粉末冶金制作流程的工藝介紹（課堂PPT）

1、1主要內容主要內容第一章第一章 粉末制備新技術粉末制備新技術第二章第二章 成型新技術成型新技術第二章第二章 燒結技術燒結技術2第一章第一章 粉末的制備新技術粉末的制備新技術制備粉末的三種途徑：制備粉末的三種途徑： 固態(tài)固態(tài) 液態(tài)液態(tài) 粉末粉末 氣態(tài)氣態(tài)3機 械 研 磨 氣 流 研 磨機 械 制 粉液 體 霧 化 蒸 發(fā) 凝 聚物 理 制 粉氣 相 沉 積 還 原 化 合 電 化 學 法化 學 制 粉粉 末 的 制 備4 固態(tài)固態(tài) 粉末粉末1 1、金屬（合金）、金屬（合金）金屬粉末：機械粉碎，電化腐蝕金屬粉末：機械粉碎，電化腐蝕2 2、金屬氧化物（鹽類）、金屬氧化物（鹽類）金屬粉末：還原法金屬粉

2、末：還原法3 3、金屬非金屬化合物、金屬非金屬化合物 金屬化合物粉末：還原化合法金屬化合物粉末：還原化合法金屬氧化物非金屬化合物金屬氧化物非金屬化合物第一章第一章 粉末的制備新技術粉末的制備新技術5 機械研磨機械研磨 氣流研磨氣流研磨6機械制粉方法的實質就是利用動能來破壞材料的內結合力，機械制粉方法的實質就是利用動能來破壞材料的內結合力，使材料分裂產生新的界面。使材料分裂產生新的界面。機械研磨法機械研磨法 能夠提供動能的方法可以設計出許多種，例如有錘搗、能夠提供動能的方法可以設計出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方

3、法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。是用于物料破碎及粗粉制備的。7 物料顆粒受機械力作用而被粉碎時，還會發(fā)生物質結物料顆粒受機械力作用而被粉碎時，還會發(fā)生物質結構及表面物理化學性質的變化，這種因機械載荷作用導致構及表面物理化學性質的變化，這種因機械載荷作用導致顆粒晶體結構和物理化學性質的變化稱為機械力化學。顆粒晶體結構和物理化學性質的變化稱為機械力化學。研磨的理論基礎研磨的理論基礎 機械力化學機械力化學8 顆粒結構變化，如表面結構自發(fā)地重組，形成非晶態(tài)結構顆粒結構變化，如表面結構自發(fā)地重組，形成非晶態(tài)結構或重結晶或重結晶 顆粒表面物理化學性質變化，如表面電性、物理與化學吸顆粒表面物理化學性質變化

4、，如表面電性、物理與化學吸附、溶解性、分散與團聚性質附、溶解性、分散與團聚性質 在局部受反復應力作用區(qū)域產生化學反應，如由一種物質在局部受反復應力作用區(qū)域產生化學反應，如由一種物質轉變?yōu)榱硪环N物質，釋放出氣體、外來離子進入晶體結構轉變?yōu)榱硪环N物質，釋放出氣體、外來離子進入晶體結構中引起原物料中化學組成變化。中引起原物料中化學組成變化。9球磨制粉包括四個基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介質球磨制粉10 在球磨過程中，球磨筒將機械能傳遞到筒內的球磨物料及介質上，相互間產生正向沖擊力、側向擠壓力、摩擦力等，當這些復雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，細化過程實質上就是大顆粒的不斷解理過程；如果粉末的塑性

5、較強，則顆粒的細化過程較為復雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為，不論何種性質的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是一致的。111.動能準則：提高磨球的動能2.碰撞幾率準則：提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則12滾筒式行星式振動式攪動式球磨制粉的基本方式1314轉速較低時，球料混合體與筒壁做相對滑動運動并保持一定的斜度。隨轉速的增加，球料混合體斜度增加，抬升高度加大，這時磨球并不脫離筒壁；轉速達一臨界值V臨1時，磨球開始拋落下來，形成了球與筒及球與球間的碰撞；轉速增加到某一值時，磨球的離心力大于其重力，這時磨球、粉料與磨筒處于相對靜止狀態(tài)，此時研磨作用停止，這個轉速被稱為臨界轉

