粉末工藝性能及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

1、金屬粉末工藝性能及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響（專題講座）一.基本概念(1).粉末體通常我們將固態(tài)物質(zhì)按分散程度不同分成致密體、粉體和膠體三類，大小在0.1mm以上的稱為致密體或常說(shuō)的固體，0.1m以下的稱為膠體微粒，而介于兩者之間的稱為粉體。(2).粉末顆粒粉末中能分開(kāi)獨(dú)立存在的最小實(shí)體稱為單顆粒，單顆?？膳c鄰近的顆粒之間依靠一種被稱為范德華力與電荷的庫(kù)侖引力相互黏附而產(chǎn)生聚集，構(gòu)成二次顆粒，在二次顆粒之間形成一定的孔隙。通過(guò)聚集方式得到的二次顆粒稱為聚合體或聚集顆粒。顆粒的聚集程度對(duì)粉末的工藝性能影響很大，從粉末的流動(dòng)性和松裝密度看，聚集顆粒相當(dāng)于一個(gè)大的單顆粒，流動(dòng)性和松裝密度較細(xì)的單顆粒高，壓縮

2、性也較好，但是，一次顆粒在壓制過(guò)程中同樣經(jīng)受變形，也能影響壓縮性和成形性；而燒結(jié)過(guò)程中，一次顆?？s起的作用比二次顆粒顯得更重要。(3).顆粒結(jié)晶構(gòu)造金屬及多數(shù)非金屬顆粒都是結(jié)晶體，但顆粒外形卻不總與其特定的晶型相一致。原始粉末在經(jīng)過(guò)破碎、研磨等加工后，晶體的外形已受到破壞。制粉工藝對(duì)顆粒的晶粒結(jié)構(gòu)起主要作用。一般說(shuō)，顆粒具有多晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小取決工藝特點(diǎn)和條件。對(duì)于極細(xì)的粉末，可能出現(xiàn)單晶顆粒，由這樣的單晶一次顆粒組成的二次顆粒，也仍然是多晶顆粒。粉末顆粒實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)缺陷，嚴(yán)重的不完整性，存在孔隙、畸變與夾雜等，因而粉末晶體儲(chǔ)存了較高的晶格畸變能，具有較高的活性。(4).表面狀

3、態(tài)粉末顆粒細(xì)，同時(shí)粉末顆粒的缺陷多，內(nèi)表面也相當(dāng)大，外表面包括顆粒表面的宏觀凹凸部分以及寬度大于深度裂隙；而內(nèi)表面包括深度超過(guò)寬度的裂隙、微縫以及顆粒外表面連通的孔隙、孔腔等的壁面(但不包括封閉在顆粒內(nèi)的潛孔),粉末發(fā)達(dá)的表面積儲(chǔ)存了高的表面能，一次，對(duì)氣體、液體或微粒表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸附能力。因此，超細(xì)粉末很容易自發(fā)聚集程二次顆粒，并在空氣中極易氧化或自燃。二.粉末性能粉末是顆粒與顆粒間的孔隙所組成的分散體系，研究粉末體時(shí)，應(yīng)分別研究:(1).單顆粒性質(zhì)：A.由粉末材料所決定的性質(zhì)（晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、固體密度、熔點(diǎn)、塑性、彈性、電磁性能、化學(xué)成分）.1.B.由粉末生產(chǎn)方法所決定的性質(zhì)(包括粒度、顆粒

4、形狀、有效密度、表面狀態(tài)、晶粒結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣缺陷、振實(shí)密度、顆粒內(nèi)吸附的氣體含量、表面吸附的氣體與氧化物、活性)。(2).粉末體的性質(zhì):包括平均粒度、粒度組成、比表面、松裝密度、流動(dòng)性、顆粒間的摩擦狀態(tài)。(3).粉末的孔隙性質(zhì)：包括總孔隙體積P、顆粒間的孔隙體積P1、顆粒內(nèi)孔隙體積P2=P-P1、顆粒間的孔隙數(shù)量n、平均孔隙大小P1/n、孔隙大小分布、孔隙形狀等。對(duì)粉末性能的上述分類，使我們對(duì)粉末性能有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，但實(shí)際工作中不可能對(duì)他們逐一進(jìn)行測(cè)定，通常按照粉末的化學(xué)成分、物理性能和工藝性能進(jìn)行劃分和測(cè)定。1.化學(xué)成分粉末的化學(xué)成分應(yīng)包括主要的金屬元素含量。雜質(zhì)主要是指：(1).與主要金屬元素

