ag8集团粉末冶金封孔工艺粉末冶金原理黄培云答

发布日期:2020-06-29 09:41

  粉末冶金原理-中文_材料科学_工程科技_专业资料。 1.粉末冶金——是一种利用制取到的金属粉末,或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料,经过粉末成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方,因此也叫金属陶瓷法。 2.粉末冶金的发展 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方法实质上采用的就是粉末冶金方法。 3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志:

  粉末冶金原理 郭圣达 E-mail: 江西理工大学 工程研究院 1 参考书目 1.黄培云主编:粉末冶金原理,冶金工业 出版社 ? 2.王盘鑫主编:粉末冶金学,冶金工业出 版社 ? 2 目 录 一、粉末的制备技术 ? 二、粉末的性能及其测定 ? 三、粉末成形 ? 四、烧结 ? 五、粉末冶金材料和制品 ? 六、粉末冶金的安全知识 ? 七、粉末制备、成形、烧结新技术 ? 3 绪论 1.粉末冶金——是一种利用制取到的金属粉末,或金属粉末与非金 属粉末的混合物作为原料,经过粉末成形和烧结制造金属材料、 复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有 相似的地方,因此也叫金属陶瓷法。 2.粉末冶金的发展 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方 法实质上采用的就是粉末冶金方法。 3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志: 1)克服了难熔金属(如钨、钼等)熔铸过程中产生的困难。1909 年制造电灯钨丝,推动了粉末冶金的发展;1923年粉末冶金硬质 合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。 4 绪论 ? 2)20世纪三十年代成功制取多孔含油轴承;继而粉末冶 金铁基机械零件的发展,充分发挥了粉末冶金制品少切削 甚至无切削的优点。 3)向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代,出现金 属陶瓷、弥散强化等材料,六十年代末至七十年代初,粉 末高速钢、粉末高温合金相继出现;还有利用粉末冶金锻 造及热等静压等技术已能制造高强度的零件。以硬质合金 来说,新型硬质合金已经逐步替代传统合金,如梯度结构 硬质合金、超细/纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金 等。 ? 5 绪论 ? ? 粉末冶金工艺的基本工序 1、ag8集团原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类: 机械法和物理化学法。其中机械法又可分为:机械粉碎和 雾化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合 法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。 其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。 2、将粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的目的是制 得一定形状和尺寸的压坯,并使其具有一定的密度和强度。 成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中 应用最多的是模压成型,还有挤压成型、爆炸成型等。 ? 6 绪论 ? 3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。 成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性 能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和 多元系的烧结,若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低, 则称之为固相烧结;若烧结温度一般比其中难熔成分的熔 点低,而高于易熔成分的熔点,则称为液相烧结。除普通 烧结外,还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧 结工艺。 7 绪论 ? 4、产品的后序处理。烧结后的处理,可以根据产 品要求的不同,采取多种方式。如精整、浸油、机 加工、热处理及电镀。此外,近年来一些新工艺如 轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工, 取得较理想的效果。 8 绪论 粉末冶金工艺的优点 ? 1、绝大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散强 化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬质合金等只能用粉 末冶金方法来制造。 2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯, 而不需要或很少需要后续的机械加工,故能大大节约 金属用量,降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品 时,金属的损耗只有1-5%,而用一般熔铸方法生产时, 金属的损耗可能会达到80%。 ? 9 ? 3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不 熔化材料,也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的 杂质,而烧结一般在真空和还原气氛中进行,不怕 氧化,也不会给材料任何污染,故有可能制取高纯 度的材料。 4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和 均匀性。 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的 产品,特别是齿轮等加工费用高的产品,用粉末冶 金法制造能大大降低生产成本。 10 ? ? 绪论 ? ? 粉末冶金材料和制品的发展方向 1、具有代表性的铁基合金,将向大体积的精密制品,高 质量的结构零部件发展。 ? 2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密 的高性能硬质合金。 ? 3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊 合金。 ? ? 4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。 5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。 11 一、粉末制备技术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1. 在不同状态下制备粉末的方法 1.1 在固态下制备粉末的方法 1.2 在液态下制备粉末的方法 1.3 在气态下制备粉末的方法 2.常用的粉末制备方法 2.1 机械粉碎法 2.2 雾化法 2.3 还原法 2.4 气相沉积法 2.5 液相沉淀法 2.6 电解法 3. 本章小结 12 一、粉末制备技术 1. 在不同状态下制备粉末的方法 1.1 在固态下制备粉末的方法 (1)从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有 机械粉碎法和电化学腐蚀法; (2)从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有 还原法; (3)从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制 取金属化合物粉末的有还原-化合法。 13 一、粉末制备技术 1.2 在液态下制备粉末的方法 (1)从液态金属与合金中制取金属与合金粉末 的有雾化法; (2)从金属盐溶液置换和还原制取金属、合金 以及包覆粉末的有置换法、溶液氢还原法; 从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀 法; 从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有 金属浴法; (3)从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的 有水溶液电解法; 从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的 有熔盐电解法。 14 一、粉末制备技术 1.3 在气态下制备粉末的方法 (1)从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸 气冷凝法; (2) 从气态金属羰基物中离解制取金属、合 金粉末以及包覆粉末的有羰基物热离解法; (3)从气态金属卤化物中气相还原制取金属、 合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法; 从气态金属卤化物中沉积制取金属化合物 粉末以及涂层的有化学气相沉积法。 15 一、粉末制备技术 ? ? 从实质过程看,现有制粉方法大体可归纳为 两大类,即机械法和物理化学法。 1.