6、速V臨2。15)/(4 .422分轉臨界DVD是磨筒的直徑是磨筒的直徑滾筒球磨的轉速應有一個限定條件V臨1 V 實際 V臨2161718192021橫臂均勻分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨過程中，磨球與粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心攪拌棒周圍產生旋渦，然后沿軸線下降，如此循環(huán)往復。只要轉速和裝球量合適，在任何情況下磨筒底部都不會出現(xiàn)死角由于磨球的動能是由轉軸橫臂的攪動提供的，研磨時不會存在象滾筒球磨那樣有臨界轉速的限制，因此，磨球的動能大大增加。同時還可以采用提高攪動轉速。減小磨球直徑的辦法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動能，這樣才符合了提高機械球磨效率的兩個基本準則

7、。22氣流研磨法 通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球及其它輔助研磨介質。研磨腔內是粉末與氣體的兩相混合物。根據(jù)粉料的化學性質，可采用不同的氣源，如陶瓷粉多采用空氣，而金屬粉末則需要用惰性氣體或還原性氣體。由于不使用研磨球及研磨介質，所以氣流研磨粉的化學純度一般比機械研磨法的要高。231.動能準則：提高粉末顆粒的動能2.碰撞幾率準則：提高粉末顆粒的碰撞幾率氣流研磨制粉的基本原則24由于粉末顆粒的運動是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動能必須要提高載流氣體的速度。兩種辦法來實現(xiàn)兩種辦法來實現(xiàn)提高氣體的入口壓力氣體噴嘴的氣體動力學設計通過這兩種辦法使噴嘴出口

8、端的氣體流速達超音速25氣流研磨三種類型：氣流研磨三種類型：旋渦研磨冷流沖擊流態(tài)化床氣流磨262728加速效應：加速后的氣體可超過音速；冷卻效應：氣粉混合物的溫度能降到零度以下。這兩點對于顆粒的粉碎十分有利，其一是顆粒的撞擊動能增大，其二是金屬顆粒的冷脆性提高。夾帶有粉料的高壓氣流通過一個稱為拉瓦爾管型硬質合金噴嘴噴向空間時，氣體壓力急劇下降，形成絕熱膨脹過程。這一過程會同時產生兩種效應29303132可獲得超細粉體，并且粉末粒度均勻；可獲得超細粉體，并且粉末粒度均勻；由于氣體絕熱膨脹造成溫度下降，所以可研磨低熔點物料；由于氣體絕熱膨脹造成溫度下降，所以可研磨低熔點物料；粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)

9、生過度的磨損，因此粉末雜質含量粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)生過度的磨損，因此粉末雜質含量少；少；針對不同的性質的粉末，可使用空氣、針對不同的性質的粉末，可使用空氣、N2、Ar等惰性氣體。等惰性氣體。流態(tài)化床氣流磨的特點流態(tài)化床氣流磨的特點：33 液態(tài)液態(tài) 粉末粉末1 1、液態(tài)金屬（合金）、液態(tài)金屬（合金）金屬粉末：霧化法金屬粉末：霧化法2 2、金屬鹽溶液、金屬鹽溶液金屬粉末：置換法，溶液氫還原法，水溶液電解金屬粉末：置換法，溶液氫還原法，水溶液電解法法3 3、金屬熔鹽、金屬熔鹽金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔鹽電法金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔鹽電法第一章第一章 粉末的制備新技術粉末的制備新技術34 霧化法是一種

10、典型的物理制粉方法，霧化法是一種典型的物理制粉方法，是通過高壓霧化介質，如氣體或水強烈是通過高壓霧化介質，如氣體或水強烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻凝固來實現(xiàn)的。卻凝固來實現(xiàn)的。霧化制粉法35霧化霧化聚并聚并凝固凝固36過程一：大的液珠當受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個小液滴，假設在破碎瞬間液體溫度不變，則液體的能量變化可近似為液體的表面能增加。很明顯，霧化時液體吸收的能量與霧化液滴的粒徑存在一個對應關系，即：吸收的能量越高則粒徑越??；反之亦然。37過程二：液體顆粒破碎的同時，還可能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉

11、化，這個過程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過程。過程三：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。381、能量交換準則、能量交換準則 提高單位時間、單位質量液體從系統(tǒng)中吸提高單位時間、單位質量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固準則、快速凝固準則 提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。的再次聚集。提高霧化制粉效率基本準則提高霧化制粉效率基本準則39雙流霧化雙流霧化 指被霧化的液體流和噴射的介質流；單流霧化單流霧化 直接通過離心力、壓力差或機械沖擊力實現(xiàn)霧化40 雙流霧化法雙流霧化法氣霧化水霧化