5、結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬成分。如鐵粉中的Si、Mn、C、S、P、O等；(2).從原料和粉末生產(chǎn)過(guò)程中帶進(jìn)的機(jī)械夾雜，如SiO2、Al2O3、硅酸鹽、難熔金屬或碳化物等酸不溶物；(3).粉末表面吸附的氧、水汽和其它氣體(N2、CO2).金屬粉末化學(xué)成分的分析與常規(guī)金屬分析方法相同，先測(cè)定主要金屬成分的含量，再測(cè)定其余成分(包括雜質(zhì))的含量。金屬粉末的含氧量通常采用氫損法（即測(cè)定可被氫還原的金屬氧化物中的部分氧含量）進(jìn)行測(cè)定。所測(cè)得的試樣粉末的相對(duì)質(zhì)量損失，稱為氫損。氫損值可用下面公式計(jì)算：氫損值(A-B)/(A-C)×100%式中，A粉末試樣(5g)加燒舟的質(zhì)量，克；B氫

6、中煅燒后的殘留物加燒舟的質(zhì)量，克；C燒舟的質(zhì)量，克該方法被認(rèn)為是對(duì)金屬粉末中可還原的氧化物的氧含量的估計(jì)，當(dāng)粉末中含有SiO2、CaO、Al2O3等不被氫還原的氧化物時(shí)，測(cè)得的值將低于實(shí)際的含氧量。金屬粉末中的雜質(zhì)，即酸不溶物，有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定方法。2.物理性能粉末的物理性能包括：顆粒形狀、顆粒大小與粒度組成、比表面積、顆粒密度、顯微硬度、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)、熔點(diǎn)、比熱容、蒸汽壓等熱學(xué)性質(zhì)。實(shí)際上，從粉末冶金工藝上說(shuō)，比較有價(jià)值的物理性能是顆粒形狀、顆粒大小、粒度組成和熔點(diǎn)。這里，我們重點(diǎn)討論粉末的工藝性能：松裝密的、振實(shí)密度、流動(dòng)性、壓縮性與成形性。工藝性能取決于粉末的生產(chǎn)方法和粉末的處理工藝（球磨

7、、退火、.2.加潤(rùn)滑劑、造粒等）。松裝密度：是指粉末在規(guī)定條件下自然充滿容器時(shí)，單位體積內(nèi)的粉末質(zhì)量，單位為g/cm3。檢測(cè)方法，按照GB1478-84和GB5060-85執(zhí)行。松裝密度是粉末自然堆積的密度，其大小取決于顆粒間的黏附力、相對(duì)滑動(dòng)的阻力以及粉末體孔隙被小顆粒填充的程度。松裝粉末的孔隙度一般較大。振實(shí)密度：將粉末裝于容器中，在規(guī)定的條件下，經(jīng)過(guò)振動(dòng)后得到的粉末密度。檢測(cè)方法，按照GB-5162-85執(zhí)行。振實(shí)密度是粉末受到敲擊或振動(dòng)后使粉末堆積得更緊密，因此振實(shí)粉末的孔隙較松裝粉末的孔隙要小。規(guī)律：(1).顆粒大小相同且粒度細(xì)的粉末，由于顆粒間的黏附，產(chǎn)生“拱橋”效應(yīng)，會(huì)使孔隙度提

