)海綿鐵。產(chǎn)海綿鐵。粉末冶金技術(shù)發(fā)展史粉末冶金技術(shù)發(fā)展史塊煉鐵技術(shù)塊煉鐵技術(shù) 隨后出現(xiàn)隨后出現(xiàn)Au(300Au(300年年) )、AgAg、CuCu、Sn (1000Sn (1000年年) )、PtPt粉及粉及PtPt塊塊(1800(1800年）；年）； 19101910年年CoolidgeCoolidge發(fā)明電燈發(fā)明電燈W W絲，奠定了近

5、代粉末絲，奠定了近代粉末冶金的基礎(chǔ)；冶金的基礎(chǔ)； 19141914年年WCWC、MoCMoC粉末出現(xiàn)（德國）；粉末出現(xiàn)（德國）； 19271927年德國年德國KruppKrupp公司生產(chǎn)硬質(zhì)合金，導(dǎo)致了金公司生產(chǎn)硬質(zhì)合金，導(dǎo)致了金屬切削技術(shù)的革命；屬切削技術(shù)的革命； 19561956年后大量鐵基、鋁基零件上市；年后大量鐵基、鋁基零件上市； 19691969年機(jī)械合金化技術(shù)出現(xiàn)年機(jī)械合金化技術(shù)出現(xiàn) 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代后，年代后，PMPM制品，如蝸輪引擎零件廣泛制品，如蝸輪引擎零件廣泛應(yīng)用于航空。應(yīng)用于航空。 技術(shù)特征：技術(shù)特征： 技術(shù)多樣性技術(shù)多樣性粉末制備、成形、燒結(jié)技術(shù)多選擇粉末制

6、備、成形、燒結(jié)技術(shù)多選擇 工藝復(fù)雜性工藝復(fù)雜性 手段先進(jìn)性手段先進(jìn)性壓機(jī)、燒結(jié)爐等設(shè)備與最新科技結(jié)合壓機(jī)、燒結(jié)爐等設(shè)備與最新科技結(jié)合 性能優(yōu)異性性能優(yōu)異性 零件復(fù)雜性零件復(fù)雜性 規(guī)模擴(kuò)大性；成本低廉性規(guī)模擴(kuò)大性；成本低廉性現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)特征與現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)特征與發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 Nickel Silver Gears, Cams and Pawls：P/M parts used in a fire alarm box density ： 8.0g/cm3, tensile strength： 234MPa, yield strength：138MPa， hardness ：90HRH. a

7、 50% cost savings compared to the prior methods of manufacturing stamping and machining 世界粉末冶金大會獲獎零件 Bevel Gear/Indexing Ratchet The part is supplied as a net shape with no secondary operations. It is fabricated to a typical density of 6.6g/cm3, and has a yield strength of 207MPa (30,000psi), and a

8、63 HRB typical hardness. P/M replaced a two-piece machined and welded assembly, offering a 70% cost savings 世界粉末冶金大會獲獎零件 Needle Driver and Distal Clevis The parts are made to a density range of 7.68-7.72g/cm3. The distal clevis has a 35-38 HRC hardness and an elongation of 10%. Tensile yield strengt

9、h is 1100MPa (160,000psi). The needle driver has a 38-42 HRC hardness range and an elongation of 8%. The tensile yield strength is 1070MPa (155,000psi). Metal injection molding offered a cost savings of 90% compared to CNC machining the parts from bar stock 世界粉末冶金大會獲獎零件 Synchronizer Ring with Fricti

10、on Lining The part is warm compacted to a density of more than 7.3g/cm3 in the teeth and more than 7.1g/cm3 in the ring body 世界粉末冶金大會獲獎零件 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 輻射領(lǐng)域越來越廣輻射領(lǐng)域越來越廣 材料、應(yīng)用材料、應(yīng)用 工藝過程的變異工藝過程的變異 粉末直接成形粉末直接成形 多學(xué)科交叉點多學(xué)科交叉點 技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域 朝特異性能、規(guī)?；⒌统杀痉较虺禺愋阅?、規(guī)模化、低成本方向發(fā)展發(fā)展粉末冶金技術(shù)的主要應(yīng)用粉末冶金技術(shù)的主要應(yīng)用 粉末冶金零件市場

11、汽車工業(yè)是粉末冶金零件的最大應(yīng)用市場汽車工業(yè)是粉末冶金零件的最大應(yīng)用市場 典型的汽車用粉末冶金零部件 Main Bearing Cap Set VALVE SEAT AND VALVE GUIDE CONNECTING RODS Connecting Rod (fracture split) Ford Motor Company has already used more than 25 million Powder Forged (PF) connecting rods ；Total cost savings of over 20% are reported PM Connecting ro

12、d used in BMW engines OIL PUMP GEARS SYNCHRONISATION SYSTEM ROCKER ARMS 2000、2005及2010年國內(nèi)粉末冶金零件的總需求量,單位/噸 項目2000 年2005 年2010 年汽車130002100039000摩托車140002000035000家用運輸車130001430014700壓縮機(jī)1405020030洗衣機(jī)13001500電風(fēng)扇24002400電動工具60008000拖拉機(jī)69708713合計6811294179 國外市場 世界粉末冶金零件總產(chǎn)量約為60萬噸，我國約占4%，世界上超過1萬噸/年的粉末冶金廠家約