机械法:是将原材料机械地粉碎,而化学成 分基本上不发生变化; 2.物理化学法是借助化学的或物理的作用,改 变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的方法。 粉末的具体生产方法很多,从目前国内外生产 的工业规模而言,应用最广泛的有还原法、雾化法 和电解法三种;而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊 应用时亦很重要。 表1-1为制取粉末的一些方法。 16 一、粉末制备技术 表1-1 粉末生产方法 17 一、粉末制备技术 续表1-1 18 一、粉末制备技术 2.常用的粉末制备方法 2.1 机械粉碎法 机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用,将块 状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。 固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法, 又常常作为某些制粉方法的补充工序。 19 依据物料粉碎的最终程度,又可以分为粗碎和 细碎两类。以压碎为主要作用的有碾压、锟轧以及 颚式破碎等;以击碎为主的有锤磨;属于击碎和磨 削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。 实践表明,机械研磨比较适用于脆性材料。利 用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷 气流粉碎等方法。 20 一、粉末制备技术 2.1.1机械研磨法 研磨的任务包括:减少或增大粉末粒度;合金化;固态混 料;改善、转变或改变材料的性能等。在大多数情况下,研磨 的任务是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化 现象、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。 (1)研磨规律 在研磨时,有四种力作用于颗粒材料上:冲击、磨耗、剪 切以及压缩。 在球磨机中球体运动的方式有四种(如图1-1):滑动、 滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动。 21 一、粉末制备技术 图1-1 在球磨机中球体运动示意图 (a)滑动;(b)滚动;(c)自由下落;(d)在临界转速时球体的运动 临界转速与圆筒直径有关,其关系为: 球体发生滚动的临界条件为: ;反之发生滑动。 β 为筒体转动时,球体表面发生倾斜,在一定的转速和装球 量下的倾斜角 22 一、粉末制备技术 ? 球体滚动和自由下落是最有效的研磨方式, 并且粉末的细磨只有在滚动下才能实现,因为细 小的颗粒不会被球体的冲击所再粉碎 23 一、粉末制备技术 (2)影响球磨的因素 球磨机中的研磨过程取决于众多因素: 筒内装料量、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 (球料比)、研磨介质以及球体直径等。 24 一、粉末制备技术 例如:球磨筒转速n=0.7-0.75n临界时,球体发生抛 落; n=0.6n临界时,球体发生滚动; n0.6n临界时, 球体以滑动为主。 在一定范围内,增加装球量能提高研磨效率。但如 果把球体体积与球筒容积之比称为装填系数,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。 25 在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。 一般在球体装填系数为0.4~0.5时,装料量应以填 满球体的空隙,以稍微掩盖住球体表面为原则。可 取球磨筒容积的20%为装料量。球体的大小对物料 的粉碎也有很大的影响。实践中,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,同时为了避免研磨 球对粉末的污染,应取与要制备粉末成分相近的球 做为研磨球。 26 一、粉末制备技术 (3)强化球磨 球磨粉碎物料是一个很慢长的过程,因此提高 研磨效率、强化球磨效果对提高生产效率具有很大 的意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。 图1-2为一种湿式振动球磨机。 27 一、粉末制备技术 2.1.2机械合金化 这是种高能球磨法。用这种方法可 制造具有可控细显微组织的复合金属粉 末。它是在高速搅拌球磨的条件下,利 用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进 行进行合金化的。也可以在金属粉末中 加入非金属粉末来实现机械合金化。 28 一、粉末制备技术 用机械合金化制造的材料,其内部的均一性与 原材料粉末的粒度无关。因此,用较粗的原材料粉 末(50~100μm)可制成超细弥散体(颗粒间距 小于1μm)。制造机械合金化弥散强化高温合金 的原材料都是工业上广泛采用的纯粉末,粒度约为 1~200μm。 29 一、粉末制备技术 对用于机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极低的氧含量外)是混 合物至少有15%(容积)的可压缩变形的金属粉末 。 30 一、粉末制备技术 图1-3为机械合金化装置示意图。 机械合金化与滚动球磨的区别在于:使球体运动的驱动力 不同。 图1-2 斯韦科湿式振动球磨机 图1-3 机械合金化装置示意图 31 一、粉末制备技术 2.1.3 涡旋研磨 一般机械研磨只适合于粉碎脆性金属或合金, 涡旋研磨则可以有效地研磨软的塑性金属或合金。 由于在涡旋研磨中,研磨一方面依靠冲击作用,另 一方面还依靠颗粒间、颗粒与工作室内壁以及颗粒 与回转打击子相碰时的磨损作用。 32 一、粉末制备技术 2.1.4 冷气流粉碎 冷气流粉碎的基本工艺是: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面 ,压力立即从高压(7MPa)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,冷却了的颗粒就会被粉碎。气流 压力越大,得到的粉末粒度越细。 33 一、粉末制备技术 2.2 雾化法 雾化法是一种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150μm, 然后冷却而形成粉末的一种制粉方法。 雾化法可以用来制取多种金属粉末,也 可以制取各种预合金粉末。实践上,任何能 形成液体的材料都可以进行雾化。 34 一、粉末制备技术 前面所述的“机械粉碎法”是借机械作 用破坏固体金属原子间的结合而制得粉末, 雾化法则只要克服液体金属原子间的结合力 就能使之分散成粉末。因而雾化过程所消耗 的外力比机械粉碎化要小得多。从能量消耗 来说,雾化法是一种简便且经济的粉末生产 方法。 雾化法又可以分为二流雾化、离心雾化、 真空雾化以及超声波雾化等。 35 一、粉末制备技术 2.2.1二流雾化 借助高压水流或气流的冲击来破碎液流,称为 水雾化或气雾化,也称二流雾化(图1-4) 。 根据雾化介质(气体、水)对金属液流作用的 方式不同,雾化具有多种形式(图1-5):平行喷 射、垂直喷射、V形喷射、锥形喷射以及漩涡环形 喷射。 36 一、粉末制备技术 雾化过程很复杂,按雾化介质与金属液流相互 作用的实质,既有物理机械作用,又有物理化学变 化。高速的气流或水流,既是破碎金属液的动力, 又是金属液流的冷却剂。 因此在雾化介质同金属液流之间既有能量交换, 又有热量交换。并且,液态金属的粘度和表面张力 在雾化过程和冷却过程中不断发生变化,以及液态 金属与雾化介质的化学作用(如氧化、脱碳),使 雾化过程变得较为复杂。 37 一、粉末制备技术 图1-4 水雾化和气雾化示意图 图1-5 雾化的多种形式 38 一、粉末制备技术 (1)气雾化 在气雾化中,金属由感应炉熔化并流入喷嘴,气流由排 列在熔化金属四周的多个喷嘴喷出。雾化介质采用的是惰性 气体。雾化可获得粒度分布范围较宽的球形粉末。在气雾化 中,雾化过程可以用图1-6来说明。 图1-6 气雾化时金属粉末的形成 39 一、粉末制备技术 (2)水雾化 水雾化时制取金属或合金粉末最常用的工艺 技术。水可以单个的、多个的或环形的方式喷射。 高压水流直接喷射在金属液流上,强制其粉碎并 加速凝固,因此粉末形状比起气雾化来呈不规则 形状。 粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。 由于散热快,过热度要超过熔融金属熔点较多, 以便控制粉末的形状。在水雾化中,包括制取合 金粉末在内,其化学偏析是非常有限的。 40 一、粉末制备技术 在水雾化时,金属液滴的形成是水滴对 液体金属表面的冲击作用而不是剪切作用。 水雾化中,雾化的粉末粒度D主要与水速v 有关: 式中 C为与材料和雾化装置结构有关的常数 a为金属液流与水流轴之间的夹角 表1-2为气雾化与水雾化的一些比较。 41 一、粉末制备技术 表1-2 气雾化与水雾化的比较 42 一、粉末制备技术 (3)影响二流雾化性能的因素 雾化粉末有三个重要的性能: 一、粒度,包括平均粒度、粒度分布及 可用粉末收得率等; 二、颗粒形状及与其有关的性能,如松 装密度、流动性、压坯密度及比表面等; 三、颗粒的纯度和结构。 影响这些性能的主要因素是雾化介质、 金属液流的特征以及雾化装置的结构特征等。 43 一、粉末制备技术 2.2.2离心雾化 用离心力破碎液流得到雾化粉末的方法称为离 心雾化。离心雾化的发展是与控制粉末粒度的要求 和解决制取活性金属粉末的困难有关。 离心雾化有旋转圆盘雾化、旋转坩埚雾化、旋 转电极雾化等多种形式(如图1-7所示)。 图1-7 离心雾化示意图 44 一、粉末制备技术 2.2.3其他雾化工艺 除了利用水和气体冲击熔化金属,以及和旋转 相关的雾化方法之外,还有一些可使用熔融金属破 碎的工艺方法。 