1、 Powder Metallurgy粉末冶金學1 緒論 第一章：粉末的制取 第二章：粉末的性能及測定 第三章：成形 第四章：燒結 第五章：粉末冶金材料和制品2 緒論：1.粉末冶金定義2.粉末冶金生產流程3.粉末冶金制品后處理4.粉末冶金與熔化冶金的區別5.粉末冶金的優缺點6.粉末的應用7.粉末冶金的發展史31. 粉末冶金定義定義：把先制取金屬或合金粉末，并將這些粉末裝 入模具里加壓成形，然后在低于熔點的溫度下燒結固化，即燒結成金屬制品或金屬坯的制造工藝。依據：Fusion metallurgy Powder metallurgy42.粉末冶金生產流程圖1 粉末冶金工藝流程52.粉末冶金生產流程

2、制備粉末 (podwer preparation) 制備方法：化學法、物理法及機械法 粉末種類：鐵粉、不銹鋼粉、低碳鋼粉、合金粉、銅粉、鋁粉、非金屬粉等 粉末形狀：光滑形、不規則形粉末混合 (mixing) 混合：不同種類的金屬或合金粉末與非金屬粉末混合 自潤滑軸承：銅粉和錫粉混合 多孔材料：金屬粉和有機物粉混合 硬質合金：金屬粉與碳化物粉 合批：將相同種類而粒度不同的粉末混合6壓制成形 (pressing and forming) 定義：將混合均勻的粉末按一定量（體積或質量）裝入模具后，用壓力機壓制成所希望的形狀、尺寸的坯塊。 模具：耐高壓 壓機：噸位大 坯塊：各種形狀燒結 (sinteri

3、ng) 定義：把坯塊或松裝粉末體加熱到基本組元熔點以下溫度，并在此溫度下保溫，從而使粉末顆粒相互粘結在一起，改善其性能，這種熱處理過程叫燒結。 燒結溫度：主成分金屬熔點的三分之二或 0.70.8T（絕對溫度） 保護氣氛：氮氣、碳氫氣體等，防止制品氧化或發生反應。2.粉末冶金生產流程73.粉末冶金制品后處理再加工(reworking) 定義： 將燒結件再施以大噸位壓力加壓（精整或整形）。 目的：使制品的加工面和尺寸精度更好。浸漬(impregnation) 定義：采取一定方法使液態潤滑劑或非金屬物質或金屬滲入到多孔燒結制品的孔隙內，以提高制品性能的一種方法。 目的：得到耐腐蝕、耐磨損、高密度，能

4、潤滑的制品。 方法：將燒結制品與浸漬劑置于高壓釜內，在一定溫度下施加一定壓力，浸漬劑滲透到制品的孔隙中。 83.粉末冶金制品后處理熔滲(infiltration) 定義：采取一定方法使低熔點金屬或合金滲入到多孔燒結制品的孔隙，以改善制品性能的一種方法。 目的：提高密度、硬度、塑性和韌性。 方法：將小片狀低熔點金屬或合金放在坯塊上，達到一定溫度后小片熔化，然后借毛細管現象滲入到坯塊孔隙內，同時與坯塊一起燒結。其他方法 電鍍、涂層、機加工或蒸氣處理。 94.粉末冶金與熔化冶金的區別 Powder metallurgy ：P.M; Fusion metallurgy ： F.M產品成分、結構不同 P

5、.M最終產品成分未變，只是粉末固結在一起； F.M最終產品組織結構發生變化，例：開始是兩種金屬，最后是合金。產品性能不同 P.M可生產特殊性能產品，例：高熔點金屬、多孔材料、摩擦材料、磁性或電性能材料； F.M只能生產普通產品。104.粉末冶金與熔化冶金的區別生產工藝不同 P.M工藝 a.傳統方法：金屬化學法、物理法、機械法不同形狀、粒度的粉末混合壓制燒結制品后處理 b. 先進技術：熱固結壓制和燒結同時進行（熱壓、熱擠壓、熱等靜壓、鍛壓等） F.M工藝 金屬熔煉成錠軋制、拉伸、擠壓、鍛壓、機加工線材、棒材、型材等不同形狀、不同性能的產品115.粉末冶金的優缺點優點 1.經濟 燒結后制品可直接應