13、為12個。 國內(nèi)與國外差距 產(chǎn)品水平低 在產(chǎn)品精度方面，少數(shù)企業(yè)尺寸精度可達(dá)IS078級，形位公差可達(dá)89級，與國外水平相比低12級，但一般企業(yè)約相差23級。產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，產(chǎn)品內(nèi)在重量和外觀質(zhì)量均有較大的差距 工藝裝備落后 多數(shù)企業(yè)仍采用性能較差的設(shè)備、能耗大、效率低、爐溫均勻性差，質(zhì)量不穩(wěn)定；國內(nèi)還沒有形成一個專業(yè)生產(chǎn)粉末冶金模具、模架的企業(yè) 企業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與國外同類企業(yè)相比差距較大 粉末制備技術(shù)粉末制備技術(shù) 霧化制粉霧化制粉* * 還原法還原法 機(jī)械合金化機(jī)械合金化* * 氣相沉積氣相沉積 溶膠凝膠溶膠凝膠 自蔓燃反應(yīng)合成自蔓燃反應(yīng)合成 噴霧熱解噴霧熱解* * 納米材料與納米結(jié)構(gòu)納米

14、材料與納米結(jié)構(gòu)? ?課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容 粉末成形技術(shù)粉末成形技術(shù)噴射沉積噴射沉積注射成形注射成形* *擠壓成形擠壓成形粉末鍛造粉末鍛造粉末軋制粉末軋制溫壓成形溫壓成形* *冷熱等靜壓及特種固結(jié)技術(shù)冷熱等靜壓及特種固結(jié)技術(shù)爆炸成形爆炸成形 粉末燒結(jié)技術(shù)粉末燒結(jié)技術(shù) 微波燒結(jié)微波燒結(jié)* * 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) 液相燒結(jié)液相燒結(jié) 超固相線液相燒結(jié)超固相線液相燒結(jié) 電火花燒結(jié)電火花燒結(jié) 快速原位成形快速原位成形原料：元素粉末、合金粉末成形：熱壓（ 熱等靜壓、擠壓.） 冷壓（模壓、冷等靜壓.）燒結(jié)：真空、氣氛、外場其它制備技術(shù)：復(fù)壓、精整、熔浸.其它后續(xù)處理技術(shù)：熱處理、機(jī)加工. 粉末的基本性質(zhì)

15、粉末的基本性質(zhì)一、基本概念（一）名詞（一）名詞粉末（粉末體）粉末（粉末體）powder（mass）：）：粒度小于粒度小于1000 m的顆粒的集的顆粒的集合體（包括固體顆粒與顆粒間的孔隙）合體（包括固體顆粒與顆粒間的孔隙）粉末顆粒（粉末顆粒（particle）：組成粉末的固體微粒組成粉末的固體微粒一次顆粒（單顆粒）（一次顆粒（單顆粒）（single particle）二次顆粒二次顆粒（secondary particle）顆粒團(tuán)顆粒團(tuán)（particle agglomerates ）：）：由單顆粒或二次顆粒依靠范由單顆?；蚨晤w粒依靠范德華的作用下結(jié)合而成的粉末顆粒，易于分散（德華的作用下結(jié)合而成

16、的粉末顆粒，易于分散（easy to disperse）團(tuán)粒：團(tuán)粒：造粒的產(chǎn)物造粒的產(chǎn)物（二）粉末顆粒的聚集狀態(tài)（二）粉末顆粒的聚集狀態(tài)二次顆粒示意圖二次顆粒示意圖a a 單顆粒單顆粒 b b 二次顆粒二次顆粒 a a2 2 一次顆粒一次顆粒 cc晶粒晶粒一次、二次顆粒內(nèi)部都可能存在孔一次、二次顆粒內(nèi)部都可能存在孔隙隙a粉末體示意圖粉末體示意圖可能存在一次顆粒、二次顆粒、顆粒團(tuán)可能存在一次顆粒、二次顆粒、顆粒團(tuán)顆粒之間存在孔隙顆粒之間存在孔隙粉末性能簡介（Powder Properties） 一、基本概念一、基本概念 二、粉末性能二、粉末性能 三、粉末粒度三、粉末粒度School of Mat

17、erials Science and EngineeringSchool of Materials Science and EngineeringSchool of Materials Science and Engineering（一）粉末的化學(xué)性能（一）粉末的化學(xué)性能 Chemistry PropertyChemistry Property 化學(xué)性質(zhì)主要指粉末的化學(xué)組成化學(xué)性質(zhì)主要指粉末的化學(xué)組成（chemical composition） 主要成分（如鐵粉中的主要成分（如鐵粉中的Fe）含量）含量對粉末性能有決定對粉末性能有決定 影響；影響； 化學(xué)組成還包括雜質(zhì)的種類和含量化學(xué)組成還包括雜

18、質(zhì)的種類和含量對粉末性能也有對粉末性能也有 重要影響。重要影響。 主要粉末的化學(xué)組成都有主要粉末的化學(xué)組成都有ISO、GB及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。School of Materials Science and Engineering 粉末中的雜質(zhì)類型粉末中的雜質(zhì)類型 與主成分結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬（合金元素與主成分結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬（合金元素 alloying elements ）：）： Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（電池材料）等。（電池材料）等。 原料機(jī)械夾雜原料機(jī)械夾雜 （mechanical impur

