粉末冶金原理

課程名稱：粉末冶金學(xué)PowderMetallurgyScience第一章導(dǎo)論粉末冶金技術(shù)的發(fā)展史Historyofpowdermetallurgy粉末冶金是采用金屬粉末（或非金屬粉末混合物）為原料，經(jīng)成形和燒結(jié)操作制造金屬材料、復(fù)合材料及其零部件的加工方法。粉末冶金既是一項(xiàng)新型材料加工技術(shù)，又是一項(xiàng)古老的技術(shù)。.早在五千年前就出現(xiàn)了粉末冶金技術(shù)雛形，古埃及人用此法制造鐵器件；.1700年前，印度人采用類似方法制造了重達(dá)6.5T的“DELI柱”（含硅Fe合金，耐蝕性好）。.19世紀(jì)初，由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)用鉑（如坩堝）的需要，俄羅斯人、英國(guó)人采用粉末壓制、燒結(jié)和熱鍛的方法制造致密鉑，成為現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的基礎(chǔ)。.20世紀(jì)初，現(xiàn)代粉末冶金的發(fā)展起因于愛迪生的長(zhǎng)壽命白熾燈絲的需要。鎢燈絲的生產(chǎn)標(biāo)志著粉末冶金技術(shù)的迅速發(fā)展。.1923年硬質(zhì)合金的出現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)加工的革命。.20世紀(jì)30年代銅基含油軸承的制造成功，并在汽車、紡織、航空、食品等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用。隨后，鐵基粉末冶金零部件的生產(chǎn)，發(fā)揮了粉末冶金以低的制造成本生產(chǎn)高性能零部件的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。.20世紀(jì)40年代，二戰(zhàn)期間，促使人們開發(fā)研制高級(jí)的新材料（高溫材料），如金屬瓷、彌散強(qiáng)化合金作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件。.戰(zhàn)后，迫使人們開發(fā)研制更高性能的新材料，如粉末高速鋼、粉末超合金、高強(qiáng)度鐵基粉末冶金零部件（熱鍛）。大大擴(kuò)大了粉末冶金零部件及其材料的應(yīng)用領(lǐng)域。.粉末冶金在新材料的研制開發(fā)過程中發(fā)揮其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2粉末冶金工藝粉末冶金技術(shù)的大致工藝過程如下：原料粉末+添加劑（合金元素粉末、潤(rùn)滑劑、成形劑）成形（模壓、CIP、粉漿澆注、軋制、擠壓、溫壓、注射成形等）燒結(jié)（加壓燒結(jié)、熱壓、HIP等）

粉末冶金材料或粉末冶金零部件—后續(xù)處理Fig.1-1TypicalProcessingflowchartforPowderMetallurgyTechnique3粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn).低的生產(chǎn)成本：能耗小， 生產(chǎn)率高,能耗小， 生產(chǎn)率高,材料利用率高，設(shè)備投資少。.材料成分設(shè)計(jì)靈活、微觀結(jié)構(gòu)可控（由工藝特征決定）：能制造普通熔練法不可能生產(chǎn)的材料，如 W-CuSnO-Ag、WC-CoCu-石墨、金屬瓷（TiC-NiCr,AI2Q-N或Cu,TiB.Cu等）、彌散強(qiáng)化材料（AI2Q-CUAI2Q-AI，Y2Q-Fe基合金）、粉末超合金（非相圖成分）、難熔金屬及其合金如鎢鉬、含油軸承、過濾材料等。.高的性能：粉末高速鋼、粉末超合金因無(wú)成分偏析和穩(wěn)定的組織 （細(xì)的晶粒）而性能優(yōu)于熔煉法制備的合金；納米材料，金屬-瓷梯度復(fù)合材料（梯度硬質(zhì)合金） 。主要不足之處：.由于受設(shè)備容量的限制，傳統(tǒng)粉末冶金工藝制造的粉末冶金零部件的尺寸較其它加工方法（鑄造，機(jī)加工等）?。?材料韌性不高；.零部件的形狀復(fù)雜程度和綜合力學(xué)性能有限等。正被新型成形技術(shù)（如無(wú)模成形技術(shù)，溫壓成形，注射成形）逐步克服。4粉末冶金材料及其零部件的應(yīng)用由于粉末冶金材料及其零部件較其它加工方法制造的零部件的成本低， 以及其性能能滿足特種要求，因而粉末冶金零部件和材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用十分廣泛。如：.汽車制造業(yè)的各種粉末冶金零部件；.機(jī)加工工業(yè)中的切削用硬質(zhì)合金和粉末高速鋼刀具；.電子工業(yè)用粉末冶金磁性材料和電觸頭；.計(jì)算機(jī)的原器件用電子封裝材料；.機(jī)械制造業(yè)的減磨零件和結(jié)構(gòu)部零件；.航天航空業(yè)中的耐熱材料及結(jié)構(gòu)零部件；.家用電器中的微型軸承；.原子能材料；.武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)（高效、低成本）；.建材工業(yè)用金剛石工具材料等。.環(huán)保與化工用催化劑及過濾器件。總之，粉末冶金材料與人們的生活密不可分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮重大作用。而且，隨著粉末冶金新技術(shù)和新工藝的開發(fā)與應(yīng)用，粉末冶金的技術(shù)上的優(yōu)越性也更加顯著，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。如溫壓成形技術(shù)的出現(xiàn)使粉末冶金零部件在轎車上的應(yīng)用水平由原來的13.2Kg/輛增加到22Kg/輛，大大擴(kuò)大了粉末冶金零部件的應(yīng)用圍。5粉末冶金的未來發(fā)展.大量高性能鐵基粉末冶金結(jié)構(gòu)零部件的開發(fā)與應(yīng)用。.組織均勻的全致密、高性能難加工材料的開發(fā)與應(yīng)用。.非平衡材料（amorphous,microcrystalline,metastablealloys ）..特種新型材料的開發(fā)與應(yīng)用（納米復(fù)合材料，梯度復(fù)合材料.新型成型與燒結(jié)技術(shù)的開發(fā).計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用6粉末冶金技術(shù)與其他材料加工技術(shù)間的關(guān)系粉末冶金作為一種加工方法，主要從成本和性能上彌補(bǔ)其他加工技術(shù)上的不足。與其它加工技術(shù)一樣同屬材料科學(xué)與工程的疇，為人類社會(huì)的文明和進(jìn)步不斷提供物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是，在新材料的研制和開發(fā)過程中，粉末冶金技術(shù)因其獨(dú)特的工藝優(yōu)勢(shì)將繼續(xù)發(fā)揮先導(dǎo)作用。第二章粉末的性能與測(cè)試方法簡(jiǎn)介§1粉末及粉末性能1粉末顆粒與粉末體的概念習(xí)慣上，人們按分散程度將自然界的固體分為三類，即致密體(>1mm、粉末體(0.1卩m—1mr、i和膠粒(<0.1卩m、。然而隨著納米技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在看來，這一分類方法存在嚴(yán)重不足之處。也就是說，超細(xì)顆粒與納米顆粒均同屬于粉末體的籌。粉末顆粒指組成粉末體的最小單位或個(gè)體，簡(jiǎn)稱顆粒。粉末體則是由尺寸小于1mm的顆粒及顆粒間孔隙所組成的集合體。可流動(dòng)性：由于粉末顆粒之間的相互作用力遠(yuǎn)低于通常固體原子間作用力壓縮性：由于顆粒間存在相當(dāng)數(shù)量的孔隙，也具有可壓縮的特性。單個(gè)粉末顆?？赡苁菃我痪Я?，也可能是多晶粒。主要取決于粉末制備方法和制取工藝條件、顆粒大小和顆粒的晶體學(xué)特性。2粉末顆粒的性質(zhì)2.1顆粒的聚集狀態(tài)由于粉末顆粒細(xì)小，具有發(fā)達(dá)的表面積，顆粒表面附近的原子活性很高，導(dǎo)致粉末顆粒發(fā)生某些聚集現(xiàn)象。單顆粒：?jiǎn)蝹€(gè)獨(dú)立存在的顆粒被稱為單顆粒。粗粉末通常以單顆粒形式存在。一次顆粒(primaryparticle):最先形成的不可以獨(dú)立存在的顆粒，它只有聚集成二次顆粒時(shí)才能獨(dú)立存在。二次顆粒(secondaryparticle):由兩個(gè)以上的一次顆粒結(jié)合而又不易分離的能獨(dú)立存在的聚集顆粒被稱為二次顆粒。若能被分離，就成為單顆粒。細(xì)粉末通常以二次顆粒的形式存在。一次顆粒與二次顆粒間的差異如圖所示。(圖，18)團(tuán)粒(agglomelate):由單顆粒或二次顆粒依靠德華力粘結(jié)而成的聚集顆粒。絮凝體(flocculate):在液體介質(zhì)中由單顆粒或二次顆粒結(jié)合的更松軟的聚集顆粒。顆粒表面形貌(surfacemorphology)粉末顆粒的表面形貌一般來說凹凸不平的，即使是采用機(jī)械破碎法制得的瓷粉末。從理論上講，粗大的顆粒在沖擊載荷的作用下會(huì)發(fā)生沿一定晶面的解理斷裂，形成平整的斷裂面。但由于受力狀態(tài)的復(fù)雜性，解理面并非沿同一晶面進(jìn)行，而發(fā)生慣穿多個(gè)晶面的斷裂，從而導(dǎo)致顆粒表面的凹凸不平。而對(duì)于通常的金屬粉末的制備方法制取的粉末顆粒，由于出現(xiàn)優(yōu)先成核與生長(zhǎng)的客觀條件， 易形成凹凸不平的欠發(fā)育完整的表面。2.3部結(jié)構(gòu)大部分的粉末顆粒系多晶結(jié)構(gòu)，粉末顆粒部存在許多缺陷，如空位、位錯(cuò)、晶格彎曲等，還存在孔隙、裂紋等。