材料制备技术-粉末冶金.pptx

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1、第一节第一节 概述概述第二节第二节 粉体制备技术粉体制备技术第三节第三节 成型技术成型技术第三章第三章 粉末冶金粉末冶金粉末冶金定义粉末冶金定义n制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。艺技术。n制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的制品的技术科学品的

2、技术科学。汽车变速器系统用粉末烧结钢件汽车变速器系统用粉末烧结钢件:汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车发动机用粉末烧结钢零件金金属属切切削削刀刀片片硬质合金刀具：钨钨基基高高密密度度合合金金Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永磁、铁氧体永磁精细陶瓷制品精细陶瓷制品金属金属粉末粉末和粉和粉末冶末冶金材金材料、料、制品制品的应的应用用工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例地质、采矿工具硬质合金，金刚石-金属材料机械加工硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车、拖拉机制造机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器机床制造、纺织机械机械零件，多孔含油轴承 等机车制造多孔含油轴承，摩擦材料 等造船多孔含油轴承

3、，摩擦材料，油漆用铝粉 等冶金矿山机械多孔含油轴承，机械零件，等电机制造多孔含油轴承，铜-石墨电刷，硬磁材料精密仪器、仪表零件硬磁材料，软磁材料，功能陶瓷 等工业炉电热材料，电真空材料电气和电子工业电接触材料，电真空材料，磁性材料，功能陶瓷无线电和电视磁性材料，功能陶瓷 等五金和办公用具机械零件 等医疗器械机械零件，特殊器械 等化学、石油工业过滤器，防腐零件，催化剂载体 等军事工业穿甲弹头，炮弹箍，军械零件 等航空摩擦材料，过滤器，粉末超合金 等航天和火箭难熔金属及合金，纤维强化材料，发汗材料 等原子能工业核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料 等常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金减摩材料。通过在

4、材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯穿，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。（4）粉末冶金工模具材料。包括 硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具

5、和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。粉末冶金开展简史粉末冶金开展简史约3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；3世纪，印度人用同样方法制得“德里柱”，重达6.5吨；19世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺；现代粉末冶金从1909年，W.D.Coolidge 的电灯钨丝问世开始。现代粉末冶金开展的三个重要标志：现代粉末冶金开展的三个重要标志：1909年制造电灯

6、钨丝的技术成功（W粉成形、烧结、锻打、拉丝）；1923年硬质合金研制成功。20世纪30年代，多孔含油轴承成功；相继开展铁基机械零件 向新材料、新工艺开展：20世纪40年代，金属陶瓷、弥散强化材料（如烧结铝）；60年代末70年代初，粉末高速钢、粉末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。粉末冶金材料和制品出现年代钨1909难熔碳化物19001914电触头材料19171920WC-Co硬质合金19231925烧结摩擦材料1929多孔青铜轴承19211930WC-TiC-Co硬质合金19291932烧结磁铁1936多孔铁轴承1936机械零件、合金钢机械零件19361946烧结铝1946金属陶瓷（T

7、iC-Ni）1949钢结硬质合金1957粉末高速钢1968与传统材料制备方法的比较与传统材料制备方法的比较IM(Ingot Metallurgy)熔铸法熔铸法 熔熔(melting)、炼、炼(refining)、铸、铸(casting)铸件铸件(castings)机加工机加工(machining)零件零件 铸坯铸坯(ingots)塑性成形塑性成形(plastic forming)热处理热处理(heat treatment)机机加工（加工（切削切削(cutting)）零件零件 挤压挤压(extrusion)、轧制、轧制(rolling)、拉拔、拉拔(drawing)、冲压冲压(punching)

8、、锻造、锻造(forging)nPM(Powder Metallurgy)粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)压型压型(pressing)烧烧结结(sintering)粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较 多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金、材料制备、压力加工、热工、机械、自动操作等学科技术。（一）一般特点1优点（1）可生产一般熔铸法难于生产的材料 多孔材料（孔隙度可控）；假合金（如Cu-W）；复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越

