1、綜合實(shí)驗(yàn)三 粉末冶金實(shí)驗(yàn)3.1 粉末冶金材料制備與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6 實(shí)驗(yàn)類型：綜合、設(shè)計(jì)型前修課程名稱：材料工程基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料類本科生一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)粉末冶金方法制取鎢銅合金的實(shí)習(xí)，使學(xué)生熟悉粉末冶金制取材料的工藝流程與特點(diǎn)，掌握原始粉末的分析、模壓及冷等靜壓成型的具體操作與特點(diǎn)、產(chǎn)品燒結(jié)過(guò)程中溫度、時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響、多孔材料視比重與孔隙率的測(cè)定、以及排水法測(cè)定產(chǎn)品密度的方法；了解鎢銅合金在軍事和民用方面的應(yīng)用及粉末冶金制取鎢銅合金的一般方法。粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末作為原料，經(jīng)過(guò)成型與燒結(jié)，制取各類金屬制品的一種工藝技術(shù)。粉末冶金工藝的基本工序包括：（1）制粉原

2、料金屬粉末的制得；（2）成型將金屬粉末制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使之具有一定的密度和強(qiáng)度；（3）燒結(jié)即將坯料在主要組元熔點(diǎn)以下溫度燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。粉末冶金具有以下特點(diǎn)：（1） 粉末冶金能生產(chǎn)普通熔煉法無(wú)法生產(chǎn)的具有特殊性能的材料。如多孔材料、多孔含油軸承、難熔化合物與金屬組成的硬質(zhì)合金。（2） 粉末冶金制取某些材料與熔煉法相比，性能優(yōu)越。如難熔金屬使用熔煉法時(shí)晶粒粗、純度低。（3） 粉末冶金制造機(jī)械零件是一種少切削、無(wú)切削的新工藝，可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和原材料的利用率。粉末冶金材料和制品的應(yīng)用范圍十分廣泛：從普通機(jī)械制造到精密儀器；從五金工藝到大型機(jī)械；從電子工業(yè)到電

3、機(jī)制造；從采礦到化工；從民用工業(yè)到軍用工業(yè)；從一般技術(shù)到尖端高科技，都有粉末冶金的用武之地。鎢銅合金是公認(rèn)的三大金屬鎢制品之一（鎢絲、鎢桿；鎢基重合金；鎢銅、鎢銀）。鎢銅合金是鎢與銅所組成的既不互相固溶又不形成金屬間化合物的兩相單體均勻混合的組織，稱之為“偽合金”（Pseudoalloy）。正是因?yàn)檫@一組織特點(diǎn)，使鎢銅合金既具有鎢的耐高溫、高硬度、低膨脹系數(shù)等特性，又保留了銅的高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、良好的塑性等特性，使鎢銅合金具有良好的綜合性能。鎢銅合金在軍事上廣泛應(yīng)用于固體火箭的喉襯噴口和燃?xì)舛妗㈦姶排诘膶?dǎo)軌材料、反坦克武器的破甲彈藥罩和軍用電真空器件的封接材料；在民用方面，鎢銅合金作為高壓開(kāi)關(guān)觸

4、頭材料、等離子加工、二氧化碳激光器和電火花加工電極、微電子器件中的基片、嵌塊、連接件和散熱元件以及微波屏蔽材料等。鎢銅合金中鎢的高熔點(diǎn)以及鎢、銅的互不相溶性，決定了鎢銅材料只能采用粉末冶金工藝制取。根據(jù)鎢銅合金中銅的加入方式不同鎢銅合金的制取工藝分為混粉燒結(jié)法和熔滲法，其中熔滲法能獲得很高致密度的鎢銅材料，應(yīng)用較為普遍。二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 粉末原料測(cè)定 2. 壓制成形 3燒結(jié) 4. 滲銅三、實(shí)驗(yàn)步驟. 粉末原料分析1 粒度的測(cè)定（）。 度組成分析。 松裝比重測(cè)定。. 壓制成形1 成型前原料的準(zhǔn)備在成形前，粉末中常常要添加一些改善成形過(guò)程的物質(zhì)，即潤(rùn)滑劑和成形劑。這些物質(zhì)在燒結(jié)過(guò)程中能揮發(fā)干凈。

