第4章-材料的粉末工藝-思考題

1、第4章 材料的粉末工藝,4.1 粉末冶金 4.2 陶瓷的粉末工藝,思考題,1、粉末冶金工藝有何特點？其主要的工藝過程包括？ 2、粉末按粒徑可分為哪四類？其粒徑范圍分別是？ 3、什么是粉體的一次粒子和二次粒子？粒徑的表示方法主要有哪些？ 4、何謂粉體的粒度分布？頻度分布與累積分布有什么不同？ 5、超細(xì)粉體會使材料性能產(chǎn)生哪些性質(zhì)的變化？,6、粉體物理制備方法主要有哪些？各有何特點？ 7、霧化制粉的方法有哪些？如何提高霧化制粉的效率？ 8、粉末的化學(xué)制備方法有哪些？其工藝特點如何？ 9、什么是均勻沉淀法和共沉淀法？ 10、粉末的成形工藝性能取決于粉末的哪些特性？,11、為什么要對粉末進(jìn)行塑化和造粒

2、處理？ 12、粉末的成形方法主要有哪些？如何獲得結(jié)構(gòu)均勻致密的成形坯體？ 13、粉體為什么能燒結(jié)？燒結(jié)的推動力是什么？ 14、燒結(jié)方法主要有哪些？如何促進(jìn)致密化燒結(jié)？ 15、陶瓷燒結(jié)與金屬的燒結(jié)有何異同？,1、粉末冶金工藝有何特點？其主要的工藝過程包括？ 答：粉末冶金(Powder Metallurgy)就是通過粉末的制取、粉末的成形及燒結(jié)而制備金屬和金屬基復(fù)合材料及其制品的一種工藝過程。,工藝特點,1、粉末冶金能夠制備普通熔鑄法無法生產(chǎn)的具有特殊性能的材料，如： 可制備多孔材料; 可由礦石或化合物直接制取難熔金屬、稀有金屬; 能夠制備各種復(fù)合材料; 可制備非平衡組織材料。,2、采用粉末冶金制

3、備的材料，其性能較熔鑄產(chǎn)品優(yōu)越： 制取成分偏析小的合金; 制取細(xì)晶粒、組織均勻和加工性能好的稀有金屬坯錠。 3、粉末冶金制品表面光潔度高，尺寸精確，是一種少切削、無切削的新工藝，可節(jié)約大量的人力和物力。 4、不足之處：粉末本身的成本較高，制品的大小和形狀受到一定的限制；零件的力學(xué)性能較鍛件或鑄件要低。,2、粉末按粒徑可分為哪四類？其粒徑范圍分別是？,粉末的分類,3、什么是粉體的一次粒子和二次粒子？粒徑的表示方法主要有哪些？ 一次粒子是：又稱初級粒子和原級粒子。利用各種化學(xué)反應(yīng)方法得到的最初粒子(晶粒)。一次 粒子的大小約為0.0051 m，比篩分的極限小得多，在介質(zhì)中有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。二次粒子

4、：由若干一次粒子組成的聚集體，其大小一般為1200m。二次粒子的大小常與形成一次粒子時介質(zhì)中的可溶物質(zhì)及為使一次粒子聚集和絮凝而加入的添加劑等有關(guān)。,粒徑的主要表示方法有： 1）等體積球相當(dāng)徑：用等體積球的直徑來描述不規(guī)則形狀顆粒的尺寸。 2）等表面積球相當(dāng)徑：用等表面積球的直徑來描述不規(guī)則形狀顆粒的尺寸。 3） 等沉降速度相當(dāng)徑：利用顆粒在液體中的沉降速度與粒徑的關(guān)系來確定顆粒的粒徑。 4） 投影徑：利用顯微鏡觀察顆粒的投影，可測量顆粒的粒徑。 5） 篩分徑：當(dāng)顆粒通過粗篩網(wǎng)并停留在細(xì)篩網(wǎng)上時，粗細(xì)篩孔的孔徑范圍稱為篩分徑。,4、何謂粉體的粒度分布？頻度分布與累積分布有什么不同？ 常用的方法

