粉末冶金

1粉末冶金 是一种制取金属粉末，以及采用成型和烧结的工艺将金属粉末（或金属与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术

2粉末冶金的特点 优点：①粉末冶金方法生产的某些材料与普通熔炼法相比性能优越②是一种少、无切削的新工艺，减少机加工量节省机床，节约金属材料提高劳动生产率③能生产普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料④能保证材料成分配比的正确性和均匀性⑤有可能制取高纯度的材料

缺点：①粉末成本高 ②模具费用大制作加工比较困难③结构复杂的零件和零件薄壁锐角成型困难，烧结零件的韧性较差④制晶的大小和形状受到一定的 ⑤某些较细的金属粉末有爆炸和起火的危险，贮存困难。

3制取粉末的方法 它的选择主要取决于该材料的特殊性能及制取方法的成本

4机械粉碎法：是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本不发生变化的工艺过程。

5机械研磨法的任务：减小或增大粉末粒度，合金化，固态混料，改善、转变或改变材料的性能等。适用范围：粉碎脆性金属和合金 研磨经特殊处理后具有脆性的金属和合金

6影响球磨的因素：装球量、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例、研磨介质以及球体直径等。

① 球磨筒转速：n=0.70~0.75n临 球体起冲击作用 n=0.6n临 球体滚动 研磨精细

② 球磨筒尺寸：球筒直径D与长度L之比D/L.>3的球磨机，保证球体的冲击作用。D/L<3时，发生摩擦作用，此时适于研磨塑性的材质。

③ 装球量：比球体体积与球磨筒容积之比成为装填系数，则一般球磨机的装填系数取0.4~0.5为宜。随转速的提高，装填系数可略为增大。

④ 球料比：装填系数在0.4~0.5，装料量应以填满球体的空隙，稍掩盖住球体表面为原则

⑤ 球体直径：球磨铁粉一般选用10~20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用5~10mm大小的硬质合金球

⑥ 研磨时间：一般不超过100h

⑦ 研磨介质：除了可以再空气介质中干磨外，还可在液体介质中进行湿磨。液体介质可以用水、酒精、汽油、丙酮等。

7 冷气流粉碎：利用高速高压的气流带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室中的靶子，压力立即从高压降到0.1MPa，发生绝热膨胀，使金属靶和击碎室的温度降到室温以下，甚至零度以下。冷却了的颗粒就被粉碎。

冷流冲击方法适用于粉碎硬质的、磨料的以及比较昂贵的材料。

特点：随气流压力增加，粉末粒度越细 粉末通常颗粒细而均匀，形状不规则，几乎无氧化，简单，生产费用低 作业温度低（防止氧化），能保持高纯度以及能控制被粉碎材料的粒度）。

8雾化法：将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150um。

9二流雾化法：借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为为水雾化或气雾化，也称二流雾化。

雾化过程原理：克服液体金属原子间的结合力而成粉末的。

喷射流的主要作用是：（1）把熔融液流击碎成小颗粒（动力源）（2）通过急冷使颗粒凝固（冷却剂）

10喷嘴结构的设计要求：喷嘴应该能使雾化介质获得尽可能高的出口速度和所需的能量；能保证雾化介

质与金属液之间形成最合理的喷射角度，使金属流变成明显的紊流；另外喷嘴的工作稳定性要好，雾化过程不会被堵塞，并且加工制作方便。

11金属液流在气流作用 四个区域 负压紊流区 原始液滴形成区 有效雾化区 冷却凝固区

12影响二流雾化性能的因素：①雾化介质：1）雾化介质类别

气体：1)氧化不严重或雾化后经还原处理可脱氧的金属，可采用空气作雾化介质；

2)易于氧化金属或合金粉末可采用惰性气体

水：冷却能力强，粉末多为不规则形状；不适于活性很大的合金或金属。适于易被还原的金属或合金

2）气体或水的压力：气压愈高，所得粉末愈细

②金属液流1）金属液的表面张力和粘度

通常，表面张力越小，粘度越低，所得粉末颗粒越细。

金属强烈氧化时，粘度大大提高。

2）金属液过热温度

金属液过热温度愈高，越易得细、球形粉末

3）金属液流直径 通常，越细，细粉末越多；

但太小，会降低雾化粉末生产率，堵塞漏嘴，使金属液过冷，不易得细粉末。

要考虑金属熔点的高低

③其他工艺参数1)喷射参数：金属液长度短，喷射角适当。

2)聚粉装置参数：液滴飞行路长，利于形成球形，粉末也较粗

13 还原法：用还原剂还原金属氧化物以及盐类来制取金属粉末的制粉方法。

还原法的三个阶段：

第一阶段：诱导期：反应速度很慢，还原仅在固体氧化物表面的某些活化质点上开始，新相形成有很大困难。第二阶段：反应发展期：当新相一旦形成，由于新旧界面上力场不对称，较易吸附气体还原剂和晶格重新排列，因此反应就沿着新旧相的界面逐渐扩展，反应面逐渐扩大，反应速度也就不断增加。第三阶段：减速期：由于反应沿着以新相晶核为中心而逐渐扩大到互邻反应面，然后反应面随着过程的进行不断减小，引起反应速度的降低。

