1、第七章第七章 粉体材料的制备、成形与固结粉体材料的制备、成形与固结绪论绪论 粉末的表征与测量粉末的表征与测量 粉末制取粉末制取 粉末成形粉末成形 粉末固结粉末固结绪论绪论颗粒颗粒粉体粉体绪 论一次颗粒（单个颗粒）一次颗粒（单个颗粒）：指内部没有空：指内部没有空隙的致密材料。隙的致密材料。 一次颗粒的粉化过程是内部原子的一次颗粒的粉化过程是内部原子的断键过程，要求高能量输入。断键过程，要求高能量输入。二次颗粒（颗粒聚集体）二次颗粒（颗粒聚集体）：是单个颗粒：是单个颗粒以弱结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。以弱结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。 二次颗粒的粉化过程是界面的弱结合二次颗粒的粉化过程是界面
2、的弱结合力断开，由界面能转变为表面能，能量输力断开，由界面能转变为表面能，能量输入相对较弱。入相对较弱。 绪 论粉体工程所涉及的行业粉体工程所涉及的行业绪 论绪 论q 颗粒的分类颗粒的分类 （0.50.51010）纳米颗粒纳米颗粒 （ 0.1m0.1m）第一节第一节 粉末的表征与测量粉末的表征与测量4 颗粒大小和形状表征4 粉体特性的表征4 粉体的粒度与比表面测定l粉体材料的组成单元粉体材料的组成单元颗粒。颗粒。l颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。性特性表征量。 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征直径D
3、直径D、高度H？颗粒的大小 颗粒大小颗粒大小粒径8 机械制粉8 物理制粉8 化学制粉第二节第二节 粉末的制备粉末的制备机械研磨气流研磨机械制粉液体雾化蒸发凝聚物理制粉气相沉积还原化合电化学法化学制粉粉末的制备7.2.1 7.2.1 机械制粉法机械制粉法8 机械研磨机械研磨8 气流研磨气流研磨机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。一、一、 机械研磨法机械研磨法 能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是研磨、辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于
4、物料破碎及粗粉制备的。用于物料破碎及粗粉制备的。球磨制粉包括四个基本要素：球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒球磨筒磨球磨球研磨物料研磨物料研磨介质研磨介质1、球磨制粉、球磨制粉u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，相互间产生球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力向挤压力、摩擦力等。等。u当的外力作用到当的外力作用到脆性粉末颗粒脆性粉末颗粒上时，细化过程上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程。实质上就是大颗粒的不断解理过程。u如果如果粉末的塑性较强粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为，则颗粒的细化
5、过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为。焊等行为。u不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。本原则是一致的。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滚筒式振动式搅动式球磨制粉的基本方式球磨制粉的基本方式转速较低时，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；转速增加到临界转速V临2时，磨球
6、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。)/(4 .422分转临DVD是磨筒的直径是磨筒的直径滚筒球磨的转速应有一个限定条件滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临1 V 实际 V临2限定条件实际上与这一动能准则相限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。又进一步开发了新的球磨方法。横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程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
7、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。搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。p研磨时不存在象滚筒球磨那样有临界转速的研磨时不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。限制，因此，磨球的动能大大增加。p可以采用可以采用提高搅动转速、减小磨球直径提高搅动转速、减小磨球直径的办的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能，符合了提高机械球磨效率的两个的总动能，符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。基本准则。二、气流研磨法二、气流研磨法 通过气体传输粉料的一种研磨方
8、法。与机械研磨法不同，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。陶瓷粉：空气； 金属粉末：惰性气体或还原性气体。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。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获得的，因此，由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。两种办法来实现两种办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办法使喷嘴出口
9、端的气体流速达超音速气流研磨三种类型：气流研磨三种类型：旋涡研磨冷流冲击流态化床气流磨粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末 加速效应加速效应加速后的气体可超过音速，加速后的气体可超过音速，颗粒撞击动能增大颗粒撞击动能增大冷却效应冷却效应气粉混合物的温度能降到零度以下，气粉混合物的温度能降到零度以下，金属颗粒冷脆性提高金属颗粒冷脆性提高气压越大，粉末越细。气压越大，粉末越细。 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；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料
10、；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。等惰性气体。流态化床气流磨的特点流态化床气流磨的特点：7.2.2 7.2.2 物理制粉法物理制粉法8 雾化法雾化法8 蒸发凝聚法蒸发凝聚法 雾化法是一种典型的物理制粉方法，雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。却凝固来实现的。一、 雾化制粉法雾化雾化
