粉末冶金原理-中文.ppt

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1 粉末冶金原理 郭圣達(dá)E mail enga 江西理工大學(xué)工程研究院 參考書目 1 黃培云主編 粉末冶金原理 冶金工業(yè)出版社2 王盤鑫主編 粉末冶金學(xué) 冶金工業(yè)出版社 2 3 目錄 一 粉末的制備技術(shù)二 粉末的性能及其測(cè)定三 粉末成形四 燒結(jié)五 粉末冶金材料和制品六 粉末冶金的安全知識(shí)七 粉末制備 成形 燒結(jié)新技術(shù) 4 緒論 1 粉末冶金 是一種利用制取到的金屬粉末 或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為原料 經(jīng)過粉末成形和燒結(jié)制造金屬材料 復(fù)合材料以及各類型制品的工藝過程 粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方 因此也叫金屬陶瓷法 2 粉末冶金的發(fā)展粉末冶金方法起源于公元前三千多年 埃及人制造鐵的第一方法實(shí)質(zhì)上采用的就是粉末冶金方法 3 現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)的發(fā)展中共有三個(gè)重要標(biāo)志 1 克服了難熔金屬 如鎢 鉬等 熔鑄過程中產(chǎn)生的困難 1909年制造電燈鎢絲 推動(dòng)了粉末冶金的發(fā)展 1923年粉末冶金硬質(zhì)合金的出現(xiàn)被譽(yù)為機(jī)械加工中的工業(yè)革命 5 緒論 2 20世紀(jì)三十年代成功制取多孔含油軸承 繼而粉末冶金鐵基機(jī)械零件的發(fā)展 充分發(fā)揮了粉末冶金制品少切削甚至無切削的優(yōu)點(diǎn) 3 向更高級(jí)的新材料 新工藝發(fā)展 四十年代 出現(xiàn)金屬陶瓷 彌散強(qiáng)化等材料 六十年代末至七十年代初 粉末高速鋼 粉末高溫合金相繼出現(xiàn) 還有利用粉末冶金鍛造及熱等靜壓等技術(shù)已能制造高強(qiáng)度的零件 以硬質(zhì)合金來說 新型硬質(zhì)合金已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)合金 如梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金 超細(xì) 納米晶 雙晶結(jié)構(gòu) 粗晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金等 6 緒論 粉末冶金工藝的基本工序1 原料粉末的制備 現(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類 機(jī)械法和物理化學(xué)法 其中機(jī)械法又可分為 機(jī)械粉碎和霧化法 物理化學(xué)法又分為 電化腐蝕法 還原法 化合法 還原 化合法 氣相沉積法 液相沉積法以及電解法 其中應(yīng)用最為廣泛的是還原法 霧化法和電解法 2 將粉末壓制成型為所需形狀的坯塊 成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯 并使其具有一定的密度和強(qiáng)度 成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型 加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型 還有擠壓成型 爆炸成型等 7 緒論 3 坯塊的燒結(jié) 燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序 成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理力學(xué)性能 燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié) 對(duì)于單元系和多元系的燒結(jié) 若燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點(diǎn)低 則稱之為固相燒結(jié) 若燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點(diǎn)低 而高于易熔成分的熔點(diǎn) 則稱為液相燒結(jié) 除普通燒結(jié)外 還有松裝燒結(jié) 熔浸法 熱壓法燒結(jié)等特殊的燒結(jié)工藝 緒論 4 產(chǎn)品的后序處理 燒結(jié)后的處理 可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同 采取多種方式 如精整 浸油 機(jī)加工 熱處理及電鍍 此外 近年來一些新工藝如軋制 鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工 取得較理想的效果 8 9 緒論 粉末冶金工藝的優(yōu)點(diǎn)1 絕大多數(shù)難熔金屬及其化合物 氧化物彌散強(qiáng)化合金 多孔材料 陶瓷材料和硬質(zhì)合金等只能用粉末冶金方法來制造 2 由于粉末冶金方法能壓制成最終尺寸的壓坯 而不需要或很少需要后續(xù)的機(jī)械加工 故能大大節(jié)約金屬用量 降低產(chǎn)品成本 用粉末冶金方法制造產(chǎn)品時(shí) 金屬的損耗只有1 5 而用一般熔鑄方法生產(chǎn)時(shí) 金屬的損耗可能會(huì)達(dá)到80 10 3 由于粉末冶金工藝在材料生產(chǎn)過程中并不熔化材料 也就不怕混入由坩堝和脫氧劑等帶來的雜質(zhì) 而燒結(jié)一般在真空和還原氣氛中進(jìn)行 不怕氧化 也不會(huì)給材料任何污染 故有可能制取高純度的材料 4 粉末冶金能保證材料成分配比的正確性和均勻性 5 粉末冶金適宜于生產(chǎn)同一形狀而數(shù)量多的產(chǎn)品 特別是齒輪等加工費(fèi)用高的產(chǎn)品 用粉末冶金法制造能大大降低生產(chǎn)成本 11 緒論 粉末冶金材料和制品的發(fā)展方向1 具有代表性的鐵基合金 將向大體積的精密制品 高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)零部件發(fā)展 2 制造具有均勻顯微組織結(jié)構(gòu)的 加工困難而完全致密的高性能硬質(zhì)合金 3 用增強(qiáng)致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金 4 制造非均勻材料 非晶態(tài) 微晶或者亞穩(wěn)合金 5 加工獨(dú)特的和非一般形態(tài)或成分的復(fù)合零部件 12 一 粉末制備技術(shù) 1 在不同狀態(tài)下制備粉末的方法1 1在固態(tài)下制備粉末的方法1 2在液態(tài)下制備粉末的方法1 3在氣態(tài)下制備粉末的方法2 常用的粉末制備方法2 1機(jī)械粉碎法2 2霧化法2 3還原法2 4氣相沉積法2 5液相沉淀法2 6電解法3 本章小結(jié) 13 一 粉末制備技術(shù) 1 在不同狀態(tài)下制備粉末的方法1 1在固態(tài)下制備粉末的方法 1 從固態(tài)金屬與合金中制取金屬與合金粉末的方法有機(jī)械粉碎法和電化學(xué)腐蝕法 2 從固態(tài)金屬氧化物及鹽類制取金屬與合金粉末的有還原法 3 從金屬和非金屬粉末 金屬氧化物和非金屬粉末制取金屬化合物粉末的有還原 化合法 14 一 粉末制備技術(shù) 1 2在液態(tài)下制備粉末的方法 1 從液態(tài)金屬與合金中制取金屬與合金粉末的有霧化法 2 從金屬鹽溶液置換和還原制取金屬 合金以及包覆粉末的有置換法 溶液氫還原法 從金屬熔鹽中沉淀制取金屬粉末的有熔鹽沉淀法 從輔助金屬浴中析出制取金屬化合物粉末的有金屬浴法 3 從金屬鹽溶液電解制取金屬與合金粉末的有水溶液電解法 從金屬熔鹽電解制取金屬和金屬化合物粉末的有熔鹽電解法 15 一 粉末制備技術(shù) 1 3在氣態(tài)下制備粉末的方法 1 從金屬蒸氣中冷凝制取金屬粉末的有蒸氣冷凝法 2 從氣態(tài)金屬羰基物中離解制取金屬 合金粉末以及包覆粉末的有羰基物熱離解法 3 從氣態(tài)金屬鹵化物中氣相還原制取金屬 合金粉末以及金屬 合金涂層的有氣相氫還原法 