另外還有夾雜（還原法制粉中更為突出）。3粉末性能粉末性能包括物理性能（顆粒的密度、熔點(diǎn)和顯微硬度等）、幾何性能（顆粒形狀，顆粒尺寸及其組成）、化學(xué)性質(zhì)和工藝性能（松裝密度，流動(dòng)性，壓縮性，成形性和燒結(jié)性能）。特別是粉末的工藝性能受控于前三種粉末性能。1粉末的物理性能3.1.1顆粒密度材料的理論密度即無(wú)孔隙密度，一般不能代表顆粒密度。這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)制粉方法所制備的粉末顆粒含有孔隙（開孔或閉孔）和裂隙。通常采用兩種方法來表示顆粒的密度。真密度（porefreedensity） 即固體材料的理論密度。除一些具有不同晶形的物質(zhì)（碳、氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等）以外，其它物質(zhì)的粉末顆粒的真密度與其理論密度相同。有效密度（ffectiveparticledensity） 系單位體積粉末顆粒的質(zhì)量。顆粒中存在的閉孔體積計(jì)算在。很明顯，它小于顆粒的真密度。要精確測(cè)定粉末顆粒的有效密度幾乎是不可能的。一般采用比重瓶法測(cè)定其近似值，因而也稱為比重瓶密度。3.1.2顯微硬度 粉末顆粒的顯微硬度主要取決于構(gòu)成固體物質(zhì)的原子間的結(jié)合力、加工硬化程度和純度，左右著粉末的壓縮性。后二者主要受控于粉末制取方法。如還原鐵粉顆粒的顯微硬度可采用適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に噥硐庸び不⒔档推渲醒酢⑻己?，達(dá)到降低顆粒顯微硬度的目的。3.3.3粉末顆粒的熔點(diǎn)對(duì)于普通粉末冶金用金屬粉末，粉末顆粒的熔點(diǎn)與固體的熔點(diǎn)幾乎相同。但當(dāng)粉末顆粒的尺寸很小時(shí)，顆粒的熔點(diǎn)大幅度降低。女口尺寸為10nm的納米銀粉，其熔點(diǎn)僅為97C。3.2顆粒的形狀（Particleshape）顆粒形狀一般分為兩大類，即規(guī)則形狀與不規(guī)則形狀顆粒。主要取決于粉末的制造方法。具體關(guān)系如下：球形顆粒一氣相沉積，液相沉淀；近球形一霧化，溶液置換；片狀一機(jī)械研磨；多角形一機(jī)械粉碎；樹枝狀一電解法；多孔海綿狀一還原法。嚴(yán)格來說，所謂規(guī)則狀顆粒系指能用現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具加以準(zhǔn)確描述的顆粒。而通常指的顆粒形狀是粉末顆粒的外形輪廓投影的形狀。 而顆粒的形狀的表征到目前為止仍然是一件十分困難的工作。 因而，造成表征粉末顆粒尺寸時(shí)也只能給出很粗糙的表達(dá)。一些典型的粉末顆粒如圖所示。 （此處附圖）目前，對(duì)于顆粒形狀的描述僅局限于定性分析， 即以人們已知的自然界中的物體形狀作參考來加以表示。顆粒的形狀的觀察通常采用光學(xué)顯微鏡、 掃描電鏡和透射作為分析手段?！?粉末粒度及其分布（Particlesizeanditsdistribution）1粒度（particlesize）習(xí)慣上，粉末顆粒的大?。捶勰┝６龋┎捎靡痪S（onedimension）尺寸來衡量，粗略地表示粉末顆粒的粗細(xì)程度，以卩m或mm為單位。通常所說的粒度指的是粒徑。粉末粒徑反映顆粒外形的某一尺寸。粒徑的具體數(shù)值與粉末顆粒的形狀及粉末粒度的分析方法有關(guān)。因?yàn)?，?duì)于具體的測(cè)試方法是建立在一定的有關(guān)粉末顆粒形狀的假設(shè)的基礎(chǔ)之上的。如篩分析法指網(wǎng)孔的尺寸；光學(xué)顯微鏡法或掃描電鏡法則代表顆粒投影的某一尺寸， 即定向徑；沉降分析、比表面法的當(dāng)量粒徑或等效球徑。投影徑：DA=（4A/n）1/2（令顆粒的投影面積A與直徑為DA的球形顆粒面積相等）等體積球徑：D=（6V/n）1/3（令顆粒體積V與直徑為的球形顆粒的體積相等）表面徑：Dp=（S/n）1/2 （令顆粒的表面積S與球形顆粒的表面積相等）體比表面徑：Dv=6/Sv=6V/S前三種表示方法都基于了不同的對(duì)顆粒形狀的假設(shè)，相互之間無(wú)法進(jìn)行換算，且?guī)缀我饬x不明顯。第四種方法不需對(duì)粉末顆粒的形狀作任何形式的假設(shè)，而且其幾何意義很明顯，即為顆粒中心（centroid）到各表面元（微表面元ds）按其表面積加權(quán)距離的兩倍。其有效性在于： （1）便于比較不同形狀粉末顆粒的尺寸大??；（2）能有效地說明粉末顆粒尺寸對(duì)粉末的工藝性能（如粉末的壓制與燒結(jié)性能）的影響。2.粒度組成或粒度分布（particlesizedistribution）2.1粒度組成指具有不同粒徑圍的顆粒在粉末總量中所占的百分?jǐn)?shù)（質(zhì)量或個(gè)數(shù)）0對(duì)于具體的測(cè)試方法，所測(cè)得的粒度分布是粗略的。因?yàn)?，不同粒度圍的顆粒，其形狀存在一定的差異，而這種差異恰恰反映了顆粒尺寸的大小。2.2表示方法：列表法直方分布圖（histogram）和頻度分布曲線：即以頻度（各粒度圍的顆粒數(shù)占所統(tǒng)計(jì)顆?？倲?shù)的百分?jǐn)?shù)）為縱坐標(biāo)，粒徑為橫坐標(biāo)，矩形高度代表該粒級(jí)的頻度（百分?jǐn)?shù)）°這一表示方法比較直觀，適用于篩分析和顯微分析法測(cè)定的粒度分布的表征。若粒級(jí)取得足夠窄，矩形上邊的中點(diǎn)的連線成為頻度分布曲線。 （見教材）累計(jì)分布曲線（cumulativecurve）:分為“正”和“負(fù)”累計(jì)分布曲線兩種。后者表示顆粒尺寸小于該粒度數(shù)值的粉末顆粒占顆?？偭康陌俜?jǐn)?shù)； 而前者則指粉末顆粒數(shù)量大于該粒度數(shù)值的粉末顆粒占顆?？偭康陌俜?jǐn)?shù)。若將二者繪制于同一圖上，則二者呈對(duì)稱分布。（同上）以上表示方法一般基于顯微鏡法或篩分析法，且分析過程極其復(fù)雜，適用于較粗粉末的粒度組成分析。而對(duì)于微細(xì)粉末粒度組成的測(cè)定，常采用一種快速分析方法一激光衍射法。該法可給出粒度組成的連續(xù)分布曲線和粉末的平均粒度。3平均粒度（Averageparticlesize）常用平均粒度的表示方法：算術(shù)平均徑Da=END/刀N體積平均徑Dv=（刀Nd3/刀N）1/3面積平均徑D=（刀Nd2/刀N）1/2比表面平均徑 Dp=K/(pS)K=顆粒的形狀因子；p二顆粒的密度4粒度分析方法1篩分析(Screening):適合于較粗(>38卩m粉末的粒度分析。測(cè)得粉末顆粒的最大外形尺寸。目或網(wǎng)目數(shù)m指篩網(wǎng)上一英寸長(zhǎng)度的網(wǎng)孔數(shù)。目數(shù)T,網(wǎng)孔Jm=25.4/(a+d)其中a=網(wǎng)孔尺寸；d=網(wǎng)絲徑。且一英吋等于25.4mm篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：使用較多的是泰勒篩制。其分度方法是以200目的篩孔尺寸(0.074mm為基準(zhǔn)，依次乘以主模數(shù)21/2得到比得200目更粗的150、100、65、48、35目;對(duì)于小于200目的篩網(wǎng)，則依次除以主模數(shù)21/2得到比200目更細(xì)的270、400目。若所需的篩網(wǎng)粒級(jí)更加密集，則可用副模數(shù) 21/4去乘或除。與上一篩制相比較，篩網(wǎng)數(shù)量增加一倍。篩分析法簡(jiǎn)單快捷，工業(yè)用鐵、銅基粉末常采用此法來分析粉末的粒度組成。4.2顯微鏡法(Microscopy):A光學(xué)：粒度大于1卩mB電鏡：粒度大于0.001卩m此法測(cè)得的是顆粒定向徑或投影徑。并且，易于觀察顆粒的表面形貌。借助于圖像分析儀可進(jìn)行快速定量分析。4.3沉降分析(Sedimentation):適合于粒度細(xì)小粉末的分析。原理：重力G=nd3pg/6浮力F=nd3pog/6運(yùn)動(dòng)阻力R=3冗dnv。當(dāng)顆粒受力處于平衡狀態(tài)時(shí)(即刀Fi=0)，顆粒在液體中勻速運(yùn)動(dòng)。不難想象，粒度較粗的顆粒在沉降初期，因受到較大的重力作用而具有較大的初速度而較快地到達(dá)沉降天平的托盤。細(xì)小顆粒較后到達(dá)。d=175 〔n/(p-po)0.5(h/t)0.5〕n=沉降介質(zhì)的粘度；p=顆粒的密度(有效密度)；po=介質(zhì)的密度；h=沉降起始高度；t=沉降時(shí)間一般采用沉降天平分析。4.4X-射線衍射：納米粉末的粒度分析4.5激光衍射5粉末比表面(Specificsurfacearea)粉末克比表面Sm：1克質(zhì)量的粉末所具有的總表面積， m/g；粉末體比表面S：?jiǎn)挝惑w積粉末所具有的總表面積， m1。便于不同材質(zhì)粉末的比表面大小的比較?！唛g的關(guān)系：S=p松XSm對(duì)于顆粒形狀相似的粉末體，S4,顆粒尺寸J。粉末顆粒的比表面取決于顆粒形狀、粉末粒度及其組成、顆粒的表面粗糙程度。粉末的比表面決定了粉末的成形性和燒結(jié)性的好壞，是粉末的重要性能。3.1氣體吸附法一BET法原理：測(cè)量吸附在固體表面上氣體單分子層的質(zhì)量或體積， 由氣體分子的截面積換算出單位質(zhì)量粉末的表面積。Sn=VJNA/（22400M）吸附在粉末顆粒表面的單分子氣體的總體積； N0=阿佛加德羅常數(shù)；A=被吸附氣體分子的截面積； M=粉末質(zhì)量測(cè)試方法：分為容量法和質(zhì)量法。前者直接測(cè)量被吸附單分子氣體的體積，而后者則稱量吸附前后粉末質(zhì)量的變化，得到吸附量，再轉(zhuǎn)換成氣體分子的體積。2空氣透過法（Airpermeability）:測(cè)量空氣流過一定厚度粉末床后壓力的變化。適合于微小粉末粒度和比表面的測(cè)定?！?粉末的工藝性能（Processingproperty）粉末松裝密度（apparentdensity） 與振實(shí)密度（taporpackingdensity ）.