11、聚并聚并凝固凝固过程一：过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成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表面能增加。体的能量变化可近似为液体的表面能增加。显然，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存显然，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小。吸收的能量越高则粒径越小。过程二：过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间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，并且液相互接触，再次成为一
12、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，体系的总表体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于面能降低，属于自发过程自发过程。过程三：过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。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吸提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固准则、快速凝固准则 提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。的再次聚集。提高雾化制粉效率基本准则提高雾化制粉效率基本准则双流雾化双
13、流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流；指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注：适合于金属粉末制备注：适合于金属粉末制备 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
14、颗粒。雾化过程的四种情况雾化过程的四种情况动能交换动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；低而不断发生变化；化学反应化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。很强，会发生一定程度的化学反应。 离心雾化法离心雾化法离心雾化法是借助离心力的作用将液态离心雾化法是借助离心力的作用将
15、液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。末颗粒的方法。1974年，首先由美国提年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。旋转电极法旋转电极法旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：旋转盘法旋转盘法旋转轮法旋转轮法旋转杯旋转杯旋转网旋转网雾化制粉的一些特性雾化制粉的一些特性1、雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。物陶瓷材料，也可采
16、用这种方法进行加工。但由于氧化物但由于氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。2、雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。固溶度。3. 极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的如高温合金中的 相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除相，可
17、能因激冷而受到抑制，甚至消除。4. 冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。二、物理蒸发冷凝法 物理蒸发冷凝制粉是一种制备超微金属粉末的重要方法，采物理蒸发冷凝制粉是一种制备超微金属粉末的重要方法，采用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再在冷凝壁上沉积从用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再在冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。而获得金属粉末。由于粉末的粒度很小，比表面积很大，因而化由于粉末的粒度很小，比表面积很大，因而化学活性很强。为防止金
18、属粉末氧化，在冷凝室内学活性很强。为防止金属粉末氧化，在冷凝室内一般都要通入惰一般都要通入惰性气体性气体。这样在金属蒸气脱离熔体的很短时间内，会被周围气体。这样在金属蒸气脱离熔体的很短时间内，会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同其他金属粉末制备迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同其他金属粉末制备方法相比，物理蒸发冷凝法生产效率是较低的，但这种方法可获方法相比，物理蒸发冷凝法生产效率是较低的，但这种方法可获得最小粒径达得最小粒径达2 nm2 nm的纳米颗粒。的纳米颗粒。电阻加热方式电阻加热方式等离子体加热方式等离子体加热方式激光激光加热方式加热方式 电子束加热方式电子束加热方
19、式高频感应高频感应加热方式加热方式按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种7.2.3 7.2.3 化学制粉法化学制粉法8 化学气相沉积法化学气相沉积法8 化学还原法化学还原法8 电化学制粉法电化学制粉法 气相沉积制粉是通过某种形式气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气的能量输入，使气相物质发生气固相变或气相化学反应，生成金属固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。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一、化学气相沉积的反应类型一、化学气相沉积的反应类型分解反应)()()(气固气n
20、NmMaA8 化学气相沉积法化学气相沉积法)()()()(气固气气nNmMbBaA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. 化学反应化学反应2. 2. 均相形核均相形核3. 3. 晶粒生长晶粒生长4. 4. 团团 聚聚制粉过程包括四个步骤制粉过程包括四个步骤：0lnbBnNoPPRTGG化合反应化合反应由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、）反应温度、2）气相反应物浓度、）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度）气相生成物浓度1.1.化学反应化学反应对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：对一个确定的化
21、学反应，判断其能否进行的热力学判据为：0lnaAnNoPPRTGG分解反应分解反应 气相反应发生后的瞬间，在反应气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程。个均匀形核过程。2.2.均匀形核均匀形核 均相晶核形成之后，稳定存在均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶的晶核便开始晶粒生长
22、过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践构，使自身不断长大。理论和实践都表明：都表明：晶粒生长过程主要受产物晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制散迁移速率所控制。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，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。集效果越明显，这一现象被称为团聚。4.4.团团 聚聚 三