19、ities） ： 主要為非金屬類機(jī)械夾雜物主要為非金屬類機(jī)械夾雜物no-metallic impurities： Si、Al 氧化物、硅酸鹽等。氧化物、硅酸鹽等。 表面吸附物（表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）：）： 水，氧，空氣水，氧，空氣 制粉過程中帶進(jìn)的雜質(zhì)制粉過程中帶進(jìn)的雜質(zhì)電解、霧化、氣體還原粉末中的電解、霧化、氣體還原粉末中的C、N、H、O等等School of Materials Science and Engineering 機(jī)械夾雜物一般提高顆粒硬度，降低粉末壓制性能，機(jī)械夾雜物一般提高顆粒硬度，降低粉末壓制性

20、能， 對對材料韌性材料韌性toughness，特別是沖擊韌性，特別是沖擊韌性impacting toughness 性影響顯著。性影響顯著。 夾雜物在粉末中的分布狀態(tài)夾雜物在粉末中的分布狀態(tài)distribution以及夾雜本身的以及夾雜本身的形狀形狀shape對材料的力學(xué)性能影響不同對材料的力學(xué)性能影響不同 表面吸附物影響顆?；钚?，對粉末成形性和燒結(jié)性能影表面吸附物影響顆粒活性，對粉末成形性和燒結(jié)性能影響明顯。響明顯。School of Materials Science and Engineering化學(xué)成分測定化學(xué)成分測定 針對不同成分，有多種方法：傳統(tǒng)的化學(xué)滴定法、燃針對不同成分，有多種

21、方法：傳統(tǒng)的化學(xué)滴定法、燃燒法、溶解法、熒光分析法、能譜分析法等。燒法、溶解法、熒光分析法、能譜分析法等。雜質(zhì)雜質(zhì)O含量測定：含量測定： 氫損值（可被氫損值（可被H H還原氧含量測定）：還原氧含量測定）：用氫還原，用氫還原，計算粉末還原前后的重量變化。計算粉末還原前后的重量變化。 氫損值氫損值= =（A-BA-B）/ /（A-CA-C）x 100%x 100% AA粉末（粉末（5 5克）加燒舟克）加燒舟traytray的質(zhì)量；的質(zhì)量；BB氫氣中煅燒后殘留氫氣中煅燒后殘留remainedremained物加燒舟的質(zhì)量；物加燒舟的質(zhì)量；CC燒舟的質(zhì)量燒舟的質(zhì)量 酸不溶物法酸不溶物法ISO-4496

22、ISO-4496（二）粉末的物理性能（二）粉末的物理性能 Physical Properties 顆粒形狀及結(jié)構(gòu)（顆粒形狀及結(jié)構(gòu)（Particle shape and structure） 顆粒大?。６龋┘傲６冉M成顆粒大小（粒度）及粒度組成 比表面積比表面積 顆粒密度顆粒密度 顆粒硬度顆粒硬度 熔點熔點 熱學(xué)、熱學(xué)、 電學(xué)、電學(xué)、 磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等1. 1. 粉末顆粒形狀（粉末顆粒形狀（Particle shape） （1） 顆粒形狀與制粉方法和制粉工藝密切相關(guān)，某顆粒形狀與制粉方法和制粉工藝密切相關(guān)，某些特定形狀的粉末只能通過特定的方法生產(chǎn)。些特定形狀的粉末只能通過特定的方

23、法生產(chǎn)。 球形粉末球形粉末-霧化法霧化法 Spherical powders 多孔粉末多孔粉末-還原法還原法 Porous powders 樹枝狀粉末樹枝狀粉末-電解法電解法 Dendrite powders 片狀粉末片狀粉末-研磨法研磨法 Plate powders 顆粒形狀對粉末的工藝性能以及壓坯和燒結(jié)體強顆粒形狀對粉末的工藝性能以及壓坯和燒結(jié)體強度有顯著影響度有顯著影響（2）顆粒形狀的分類）顆粒形狀的分類 （定性描述（定性描述 qualitative description）Particle shape and the suggested qualitative descriptors2

24、. 2. 粉末顆粒密度（粉末顆粒密度（Particle density） 真密度真密度: 粉末材料理論密度粉末材料理論密度D1 有效密度（比重瓶密度）：包含閉孔隙在內(nèi)的密度有效密度（比重瓶密度）：包含閉孔隙在內(nèi)的密度D2 似密度（表觀密度）似密度（表觀密度）: 包含開、閉孔隙在內(nèi)的粉末密度包含開、閉孔隙在內(nèi)的粉末密度D3 D1= m/（V-V孔孔）= m/（V-V開開-V閉閉） D2= m/（V-V開開） D3= m/ V V顆粒總體積；顆?？傮w積； V孔孔孔隙體積；孔隙體積；V開開、V閉閉開、閉孔體積開、閉孔體積 D3D2D1 顆粒密度測定顆粒密度測定 真密度真密度D1 ：（：（ True

25、density ，This density is defined as the ratio of mass of the particle to its actual volume excluding inside pores） 如何確定？如何確定？ 有效密度（比重瓶密度）有效密度（比重瓶密度） D2 ：（：（Particle density， This is defined as the particle mass divided by the particle volume, including the inside closed pores. 比重瓶法比重瓶法Next page 似密度（