松裝密度（俗稱松比）p粉末在規(guī)定條件下自然填充容器時(shí)，單位體積粉末質(zhì)量 。取決于粉末的制備方法［粉末顆粒的形狀（導(dǎo)致機(jī)械嚙合和產(chǎn)生拱橋效應(yīng)的機(jī)會(huì)）、顆粒的密度（自然填充的動(dòng)力，固體的理論密度和孔隙存在與否）及表面狀態(tài)（粗糙程度，決定了顆粒之間的摩擦力）、粉末的粒度及其組成（-拱橋效應(yīng)-粉末顆粒間的摩擦力+顆粒重力）］及粉末的干濕程度（液膜導(dǎo)致顆粒間粘附力）。.粉末振實(shí)密度（tapdensity在規(guī)定的條件下，粉末受敲打或振動(dòng)填充規(guī)定容器時(shí)單位體積的粉末質(zhì)量 。振動(dòng)作用為顆粒間的相互填充創(chuàng)造條件（輸入動(dòng)力和減小顆粒間填充前的摩擦力）。因而，其數(shù)值大于粉末的松比。.粉末體的孔隙度B=孔隙體積/粉末表觀體積=1-p/pm（相對(duì)密度d）；.相對(duì)體積B是相對(duì)密度的倒數(shù)1/d=pm/p>1,且B=1-1/B2流動(dòng)性（flowability,flowrate）:50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)漏斗流出所需的時(shí)間，以秒/50g表示。一般來說，粉末的流動(dòng)性與其松比成正比。即粉末的松裝密度愈高，其流動(dòng)性愈好。粉末的流動(dòng)性反映顆粒間摩擦力的大小。在粉末壓制過程中，流動(dòng)性決定了粉末填充模腔的均勻性和自動(dòng)壓制可實(shí)現(xiàn)程度。 若粉末的流動(dòng)性太差，需對(duì)粉末進(jìn)行制粒處理。3粉末的壓制性（Compactability）:粉末的壓縮性與成形性的總稱。.壓縮性（Compressibility）:表示粉末在指定的壓制條件下，粉末被壓緊的能力。一般用壓坯密度（或相對(duì)密度表示）表示。主要取決于粉末顆粒的塑性，顆粒的表面粗糙程度和粒度組成。.成形性（Formability）:粉末經(jīng)壓制后，壓坯保持既定形狀的能力。一般用壓坯強(qiáng)度表示。即顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度和有效接觸面積大小反映了粉末顆粒的成形性能。.影響因素：除了粉末的塑性（顆粒的顯微硬度?顆粒合金化、氧化與否，粒度組成）以外，其它因素（粉末顆粒形狀、顆粒表面狀態(tài)、粒度）對(duì)兩者的影響規(guī)律恰好相悖。為了制取高壓縮性與良好成形性的金屬粉末， 除設(shè)法提高其純度和適當(dāng)?shù)牧６冉M成以外，表面適度粗糙的近球形粉末是一重要技術(shù)途徑?！?化學(xué)成分1粉末化學(xué)成分金屬粉末的化學(xué)成分包括主要金屬的含量和雜質(zhì)含量?；衔锓勰┻€包括主要元素含量是否與化學(xué)計(jì)量一致的問題。粉末中的主要雜質(zhì)的種類：.與主要金屬結(jié)合，形成固溶體、化合物，還原鐵粉中的 Si,Mn,C,S,P,0;鎢粉中鉬、鈉等；.機(jī)械夾雜：SiO2、AI2O，毛刷纖維材料，舟皿和球磨機(jī)壁材料成分等.制粉方法固有的雜質(zhì)：如羰基法引入的游離C等，還原鐵粉中的硅酸鹽雜質(zhì)的存在造成粉末工藝和物理性能的下降。2主要分析容除分析主要成分的含量以外，還需測(cè)定其它成分（包括雜質(zhì)）的含量。2.1金屬粉末的氧含量若氧與金屬成分形成可還原的氧化物或部分固溶在金屬中的氧。 這部分氧的含量通常采用氫損法測(cè)定。但若金屬粉末中還存在可與氫形成揮發(fā)性化合物的元素如碳和硫，則導(dǎo)致測(cè)定值高于實(shí)際氧含量。該法適合于一般工業(yè)用 Fe、CuNi、CoWMo粉的氧含量分析。若粉末中含有不被氫還原的氧化物（如鈣、硅、磷、鋁、鉻、錳等），則測(cè)定值低于實(shí)際氧含量。對(duì)于超細(xì)或納米（金屬或非氧化物瓷）粉末，由于表面能和活性極高，導(dǎo)致氧的大量吸附，氧含量很高。這些氧對(duì)后續(xù)加工帶來相當(dāng)?shù)睦щy，如在超細(xì)或納米硬質(zhì)合金的生產(chǎn)過程中，造成合金碳含量控制和燒結(jié)致密化等困難。2.2金屬粉末的雜質(zhì)的測(cè)定 一般采用酸不溶物法測(cè)定。采用有機(jī)酸（銅用硝酸，鐵用鹽酸）溶解粉末試樣，經(jīng)過濾和高溫煅燒，稱量計(jì)算。如：鐵粉鹽酸不溶物二鹽酸不溶物的克數(shù)/粉末試樣克數(shù)X100%銅粉硝酸不溶物=（不溶物克數(shù)-相當(dāng)于錫氧化物的克數(shù)）/粉末克數(shù)X100%作業(yè)題：教材164頁(yè)中1、3、4、5及“粉末壓縮性與成形性的影響因素有哪些?怎樣協(xié)調(diào)兩者間的矛盾？”。第三章粉末制備技術(shù)粉末性能取決于粉末制備方法，對(duì)粉末冶金材料的性能和加工過程的影響極大。因此，對(duì)于具體的應(yīng)用要求必須選擇好合適的粉末原料。對(duì)于粉末冶金工藝過程來說，粉末的制備技術(shù)是關(guān)鍵的第一步?！?粉末制備方法概述及分類1物理化學(xué)法1還原法：.碳還原法（鐵粉）.氣體（氫和一氧化碳）還原法（W,Mo,Fe,Ni,Cu,Co及其合金粉末）.金屬熱還原法（Ta,Nb,Ti,Zr,Th,U）-SHS自蔓延高溫合成。1.2還原-化合法：適合于金屬碳化物、硼化物、硅化物、氮化物粉末1.3化學(xué)氣相沉積CVD1.4物理氣相沉積PVD或PCV（復(fù)合粉）1.5電解法：水溶液電解（Cu,Fe,Ni,Ag粉）；熔鹽電解（Ta,Nb,Ti,Zr,Th等活潑金屬粉末）1.6羰基物熱離解法：Fe,Ni,Co粉末2機(jī)械法2.1機(jī)械研磨：鉻粉，鐵鋁合金，硅鐵合金，鉬鐵合金，鉻鐵合金等脆性金屬或合金粉末。2.2霧化法：包括氣體霧化（空氣和惰性氣體）和水、油霧化以及旋轉(zhuǎn)電極霧化等。.氣體霧化：鐵、銅、鋁、錫、鉛及其合金粉末（如青銅粉末、不銹鋼粉末） ；.水霧化：鐵、銅及合金鋼粉末；.旋轉(zhuǎn)電極霧化：難熔金屬，鋁合金、鈦合金、超合金粉末，工具鋼粉末。.其它形式的霧化：§2粉末冶金鐵粉的制造在粉末冶金材料及其零部件中，鐵基粉末冶金零部件在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。因而，在一般的工業(yè)領(lǐng)域，粉末冶金零部件一般指的是鐵基粉末冶金。本節(jié)主要介紹固體碳還原法和霧化法，并介紹一種鐵粉制造新技術(shù)。還原鐵粉一固體碳還原法（carbonreduction）1.1基本原理：還原反應(yīng)氧化物MeO被還原劑X還原的還原通式可表示如下：MeO+X=Me+XO還原劑X的選擇依據(jù)：.△GMe（＞^Go；.還原劑的氧化產(chǎn)物和還原劑本身的組份不污染被還原金屬或易被分離。而該反應(yīng)又可看成下述兩個(gè)基本反應(yīng)組成，即：Me+0.5O 2=MeO （1）X+0.5O 2=XO （2）將（2）-（1）得到上述總反應(yīng)。由熱力學(xué)可知，還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等壓位變化為△G°=-RTInKpG°=-RTInKp1=0.5RTIn（Po?xoG=-RTlnKp2=0.5RTIn（P°》Meo△G=△G°-△G°=0.5RT[In（P02）xo-In（Po：）Me°0.5RTln[(Po：)xo/(Po2)Me0<0即金屬氧化物的離解壓（Po2）X。大于還原劑的氧化產(chǎn)物的離解壓（Po2）Meo換句話說，在還原溫度下，氧與還原劑X的親和力大于氧與金屬元素的親和力。鐵的氧化物被碳分步還原，遵循下述反應(yīng)，C+CO2=2COFeOx+CO^FeO+CO其中X>YX=1.5,4/3,1;Y=4/3,1,0。當(dāng)X=0,則鐵被還原。固體碳不是直接的還原劑，CO才是直接還原劑。雖然固體碳也能還原鐵的氧化物，但反應(yīng)界面很小，碳的固相擴(kuò)散速度與碳以 CO形式的氣相遷移相比幾乎可以忽略，在整個(gè)還原過程中處于次要地位。若將Fe-O,C-O兩相圖的重疊，當(dāng)溫度T>570C,Y值在4/3—1—0圍依次變化即由FbQ—FeO—浮斯體（FeO.Fe3C4固溶體）—Fe（金屬鐵）；當(dāng)T<570C,則丫值在4/3—0之間依次變化（此時(shí)氧化亞鐵不能穩(wěn)定存在）。FaQ被CO開始還原成FeO的溫度為650C,使FeO還原成金屬Fe的開始溫度為685C（此處附圖Fig2.1）還原動(dòng)力學(xué)氧化鐵的固體碳還原速度受上述兩固一氣反應(yīng)控制，并遵循著 CO的吸附（在鐵氧化物表面）、反應(yīng)、CO解吸的基本規(guī)律。當(dāng)金屬鐵形成以后，還存在CO被鐵催化分解成C及C通過鐵層的擴(kuò)散這些過程。由于鐵氧化物在還原成金屬鐵的過程中存在巨大的比容變化，因而生成的鐵是多孔的，且鐵顆粒之間產(chǎn)生較嚴(yán)重的燒結(jié)現(xiàn)象，即一般得到海綿鐵餅。1.2基本工藝流程軋鋼鐵鱗（鐵精礦粉）—回旋窯烘干（900C左右，除水和使鐵氧化物發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變FdQ—Fe?Q）—磁選—破碎—過篩（-60目）—磁選—精制鐵鱗—配料（無(wú)煙煤、焦碳或木炭粒，脫硫劑如石灰）—裝罐（SiC還原罐）—隧道窯還原（1000-1050C）—粗碎—細(xì)碎—磁選—過篩—合批—精還原—細(xì)碎—過篩—微粉分離—商用鐵粉Fig2.2Fabricationflowchartforreducedironpowder1.3還原鐵粉質(zhì)量的控制.酸不溶物含量的控制：原料選擇：采用低硅（沸騰鋼）、錳的軋鋼鐵磷為原料。磁選：強(qiáng)化磁選過程，盡可能地降低原料中的非磁性物質(zhì)的含量。.