14还原法特点：1)应用最广泛，比较经济。原料易获得，还原方法工艺简便，生产投资成本低，可大规模生产；

2）还原剂可是固态、气态或液态；被还原的物料也可以采用固、气、液态；

15影响还原过程和铁粉质量的因素：（1）原料：

a．原料中杂质的影响：SiO2含量超过一定值后，不仅还原时间延长，并且使还原不完全，Fe粉中含Fe量降低。矿石作原料都要磁选。一般要求铁鳞中Fe总>70~73%，SiO2<0.25~0.30%

b．原料粒度的影响：原料粒度愈细，促进反应进行；原料在准备中一般都要粉碎。

（2）固体碳还原剂：木炭 焦炭 无烟煤 a.还原能力木炭最强，其次焦炭，无烟煤较差

b.常用焦炭或无烟煤作还原剂，同时加入适量的脱硫剂c. 用量：碳主要根据氧化铁的含氧量而定；

（3）还原工艺条件：a.还原温度和还原时间：在一定范围内，随着还原温度升高，还原时间可以缩短但随温度升高，高温烧结趋向增加，使CO2难以通过还原产物扩散，减低还原速度；同时，使海绵铁变硬，造成下一步粉碎困难。

b.料层厚度：随着料层厚度增加，还原时间亦随之增加。

c.还原缸密封程度：密封不好，还原不透或使海绵铁在冷却过程中易氧化。

（4）添加剂：a.加入一定的固体碳

一种是铁鳞或铁矿石与固体碳混合压团去还原；一种是还原料与还原剂分层相间装入去还原；生产上常采用后者，同时再在原料中加入一定的固体碳，起疏松剂和辅助还原剂作用。

b.返回料往往原料中预先加入一定的废铁粉，增加反应活性

C.引入气体还原剂使还原过程加速，同时所得海绵铁比较疏松，质量也较高。

d.碱金属盐的影响 如碳酸钠、碳酸钾能加速还原；

(5)海绵铁的处理：还原退火作用：退火软化作用；补充还原作用；脱碳作用

16金属热还原剂应满足的条件：①还原反应所产生的热效应Q较大，使还原过程能依靠反应热效应自发地进行 ②还原过程中所产生的渣和残余的金属还原剂应该容易与所得金属分离开来 ③金属还原剂与被还原金属不能形成合金或其他化合物

17粉末性能：①化学成分：粉末中金属的含量和杂质的含量②物理性能：颗粒形状、粒度和粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度，以及光学、电学、磁学和热学等诸性质。③工艺性能：松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。

18杂质主要包括：①与主要金属结核，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分②从原料和从粉末生产过程带入的机械夹杂③粉末表面吸附的氧、水蒸气和其它气体。④制粉工艺带进的杂质。

19粉末的粒度和粒度组成对金属粉末的加工性能有重大影响，主要与粉末的制取方法和工艺有关。

20粒度组成：不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量，用来表征颗粒大小的状况，又称粒度分布。

21影响松装密度和振实密度的因素a、粉末颗粒形状越规则，其松装密度就越大；颗粒表面越光滑，松装密度也越大；b、粉末颗粒越粗大，其松装密度就越大c、粉末颗粒越致密，其松装密度就越大d、粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低

22拱桥反应：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔洞的现象。

23压制性是压缩性和成形性的总称。压缩性是金属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。

24粉末冶金成形：是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块的工艺过程

普通成形：适合于零件尺寸小，形状简单，较轻的制品。制品密度、强度较高，比较致密。

特殊成形：适合于形状特殊的零件制品，密度、强度高，致密均匀质量好。

25成形前原料准备的目的要制备具有一定化学成分和一定粒度，以及适合的其它物理化学性能的混合料

26退火的目的：a、软化作用，消除粉末的加工硬化稳定粉末的晶体结构，提高塑性，改善压缩性b、补充还原作用：使氧化物还原提高粉末纯度c、降低碳和其他杂志含量，d、为防止某些超细金属粉末的自燃，需要将其表面钝化

27混合：是指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程。不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。 分为机械法和化学法，广泛应用的是机械法。