9、防止成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。（3）对制品成型有明显优势 是一种少切削、无切削工艺（近净成型near net-shape）；可大批量生产同一零件；形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；不需或可简化机械的精加工作业；节能、省材；可制造自润滑材料。2缺点 粉末本钱高；形状、尺寸受到一定限制；成形模具较贵；一般要生产量在500010000个/批，才经济。烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。与其他成型工艺比较（制造金属结构件）与其他成型工艺比较（

10、制造金属结构件）1和熔铸技术比较粉末冶金优势：粉末冶金制件外表光洁度高；制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；合金化与制取复合材料的可能性大 组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件）适于制造大型零件；零件生产批量小时，经济；一般说来，工、模具费用低。2和热模锻技术比较粉末冶金优势：粉末冶金制件精度比精锻高；粉末锻造节省材料、重量操作精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。热模锻优势：可制造大型零件；锻件力学性能比烧结粉末

11、冶金零件高，但与粉末锻造件相当；可制造形状复杂程度较高的制品。（1）制粉（2）物料准备（3）成形（4）烧结 单元系烧结 多元系烧结 固相烧结 液相烧结 热压（热等静压）、熔浸等。（5）烧结后处理粉末冶金一般工艺粉末冶金一般工艺粉粉末末冶冶金金生生产产工工艺艺2.1 2.1 金属粉末的性能金属粉末的性能1、化学成分n氧化物:通常，金属粉末的氧化物含量越少越好n气体杂质：氧、氢、一氧化碳及氮;真空脱气处理2、物理性能n材料熔点,比热,电学,磁学,光学性质,n颗粒形状、大小和粒度组成n比外表积n颗粒密度n显微硬度球形球形,针形针形,树枝形树枝形,粒状粒状,片形片形,瘤状瘤状,多角形多角形,海绵形海绵

12、形,不规则形不规则形n颗粒形状:颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关n球形粉末-雾化法 Spherical powdersn多孔粉末-复原法 Porous powdersn树枝状粉末-电解法 Dendrite powdersn片状粉末-研磨法 Plate powders松装密度、流动性、压缩性、成形性3 3、工艺性能、工艺性能1 1）松装密度松装密度 apparent density（1)Definition:单位体积内自由松装粉末体的质量g/cm3 3（2）意义:自动压制容积法（3）测量方法:流量法，粉末自由落下（4）影响因素:particle shape，size，and surface co

13、nditions，components 松装密度测定装置松装密度测定装置(a)装配图(b)流速漏斗(c)量杯 a、粒度 粒度小，松装密度小 复原铁粉 电解铁粉b、颗粒形状 形状复杂 松装密度小 粉末形状影响松装密度，从大到小排列 球形粉类球形不规则形树枝形 sphere-similar sphere-irregular-dentriticalc、外表粗糙 Surface coarsed、粒度分布 Particle size distribution 1 细分比率增加，松装密度减小;2 粗粉中参加适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉2 2）流动性流动性 Flow abilityFlow ab

14、ility定义：定义：一定量粉末(50g)流经漏斗所需的时间：sec./50 gram 意义：影响压制操作的自动装粉盒压件密度均匀性影响因素:颗粒间的摩擦 n形状复杂，外表粗糙，流动性差n理论密度增加，比重大，流动性增加n粒度组成，细粉增加,流动性差n同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒外表吸附水分、气体,参加成形剂 减低粉末的流动性;n流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗（又称流速计）是用150目 砂粉末，在40s内流完50g来标的;n采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡

15、量流动性;粉末锥的底角称为natural angle of repos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。n如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；n流动性直接影响 压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能-制粒工序,改善流动性;3 3）压缩性压缩性 Compressive abilityCompressive ability(1)定义定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压力下（30t/inch2 2）粉末压坯的密度(2)意义意义:压坯密度，最终烧结密度和性能。(3)影响因素影响因素:a 颗粒塑性，显微硬度 b 颗

16、粒形貌：不规则的颗粒压缩性差 c 密度减少时（空隙增加）压缩性差 d 合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性4 4）成型性成型性 Formation abilityFormation ability定义定义:粉末压制后，压坯保持既定形状的能力粉末压制后，压坯保持既定形状的能力 用压坯强度表示意义意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素影响因素:颗粒之间的啮合与间隙a 不规则颗粒，颗粒间连接力强,成型性好b 颗粒越小，成型性越好;与压缩性影响后果相反,必须综合考虑2.2 粉末制备方法粉末制备方法n 机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。n 物理法