還原程度的控制即碳氧含量的控制還原終點(diǎn)：浮斯體還原成海綿鐵和海綿鐵開始滲碳過程之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 在還原過程中，在海綿鐵的縱斷面上出現(xiàn)三種情形：氧化夾心：有黑色、棕色、藍(lán)色等未還原透的 FeO（浮斯體），氧含量高，總鐵、碳量低，即粗還原不足。調(diào)整配碳比，提高還原溫度或延長(zhǎng)還原時(shí)間；滲碳：銀灰色斷面上出現(xiàn)閃亮點(diǎn)。發(fā)生滲碳后的鐵粉硬度高，帶來粉末壓縮性差和導(dǎo)致模具磨損嚴(yán)重這些危害。調(diào)整配碳比和還原工藝參數(shù)，縮短還原時(shí)間。精還原退火工藝可同時(shí)降低粉末碳氧含量，提高鐵粉的工藝性能。通常，退火溫度選擇在800C左右。主要作用：消除粉末加工硬化，提高粉末壓縮性；降低氧碳含量，提高粉末總鐵量，有利于提高粉末的壓縮性和減小模具磨損。Fe3Q+H2—Fe+H2OFe（C）+H2=Fe+CH Fe 3Q+Fe（C）—Fe+CO.零件表面質(zhì)量的控制：微粉顆粒尺寸小于陰模與模沖或組合模沖間間隙，鐵顆粒在壓制過程中落入這些間隙，造成拉模現(xiàn)象，其結(jié)果導(dǎo)致模具磨損，影響零件的表面質(zhì)量。一般采用風(fēng)力（控制風(fēng)壓）分級(jí)措施分離微粉。1.4還原鐵粉的主要技術(shù)特點(diǎn).低的成本，為制造大量?jī)r(jià)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的中低密度鐵基粉末冶金零部件創(chuàng)造條件；.顆粒形狀復(fù)雜，粉末成形性能好，便于制造形狀復(fù)雜或薄壁類零部件；.粉末燒結(jié)活性好；.粉末純度、壓縮性較低。而采用高溫還原可提高粉末的壓縮性。2霧化鐵粉一霧化法霧化鐵粉包括水霧化鐵粉和氣霧化鐵粉兩類。首先介紹霧化法的基本原理。霧化（atomization）：借助外力的作用將熔融金屬粉碎成粉末的過程。 廣義霧化是指借助于外力將液體變成細(xì)小液滴的過程。實(shí)質(zhì)：外界輸入的機(jī)械能（流體的動(dòng)能）—粉末的表面能（形成粉末顆粒的表面）。.二流（金屬液流和霧化介質(zhì)流）霧化（沖擊霧化）：氣霧化和液體霧化（水或油作霧化介質(zhì)）；.離心霧化：旋轉(zhuǎn)電極霧化，旋轉(zhuǎn)圓盤霧化和旋轉(zhuǎn)坩堝霧化；以氣體霧化為例介紹霧化過程的特點(diǎn)和機(jī)理。1霧化過程機(jī)理四個(gè)特征區(qū)域（Fig2.3Fig2.4此處附3圖）：I負(fù)壓紊流區(qū)：霧化介質(zhì)氣流向前運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)附近區(qū)域的氣體離開該區(qū)域， 造成負(fù)壓狀態(tài)，并引起金屬液體的擾動(dòng)，分散成許多纖維束；U原始液滴形成區(qū)：由于氣體介質(zhì)的擾動(dòng)導(dǎo)致液體纖維失穩(wěn)， 分割成粗液塊或大的液滴；川有效霧化區(qū)：原始液滴在氣流匯聚焦點(diǎn)被劇烈粉碎成細(xì)小條帶狀液滴；W后續(xù)細(xì)化與球化區(qū)：借助于慣性作用，條帶狀液滴分散成更細(xì)小的液滴。同時(shí)表面力使液滴產(chǎn)生球化。2霧化粉末粒度dp的影響因素在霧化過程中，粉末粒度受控于金屬熔體的抗霧化本質(zhì)（resistanee,阻力）和熔體吸收外界輸入能量（drivingforce, 動(dòng)力）的多少。2.1熔體的抗霧化阻力因素：A金屬的性質(zhì)一熔體的粘度（原子間作用力大?。┖捅砻媪Γ喝垠w的粘度表征霧化初、中期的阻力，而表面力則為霧化后期的阻力。表面力大的金屬熔體，需要較高的霧化能量。?TT,nJ.Si,AI合金元素的存在，Tn.合金成分B金屬液流直徑：?jiǎn)挝惑w積熔體吸收能量的效率。液流直徑T,熔體吸收霧化介質(zhì)的能量相對(duì)下降，dptC霧化介質(zhì)：.金屬氧化膜的形成導(dǎo)致nt;.霧化介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)愈大，需要更高的金屬熔體過熱度，相對(duì)而言提高了熔體的粘度。2.2熔體吸收外界能量的因素：系統(tǒng)輸入的總能量和能量傳遞效率A霧化介質(zhì)的壓力：壓力t,dpJ對(duì)于氣體霧化，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，增大壓力可是霧化介質(zhì)的動(dòng)能增加。但對(duì)于拉瓦爾噴嘴，氣流速度V與氣體介質(zhì)的壓力P的關(guān)系為V=k（1-P -0.29） （k為常數(shù)）不難看出，V隨壓力P的增加而增大，但當(dāng)壓力增加到一定程度后，氣流速度不再增大，而趨近于一個(gè)常數(shù)。即一味提高壓力并不一定能細(xì)化粉末粒度。一般氣體壓力在6-8atm。水壓為35-210atm。國(guó)外也有采用超高壓（lOOOatm）水霧化制取10卩m鐵粉的情況。B能量傳遞效率：.噴嘴的結(jié)構(gòu)（金屬液流的長(zhǎng)度，噴射長(zhǎng)度，噴射頂角）參數(shù)；.噴嘴類型（如拉瓦爾噴嘴）；.霧化介質(zhì)的動(dòng)粘系數(shù)（tT,nmJ）。3霧化粉末顆粒形狀的影響因素霧化粉末顆粒的球形度受控于熔體的表面力c（球化動(dòng)力）及表面力的作用時(shí)間T和熔體的粘度（抗球化阻力）。A熔體的過熱度：除Cu,Cd外，tT，cJ;但因液滴細(xì)化，作用在液滴上的力升高-球化。B合金元素：還原性的合金元素如C,P雖也降低c，但使nJJ，-球形； N則起保護(hù)金屬液滴免受氧化而使nJ。C液滴飛行距離：飛行距離t,表面力的作用時(shí)間長(zhǎng)，易球化。D霧化介質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)：Cp，Xt，易得到不規(guī)則粉末。2.4霧化粉末的化學(xué)成分的改變霧化介質(zhì)與金屬熔體間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致金屬粉末成份改變。 采用空氣作霧化介質(zhì)，氧與金屬熔體和液滴間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物， 導(dǎo)致粘度增加。特別是在霧化合金粉末時(shí)將發(fā)生合金元素的優(yōu)先氧化，并形成難還原的氧化物（如鐵鉻合金，鋁及其合金）。對(duì)于這些合金體系一般不采用空氣作霧化介質(zhì)，而改用惰性氣體。而高碳鐵水的空氣霧化則利用這種反應(yīng)。2.5RZ法一霧化鐵粉的生產(chǎn)主要工藝流程廢鋼熔化、熔煉（或高爐鐵水精煉，脫硅，制取低硅生鐵液）-增碳（降低鋼液熔點(diǎn)和粘度以及為顆粒表面粗糙化創(chuàng)造條件）—霧化—干燥—振動(dòng)球磨破碎—?dú)錃庵羞€原退火—破碎—過篩—合批—霧化鐵粉成品工藝設(shè)計(jì)思路：解決純鐵高熔點(diǎn)所帶來的工藝?yán)щy：工業(yè)純鐵的熔點(diǎn)在 1500r以上，熔煉溫度達(dá)1650—1700r，采用低硅高碳（3.2-3.6%）合金，使熔體溫度保持在1300-1350r。而過高的碳則會(huì)導(dǎo)致鐵液的表面力增加，難以得到細(xì)粉。高碳鐵水可減輕空氣與鐵反應(yīng)形成鐵氧化物所造成鐵水粘度增加的趨勢(shì)；同時(shí)，碳與氧在后續(xù)高溫還原時(shí)具有脫氧作用，為燜火處理創(chuàng)造條件。成形性能的改善：A利用霧化過程中鐵中的碳與氧的反應(yīng)使顆粒表面形成凹凸而粗粗糙化：Fe（C）（l）+O 2=Fe（l）+CO2CO微氣泡在逸至鐵液滴表面時(shí)造成表面凹凸。B破碎時(shí)顆粒表面形成凹凸；C高溫還原時(shí)使顆粒間產(chǎn)生輕度燒結(jié)，即細(xì)小顆粒粘結(jié)在大顆粒上。三都有利于降低霧化鐵粉的松比，改善粉末的成形性能。2.6水霧化鐵粉.水的熱導(dǎo)性和比熱比空氣大，冷卻能力強(qiáng).水還會(huì)與鐵液接觸時(shí)產(chǎn)生劇烈的氣化而具爆炸效應(yīng)粉末特點(diǎn)：顆粒表面粗糙，易得氧含量較低、壓縮性較好的不規(guī)則粉末。3快速冷凝技術(shù)（簡(jiǎn)介）快速冷凝技術(shù)的冷卻速度＞105C/s，是傳統(tǒng)霧化技術(shù)的重要發(fā)展。由于強(qiáng)化冷卻過程和外界輸入能量，可得到性能奇異性能的粉末和合金。主要技術(shù)特點(diǎn)是：.基本消除了合金成份偏析，提高合金元素和相在基體中的分布均勻性；.提高合金元素的固溶度；.可得到許多非平衡相或材料，包括非晶、準(zhǔn)晶、微晶粉末。經(jīng)固結(jié)后，這些材料具有奇特的力學(xué)、物理和化學(xué)性能；.可抑制有害相的形成。如在Al-Fe合金中，針狀的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⑾?，大幅度改善合金的力學(xué)和耐熱性能?！?鎢粉和WC粉末的制造1氫還原制備W粉1.1鎢及其氧化物的性質(zhì)1.1.1鎢氧化物的形態(tài)四種形態(tài)：WO淺黃）；WOo（藍(lán)色）；WO2（紫色，工藝控制得當(dāng)，難以出現(xiàn)）；WO（棕色）1.1.2鎢的形態(tài)分為a-W（穩(wěn)定）、B-W（立方型微晶，活性高，可自燃）兩種。B-W是一種特殊結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定電子化合物，不是a-W的同素異構(gòu)體。在520-850°C時(shí)可轉(zhuǎn)變成a-Wo單個(gè)鎢粉顆粒的粒度很細(xì)，一般以二次顆粒的聚集形式存在。1.2基本原理：一般采用三氧化鎢作為生產(chǎn)鎢粉的原料。還原反應(yīng)WO x+H—W5+H2O（反應(yīng)通式）其中X=3,2.90,2.72,2 ；Y=2.90,2.72,2,0。X、Y值逐漸降低，且Y=0意味著鎢的生成。