比如:锟筒雾化法:熔融金属被喂入快速旋转 的轧辊中而雾化成粉末;振动电极雾化法:通过自 耗电极的振动来生产高纯度粉末的方法;熔滴雾化 法:熔融金属经坩埚底部的小孔流出,流入真空或 惰性气体中,膨胀并形成球开颗粒得到粉末;以及 超声雾化法以及线 一、粉末制备技术 表1-3:一些雾化工艺的比较 46 一、粉末制备技术 2.2.4雾化粉末显微结构的控制 在快速冷却的合金粉末中,显微组织结构 的控制取决于形核和长大因素。 在凝固中,较大的温度梯度的情况易于形 成非晶态,相反,要在低的冷却速率和小的 温度梯度的条件下,则易形成具有偏析的显 微组织结构。 图1-8是显微组织结构与粉末颗粒温度梯 度和温度之间的关系。 47 图1-8 温度梯度和温度对快速凝固粉末的显微组织结构的影响 48 一、粉末制备技术 2.3 还原法 用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉 末的方法,这是一种广泛采用的制粉方法。还原剂 可以是固态、气态或液态;被还原的物料也可采用 固态、气态或液态形式的物质。 表1-4为用不同还原剂和被还原的物质进行还 原作用来制取粉末的一些例子。 49 一、粉末制备技术 表1-4 还原法广义的使用范围 50 一、粉末制备技术 工艺上所说的还原是指通过一种物质 (称为还原剂),夺取氧化物或盐类中的氧 (或酸根)而使其转变为纯元素或低价氧化物 (低价盐)的过程。最简单的反应可用下式 表示: 51 一、粉末制备技术 为了能顺利进行还原反应,还原剂X对 氧的化学亲和力必须大于金属Me对氧的亲 和力。 由于不同的金属元素对氧的作用情况不 同,因而生成氧化物的稳定性也不大一样。 可采用标准生成自由能作为衡量对氧亲和力 大小的尺度。 凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧 的亲和力大的物质,都能作用该金属氧化物 的还原剂。 52 一、粉末制备技术 一般说来,在冶金过程中,特别是在粉 末冶金中,可采用气体(氢、一氧化碳)、碳 或某些金属作还原剂。因此可把这些还原反 应分类称为碳还原、气体还原和金属热还原。 53 一、粉末制备技术 在还原过程中,还原进行的速度和还原的程度 是与还原的条件有关的。影响还原反应速度和还原 程度的因素是很复杂的,并且这些反应往往在多相 中反应。 因此在还原过程中,除了反应物的浓度、反应 过程的温度外,还与界面的特征(如晶格缺陷)、 界面的面积、液体的速度、反应相的比例、形核以 及扩散层等有关。 54 一、粉末制备技术 图1-9是氧化物被还原形成金属粉末 的示意图,其反应速率取决于两个扩散流。 图1-9 氧化物颗粒部分还原为金属粉末的示意图 55 一、粉末冶金原理黄培云答案粉末制备技术 实际表明,反应速度与时间的关系具有自动催化的特点, 如图1-10所示。 图1-10:吸附自动催化的反应速度与时间的关系 共分三个阶段:第一阶段速度很慢,反应仅在固体表面开 始;第二阶段当新相形成,由于新旧界面力场不对称,较易吸 附还原剂,反应面扩大,速度增加;第三阶段由于反应沿着以 新相晶核为中心而逐渐扩大,反应面不断减小,引起反应速度 的降低。 56 一、粉末制备技术 2.3.1碳还原法 用固体碳可以还原很多金属氧化物, 但用这种方法制成的铜粉、镍粉等易被碳玷 污,故一般不使用碳来还原这类金属氧化物 制取相应的金属粉末。在工业上,大规模应 用碳作为还原剂的方法可用于制取还原铁粉 和碳化钨粉,但需要严格控制碳含量。 57 图1-11 用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图 图1-11为用一氧化碳还原铁的氧化物的反应 状态图。从图可看出一氧化碳的量以及确定氧化物 还原反应的方向与温度、气相成分的关系。 58 一、粉末制备技术 2.3.2气体还原法 气体还原法不仅可以制取铁、镍、钴、铜以及 钨等金属粉末,还可以制取一些合金粉末。 气体还原法制取的粉末比用固体还原法制取 的要更纯,从而得到了很大的发展。钨粉的生产主 要是用氢还原法。 影响钨粉粒度和纯度的主要因素有:原料; 氢气流量与进气速度;还原速度、还原时间和料层 厚度;以及添加剂等。 (1)氢还原法制取铁粉 (2)水冶法生产钴粉 (3)氢还原法制取钨粉 59 一、粉末制备技术 2.3.3金属热还原 金属热还原法主要应用于制取稀有金属粉末, 如钛、锆、铀、钍、铌等金属粉末。在金属还原法 中,多采用钠、钙、镁作金属还原剂。 2.3.4难熔化合物粉末的制取 制取难熔化合物粉末(碳化物、硼化物、氮化 物和硅化物)的主要方法,与还原法制取金属粉末 极为相似。碳、硼和氮能与过渡族金属元素形成间 隙固溶体或间隙化合物,而硅与这类金属元素只能 形成非间隙固溶体或非间隙化合物。 60 一、粉末制备技术 难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用 的性能,因此在现代技术中已被广泛地用来作为硬 质合金、耐热材料、电工材料、耐蚀材料以及其他 材料地基体。 2. 4 气相沉积法 在粉末冶金技术中应用气相沉积法有几种方式: 金属蒸气冷凝、羰基物热离解、气相还原以及化学 气相沉积。 61 一、粉末制备技术 2.4.1金属蒸气冷凝法 这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属 (如锌、镉等)粉末。由于这些金属的特点是具有 较低的熔点和较高的挥发性。如果将这些金属蒸气 在冷却面上冷凝下来,便可形成很细的球形粉末。 2.4.2羰基物热离解法 羰基物热离解法(简称羰基法)就是离解金属羰 基化合物而制取金属粉末的方法。用这种方法不仅 可以生产纯金属粉末,而且如果同时离解几种羰基 物的混合物,则可制得合金粉末;如果在一些颗粒 表面上沉积热离解羰基物,就可以制得包覆粉末。 图1-12是常压羰基法制取镍粉的工艺流程。 62 一、粉末制备技术 图1-12 常压羰基法制取镍粉的工艺流程示意图 63 2.4.3化学气相沉积法 化学气相沉积法(CVD)是从气态金属 卤化物(主要是氯化物)还原化合沉积制取 难熔化合物粉末和各种涂层,包括碳化物、 硼化物、硅化物和氮化物等的方法。在沉积 法过程中也可用等离子弧法,这种方法可用 来制取微细碳化物。 图1-13为等离子弧法装置示意图。 64 一、粉末制备技术 图1-13 等离子弧法装置示意图 65 2.4.4气相还原法 气相还原法包括气相氢还原法和气相 金属热还原法。气相氢还原是指用氢还原气 态金属卤化物,主要是还原金属氯化物。此 法可制取钨、钼、铌、铬、钒、镍、钴等金 属粉末,也可同时还原几种金属氯化物而制 得合金粉末,也可以制取包覆粉末。此法所 得粉末一般都是很细或超细的。而用镁气还 原四氯化钛、四氯化锆等属于气相金属热还 原。 66 一、粉末制备技术 2.5 液相沉淀法 用液相沉淀法可以制取复合粉末,一般有两种 方案: (1)用基体金属和弥散相金属盐或氢氧化物在 某种溶液中同时析出达到均匀分布,然后经过干燥、 分解、还原过程以得到基体金属和弥散相的复合粉 末。 (2)将弥散相制成最终粒度,然后悬浮在含基 体金属的水溶液中作为沉淀结晶核心。待基体金属 以某种化合物沉淀后,经过干燥和还原就得到以弥 散相为核心,基体金属包覆在弥散相核心外面的包 67 覆粉末。 一、粉末制备技术 2.6 电解法 在一定条件下,粉末可以在电解槽的阴极上 沉积出来。一般说来,电解法生产的粉末成本较 高,因此在粉末生产中所占的比重是较小的。电 解粉末具有吸引力的原因是它的纯度高。电解法 制取粉末主要采用水溶液电解和熔盐电解。 水溶液电解可以生产铜、铁、镍、银、锡、 铅、铬、锰等金属粉末;在一定条件下也可以使 几种元素同时沉积而制得铁-镍、铁-铬等合金 粉末。图1-14为电解过程示意图。 68 一、粉末制备技术 图1-14 电解过程示意图 69 一、粉末制备技术 熔盐电解法可以制取钛、锆、钽、铌、钍、铀、铍等纯 金属粉末,也可制取如钽-铌等合金粉末,以及制取各种难 熔化合物粉末。影响熔盐电解过程和电流效率的主要因素有: 电解质成分、电解质温度、电流密度和极间距离等。图1-15 为电解制钽示意图。 图1-15 电解制钽示意图 70 一、粉末制备技术 3. 本章小结 综上所述,制取粉末的方法使多种多样的,并且在工程中 应用的所有金属材料几乎都可以加工成为粉末形态。 在选择制取粉末方法时,应该考虑到对粉末所提出的要求 和遵循经济的原则。当需要采用廉价的粉末作原料时,经济 问题便是先决条件;但是当需要粉末具有严格的性能要求时, 则也可选用昂贵的制粉方法。 表1-5 金属和合金粉末的推荐制取方法 71 一、粉末制备技术 续表1-5 72 二、粉末的性能及其测定 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.粉末及粉末性能 1.1粉末体和粉末颗粒 1.2粉末颗粒结晶构造和表面状态 1.3粉末性能 2.金属粉末的取样和分析 2.1取样数目 2.2取样和分样 3.化学检验 4.颗粒形状 5. 粉末的粒度及其测定 5.1粒度和粒度组成 5.2粉末粒度的测定方法 73 二、粉末的性能及其测定 ? ? ? ? ? ? ? 6. 粉末的比表面及其测定 6.1气体吸附法 6.2透过法 7. 金属粉末工艺性能测试 7.1金属粉末的松装密度和振实密度的测定 7.2金属粉末其他工艺性能的测试 7.3金属粉末有效密度的测定 74 二、粉末的性能及其测定 1.粉末及粉末性能 1.1粉末体和粉末颗粒 (1)粉末体 固态物质按分散程度不同可分为致密 体、粉末体和胶体三类,大小在1mm以上 的称为致密体或常说的固体,0.1μm以下的 称为胶体,而介与两者之间的称为粉末体。 75 二、粉末的性能及其测定 粉末体简称粉末,是由大量颗粒及颗 粒之间的空隙所构成的集合体。粉末体内颗 粒之间有许多小孔隙而且联结面很少,面上 的原子之间不能形成强的健力。因此它不像 致密体那样具有固定形状,而表现出与液体 相似的流动性。