26、表觀密度，似密度（表觀密度，false density）D3的測定的測定 阿基米德原理阿基米德原理（特殊的處理）（特殊的處理）)()()(00ssllslpmmmmmml比重瓶法比重瓶法 (Pycnometer method) ；The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml), The following masses are measured: m0: empty pycnometer ml: pycnometer containing liquid ms: pycnometer including sample

27、 particles msl: pycnometer including sample and liquid l: the liquid density p: The particle density ； 粉末強度愈高粉末強度愈高, ,硬度愈高硬度愈高, , 混合粉末的強度混合粉末的強度strength比合金粉末的強比合金粉末的強度低度低, , 合金化可以使得金屬強化合金化可以使得金屬強化, , 硬度隨之提高；硬度隨之提高； 不同方法生產(chǎn)同一種金屬的粉末，顯微硬度是不同。不同方法生產(chǎn)同一種金屬的粉末，顯微硬度是不同。粉末純度粉末純度puritypurity越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程

28、度、減少氧、碳越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程度、減少氧、碳等雜質(zhì)含量后，硬度降低。等雜質(zhì)含量后，硬度降低。 硬度反映了粉末的塑性，對粉末的壓制性能有重要的影響，模壓成硬度反映了粉末的塑性，對粉末的壓制性能有重要的影響，模壓成形時對模具的壽命影響顯著。形時對模具的壽命影響顯著。3. 3. 顆粒顯微硬度顆粒顯微硬度（Microhardness） 采用普通的顯微硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，采用普通的顯微硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，經(jīng)計算得到的。經(jīng)計算得到的。 制樣：先將粉末試樣與電木粉或有機(jī)樹脂粉混勻，在制樣：先將粉末試樣與電木粉或有機(jī)樹脂粉混勻，在100100 20

29、0MPa200MPa下制成小壓坯，然后加熱至下制成小壓坯，然后加熱至140140固化。固化。 壓坯按制備粉末金相樣品的辦法磨制并拋光后，在壓坯按制備粉末金相樣品的辦法磨制并拋光后，在202030g30g負(fù)負(fù)荷下測量顯微硬度。荷下測量顯微硬度。 顆粒顯微硬度測定顆粒顯微硬度測定 Fe powders Micro-hardness，MPa Fe reduced by natural gas 11801440 annealed milled Fe 12401480Fe reduced by solid carbon 12001620 Annealed Fe 122014804. 比表面（比表面（Sp

30、ecific surface area） 比表面積：比表面積： Sw （m2/g） 指單位質(zhì)量粉末具有的表面積指單位質(zhì)量粉末具有的表面積體積比表面：體積比表面：Sv （m2/cm3） 指單位體積粉末具有的表面積指單位體積粉末具有的表面積Fsss氣體透過法測外比表面，氣體透過法測外比表面， 測二次顆粒粒徑（測二次顆粒粒徑（ 50-0.1m）BET吸附法測量比表面積，吸附法測量比表面積， 測量一次顆粒測量一次顆粒氣體吸附法測比表面氣體吸附法測比表面基本原理：基本原理： 利用氣體在固體表面的物理吸附測定物質(zhì)比表面的原理是：利用氣體在固體表面的物理吸附測定物質(zhì)比表面的原理是：測量測量吸附在固體表面上氣

31、體單分子層的質(zhì)量或體積，再由氣體分子的吸附在固體表面上氣體單分子層的質(zhì)量或體積，再由氣體分子的橫截面積計算橫截面積計算1g物質(zhì)的總表面積，即得物質(zhì)的總表面積，即得specific surface area （克（克比表面）比表面）。 費歇爾微粉粒度分析儀費歇爾微粉粒度分析儀 費氏儀全名是費氏儀全名是Fisher Sub-Sieving Sieve,簡寫成簡寫成Fsss, 已被許已被許多國家列入標(biāo)準(zhǔn)；多國家列入標(biāo)準(zhǔn)； 計算粒度的原理是根據(jù)柯青計算粒度的原理是根據(jù)柯青-卡門方程變換建立的公式古登卡門方程變換建立的公式古登（Gooden，Smith）；用粉末床幾何尺寸表示）；用粉末床幾何尺寸表示孔隙

32、度：孔隙度： ：孔隙度孔隙度 W：粉末質(zhì)量粉末質(zhì)量 A ： 試樣截面積試樣截面積 L：試樣長度：試樣長度 理理：粉末材料理論密度粉末材料理論密度ALWc1 Powders should be evaluated for their suitability for further processing Flow rate measures the ease with which powder can be fed and distributed into a die Apparent density is the measure of a powders ability to fill avai

33、lable space without external pressure Compressibility is the effectiveness of applied pressure Green strength is used to describe the strength of the pressed powder after compacting（三）（三） 粉末工藝性能（粉末工藝性能（ technical features ） 1. 松裝密度松裝密度 apparent density和振實密度和振實密度 tapping packing） density （1）松裝密度）松裝密度

34、 apparent density 定義定義: 粉末在自然充填容器時，單位體積內(nèi)自由松裝粉粉末在自然充填容器時，單位體積內(nèi)自由松裝粉末體的質(zhì)量末體的質(zhì)量 g/cm3 意義意義: 自動壓制（自動壓制（automatic pressing（compaction），），容積法裝料，決定裝料高度，陰模高度等容積法裝料，決定裝料高度，陰模高度等 影響因素影響因素: particle shape，particle size and distribution，surface conditions，粒度粒度: 粒度小，松裝密度小粒度小，松裝密度小Mean particle size of W has a no