從氣態(tài)金屬鹵化物中沉積制取金屬化合物粉末以及涂層的有化學(xué)氣相沉積法 16 一 粉末制備技術(shù) 從實(shí)質(zhì)過程看 現(xiàn)有制粉方法大體可歸納為兩大類 即機(jī)械法和物理化學(xué)法 1 機(jī)械法 是將原材料機(jī)械地粉碎 而化學(xué)成分基本上不發(fā)生變化 2 物理化學(xué)法是借助化學(xué)的或物理的作用 改變?cè)牧系幕瘜W(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的方法 粉末的具體生產(chǎn)方法很多 從目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的工業(yè)規(guī)模而言 應(yīng)用最廣泛的有還原法 霧化法和電解法三種 而氣相沉淀法和液相沉淀法在特殊應(yīng)用時(shí)亦很重要 表1 1為制取粉末的一些方法 17 一 粉末制備技術(shù) 表1 1粉末生產(chǎn)方法 18 一 粉末制備技術(shù) 續(xù)表1 1 19 一 粉末制備技術(shù) 2 常用的粉末制備方法2 1機(jī)械粉碎法機(jī)械粉碎是靠壓碎 擊碎和磨削等作用 將塊狀金屬 合金或化合物機(jī)械地粉碎成粉末的 固態(tài)金屬的機(jī)械粉碎既是一種獨(dú)立的制粉方法 又常常作為某些制粉方法的補(bǔ)充工序 20 依據(jù)物料粉碎的最終程度 又可以分為粗碎和細(xì)碎兩類 以壓碎為主要作用的有碾壓 錕軋以及顎式破碎等 以擊碎為主的有錘磨 屬于擊碎和磨削等多方面作用的機(jī)械粉碎有球磨 棒磨等 實(shí)踐表明 機(jī)械研磨比較適用于脆性材料 利用塑性金屬或合金來制取粉末多采用渦旋研磨 冷氣流粉碎等方法 21 一 粉末制備技術(shù) 2 1 1機(jī)械研磨法研磨的任務(wù)包括 減少或增大粉末粒度 合金化 固態(tài)混料 改善 轉(zhuǎn)變或改變材料的性能等 在大多數(shù)情況下 研磨的任務(wù)是使粉末的粒度變細(xì) 研磨后的金屬粉末會(huì)有加工硬化現(xiàn)象 形狀不規(guī)則以及出現(xiàn)流動(dòng)性變壞和團(tuán)塊等特征 1 研磨規(guī)律在研磨時(shí) 有四種力作用于顆粒材料上 沖擊 磨耗 剪切以及壓縮 在球磨機(jī)中球體運(yùn)動(dòng)的方式有四種 如圖1 1 滑動(dòng) 滾動(dòng) 自由下落以及在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)球體的運(yùn)動(dòng) 22 一 粉末制備技術(shù) 圖1 1在球磨機(jī)中球體運(yùn)動(dòng)示意圖 a 滑動(dòng) b 滾動(dòng) c 自由下落 d 在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)球體的運(yùn)動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速與圓筒直徑有關(guān) 其關(guān)系為 球體發(fā)生滾動(dòng)的臨界條件為 反之發(fā)生滑動(dòng) 為筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 球體表面發(fā)生傾斜 在一定的轉(zhuǎn)速和裝球量下的傾斜角 一 粉末制備技術(shù) 球體滾動(dòng)和自由下落是最有效的研磨方式 并且粉末的細(xì)磨只有在滾動(dòng)下才能實(shí)現(xiàn) 因?yàn)榧?xì)小的顆粒不會(huì)被球體的沖擊所再粉碎 23 24 一 粉末制備技術(shù) 2 影響球磨的因素球磨機(jī)中的研磨過程取決于眾多因素 筒內(nèi)裝料量 裝球量 球磨筒尺寸 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速 研磨時(shí)間 球體與被研磨物料的比例 球料比 研磨介質(zhì)以及球體直徑等 25 一 粉末制備技術(shù) 例如 球磨筒轉(zhuǎn)速n 0 7 0 75n臨界時(shí) 球體發(fā)生拋落 n 0 6n臨界時(shí) 球體發(fā)生滾動(dòng) n 0 6n臨界時(shí) 球體以滑動(dòng)為主 在一定范圍內(nèi) 增加裝球量能提高研磨效率 但如果把球體體積與球筒容積之比稱為裝填系數(shù) 則一般球磨機(jī)的裝填系數(shù)取0 4 0 5為宜 隨轉(zhuǎn)速的提高 裝填系數(shù)可略為增大 26 在研磨過程中一定要注意球體與物料的比例 一般在球體裝填系數(shù)為0 4 0 5時(shí) 裝料量應(yīng)以填滿球體的空隙 以稍微掩蓋住球體表面為原則 可取球磨筒容積的20 為裝料量 球體的大小對(duì)物料的粉碎也有很大的影響 實(shí)踐中 球磨鐵粉一般選用10 20mm的鋼球 球磨硬質(zhì)合金混合料時(shí) 則選用5 10mm大小的硬質(zhì)合金球 同時(shí)為了避免研磨球?qū)Ψ勰┑奈廴?應(yīng)取與要制備粉末成分相近的球做為研磨球 27 一 粉末制備技術(shù) 3 強(qiáng)化球磨球磨粉碎物料是一個(gè)很慢長(zhǎng)的過程 因此提高研磨效率 強(qiáng)化球磨效果對(duì)提高生產(chǎn)效率具有很大的意義 例如采用振動(dòng)球磨和行星球磨即屬于此 圖1 2為一種濕式振動(dòng)球磨機(jī) 28 一 粉末制備技術(shù) 2 1 2機(jī)械合金化這是種高能球磨法 用這種方法可制造具有可控細(xì)顯微組織的復(fù)合金屬粉末 它是在高速攪拌球磨的條件下 利用金屬粉末混合物的重復(fù)冷焊和斷裂進(jìn)行進(jìn)行合金化的 也可以在金屬粉末中加入非金屬粉末來實(shí)現(xiàn)機(jī)械合金化 29 一 粉末制備技術(shù) 用機(jī)械合金化制造的材料 其內(nèi)部的均一性與原材料粉末的粒度無關(guān) 因此 用較粗的原材料粉末 50 100 可制成超細(xì)彌散體 顆粒間距小于1 制造機(jī)械合金化彌散強(qiáng)化高溫合金的原材料都是工業(yè)上廣泛采用的純粉末 粒度約為1 200 對(duì)用于機(jī)械合金化的粉末混合物 其唯一限制 除上述粒度要求和需要控制極低的氧含量外 是混合物至少有15 容積 的可壓縮變形的金屬粉末 30 一 粉末制備技術(shù) 31 一 粉末制備技術(shù) 圖1 3為機(jī)械合金化裝置示意圖 機(jī)械合金化與滾動(dòng)球磨的區(qū)別在于 使球體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力不同 圖1 2斯韋科濕式振動(dòng)球磨機(jī)圖1 3機(jī)械合金化裝置示意圖 2 1 3渦旋研磨一般機(jī)械研磨只適合于粉碎脆性金屬或合金 渦旋研磨則可以有效地研磨軟的塑性金屬或合金 由于在渦旋研磨中 研磨一方面依靠沖擊作用 另一方面還依靠顆粒間 顆粒與工作室內(nèi)壁以及顆粒與回轉(zhuǎn)打擊子相碰時(shí)的磨損作用 32 一 粉末制備技術(shù) 2 1 4冷氣流粉碎冷氣流粉碎的基本工藝是 利用高速高壓的氣流帶著較粗的顆粒通過噴嘴轟擊在擊碎室中的靶面 壓力立即從高壓 7MPa 降到0 1MPa 發(fā)生絕熱膨脹 使金屬靶和擊碎室的溫度降到室溫以下 甚至零度以下 冷卻了的顆粒就會(huì)被粉碎 氣流壓力越大 得到的粉末粒度越細(xì) 33 一 粉末制備技術(shù) 34 一 粉末制備技術(shù) 2 2霧化法霧化法是一種將液體金屬或合金直接破碎成為細(xì)小的液滴 其大小一般小于150 然后冷卻而形成粉末的一種制粉方法 霧化法可以用來制取多種金屬粉末 也可以制取各種預(yù)合金粉末 實(shí)踐上 任何能形成液體的材料都可以進(jìn)行霧化 35 一 粉末制備技術(shù) 前面所述的 機(jī)械粉碎法 是借機(jī)械作用破壞固體金屬原子間的結(jié)合而制得粉末 霧化法則只要克服液體金屬原子間的結(jié)合力就能使之分散成粉末 因而霧化過程所消耗的外力比機(jī)械粉碎化要小得多 從能量消耗來說 霧化法是一種簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)的粉末生產(chǎn)方法 霧化法又可以分為二流霧化 離心霧化 真空霧化以及超聲波霧化等 36 一 粉末制備技術(shù) 2 2 1二流霧化借助高壓水流或氣流的沖擊來破碎液流 