5、石蠟、合成橡膠、甘油、塑料以及硬脂酸或硬脂酸鹽等是粉末冶金中常用的潤(rùn)滑劑和成形劑，添加量一般為粉末的15%（重量）。本實(shí)驗(yàn)中采用在鎢粉中摻加精煉石蠟，加入量為鎢粉的2%（重量）。步驟如下：稱取鎢粉5kg，平鋪在不銹鋼拖盤中。稱取精煉石臘100g，均勻撒在鎢粉上。將裝鎢粉的不銹鋼拖盤放在烘箱中，緩慢升溫到100120，保溫5分鐘。將上述鎢粉從烘箱中取出，迅速攪拌均勻。待鎢粉自然冷卻到4050后，將粉末過(guò)40目篩，篩上物不要。將中篩下鎢粉再過(guò)120目篩，篩下鎢粉即為壓制用鎢粉。2 壓制成形模壓成形為了獲得我們所設(shè)計(jì)的壓坯密度和強(qiáng)度，一般有兩種方法：即限位法和限壓法。本實(shí)驗(yàn)采用限壓法。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

6、稱取每件制品重量75.0g，倒入壓模中。將壓模放在液壓機(jī)下，壓制壓力為2t/cm2。將壓制好模具加上脫模環(huán)，將壓坯從壓模中脫出。冷等靜壓成型 實(shí)驗(yàn)步驟如下：將計(jì)算每件制品裝粉重量。按鎢粉理論密度60%計(jì)算。G=坯V=0.6理（2r2h）=1.2理r2h將稱好鎢粉裝入壓制模套中，用柱塞塞好模套口，并用鐵絲捆扎好模套口。將裝好鎢粉模套放入液壓缸中，蓋好缸蓋。啟動(dòng)等靜壓機(jī)，加壓至200MPa，保壓5分鐘。卸下液壓機(jī)壓力，打開(kāi)缸蓋，取出壓制件，將表面油擦試干凈，解開(kāi)鐵絲，取出制品。（三）燒結(jié)1 成形劑脫除將模壓坯塊放在不銹鋼舟皿中，如果堆放多層，層與層之間要用AL2O3砂隔開(kāi)。將裝好料舟皿放在氫氣脫蠟

7、爐中。通氫，試爆鳴后，點(diǎn)燃爐中排出廢氣。啟動(dòng)加熱電源，按工藝要求進(jìn)行脫蠟處理。待爐體冷卻后取出坯料。2 燒結(jié)將脫完蠟后的鎢坯碼放在中頻感應(yīng)燒結(jié)爐中，層與層之間要用Zr2O3砂分開(kāi)。(2)通氫，試爆鳴后，點(diǎn)燃爐中排出廢氣。(3). 啟動(dòng)加熱電源，按工藝要求進(jìn)行燒結(jié)。(4). 待爐體冷卻后取出坯料。(四). 滲銅1 每件制品所需Cu重量的計(jì)算根據(jù)測(cè)定的孔隙度，計(jì)算每件制品所需滲入Cu的理論重量，計(jì)算公式如下：mCu理論=8.92J孔mw/(1-J孔)19.3每件制品實(shí)際所需Cu的重量按下式計(jì)算： m實(shí)=1.1m理2 滲銅 實(shí)驗(yàn)步驟如下：. 稱取上述重量Cu粉，將其壓制成塊狀。. 將鎢骨架碼放在鋪有

8、AL2O3粉的石墨舟中，將銅塊放在鎢骨架上，并用AL2O3將其保護(hù)好。. 將裝好料的石墨舟放在滲銅爐中，關(guān)好爐門。. 通氫，試爆鳴后，點(diǎn)燃爐中排出廢氣。. 啟動(dòng)加熱電源，按工藝要求進(jìn)行滲銅。. 待爐體冷卻后取出制品。四. 實(shí)驗(yàn)裝置1、粉末粒度分布分析儀 2 、烘箱 3、電子天平 4、四柱液壓機(jī)（100噸） 5、壓制模具 6、 氫氣脫蠟爐 7、中頻感應(yīng)燒結(jié)爐 8、氫氣滲銅爐 9、冷等靜壓機(jī)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算粉末冶金多孔材料的視比重。2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算粉末冶金多孔材料的孔隙度。3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算W-Cu合金的滲銅量。實(shí)驗(yàn)3.2 無(wú)機(jī)納米粉體的濕化學(xué)制備及其粒度表征實(shí)驗(yàn)學(xué)