35、table effect on apparent density Fsss D平均平均m D松松 Fsss D平均平均m D松松 g/cm3 g/cm3 1.20 2.16 6.85 4.40 2.47 2.52 26.00 10.20影響粉末松裝密度的因素影響粉末松裝密度的因素b. 顆粒形狀：顆粒形狀：形狀復(fù)雜，形狀復(fù)雜， 松裝密度小，松裝密度從大到小排列：松裝密度小，松裝密度從大到小排列： 球形粉類球形不規(guī)則形樹枝形球形粉類球形不規(guī)則形樹枝形 spherical-similar spherical-irregular-dendriticc. 表面粗糙度表面粗糙度d、粒度分布、粒度分布 Pa

36、rticle size distribution 細(xì)粉比例增加，松裝密度減小細(xì)粉比例增加，松裝密度減小; 粗粉中加入適量的細(xì)粉，松裝密度增大粗粉中加入適量的細(xì)粉，松裝密度增大; 球形不銹鋼粉球形不銹鋼粉 -100150（% 100 80 60 40 20 325（%） 20 40 60 80 100 d松松 4.9 5.2 4.8 4.6 4.3粉末松裝密度測定（粉末松裝密度測定（GB1478-84GB1478-84、GB5060-85GB5060-85）The basic components of the Hall flowmeter and Scott volumeter for mea

37、suring the flow and packing of powders（2）振實密度）振實密度 tapping packing） density 與粉末體中的孔隙與粉末體中的孔隙 粉末裝于容器內(nèi)，在規(guī)定條件下，經(jīng)過振動敲打后測得粉末裝于容器內(nèi)，在規(guī)定條件下，經(jīng)過振動敲打后測得的粉末密度的粉末密度 振動使粉末顆粒堆積緊密，但粉末體內(nèi)仍存在大量的振動使粉末顆粒堆積緊密，但粉末體內(nèi)仍存在大量的孔隙孔隙pores?？障扼w積與粉末體的表觀體積之比的百分?jǐn)?shù)稱。空隙體積與粉末體的表觀體積之比的百分?jǐn)?shù)稱為孔隙度為孔隙度 Porosity （） 粉末體中的孔隙包括粉末體中的孔隙包括pores in the

38、 particles and between the particles； 松裝密度，松裝密度，理理材料的材料的theoretical density理論密度理論密度或顆粒真或顆粒真 密度密度true density，與粉末體孔隙度，與粉末體孔隙度的關(guān)系：的關(guān)系： 1/理理 /理理 稱為粉末體的相對密度稱為粉末體的相對密度relative density，用，用d 表示，表示，其倒數(shù)，其倒數(shù)，1/d稱為相對體積稱為相對體積relative volume?？紫抖??？紫抖萷orosity與相對密度和相對體積的關(guān)系為：與相對密度和相對體積的關(guān)系為： 1d 和和11/ 粉末體的孔隙度或密度是與顆粒形狀

39、、顆粒的密度和表粉末體的孔隙度或密度是與顆粒形狀、顆粒的密度和表面狀態(tài)、粉末的粒度和粉末組成有關(guān)的一種面狀態(tài)、粉末的粒度和粉末組成有關(guān)的一種綜合性質(zhì)。綜合性質(zhì)。Porosity or density is a simultaneous parameter related to particle size and distribution， shape， surface feature。 由大小相同的規(guī)則球形顆粒組成的粉末的孔隙度時，由大小相同的規(guī)則球形顆粒組成的粉末的孔隙度時， 0.476，最松散的堆積（，最松散的堆積（packing）；）； 0.259，最緊密的堆積（，最緊密的堆積（pack

40、ing） 如果顆粒的大小不等如果顆粒的大小不等 ，較小的顆粒填充到大顆粒的，較小的顆粒填充到大顆粒的間隙中，孔隙度將降低；間隙中，孔隙度將降低； 顆粒形狀影響孔隙度，形狀越復(fù)雜，孔隙度越大；顆粒形狀影響孔隙度，形狀越復(fù)雜，孔隙度越大；2. 流動性流動性 Flow ability （流速）（流速） 定義：一定量粉末定義：一定量粉末(50g) (50g) 流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)漏斗所需的時間：流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)漏斗所需的時間： sec./50 gram sec./50 gram 意義：反映壓制時粉末充填模腔的能力意義：反映壓制時粉末充填模腔的能力 影響因素影響因素: : 顆粒間的摩擦顆粒間的摩擦 friction bet

41、ween the friction between the particlesparticles 形狀復(fù)雜，表面粗糙，流動性差形狀復(fù)雜，表面粗糙，流動性差 理論密度增加，流動性增加理論密度增加，流動性增加 粒度組成：流動性差粒度組成：流動性差 Flow ability也采用前述測松裝密度的漏斗也采用前述測松裝密度的漏斗unnel來測定。來測定。標(biāo)準(zhǔn)漏斗標(biāo)準(zhǔn)漏斗tunnel （又稱流速計）是用（又稱流速計）是用150目金剛砂粉末，目金剛砂粉末，在在40s內(nèi)流完內(nèi)流完50g來標(biāo)定。來標(biāo)定。還可采用粉末還可采用粉末自然堆積角自然堆積角natural angle of repose試驗測試驗測定流動性