稱為水霧化或氣霧化 也稱二流霧化 圖1 4 根據(jù)霧化介質(zhì) 氣體 水 對(duì)金屬液流作用的方式不同 霧化具有多種形式 圖1 5 平行噴射 垂直噴射 V形噴射 錐形噴射以及漩渦環(huán)形噴射 37 一 粉末制備技術(shù) 霧化過程很復(fù)雜 按霧化介質(zhì)與金屬液流相互作用的實(shí)質(zhì) 既有物理機(jī)械作用 又有物理化學(xué)變化 高速的氣流或水流 既是破碎金屬液的動(dòng)力 又是金屬液流的冷卻劑 因此在霧化介質(zhì)同金屬液流之間既有能量交換 又有熱量交換 并且 液態(tài)金屬的粘度和表面張力在霧化過程和冷卻過程中不斷發(fā)生變化 以及液態(tài)金屬與霧化介質(zhì)的化學(xué)作用 如氧化 脫碳 使霧化過程變得較為復(fù)雜 38 一 粉末制備技術(shù) 圖1 4水霧化和氣霧化示意圖圖1 5霧化的多種形式 39 一 粉末制備技術(shù) 1 氣霧化在氣霧化中 金屬由感應(yīng)爐熔化并流入噴嘴 氣流由排列在熔化金屬四周的多個(gè)噴嘴噴出 霧化介質(zhì)采用的是惰性氣體 霧化可獲得粒度分布范圍較寬的球形粉末 在氣霧化中 霧化過程可以用圖1 6來說明 圖1 6氣霧化時(shí)金屬粉末的形成 40 一 粉末制備技術(shù) 2 水霧化水霧化時(shí)制取金屬或合金粉末最常用的工藝技術(shù) 水可以單個(gè)的 多個(gè)的或環(huán)形的方式噴射 高壓水流直接噴射在金屬液流上 強(qiáng)制其粉碎并加速凝固 因此粉末形狀比起氣霧化來呈不規(guī)則形狀 粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物 由于散熱快 過熱度要超過熔融金屬熔點(diǎn)較多 以便控制粉末的形狀 在水霧化中 包括制取合金粉末在內(nèi) 其化學(xué)偏析是非常有限的 41 在水霧化時(shí) 金屬液滴的形成是水滴對(duì)液體金屬表面的沖擊作用而不是剪切作用 水霧化中 霧化的粉末粒度D主要與水速v有關(guān) 式中C為與材料和霧化裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)a為金屬液流與水流軸之間的夾角表1 2為氣霧化與水霧化的一些比較 一 粉末制備技術(shù) 42 一 粉末制備技術(shù) 表1 2氣霧化與水霧化的比較 43 一 粉末制備技術(shù) 3 影響二流霧化性能的因素霧化粉末有三個(gè)重要的性能 一 粒度 包括平均粒度 粒度分布及可用粉末收得率等 二 顆粒形狀及與其有關(guān)的性能 如松裝密度 流動(dòng)性 壓坯密度及比表面等 三 顆粒的純度和結(jié)構(gòu) 影響這些性能的主要因素是霧化介質(zhì) 金屬液流的特征以及霧化裝置的結(jié)構(gòu)特征等 44 一 粉末制備技術(shù) 2 2 2離心霧化用離心力破碎液流得到霧化粉末的方法稱為離心霧化 離心霧化的發(fā)展是與控制粉末粒度的要求和解決制取活性金屬粉末的困難有關(guān) 離心霧化有旋轉(zhuǎn)圓盤霧化 旋轉(zhuǎn)坩堝霧化 旋轉(zhuǎn)電極霧化等多種形式 如圖1 7所示 圖1 7離心霧化示意圖 45 一 粉末制備技術(shù) 2 2 3其他霧化工藝除了利用水和氣體沖擊熔化金屬 以及和旋轉(zhuǎn)相關(guān)的霧化方法之外 還有一些可使用熔融金屬破碎的工藝方法 比如 錕筒霧化法 熔融金屬被喂入快速旋轉(zhuǎn)的軋輥中而霧化成粉末 振動(dòng)電極霧化法 通過自耗電極的振動(dòng)來生產(chǎn)高純度粉末的方法 熔滴霧化法 熔融金屬經(jīng)坩堝底部的小孔流出 流入真空或惰性氣體中 膨脹并形成球開顆粒得到粉末 以及超聲霧化法以及真空霧化法等等 46 表1 3 一些霧化工藝的比較 一 粉末制備技術(shù) 47 一 粉末制備技術(shù) 2 2 4霧化粉末顯微結(jié)構(gòu)的控制在快速冷卻的合金粉末中 顯微組織結(jié)構(gòu)的控制取決于形核和長(zhǎng)大因素 在凝固中 較大的溫度梯度的情況易于形成非晶態(tài) 相反 要在低的冷卻速率和小的溫度梯度的條件下 則易形成具有偏析的顯微組織結(jié)構(gòu) 圖1 8是顯微組織結(jié)構(gòu)與粉末顆粒溫度梯度和溫度之間的關(guān)系 48 圖1 8溫度梯度和溫度對(duì)快速凝固粉末的顯微組織結(jié)構(gòu)的影響 49 一 粉末制備技術(shù) 2 3還原法用還原劑還原金屬氧化物及鹽類來制取金屬粉末的方法 這是一種廣泛采用的制粉方法 還原劑可以是固態(tài) 氣態(tài)或液態(tài) 被還原的物料也可采用固態(tài) 氣態(tài)或液態(tài)形式的物質(zhì) 表1 4為用不同還原劑和被還原的物質(zhì)進(jìn)行還原作用來制取粉末的一些例子 50 表1 4還原法廣義的使用范圍 一 粉末制備技術(shù) 51 一 粉末制備技術(shù) 工藝上所說的還原是指通過一種物質(zhì) 稱為還原劑 奪取氧化物或鹽類中的氧 或酸根 而使其轉(zhuǎn)變?yōu)榧冊(cè)鼗虻蛢r(jià)氧化物 低價(jià)鹽 的過程 最簡(jiǎn)單的反應(yīng)可用下式表示 52 為了能順利進(jìn)行還原反應(yīng) 還原劑X對(duì)氧的化學(xué)親和力必須大于金屬M(fèi)e對(duì)氧的親和力 由于不同的金屬元素對(duì)氧的作用情況不同 因而生成氧化物的穩(wěn)定性也不大一樣 可采用標(biāo)準(zhǔn)生成自由能作為衡量對(duì)氧親和力大小的尺度 凡是對(duì)氧的親和力比被還原的金屬對(duì)氧的親和力大的物質(zhì) 都能作用該金屬氧化物的還原劑 一 粉末制備技術(shù) 53 一般說來 在冶金過程中 特別是在粉末冶金中 可采用氣體 氫 一氧化碳 碳或某些金屬作還原劑 因此可把這些還原反應(yīng)分類稱為碳還原 氣體還原和金屬熱還原 一 粉末制備技術(shù) 54 一 粉末制備技術(shù) 在還原過程中 還原進(jìn)行的速度和還原的程度是與還原的條件有關(guān)的 影響還原反應(yīng)速度和還原程度的因素是很復(fù)雜的 并且這些反應(yīng)往往在多相中反應(yīng) 因此在還原過程中 除了反應(yīng)物的濃度 反應(yīng)過程的溫度外 還與界面的特征 如晶格缺陷 界面的面積 液體的速度 反應(yīng)相的比例 形核以及擴(kuò)散層等有關(guān) 圖1 9是氧化物被還原形成金屬粉末的示意圖 其反應(yīng)速率取決于兩個(gè)擴(kuò)散流 圖1 9氧化物顆粒部分還原為金屬粉末的示意圖 55 一 粉末制備技術(shù) 56 實(shí)際表明 反應(yīng)速度與時(shí)間的關(guān)系具有自動(dòng)催化的特點(diǎn) 如圖1 10所示 圖1 10 吸附自動(dòng)催化的反應(yīng)速度與時(shí)間的關(guān)系共分三個(gè)階段 第一階段速度很慢 反應(yīng)僅在固體表面開始 第二階段當(dāng)新相形成 由于新舊界面力場(chǎng)不對(duì)稱 較易吸附還原劑 反應(yīng)面擴(kuò)大 速度增加 第三階段由于反應(yīng)沿著以新相晶核為中心而逐漸擴(kuò)大 反應(yīng)面不斷減小 引起反應(yīng)速度的降低 一 粉末制備技術(shù) 57 一 粉末制備技術(shù) 2 3 1碳還原法用固體碳可以還原很多金屬氧化物 但用這種方法制成的銅粉 鎳粉等易被碳玷污 故一般不使用碳來還原這類金屬氧化物制取相應(yīng)的金屬粉末 在工業(yè)上 大規(guī)模應(yīng)用碳作為還原劑的方法可用于制取還原鐵粉和碳化鎢粉 但需要嚴(yán)格控制碳含量 58 圖1 11用一氧化碳還原鐵的氧化物的反應(yīng)狀態(tài)圖 圖1 11為用一氧化碳還原鐵的氧化物的反應(yīng)狀態(tài)圖 從圖可看出一氧化碳的量以及確定氧化物還原反應(yīng)的方向與溫度 氣相成分的關(guān)系 59 一 粉末制備技術(shù) 2 3 2氣體還原法氣體還原法不僅可以制取鐵 鎳 鈷 銅以及鎢等金屬粉末 還可以制取一些合金粉末 氣體還原法制取的粉末比用固體還原法制取的要更純 從而得到了很大的發(fā)展 鎢粉的生產(chǎn)主要是用氫還原法 影響鎢粉粒度和純度的主要因素有 原料 氫氣流量與進(jìn)氣速度 還原速度 還原時(shí)間和料層厚度 以及添加劑等 1 氫還原法制取鐵粉 2 水冶法生產(chǎn)鈷粉 3 氫還原法制取鎢粉 60 一 粉末制備技術(shù) 