6、用；金屬損耗低（15%），大規模生產更經濟。 2. 可制備其他方法不能生產或雖能生產但很困難的制品 （1）高熔點金屬或化合物12 （2）高純材料 粉末冶金不熔化材料，在保護氣氛或真空中燒結，只要粉末純度高即可生產高純產品。 （3）互不相溶的粉末制品 碳粉與銅粉互不相溶，但將碳粉與銅粉均勻混合后壓制燒結成電機用電刷。 （4）多孔材料 金屬粉末中預先混入少量低溫下揮發的有機物粉末或易揮發低熔點金屬粉末，控制一定的壓制壓力、燒結溫度、時間，易揮發金屬或有機物揮發形成孔隙。5.粉末冶金的優缺點13缺點 1.昂貴的粉末 要控制粉末形狀、粒度、粒度分布等。 2.昂貴的模具 要承受更大的壓力。 3.壓機 噸

7、位要足夠大。5.粉末冶金的優缺點146.粉末的應用直接應用 顏料、油墨、試劑、炸藥、燃料、食品添加劑；結構件 燒結鐵基零件、不銹鋼零件，燒結銅、鋁及其合金零件特殊材料及制品 多孔、磁性、超導材料，自潤滑軸承，金屬陶瓷，電極，石墨電刷，硬質合金157.粉末冶金的發展史海綿鐵粉(sponge iron) 時間：公元前3000年前，最早的粉末冶金技術，生產的粉末是海綿鐵粉。 生產方法：較純的鐵礦（Fe3O4）木炭還原（在木炭爐內） 海綿鐵破碎成細粒清洗干凈揀出脈石和渣壓制燒結（或松散狀態燒結）鍛壓產品16鍛壓鉑（wrought platinum) 熔點：1772 時間：17501850年 生產方法：

8、自然鉑清洗干凈壓制成形燒結熱鍛 鍛壓鉑 生產國家：西班牙、英國、前蘇聯 發展狀況：隨著科技的發展，合適的爐子和耐火材料出現。P.M生產鍛壓鉑的工藝消失，現在采用F.M法。7.粉末冶金的發展史177.粉末冶金的發展史鎢絲(tungsten wire) 熔點：3140 時間：20世紀初開始，1913年獲得專利 生產方法：WO3氫還原W粉燒結低壓高密度電流再燒結 密度90%的固態W 模鍛 鎢絲 還原反應： WO3+3H2= W+3H2O 燒結溫度： 1200； 模鍛溫度： 2000高熔點金屬（ refractory metal) Mo、Nb、Ti、Ta、Zr 時間：1940年前采用粉末冶金方法，19

9、40年后采用真空電弧、電子束 187.粉末冶金的發展史自潤滑軸承或含油軸承（self-lubricating bearing) 時間：20世紀20年代 特征：孔的體積占軸承體積的1530%，潤滑劑貯存在孔內 材料：90%Cu粉，10%錫粉，無機物粉 生產方法：Cu粉+錫粉+無機物粉混合壓制成軸承形狀燒結多孔軸承浸漬（油） 含油軸承與自潤滑軸承相關的產品 多孔過濾器、金屬電刷（Cu粉和石墨粉）、摩擦材料等。197.粉末冶金的發展史硬質合金(cemented carbides) 時間：20世紀20年代，1925年獲得專利 特征：硬度高、耐磨損，作為切割工具、模具或軋輥等 材料：金屬碳化物（TiC、

10、TaC、WC）、金屬粘結劑 生產方法： WC粉+Co粉混合燒結硬質合金 燒結溫度：1400 ； 燒結氣氛：氫氣 微觀結構：粘結劑基體中彌散著碳化物顆粒207.粉末冶金的發展史結構件(structural parts) 時間：20世紀30年代后期 最早的結構件：油泵齒輪，由鐵粉和石墨粉混合燒結而成，基體為共析合金鋼，有25%孔，性能類似于鑄鐵 結構件種類：鐵基零件、低碳鋼、不銹鋼、銅、青銅、黃銅、鎳、 鋁、鈦、銀等 特點：數量大、用途廣，自動壓制、連續燒結爐燒結 生產方法：傳統方法再加工（浸漬、熱鍛、淬火和回火、滲碳、滲碳氮）結構件217.粉末冶金的發展史最先進的技術熱固結（hot consol

11、idation) 熱固結：壓制與燒結結合起來同時進行的一種技術 時間：20世紀40年代后 熱固結方法：熱壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱鍛等 熱固結產品：工具鋼、超合金、鈦合金等 產品特征：全密產品22第一章粉末的制取粉末的制取方法 1.物理法（physical methods) 借助物理作用改變原材料的聚集狀態而獲得粉末的工藝過程； 2.化學法(chemical methods) 借助化學作用改變原材料的化學成分而獲得粉末的工藝過程； 3.機械法(mechanical methods) 將原材料機械地粉碎而化學成分基本上不發生變化的工藝過程。 制粉原材料：純金屬、合金、有機物、碳化物 選擇方法的依據