28制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。

29金属粉末压制时压坯密度的变化规律

第一阶段：在此阶段内，由于粉末颗粒发生位移，填充孔隙，因此当压力稍有增加时，压坯的密度增加很快，所以此阶段称为滑动阶段

第二阶段：压坯经第一阶段压缩后，密度已达一定值

第三阶段：当压力超过一定值后，压坯密度又随压力增加而继续增大，随后又逐渐平缓下来

30压制压力作用在粉末体上后分为两部分：

一部分是用来使粉末产生位移，变形和克服的内摩擦，这部分力称为静压力；另一部分是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力，这部分称为压力损失。

31摩擦力对压制过程及压坯质量的影响 ①由于外摩擦力的方向与压制压力的方向相反，因此损耗一部分压力。②引起压制力的不均匀③将阻碍粉末体在压制过程中的远东，但可用来改善压坯密度的均匀性。

32压坯密度分布规律 在任何垂直面上，上层密度都比下层密度要大些。在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大中间小。而远离上模冲截面的密度分布则是中间大、两边小。

33影响压坯密度分布的因素

压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和。压力损失是模压中造成压坯密度分布不均匀的主要原因。

（1）模具尺寸：增加压坯的高度会使压坯各部分的密度差增大，而加大直径则会使密度的分布更加均匀。H/D之比越大，压坯密度差就越大。（2）模具光洁度：采用模壁光洁度高的压模，并在模壁上涂润滑油，能够降低摩擦系数，改善压坯的密度分布（3）改进压制方式：双向压制来改善压坯中密度分布的不均匀性。（4）还可采取利用摩擦力的压制方法

34使压坯密度均匀的措施：（1）压制前对粉末进行还原退火等预处理（2）加入适当的润滑剂或成形剂。（3）改进加压方式（4）改进模具构造或者适当变更压坯形状，使不同横截面的连接部位不出现急剧的转折。

35使用成形剂的目的：①促进粉末颗粒变形改善压制过程，降低单位压制压力②提高压坯强度③减少粉尘飞扬，改善劳动条件④显著提高压坯的密度及其分布的均匀性，减少压制废品⑤改善压坯表面质量⑥减少摩擦压力损失和粉末颗粒变形所需的净压力，明显提高压模寿命。

36成形剂的选择原则（1）成形剂的加入不会改变混合料的化学成分（2）成形剂应具有较好的分散性能（3）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大（4）烧结后对产品性能和外观等没有不良影响（5）成本低，来源广

37压制废品种类：分层、裂纹、掉边掉角、压坯密度严重不均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。

38影响压制过程和压坯质量的因素：（1）粉末性能对压制过程的影响：①粉末物理性能的影响

a金属粉末的硬度和可塑性对压制过程的影响很大，软金属粉末比硬金属粉末易于压制，所需的压制压

力要小得多，塑性差的硬金属粉末在压制时必须利用成形剂，否则很容易产生裂纹等压制缺陷b金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。压制硬金属粉末压模的寿命短

②粉末纯度的影响。粉末纯度愈高，压制愈易进行③粉末粒度及粒度组成的影响，粉末愈细，流动性愈差，在填充狭窄而深长的模腔时就愈困难，愈容易形成拱桥效应，压力损失随之增大，影响了压坯密度的均匀分布。非单一粒度组成的粉末压制性较好④粉末颗粒形状的影响，表面平滑规则的，接近球形粉末的流动性好，易于充填模腔，使压坯密度分布均匀。形状复杂的粉末充填模腔困难，易产生拱桥现象。压坯强度高，成形性好⑤粉末松装密度的影响，松装密度小时，模具的高度和模冲的长度必须增大，密度分布容易不均匀但压坯强度高。松装密度大时，模具的高度及模冲的长度可以缩短，对制造高密度压坯，或长而大的制品有利。

（2）成形剂对压制过程及压坯质量的影响

（3）压制方式对压制过程和压坯质量的影响。

①加压方式的影响 采用双相压制及多向压制或者改变压模结构等②加压速度的影响：加压速度快的压制：冲击成形，密度更加均匀③加压保持的时间的影响 这对于形状复杂或体积较大的制品来说尤为重要。

39等静压成形的特点

优点：（1）可压制具有凹形，空心等复杂形状的压件。（2）粉末体与弹性模具相对移动很小，摩擦损耗小，单位压制力较钢模压制法低（3）能压制各种金属及非金属粉末，密度分布均匀，对难熔金属粉末及其化合物极其有效。（4）压坯强度较高，便于运输加工。（5）模具材料为橡胶，塑料成本低廉。（6）能在较低温度下制得接近完全致密的材料