17、：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。n 化学法：依靠化学反响或电化学反响过程，生成新的粉态物质。固态固态三种途径：三种途径：液态液态 粉末粉末 气态气态 固态固态 粉末粉末1 1、金属（合金）、金属（合金）金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀2 2、金属氧化物（盐类）、金属氧化物（盐类）金属粉末：复原法金属粉末：复原法3 3、金属非金属化合物、金属非金属化合物 金属化合物粉末：复原化合法金属化合物粉末：复原化合法金属氧化物非金属化合物金属氧化物非金属化合物机机械械制制粉粉方方法法的的实实质质就就是是利利用用动动能能来来破破坏坏材材料料的的内

18、内结结合合力力，使材料分裂产生新的界面。使材料分裂产生新的界面。机械研磨法、气流研磨法机械研磨法、气流研磨法粉碎的基本形式粉碎的基本形式 物物料料颗颗粒粒受受机机械械力力作作用用而而被被粉粉碎碎时时，还还会会发发生生物物质质结结构构及及外外表表物物理理化化学学性性质质的的变变化化，这这种种因因机机械械载载荷荷作作用用导导致致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。滚筒式滚筒式行星式行星式振动式振动式搅动式搅动式球磨法球磨法 在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击

19、力、侧向球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为，不管何种性质的研磨物料，提高球和冷焊等行为，不管何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。磨效率的基本原则是一致的。球磨制粉包括四个基本要素：球磨制粉包括四个基本要素：球磨

20、筒、磨球、研磨物料、研磨介质球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质滚滚筒筒式式球球磨磨转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速V临2。搅动球磨搅动球磨搅动球磨搅动球磨:横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。只要

21、转速和装球量适宜，在任何情况下磨筒底部都不会出现死角由于磨球的动能是由转轴横臂的搅动提供的，研磨时不会存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动能大大增加。同时还可以采用提高搅动转速。减小磨球直径的方法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能，这样才符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则：球磨制粉的基本原则：气流研磨法 通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同的是，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。根据粉料的化学性质，可采用不同的气源，如陶瓷粉多采用空

22、气，而金属粉末则需要用惰性气体或复原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。旋旋涡涡研研磨磨气流研磨三种气流研磨三种类型：类型：旋涡研磨、冷流冲击、流态化床气流磨冷流冲击冷流冲击加速效应：加速后的气体可超过音速；冷却效应：气粉混合物的温度能降到零度以下。这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞击动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。夹带有粉料的高压气流通过一个称为拉瓦尔管型硬质合金喷嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热膨胀过程。这一过程会同时产生两种效应流态化床气流磨流态化床气流磨 grinding Venturi nozzle pusher

23、 ceramic liner 可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由由于于气气体体绝绝热热膨膨胀胀造造成成温温度度下下降降，所所以以可可研研磨磨低低熔点物料；熔点物料；粉粉末末不不与与研研磨磨系系统统部部件件发发生生过过度度的的磨磨损损，因因此此粉粉末杂质含量少；末杂质含量少；针针对对不不同同的的性性质质的的粉粉末末，可可使使用用空空气气、N2、Ar等等惰性气体。惰性气体。流态化床气流磨的特点流态化床气流磨的特点：1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率气流研磨制粉的基本原则气流研磨制粉的基本原则 由于粉末颗粒的运动是从流态气体中

24、获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。两种方法来实现两种方法来实现提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计通过这两种方法使喷嘴出口端的气体流速达超音速 液态液态 粉末粉末1 1、液态金属（合金）、液态金属（合金）金属粉末：雾化法金属粉末：雾化法2 2、金属盐溶液、金属盐溶液金属粉末：置换法，溶液氢复原法，金属粉末：置换法，溶液氢复原法，水溶液电解法水溶液电解法3 3、金属熔盐、金属熔盐金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法 雾雾化化法法是是一一种种典典型型的的物物理理制制粉粉方方法法，是是通通过过高高压压雾雾化化介介质质，如如气气体体或或水水强强烈烈冲冲