42、（粉末通過一粗篩網(wǎng)定流動性（粉末通過一粗篩網(wǎng)sieve自然流下并堆積在自然流下并堆積在直徑為直徑為1in.的圓板上），當(dāng)粉末堆滿圓板后，以粉末錐的圓板上），當(dāng)粉末堆滿圓板后，以粉末錐的高度衡量流動性。的高度衡量流動性。 粉末錐的底角稱為粉末錐的底角稱為natural angle of repose。錐越高或自。錐越高或自然堆積角越大，則表示粉末的流動性越差；反之則流然堆積角越大，則表示粉末的流動性越差；反之則流動性越好。動性越好。 流動性與粉末密度有關(guān)：流動性與粉末密度有關(guān)：如果粉末的相對密度不變，顆粒如果粉末的相對密度不變，顆粒密度越高，流動性越好；顆粒密度不變，相對密度增大會密度越高，流動

43、性越好；顆粒密度不變，相對密度增大會使流動性提高使流動性提高; 例：球形例：球形 Al粉，盡管相對密度較大，但由粉，盡管相對密度較大，但由于顆粒密度小，流動性仍比較差。于顆粒密度小，流動性仍比較差。 流動性受顆粒間粘附流動性受顆粒間粘附adhesion作用的影響：作用的影響：顆粒表面吸附水顆粒表面吸附水分、氣體分、氣體, 加入成形劑加入成形劑(binder) 減低粉末的流動性。減低粉末的流動性。 Flow ability 直接影響壓制過程自動裝粉和壓件密度的均勻直接影響壓制過程自動裝粉和壓件密度的均勻性：性：是自動壓制工藝中必須考慮的重要工藝性能。是自動壓制工藝中必須考慮的重要工藝性能。 制粒

44、工序（團(tuán)粒）制粒工序（團(tuán)粒） 改善流動性。改善流動性。3. 壓制性壓制性 Compacting ability，Compactability）壓制性是壓縮性和成形性的總稱壓制性是壓縮性和成形性的總稱 compressibility and formability （1）壓縮性）壓縮性 Compressibility 定義定義: 粉末被壓緊的能力，表示方法是：一定壓制條件粉末被壓緊的能力，表示方法是：一定壓制條件下粉末壓坯的密度（下粉末壓坯的密度（green density）（在規(guī)定的模具和）（在規(guī)定的模具和潤滑條件下加以測定，用在一定的單位壓制壓力潤滑條件下加以測定，用在一定的單位壓制壓力（5

45、00MPa）下粉末所達(dá)到的壓坯密度表示）下粉末所達(dá)到的壓坯密度表示） 意義意義: 壓坯密度對最終燒結(jié)密度有重要影響，進(jìn)而影響壓坯密度對最終燒結(jié)密度有重要影響，進(jìn)而影響燒結(jié)體性能。燒結(jié)體性能。 影響壓縮性因素影響壓縮性因素: a. 粉末粉末hardening 加工硬化，壓縮性能差加工硬化，壓縮性能差 b. irregular powder：poor compressibility c. 密度減少時（空隙增加），壓縮性差密度減少時（空隙增加），壓縮性差 d. 碳、氧和酸不溶物含量的增加，壓縮性變差碳、氧和酸不溶物含量的增加，壓縮性變差 凡是影響粉末密度的因素都對壓縮性有影響凡是影響粉末密度的因素都

46、對壓縮性有影響（2）成形性）成形性 Formability 定義定義: 壓制后，粉末壓坯保持形狀的能力。用壓坯強度壓制后，粉末壓坯保持形狀的能力。用壓坯強度表示表示 意義意義: 壓坯加工能力，加工形狀復(fù)雜零件的可能性壓坯加工能力，加工形狀復(fù)雜零件的可能性 影響因素：影響因素： 顆粒之間的嚙合與間隙顆粒之間的嚙合與間隙 a. irregular shape，顆粒間連接力強，顆粒間連接力強, 成形性好成形性好 b. smaller particle，soft powder，good formability, 成形性和壓縮性矛盾：成形性和壓縮性矛盾：成形性好的粉末壓縮性差成形性好的粉末壓縮性差 壓縮

47、性好的粉末成形性差壓縮性好的粉末成形性差 必須綜合考慮壓縮性和成形性必須綜合考慮壓縮性和成形性三、粉末粒度及其測定三、粉末粒度及其測定 particle size and measurement（一）粒度及其分布（一）粒度及其分布（ Particle size and distribution ） 1. 基本概念：基本概念： 粒度粒度Particle size ：以mm或m的表示的顆粒的大小稱顆粒直徑，簡稱粒徑或粒度。 粒度分布粒度分布 Particle size distribution：由于組成粉末的無數(shù)顆粒一般粒徑不同。具有不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量稱具有不同粒徑的顆粒占全部粉末