但由于相对移动时有摩擦, 故粉末的流动性是有限的。 76 二、粉末的性能及其测定 (2)粉末颗粒 粉末中能分开并独立存在的最小实体 称为单颗粒。单颗粒如果以某种形式聚集就 构成所谓二次颗粒,其中的原始颗粒就称为 一次颗粒。 77 二、粉末的性能及其测定 颗粒的聚集状态和聚集程度不同,粒度 的含义和测试方法也就不同。粉末颗粒的聚 集状态和程度对粉末的工艺性能影响很大。 从粉末的流动性和松装密度看,聚集颗粒相 当于一个大的单颗粒,流动性和松装密度均 比细的单颗粒高,压缩性也较好。而在烧结 过程中,则一次颗粒的作用比二次颗粒显得 更重要。 78 二、粉末的性能及其测定 1.2粉末颗粒结晶构造和表面状态 (1)金属及多数非金属颗粒都是结晶体。 (2)制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起 着主要作用。一般说来,粉末颗粒具有多晶 结构,而晶粒的大小取决于工艺特点和条件, 对于极细粉末可能出现单晶颗粒。粉末颗粒 实际构造的复杂性还表现为晶体的严重不完 整性,即存在许多结晶缺陷,如空隙、畸变、 夹杂等。因此粉末总是贮存有较高的晶格畸 变能,具有较高的活性。 79 二、粉末的性能及其测定 (3)粉末颗粒的表面状态十分复杂。一 般粉末颗粒愈细,外表面愈发达;同时粉末 颗粒的缺陷多,内表面也就相当大。粉末发 达的表面贮藏着相当高的表面能,因而超细 粉末容易自发地聚集成二次颗粒,并且在空 气中极易氧化和自燃。 80 二、粉末的性能及其测定 1.3粉末性能 粉末是颗粒与颗粒间的空隙所组成的集合体。 因此研究粉末体时应分别研究单颗粒、粉末体和粉 末体中空隙等的一切性质。 单颗粒的性质: (1)由粉末材料决定的性质, 如点阵结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、电磁 性质、化学成分等;(2)由粉末生产方法所决定 的性质,如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶 粒结构、点阵缺陷、颗粒内气体含量、表面吸附的 气体与氧化物、活性等。 81 二、粉末的性能及其测定 粉末体的性质:除单颗粒的性质、以 外,还有平均粒度、粒度组成、比表面、松 装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦 状态。 粉末的孔隙性质:总孔隙体积、颗粒 间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔 隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以 及孔隙的形状。 82 二、粉末的性能及其测定 在粉末的实践应用中通常按化学成分、 物理性能和工艺性能来进行划分和测定粉末 的性能。 化学成分主要是指粉末中金属的含量 和杂质含量。 物理性能包括颗粒形状与结构、粒度 与粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬 度,以及光学、电学、滋学和热学等诸性质。 83 实际上,粉末的熔点、蒸气压、比热 容与同成分的致密材料差别很小,一些性质 与粉末冶金关系不大,因此本部分仅介绍颗 粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗较密 度、粉末体密度及其测试的方法。 工艺性能包括松装密度、振实密度、 流动性、压缩性和成形性。 84 二、粉末的性能及其测定 2.金属粉末的取样和分析 2.1取样数目 由于粉末在装料、出料、运输过程以及贮存时 受到震动等都可能造成物料的分布不均匀。因此, 取样要按国家标准规定(GB5314—85)进行。如 果粉末是装在容器中的,则按表2-1数目取样。如 果整批粉末是通过一个孔口连续流动的,则取样应 在全部出料时间内,按一定的时间间隔进行。 取样数目取决于要求的精确度。至少应取三份 试样,一份在出料开始后不久,一份在出料过程中, 一份在出料结束前不久。 85 86 二、粉末的性能及其测定 2.2取样和分样 如果是在连续流动出料时取样,则在垂直于粉流方向上, 等速地用粉流截面的矩形取样器贯穿粉末流即可。取出的粉 末注入总样容器内。取样器如图2-1所示。 总样容器内的试样粉末,要分 成若干份,以随后进行测试之用。 可用分样器进行分样。以达到测定 粉末性能所要求的粉重。 图2-1 插入式取样器 87 二、粉末的性能及其测定 3.化学检验 金属粉末的化学分析与常规的分析方法相同, 首先测定主要成分的含量,然后测定其它成分包括杂 质的含量。 粉末的化学成分包括主要金属的含量和杂质的 含量。 杂质主要包括: (1)与主要金属结合,形成因溶体或化台物的金 属或非金属成分、如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、 磷、氧等; (2)从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂, 如二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、难熔金属碳化物等酸 不溶物; 88 二、粉末的性能及其测定 (3)粉末表面吸附的氧、水蒸气和其它气体(氮、 二氧化碳); (4)制粉工艺带进的杂质,如水溶液电解粉末 中的氢,气体还原粉末中溶解的碳、氮和氢,羰基 粉末中溶解的碳等。 金属粉末的氧含量,除采用库仑分析法测定全 氧以外.还可根据GB4164—84和GB51E8— 85的标准分别测定金属粉末中可被氢还原的氧含 量。 89 二、粉末的性能及其测定 菲水滴定法是将含有金属氧化物的金属粉末 试祥置于纯净、干燥的氢气流中加热,金属氧化 物与氢反应生成水,然后用试剂滴定出水的含量, 从而确定氧的含量。 氢损测定是把金属粉末的试祥在纯氢气流中 燃烧足够长的时间(如铁粉为1000-l050℃, 1h,铜粉为875℃,0.5h),粉末中的氧被还 原生成水蒸气,某些元素(碳、硫)与氢生成挥发 性化合物,与挥发性金属(锌、镉、铅)一同排出, 测得试样粉末的质量损失称为氢损。 90 二、粉末的性能及其测定 氢损按下式计算: 式中A为粉末试样加烧舟的质量 B为氢中煅烧后残留物加烧舟的质量 C为烧舟的质量 氢损法被认为是对金属粉末中可被氢还原的氧 化物的氧含量的估计,若粉末中有在分析条件下不 被氢所还原的氧化物(如二氧化硅,氧化钙等), 则测定的氧值将低于实际氧含量。 91 二、粉末的性能及其测定 金属粉末的杂质测定方法还可采用酸 不溶物法。粉末试样用某种无机酸(铜用硝 酸,铁用盐酸)溶解。将不溶物沉淀并过滤, 在980℃下煅烧lh后称重,再按下式计算 酸不溶物含量,例如测定铁粉时: 式中A为盐酸不溶物的质量 B为粉末试样的质量 92 f ?? 二、粉末的性能及其测定 4.颗粒形状 颗粒的形状是指粉末颗粒的几何形状。任何不 同颗粒的几何形状不可能完全相同,因此可以笼统 地划分为规则形状和不规则形状两大类。 规则形状的颗粒外形可近似地用某种几何形状 地名称描述,它们与粉末生产方法密切相关。 93 二、粉末的性能及其测定 表2-2描述了颗粒形状和生产方法之间的关 系。粉末颗粒外形如图2-2所示。 表2-2 颗粒形状与粉末生产方法的关系 94 二、粉末的性能及其测定 图2-2 粉末颗粒形状 一般说来,准确描述粉末颗粒的形状是很困难的。在测 定和表示粉末粒度时,常常采用表形状因子、体积形状因子 和比形状因子。 95 二、粉末的性能及其测定 对于任意形状的颗粒,其表面积和体积可以认为与某一 相当直径的平方和立方成正比,而比例系数则与选择的直径 有关。形状愈复杂,则比形状因子就愈大(表2-3)。颗粒 的形状对粉末的流动性、松装密度以及压制和烧结均有影响。 表2-3 某些金属粉末的形状因子 96 二、粉末的性能及其测定 5. 粉末的粒度及其测定 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,在很大程度上,它们 决定着最终粉末冶金材料和制品的性能。粉 末的粒度和粒度的组成主要与粉末的制取方 法和工艺有关。机械粉碎粉末一般较粗,气 相沉积粉末极细,而还原粉末和电解粉末则 可以通过还原温度或电流密度,在较宽的范 围的范围内变化。 97 二、粉末的性能及其测定 5.1粒度和粒度组成 用直径表示颗粒大小称为粒度粒径。 由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径, 于是又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分 含量来表示粉末颗粒大小的状况,称为粒度 组成,又称粒度分布。因此,粒度仅指单颗 粒而言,粒度组成则指整个粉末体。但通常 所说的粒度包含有粉末平均粒度的意思,也 就是粉末的某种统计学平均粒径。 98 二、粉末的性能及其测定 5.1.1粒径基准 多数粉末颗粒由于形状不对称,仅用一维几何 尺寸不能精确地表示颗粒地真实大小,可用长、宽、 高三维尺寸的某种平均值来度量,这称为几何学粒 度径。由于度量颗粒的几何尺寸非常麻烦,计算几 何学平均粒径比较繁琐,因此又有通过测定粉末的 沉降速度、比表面、光波衍射和散射等性质,而用 当量或名义直径表示粒度的方法。可以采用四种粒 径作为基准。 99 二、粉末的性能及其测定 (1)几何学粒径dg:用显微镜投影几 何学原理测得的粒径称为投影径。一般要根 据与颗粒最稳定平面垂直方法投影所测得的 投影像来测量,然后取各种几何学平均径; 还可根据与颗粒最大投影面积f与颗粒体积 v相同的矩形、正方形或圆、球的边长或直 径来确定颗粒的平均粒径,称名义粒径。 100 二、粉末的性能及其测定 (2)当量粒径de:用沉降法、离心法 或水力学方法(风筛法,水筛法)测得的粉 末粒度称为当量粒径。当量粒径中有一种斯 托克斯径,其物理意义是与被测粉末具有相 同沉降速度且服从斯托克斯定律的同质球形 粒子的直径。