8、高，因而，松裝密度較低，振實(shí)密度也較低；(2).球形顆粒的粉末，孔隙度較低，松裝密度和振實(shí)密度高；片狀或不規(guī)則形狀粉末由于“拱橋”效應(yīng)，孔隙度較高，松裝密度和振實(shí)密度會(huì)較低；(3).顆粒大小不等的粉末，由于小粒徑的粉末填充到大顆粒的間隙中，孔隙度將降低，松裝密度與振實(shí)密度較顆粒大小相同的粉末有所提高；表1三種顆粒形狀不同的銅粉的密度顆粒形狀松裝密度，g/cm3振實(shí)密度，g/cm3松裝時(shí)孔隙度，%片狀0.40.795.5不規(guī)則形狀2.33.1474.2球形4.55.349.4表2鎢粉平均粒度對(duì)松裝密度的影響平均粒度，m松裝密度，g/cm3平均粒度，m松裝密度，g/cm31.202.166.854

9、.402.472.5226.0010.203.883.67粒度組成：粉末冶金用的粉末，其粒度通常都是由各種不同粒度的粉末混合而成。不同的粒度組成，松裝密度也不同：粒度范圍窄的粗細(xì)粉末，松裝密度較低；粗細(xì)粉末按一定比例混合后，可獲得最大的松裝密度，這時(shí)因?yàn)榇诸w粒間的孔隙被細(xì)顆粒所填充的緣故。表2粒度不同的不銹鋼粉混合后的松裝密度粒度（目數(shù)）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%-100+150-32510080206040406020800100松裝密度,g/cm34.54.95.24.84.64.3粒度組成通常是用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行分析，也可以用粒度分析儀進(jìn)行分析。流動(dòng)性：粉末流動(dòng)性在粉末冶金成形工藝過(guò)程中是影響自動(dòng)裝粉和壓件

10、密度均勻性.3.的一個(gè)重要參數(shù)。規(guī)律：(1). 同松裝密度一樣，與粉末體和顆粒的性質(zhì)有關(guān)，等軸狀粉末、粗顆粒粉末的流動(dòng)性好；(2). 粒度組成中，極細(xì)粉末占的比例愈大，流動(dòng)性愈差;(3).流動(dòng)性還與顆粒密度和粉末松裝密度有關(guān)，如粉末的相對(duì)密度不變，顆粒密度愈高，則流動(dòng)性愈好；顆粒密度不變，相對(duì)密度的增大會(huì)使流動(dòng)性提高。粉末流動(dòng)性的檢測(cè)是以一種專門檢測(cè)粉末流速的儀器霍爾流速計(jì)進(jìn)行檢測(cè)的，通常是以50g粉末從標(biāo)準(zhǔn)的流速漏斗流出所需的時(shí)間，單位為S/50g.俗稱為“流速”。 壓縮性與成形性：壓縮性和成形性的總稱為粉末的壓制性，壓縮性代表粉末在壓制過(guò)程中被壓緊的能力，它是在規(guī)定的模具和潤(rùn)滑條件下，用一

11、定的單位壓制壓力（500MPa）下粉末達(dá)到的壓坯密度表示。通?？捎脡号髅芏入S壓制壓力變化的曲線圖來(lái)表示。成形性是指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末得以成形的最小的單位壓制壓力，或者用壓坯的強(qiáng)度來(lái)衡量。（一）.影響壓縮性的因素：(1).粉末顆粒的塑性或顯微硬度，壓坯密度高時(shí)，塑性金屬粉末比硬、脆材料粉末的壓縮性好。球磨的金屬粉末，退火后塑性改善，壓縮性提高。金屬粉末中含有合金元素或非金屬雜質(zhì)時(shí)，會(huì)降低粉末的壓縮性。因此，粉末冶金工業(yè)上用的鐵粉中，碳、氧和酸不溶物含量的增加，必然會(huì)使壓縮性變差。(2).粉末顆粒形狀和結(jié)構(gòu)也影響壓縮性，如水霧化鐵粉比還原鐵粉的松裝密度高，壓縮性也好。（二）