48、的百分含量稱粉末的粒度組成粉末的粒度組成，又稱粒度分布粒度分布 size distribution。 粒度對單顆粒而言，而粒度組成則指整個粉末體。粒度對單顆粒而言，而粒度組成則指整個粉末體。但是通常但是通常說的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意義，也就是粉末的某種說的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意義，也就是粉末的某種統(tǒng)計性平均粒徑（對粉末體也可稱粒度，但是指平均粒度）。統(tǒng)計性平均粒徑（對粉末體也可稱粒度，但是指平均粒度）。級級 別別平均粒徑范平均粒徑范圍，圍，m 級級 別別平均粒徑范圍，平均粒徑范圍，m 粗粉粗粉 150500 極細(xì)粉極細(xì)粉0.510 中粉中粉40150 超細(xì)粉超細(xì)粉0.1 細(xì)粉細(xì)

49、粉1040 粒度級別的劃分粒度級別的劃分 粉末的粒度和粒度組成直接影響其工藝性能，粉末的粒度和粒度組成直接影響其工藝性能，從而對粉末的壓制過程以及最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)從而對粉末的壓制過程以及最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生很大影響。生很大影響。2. 粒徑基準(zhǔn)粒徑基準(zhǔn) 用直徑表示的顆粒大小稱粒徑用直徑表示的顆粒大小稱粒徑。規(guī)則粉末顆粒規(guī)則粉末顆?？梢钥梢灾苯佑们虻闹睆交蛲队皥A的直徑來表示粒徑直接用球的直徑或投影圓的直徑來表示粒徑最簡最簡單和最精確。單和最精確。 近球形、等軸狀顆粒近球形、等軸狀顆粒，用最大長度方向的尺寸代表，用最大長度方向的尺寸代表粒徑，誤差也不大。粒徑，誤差也不大。 大多數(shù)粉末顆粒，形狀不對稱，

50、僅用一維幾何尺寸大多數(shù)粉末顆粒，形狀不對稱，僅用一維幾何尺寸不能精確表示顆粒真實的大小，最好用長、寬、高不能精確表示顆粒真實的大小，最好用長、寬、高三維尺寸的某種平均值來度量。三維尺寸的某種平均值來度量。 幾種粒徑基準(zhǔn)：幾種粒徑基準(zhǔn)： （1）幾何學(xué)粒徑）幾何學(xué)粒徑dg： 用顯微鏡按投影幾何學(xué)原用顯微鏡按投影幾何學(xué)原理測得的粒徑稱投影徑。理測得的粒徑稱投影徑。 二軸平均徑：二軸平均徑：1()2lb1()3lbt3(1/ )(1/ )(1/ )lbt 三軸平均徑：三軸平均徑： 加和（調(diào)和）加和（調(diào)和）平均徑：平均徑： 幾何幾何平均徑：平均徑：1/2(222 )/6lbbttl 體積體積平均徑：平均

51、徑：3/()lbtlbbttl（2）當(dāng)量粒徑）當(dāng)量粒徑de 用沉降法、離心法或水力法等測得的粉末粒徑。用沉降法、離心法或水力法等測得的粉末粒徑。 物理意義：與被測粉末具有相同沉降速度且服從斯特克斯定律物理意義：與被測粉末具有相同沉降速度且服從斯特克斯定律的同質(zhì)球形粒子的直徑。的同質(zhì)球形粒子的直徑。 體積當(dāng)量徑體積當(dāng)量徑 volume equivalent diameter 如如 V粉粉(體積體積)=V球球(體積體積) ；D粉粉=D球；球； V球球=（ /6） d3球球 d球球=(6V/ )1/3=d粉粉 測出粉末體積測出粉末體積, 能夠換能夠換 算出粉末的顆粒粒徑；算出粉末的顆粒粒徑； 面積當(dāng)

52、量徑面積當(dāng)量徑 area equivalent diameter 當(dāng)當(dāng)S粉粉(投影面積投影面積)=S球球(投影面積投影面積), D粉粉=D球球 S球球=（ /4）d2圓圓 d圓圓=（4/ ）s1/2圓圓=d粉粉（3）比表面粒徑）比表面粒徑dsp 利用吸附法、透過法和潤濕熱法測定粉末的比表面，再換算利用吸附法、透過法和潤濕熱法測定粉末的比表面，再換算成具有相同比表面值的均勻球形顆粒的直徑，稱為比表面積成具有相同比表面值的均勻球形顆粒的直徑，稱為比表面積（4）衍射粒徑）衍射粒徑dsc 對于粒度接近電磁波波長的粉末，基于光與電磁波對于粒度接近電磁波波長的粉末，基于光與電磁波(如如X光光等等)的衍射現(xiàn)

53、象所測得的粒徑稱為衍射粒徑。的衍射現(xiàn)象所測得的粒徑稱為衍射粒徑。 3. 粒度分布基準(zhǔn)粒度分布基準(zhǔn) （1）個數(shù)基準(zhǔn)分布：）個數(shù)基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆粒粉占全部顆?？傄悦恳涣介g隔內(nèi)的顆粒粉占全部顆?？倲?shù)中的個數(shù)表示，又稱頻度分布；數(shù)中的個數(shù)表示，又稱頻度分布；（2）長度基準(zhǔn)分布：）長度基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傞L度占全部顆以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傞L度占全部顆粒的長度總和中的多少表示；粒的長度總和中的多少表示；（3）面積）面積 基準(zhǔn)分布：基準(zhǔn)分布：以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？偙砻娣e占全部以每一粒徑間隔內(nèi)的顆粒總表面積占全部顆粒的表面積總和中的多少表示；顆粒的表面積總和中的多少表示；（4