25、击击液液流流，或或通通过过离离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。心力使之破碎、冷却凝固来实现的。雾化制粉法雾化雾化聚并聚并凝固凝固外力冲击相互接触冷却u 雾化机理雾化机理过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的外表能增加。很明显，雾化时液体汲取的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：汲取的能量越高则粒径越小；反之亦然。过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总外表能降低，属于自发过程。过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。雾化制粉分

26、类雾化制粉分类双流雾化双流雾化 被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化单流雾化 直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化 双流雾化法双流雾化法气雾化、水雾化（适合于金属粉末制备）二者的区别二者的区别：粉粉末末形形状状：气气雾雾化化容容易易获获得得球球形形粉粉末末。水水雾雾化化获获得得粉粉末末外外表表张张力力较较小小的的呈呈土土豆豆状状或或不不规规则则形形状状，只只有有那那些些外外表表张张力力较较大大的的合合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化化学学成成分分：不不管管是是采采用用水水雾雾化化还还是是采采用用气气雾雾化化，制制作作出出的的合合金金粉末的

27、化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金金相相组组织织：采采用用气气雾雾化化制制作作的的合合金金粉粉末末，合合金金的的过过冷冷度度要要比比采采用用水水雾雾化化制制作作的的小小许许多多，所所以以相相同同的的化化学学成成份份，采采用用不不同同的的雾雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。气雾化颗粒形貌水雾化铜粉颗粒形貌 金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或

28、水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。时间内凝固成为粉末颗粒。工艺原理：工艺原理：雾化过程的四种情况雾化过程的四种情况动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的外表能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及外表张力随温度的降低而不断发生变化；化学反响：高比外表积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反响。气雾化的四个区域气雾化的四个区域负压紊流区负压紊流区 高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；下方形成负

29、压紊流层；颗粒形成区颗粒形成区 在气流冲击下，金属液流分裂为许多在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；液滴；有效雾化区有效雾化区 气流聚集点对原始液滴产生强烈破碎气流聚集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；作用，进一步细化；冷却凝固区冷却凝固区 细化的液滴的热量迅速传递给雾化介细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。质，凝固为粉末颗粒。1、能量交换准则、能量交换准则 提高单位时间、单位质量液体从系统中汲取能提高单位时间、单位质量液体从系统中汲取能量的效率，以克服外表自由能的增加。量的效率，以克服外表自由能的增加。2、快速凝固准则、快速凝固准则 提高雾化液滴的冷却速度，防止液体

30、微粒的再提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。次聚集。提高雾化制粉效率基本准则提高雾化制粉效率基本准则气雾化制粉的影响因素气雾化制粉的影响因素气体动能、喷嘴结构、液流性质、喷射方式 借助离心力借助离心力的作用将液态金的作用将液态金属破碎为小液滴，属破碎为小液滴，然后凝固为固态然后凝固为固态粉末颗粒的方法。粉末颗粒的方法。1974年，首先由年，首先由 提出旋转电极雾提出旋转电极雾化制粉法，后来化制粉法，后来又开展了旋转锭又开展了旋转锭模、旋转园盘等模、旋转园盘等离心雾化方法离心雾化方法离心雾化法离心雾化法旋转盘法旋转盘法旋转盘法最早于1976的 Pratt&Whitney 飞机制造公司

31、研制出，用来制备超合金粉末。这种方法获得的粉末平均粒度同园盘转速有关，转速越高，则平均粒度越小，细粉收得率越高。旋转锭模（坩埚）法旋转锭模（坩埚）法旋转轮法旋转轮法旋转杯旋转杯旋转网旋转网 气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气气相物质发生气固相变或气相化学反响，生成金固相变或气相化学反响，生成金属或陶瓷粉体。属或陶瓷粉体。v 物理气相沉积法物理气相沉积法v 化学气相沉积法化学气相沉积法 气态气态 粉末粉末1 1、金属蒸汽、金属蒸汽金属粉末：蒸汽冷凝法金属粉末：蒸汽冷凝法2 2、气态金属羰基物、气态金属羰基物金属粉末：羰基物热离解法金属粉