由于粉末的实际沉降速度还受 颗粒形状和表面状态的影响,故形状复杂、 表面粗糙的粉末,斯托克斯径总比按体积计 算的几何学名义径小。 101 二、粉末的性能及其测定 (3)比表面粒径dsp :利用吸附法、透过法和 润湿热法测定粉末的比表面,再换算成具有相同比 表面值的均匀球形颗粒的直径表示,称为比表面粒 径。因此,由比表面相同、大小相等的均匀小球直 径可以求得粉末的比表面粒径。 (4)衍射粒径dsc:对于粒度接近电磁波波长 的粉末,基于光和电磁波(如X线等)的衍射现象 所测得的粒径称为衍射粒径。X线小角度衍射法测 定极细粉末的粒度就属于这一类。 102 二、粉末的性能及其测定 5.1.2粒度分布基准 粉末粒度组成为各种粒径的颗粒在全体粉末总 数量中所占的百分数,可用某种统计分布曲线或统 计分布函数来描述。粒度的统计分布可以选择四种 不同的基准。 (1)个数基准分布:以每一粒径间隔内的颗粒 数占全部颗粒总数中的个数表示,又称为频度分布。 (2)长度基准分布:以每一粒径间隔内的颗粒 总长度占全部颗粒的长度总和的多少表示。 103 二、粉末的性能及其测定 (3)面积基准分布:以每一粒径间隔内的颗粒 总表面积占全部颗粒的总表面积和中的多少表示。 (4)质量基准分布:以每一粒径间隔内的颗粒 总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。 四种基准之间虽存在一定的换算关系,但实际 应用的是频率分布和质量分布。 104 二、粉末的性能及其测定 5.1.3粒度分布函数 粒度分布曲线若用数学式表达出 来,就称为分布函数。黑赤-乔特由 正态几率分布函数导出计算粉末中具 有粒径d的颗粒频度n的公式: 105 二、粉末的性能及其测定 按正态分布函数作出频度分布曲线是以算术平 均值为均值的,这时算术平均值与多数径和累积分 布曲线中的中位径是一致的,是一种最理想的分布 曲线。而用各种粉末实测的粒度分布曲线常比正态 分布曲线 粒度分布曲线 二、粉末的性能及其测定 5.1.4平均粒度 粉末粒度组成的表示比较麻烦,应用也不大方便,许多 情况下只需要知道粉末的平均粒度即可。计算平均粒度的公 式如表2-4所示。公式中的粒径可以按前述四种基准中的任一 种统计。 表2-4 粉末统计平均粒径的计算公式 107 二、粉末的性能及其测定 5.2粉末粒度的测定方法 粉末粒度的测定是粉末冶金生产中检验粉末质量,以及 调节和控制工艺过程的重要依据。测定粉末粒度的方法很多。 表2-5为常用的一些测量粒度的方法及其应用的范围。 表2-5 常用的一些测量粒度的方法 108 二、粉末的性能及其测定 5.2.1筛分析法 筛分析法是粒度分布测量方法中最简单最快速的方法,应 用很广。筛分析所用的设备主要有震筛机和试验筛。 网筛标准则因各国制定的标准不同,网丝直径和筛孔大小 也不一样。目前,国际标准采用泰勒筛制(表2-6)。 表2-6 泰勒标准筛制 109 二、粉末的性能及其测定 习惯上以网目数(简称目)表示筛网 的孔径和粉末的粒度。所谓目数是指筛网1 英寸(25.4mm)长度上的网孔数。目数愈 大,网孔愈细。 由于网孔是网面上丝间的开孔,每一 英寸上的网孔数与丝的根数应相等,所以网 孔的实际尺寸还与丝的直径有关。 110 二、粉末的性能及其测定 5.2.2显微镜法 光学显微镜的分辨能力,在理想情况下可达到 0.2μm,它和光源的波长,透镜的数值孔径有关。 但在实际应用中,光学显微镜的粒度测量范围是 0.8~150μm,再小的粉末粒度唯有电子显微镜等 方法才能观察和测定。 同时,由于反射光工作的光学显微镜仅能测量 粒度大于5μm颗粒物质,因此粒度分析一般采用透 射光工作的显微镜。 111 二、粉末的性能及其测定 为了计算颗粒的大小,在显微镜目镜上配有显 微刻度尺。常用于分析的显微刻度尺有三种:(1) 带十字线的直线刻度尺,测量时刻度尺的分值大小 须视放大系统而定;(2)网格显微刻度尺;(3) 花样显微刻度尺。三种刻度尺使用时事先都应校准。 112 二、粉末的性能及其测定 由于采用显微镜法进行粒度分析时所用 样品量少,而且每次观测时又只对样品的一 部分区域进行测量计数,因此所取样品需要 有充分的代表性。 一般,取样按四分法进行:将0.5克左 右的粉末颗粒放在玻璃板上充分混合,分割 成四份,取其中的两份混合再分割为四份, 再取两份依次做下去,直到剩余颗粒的质量 约为0.01克为止,取样完成。 113 二、粉末的性能及其测定 用透射显微镜测定时,一般采用玻璃片制样, 将取好的样置于干净的玻璃片上,滴几滴分散介质 以便将样品分散开来观察测量。此时,分散介质的 选择是重要的,对分散介质的要求: (1)分散介质与所测粉末颗粒不起化学反应; (2)分散介质挥发的蒸气对显微镜镜头没有腐蚀作 用; (3)分散介质应是无色透明并能较好地湿润所测颗 粒; (4)分散介质对人体健康没有危害。 114 二、粉末的性能及其测定 显微镜法测量的是颗粒的表观粒度, 即颗粒的投影尺寸。对称性好的球形颗粒 (如雾化粉)或立方体颗粒可直接按直径或 长度计算。但对于非球形的不规则颗粒,不 能用直接计算的方法,颗粒的尺寸必须考虑 到颗粒形状而有不同的表示方法。 实际上,粒度测量应用垂直投影法比 较简单,还有比垂直投影法更简单的是线切 割法。 显微镜法最大的缺点是操作繁琐且费 力。 115 二、粉末的性能及其测定 5.2.3沉降分析法 沉降的方法一般分为液体沉降和气体沉降两大 类。 沉降法的优点是粉末取样较多,代表性好,使 结果的统计性和再现性提高,能适应较宽的粒度范 (0.01~50μm)。 沉降分析法测定粉末颗粒大小的原理在于测定 粉末颗粒在某一分散介质中的沉降速度。颗粒在介 质中等速降落时同时受三种力的作用:颗粒重力、 介质(一般只用液体)的浮力和悬浊液介质对球形 颗粒运动的阻力。 116 二、粉末的性能及其测定 (1)沉降天平法 沉降天平的形式很多,图2-4为其工作 原理示意图。 (2)光透过法 光透过法属于增量分析法,特点是沉 降槽容积小,悬浊液浓度稀薄且用量少。光 透过式粒度测定仪常见的有:比浊仪、X光 比浊仪以及光扫描比浊仪。图2-5为比浊仪 测量粒度的原理图。 课本148页 117 二、粉末的性能及其测定 图2-4 沉降天平法工作原理示意图 工作原理:天平一端的金属盘吊在玻璃沉降管 中,粉末悬浮液有一定的深度H,粉末从不同的高 度以不同的速度逐渐降落在盘上,通过自动机构使 天平杠杆随时恢复平衡,测量并记录沉降盘上粉末 的累积质量随时间的变化,就可以计算粉末的粒度 组成。 118 二、粉末的性能及其测定 图2-5 比浊仪测量粒度的原理图 随着颗粒的重力沉降,悬浮液浓度逐渐变淡薄, 通过光的强度随之增强,光强度由检流计示出或用 记录器记录,从而通过公式可以计算得出不同粒级 颗粒的粒度组成。 119 二、粉末的性能及其测定 (3)X光透过法 对于0.1~1μm的细颗粒,可采用X光作为入 射光源,这样既避免了细颗粒组分的散射效应,又 可直接测得悬浊液的颗粒浓度。 (4)光扫描比浊法 该法的原理为:在固定沉降时间t内,如果测 定沉降槽中不同高度的悬浊液浓度差,便可求出悬 浊液中颗粒的粒度组成(如图2-6所示)。 120 二、粉末的性能及其测定 图2-6 光透过不同高度的悬浊液 图2-6中,设悬浮液静置T时间后,用一与液 面相平行的极细光束很快地从上到下扫过沉降槽, 同时记录相应于各种高度时的透光强度,从而计算 得出各粒度等级分布。 121 二、粉末的性能及其测定 5.2.4淘析法 颗粒在流动介质(气体或液体)中发生非自然 沉降而分级称为重力淘析或简称淘析法。气体淘析 就是风选;液体淘析也称为水力分级。淘析法用于 极细和超细粉末的分级,具有设备简单、操作方便 和效率高的特点。其中液体淘析又可分为: (1)水平液流式 粉末悬浮液以一定速度沿水平方向流动,颗粒 同时发生重力沉降,粒度不同的粉末最后的落点有 远近之分,从而达到分级效果。 122 见课本151 二、粉末冶金封孔工艺粉末的性能及其测定 (2)上升液流式 在一竖直圆柱容器内,当悬浮液以临界粒径的 沉降速度连续向上流动时,液内具有大于临界粒径 的颗粒将降落在底部,而小于临界粒径的颗粒从上 方溢流中排出,从而达到分级的目的。 (3)离心淘析式 悬浮液以一定的切线速度绕一中心轴旋转流 动,由此产生的离心力将强化粉末的重力沉降过程, 从而加快细粉末的分级速度,这样以临界粒径为界, 把粉末分成粗细两部分。 图2-7为水平液流分级器。 见课本151 123 二、粉末的性能及其测定 图2-7 水平分级器原理 124 二、粉末的性能及其测定 6. 粉末的比表面及其测定 粉末比表面定义为1g质量的粉末所具 有的总表面积,是粉末的平均粒度、颗粒形 状和颗粒密度的函数。测定粉末比表面通常 采用尺寸效应法、吸附法和透过法。 比表面属于粉末体的一种综合性质,是 由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。 125 二、粉末的性能及其测定 尺寸效应法是根据粉末粒度组成和形 状因子计算表面积的一种方法。如以f为表 面形状因子,K为体积形状因子,ρ为颗粒 有效密度,则计算比表面公式为: 公式中d为体面积平均径,因此,按上 式由均匀球形颗粒比表面计算的统计粒径就 是体面积平均径。 126 二、粉末的性能及其测定 6.1气体吸附法 利用气体在固体表面的物理吸附量来测定物质 比表面的原理是:测量吸附在固体表面上气体单分 子层的质量或体积,再由气体分子的横截面积计算 1g物质的总表面积,即得克比表面积。 描述吸附量与气体压力关系的有所谓“等温 吸附线 二、粉末的性能及其测定 图2-8 等温吸附线的几种类型 图中横坐标P0为吸附气体的饱和蒸气压力。 气体吸附法测定比表面的灵敏度和精确度最高。 它分为静态法和动态法两大类,前者又包括容量法、 重量法和热解吸色谱法等。 128 二、粉末的性能及其测定 ? ? ? 容量法: 根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸 附量,实际上就是测定在已知容积内气体压力的变 化来测得比表面。 重量法: 用吸附秤直接精确称量粉末试样在吸附前后的质 量变化来确定比表面的方法。 