2 3 3金屬熱還原金屬熱還原法主要應(yīng)用于制取稀有金屬粉末 如鈦 鋯 鈾 釷 鈮等金屬粉末 在金屬還原法中 多采用鈉 鈣 鎂作金屬還原劑 2 3 4難熔化合物粉末的制取制取難熔化合物粉末 碳化物 硼化物 氮化物和硅化物 的主要方法 與還原法制取金屬粉末極為相似 碳 硼和氮能與過渡族金屬元素形成間隙固溶體或間隙化合物 而硅與這類金屬元素只能形成非間隙固溶體或非間隙化合物 61 難熔化合物具有高熔點(diǎn) 高硬度以及其他有用的性能 因此在現(xiàn)代技術(shù)中已被廣泛地用來作為硬質(zhì)合金 耐熱材料 電工材料 耐蝕材料以及其他材料地基體 2 4氣相沉積法在粉末冶金技術(shù)中應(yīng)用氣相沉積法有幾種方式 金屬蒸氣冷凝 羰基物熱離解 氣相還原以及化學(xué)氣相沉積 一 粉末制備技術(shù) 62 一 粉末制備技術(shù) 2 4 1金屬蒸氣冷凝法這種方法主要用于制取具有大蒸氣壓的金屬 如鋅 鎘等 粉末 由于這些金屬的特點(diǎn)是具有較低的熔點(diǎn)和較高的揮發(fā)性 如果將這些金屬蒸氣在冷卻面上冷凝下來 便可形成很細(xì)的球形粉末 2 4 2羰基物熱離解法羰基物熱離解法 簡(jiǎn)稱羰基法 就是離解金屬羰基化合物而制取金屬粉末的方法 用這種方法不僅可以生產(chǎn)純金屬粉末 而且如果同時(shí)離解幾種羰基物的混合物 則可制得合金粉末 如果在一些顆粒表面上沉積熱離解羰基物 就可以制得包覆粉末 圖1 12是常壓羰基法制取鎳粉的工藝流程 63 一 粉末制備技術(shù) 圖1 12常壓羰基法制取鎳粉的工藝流程示意圖 64 2 4 3化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 CVD 是從氣態(tài)金屬鹵化物 主要是氯化物 還原化合沉積制取難熔化合物粉末和各種涂層 包括碳化物 硼化物 硅化物和氮化物等的方法 在沉積法過程中也可用等離子弧法 這種方法可用來制取微細(xì)碳化物 圖1 13為等離子弧法裝置示意圖 65 一 粉末制備技術(shù) 圖1 13等離子弧法裝置示意圖 66 2 4 4氣相還原法氣相還原法包括氣相氫還原法和氣相金屬熱還原法 氣相氫還原是指用氫還原氣態(tài)金屬鹵化物 主要是還原金屬氯化物 此法可制取鎢 鉬 鈮 鉻 釩 鎳 鈷等金屬粉末 也可同時(shí)還原幾種金屬氯化物而制得合金粉末 也可以制取包覆粉末 此法所得粉末一般都是很細(xì)或超細(xì)的 而用鎂氣還原四氯化鈦 四氯化鋯等屬于氣相金屬熱還原 67 一 粉末制備技術(shù) 2 5液相沉淀法用液相沉淀法可以制取復(fù)合粉末 一般有兩種方案 1 用基體金屬和彌散相金屬鹽或氫氧化物在某種溶液中同時(shí)析出達(dá)到均勻分布 然后經(jīng)過干燥 分解 還原過程以得到基體金屬和彌散相的復(fù)合粉末 2 將彌散相制成最終粒度 然后懸浮在含基體金屬的水溶液中作為沉淀結(jié)晶核心 待基體金屬以某種化合物沉淀后 經(jīng)過干燥和還原就得到以彌散相為核心 基體金屬包覆在彌散相核心外面的包覆粉末 68 一 粉末制備技術(shù) 2 6電解法在一定條件下 粉末可以在電解槽的陰極上沉積出來 一般說來 電解法生產(chǎn)的粉末成本較高 因此在粉末生產(chǎn)中所占的比重是較小的 電解粉末具有吸引力的原因是它的純度高 電解法制取粉末主要采用水溶液電解和熔鹽電解 水溶液電解可以生產(chǎn)銅 鐵 鎳 銀 錫 鉛 鉻 錳等金屬粉末 在一定條件下也可以使幾種元素同時(shí)沉積而制得鐵 鎳 鐵 鉻等合金粉末 圖1 14為電解過程示意圖 69 圖1 14電解過程示意圖 一 粉末制備技術(shù) 70 一 粉末制備技術(shù) 熔鹽電解法可以制取鈦 鋯 鉭 鈮 釷 鈾 鈹?shù)燃兘饘俜勰?也可制取如鉭 鈮等合金粉末 以及制取各種難熔化合物粉末 影響熔鹽電解過程和電流效率的主要因素有 電解質(zhì)成分 電解質(zhì)溫度 電流密度和極間距離等 圖1 15為電解制鉭示意圖 圖1 15電解制鉭示意圖 71 一 粉末制備技術(shù) 3 本章小結(jié)綜上所述 制取粉末的方法使多種多樣的 并且在工程中應(yīng)用的所有金屬材料幾乎都可以加工成為粉末形態(tài) 在選擇制取粉末方法時(shí) 應(yīng)該考慮到對(duì)粉末所提出的要求和遵循經(jīng)濟(jì)的原則 當(dāng)需要采用廉價(jià)的粉末作原料時(shí) 經(jīng)濟(jì)問題便是先決條件 但是當(dāng)需要粉末具有嚴(yán)格的性能要求時(shí) 則也可選用昂貴的制粉方法 表1 5金屬和合金粉末的推薦制取方法 72 一 粉末制備技術(shù) 續(xù)表1 5 73 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 粉末及粉末性能1 1粉末體和粉末顆粒1 2粉末顆粒結(jié)晶構(gòu)造和表面狀態(tài)1 3粉末性能2 金屬粉末的取樣和分析2 1取樣數(shù)目2 2取樣和分樣3 化學(xué)檢驗(yàn)4 顆粒形狀5 粉末的粒度及其測(cè)定5 1粒度和粒度組成5 2粉末粒度的測(cè)定方法 74 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 粉末的比表面及其測(cè)定6 1氣體吸附法6 2透過法7 金屬粉末工藝性能測(cè)試7 1金屬粉末的松裝密度和振實(shí)密度的測(cè)定7 2金屬粉末其他工藝性能的測(cè)試7 3金屬粉末有效密度的測(cè)定 75 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 粉末及粉末性能1 1粉末體和粉末顆粒 1 粉末體固態(tài)物質(zhì)按分散程度不同可分為致密體 粉末體和膠體三類 大小在1mm以上的稱為致密體或常說的固體 0 1 以下的稱為膠體 而介與兩者之間的稱為粉末體 76 二 粉末的性能及其測(cè)定 粉末體簡(jiǎn)稱粉末 是由大量顆粒及顆粒之間的空隙所構(gòu)成的集合體 粉末體內(nèi)顆粒之間有許多小孔隙而且聯(lián)結(jié)面很少 面上的原子之間不能形成強(qiáng)的健力 因此它不像致密體那樣具有固定形狀 而表現(xiàn)出與液體相似的流動(dòng)性 但由于相對(duì)移動(dòng)時(shí)有摩擦 故粉末的流動(dòng)性是有限的 77 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 粉末顆粒粉末中能分開并獨(dú)立存在的最小實(shí)體稱為單顆粒 單顆粒如果以某種形式聚集就構(gòu)成所謂二次顆粒 其中的原始顆粒就稱為一次顆粒 78 二 粉末的性能及其測(cè)定 顆粒的聚集狀態(tài)和聚集程度不同 粒度的含義和測(cè)試方法也就不同 粉末顆粒的聚集狀態(tài)和程度對(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)性和松裝密度均比細(xì)的單顆粒高 壓縮性也較好 而在燒結(jié)過程中 則一次顆粒的作用比二次顆粒顯得更重要 79 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 2粉末顆粒結(jié)晶構(gòu)造和表面狀態(tài) 1 金屬及多數(shù)非金屬顆粒都是結(jié)晶體 2 制粉工藝對(duì)粉末顆粒的結(jié)晶構(gòu)造起著主要作用 一般說來 粉末顆粒具有多晶結(jié)構(gòu) 而晶粒的大小取決于工藝特點(diǎn)和條件 對(duì)于極細(xì)粉末可能出現(xiàn)單晶顆粒 粉末顆粒實(shí)際構(gòu)造的復(fù)雜性還表現(xiàn)為晶體的嚴(yán)重不完整性 即存在許多結(jié)晶缺陷 如空隙 畸變 夾雜等 因此粉末總是貯存有較高的晶格畸變能 具有較高的活性 80 3 粉末顆粒的表面狀態(tài)十分復(fù)雜 一般粉末顆粒愈細(xì) 外表面愈發(fā)達(dá) 同時(shí)粉末顆粒的缺陷多 內(nèi)表面也就相當(dāng)大 粉末發(fā)達(dá)的表面貯藏著相當(dāng)高的表面能 因而超細(xì)粉末容易自發(fā)地聚集成二次顆粒 并且在空氣中極易氧化和自燃 二 粉末的性能及其測(cè)定 81 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 3粉末性能粉末是顆粒與顆粒間的空隙所組成的集合體 因此研究粉末體時(shí)應(yīng)分別研究單顆粒 粉末體和粉末體中空隙等的一切性質(zhì) 