12、：粉末性能、成本23第一章粉末的制取霧化法 霧化：將熔融金屬或合金直接破碎成細小液滴，然后冷凝成粉末。始于第二次世界大戰生產鐵粉。 方法：二流霧化（水流、氣流）、離心霧化、真空霧化、超聲波霧化等。 流程：金屬熔化破碎液滴冷凝粉末 原理：熔融金屬借助介質（水、氣、離心力、真空、超聲波能量）的作用破碎成液滴，然后凝固成粉末。整個過程只要克服液體金屬原子間的結合力就能把液體金屬分散成液滴。相比較而言，機械法要克服固體金屬原子間的結合力。因此，從能量消耗來看，霧化法是一種簡便且經濟的粉末冶金方法。 24第一章粉末的制取1.二流霧化（水霧化或氣霧化） 借助高壓水流或氣流的沖擊來破碎熔融金屬流。 圖2-2

13、水霧化和氣霧化示意圖(a)水霧化；(b)氣霧化25第一章粉末的制取 （1）二流霧化形式 a.平行噴射：氣流與金屬流平行； b.垂直噴射：氣流或水流與金屬流成垂直方向； c.V 形噴射：氣流或水流與金屬流成一定角度； d.錐形噴射：氣體或水從平均分布在圓周上的小孔噴出，構成一個封閉的錐體，交匯于錐頂點，將流經該處的金屬流擊碎； e.旋渦環形噴射：壓縮氣體從切想方向進入噴嘴內腔，然后以高速噴出形成一封閉的錐體，金屬流在錐底被擊碎。26第一章粉末的制取圖2-5二流霧化形式27第一章粉末的制取圖2-7V形水噴射形式28第一章粉末的制取圖2-6二流霧化噴嘴結構氣流與金屬流間的交角；A噴口與金屬流軸間的距

14、離；D噴射寬度；P漏嘴突出噴嘴部分(2)二流霧化噴嘴 作用：使霧化介質獲得高能量、高速度，穩定霧化效率和霧化過程。29第一章粉末的制取（3）氣霧化霧化介質：高壓惰性氣體粉末形狀：球形圖2-9氣霧化粉末形成過程圖2-8氣霧化裝置30第一章粉末的制取（4）水霧化 霧化介質：高壓水 粉末形狀：不規則形 粉末粒度： 其中 D常數； 金屬流與水流軸間的夾角。 圖2-10水霧化裝置31第一章粉末的制取(5)水霧化機理： a. 濺落機理：所得金屬液滴與水滴飛行方向相反； b. 擦落機理：所得金屬液滴與水滴飛行方向相同。圖2-11水霧化模式32第一章粉末的制取（6）霧化粉末性能： a. 粒度、粒度分布及可用粉

15、末收得率； b. 粉末形狀、松裝密度、流動性、坯塊密度及比表面； c. 粉末的純度和結構。（7）影響二流霧化粉末性能的因素： a. 霧化介質 氣霧化可得球形粉末，水霧化得不規則形粉末，水冷卻能力強且廉價，用于含氧化物的金屬或合金，氣用于制取易氧化金屬或合金粉末。 b. 金屬流 金屬的表面張力、粘度、過熱度及金屬流直徑； c. 霧化裝置 金屬流長度、噴射長度、噴射角度。33第一章粉末的制取圖2-1離心霧化示意圖2.離心霧化（離心力） 借助離心力破碎熔融金屬流。34第一章粉末的制取離心霧化形式 a. 旋轉圓盤：利用機械旋轉產生的離心力將金屬流擊碎成小液滴，然后冷凝成粉末。制備鐵粉、鋼粉。 b.旋轉

16、坩堝霧化：有一固定電極和一個旋轉水冷坩堝，電極和坩堝內的金屬之間產生電弧時金屬熔化，在離心力作用下，熔融金屬在坩堝出口處被破碎成液滴。制備鋁合金、鈦合金、鎳合金粉末。 c.旋轉電極霧化：將要霧化的金屬作為旋轉自耗電極，國定的鎢電極產生電弧，使金屬熔化。制備高合金粉末、活性金屬粉末（Zr、Ti）、超合金粉末等。35第一章粉末的制取3. 超聲波霧化 利用超聲波能量破碎金屬流成液滴。高速氣體脈沖以60000120000Hz的特征頻率和4個馬赫數的高速沖擊金屬，將金屬流破碎成液滴。粉末形狀：球形粉末特性：平均粒度小，粒度分布范圍窄。圖2-4超聲波霧化示意圖36第一章粉末的制取4.真空霧化（真空溶氣霧化） 霧化原理：熔融金屬在真空狀態下用 具有一定壓力下的氣體（氫氣）快速 飽和，氣體膨脹形成細的粉末噴射流。 粉末特征