32、末：羰基物热离解法3 3、气态金属卤化物、气态金属卤化物金属粉末：气相氢复原法金属粉末：气相氢复原法4 4、气态金属卤化物、气态金属卤化物金属化合物粉末：化学气相金属化合物粉末：化学气相沉积法沉积法蒸蒸汽汽冷冷凝凝法法物理气相沉积法物理气相沉积法1.均相形核；均相形核；2.2.晶粒生长；晶粒生长；3.3.团聚团聚制粉过程包制粉过程包括三个步骤括三个步骤：一、化学气相沉积的反响类型一、化学气相沉积的反响类型分解反应化学气相沉积法化学气相沉积法化合反应二、化学气相沉积制粉原理二、化学气相沉积制粉原理1.化学反响；化学反响；2.2.均相形核；均相形核；3.3.晶粒生长；晶粒生长；4.4.团聚团聚制粉

33、过程包括四个步骤制粉过程包括四个步骤：化合反应化合反应由上式可知，化学气相沉积反响的操作因素包括：1）反响温度、2）气相反响物浓度、3）气相生成物浓度1.1.化学反响化学反响对一个确定的化学反响，判断其能否进行的热力学判据为：分解反应分解反应 气相反响发生后的瞬间，在反响区内形成了产物蒸气，气相反响发生后的瞬间，在反响区内形成了产物蒸气，当反响进行到一定程度时，产物蒸气浓度到达过饱和状态，当反响进行到一定程度时，产物蒸气浓度到达过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反响产物晶核的形成是个均匀形核过程。底，因此反响

34、产物晶核的形成是个均匀形核过程。假设晶核为球形，半径为假设晶核为球形，半径为r r，则形成一个晶核，体系自由能，则形成一个晶核，体系自由能的变化为：的变化为：2.2.均匀形核均匀形核为固气相的体积自由能差为晶核的外表能临界形核半径对应大小的晶核则被称为临界晶核晶核的表面能晶核中原子或分子的体积玻尔兹曼常数产物的气相分压产物的饱和蒸气压，过饱和程度。P0P/P0 温度越高，过饱和度越大，则临界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，对晶体生成越有利。均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都说明：晶粒生长过程主要受产物分子从反响体

35、系中向晶粒外表的扩散迁移速率所操作。3.3.晶粒生长晶粒生长 颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。对于超微粉末，团聚是一个普遍存在并不容无视的问题，在实际使用超微粉末时，如果不能有效地解决团聚问题，则粉末就可能失去其特有的性质。4.4.团聚团聚 三、化学气相沉积类型三、化学气相沉积类型热分解法热分解法热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物第一步：合成羰基镍第一步：合成羰基镍第二步：羰基镍热分解第二步：羰基镍热分

36、解气 相 氢 还 原 复原剂-氢气气相金属热复原 复原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反响的反响物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主气相复原法气相复原法复合反响法复合反响法 复合反响法是一种重要的制取无机化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原料是金属卤化物(以氯化物为主)，在一定温度下，以气态参与化学反响。1.碳化物反响通式碳化物反响通式2.氮化物反响通式氮化物反响通式3.硼化物反响通式硼化物反响通式4.硅化物反响通式硅化物反响通式一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件一些碳化物、氮化物、硅化物、

37、硼化物的沉积条件化学复原法化学复原法一、复原制粉的基本原理一、复原制粉的基本原理依据热力依据热力学原理确学原理确定反响能定反响能否发生否发生氧位图氧化物的氧化物的 G0T 图图二、典型复原制粉类型二、典型复原制粉类型氢复原法氢复原法碳复原法碳复原法复原化合法复原化合法被复原物料 复原剂 举 例 备 注 固体 固体 固体 固体 气体 熔体 FeO+CFe+CO WO3+3H2W+3H2O ThO2+2CaTh+2CaO 固体碳复原 气体复原 金属热复原 气体 气体 气体 固体 气体 熔体 WCl6+3H2W+6HCl TiCl4+2MgTi+2MgCl2 气相氢复原 气相金属热复原 溶液 溶液