12、注：適合于金屬粉末制備41 金屬液由上方孔流出時與沿一定角度高速射擊的氣體或金屬液由上方孔流出時與沿一定角度高速射擊的氣體或水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混合流動，液滴的熱量被霧化介質迅速帶走，使液滴在很短的合流動，液滴的熱量被霧化介質迅速帶走，使液滴在很短的時間內凝固成為粉末顆粒。時間內凝固成為粉末顆粒。42霧化過程的四種情況霧化過程的四種情況動能交換：霧化介質的動能轉變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺埽粺崃拷粨Q：霧化介質帶走大量的液固相變潛熱；流變特性變化：液態(tài)金屬的粘度及表面張力隨溫度的降低而不斷發(fā)生變化；化學反應：高比表面積顆粒

13、（液滴或粉粒）的化學活性很強，會發(fā)生一定程度的化學反應。43氣霧化的四個區(qū)域氣霧化的四個區(qū)域負壓紊流區(qū)負壓紊流區(qū)高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負壓紊流層；高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負壓紊流層；顆粒形成區(qū)顆粒形成區(qū)在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴；在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴；有效霧化區(qū)有效霧化區(qū)氣流匯集點對原始液滴產生強烈破碎作用，進一步細化；氣流匯集點對原始液滴產生強烈破碎作用，進一步細化；冷卻凝固區(qū)冷卻凝固區(qū)細化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質，凝固為粉末顆粒。細化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質，凝固為粉末顆粒。4445氣霧化制粉的影響因素氣霧化制粉的影響

14、因素（1）氣體動能（2）噴嘴結構（3）液流性質（4）噴射方式46 離心霧化法離心霧化法離心霧化法是借助離心力的作用將液態(tài)離心霧化法是借助離心力的作用將液態(tài)金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉末顆粒的方法。末顆粒的方法。1974年，首先由美國提年，首先由美國提出旋轉電極霧化制粉法，后來又發(fā)展了出旋轉電極霧化制粉法，后來又發(fā)展了旋轉錠模、旋轉園盤等離心霧化方法。旋轉錠模、旋轉園盤等離心霧化方法。47旋轉電極法旋轉電極法粉末平均粒度為粉末平均粒度為D=（M0。12/wd0。64）(r/ m)0。43式中式中 M 熔化速度熔化速度 d陽極直徑陽極直徑 W角速度角速度 D

15、熔體表面張力熔體表面張力 m密度密度484950旋轉錠模法（又稱旋轉坩堝法）：旋轉錠模法（又稱旋轉坩堝法）：51旋轉盤法旋轉盤法：旋轉盤法最早于1976的美國Pratt & Whitney 飛機制造公司研制出，用來制備超合金粉末。這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉速有關，轉速越高，則平均粒度越小，細粉收得率越高。52霧化盤轉速，r/minRevolution of atomizing disc12000 24000 36000粉末平均粒度，mMean powder particle size187 154 135100 目粉末收得率，Recovery rate of 100 mech

16、powder33.0 44.5 56.0粉末平均粒度及100目以下粉末收得率隨霧化盤轉速而變化的情況535455旋轉輪法旋轉輪法56旋轉杯旋轉杯57旋轉網旋轉網58 氣態(tài)氣態(tài) 粉末粉末1 1、金屬蒸汽、金屬蒸汽金屬粉末：蒸汽冷凝法金屬粉末：蒸汽冷凝法2 2、氣態(tài)金屬羰基物、氣態(tài)金屬羰基物金屬粉末：羰基物熱離解法金屬粉末：羰基物熱離解法3 3、氣態(tài)金屬鹵化物、氣態(tài)金屬鹵化物金屬粉末：氣相氫還原法金屬粉末：氣相氫還原法4 4、氣態(tài)金屬鹵化物、氣態(tài)金屬鹵化物金屬化合物粉末：化學氣相沉積法金屬化合物粉末：化學氣相沉積法第一章第一章 粉末的制備新技術粉末的制備新技術59 氣相沉積制粉是通過某種形式氣相沉