54、）質(zhì)量）質(zhì)量quantity rule 基準(zhǔn)分布基準(zhǔn)分布: 以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傎|(zhì)以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傎|(zhì)量占全部顆粒的質(zhì)量總和中的多少表示。量占全部顆粒的質(zhì)量總和中的多少表示。4. 平均粒度平均粒度mean particle size 算術(shù)平均徑 n粉末中具有某種粒徑的顆粒數(shù)長度平均徑d個數(shù)為n有顆粒徑體積平均徑顆粒密度面積平均徑Sw粉末克比表面體面積平均徑K粉末顆粒的比形狀因子重量平均徑比表面平均徑/adndn 2/ldndnd 33/vdndn2/sdndn32/vsdndnd 43/wdndnd /spwdKS5. 粒度分布粒度分布 Particle size distribut

55、ion基本概念：基本概念： 頻度頻度: 第第i 級粉末顆粒數(shù)與總顆粒數(shù)之比級粉末顆粒數(shù)與總顆粒數(shù)之比 100% 第第i 級粉末重量數(shù)與總重量數(shù)之比級粉末重量數(shù)與總重量數(shù)之比 100% 第第i 級粉末體積數(shù)與總體積數(shù)之比級粉末體積數(shù)與總體積數(shù)之比 100% 相對頻度：相對頻度：單位尺寸單位尺寸(微米微米)上的頻度數(shù)上的頻度數(shù) relative frequency 例如：例如：-微米總顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的，微米總顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的， 具有具有-微米粉末顆粒的頻度值為，微米粉末顆粒的頻度值為， 相對頻度（相對頻度（-） 粒度分布曲線粒度分布曲線以顆粒數(shù)或顆粒頻度對平均粒徑所作的粒度分布曲線稱為頻度分布

56、曲以顆粒數(shù)或顆粒頻度對平均粒徑所作的粒度分布曲線稱為頻度分布曲線，曲線峰值所對應(yīng)的粒徑稱為線，曲線峰值所對應(yīng)的粒徑稱為多數(shù)徑多數(shù)徑（n）以顆粒數(shù)以顆粒數(shù)n和頻度數(shù)和頻度數(shù)對平均粒徑作圖，可對平均粒徑作圖，可以得到直觀的粒度分布曲線和頻度分布曲以得到直觀的粒度分布曲線和頻度分布曲線線由于該橫坐標(biāo)由于該橫坐標(biāo)horizontal axial 取值以一個單位計取值以一個單位計算算 =1，固這一頻度分布曲線又稱為相對頻，固這一頻度分布曲線又稱為相對頻度分布曲線度分布曲線relative frequency distribution curve，二條曲線重合，二條曲線重合 累積分布曲線：累積分布曲線：

57、將各種粒級粉末個數(shù)或百分?jǐn)?shù)逐一相加累積并將各種粒級粉末個數(shù)或百分?jǐn)?shù)逐一相加累積并做圖，可以得到累積分布曲線，分布曲線對應(yīng)做圖，可以得到累積分布曲線，分布曲線對應(yīng)處稱為處稱為中位徑中位徑， 當(dāng)考慮累積分布曲線中粒徑小于某個粒度的粉當(dāng)考慮累積分布曲線中粒徑小于某個粒度的粉末占總體粉末的百分率時，這種累計為末占總體粉末的百分率時，這種累計為負(fù)累計負(fù)累計negative accumulated distribution curve.negative accumulated distribution curve. 也可知道大于某個粒級的粉末占總粉末的百分也可知道大于某個粒級的粉末占總粉末的百分率，稱率，

58、稱正累計正累計positive accumulated positive accumulated distribution curve distribution curve Curve of particle size distributionFrequency distributionCommon particle size distributionsThe particle size distributions shown on four different bases; frequency versus linear particle size, and cumulative frequ

59、ency versus log particle size, etc.思考題：思考題：某粉末粒度組成數(shù)據(jù)如下：某粉末粒度組成數(shù)據(jù)如下： 05m 510m 1015m 1520m37(顆粒數(shù)顆粒數(shù))3749722025m 2530m 3035m 3540m108164121934045m 4550m 50m624019 做粒度分布曲線、正累積分布曲線、負(fù)累積分布曲線，做粒度分布曲線、正累積分布曲線、負(fù)累積分布曲線，確立中位徑，計算平均粒徑。確立中位徑，計算平均粒徑。（二）粒度測定（二）粒度測定（ Particle size measurement ） Typical methods to det

60、ermine particle size粒徑基準(zhǔn)粒徑基準(zhǔn)方法名稱方法名稱測量范圍，測量范圍，m粒度分布基準(zhǔn)粒度分布基準(zhǔn)幾何學(xué)粒徑幾何學(xué)粒徑篩分析篩分析光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡電子顯微鏡405000.2100.01質(zhì)量分布質(zhì)量分布個數(shù)分布個數(shù)分布 同上同上 當(dāng)量粒徑當(dāng)量粒徑重力沉降重力沉降離心沉降離心沉降501.0100.05 質(zhì)量分布質(zhì)量分布同上同上比表面粒徑比表面粒徑氣體吸附氣體吸附氣體透過氣體透過200.001500.2比表面積平均徑比表面積平均徑同上同上 光衍射粒徑光衍射粒徑光衍射光衍射X X光衍射光衍射100.001 0.050.0001 體積分布體積分布體積分布體積分布 現(xiàn)代粉