9、時(shí)：6 實(shí)驗(yàn)類型：創(chuàng)新型前修課程名稱：材料工程基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料類本科生一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 溶膠凝膠法、高壓水熱法制備無(wú)機(jī)納米粉體工藝的制定及操作；2 BET法測(cè)定納米級(jí)粉體粒度的原理及操作；3 了解不同濕化學(xué)制備工藝及各工藝參數(shù)對(duì)納米粒級(jí)的影響。二、概述無(wú)機(jī)粉體的濕化學(xué)制備由于其反應(yīng)在分子級(jí)水平、反應(yīng)條件相對(duì)溫合、工藝參數(shù)易控，且所制備產(chǎn)物的粒級(jí)可調(diào)，由于上述的特點(diǎn)，濕化學(xué)法是制備窄級(jí)別顆粒乃至納米顆粒粉體最有效、最便利、最精確的方法之一。目前可用于制備納米無(wú)機(jī)粉體的化學(xué)方法主要有：沉淀法、溶膠凝膠法、噴霧法、水熱法（高溫水解法）、溶劑揮發(fā)法等。本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)溶膠凝膠法、水熱法（高溫水解法）工

10、藝，來(lái)探討不同的工藝方法對(duì)所合成無(wú)機(jī)納米粉體的粒度特性的影響。法，是表征超細(xì)顆粒固體材料比表面積和孔結(jié)構(gòu)的有效手段。而當(dāng)所表征超細(xì)顆粒為實(shí)心球體時(shí)，可根據(jù)其所表征物料的比表面積計(jì)算相應(yīng)的粒級(jí)直徑，從而獲得超細(xì)顆粒（納米顆粒）的粒度，且BET是目前測(cè)定納米級(jí)顆粒粒度最精確的方法之一。（一）溶膠凝膠法由金屬有機(jī)化合物、金屬無(wú)機(jī)化合物或上述兩者混合物經(jīng)過(guò)水解縮聚過(guò)程，逐漸凝膠化及進(jìn)行相應(yīng)的后處理，獲得氧化物或其它化合物粉體的濕化學(xué)反應(yīng)制備新工藝，稱為溶膠凝膠法。溶膠凝膠法的主要特點(diǎn)是利用液體化學(xué)試劑（或?qū)⒎蹱钤噭┤苡谌軇┲校┗蛉苣z為原料，反應(yīng)物在液相下均勻混合并進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)生成物是穩(wěn)定的溶膠體系，

11、經(jīng)放置一定時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，其中含有大量液相，需借助（真空）蒸發(fā)除去液體介質(zhì)，在再經(jīng)低溫煅燒即可得到所需化合物納米粉。主要優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程易于控制，設(shè)備要求低；方法易于放大，適合制備從毫克級(jí)到公斤級(jí)（實(shí)驗(yàn)室至工業(yè)生產(chǎn)級(jí)別）的產(chǎn)物；產(chǎn)物純度高，顯微組織可調(diào)，能制備薄膜、纖維等結(jié)構(gòu)；制備參雜范圍寬（包括參雜種類和參雜量），組份精確控制，混合均勻（分子水平混合）。主要影響因素有：溶劑、PH值、反應(yīng)物濃度、溫度等。（二）高壓水熱法是通過(guò)在高溫、高壓條件下數(shù)種組分在水（水溶液）或水蒸氣等流體中處于非理想平衡狀態(tài)下，進(jìn)行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的一種工藝方法。水熱法所制備的超細(xì)粉體最小可達(dá)數(shù)納米水平。水熱合成