12、.影響成形性的因素：粉末顆粒和結(jié)構(gòu)的影響最明顯。顆粒松軟、形狀不規(guī)則的粉末，壓緊后顆粒的聯(lián)接增強(qiáng)，成形性就好。例如還原鐵粉的壓坯強(qiáng)度比霧化鐵粉的要高。評(píng)價(jià)粉末壓制性能時(shí)，必須綜合比較壓縮性與成形性。一般說(shuō)來(lái)，成形性好的粉末，往往壓縮性差；相反，壓縮性好的粉末，成形性差。例如松裝密度高的粉末壓縮性雖好，但成形性差；細(xì)粉末的成形性好，而壓縮性差。三.粉末工藝性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響上面已經(jīng)比較全面地介紹了有關(guān)粉末的工藝性能及其影響因素，具體到生產(chǎn)工藝實(shí)踐中，如何評(píng)價(jià)工藝性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響和合理制定材料的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1. 松裝密度對(duì)壓坯質(zhì)量的影響：在單位壓制壓力相同的條件下，松裝密度高的粉末，壓坯密度高于

13、松裝密度低的。所以一般情況下，當(dāng)需要壓制高密度的壓坯時(shí)，應(yīng)選用松裝密度高的金屬粉末。例如，水霧化鐵粉或鋼粉的松裝密度高于還原鐵粉，故壓制高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)選用水霧化鐵粉或鋼粉；而生產(chǎn)含油軸承或多孔材料制品，一般選用松裝密度的還原粉。2. 振實(shí)密度對(duì)壓坯質(zhì)量的影響：原理上，同松裝密度對(duì)壓坯質(zhì)量影響相同，.4.但振實(shí)密度多用于檢測(cè)超細(xì)金屬粉末的工藝性能，在在金屬注射成形喂料的配制時(shí)，對(duì)金屬粉末的振實(shí)密度檢測(cè)顯得非常關(guān)鍵，這時(shí)由于不同振實(shí)密度的粉末對(duì)黏結(jié)劑的添加量有直接影響，即影響到粉末的裝載量與坯件的密度和燒結(jié)收縮率。粉末振實(shí)密度高時(shí)，表明粉末顆粒組成中，粗顆粒的比例較高，粉末總體表面積較小，這意

14、味著，添加的黏結(jié)劑量可以適當(dāng)減少，粉末裝載量可以提高，注射坯的密度得到提高，燒結(jié)收縮率可以降低。3. 粒度組成振實(shí)密度對(duì)壓坯質(zhì)量的影響：粒度組成影響到粉末的松裝密度，前面已經(jīng)談到，粒度分布范圍窄的粉末，粉末的松裝密度都較低，粉末冶金生產(chǎn)工藝上，一般都會(huì)選用粗細(xì)粉末合理搭配(按照一定比例混合)的粉末，以便獲得良好的松裝密度與壓坯密度。我們可以從表2中列出的不同粒度組成的不銹鋼粉的松裝密度這一事實(shí)中得到認(rèn)識(shí)。4. 流動(dòng)性對(duì)粉末成形壓坯質(zhì)量的影響：前面已經(jīng)談到了流動(dòng)性對(duì)壓制過(guò)程的影響，流動(dòng)性好的粉末填充模腔的能力與效果要比流動(dòng)性差的粉末好，可以保證壓坯密度均勻，流動(dòng)性好的粉末對(duì)于自動(dòng)成形來(lái)講非常有利，因此，粉末冶金生產(chǎn)實(shí)踐中，在產(chǎn)品的自動(dòng)壓制成形時(shí)，必須選用流速較好的粉末，以保證壓坯的質(zhì)量穩(wěn)定性。當(dāng)流速欠佳時(shí)，工藝上也可以通過(guò)調(diào)節(jié)送粉速度或增加送粉器的機(jī)械振動(dòng)，以改善其填充性。5. 壓縮性與成形性對(duì)壓坯質(zhì)量的影響：壓縮性好的粉末，一般講，獲得的壓坯密度較高，但壓坯強(qiáng)度較低，壓坯的燒結(jié)收縮系數(shù)較小，燒結(jié)后的產(chǎn)品強(qiáng)度較好；反之，則較差。改善粉末壓縮性可以通過(guò)退火還原提高粉末的塑性、降低粉末中的雜質(zhì)(氧、碳、酸不溶物)含量或增加合金元素(如銅、鎳等)等