單顆粒的性質(zhì) 1 由粉末材料決定的性質(zhì) 如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 理論密度 熔點(diǎn) 塑性 彈性 電磁性質(zhì) 化學(xué)成分等 2 由粉末生產(chǎn)方法所決定的性質(zhì) 如粒度 顆粒形狀 密度 表面狀態(tài) 晶粒結(jié)構(gòu) 點(diǎn)陣缺陷 顆粒內(nèi)氣體含量 表面吸附的氣體與氧化物 活性等 82 粉末體的性質(zhì) 除單顆粒的性質(zhì) 以外 還有平均粒度 粒度組成 比表面 松裝密度 振實(shí)密度 流動(dòng)性 顆粒間的摩擦狀態(tài) 粉末的孔隙性質(zhì) 總孔隙體積 顆粒間的孔隙體積 顆粒內(nèi)孔隙體積 顆粒間孔隙數(shù)量 平均孔隙大小 孔隙大小的分布以及孔隙的形狀 二 粉末的性能及其測(cè)定 83 二 粉末的性能及其測(cè)定 在粉末的實(shí)踐應(yīng)用中通常按化學(xué)成分 物理性能和工藝性能來進(jìn)行劃分和測(cè)定粉末的性能 化學(xué)成分主要是指粉末中金屬的含量和雜質(zhì)含量 物理性能包括顆粒形狀與結(jié)構(gòu) 粒度與粒度組成 比表面積 顆粒密度 顯微硬度 以及光學(xué) 電學(xué) 滋學(xué)和熱學(xué)等諸性質(zhì) 84 實(shí)際上 粉末的熔點(diǎn) 蒸氣壓 比熱容與同成分的致密材料差別很小 一些性質(zhì)與粉末冶金關(guān)系不大 因此本部分僅介紹顆粒形狀 粒度及粒度組成 比表面 顆較密度 粉末體密度及其測(cè)試的方法 工藝性能包括松裝密度 振實(shí)密度 流動(dòng)性 壓縮性和成形性 85 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 金屬粉末的取樣和分析2 1取樣數(shù)目由于粉末在裝料 出料 運(yùn)輸過程以及貯存時(shí)受到震動(dòng)等都可能造成物料的分布不均勻 因此 取樣要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 GB5314 85 進(jìn)行 如果粉末是裝在容器中的 則按表2 1數(shù)目取樣 如果整批粉末是通過一個(gè)孔口連續(xù)流動(dòng)的 則取樣應(yīng)在全部出料時(shí)間內(nèi) 按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行 取樣數(shù)目取決于要求的精確度 至少應(yīng)取三份試樣 一份在出料開始后不久 一份在出料過程中 一份在出料結(jié)束前不久 86 87 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 2取樣和分樣如果是在連續(xù)流動(dòng)出料時(shí)取樣 則在垂直于粉流方向上 等速地用粉流截面的矩形取樣器貫穿粉末流即可 取出的粉末注入總樣容器內(nèi) 取樣器如圖2 1所示 總樣容器內(nèi)的試樣粉末 要分成若干份 以隨后進(jìn)行測(cè)試之用 可用分樣器進(jìn)行分樣 以達(dá)到測(cè)定粉末性能所要求的粉重 圖2 1插入式取樣器 88 二 粉末的性能及其測(cè)定 3 化學(xué)檢驗(yàn)金屬粉末的化學(xué)分析與常規(guī)的分析方法相同 首先測(cè)定主要成分的含量 然后測(cè)定其它成分包括雜質(zhì)的含量 粉末的化學(xué)成分包括主要金屬的含量和雜質(zhì)的含量 雜質(zhì)主要包括 1 與主要金屬結(jié)合 形成因溶體或化臺(tái)物的金屬或非金屬成分 如還原鐵粉中的硅 錳 碳 硫 磷 氧等 2 從原料和從粉末生產(chǎn)過程中帶入的機(jī)械夾雜 如二氧化硅 氧化鋁 硅酸鹽 難熔金屬碳化物等酸不溶物 89 3 粉末表面吸附的氧 水蒸氣和其它氣體 氮 二氧化碳 4 制粉工藝帶進(jìn)的雜質(zhì) 如水溶液電解粉末中的氫 氣體還原粉末中溶解的碳 氮和氫 羰基粉末中溶解的碳等 金屬粉末的氧含量 除采用庫侖分析法測(cè)定全氧以外 還可根據(jù)GB4164 84和GB51E8 85的標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)定金屬粉末中可被氫還原的氧含量 二 粉末的性能及其測(cè)定 90 二 粉末的性能及其測(cè)定 菲水滴定法是將含有金屬氧化物的金屬粉末試祥置于純凈 干燥的氫氣流中加熱 金屬氧化物與氫反應(yīng)生成水 然后用試劑滴定出水的含量 從而確定氧的含量 氫損測(cè)定是把金屬粉末的試祥在純氫氣流中燃燒足夠長(zhǎng)的時(shí)間 如鐵粉為1000 l050 1h 銅粉為875 0 5h 粉末中的氧被還原生成水蒸氣 某些元素 碳 硫 與氫生成揮發(fā)性化合物 與揮發(fā)性金屬 鋅 鎘 鉛 一同排出 測(cè)得試樣粉末的質(zhì)量損失稱為氫損 91 氫損按下式計(jì)算 式中A為粉末試樣加燒舟的質(zhì)量B為氫中煅燒后殘留物加燒舟的質(zhì)量C為燒舟的質(zhì)量氫損法被認(rèn)為是對(duì)金屬粉末中可被氫還原的氧化物的氧含量的估計(jì) 若粉末中有在分析條件下不被氫所還原的氧化物 如二氧化硅 氧化鈣等 則測(cè)定的氧值將低于實(shí)際氧含量 二 粉末的性能及其測(cè)定 92 金屬粉末的雜質(zhì)測(cè)定方法還可采用酸不溶物法 粉末試樣用某種無機(jī)酸 銅用硝酸 鐵用鹽酸 溶解 將不溶物沉淀并過濾 在980 下煅燒lh后稱重 再按下式計(jì)算酸不溶物含量 例如測(cè)定鐵粉時(shí) 式中A為鹽酸不溶物的質(zhì)量B為粉末試樣的質(zhì)量 二 粉末的性能及其測(cè)定 93 二 粉末的性能及其測(cè)定 4 顆粒形狀顆粒的形狀是指粉末顆粒的幾何形狀 任何不同顆粒的幾何形狀不可能完全相同 因此可以籠統(tǒng)地劃分為規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩大類 規(guī)則形狀的顆粒外形可近似地用某種幾何形狀地名稱描述 它們與粉末生產(chǎn)方法密切相關(guān) 94 表2 2描述了顆粒形狀和生產(chǎn)方法之間的關(guān)系 粉末顆粒外形如圖2 2所示 表2 2顆粒形狀與粉末生產(chǎn)方法的關(guān)系 二 粉末的性能及其測(cè)定 95 二 粉末的性能及其測(cè)定 圖2 2粉末顆粒形狀一般說來 準(zhǔn)確描述粉末顆粒的形狀是很困難的 在測(cè)定和表示粉末粒度時(shí) 常常采用表形狀因子 體積形狀因子和比形狀因子 96 二 粉末的性能及其測(cè)定 對(duì)于任意形狀的顆粒 其表面積和體積可以認(rèn)為與某一相當(dāng)直徑的平方和立方成正比 而比例系數(shù)則與選擇的直徑有關(guān) 形狀愈復(fù)雜 則比形狀因子就愈大 表2 3 顆粒的形狀對(duì)粉末的流動(dòng)性 松裝密度以及壓制和燒結(jié)均有影響 表2 3某些金屬粉末的形狀因子 97 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 粉末的粒度及其測(cè)定粉末的粒度和粒度組成對(duì)金屬粉末的加工性能有重大影響 在很大程度上 它們決定著最終粉末冶金材料和制品的性能 粉末的粒度和粒度的組成主要與粉末的制取方法和工藝有關(guān) 機(jī)械粉碎粉末一般較粗 氣相沉積粉末極細(xì) 而還原粉末和電解粉末則可以通過還原溫度或電流密度 在較寬的范圍的范圍內(nèi)變化 98 5 1粒度和粒度組成用直徑表示顆粒大小稱為粒度粒徑 由于組成粉末的無數(shù)顆粒不屬于同一粒徑 于是又用不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量來表示粉末顆粒大小的狀況 稱為粒度組成 又稱粒度分布 因此 粒度僅指單顆粒而言 粒度組成則指整個(gè)粉末體 但通常所說的粒度包含有粉末平均粒度的意思 也就是粉末的某種統(tǒng)計(jì)學(xué)平均粒徑 二 粉末的性能及其測(cè)定 99 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 1 1粒徑基準(zhǔn)多數(shù)粉末顆粒由于形狀不對(duì)稱 僅用一維幾何尺寸不能精確地表示顆粒地真實(shí)大小 可用長(zhǎng) 寬 高三維尺寸的某種平均值來度量 這稱為幾何學(xué)粒度徑 