38、熔盐 固体 气体 熔体 CuSO4+FeCu+FeSO4 Me(NH3)nSO4+H2Me+(NH4)2SO4+(n-2)NH3 ZrCl4+KCl+MgZr+产物 置换 溶液氢复原 金属热复原 电化学制粉法电化学制粉法一、电化学制粉分类一、电化学制粉分类v 水溶液电解水溶液电解v 有机电解质电解有机电解质电解v 熔盐电解熔盐电解v 液体金属阴极电解液体金属阴极电解！二、电化学制粉原理二、电化学制粉原理以铜电解制粉为例以铜电解制粉为例电化学体系电化学体系阳极：阳极：CuCu（纯）（纯）阴极：阴极：CuCu粉粉电解液：电解液：CuSOCuSO4 4、H H2 2SOSO4 4、H H2 2O O

39、电化学反响电化学反响阴极反应：阴极反应：阳极反应阳极反应：生产方法生产方法原材料原材料金属粉金属粉末末合金粉合金粉末末化合物粉化合物粉末末包覆粉包覆粉末末电电解解水溶液电解水溶液电解金属盐溶金属盐溶液液Fe Co Ni AgFe-Ni熔盐电解熔盐电解金属熔盐金属熔盐Ta Nb Ti Zr Th BeTa-Nb碳化物，碳化物，硼化物，硼化物，硅化物硅化物离子液体电离子液体电解解金属有机金属有机物离子液物离子液体体电电化化腐腐蚀蚀晶间腐蚀，晶间腐蚀，不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢电腐蚀电腐蚀金属或合金属或合金金任何金任何金属属任何合任何合金金三、电化学制粉的影响因素三、电化学制粉的影响因素电流密度、电解

40、液温度、搅拌、刷粉周期电流密度、电解液温度、搅拌、刷粉周期粉末制备新技术粉末制备新技术 在此法中在此法中,稳定的平头火焰是由低压燃料稳定的平头火焰是由低压燃料/氧气氧气混合气的燃烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃混合气的燃烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃烧室烧室,在火焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室在火焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室外表温度分布良好外表温度分布良好,气相逗留时间短以及化学母体气相逗留时间短以及化学母体浓度均匀浓度均匀,并在很窄的热区进行热分解并在很窄的热区进行热分解,因而能生产因而能生产出粒度分布集中的高质量的纳米粉。出粒度分布集中的高质量的纳米粉。1.1.燃烧火焰燃烧

41、火焰-化学气相法生产纳米粉末化学气相法生产纳米粉末该法生产的该法生产的纳米粉末本纳米粉末本钱十分低廉，钱十分低廉，按年产按年产100100吨吨纳米粉估算纳米粉估算,每公斤纳米每公斤纳米粉的本钱不粉的本钱不会高于会高于5050美美元。元。目前，该法已用于生产目前，该法已用于生产SiOSiO2 2、TiOTiO2 2、AlAl2 2O O3 3、SnOSnO2 2、V V2 2O O5 5、ZrOZrO2 2等氧化物纳米粉。等氧化物纳米粉。2.2.激光生产纳米粉末激光生产纳米粉末 采用一般搅拌器、激光与廉价的反响材料,可快速、廉价、干净地生产1100nm的银粉与镍粉。例如例如,将硝酸银溶液与一种复

42、原剂导入搅拌器中将硝酸银溶液与一种复原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。当激光脉同时进行搅拌。当激光脉冲射到液体时，形成极小的冲射到液体时，形成极小的“热点热点”,使硝酸银与使硝酸银与复原剂发生反响复原剂发生反响,生成极小的银颗粒。通过改变激生成极小的银颗粒。通过改变激光强度、搅拌器转速与反响成分光强度、搅拌器转速与反响成分,可操作银粉粒度可操作银粉粒度,在一定程度上也可操作颗粒形状。在一定程度上也可操作颗粒形状。该法生产速度为该法生产速度为0.5-30g/min,0.5-30g/min,比其他纳米粉末比其他纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用反响材料不污

43、染环制备方法生产率高。本方法所用反响材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。电路板、高速摄影胶片等。3.电爆炸金属丝制取纳米粉电爆炸金属丝制取纳米粉大功率电脉冲施于氩气保护大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上的金属丝上,并受到大功率脉并受到大功率脉冲产生的特殊场约束。柱形冲产生的特殊场约束。柱形等离子体被加热到等离子体被加热到1500015000以以上高温上高温,因而电阻剧增因而电阻剧增,引起引起特殊场崩溃。金属蒸气的高特殊场