17、積制粉是通過某種形式的能量輸入，使氣相物質發(fā)生氣的能量輸入，使氣相物質發(fā)生氣固相變或氣相化學反應，生成金屬固相變或氣相化學反應，生成金屬或陶瓷粉體?；蛱沾煞垠w。v 物理氣相沉積法物理氣相沉積法v 化學氣相沉積法化學氣相沉積法60一、化學氣相沉積的反應類型一、化學氣相沉積的反應類型分解反應)()()(氣固氣nNmMaA8 化學氣相沉積法化學氣相沉積法)()()()(氣固氣氣nNmMbBaA化合反應61二、化學氣相沉積制粉原理二、化學氣相沉積制粉原理1. 化學反應化學反應2. 2. 均相形核均相形核3. 3. 晶粒生長晶粒生長4. 4. 團團 聚聚制粉過程包括四個步驟制粉過程包括四個步驟：620l

18、nbBnNoPPRTGG化合反應化合反應由上式可知，化學氣相沉積反應的控制因素包括：1）反應溫度、2）氣相反應物濃度、3）氣相生成物濃度1.1.化學反應化學反應對一個確定的化學反應，判斷其能否進行的熱力學判據(jù)為：0lnaAnNoPPRTGG分解反應分解反應63 氣相反應發(fā)生后的瞬間，在反應區(qū)內形成了產物蒸氣，氣相反應發(fā)生后的瞬間，在反應區(qū)內形成了產物蒸氣，當反應進行到一定程度時，產物蒸氣濃度達到過飽和狀態(tài)，當反應進行到一定程度時，產物蒸氣濃度達到過飽和狀態(tài)，這時產物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基這時產物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反應產物晶核的形成是個均勻形核

19、過程。底，因此反應產物晶核的形成是個均勻形核過程。假設晶核為球形，半徑為假設晶核為球形，半徑為r r，則形成一個晶核，體系自由能，則形成一個晶核，體系自由能的變化為：的變化為：23434rGrGr2.2.均勻形核均勻形核為固氣相的體積自由能差為晶核的表面能rG64臨界形核半徑rr對應大小的晶核則被稱為臨界晶核Gr6520ln2PPKTr202222ln316PPTKG晶核的表面能晶核中原子或分子的體積玻爾茲曼常數(shù)產物的氣相分壓產物的飽和蒸氣壓，過飽和程度。KPP0P/P066結論： 溫度越高，過飽和度越大，則臨界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，對晶體生成越有利。67 均相晶核形成之后，穩(wěn)定存在的

20、晶核便開始晶粒生長過程。小晶粒通過對氣相產物分子的吸附或重構，使自身不斷長大。理論和實踐都表明：晶粒生長過程主要受產物分子從反應體系中向晶粒表面的擴散遷移速率所控制。3.3.晶粒生長晶粒生長 68 顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用，主要包括范德華力、靜電引力等，顆粒之間會發(fā)生聚集，顆粒越小，則聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象被稱為團聚。對于超微粉末，團聚是一個普遍存在并不容忽視的問題，在實際使用超微粉末時，如果不能有效地解決團聚問題，則粉末就可能失去其特有的性質。4.4.團團 聚聚 69三、化學氣相沉積類型三、化學氣相沉積類型 熱分解法熱分解法 氣固氣242HCCH熱分解法中最為典型的就是羰基物熱分

21、解，它是一種由金屬羰基化合物加熱分解制取粉末的方法，整個過程的關鍵環(huán)節(jié)就是制備金屬羰基化合物neCOM70 )(44氣固CONiCONi第一步：合成羰基鎳第一步：合成羰基鎳第二步：羰基鎳熱分解第二步：羰基鎳熱分解CONiCONi4)(4氣71氣 相 氫 還 原 還原劑-氫氣氣相金屬熱還原 還原劑-低熔點、低沸點的金屬（Mg、Ca、Na）兩類反應的反應物均選用低沸點的金屬鹵化物且以氯化物為主HClMeHMeCln2 氣相還原法氣相還原法72 復合反應法是一種重要的制取無機化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，這種方法既可制備各種陶瓷粉體也可進行陶瓷薄膜的沉積。所用的原料是金屬鹵化物(以氯化物為主)，在一定溫度下，以氣態(tài)參與化學反應。 復合反應法復合反應法73HClCMeHHCMeClbanmx2 氣固氣氣HClTiCHHCTiCl63228341. 碳化物反應通式碳化物反應通式74HClNMeNHMeClbax3HClNMeHNMeClbax22 氣固氣HClNSiNHSiCl2443342. 氮化物反應通式氮化物反應通式75HClBMeHBClMeClbax23HClTiBHBClTiCl10522234氣氣3. 硼化物反應通式硼化物反應通式76HClSiMeHSiClMeClbax24HClMoSiHSiClMoCl16284222454