由于度量顆粒的幾何尺寸非常麻煩 計(jì)算幾何學(xué)平均粒徑比較繁瑣 因此又有通過測(cè)定粉末的沉降速度 比表面 光波衍射和散射等性質(zhì) 而用當(dāng)量或名義直徑表示粒度的方法 可以采用四種粒徑作為基準(zhǔn) 100 1 幾何學(xué)粒徑dg 用顯微鏡投影幾何學(xué)原理測(cè)得的粒徑稱為投影徑 一般要根據(jù)與顆粒最穩(wěn)定平面垂直方法投影所測(cè)得的投影像來測(cè)量 然后取各種幾何學(xué)平均徑 還可根據(jù)與顆粒最大投影面積f與顆粒體積v相同的矩形 正方形或圓 球的邊長(zhǎng)或直徑來確定顆粒的平均粒徑 稱名義粒徑 二 粉末的性能及其測(cè)定 101 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 當(dāng)量粒徑de 用沉降法 離心法或水力學(xué)方法 風(fēng)篩法 水篩法 測(cè)得的粉末粒度稱為當(dāng)量粒徑 當(dāng)量粒徑中有一種斯托克斯徑 其物理意義是與被測(cè)粉末具有相同沉降速度且服從斯托克斯定律的同質(zhì)球形粒子的直徑 由于粉末的實(shí)際沉降速度還受顆粒形狀和表面狀態(tài)的影響 故形狀復(fù)雜 表面粗糙的粉末 斯托克斯徑總比按體積計(jì)算的幾何學(xué)名義徑小 102 3 比表面粒徑dsp 利用吸附法 透過法和潤(rùn)濕熱法測(cè)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表示 稱為比表面粒徑 因此 由比表面相同 大小相等的均勻小球直徑可以求得粉末的比表面粒徑 4 衍射粒徑dsc 對(duì)于粒度接近電磁波波長(zhǎng)的粉末 基于光和電磁波 如X線等 的衍射現(xiàn)象所測(cè)得的粒徑稱為衍射粒徑 X線小角度衍射法測(cè)定極細(xì)粉末的粒度就屬于這一類 二 粉末的性能及其測(cè)定 103 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 1 2粒度分布基準(zhǔn)粉末粒度組成為各種粒徑的顆粒在全體粉末總數(shù)量中所占的百分?jǐn)?shù) 可用某種統(tǒng)計(jì)分布曲線或統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)來描述 粒度的統(tǒng)計(jì)分布可以選擇四種不同的基準(zhǔn) 1 個(gè)數(shù)基準(zhǔn)分布 以每一粒徑間隔內(nèi)的顆粒數(shù)占全部顆?？倲?shù)中的個(gè)數(shù)表示 又稱為頻度分布 2 長(zhǎng)度基準(zhǔn)分布 以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傞L(zhǎng)度占全部顆粒的長(zhǎng)度總和的多少表示 104 3 面積基準(zhǔn)分布 以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？偙砻娣e占全部顆粒的總表面積和中的多少表示 4 質(zhì)量基準(zhǔn)分布 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 四種基準(zhǔn)之間雖存在一定的換算關(guān)系 但實(shí)際應(yīng)用的是頻率分布和質(zhì)量分布 二 粉末的性能及其測(cè)定 105 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 1 3粒度分布函數(shù)粒度分布曲線若用數(shù)學(xué)式表達(dá)出來 就稱為分布函數(shù) 黑赤 喬特由正態(tài)幾率分布函數(shù)導(dǎo)出計(jì)算粉末中具有粒徑d的顆粒頻度n的公式 106 按正態(tài)分布函數(shù)作出頻度分布曲線是以算術(shù)平均值為均值的 這時(shí)算術(shù)平均值與多數(shù)徑和累積分布曲線中的中位徑是一致的 是一種最理想的分布曲線 而用各種粉末實(shí)測(cè)的粒度分布曲線常比正態(tài)分布曲線復(fù)雜得多 圖2 3 圖2 3粒度分布曲線的幾種類型 二 粉末的性能及其測(cè)定 107 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 1 4平均粒度粉末粒度組成的表示比較麻煩 應(yīng)用也不大方便 許多情況下只需要知道粉末的平均粒度即可 計(jì)算平均粒度的公式如表2 4所示 公式中的粒徑可以按前述四種基準(zhǔn)中的任一種統(tǒng)計(jì) 表2 4粉末統(tǒng)計(jì)平均粒徑的計(jì)算公式 108 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 2粉末粒度的測(cè)定方法粉末粒度的測(cè)定是粉末冶金生產(chǎn)中檢驗(yàn)粉末質(zhì)量 以及調(diào)節(jié)和控制工藝過程的重要依據(jù) 測(cè)定粉末粒度的方法很多 表2 5為常用的一些測(cè)量粒度的方法及其應(yīng)用的范圍 表2 5常用的一些測(cè)量粒度的方法 109 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 2 1篩分析法篩分析法是粒度分布測(cè)量方法中最簡(jiǎn)單最快速的方法 應(yīng)用很廣 篩分析所用的設(shè)備主要有震篩機(jī)和試驗(yàn)篩 網(wǎng)篩標(biāo)準(zhǔn)則因各國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)不同 網(wǎng)絲直徑和篩孔大小也不一樣 目前 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用泰勒篩制 表2 6 表2 6泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩制 110 習(xí)慣上以網(wǎng)目數(shù) 簡(jiǎn)稱目 表示篩網(wǎng)的孔徑和粉末的粒度 所謂目數(shù)是指篩網(wǎng)1英寸 25 4mm 長(zhǎng)度上的網(wǎng)孔數(shù) 目數(shù)愈大 網(wǎng)孔愈細(xì) 由于網(wǎng)孔是網(wǎng)面上絲間的開孔 每一英寸上的網(wǎng)孔數(shù)與絲的根數(shù)應(yīng)相等 所以網(wǎng)孔的實(shí)際尺寸還與絲的直徑有關(guān) 二 粉末的性能及其測(cè)定 111 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 2 2顯微鏡法光學(xué)顯微鏡的分辨能力 在理想情況下可達(dá)到0 2 m 它和光源的波長(zhǎng) 透鏡的數(shù)值孔徑有關(guān) 但在實(shí)際應(yīng)用中 光學(xué)顯微鏡的粒度測(cè)量范圍是0 8 150 m 再小的粉末粒度唯有電子顯微鏡等方法才能觀察和測(cè)定 同時(shí) 由于反射光工作的光學(xué)顯微鏡僅能測(cè)量粒度大于5 m顆粒物質(zhì) 因此粒度分析一般采用透射光工作的顯微鏡 112 二 粉末的性能及其測(cè)定 為了計(jì)算顆粒的大小 在顯微鏡目鏡上配有顯微刻度尺 常用于分析的顯微刻度尺有三種 1 帶十字線的直線刻度尺 測(cè)量時(shí)刻度尺的分值大小須視放大系統(tǒng)而定 2 網(wǎng)格顯微刻度尺 3 花樣顯微刻度尺 三種刻度尺使用時(shí)事先都應(yīng)校準(zhǔn) 113 二 粉末的性能及其測(cè)定 由于采用顯微鏡法進(jìn)行粒度分析時(shí)所用樣品量少 而且每次觀測(cè)時(shí)又只對(duì)樣品的一部分區(qū)域進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù) 因此所取樣品需要有充分的代表性 一般 取樣按四分法進(jìn)行 將0 5克左右的粉末顆粒放在玻璃板上充分混合 分割成四份 取其中的兩份混合再分割為四份 再取兩份依次做下去 直到剩余顆粒的質(zhì)量約為0 01克為止 取樣完成 114 二 粉末的性能及其測(cè)定 用透射顯微鏡測(cè)定時(shí) 一般采用玻璃片制樣 將取好的樣置于干凈的玻璃片上 滴幾滴分散介質(zhì)以便將樣品分散開來觀察測(cè)量 此時(shí) 分散介質(zhì)的選擇是重要的 對(duì)分散介質(zhì)的要求 1 分散介質(zhì)與所測(cè)粉末顆粒不起化學(xué)反應(yīng) 2 分散介質(zhì)揮發(fā)的蒸氣對(duì)顯微鏡鏡頭沒有腐蝕作用 3 分散介質(zhì)應(yīng)是無色透明并能較好地濕潤(rùn)所測(cè)顆粒 4 分散介質(zhì)對(duì)人體健康沒有危害 115 二 粉末的性能及其測(cè)定 顯微鏡法測(cè)量的是顆粒的表觀粒度 即顆粒的投影尺寸 對(duì)稱性好的球形顆粒 如霧化粉 或立方體顆?？