12、由于其在高溫高壓條件 下進(jìn)行，增加了反應(yīng)物反應(yīng)活性，可以制備在常溫條件下難于制備的無(wú)機(jī)物；可使低溶點(diǎn)化合物、高蒸氣壓且不能在融體中持成的物質(zhì)、高溫分解相在水熱低溫條件下晶化生成；有利于生長(zhǎng)出缺陷少、取向好、完美的晶體，且合成產(chǎn)物結(jié)晶度高、易于控制產(chǎn)物晶體的粒度。其主要的影響因素有：溶劑相、反應(yīng)pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等。（三）BET粒度測(cè)試N2吸-脫附表征法，主要表現(xiàn)形式是N2吸附平衡等溫線，是以壓力比為橫坐標(biāo)，恒溫條件下吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量為縱坐標(biāo)的曲線。吸附平衡等溫線的形狀、強(qiáng)度與材料的孔組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。根據(jù)IUPAC（國(guó)際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）的分類，吸附平衡等溫線可分為5

13、種不同類型（、）。型等溫線代表微孔材料；型等溫線多代表大孔材料；介孔材料多呈現(xiàn)型吸附平衡等溫線，在較低的相對(duì)壓力下發(fā)生的吸附主要是單分子層吸附，然后是多層吸附，至壓力足以發(fā)生毛細(xì)管凝聚時(shí)，吸附等溫線表現(xiàn)為一個(gè)突躍，介孔的孔徑越大，毛細(xì)管凝聚發(fā)生的壓力越高，之后則是外表面吸附；型等溫線代表非孔材料；型等溫線雖也反應(yīng)中孔材料的特征，但吸附質(zhì)與吸附劑的相互作用性質(zhì)不同，出現(xiàn)情況較少。依據(jù)所測(cè)實(shí)心球體的吸附等到溫線來(lái)計(jì)算物料的粒度組成。本次實(shí)驗(yàn)中所涉及的主要內(nèi)容為：溶膠凝膠、高壓水熱法制備工藝數(shù)，如化學(xué)反應(yīng)的pH、溶液濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)產(chǎn)物粒度的影響；BET的測(cè)試方法。三、實(shí)驗(yàn)步驟1. 每組

14、分成四個(gè)小組，其中兩個(gè)小組進(jìn)行溶膠凝膠工藝實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)小組進(jìn)行水熱合成工藝實(shí)驗(yàn)。2. 通過(guò)BET測(cè)試所制備無(wú)機(jī)粉體粒度特征性。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1. 化學(xué)試劑硝酸鈰、氨水、草酸、硝酸鋁、六次甲基四胺、蒸餾水、無(wú)水乙醇、液氮、N2氣、He氣2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備高壓反應(yīng)釜、電子天平、數(shù)字式酸度儀、磁力加熱攪拌儀、控溫儀、恒溫水裕箱、可控溫烘箱、可控溫箱式電阻爐、循環(huán)水式多用真空泵、比表面測(cè)定儀以及玻璃儀器若干。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集齊全，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)反常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因進(jìn)行說(shuō)明； 2. 結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種現(xiàn)象以及表象背后的變化和反應(yīng)機(jī)理，比較兩種方法所得粉體的不同之處。實(shí)驗(yàn)3.3 熔體

15、快淬法制備非晶、納米晶實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4 實(shí)驗(yàn)類型：創(chuàng)新型前修課程名稱：材料工程基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料類本科生二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 實(shí)踐粗晶材料如何制備成非晶、納米晶材料；2 了解不同快淬速度對(duì)材料的組織的影響；3 了解材料從粗晶變成非晶或納米晶對(duì)其性能的影響。三、 概述熔體快淬就是在真空狀態(tài)下，將熔融的金屬或合金在一定的壓力下，注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，使其在極大的過(guò)泠度下凝固，獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織，由于這種方法具有極高的冷速，可使金屬及合金的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)或得到非晶組織。使制備的金屬或合金具有與一般非平衡冷卻完全不同的力學(xué)和物理性能。金屬或合金的晶粒尺寸隨過(guò)冷度的增加而減小。熔體快淬的冷速