热解吸色谱法: 流动的吸附气-载气混合气连续地通过固体或粉 末试样,借助变化吸附气流速,以改变混合气的组 成,得到不同的相对压强,根据压强变化来确定样 品的气体吸附量。 129 二、粉末的性能及其测定 6.2透过法 气体透过法是通过测定气体透过粉末 层的透过率来计算粉末比表面或平均粒径的 方法。透过法测定的粒度是一种当量粒径, 即比表面平均径。 透过法根据所用的介质的不同,分为 气体透过法和液体透过法。后者只适用于粗 粉末或孔隙较大的多孔性固体(如金属过滤 器),在粉末测试中用得很少。 130 液体透过粉末床的透过率或所受的阻 力与粉末的粗细或比表面的大小有关。当粉 末床的孔隙度不变时,液体通过粗粉末比通 过细粉末的流量大。根据柯青-卡门推导, 可得出粉末的比表面S0的基本公式: 如果将比表面平均径的计算式 代入上式并以微米表示,则平均粒度的计算 公式为: 131 二、粉末的性能及其测定 6.2.1空气透过法 常压空气透过法分为稳流式和变流式 两种基本形式。稳流式是在空气流速和压力 不变的情况下来测定粉末的比表面和平均粒 度的,如费歇尔微粉粒度分析仪。变流式则 在空气流速和压力随时间而变化的条件下, 测定粉末的比表面或平均粒度,如布莱因粒 度仪。 132 二、粉末的性能及其测定 (1)费歇尔微粉粒度分析仪 简称费歇尔筛,已被许多国家列为国家测定标 准。费氏空气透过仪如图2-9所示。 图2-9 费歇尔仪示意图 133 二、粉末的性能及其测定 (2)布莱因法 与费歇尔法不同,布莱因法的测定原理是在变流条件下 测定空气透过粉末床时,平均压力或流量达到某规定值时所 需的时间来确定的。图2-10为微粉 测试仪的示意图。 变流透过法计算比表面的近似公 式是凯斯提出的: 图2-10 变流式U形管透过仪 134 二、粉末的性能及其测定 6.2.2低压气体扩散法 用气体扩散装置来测定比表面,就可适用于粒度小至 0.01μm的粉末。气体扩散法分为静态和动态两类。前者与 常压透过法相同,测得的是外比表面,而用动态法测定的才 接近于全比表面。 (1)静态扩散装置 图2-11为克努曾流动仪,它利用公式: 公式中A为试样管断面积,L 为试样管内粉末层厚度,q气体流 速,P气体压力最高值,M气体克分子量。在实验中,只要 测出P和q就可计算出比表面Sw。 (2)动态扩散装置 当粉末颗粒内存在大量潜孔和微细裂隙时,可利用分子 135 二、粉末的性能及其测定 流原理,设计动态扩散装置(如图2-12所示)。此时,测 定全比表面的计算公式为: 公式中L粉末床厚度,M气体的相对分 子质量,R为常数,T实验温度。 图2-11 克努曾流动仪 图2-12 动态扩散实验装置 136 二、粉末的性能及其测定 7. 金属粉末工艺性能测试 金属粉末的工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、 压缩性和成形性。工艺性能主要取决于粉末的生产方法和粉 末的处理工艺(球磨、退火、加润滑剂、制粒等) 7.1金属粉末的松装密度和振实密度的测定 7.1.1松装密度 松装密度是粉末试样自然地充满规定的容器时,单位容 积的粉末质量。松装密度可用漏斗法、斯柯特容量计法或震 动漏斗法来测定。 漏斗法是用图2-13所示的标准漏斗来测定金属粉末松装 密度的。本法仅适用于能自由流过孔径为2.5mm或5mm标 准漏斗的粉末。 见131页 137 二、粉末的性能及其测定 斯柯特容量计法(如图2-14所示)适用于不能自由流过 漏斗法中孔径为5mm的漏斗和用振动漏斗法易改变特性的金 属粉末,特别适用于难熔金属 及化合物粉末。 图2-13 漏斗法测量松装密度装置 图2-14 斯柯特容量计法测定松装密度装置 138 二、粉末的性能及其测定 震动漏斗法适用于不能自由流过漏斗法中孔径 为5mm漏斗的金属粉末。但不适用于在震动过程 中易于破碎的金属粉末,如团聚颗粒,纤维状或针 状的粉末。震动漏斗装置如图2-15所示。 图2-15 震动漏斗装置示意图 139 二、粉末的性能及其测定 7.1.2振实密度 金属粉末的振实密度是指将粉末装入振动容器中,在规 定条件下经过振实后测得的粉末密度。一般振实密度比松装 密度高20%~30%。 振实密度的测定通常是在振实装置上进行的。振实装置 上的量筒有几种,因此所用量筒和粉末量应根据粉末的松装 密度来选择(表2-7)。 表2-7 粉末松装密度与所选用量筒和粉末质量关系 140 二、粉末的性能及其测定 7.1.3影响松装密度和振实密度的因素 松装密度是粉末自然堆积的密度,因而取决于颗粒间的 粘附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程 度、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末 的粒度和粒度组成等因素。 (1)粉末颗粒形状愈规则,其松装密度就愈大;颗粒表 面愈光滑,松装密度也愈大。表2-8为粒度大小和粒度组成 大致相同的三种铜粉,由于形状不同表现出密度和孔隙度的 差异。 表2-8 三种颗粒形状不同的铜粉密度 141 二、粉末的性能及其测定 (2)粉末颗粒愈粗大,其松装密度就愈大。表2-9表示 粉末粒度对松装密度的影响。细粉末形成拱桥和互相粘结防 碍了颗粒相互移动,故粉末的松装密度减少。 表2-9 钨粉的粒度对松装密度的影响 (3)粉末颗粒愈致密,松装密度就愈大。表面氧化物的 生成提高了粉末的松装密度。 (4)粉末粒度范围窄的粗细粉末,松装密度都较低。当 粗细粉末按一定比例混合均匀后,可获得最大松装密度。 142 二、粉末的性能及其测定 7.2金属粉末其他工艺性能的测试 金属粉末的其他工艺性能还有流动性、压制性以及与压 制、烧结有关的尺寸测定。 7.2.1流动性 粉末的流动性是指50g粉末从标准的流速漏斗流出所需 的时间,单位为s/50g。其倒数是单位时间流出粉末的质量, 称为流速。流速的测定方法可采用前述图2-13所示孔径为 2.5mm的标准漏斗。 粉末颗粒愈大,颗粒形状愈规则,粒度组成中极细粉末 所占比例小,流动性都将变好。粉末氧化能提高流动性。如 果颗粒密度不变,相对密度增加,会使流动性提高。颗粒表 面吸附水分、气体或加入成形剂会降低粉末流动性。 143 二、粉末的性能及其测定 7.2.2压缩性和成形性 压缩性也可以是压缩性和成形性的总称。压缩性就是金 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。 压缩性的测定是在封闭模具中采用单轴双向压制,在规 定的润滑条件下加以测定,用规定的单位压力下粉末所达到 的压坯密度来表示。成形性的测定可通过转鼓试验。我国国 家标准规定采用矩形压坯的横向断裂强度来测定压坯强度方 法表示成形性。 影响压缩性和成形性的主要因素有颗粒的塑性和颗粒形 状。 在评价粉末的压制性时,必须综合比较压缩性和成形性。 一般说来,成形性好的粉末,往往压缩性差;压缩性好的粉 末,成形性差。 144 二、粉末的性能及其测定 7.2.3金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸测定 所谓金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化(简称尺 寸变化),通常是指金属粉末在压制成形过程中发生的弹性 后效,和压坯在烧结中发生的尺寸缩小或增大。 (1)尺寸变化的测量 与金属粉末成形和烧结有联系的尺寸变化有下列三种: A 从模腔尺寸到压坯尺寸(弹性后效 ): B 从压坯尺寸到烧结尺寸(烧结尺寸变化 C 从模腔尺寸到烧结尺寸(总尺寸变化 ): ): 145 二、粉末的性能及其测定 (2)影响尺寸变化的的因素 影响金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化的因素很 多,主要有三种因素: A 金属粉末的类型不同(包括金属粉末性能),其尺寸变化 也不同。与尺寸变化有联系的性能是粉末的粒度及其组成、 颗粒形状和内部结构、金属粉末的塑性或加工硬化情况、以 及金属粉末的化学组成等。粒度愈细,颗粒表面愈光滑,氧 含量愈高以及低塑性的金属粉末等,其弹性后效愈大。 B 成形压力与尺寸变化关系十分密切。一般而言,低压成形 时,粉末冶金原理与工艺答案曲选辉金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而增大;高压成 形时,金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而减少。 C 烧结条件通常以烧结温度、时间和气氛为主要条件。升温 速度、冷却速度等对烧结时尺寸变化也有影响。 146 二、粉末的性能及其测定 7.3金属粉末有效密度的测定 粉末材料的理论密度通常不能代表粉末颗粒的 实际密度。因此计算颗粒密度时,颗粒的体积由于 是否计入这些孔隙的体积而会有不同的值,一般说 来有下列三种颗粒密度:真密度、似密度(有效密 度)和表观密度。 真密度:颗粒质量与除去开孔和闭孔的颗粒体 积相除的商值,真密度就是粉末的理论密度。 似密度(有效密度):颗粒质量用包括闭孔在 内的颗粒体积除得的商值,用比重瓶法测定的密度 接近这种密度值,因此又称之为比重瓶密度。 表观密度:颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的 颗粒体积除得的密度值。 147 二、粉末的性能及其测定 测量有效密度的方法有两种:一是比重瓶法(如图216所示);另一个是吊斗法(如图2-17所示)。 图2-16 比重瓶 图2-17 吊斗法示意图 148 三、成形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 成形前原料准备 金属粉末压制过程 压制压力与压坯密度的关系 压制过程中力的分析 压坯密度及其分布 成形剂 压制废品分析 影响压制过程和压坯质量因素 特殊成形 149 三、成形 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。