芍苯影粗睆交蜷L(zhǎng)度計(jì)算 但對(duì)于非球形的不規(guī)則顆粒 不能用直接計(jì)算的方法 顆粒的尺寸必須考慮到顆粒形狀而有不同的表示方法 實(shí)際上 粒度測(cè)量應(yīng)用垂直投影法比較簡(jiǎn)單 還有比垂直投影法更簡(jiǎn)單的是線切割法 顯微鏡法最大的缺點(diǎn)是操作繁瑣且費(fèi)力 116 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 2 3沉降分析法沉降的方法一般分為液體沉降和氣體沉降兩大類 沉降法的優(yōu)點(diǎn)是粉末取樣較多 代表性好 使結(jié)果的統(tǒng)計(jì)性和再現(xiàn)性提高 能適應(yīng)較寬的粒度范 0 01 50 m 沉降分析法測(cè)定粉末顆粒大小的原理在于測(cè)定粉末顆粒在某一分散介質(zhì)中的沉降速度 顆粒在介質(zhì)中等速降落時(shí)同時(shí)受三種力的作用 顆粒重力 介質(zhì) 一般只用液體 的浮力和懸濁液介質(zhì)對(duì)球形顆粒運(yùn)動(dòng)的阻力 117 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 沉降天平法沉降天平的形式很多 圖2 4為其工作原理示意圖 2 光透過法光透過法屬于增量分析法 特點(diǎn)是沉降槽容積小 懸濁液濃度稀薄且用量少 光透過式粒度測(cè)定儀常見的有 比濁儀 X光比濁儀以及光掃描比濁儀 圖2 5為比濁儀測(cè)量粒度的原理圖 課本148頁 118 圖2 4沉降天平法工作原理示意圖工作原理 天平一端的金屬盤吊在玻璃沉降管中 粉末懸浮液有一定的深度H 粉末從不同的高度以不同的速度逐漸降落在盤上 通過自動(dòng)機(jī)構(gòu)使天平杠桿隨時(shí)恢復(fù)平衡 測(cè)量并記錄沉降盤上粉末的累積質(zhì)量隨時(shí)間的變化 就可以計(jì)算粉末的粒度組成 二 粉末的性能及其測(cè)定 119 圖2 5比濁儀測(cè)量粒度的原理圖隨著顆粒的重力沉降 懸浮液濃度逐漸變淡薄 通過光的強(qiáng)度隨之增強(qiáng) 光強(qiáng)度由檢流計(jì)示出或用記錄器記錄 從而通過公式可以計(jì)算得出不同粒級(jí)顆粒的粒度組成 二 粉末的性能及其測(cè)定 120 二 粉末的性能及其測(cè)定 3 X光透過法對(duì)于0 1 1 的細(xì)顆粒 可采用X光作為入射光源 這樣既避免了細(xì)顆粒組分的散射效應(yīng) 又可直接測(cè)得懸濁液的顆粒濃度 4 光掃描比濁法該法的原理為 在固定沉降時(shí)間t內(nèi) 如果測(cè)定沉降槽中不同高度的懸濁液濃度差 便可求出懸濁液中顆粒的粒度組成 如圖2 6所示 121 圖2 6光透過不同高度的懸濁液圖2 6中 設(shè)懸浮液靜置T時(shí)間后 用一與液面相平行的極細(xì)光束很快地從上到下掃過沉降槽 同時(shí)記錄相應(yīng)于各種高度時(shí)的透光強(qiáng)度 從而計(jì)算得出各粒度等級(jí)分布 二 粉末的性能及其測(cè)定 122 二 粉末的性能及其測(cè)定 5 2 4淘析法顆粒在流動(dòng)介質(zhì) 氣體或液體 中發(fā)生非自然沉降而分級(jí)稱為重力淘析或簡(jiǎn)稱淘析法 氣體淘析就是風(fēng)選 液體淘析也稱為水力分級(jí) 淘析法用于極細(xì)和超細(xì)粉末的分級(jí) 具有設(shè)備簡(jiǎn)單 操作方便和效率高的特點(diǎn) 其中液體淘析又可分為 1 水平液流式粉末懸浮液以一定速度沿水平方向流動(dòng) 顆粒同時(shí)發(fā)生重力沉降 粒度不同的粉末最后的落點(diǎn)有遠(yuǎn)近之分 從而達(dá)到分級(jí)效果 見課本151 123 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 上升液流式在一豎直圓柱容器內(nèi) 當(dāng)懸浮液以臨界粒徑的沉降速度連續(xù)向上流動(dòng)時(shí) 液內(nèi)具有大于臨界粒徑的顆粒將降落在底部 而小于臨界粒徑的顆粒從上方溢流中排出 從而達(dá)到分級(jí)的目的 3 離心淘析式懸浮液以一定的切線速度繞一中心軸旋轉(zhuǎn)流動(dòng) 由此產(chǎn)生的離心力將強(qiáng)化粉末的重力沉降過程 從而加快細(xì)粉末的分級(jí)速度 這樣以臨界粒徑為界 把粉末分成粗細(xì)兩部分 圖2 7為水平液流分級(jí)器 見課本151 124 圖2 7水平分級(jí)器原理 二 粉末的性能及其測(cè)定 125 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 粉末的比表面及其測(cè)定粉末比表面定義為1g質(zhì)量的粉末所具有的總表面積 是粉末的平均粒度 顆粒形狀和顆粒密度的函數(shù) 測(cè)定粉末比表面通常采用尺寸效應(yīng)法 吸附法和透過法 比表面屬于粉末體的一種綜合性質(zhì) 是由單顆粒性質(zhì)和粉末體性質(zhì)共同決定的 126 二 粉末的性能及其測(cè)定 尺寸效應(yīng)法是根據(jù)粉末粒度組成和形狀因子計(jì)算表面積的一種方法 如以f為表面形狀因子 K為體積形狀因子 為顆粒有效密度 則計(jì)算比表面公式為 公式中d為體面積平均徑 因此 按上式由均勻球形顆粒比表面計(jì)算的統(tǒng)計(jì)粒徑就是體面積平均徑 127 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 1氣體吸附法利用氣體在固體表面的物理吸附量來測(cè)定物質(zhì)比表面的原理是 測(cè)量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(jì)算1g物質(zhì)的總表面積 即得克比表面積 描述吸附量與氣體壓力關(guān)系的有所謂 等溫吸附線 圖2 8 128 二 粉末的性能及其測(cè)定 圖2 8等溫吸附線的幾種類型圖中橫坐標(biāo)P0為吸附氣體的飽和蒸氣壓力 氣體吸附法測(cè)定比表面的靈敏度和精確度最高 它分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩大類 前者又包括容量法 重量法和熱解吸色譜法等 129 二 粉末的性能及其測(cè)定 容量法 根據(jù)吸附平衡前后吸附氣體容積的變化來確定吸附量 實(shí)際上就是測(cè)定在已知容積內(nèi)氣體壓力的變化來測(cè)得比表面 重量法 用吸附秤直接精確稱量粉末試樣在吸附前后的質(zhì)量變化來確定比表面的方法 熱解吸色譜法 流動(dòng)的吸附氣 載氣混合氣連續(xù)地通過固體或粉末試樣 借助變化吸附氣流速 以改變混合氣的組成 得到不同的相對(duì)壓強(qiáng) 根據(jù)壓強(qiáng)變化來確定樣品的氣體吸附量 130 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 2透過法氣體透過法是通過測(cè)定氣體透過粉末層的透過率來計(jì)算粉末比表面或平均粒徑的方法 透過法測(cè)定的粒度是一種當(dāng)量粒徑 即比表面平均徑 透過法根據(jù)所用的介質(zhì)的不同 分為氣體透過法和液體透過法 后者只適用于粗粉末或孔隙較大的多孔性固體 如金屬過濾器 在粉末測(cè)試中用得很少 131 液體透過粉末床的透過率或所受的阻力與粉末的粗細(xì)或比表面的大小有關(guān) 當(dāng)粉末床的孔隙度不變時(shí) 液體通過粗粉末比通過細(xì)粉末的流量大 根據(jù)柯青 卡門推導(dǎo) 可得出粉末的比表面S0的基本公式 如果將比表面平均徑的計(jì)算式代入上式并以微米表示 則平均粒度的計(jì)算公式為 132 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 