當(dāng)反應(yīng)溫度高于584C,反應(yīng)分四步進(jìn)行,即WSWO?！猈O2—WSW當(dāng)溫度低于584C，反應(yīng)則分三步進(jìn)行：WO—WO?！猈G—W1.2鎢粉粒度的控制鎢粉粒度分類： 超細(xì)粉：＜0.1卩m極細(xì)粉：0.2-1卩m細(xì)粉：1-2卩m中等粉：3-6卩m粗粉：＞10卩m鎢粉在還原過程中粒度粗化機(jī)理A揮發(fā)一沉積機(jī)理：氫中水分子與鎢氧化物反應(yīng)生成揮發(fā)性的水合物，WO x+H2O^WOnH2O(g)T氣相中的鎢氧化物被氫還原沉積在鎢顆粒上， 導(dǎo)致W顆粒長(zhǎng)大。這是W顆粒長(zhǎng)大的最主要的機(jī)理。鎢氧化物的水合物的揮發(fā)性隨鎢氧化物中的含氧量、 氣氛中含水量的增加和還原溫度的升高而增大。而鎢粉顆粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)又隨還原氣氛中水合物濃度的提高而加強(qiáng)。B氧化一還原機(jī)理：當(dāng)氫中水含量較高時(shí)，已還原的細(xì)鎢顆粒優(yōu)先被氫中水氧化生成鎢氧化物，再按照揮發(fā)一沉積機(jī)理導(dǎo)致W顆粒的長(zhǎng)大。利用這一現(xiàn)象可制備粗顆粒鎢粉。1.2鎢粉粒度的影響因素及控制方法原料：A粒度：當(dāng)采用WO時(shí)，其粒度與還原鎢粉粒度間的依賴性不太明顯，而主要取決于WO勺粒度。目前，采用藍(lán)鎢(藍(lán)色氧化鎢)作原料。該原料具有粒度細(xì)、表面活性大，W粉—次顆粒細(xì)和便于粒度控制的特點(diǎn)。B雜質(zhì)元素：影響透氣性或生成難還原化合物。.K、Na等促使鎢粉顆粒粗化；.Ca、MgSi等元素?zé)o明顯影響：.少量MoP等雜質(zhì)元素可阻礙W粉顆粒長(zhǎng)大還原方式：粗顆粒一一階段還原；中、細(xì)顆粒一二階段還原氫氣:.氫的露點(diǎn)(dewpoint):露點(diǎn)T,dpT.流量Q：QT，有利于帶走氣相中的水份，dpT.通氫方向：順流通氫，dpT;逆流通氫，Jdp還原工藝條件：.還原溫度T：TT,提高鎢氧化物的水合物在氣相中的濃度，dpT;.推舟速度V：TV,高氧指數(shù)的氧化物具有更大的揮發(fā)性，提高濃度， dpT;.料層厚度t:Tt，不利于氫向底層物料的擴(kuò)散，鎢氧化物的含氧量高， dpT。添加劑：少量的添加劑如Cr、V、Ta、Nb等的鹽可抑制鎢粉顆粒的粗化。2碳化鎢粉的制取工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用碳管爐對(duì)鎢粉進(jìn)行碳化，碳黑作為碳的來源。2.1碳化原理：氣-固反應(yīng)通氫碳化：W+C■+H2)-WC+(H2)CH4直接與鎢粉反應(yīng)無(wú)氫碳化：w+c(cq-wc+(cqco直接與鎢粉反應(yīng)其中氫、二氧化碳成為碳的載體，強(qiáng)化反應(yīng)過程。WC粉質(zhì)量的控制2.2.1碳含量WC的理論碳含量為6.12%。若化合碳的含量低于這一數(shù)值，則在硬質(zhì)合金中形成脆性相-n相；若高于這一數(shù)值則會(huì)生成游墨。這二者都是硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致硬質(zhì)合金強(qiáng)度的大幅度下降。但當(dāng)合金中碳含量在 6.05-6.2%圍波動(dòng)時(shí)，合金強(qiáng)度變化不大?？刂品椒ǎ篈配碳控制：取決于合金牌號(hào)、季節(jié)（濕度）、鎢粉的含氧量等。B工藝控制：.碳化時(shí)間t:t過短，游離碳多，化合碳降低；t過長(zhǎng)，脫碳。.碳化溫度T:碳化溫度過高，強(qiáng)化氣相組份與碳黑反應(yīng)的程度，增加了形成 WC的可能性。.碳化氣氛（通氫與否）：.其它雜質(zhì)元素含量的變化：CaMgSiJ如Si的變化：SiO2+C=SiOT+COSiO+C=Si+COSiO+Si=2SiOT2SiO+O=2SiO2（白煙）粒度控制：W（顆粒粒度長(zhǎng)大機(jī)理是燒結(jié)和再結(jié)晶。A鎢粉粒度：W粉的一次顆粒大小決定WC粒度。W粉粒度不同，WC粉末顆粒在碳化過程中的長(zhǎng)大趨勢(shì)也不一樣。即.細(xì)鎢粉原料，W（顆粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯；.中顆粒W粉，W（顆粒長(zhǎng)大趨勢(shì)不明顯；.粗顆粒W粉，W（顆?；静婚L(zhǎng)大。B碳化溫度：TT,dpT;C碳化時(shí)間：tT,dpT。D添加劑：TaCVCCeG等，以其化合物（或相應(yīng)氧化物）粉末形式添加到 W粉、碳黑混合物中，添加量為0.5-2%，可阻礙W（顆粒長(zhǎng)大。若添加的是氧化物，則注意相應(yīng)的配碳量?！?電解法制造銅粉電解法分為水溶液電解和熔鹽電解。兩者的區(qū)別在所采用的電解質(zhì)不同，而電化學(xué)原理完全相似。水溶液電解可制取CuNi、Fe、Ag及相應(yīng)合金粉末；熔鹽電解可制取Ta、NbTi、Zr、Be、Th粉末。電解法制造金屬粉末的技術(shù)特點(diǎn)：.粉末純度高，粉末形狀多為樹枝狀，成形性很好，壓縮性較差。.過程電耗大，粉末制造成本高。本節(jié)就水溶液電解制取銅粉末為例介紹電解法。1基本原理一電化學(xué)原理（與電解銅和電鍍相同）1.1導(dǎo)電過程：正離子向陰極遷移，而負(fù)離子向陽(yáng)極遷移。1.2電化學(xué)體系<->Cu（粉末）|CuSQ+fSO（aq）|Cu（板）<+>1.3電極反應(yīng)電離反應(yīng)：CuSOCU++SO2-H2SO=2H+SQ2-H2O=H+OH陽(yáng)極反應(yīng)（氧化）：Cu（板）-2e-CiT2OH --2e—HO+0.5OT陰極反應(yīng)（還原）：Cu2+2e—Cu（粉末）2H ++e—HT陽(yáng)極一銅失去電子成為銅離子進(jìn)入溶液；陰極一溶液中銅離子在陰極得到電子而在陰極上析出。只要達(dá)到合適的電解條件，就能實(shí)現(xiàn)致密銅向粉末化的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，副反應(yīng)的存在導(dǎo)致電解產(chǎn)量降低。1.3電解的基本規(guī)律電解是原電池反應(yīng)的逆反應(yīng)當(dāng)外加電壓與原電池的電動(dòng)勢(shì)（Eth=￡陽(yáng)-￡陰）相等時(shí)，氧化與還原反應(yīng)達(dá)到可逆平衡。在實(shí)際的電解過程中，由于存在電化學(xué)極化、接觸電壓降、溶液電阻所造成的電壓降，上述可逆動(dòng)態(tài)平衡并非易建立；當(dāng)外加電壓小于原電池的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，而正極發(fā)生還原反應(yīng)，即原電池反應(yīng)。當(dāng)外加電壓大于原電池的電動(dòng)勢(shì)時(shí)， 陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極則發(fā)生還原反應(yīng)。物質(zhì)溶解與析出規(guī)律在電解過程中物質(zhì)溶解或析出的先后，取決于該元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位及其離

子在溶液中的濃度。在陰極，電極電位高的離子易獲得電子而優(yōu)先析出。 而在陽(yáng)極，電極電位愈低者優(yōu)先氧化而溶解，進(jìn)入溶液。槽電壓的構(gòu)成分解電壓Ec:使電解過程能顯著進(jìn)行的外加電壓，由理論分解電壓 Eh和超電壓Ee兩部分構(gòu)成，即Ec=Eth+Ee超電壓呂:實(shí)際分解電壓與理論分解電壓之差，用以克服電解阻力（如極化等）。包括電阻極化、濃差極化、電化學(xué)極化。接觸電壓降EcR由接觸電阻所導(dǎo)致的壓降丘R=I.RC槽電壓Et=Ec+Ecr+E1（溶液電阻壓降），即維持電解過程正常進(jìn)行的總電壓。理論分解電壓和電化學(xué)極化電壓取決于具體的電解體系， 不可降低。但可采取如下措施來降低槽電壓：.降低電阻極化電壓：適當(dāng)增加刷粉次數(shù)（但過多會(huì)導(dǎo)致粉末變粗） 。.降低濃差極化電壓：攪拌和適當(dāng)提高電解液溫度（否則使粉末粗化） 。.降低電解液電阻壓降：適當(dāng)提高溫度和增加溶液酸度，縮短極間距。.降低接觸電阻壓降：保持接觸處光潔，采用良導(dǎo)體。1.4電解產(chǎn)量定律（法拉第第一定律）及電解制粉過程中的能量問題電化學(xué)當(dāng)量q=mo/（nx96500C）=m/（nx26.8Ah）J\ /金屬的原子量 法拉第常數(shù)F即通過一安培.小時(shí)的電量所能析出物質(zhì)的克數(shù)，克/安培.小時(shí)。電解產(chǎn)量m=電化學(xué)當(dāng)量與電量的乘積qlt即電解產(chǎn)量與電化學(xué)當(dāng)量和電量成正比。電流效率和電能效率是電解制粉的兩項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電流效率：指一定電量電解出的產(chǎn)物的實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量之比， 反映電量的利用率。即ni=M/（qIt）＜1起因于電解過程中的副反應(yīng)和漏電。副反應(yīng)有：陰極析出氫氣；陰極上已析出銅的溶解； Cu+離子的生成。影響因素：A離子濃度cT，nitoB酸度（Hf的濃度）t,niJ;電能效率：指在電解過程中生產(chǎn)一定質(zhì)量的物質(zhì)在理論上所需電能與實(shí)際消耗的電能量之比。ne=（IotEth）/（ItET）x100%= ni.nv由于理論電壓無(wú)法直接測(cè)定，電能效率給出的數(shù)值不真實(shí)。通常采用每噸千瓦 .