44、崩溃。金属蒸气的高压引起爆炸压引起爆炸,产生冲击波产生冲击波,形形成的金属气溶胶快速绝热冷成的金属气溶胶快速绝热冷却却,制得纳米粉。制得纳米粉。此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、钼、钛、此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉，用于推进剂、炸药、烟锆、铟、钨及其合金粉，用于推进剂、炸药、烟火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催化剂、合火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催化剂、合成有机金属化合物等。成有机金属化合物等。4.4.声化学制取纳米金属粉声化学制取纳米金属粉 科学家采用声科学家采用声化学技术制取纳米化学技术制取纳米金属粉。声化学是金属粉。声化学是研究液体中高强度研究液体中

45、高强度超声波产生的小气超声波产生的小气泡的形成、长大与泡的形成、长大与内向破裂等现象的内向破裂等现象的学科。学科。这些超声波气泡的破裂这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在产生很强的局部加热而在冷液中形成冷液中形成“热点热点”,瞬时温度约为瞬时温度约为5000,压力约压力约1GPa,持续时间约持续时间约10亿分之一秒。亿分之一秒。粗略而形象地说粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的外上述这些数据相当于太阳的外表温度表温度,大洋底部的压力大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破裂闪电的时间。当气泡破裂时时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金属原子

46、属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几百而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几百个原子个原子,直径约为直径约为2 23 3nm。2.3 成型技术原料粉末原料粉末其它添加剂其它添加剂热压热压 松装烧结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸适浸适 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧缩烧缩精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油）热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品 成成形形是是粉粉末末冶冶金金工工艺艺的的重重要要步步骤骤。成成形形的的目目的的是是制制得得具具有有一一定定

47、形形状状、尺尺寸寸、密密度度和和强强度度的的压压坯坯。模压成形是最基本方法。模压成形是最基本方法。1.1.粉末预处理粉末预处理 预预处处理理包包括括：粉粉末末退退火火，筛筛分分，混混合合，制制粒粒，加润滑剂等。加润滑剂等。1）退火n复原氧化物n消除加工硬化n钝化金属，防止自燃n消除杂质，提高纯度2）筛分：把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的假设干等级。3）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。4）混合：将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。（1）机械法（2）化学法：润滑剂

48、或成形剂，造孔剂p封闭钢模压制成型工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。（1）称粉与装粉 自动装粉方式 a）落入法 b）吸入法 c）多余充填法基本压制方式 a)单向压制 b)双向压制 c)浮动压制（2）压制压制过程可分为四个阶段：粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒外表的凹凸局部被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。压坯密度的均匀性 a.垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.压坯底部的边缘密

49、度低。a)压制前压制前 b)压制后压制后 用石墨粉作隔层的单向压坯用石墨粉作隔层的单向压坯 a）单向压制）单向压制 b)双向压制双向压制压坯密度沿高度分布图压坯密度沿高度分布图 压压坯坯密密度度分分布布不不均均匀匀是是因因为为粉粉末末体体在在压压模模内内受受力力后后向向各各个个方方向向流流动动，于于是是引引起起垂垂直直于于压压模模壁壁的的侧侧压压力力。侧侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。改善措施：改善措施：1）减减小小摩摩擦擦力力：模模具具内内壁壁上上涂涂润润滑滑油油或或采采用用内内壁壁更更光光洁洁的的模具；模具；2）采用

50、双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比。）模具设计时尽量降低高径比。压坯密度与影响因素的关系a.随压制压力的增高而增大；b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大；c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度；d.降低压制速度，提高压坯密度。a)a)填充粉料填充粉料 b)b)双向压坯双向压坯 c)c)上冲模复位上冲模复位 d)d)顶出坯块顶出坯块传统压制技术的局限传统压制技术的局限1 1、模具要求高，占用生产本钱比例大；、模具要求高，占用生产本钱比例大；2 2、所加工部件尺寸受到限制；、所加工部件尺寸受到限制；3 3、部件密度