2 1空氣透過法常壓空氣透過法分為穩(wěn)流式和變流式兩種基本形式 穩(wěn)流式是在空氣流速和壓力不變的情況下來測(cè)定粉末的比表面和平均粒度的 如費(fèi)歇爾微粉粒度分析儀 變流式則在空氣流速和壓力隨時(shí)間而變化的條件下 測(cè)定粉末的比表面或平均粒度 如布萊因粒度儀 133 二 粉末的性能及其測(cè)定 1 費(fèi)歇爾微粉粒度分析儀簡(jiǎn)稱費(fèi)歇爾篩 已被許多國(guó)家列為國(guó)家測(cè)定標(biāo)準(zhǔn) 費(fèi)氏空氣透過儀如圖2 9所示 圖2 9費(fèi)歇爾儀示意圖 134 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 布萊因法與費(fèi)歇爾法不同 布萊因法的測(cè)定原理是在變流條件下測(cè)定空氣透過粉末床時(shí) 平均壓力或流量達(dá)到某規(guī)定值時(shí)所需的時(shí)間來確定的 圖2 10為微粉測(cè)試儀的示意圖 變流透過法計(jì)算比表面的近似公式是凱斯提出的 圖2 10變流式U形管透過儀 135 二 粉末的性能及其測(cè)定 6 2 2低壓氣體擴(kuò)散法用氣體擴(kuò)散裝置來測(cè)定比表面 就可適用于粒度小至0 01 的粉末 氣體擴(kuò)散法分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類 前者與常壓透過法相同 測(cè)得的是外比表面 而用動(dòng)態(tài)法測(cè)定的才接近于全比表面 1 靜態(tài)擴(kuò)散裝置圖2 11為克努曾流動(dòng)儀 它利用公式 公式中A為試樣管斷面積 L為試樣管內(nèi)粉末層厚度 q氣體流速 P氣體壓力最高值 M氣體克分子量 在實(shí)驗(yàn)中 只要測(cè)出P和q就可計(jì)算出比表面Sw 2 動(dòng)態(tài)擴(kuò)散裝置當(dāng)粉末顆粒內(nèi)存在大量潛孔和微細(xì)裂隙時(shí) 可利用分子 136 二 粉末的性能及其測(cè)定 流原理 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)擴(kuò)散裝置 如圖2 12所示 此時(shí) 測(cè)定全比表面的計(jì)算公式為 公式中L粉末床厚度 M氣體的相對(duì)分子質(zhì)量 R為常數(shù) T實(shí)驗(yàn)溫度 圖2 11克努曾流動(dòng)儀圖2 12動(dòng)態(tài)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置 137 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 金屬粉末工藝性能測(cè)試金屬粉末的工藝性能包括松裝密度 振實(shí)密度 流動(dòng)性 壓縮性和成形性 工藝性能主要取決于粉末的生產(chǎn)方法和粉末的處理工藝 球磨 退火 加潤(rùn)滑劑 制粒等 7 1金屬粉末的松裝密度和振實(shí)密度的測(cè)定7 1 1松裝密度松裝密度是粉末試樣自然地充滿規(guī)定的容器時(shí) 單位容積的粉末質(zhì)量 松裝密度可用漏斗法 斯柯特容量計(jì)法或震動(dòng)漏斗法來測(cè)定 漏斗法是用圖2 13所示的標(biāo)準(zhǔn)漏斗來測(cè)定金屬粉末松裝密度的 本法僅適用于能自由流過孔徑為2 5mm或5mm標(biāo)準(zhǔn)漏斗的粉末 見131頁 138 二 粉末的性能及其測(cè)定 斯柯特容量計(jì)法 如圖2 14所示 適用于不能自由流過漏斗法中孔徑為5mm的漏斗和用振動(dòng)漏斗法易改變特性的金屬粉末 特別適用于難熔金屬及化合物粉末 圖2 13漏斗法測(cè)量松裝密度裝置圖2 14斯柯特容量計(jì)法測(cè)定松裝密度裝置 139 二 粉末的性能及其測(cè)定 震動(dòng)漏斗法適用于不能自由流過漏斗法中孔徑為5mm漏斗的金屬粉末 但不適用于在震動(dòng)過程中易于破碎的金屬粉末 如團(tuán)聚顆粒 纖維狀或針狀的粉末 震動(dòng)漏斗裝置如圖2 15所示 圖2 15震動(dòng)漏斗裝置示意圖 140 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 1 2振實(shí)密度金屬粉末的振實(shí)密度是指將粉末裝入振動(dòng)容器中 在規(guī)定條件下經(jīng)過振實(shí)后測(cè)得的粉末密度 一般振實(shí)密度比松裝密度高20 30 振實(shí)密度的測(cè)定通常是在振實(shí)裝置上進(jìn)行的 振實(shí)裝置上的量筒有幾種 因此所用量筒和粉末量應(yīng)根據(jù)粉末的松裝密度來選擇 表2 7 表2 7粉末松裝密度與所選用量筒和粉末質(zhì)量關(guān)系 141 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 1 3影響松裝密度和振實(shí)密度的因素松裝密度是粉末自然堆積的密度 因而取決于顆粒間的粘附力 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 粉末體的密度 顆粒形狀 顆粒密度和表面狀態(tài) 粉末的粒度和粒度組成等因素 1 粉末顆粒形狀愈規(guī)則 其松裝密度就愈大 顆粒表面愈光滑 松裝密度也愈大 表2 8為粒度大小和粒度組成大致相同的三種銅粉 由于形狀不同表現(xiàn)出密度和孔隙度的差異 表2 8三種顆粒形狀不同的銅粉密度 142 二 粉末的性能及其測(cè)定 2 粉末顆粒愈粗大 其松裝密度就愈大 表2 9表示粉末粒度對(duì)松裝密度的影響 細(xì)粉末形成拱橋和互相粘結(jié)防礙了顆粒相互移動(dòng) 故粉末的松裝密度減少 表2 9鎢粉的粒度對(duì)松裝密度的影響 3 粉末顆粒愈致密 松裝密度就愈大 表面氧化物的生成提高了粉末的松裝密度 4 粉末粒度范圍窄的粗細(xì)粉末 松裝密度都較低 當(dāng)粗細(xì)粉末按一定比例混合均勻后 可獲得最大松裝密度 143 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 2金屬粉末其他工藝性能的測(cè)試金屬粉末的其他工藝性能還有流動(dòng)性 壓制性以及與壓制 燒結(jié)有關(guān)的尺寸測(cè)定 7 2 1流動(dòng)性粉末的流動(dòng)性是指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 其倒數(shù)是單位時(shí)間流出粉末的質(zhì)量 稱為流速 流速的測(cè)定方法可采用前述圖2 13所示孔徑為2 5mm的標(biāo)準(zhǔn)漏斗 粉末顆粒愈大 顆粒形狀愈規(guī)則 粒度組成中極細(xì)粉末所占比例小 流動(dòng)性都將變好 粉末氧化能提高流動(dòng)性 如果顆粒密度不變 相對(duì)密度增加 會(huì)使流動(dòng)性提高 顆粒表面吸附水分 氣體或加入成形劑會(huì)降低粉末流動(dòng)性 144 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 2 2壓縮性和成形性壓縮性也可以是壓縮性和成形性的總稱 壓縮性就是金屬粉末在規(guī)定的壓制條件下被壓緊的能力 成形性是指粉末壓制后 壓坯保持既定形狀的能力 壓縮性的測(cè)定是在封閉模具中采用單軸雙向壓制 在規(guī)定的潤(rùn)滑條件下加以測(cè)定 用規(guī)定的單位壓力下粉末所達(dá)到的壓坯密度來表示 成形性的測(cè)定可通過轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn) 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用矩形壓坯的橫向斷裂強(qiáng)度來測(cè)定壓坯強(qiáng)度方法表示成形性 影響壓縮性和成形性的主要因素有顆粒的塑性和顆粒形狀 在評(píng)價(jià)粉末的壓制性時(shí) 必須綜合比較壓縮性和成形性 一般說來 成形性好的粉末 往往壓縮性差 壓縮性好的粉末 成形性差 145 二 粉末的性能及其測(cè)定 7 2 3金屬粉末與成形和燒結(jié)有聯(lián)系的尺寸測(cè)定所謂金屬粉末與成形和燒結(jié)有聯(lián)系的尺寸變化 簡(jiǎn)稱尺寸變化 通常是指金屬粉末在壓制成形過程