5、有頻度分布和累積分布兩種。,頻度分布曲線,累計分布曲線,4、何謂粉體的粒度分布？頻度分布與累積分布有什么不同？,粒度分布：用特定的儀器和方法反映出粉體樣品中不同粒徑顆粒占顆?？偭康陌俜?jǐn)?shù)。有區(qū)間分布和累計分布兩種形式。區(qū)間分布又稱為微分分布或頻率分布，它表示一系列粒徑區(qū)間中顆粒的百分含量。累計分布也叫積分分布，它表示小于或大于某粒徑顆粒的百分含量。,5、超細(xì)粉體會使材料性能產(chǎn)生哪些性質(zhì)的變化？,材料的熔點降低 式中：T為塊狀物質(zhì)的熔點(T)與超細(xì)粒子的熔點之差；為固液界面的表面張力；為密度；L為塊狀物質(zhì)的熔化潛熱；D為粒子直徑。 蒸汽壓上升 式中：p和p分別表示超細(xì)粒子和塊狀物質(zhì)的蒸汽壓；M為

6、摩爾質(zhì)量；R為摩爾氣體常量；Tc為熱力學(xué)溫度。,光學(xué)性質(zhì)的變化：光澤度下降，透光率降低 穩(wěn)定性降低：表面活性增加，表面吸附能力提高，除物理吸附外還出現(xiàn)了化學(xué)吸附 電阻率上升：晶界、缺陷增加,6、粉體物理制備方法主要有哪些？各有何特點？,從制備方法的原理可以分為三大類： 機械制備 物理制備 化學(xué)制備,物理制備,一、粉末的機械制備方法,機械制粉方法的實質(zhì)就是利用動能來破壞材料的內(nèi)部結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面。 分為研磨、錘搗、輥軋等 機械研磨（球磨） 研磨 氣流研磨 比較適用于脆性材料,二、粉末的物理制備方法,霧化法 物理蒸發(fā)冷凝/物理氣相沉積(PVD)法,7、霧化制粉的方法有哪些？如何提高霧

7、化制粉的效率？,定義 通過高壓霧化介質(zhì)強烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻來實現(xiàn)的一種典型物理制粉方法。,霧化方法 雙流霧化法 離心霧化法 真空霧化法 機械作用力霧化法 特殊霧化法：多級霧化、固體霧化,提高霧化制粉效率的兩條基本準(zhǔn)則 能量交換準(zhǔn)則：提高單位時間內(nèi)單位質(zhì)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； 快速凝固準(zhǔn)則：提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。,物理蒸發(fā)冷凝/物理氣相沉積法（PVD）,采用不同的能量輸入方式使金屬汽化，然后再在冷凝壁上沉積，從而獲得金屬粉末。 類型 電阻加熱方式 等離子加熱方式 激光加熱方式 電子束加熱方式 高頻感應(yīng)加熱方式,8、粉末

8、的化學(xué)制備方法有哪些？其工藝特點如何？,液相沉淀法 化學(xué)氣相沉積法（CVD） 還原反應(yīng)法 電化學(xué)法,液相沉淀法,主要原理：在液相中采用各種水溶性化合物經(jīng)混合、反應(yīng)生成不溶于水的沉淀，將沉淀洗滌并熱分解可形成超細(xì)粉。 沉淀法可以分為直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法等。,9、什么是均勻沉淀法和共沉淀法？ 1 均勻沉淀法 依靠溶液內(nèi)部緩慢均勻地生成沉淀劑而進(jìn)行沉淀反應(yīng)地方法。 （例如：尿素水解制備鹽類） (NH2)2CO十3H2O2NH4OH十CO2,2 共沉淀法 在溶液中同時沉淀兩種或兩種以上金屬離子得到均勻性好的復(fù)合氧化物的方法。 例：在氨水溶液中制備氧化鋯合氧化釔復(fù)合粉體。 ZrOCl2十4N

9、H4OHZr(OH)4十2NH4Cl十2NH3十H2O YCl3十3NH4OHY(OH)3十3NH4Cl,CVD法,主要原理：利用揮發(fā)性化合物的蒸氣通過分解或相互反應(yīng)合成所需粉體的方法。 1）分解沉積： CH3SiCl3 (g) SiC (s) + 3HCl (g) 2）反應(yīng)沉積： TiCl4 (g) + CH4 (g) TiC (s) + 4HCl (g),還原反應(yīng)法,基本原理：MeO+X(還原劑)=Me(金屬)+XO 方法： 碳還原法：如：FeO+C Fe +CO 氣體還原法：如：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 金屬還原法：如：MeX+MeMeX+Me (式中：Me還原劑；MeX被還原