16、極高，可以使多種金屬及合金形成納米晶或非晶態(tài)。而且，由于冷卻銅輥的轉(zhuǎn)速及液態(tài)金屬及合金的噴射壓力是可調(diào)的，所以冷卻速度可以嚴(yán)格控制，從而達(dá)到控制金屬或合金的晶粒度的目的。應(yīng)用熔體快淬制備納米晶、非晶態(tài)金屬及合金的工藝易于控制，而且可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化。目前，熔體快淬已經(jīng)在稀土永磁材料、貯氫合金、Ni2MnGa磁性形狀記憶合金、耐高溫非晶鈦基及鈦鋯基釬焊料、高強(qiáng)度非晶態(tài)結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。熔體快淬方法的典型工藝如下所示，母合金冶煉澆注成錠鑄錠在帶噴嘴的試管中再熔化熔化噴射高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥固化薄帶和輥分離收集帶子晶化退火（可省略）破碎制粉SPS燒結(jié)。熔體快淬分為單輥快淬法和雙輥快

17、淬法。本實(shí)驗(yàn)室用的是單輥快淬法，其原理如圖1 所示。鑄錠在試管內(nèi)被感應(yīng)線圈加熱熔化，然后通入氬氣，使試管內(nèi)外產(chǎn)生0.30.7個(gè)大氣壓的壓力差，使熔化合金從漏嘴噴出，到達(dá)快速旋轉(zhuǎn)的輥面，迅速凝固，形成連續(xù)薄帶，再借助離心力拋離輥面。如此完成一次噴鑄過(guò)程需要數(shù)秒到數(shù)十秒的時(shí)間。圖2為快淬的薄帶。如果淬速更高，得到的薄帶將更碎且細(xì)小，其晶粒為納米級(jí)（如圖3）。實(shí)驗(yàn)中，水冷銅輥的轉(zhuǎn)速、液態(tài)金屬的壓力、液態(tài)金屬的溫度、石英管噴口的尺寸、形狀以及噴口與銅輥的距離都是快淬工藝的關(guān)鍵因素。 圖1 單輥快淬法制備NdFeB薄帶 圖2 NdFeB薄帶圖3 26m/s輥速快淬NdFeB薄帶的TEM快淬工藝的制定包括

18、：1 熔液溫度熔液溫度升高，要得到同樣厚度的快冷條帶，冷卻輥就必須吸收更多的熱量，但是當(dāng)冷卻輥的結(jié)構(gòu)一定時(shí)它的吸熱能力也就是一定的，熔液溫度是受到工藝操作的限制的，實(shí)際操作中要求熔融合金具有較好的流動(dòng)性，也就是要求有一定的過(guò)熱度，一般要求高于熔點(diǎn)100左右，熔液溫度過(guò)低會(huì)因?yàn)榱鲃?dòng)性降低而改變?nèi)厶缎螤钍箮ё儽　？偟目矗紫纫紤]的是熔液的溫度要能夠保證噴制工藝的順利進(jìn)行，不至于因?yàn)闇囟鹊纳晕⑾陆刀茐恼５膰娭七^(guò)程。2 冷卻速度及冷卻輥?zhàn)鳛槔鋮s體的旋轉(zhuǎn)輥是獲得高冷卻速度的主要條件。其冷卻速度表如表1：表1 輥轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的線速度輥面線速度V (m/s)6101520253035404550輥轉(zhuǎn)速 (r/min)3696169241232154018492157246527733082要求制造冷卻輥的材料具有高的熱傳導(dǎo)系數(shù)、有盡可能高的硬度、與合金熔液有好的潤(rùn)濕性、容易加工和保持輥面較高的表面光潔度等性能。常用材料有純銅、銅合金和鋼。隨著噴制次數(shù)的增加或一次噴制量的加大，冷卻輥的溫度不斷升高，為了保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定，必須控制冷卻輥的溫度，這就需要采取對(duì)冷卻輥強(qiáng)迫冷卻的措施，實(shí)際應(yīng)用中大多采用水內(nèi)冷的冷卻方式。冷卻輥表面在噴制帶的過(guò)程中會(huì)不斷被站污、損傷，造成成品條帶上無(wú)規(guī)則的或周期性的孔洞等缺陷，影響帶的質(zhì)量，甚至成為廢品。因此經(jīng)常清理、修整使