小時(shí)表示電能效率。影響因素：.提高電流效率的因素均能提高電能效率；.降低槽電壓能提高電能效率。電流密度i-離子濃度c關(guān)系電流密度i-離子濃度c關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明，要獲得粉末形式的電解沉積物，必須滿足高的電流密度i和低的金屬離子濃度條件。前者保證了高的形核速度，而后者則限制了晶粒的長(zhǎng)大速度，從而使電解產(chǎn)物呈粉末狀態(tài)，而不是致密狀態(tài)（電鍍）。電流密度與離子濃度對(duì)電解產(chǎn)物沉積狀態(tài)如圖所示。I區(qū)：粉末狀沉積物；U區(qū)：過渡產(chǎn)物（粉末+致密沉積物）；川區(qū)：致密沉積物3影響電解過程及粉末粒度的因素3.1電解液組成的控制電解過程的進(jìn)行導(dǎo)致銅離子濃度升高，氫離子濃度降低。前一變化雖能提高電流效率，但使粉末粒度粗化；后一情況則不僅導(dǎo)致溶液電導(dǎo)性下降，溶液電阻增加，槽電壓升高，降低電能效率，而且因減輕氫在陰極析出時(shí)對(duì)沉積銅的攪拌作用而不利于得到松散粉末。解決措施：A采用電沉積處理使溶液中多余銅離子在陰極還原成銅粉；B添加硫酸提高電解液的酸度。3.2電流密度提高電流密度可使銅粉顆粒細(xì)化：?jiǎn)挝粫r(shí)間放電的銅離子數(shù)目多，晶核數(shù)目多。但無(wú)限提高電流密度會(huì)帶來劇烈的副反應(yīng)，導(dǎo)致電流效率和電能效率降低。3.3電解液溫度電解液溫度升高，利于銅離子擴(kuò)散，可使電流效率有一定程度的增加，卻又使得陰極銅離子易得到補(bǔ)充，利于晶核長(zhǎng)大，導(dǎo)致粉末變粗。需采用電解液循環(huán)冷卻方法來保持特定的電解液溫度。3.4攪拌與刷粉周期攪拌使陰極附近的銅離子濃度得到及時(shí)補(bǔ)充， 導(dǎo)致銅離子濃度升高，粉末變粗；適度刷粉可提高電流密度，利于粉末細(xì)化。而過頻也具有與攪拌相似的效果，導(dǎo)致粉末粗化。但長(zhǎng)的刷粉周期卻使電流密度下降，粉末粗化。獲得粒度較細(xì)電解銅粉的基本條件：.陰極區(qū)低的銅離子濃度.輕微的電解液攪拌.適度的刷粉周期.控制合適的電解液溫度§5機(jī)械法包括機(jī)械研磨，旋渦研磨，冷流粉碎和機(jī)械合金化法。借壓碎（靜態(tài)負(fù)荷為主）、擊碎（沖擊負(fù)荷）和磨削（摩擦和剪切）作用粉碎粉末。適用圍：脆性物質(zhì)粉碎，女口Si,Sb,Cr,MnMo-Fe,Cr-Fe,Mn-Fe等合金；瓷（包括金屬氧化物）粉末；氫化物；電解沉積物等的破碎?；钚越饘俜勰禾畛涠栊詺怏w避免氧化，如Be粉。機(jī)械研磨（ball milling）球磨是應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)械研磨方式。1.1球磨的基本規(guī)律.低轉(zhuǎn)速：物料與研磨體沿筒壁共同瀉落（即沿筒壁滑動(dòng)）。.適宜轉(zhuǎn)速：物料拋落，球磨效果最佳；?臨界轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速過快，物料、研磨體與筒體相對(duì)靜止。臨界轉(zhuǎn)速Nc=42.4/D0.5正常工作轉(zhuǎn)速Nw=0.75Nc1.2影響球磨效率的因素（1） 球磨筒的轉(zhuǎn)速：.細(xì)物料：Nw=0.6Nc.較粗顆粒的粉碎：Nw=（0.70-0.75）Nc（2） 裝球量：（取決于球磨機(jī)的體積）裝填系數(shù)是球體積與筒體積之比，一般選取在。以細(xì)化為主時(shí)，則用更高的裝填系數(shù)。（3） 球料比：合適的的比例是2-2.5（重量比）。提高球料比可強(qiáng)化粉末顆粒的細(xì)化效果（如超細(xì)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)）。⑷球體大小：d<（0.041-0.055）D2機(jī)械合金化技術(shù).原理：借助于硬質(zhì)球體對(duì)粉末顆粒的強(qiáng)機(jī)械沖擊作用，發(fā)生劇烈機(jī)械物理反應(yīng)：晶格振動(dòng)+高位錯(cuò)密度（混亂，即非點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)）—原子激活一局部熔化 +擴(kuò)散一\加工硬化—斷裂—潔凈原子面—機(jī)械合金化—形成焊層—斷裂—合金均勻化和結(jié)構(gòu)精細(xì)化。.設(shè)備：高能球磨機(jī)，由攪拌桿，研磨體，密閉容器，真空系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)等組成。.應(yīng)用：非晶粉末，活性金屬?gòu)?fù)合（或合金）粉末，納米粉末及其材料 ，彌散強(qiáng)化材料的制造。第四章粉末壓制§1壓制前粉末料準(zhǔn)備還原退火（reducingand annealing）作用?降低氧碳含量，提高純度；.消除加工硬化，改善粉末壓制性能；.鈍化處理（使細(xì)粉末適度變粗，或形成氧化薄膜，防止粉末自燃） 。退火溫度：高于回復(fù)-再結(jié)晶溫度，（0.5-0.6）Tm退火氣氛：還原性氣氛（CO,H）;惰性氣氛；真空氣氛。合批與混合（blendingandmixing）混合系指將不同成分的粉末混合均勻的過程。合批則指同類粉末的混合，以消除因粉末在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的偏析或在粉末生產(chǎn)過程中不同批號(hào)粉末之間的性能差異，獲得性能均勻的粉末料。在鐵基及其它粉末冶金零件的生產(chǎn)過程中， 一般采用干混法；在硬質(zhì)合金的生產(chǎn)過程中，則采用濕磨法。WC與Co粉之間除產(chǎn)生一般的混合均勻效果以外，還發(fā)生顯著的細(xì)化效果。一般采用工業(yè)酒精作為研磨介質(zhì)。濕磨的主要優(yōu)點(diǎn)：.有利于環(huán)境保護(hù)（無(wú)粉塵飛揚(yáng)和減輕噪音）；.提高破碎效率，有利于粉末顆粒的細(xì)化；?保護(hù)粉末不氧化?；旌暇鶆虺潭群托嗜Q于：.粉末顆粒的尺寸及其組成、顆粒形狀和待處理粉末組元間比重差異；.混合設(shè)備的類型；.混合工藝（裝料量、球料比、轉(zhuǎn)速和研磨體的大小和組成）。對(duì)于給定的粉末和混合設(shè)備，最佳混合工藝一般采用實(shí)驗(yàn)加以確定?；旌戏绞剑?機(jī)械法混合.化學(xué)法混合：混合較前者更為均勻。W-Cu-Ni包覆粉末的制造工藝如下：W粉+Ni（NQ）2溶液一混合一熱解還原（700-750C）-W-Ni包覆粉+CuC2溶液一混合一熱解還原（400-450C）-W-Cu-Ni包覆粉末.無(wú)偏聚（segregation）粉末binder-treatedmixture:消除元素粉末組元（特別是輕重組元）間的偏析（混合與運(yùn)輸過程）3成形劑和潤(rùn)滑劑的添加成形劑：對(duì)于硬質(zhì)粉末，由于粉末變形抗力很高，無(wú)法通過壓制所產(chǎn)生的變形而賦予粉末坯體足夠的強(qiáng)度，一般采用添加成形劑的方法以提高生坯強(qiáng)度， 便于成形。橡膠、石蠟、PEGPVA等。選擇準(zhǔn)則為：.能賦予待成形坯體以足夠的強(qiáng)度；.易于排除；.成形劑及其分解產(chǎn)物不與粉末發(fā)生反應(yīng)；.分解溫度圍較寬；.分解產(chǎn)物不污染環(huán)境。潤(rùn)滑劑：粉末顆粒與模壁間的摩擦導(dǎo)致壓坯密度分布不均勻和影響被壓制工件的表面質(zhì)量。粉末壓制用的潤(rùn)滑劑：硬脂酸，硬脂酸鋅，二硫化鉬，石墨粉，硫磺粉等。.潤(rùn)滑模壁是一高效潤(rùn)滑方式（從前認(rèn)為在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已有相關(guān)發(fā)明專利）。.溫壓粉末混合物中，潤(rùn)滑劑同時(shí)減小粉末與模壁間和粉末顆粒間的摩擦。4制粒（pelletizingorgranulating ）.細(xì)小顆粒的粉末或硬質(zhì)粉末（為便于成形需添加成形劑）.進(jìn)行自動(dòng)壓制或壓制形狀較復(fù)雜的大型P/M制品原理：借助于聚合物的粘結(jié)作用將若干細(xì)小顆粒形成一團(tuán)粒，減小團(tuán)粒間的摩擦力。制粒方法：擦篩制粒（硬質(zhì)合金等）、旋轉(zhuǎn)盤制粒、擠壓制粒和噴霧干燥?！?壓制現(xiàn)象1顆粒的位移與變形1.1粉末顆粒位移.位移方式：（圖，21）.影響因素：..粉末顆粒間摩擦（表面粗糙度，潤(rùn)滑條件，顆粒的顯微硬度）；..可利用于顆粒間相互填充的空間（孔隙度）；..加壓速度1.2粉末的變形.彈性變形；.塑性變形（點(diǎn)接觸處局部—面接觸處局部—整體）;.斷裂脆性粉末：點(diǎn)接觸應(yīng)力＞斷裂強(qiáng)度—斷裂塑性粉末：點(diǎn)接觸應(yīng)力＞屈服強(qiáng)度—塑性變形—加工硬化—脆化—斷裂2致密化現(xiàn)象（此處需一表示粉末顆粒變形及致密化的動(dòng)畫）2.1致密化松散狀態(tài)—拱橋效應(yīng)的破壞（顆粒位移和變形—顆粒重排 restackingorrearrangement）—孔隙體積收縮—致密化拱橋效應(yīng)的影響因素（與粉末松裝密度、流動(dòng)性存在一定聯(lián)系）.顆粒形狀.粒度組成.顆粒表面粗糙度.顆粒表面粘附作用（液膜存在）.顆粒比重顆?；瑒?dòng)與旋轉(zhuǎn)阻力的影響因素：.顆粒形狀.粒度組成.表面粗糙度.顆粒間潤(rùn)滑狀態(tài)變形阻力的影響因素.顆粒的顯微硬度（本質(zhì)和合金化程度）.加工硬化速度（晶體結(jié)構(gòu)）.顆粒形狀.壓制速度彈性后效Springback指壓坯脫出模腔后尺寸脹大的現(xiàn)象。彈性后效的大小取決于殘留應(yīng)力的高低：.壓制壓力.粉末顆粒的彈性模量.粉末粒度組成.顆粒形狀.顆粒表面氧化膜.粉末混合物的成份（如石墨含量）壓坯強(qiáng)度Greenstrength表征壓坯抵抗破壞的能力，即顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度。影響因素：本征因素：顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度（機(jī)械嚙合mechanicalinterlocking ）和接觸面積顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度：.