粉末 可以用普通模压法或用特殊方法成形。 1. 成形前原料准备 成形前原料准备的目的是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。主要包括 粉末退火、混合、筛分、制粒以及加润滑剂等方法。 1.1退火:粉末的退火可使氧化物还原、降低碳和其它杂质含量、 提高粉末纯度、消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构、 还可将粉末表面钝化以防止其自燃、改善压制性能等。 1.2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,通常采用机械混合法和化学混料法。 1.3筛分:筛分是为了把不同颗粒大小的原始粉末进行分级,而 使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。 150 三、成形 1.4制粒:将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工艺过程,常用 来改善粉末的流动性和压制性 1.5加润滑剂:在成形前,粉末混合料中常常会添加一些能改善 成形过程的物质,即润滑剂,这类物质在烧结时能挥发干净, 对产品性能不产生影响。 151 三、粉末成形 2. 金属粉末压制过程 2.1金属粉末压制现象 压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力 后,成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图 3-1是压模示意图。 图3-1 压模示意图 152 三、粉末成形 2.2粉末颗粒变形与位移的几种形式 (1)粉末的位移 可用图3-2所示的两颗粉末来近似地 说明。 图3-2 粉末位移的形式 153 三、粉末成形 (2)粉末的变形 粉末的变形有三种情况,即弹性变形、塑性变形和脆性 断裂。当压制难熔金属如钨、碳化钨等脆性粉末时,除有少 量塑性变形外,主要是脆性断裂。粉末的变形图3-3所示。 图3-3 压制时粉末的变形 由图可知:压力增大时,颗粒发生变形,由最初的点接 触逐渐变成面接触,接触面积随之增大,粉末颗粒由球形变 成扁平状。 154 三、粉末成形 2.3金属粉末的压坯强度 粉末颗粒间的联结力大致可分成两种: (1)粉末颗粒间的机械啮合力。粉末外表面呈不规则的凹凸不 平的形状,通过压制,粉末颗粒间由于位移和变形可以互相 楔住和勾连,从而形成粉末颗粒间的机械啮合。这也是使压 坯具有强度的主要原因。 (2)粉末颗粒表面原子间的吸引力。在金属粉末的压制后期, 粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形,粉末颗粒表面 上的原子彼此接近,当进入引力范围之内时,粉末颗粒因引 力作用而发生联结。 155 三、粉末成形 2.3金属粉末的压坯强度 压坯强度是指压坯反抗外力作用,保持其几何形状尺寸 不变的能力。压坯强度的测定方法主要用:压坯抗弯强度试 验法,测定压坯边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度 的方法。电解铜粉和还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的 关系如图3-4和图3-5所示。 图3-4电解铜粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系 图3-5还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系 156 三、粉末成形 3. 压制压力与压坯密度的关系 3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律 粉末体在压模中受压后发生位移和变形,随着压力的增加, 压坯的相对密度出现有规律的变化,通常将这种变化规律假 设为如图3-6所示的三个阶段。 图3-6 压坯密度与成形压力的关系 P173 157 三、粉末成形 第1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 此阶段又称为滑动阶段。 第2阶段:压坯经过第一阶段后,密度已达到一定值, 这时粉体又出现了一定的压缩阻力,在此阶段内压力虽然继 续增加,但是压坯密度增加很少,这是因此此时粉末颗粒间 的位移已大大减少,而其大量的变形尚未开始。 第3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,这是因为压力超过粉末颗 粒的临界应力时,粉末颗粒开始变形,而使压坯密度继续增 大,但是当压力增加到一定程度,粉末颗粒剧烈变形造成的 加工硬化,使粉末进一步变形发生困难,因而在此后随压力 的增加,压坯密度的变化不大,逐渐趋于平缓。 158 三、粉末成形 3.2压制压力与压坯密度的定量关系 目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式(包 括理论公式和经验公式)有几十种之多。公式虽多,但却无 理想的公式。这是由于多数理论都把粉末体作为弹性体来处 理;并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化;有的未考 虑到粉末之间的摩擦;而且多数理论都忽略了压制时间的影 响。这些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。 以下是几个有代表性的压制理论: (1)巴尔申压制方程 巴尔申认为在压制金属粉末的情况下,压力与变形之间 的关系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素,经数学处理 后可以得到: 但此方程仅在一定的场合中才是正确。 159 三、粉末成形 (2)川北公夫压制理论 日本的川北公夫研究了多种粉末(大部分是金属氧化物) 在压制过程中的行为。采用钢压模,粉末装入压模后在压机 上逐步加压,然后测定粉末体的体积变化,作出各种粉末的 压力-体积曲线,并得出有关经验公式: (3)黄培云压制理论方程 黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式: 比较上述各压制方程可以看出:在多数情况下,黄培云 的双对数方程不论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方 程用于硬粉末比软粉末效果好。川北公夫方程则在压制压力 不太大时较为优越。 160 三、粉末成形 4. 压制过程中力的分析 压制压力作用在粉末体上之后分为两部分: (1)一部分是用来使粉末产生位移、变形和克服粉末 的内摩擦,这部分称为净压力。 (2)另一部分,是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩 擦的力,这部分力称为压力损失。 因此,压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和。 161 三、粉末成形 4.1侧压力 粉末体在压模内受压时,压坯会向周围膨胀,模壁就会 给压坯一个大小相等、方向相反的反作用力,这个力就叫侧 压力。由于侧压力的存在,当粉末在压制过程中相对于模壁 运动时,使必然产生摩擦力,因此侧压力对压坯过程和压坯 质量具有重要意义。 4.1.1侧压力与压制压力的关系 为研究侧压力与压制压力的关系,可取一个简化的立方 体压坯在压模中受力的情况来分析(如图3-7所示)。 图3-7 压坯受力示意图 162 三、粉末成形 4.1.2侧压系数与压坯密度的关系 研究得出,粉末体的侧压系数 和压坯密度有如下关系: 侧压系数 随侧压力的增加而 增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐 减少时,侧压系数也随之减少。 图3-8为压制压力与侧压系数的关系。 图中线 压制压力与侧压系数的关系 三、粉末成形 4.2外摩擦力 4.2.1外摩擦力 当粉末体受到压力作用时,粉末体将相对于模壁产生运 动,由于侧压力的作用,粉末体与模壁之间将产生摩擦力, 其中粉末颗粒之间的摩擦叫内摩擦力,粉末颗粒与模壁之间 的摩擦叫外摩擦力。 4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系 假设压坯是一个理想的正方体,而粉末颗粒也是一些小 立方体,如图3-9所示。当压坯之截面积与高度之比为一定 值时,压坯尺寸越大,消耗于克服外摩擦的压力损失便相对 减少。由于总的压制压力是消耗于粉末颗粒的位移、变形, 以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损失。所以对于大的压坯 来说,由于压力损失相对减少,因而所需的总的压制压力和 单位压制压力也会相应地减少。表3-1是从压坯比表面积的 角度来说明上述规律的。 164 三、粉末成形 图3-9 粉末压坯与模壁接触的断面示意图 表3-1 压坯尺寸与压坯比表面积的关系 165 三、粉末成形 由表3-1可知,随着压坯尺寸的增加,压坯的 比表面积相对减小,即压坯与模壁的相对接触面积 减小,因而消耗于外摩擦力的压力损失便相应减小, 所以对于尺寸大的压坯所加的单位压制压力比小压 坯所需的要相应减少。 166 三、粉末成形 4.2.3摩擦力对压制过程及压坯质量的影响 图 3-10可知,在无润滑剂情况下进行压制时,外摩擦 压力损失可达60%~90%,压力损失是很大的。这就引起了 压坯密度沿高度分布的不均匀。可以看出,在压制过程中, 外摩擦力对压制过程会有一系列的影响。 图 3-10 167 三、粉末成形 (1)由于外摩擦力的方向与压制压力的方向相反,所以它的存 在实际上无益地损耗了一部分压力,为此要达到一定的压坯 密度,相应地需要增加一定的压制压力。 (2)由于外摩擦力的存在,将引起压制压力的不均匀分布,当 压坯高度较大、阴模壁表面质量不高或不采用润滑方式时, 沿压坯高度的压力降将会十分显著。 (3)由于摩擦力的存在,将阻碍粉末体在压制过程中的运动, 对于复杂形状制品,摩擦力的存在将严重影响粉末体顺利填 充那些棱角部位,使制品不理想。 168 三、粉末成形 4.3脱模压力 把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模 压力同样受到一系列因素的影响,其中包括压制压力、压坯 密度、粉末材料的性质、ag8集团压坯尺寸、模壁的状况,以及润滑 条件等等。 脱模压力与压制压力的关系,取决于摩擦系数和泊松比。 因此可知,脱模压力与压制压力成线性关系 硬质合金物料在大多数情况下的脱模压力值约为压制压 力的30% 在小压力和中等压力下压制时,一般说来,压制压力小 于或等于300~400MPa时,脱模压力一般不超过0.3P。 169 三、粉末成形 4.4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。弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示: 不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压 制压力的关系如图3-11和图3-12所示。 图3-11 各种粉末的轴向弹性后效与压制压力的关系 图3-12 径向弹性后效与压制压力的关系 170 三、粉末成形 弹性膨胀现象的原因:粉末体在压制过程中受 到压力作用后,粉末颗粒发生弹塑性变形,从而在 压坯内部聚集很大的内应力—弹性内应力,其方向 与颗粒所受的外力方向相反,力图阻止颗粒变形。 当压制力消除后,弹性内应力便要松弛,改变颗粒 的外形和颗粒间的接触状态,这就使粉末压坯发生 了膨胀。 171 三、粉末成形 影响弹性后效大小的因素很多,如粉末的种类及其粉末 特性(如粒度和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等)、 压制压力大小、加压速度、压坯孔隙度、压模材质和结构以 及成形剂等。图3-13为不同方法制取的铁粉和铜粉的弹性 后效。 图3-13 各种粉末的弹性后效 172 三、粉末成形 5. 压制密度及其分布 5.1压坯密度分布规律 实践证明,在单向压制时,压坯沿其高度方向上密度分 布是不均匀的。任取一个圆柱形压模,用锡箔纸作垫片(或 用石墨粉作隔层),将同等质量的粉末,分别装入压模中, 然后进行单向压制,即可得到如图3-14所示的压坯形状。 图3-14 用石墨粉作隔层的单向压制压坯 173 三、粉末成形 5.2影响压坯密度分布的因素 实验证明,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。压坯中密度分 布的不均匀性,在很大程度上可以用双向压制来改善。在双 向压制时,与上、下模冲接触的两端密度较低(图3-15)。 图3-15 单向压制与双向压制的压坯密度沿高度方向的分布 174 三、粉末成形 5.3复杂形状压坯的压制 在压制横截面不同的复杂形状压坯时,必须保证整个压 坯内的密度相同。 否则在脱模过程中,密度不同的衔接处就会由于应力的 重新分布而产生断裂或分层;压坯密度的不均匀也将使烧结 后的制品因收缩不同造成的变形也不同,从而出现开裂或扭 曲。 175 三、粉末成形 5.3复杂形状压坯的压制 在压制横截面不同的复杂形状压坯时,必须保证整个压 坯内的密度相同。 而为了使横截面不同的复杂形状压坯的密度均匀,需要 设计不同动作的多模冲压模,并且使它们的压缩比相等。如 图3-16所示。 图3-16 异形压坯的压制 176 三、粉末成形 对于具有曲折形状的压坯,压模结构也必须作相应的调 整,以便使压坯密度尽可能均匀(图3-17)。由图可知, 当压坯截面上各部分的压缩比相同时,其密度也就可以均匀。 图3-17 曲面压坯的压制方法 177 三、粉末成形 6. 成形剂 6.1使用成形剂的目的 粉末体在压制过程中,外摩擦力的存在会引起压制 压力沿压坯高度降低。减少摩擦的方法有两种:一是 使用高光洁度、高硬度的模具;二是在粉末混合料中 加入成形剂(或称粘结剂)。 使用成形剂的目的有: a 促进颗粒变形,改善压制过程,降低单位压制力; b 提高压坯强度,减少粉尘飞扬,改善劳动条件; c 提高压坯密度的均匀性,改善压坯表面质量; d 可明显提高压模寿命等等。 178 三、粉末成形 6.2成形剂的选择原则 选择成形剂的原则有以下几个方面: (1)成形剂的加入不会改变混合料的化学成分;成形剂 在随后的预烧或烧结过程中能全部排除,不残留有害物质; 所放出的气体对人体无害。 (2)成形剂应具有很好的分散性能;具有较好的粘性和 良好的润滑性;并且易于和粉末料混合均匀。 (3)对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大;除特 殊情况外其软化点应当高,以防止混合过程中的温升而熔化。 (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。 实践中,不同的金属粉末必须选用不同的物质作成形剂。 179 三、粉末成形 6.3成形剂的用量及效果 成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及 摩擦表面有关,并与成形剂本身的性质有关。一般说来,细 颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。 成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同(图3-18)。 由图可知,成形剂的加入量与形状因素成正比。 图3-18 形状因素对成形剂加入量的影响 180 三、粉末成形 加入不同粒度的成形剂对粉末流动性、松装密度和脱模 压力的影响如图3-19和图3-20所示。成形剂的加入量还影 响压坯密度和脱模压力(图3-21)。图3-22是成形剂对烧 结体的抗弯强度的影响。 图3-19 成形剂粒度对粉末流动性和松装密度的影响 181 三、粉末成形 图3-20 成形剂粒度对脱模压力的影响 182 三、粉末成形 图3-21 成形剂加入量对涡旋铁粉 压坯密度和脱模压力的影响 图3-22 成形剂对烧结体抗弯强度的影响 183 三、粉末成形 从图3-19~ 图3-22可知,加入成形剂对压坯质量和烧结性能 都有影响,因此应从多方面综合考虑正确地选择和使用成形剂。 由上分析,也可不把成形剂加入混合料中而直接润滑压模。常 用润滑压模地润滑剂有:硬脂酸、硬脂酸盐类、丙酮、苯、甘油、 油酸、三氯乙烷等。图3-23为不同润滑方式对压坯密度的影响。 图3-23 不同润滑方式对压坯密度的影响 184 三、粉末成形 7. 压制废品分析 压制废品的种类很多,主要有分层、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。 (1)分层 沿压坯的棱边向内部发展的裂纹,并且大约与 受压面呈45°角的整齐界面(图3-24)。 (2)裂纹 裂纹一般是不规则的,并且无整齐的界面。但 裂纹同样出现在应力集中的部位(图3-25)。 (3)掉边掉角 (4)压坯密度严重不均和其它废品 图3-24 压制分层 图3-25 压制裂纹 185 三、粉末成形 8. 影响压制过程和压坯质量的因素 8.1粉末性能对压制过程的影响 8.1.1粉末的物理性能的影响 (1)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的 多(表3-2)。 表3-2 金属粉末的硬度与压制压力的关系 (2)金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。一般 说来,压制硬金属粉末压模的寿命短。 186 三、粉末成形 8.1.2粉末纯度的影响 粉末纯度愈高,压制愈易进行。制造高密度零件时,粉 末的化学成分对其成形性能影响较大。 8.1.3粉末颗粒及粒度组成的影响 粉末的粒度及粒度组成不同时,在压制过程中的行为就 不一致。与颗粒形状相同的粗粉末相比,细颗粒粉末的压缩 性较差,而成形性好。 8.1.4粉末颗粒形状的影响 粉末颗粒形状对压制过程和压坯质量的影响具体反映在 其填充性能、压制性等。粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。 8.1.5粉末松装密度的影响 粉末松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素 松装密度小时,模具的高度和模冲的长度必须增大。松装密 度大时,模具的高度及模冲的长度可以缩短。实践中应采用 的松装密度大小,需根据实际情况而定。 187 三、粉末成形 8.2成形剂对压制过程及压坯质量的影响 成形剂的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加压坯 强度等。 8.3压制方式对压制过程及压坯质量的影响 8.3.1加压方式的影响 为了减少压制过程中的压坯密度出现不均匀现象,可以 采用双向压制及多向压制(等静压制),或者改变压模结构 等。特别是当压坯的高径比较大时,采用单向压制不能保证 制品的密度要求。某些难熔金属化合物(如碳化硼)的压制, 有时为了保证密度要求,还可采用换向压制的方法。 8.3.2加压速度的影响 通常的压制过程均是以静压(缓慢加压)状态进行的。 粉末体受到高速冲击负荷作用时,压坯的致密化过程与静压 时的情况是不同的。 188 三、粉末成形 8.3.3加压保持时间的影响 粉末在压制过程中,如果在某一特定的压力下保持一定 的时间,往往可得到非常好的效果。这对于形状复杂或体积 较大的制品来说更为重要(如图3-26所示)。 图3-26 加压保持时间对压坯密度的影响 对于形状简单、体积小的制品通常不采取保压。如需保 。