缺点：（1）对压坯尺寸精度的控制和压坯表面光洁度比钢模压制法低。（2）一般来说，生产效率低于自动钢模压制法（3）所用橡胶，塑料具有使用寿命比金属模具短得多

40三轴压制 近似地认为三轴压制就是单轴压制和等静压制的结合。

41与熔铸轧制法相比，粉末轧制法的优点：（1）能够生产常规轧制法难以或无法生产的板带。（2）能够轧制出成分比较均匀的带材，并且成分易于控制组分分布均匀。（3）粉末轧制的板带材料具有各项同性的特点。（4）粉末轧制工艺过程短，节约能源（5）粉末轧制法的成材率高

42烧结：是粉末或粉末压坯在适当的温度和气氛中受热缩发生的现象或过程。

43烧结过程：开始是水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原；继之是原子间发生扩散，黏性流动和塑性流动，颗粒间的接触面增大，发生再结晶，晶粒长大等等。出现液相时还可能有固相的溶解和重结晶。

44在烧结过程中出现的不同情况 分类：单元系烧结和多元系烧结。

45烧结的基本过程：①开始阶段——烧结的初期或称粘结阶段。颗粒间原始接触点或接触面转变成晶粒结合，强度和导电性增大②中间阶段——烧结颈长长大阶段，孔隙大量消失，密度和强度增高。③最终阶段——闭孔隙球化和缩小阶段。

46烧结的原动力：孔隙表面自由能的降低。

47互不溶系固相烧结的特点：①几乎包括了用粉末冶金方法制造的一切典型的复合材料②烧结稳固由粘结相的熔点决定，如果是固相烧结，温度要低于其熔点；若该成分的体积比小于等于0.5，亦可用液相烧结③一般需要采用复压热压等补充致密化工艺，以进一步提高密度和性能④当复合材料接近完全致密时，有许多性能同组分的体积含量之间有线性关系，称为“加和”规律。⑤当难溶组分含量很高，粉末混合均匀有困难时，可采用复合粉或化学混料方法。⑥不同成分颗粒之间结合面对材料的烧结性及烧结体的强度影响很大。

48液相烧结的基本过程：（1）生成液相和颗粒重新分布阶段（2）溶解和析出阶段（3）固相的粘结或形成刚性骨架阶段

49活化烧结：采用化学或物理的措施，使烧结温度降低，烧结过程加快，或使烧结体密度和其他性能得到提高的额方法成为活化烧结。

50喷雾沉积：通过雾化的方法将液体金属直接转化为具有一定形状的预成形坯，然后再利用雾化粉末的余热或补充加热之后直接进行锻造。

51烧结气氛 氢气、离解氨气体、吸热或放热型气体和真空。

52影响烧结体性能的因素：粉末的形状、成形的条件和烧结的条件。

53弹性后效：在压制过程中，当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后，由于弹性内应力的作用，压坯将发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。

压坯强度：指压坯反抗外力作用，保持其几何形状尺寸不变的能力。

55熔浸的定义：将粉末压坯与液体金属接触或埋在液体金属内，让压坯的空隙被金属液填充，冷却下来就得到致密材料或零件，这种工艺成为熔浸或熔渗

56熔浸必须具备的条件：①骨架材料与熔浸金属材料的熔点相差较大，不致于造成零件变形②熔浸金属应能很好润湿骨架材料，即润湿角<90°③骨架与熔浸金属之间不发生互溶和溶解度不大，以避免在熔浸过程中产生新相而致使液相消失。④熔浸金属的量应以填满压坯中的空隙为限度，过多或过少均为不利。

57氢还原法的特点：①采用较低的还原温度和还原压力②可利用粉矿③所得铁粉很纯，适于生产粉末冶金铁基林间④所用的氢是将转化天然气中的CO再转化成CO除去CO2后的转化氢⑤可回收部分颗粒和氢气

58需要保压的理由：①是压力传递得更充分，今儿有利于压坯中个部分的密度均匀②使粉末空隙中的空气有足够的时间通过模壁和模冲或模冲和芯棒之间的缝隙逸出③给粉末之间的机械啮合和变形以时间，有利于应变弛豫的进行

59比表面 1g质量的粉末所具有的的总表面积，用m2/g或cm2/g表示

（作业题）铜电解时杂质金属的行为如何影响电解过程：①标准电位比铜更负的金属杂质：在阳极这类元素优先传入溶液，在阴极不还原或比铜晚晚还原使导电率更低②标准电位比铜更正的金属杂质：在阳极区这类元素不氧化或比铜后氧化，在阴极区比铜先还原③标准电位和铜接近的元素 在阳极与铜一起进入溶液，在阴极，当铜离子浓度降低时会在阴极上析出