顆粒表面的粗糙度.顆粒形狀.顆粒表面潔凈程度.壓制壓力.顆粒的塑性.硬脂酸鋅及成形劑添加與否.高模量組份的含量顆粒間接觸面積：即顆粒間的鄰接度（contiguity）.顆粒的顯微硬度.粒度組成.壓制時(shí)顆粒間的相互填充程度.壓制壓力外在因素：殘留應(yīng)力大小.壓坯密度分布的均勻性（粉末的填充性）.粉末壓坯的彈性后效.模具設(shè)計(jì)的合理性表征方法：抗彎強(qiáng)度或轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)的壓坯重量損失§3壓坯密度與壓制壓力間的關(guān)系1壓制過程力的分析?P施加在模腔中的粉末體—粉末向周圍膨（附圖）脹一側(cè)壓力Fn（Pn）；.粉末與模壁之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)一摩擦力 Ff（Pf）;.下沖頭的壓力Pb。Ph=V心-V）P=EPPf=卩Pn=譏PPb=P-Pf壓力損失△P=P-Pb在距上沖為X處的有效外壓Px可表示如下，Px=P °exp（-4三卩X/D）式中D為模腔徑。從而，模壁作用在粉末體上的側(cè)壓力和摩擦力也呈現(xiàn)相似的分布。脫模壓力（ejectionforce）:.壓坯密度或壓制壓力.粉末原料（顯微硬度、顆粒形狀、粒度及其組成、潤(rùn)滑劑含量）.粉末顆粒與模壁之間的摩擦系數(shù).模具材料的硬度.零件的側(cè)面積2密度與壓力間的關(guān)系一壓制方程壓坯密度P是外壓的函數(shù)，即P=k.f(P)。2.1常用力學(xué)模型.理想彈性體-虎克體(H體)CT=M￡.理想流體-牛頓體(N體)c=nd￡/dt.線彈-塑性體-Maxwell體(M體)：H體與N體串聯(lián)CT=C1+C2￡T=￡1+￡2.線彈性體-Kelvin體(K體)：H體與N體并聯(lián)CT=C1+C2￡T=￡1=￡2C=M(￡+T2d￡/dt) T2應(yīng)變馳預(yù)時(shí)間.標(biāo)準(zhǔn)線性固體(SLS體)：M體與H體并聯(lián)CT=C1+C2￡T=￡1+￡2C+T1dC/dt=M(￡+T2d￡/dt).標(biāo)準(zhǔn)非線性固體(SNLS體)(c+t1dc/dt)"=M(￡+t2d￡/dt)n<1 ,T1、T2分別為應(yīng)力、應(yīng)變馳豫時(shí)間恒應(yīng)力Co作用并充分保壓，經(jīng)數(shù)學(xué)變換得Con=M&或Co=(M￡)1/n2.2大程度應(yīng)變的處理自然應(yīng)變￡=/；odL/L=ln(L/L。)若壓坯的受壓面積固定不變，則￡=-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)]=ln{[( pm-po)p]/[(pm-p)p]}2.3巴爾申方程：基本假設(shè)：?將粉末體視為彈性體.不考慮粉末的加工硬化.忽略模壁摩擦任意一點(diǎn)的變形與壓力間的變化率d c/d￡=kc=P/A￡-對(duì)應(yīng)于壓縮量；A-顆粒間有效接觸面積積分、變換并取對(duì)數(shù)后得lgP ma』gP=L(B-1)式中L=壓制因素；B=壓坯的相對(duì)體積，。適應(yīng)性：硬質(zhì)粉末或中等硬度粉末在中壓圍壓坯密度的定量描述。在高壓與低壓情形下出現(xiàn)偏差的原因：

?低壓：粉末顆粒以位移方式填充孔隙空間為主，粉末體的實(shí)際壓縮模量高于計(jì)算值（即理論值），產(chǎn)生偏高現(xiàn)象。.高壓：粉末產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和摩擦力的貢獻(xiàn)大，導(dǎo)致實(shí)際值低于計(jì)算值。2.4黃培云壓制理論：.采用標(biāo)準(zhǔn)非線性固體模型：&=con/M（最初形式）lgln[p(pm-p。)/(pm-p)p°]=nIgP-IgM（最初形式）.對(duì)原模型進(jìn)行修正，并采用模型(To/M(To/M)1/mmlgln[p(pm-p。)/(pm-p)po]=IgP-IgM§4壓制實(shí)踐1摩擦力在粉末壓制過程中的作用外摩擦力：粉末顆粒與模具（陰模壁diewall、模沖puches、芯棒corerod）之間的因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)的摩擦。作用：消耗有效外壓，造成壓力降和在壓制面上的壓力再分布， 導(dǎo)致粉末壓坯密度分布不均勻。影響因素：.顆粒與模具之間的摩擦系數(shù).粉末顆粒、模具零件表面表面粗糙度.潤(rùn)滑劑添加量.潤(rùn)滑方式：整體或模壁潤(rùn)滑.顆粒的顯微硬度（顆粒與模具間的冷焊）摩擦：粉末顆粒之間的摩擦interparticlefriction正面作用：.帶動(dòng)粉末顆粒位移.傳遞壓制壓力負(fù)面作用：.降低粉末的流動(dòng)性和填充性能.摩擦功以熱的形式損耗掉—有效致密化壓力損失因素：.顆粒表面粗糙度.粉末的比表面積.粉末的顯微硬度（相互間焊接趨勢(shì)）2壓坯密度分布均勻性的控制（圖22）壓坯密度分布不均勻的后果：.不能正常實(shí)現(xiàn)成形，如出現(xiàn)分層，斷裂，掉邊角等；.燒結(jié)收縮不均勻，導(dǎo)致變形。因素：.高徑比H/D:TH/D，p和密度梯度dp/dX當(dāng)H/D—^，單向壓制時(shí)壓坯的下部粉末無(wú)法成形。.模具的潤(rùn)滑狀態(tài)：模壁潤(rùn)滑優(yōu)于整體潤(rùn)滑。粉末中潤(rùn)滑劑的含量減少 0.1%，壓坯密度將提高0.05g/cm3。.壓制方式：若被成形件為軸套類部件，可采用三種壓制方式：?jiǎn)蜗驂褐?，雙向壓制和強(qiáng)制摩擦芯桿壓制。平均密度： p3>p2>p1密度分布：（dp/dX）i>（dp/dX）2>（dp/dX）3強(qiáng)制摩擦芯桿壓制獲得的密度最高，分布也最均勻。.粉末顆粒平均粒度：粒度較粗的粉末的壓縮性較好，密度分布也較均勻。如高性能還原鐵粉的開發(fā).模具設(shè)計(jì)的合理性：設(shè)計(jì)成形模具時(shí)應(yīng)使臺(tái)階間的粉末壓縮比相同。.粉末的流動(dòng)性：填充均勻.零件的形狀.粉末塑性：顆粒的本征塑性，化學(xué)純度（氧、碳及難溶物含量，合金化程度）和加工方法3粉末性能對(duì)壓制過程的影響.粉末壓縮性.粉末成形性.彈性后效4復(fù)雜形狀的成形.密度分布的控制.多臺(tái)階零件：恒壓縮比.壓坯強(qiáng)度：合適粒度組成和表面較粗糙的近球形粉末一高壓坯強(qiáng)度.脫模壓力：潤(rùn)滑和低的彈性后效，/脫模壓力.壓坯形狀的合理設(shè)計(jì)作業(yè)題：教材216頁(yè)中1、2、3、4、6、13、14題。第五章特殊及新型成形技術(shù)Chapter5SpecialandNewFormingTechniques§1概述傳統(tǒng)模壓技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a、 生產(chǎn)效率高（自動(dòng)壓制）b、 尺寸一致性好（5萬(wàn)件以上）c、 精度較高缺點(diǎn)：a、 性能較低（密度低，密度分布）b、 由于上下加壓，垂直于壓制方向的形狀特征難以成形，形狀復(fù)雜程度有限。c、 由于壓機(jī)容量限制，被成形的零部件尺寸較小。不足即需求隨著人們對(duì)粉末冶金的技術(shù)優(yōu)越性認(rèn)識(shí)的不斷深化和各工業(yè)領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨?，普通模壓技術(shù)限制了P/M技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮及其制品的應(yīng)用圍，而不得不尋找新的成形技術(shù)，以滿足各工業(yè)領(lǐng)域?qū)?P/M技術(shù)日益擴(kuò)大的需求。這些技術(shù)包括：1WP（WarmPressing）—溫壓成形技術(shù)：高性能（高強(qiáng)度、高精度）的鐵基粉末冶金零部件；是傳統(tǒng)剛性模壓制（模壓）技術(shù)的發(fā)展。PIM(PowderInjectionMolding) —粉末注射成形技術(shù)：形狀復(fù)雜、薄壁、小尺寸件；CIP(ColdIsostaticPressing)—冷等靜壓技術(shù)：高均勻性大型粉末冶金制品；HIP(HotIsostaicPressing)- 熱等靜壓技術(shù)：全致密、高性能、難燒結(jié)粉末冶金制品；SC(SliporslurryCasting) —粉漿澆注：形狀極為復(fù)雜的粉末冶金零部件，特別是瓷制品；PR(PowderRolling)&PE(PowderExtruding)- 粉末軋制與擠壓：一維尺寸很大而其它兩維尺寸較小的制品，如粉末冶金棒、管、板材；PF(PowderForging)-粉末鍛造技術(shù)：高強(qiáng)度鐵基粉末冶金零部件；RPF(RapidPrototypeForming)—無(wú)模成形技術(shù)：借助于計(jì)算機(jī)模擬控制粉末物料有序沉積，形狀極為復(fù)雜的大型粉末冶金制品。成形技術(shù)的選擇原則：.幾何尺寸、形狀復(fù)雜程度?性能要求(材質(zhì)體系).制造成本(批量)?！?溫壓技術(shù)溫壓：系指粉末與模具被加熱到較低溫度(一般為 150C)下的剛模壓制方法。除粉末與模具需加熱以外，與常規(guī)模壓幾乎相同。溫壓與粉末熱壓完全不同，溫壓的加熱溫度遠(yuǎn)低于熱壓(高于主要組分的再結(jié)晶溫度)，而且被壓制的粉末冶金零部件的尺寸精度很高，表面光潔。是傳統(tǒng)模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸。1溫壓技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀溫壓技術(shù)的開發(fā)的原動(dòng)力：.汽車特別是轎車工業(yè)急需低成本、高性能的鐵基 P/M零部件，以提高汽車在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力；.材質(zhì)調(diào)整和后處理對(duì)改善鐵基P/M零部件力學(xué)性能的潛力已發(fā)揮到極限?？紫兜南麡O貢獻(xiàn)：造成應(yīng)力集中，直接降低零部件的強(qiáng)度和韌性；孔隙降低材料的熱導(dǎo)性能，阻礙熱處理潛力對(duì)力學(xué)性能改善的貢獻(xiàn)?？