10、的化合物) 還原-化合法：如：MeO+2CMeC+CO 目前鐵粉大部分由還原法生產(chǎn)。,電化學(xué)法,包括水溶液電解法、熔鹽電解法、有機電解質(zhì)電解法和液體金屬電解法。 陽極：純Cu板 電解液：CuSO4、H2SO4、H2O 陰極：Cu粉,電解過程示意圖 1陽極；2陰極；3電解液,10、粉末的成形工藝性能取決于粉末的哪些特性？,一、粉末的工藝性能 松裝密度 粉末試樣自然地充填規(guī)定的容器時單位容積內(nèi)粉末的質(zhì)量。單位：g/cm3 與形狀、粒度、粒度分布有關(guān),流動性 50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)的流速漏斗流出所需的時間。單位：s/50g 其倒數(shù)為單位時間流出粉末的質(zhì)量，稱為流速。單位：g/s 與粉末形狀、粒度、密度、表

11、面質(zhì)量有關(guān),壓制性 壓縮性代表粉末在壓制過程中被壓緊的能力，在標(biāo)準(zhǔn)模具中，在規(guī)定潤滑條件下加以測定，用規(guī)定壓力下粉末所達(dá)到的壓坯密度表示。 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單位壓制壓力表示，或者用壓坯的強度來衡量。,11、為什么要對粉末進(jìn)行塑化和造粒處理？ 塑 化(Plastification) 添加塑化劑，使坯料具有可塑性，即坯料在外力的作用下發(fā)生無裂紋的變形。 常用的塑化劑： 1）無機塑化劑：粘土、膨潤土等 2）有機塑化劑：聚乙烯醇、CMC等,造粒 目的：改善粉體的流動性能 在較細(xì)的原料中加入塑化劑，制成粒度較粗、流動性好的粒子。 常用于粉體較細(xì)的原料如硬

12、質(zhì)合金制品的成形。,12、粉末的成形方法主要有哪些？如何獲得結(jié)構(gòu)均勻致密的成形坯體？,13、粉體為什么能燒結(jié)？燒結(jié)的推動力是什么？,一、燒結(jié)理論 定 義： 通常是在高溫作用下粉末成形體（坯體）表面積減小、氣孔率降低、顆粒間接觸面積增大、致密度和強度提高的致密化過程。 燒結(jié)溫度： 原料熔點溫度（K）的1/23/4；高溫持續(xù)時間：12h 燒結(jié)驅(qū)動力： 粉體的表面能降低和系統(tǒng)自由能降低。,燒結(jié)的基本過程： (1) 粘結(jié)階段 (2) 燒結(jié)頸長大階段 (3) 閉孔隙球化和縮小階段,動畫,思考： 普通燒結(jié)何以不能消除已球化小孔而達(dá)到完全致密呢?,燒結(jié)過程的物質(zhì)傳遞,液相燒結(jié) 為什么液相燒結(jié)比氣相、固相燒結(jié)

13、速度快？ 因為物質(zhì)在液相中的擴散速度比在固相中的快得多；同時固體顆粒在液相中相互滑移較為容易；而且液相將固體顆粒潤濕而在固體顆粒之間形成彎曲的液面，在毛細(xì)管力作用下，顆粒相互吸引彼此拉近，因此與氣相、固相燒結(jié)相比，液相燒結(jié)的速度顯著提高。,液相燒結(jié)可以分成三個階段： 、形成液相重排過程。 、通過顆粒向液相中溶解和重新沉淀而發(fā)生致密度增大溶解與沉淀過程。 、液相重新結(jié)晶、顆粒長大凝結(jié)過程。,影響燒結(jié)的因素,1、外來物質(zhì)（燒結(jié)氣氛、添加劑） 2、結(jié)晶構(gòu)造與晶型轉(zhuǎn)變 3、粉末活性（粒度、表面性質(zhì)） 4、壓制工藝（壓制壓力）,成形壓力與產(chǎn)品燒后密度的關(guān)系,14、燒結(jié)方法主要有哪些？如何促進(jìn)致密化燒結(jié)？,常見的燒結(jié)方法 常壓燒結(jié) 是指在通常的大氣壓力或微正壓條件下進(jìn)行燒結(jié)的方法，包括通常的在空氣氧氣中燒結(jié)和非氧化性保護氣氛下燒結(jié)。 熱壓/熱等靜壓燒結(jié) 指在給粉體加熱的同時進(jìn)行加壓，以增大粉體顆粒間的接觸應(yīng)力，加大致密化的動力，使顆粒通過塑性流動進(jìn)行重新排列，改善堆積狀況，提高燒結(jié)速率，降低燒結(jié)溫度。,活化燒結(jié) 采