捎脕硖岣哞F基P/M零部件密度的技術(shù)途徑有：.復(fù)壓-復(fù)燒工藝：密度達(dá)92流右，但形狀復(fù)雜程度受到一定限制，成本較高；.浸銅工藝：密度大于95%但表面較粗糙(表面蝕坑)，成分設(shè)計(jì)靈活性差，成本高；.液相燒結(jié)：密度可達(dá)93%變形較大，零件精度低，尺寸控制困難；.粉末鍛造：全致密，但尺寸精度低，成本昂貴(模具磨損，熱加工)，需后續(xù)機(jī)加工。粉末溫壓技術(shù)最早向外界披露是由美國(guó) Hoganas公司在1994年開發(fā)成功。該技術(shù)的前身是瑞典霍格納斯公司所開展的擴(kuò)散粘結(jié)鐵粉的制備技術(shù)，即ANCORBONDE藝。八十年代末，Musella等人開展了粉末在加熱條件下的模壓技術(shù)研究，經(jīng)一次壓制和燒結(jié)可獲得92%勺密度，并于1991年申請(qǐng)了第一項(xiàng)美國(guó)專利。隨后，吸引了本公司的研究人員的關(guān)注。到目前為止，全球共取得溫壓有關(guān)的發(fā)明專利近三十項(xiàng)，其中90%為粉末制備(基粉制造技術(shù)和新型潤(rùn)滑劑)技術(shù)，10%為加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)已能制造商38種高性能P/M零件。其中FORD公司制造的流體變速蝸輪輪轂重達(dá)1.2kg，并應(yīng)用在其轎車上。僅此一件就將粉末冶金零部件在轎車上的應(yīng)用水平提高到13.6kg/輛。據(jù)該公司稱，到本世紀(jì)末，其目標(biāo)是22.3kg/輛。到目前為止，全球已建立溫壓零件生產(chǎn)線三十余條，其中主要集中在北美和歐洲，中國(guó)4條（大陸地區(qū)2條，地區(qū)2條）。2溫壓工藝專利化粉末原料（擴(kuò)散粘結(jié)鐵粉+新型潤(rùn)滑劑）粉末加熱（130C）陰模裝粉（130-150C）溫壓

溫壓壓坯溫壓零部件3溫壓的技術(shù)特點(diǎn).低成本制造高性能P/M零部件：若WP=1.0貝U1P1S=0.82P2S=1.3CI （浸銅）=1.5PF=1.8源于：加工工序少，模具壽命長(zhǎng)，零件形狀復(fù)雜程度提高。.密度高：相對(duì)密度提高0.02-0.06%，即孔隙度降低2-6%。.便于制造形狀復(fù)雜的零部件源于：.低的脫模壓力，J30% .高的壓坯強(qiáng)度，T25-100%;.彈性后效小，J50%;.密度分布均勻，密度差J3;而根據(jù)我們的研究結(jié)果，回彈與燒結(jié)收縮降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。.零件強(qiáng)度高：（同質(zhì)、同密度）極限抗拉強(qiáng)度T10%燒結(jié)態(tài)達(dá)1200MPa疲勞強(qiáng)度T10%若經(jīng)適度復(fù)壓，與粉末鍛件相當(dāng)；.零件表面質(zhì)量高，精度提高2個(gè)IT級(jí)，模具壽命長(zhǎng)（模具磨損少）.壓制壓力降低：同壓坯密度時(shí)，壓力降低 140Mpa提高壓機(jī)容量溫壓既保持了傳統(tǒng)模壓的高效、高精度優(yōu)勢(shì)，又提高了鐵基零部件的性能，被譽(yù)為“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命的新技術(shù)”。4溫壓工藝的關(guān)鍵技術(shù).溫壓粉末原料的制造技術(shù)：基粉（basematerialpowder）制造技術(shù)和新型聚合物潤(rùn)滑劑的設(shè)計(jì)基粉：.部分預(yù)合金化鐵粉partiallyalloyedironpowder （高壓縮性，便于燒結(jié)合金化）；塑性改善機(jī)理：未合金化區(qū)域中的間隙元素的原子OC、N發(fā)生了向合金化區(qū)域的定向遷移，導(dǎo)致鐵的純化和軟化，壓縮性提高。如:在900°C進(jìn)行部分預(yù)合金化處理時(shí)，碳含量（ppm變化（原始值為320ppm：擴(kuò)散時(shí)間，min3040607590Fe-Ni230213192r180160Fe-Cu215205195186178.顆粒形狀為近球形，水或氣霧化鐵粉；.石墨的添加：普通石墨的加入導(dǎo)致溫壓密度大幅度降低，J3;a、壓縮模量高b降低材料的無(wú)孔隙密度聚合物潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑顆粒與模壁，降低外、摩擦力不適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑導(dǎo)致：.流動(dòng)性降低，不能實(shí)現(xiàn)自壓和產(chǎn)品單重不一致；.劣化潤(rùn)滑效果；.降低燒結(jié)密度。技術(shù)要求：.熔點(diǎn)〉溫壓溫度；?低的摩擦系數(shù)；.具有明顯的溫度效應(yīng)：T升高，摩擦系數(shù)下降.較寬的分解溫度圍，分解產(chǎn)物為單分子化合物；.無(wú)殘留物；.無(wú)環(huán)保問題.模具設(shè)計(jì)與制造.硬質(zhì)合金陰模襯與模套間的熱配合間隙即過盈量T；.硬質(zhì)合金陰模與沖頭間的配合間隙，T；.提高模具的加工精度。.溫壓加熱系統(tǒng)：粉末與陰模的加熱加熱方式：熱油循環(huán)：溫控穩(wěn)定性好，不易過熱；微波：加熱速度快，但存在過熱問題；感應(yīng)：同上電阻加熱：加熱速度較快，也存在過熱問題。5溫壓過程的實(shí)質(zhì).塑性變形得以充分進(jìn)行：加工硬化速度和程度降低.有效地減小粉末與模壁間的摩擦.有效地降低粉末顆粒間的摩擦，便于顆粒間的相互填充顆粒重排為主導(dǎo)機(jī)理，顆粒的塑性變形為前者提高協(xié)調(diào)性變形，并成為后期的主導(dǎo)致密化機(jī)理。利于顆粒重排的因素：球形粉末；易獲得最大堆積密度的粒度組成；潤(rùn)滑劑薄層均勻地覆蓋粉末顆粒表面；適當(dāng)?shù)乃苄宰冃文芰Α?潤(rùn)滑劑的作用：.降低粉末顆粒的外摩擦，T有效外壓一密度T；.T溫度，摩擦系數(shù)卩；,利于塑性變形和粉末顆粒間的相互填充，彈性后效J,脫模壓力J§3注射成形(Injectionmoulding) 技術(shù)1技術(shù)背景IM是塑料制品的一種通用成形技術(shù)，原理是利用熔融塑料的流動(dòng)行為，借助于外壓經(jīng)注射嘴注入特定的形腔。由于單純的塑料的強(qiáng)度和耐磨性低，應(yīng)用圍受到很大限制。一般作法是在熔融塑料中加入諸如金屬或瓷粒子作填充劑。七十年代，從事P/M的工程技術(shù)人員由此得到啟發(fā)，能否最大限度地提高塑料中填充劑的體積分?jǐn)?shù)，而又可以保持塑料的良好流動(dòng)性能呢？這就是后來發(fā)展起來的PIM,用以制造形狀復(fù)雜程度很高的P/M小型零部件。美國(guó)AMAXMet.Injet.Moulding ，德國(guó)BASF公司是開發(fā)PIM的先驅(qū)。八十年代初，PIM就實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。PIM工藝概述Metallicorceramicpowders+BinderPremixingJCompounding(mixingandpelletizing)FeedstockInjectionmouldingDebinding(solventandorthermaldebinding/Presintering)SinteringPIMpartsPIM(MIM)工藝的主要控制因素3.1粉末原料.particlesize:一般小于30卩m常用2-8卩m提高粉末燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力和脫脂后坯體的強(qiáng)度，便于混練；.particleshape: 球形顆粒有利于脫脂后獲得最大的顆粒填充密度和混練均勻的喂料。顆粒外形比(particleaspectratio)入最好在1-1.5之間，脫指后能獲得最佳的坯件形狀保持性(shaperetention)，相互間鉤連。.particlesizedistribution: 相當(dāng)寬或窄的粒度分布易于獲得穩(wěn)定流變性能的喂料，便于混練和注射成形。Wider:Tpackingdensity, Jbindercontent, —提高注射坯件在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性和利于燒結(jié)致密化。3.2粘結(jié)劑一般要求粘結(jié)劑必須滿足：.較低的粘度：，但過低易引起兩相分離現(xiàn)象。.與粉末顆粒潤(rùn)濕性好：加入表面活性劑，阻止在混練和注射過程中發(fā)生兩相分離和粉末聚集現(xiàn)象.冷卻后粘結(jié)劑具有足夠的強(qiáng)度和韌性.脫脂過程中易于排除，且不易形成脫脂缺陷為滿足混練、注射和脫脂的要求，一般采用多組元體系的粘結(jié)劑?；炀欳ompouding借助于熱和剪切應(yīng)力的聯(lián)合作用，使 PIM喂料均勻且高度一致性。.混練溫度：過高一可能導(dǎo)致粘結(jié)劑分解和因粘度太低而發(fā)生兩相分離現(xiàn)象；過低一粉末聚集，喂料不均勻性。.剪切力：太高—混練設(shè)備磨損和引入機(jī)械夾雜；太低—粉末聚集喂料的不一致性導(dǎo)致注射坯件單重變化和降低燒結(jié)坯收縮不一致3.3注射成形注射壓力和溫度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。注射缺陷及成因：.void:shrinkage,entrappedgas;.sinkmarks:shrinkage,segregation;.weldlines:jetting,flowaroundcores;.surfacepatterns:coldflow,segregation;.deformation:residualstress,ejectionofweakgreenparts;.inconsistentshotweight:inconsistentfeedstock,machinecontrol.這些缺陷大多數(shù)在脫脂或燒結(jié)后才發(fā)現(xiàn)，屬于不可挽回的廢品。3.4脫脂Debinding脫脂類型（基本脫脂方法）：熱脫脂（thermaldeb