23、、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 气固气242HCCH热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一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个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物neCOM )(44气固CONiCONi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：羰基镍热分解CONiCONi4)(4气气 相 氢 还 原 还原剂-氢气气相金属热还原 还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金
24、属卤化物且以氯化物为主HClMeHMeCln2 气相还原法气相还原法 复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包复合反应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。所用的积。所用的原料是金属卤化物原料是金属卤化物(以氯化物为主以氯化物为主)，在，在一定温度下，以气态参与化学反应。一定温度下，以气态参与化学反应。 复合反应法复合反应法HClCMeHHCMeClba2nmx 气固气气HClTiCHHCTiCl63228341. 碳化物
25、反应通式碳化物反应通式HClNMeNHMeClbax3HClNMeHNMeClbax22 气固气HClNSiNHSiCl2443342. 氮化物反应通式氮化物反应通式HClBMeHBClMeClbax23HClTiBHBClTiCl10522234气气3. 硼化物反应通式硼化物反应通式HClSiMeHSiClMeClbax24HClMoSiHSiClMoCl16284222454. 硅化物反应通式硅化物反应通式一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件8 化学还原法化学还原法一、还原制粉的基本原理一、还原制粉的基本原理mnXOMeXMeO依据热力学原理确定反应能否发生依据热力学原理确定反应能
26、否发生氧位图二、典型还原制粉类型二、典型还原制粉类型COFeCOFe43443OHWHWO22333 氢还原法氢还原法 碳还原法碳还原法 还原化合法还原化合法223234232COAlNNCOAlOHWCHCWO223338 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、电化学制粉原理电 化 学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 2SOSO
27、4 4、H H2 2O O电化学反应电化学反应阴极反应：阴极反应：)(22粉末CueCu阳极反应：阳极反应：22CueCu三、电化学制粉的影响因素三、电化学制粉的影响因素4 电流密度电流密度4 金属离子浓度金属离子浓度4 电解液温度电解液温度4 氢离子浓度氢离子浓度 成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。状以及一定密度和强度的坯块。 传统的成型方法有模压成型、等静压成型、挤传统的成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。近压成型、扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。近年来，出现了许多新的成型方
28、法，如压滤成型、注年来，出现了许多新的成型方法，如压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸模成型和直接凝固成型射成型、流延成型、凝胶铸模成型和直接凝固成型等。等。第三节第三节 粉末的成形粉末的成形 按粉料成型时的状态：按粉料成型时的状态：压力成型压力成型（模压（模压成型、等静压成型）型、等静压成型）增塑成型增塑成型（挤出成型、注射成型）（挤出成型、注射成型）料浆成型料浆成型（注浆成型，热压铸成型）（注浆成型，热压铸成型）第一阶段第一阶段：首先粉末颗粒发生重排，首先粉末颗粒发生重排，颗粒间的颗粒间的架桥现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；架桥现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；第二阶段第二阶段：
29、颗粒发生弹塑性变形颗粒发生弹塑性变形，塑性变形的，塑性变形的大小取决于粉末材料的延性。但是，同样的延大小取决于粉末材料的延性。但是，同样的延性材料在一样的压力下，并不一定得到相同的性材料在一样的压力下，并不一定得到相同的坯体密度，还与粉末的压缩性能有关；坯体密度，还与粉末的压缩性能有关；第三阶段第三阶段：颗粒断裂颗粒断裂。不论是原本脆性的粉体。不论是原本脆性的粉体如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工硬化如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工硬化的脆化粉体，都将随着施加压力的增加发生脆的脆化粉体，都将随着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。性断裂形成较小的碎块。 在压制过程中，随着压力的增加
30、，在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加、气孔率降低。粉体的密度增加、气孔率降低。人们对人们对压力与密度或气孔率的关系进行了大量压力与密度或气孔率的关系进行了大量的研究，试图在压力与相对密度之间推的研究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学公式。目前已经提出的导出定量的数学公式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量公式（包括压制压力与压坯密度的定量公式（包括理论公式和经验公式）有几十种之多，理论公式和经验公式）有几十种之多，表中所示为其中一部分。表中所示为其中一部分。表表 粉末压制理论的一些理论公式和经验公式粉末压制理论的一些理论公式和经验公式总压力总压力 P净压力净压力 P静静压
31、力损失压力损失 P损失损失侧压力侧压力 P侧侧模壁摩擦力模壁摩擦力 P摩摩内摩擦力内摩擦力 P内摩内摩弹性力弹性力 P弹弹结论在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力的压力损失很大，可达力的压力损失很大，可达6090%。由于压力沿压模轴向分布不均，造由于压力沿压模轴向分布不均，造成压坯的密度不均匀现象。加入润成压坯的密度不均匀现象。加入润滑剂能够改善这一现象。滑剂能够改善这一现象。添加成形剂：添加成形剂： 改善成形过程的物质改善成形过程的物质 类型：类型：润滑剂：润滑剂：主要用来减小粉末颗粒与模腔及模主要用来减小粉末颗粒与模腔及模冲之间的摩擦力。冲之间的摩擦力。粘合剂（塑
32、化剂）：粘合剂（塑化剂）：主要用来提高坯料成形主要用来提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械强度、减小粉末飞扬。体的机械强度、减小粉末飞扬。造孔剂：造孔剂：主要是在制备多孔材料时用于在烧主要是在制备多孔材料时用于在烧结体中产生一定的孔隙。结体中产生一定的孔隙。 常见粘合剂常见粘合剂：合成橡胶、石蜡、聚乙烯，酵、乙二脂、松香合成橡胶、石蜡、聚乙烯，酵、乙二脂、松香淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等常见润滑剂：常见润滑剂：硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂
33、酸铝、硫磺、二硫化钼、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉和机油石墨粉和机油模压成型模压成型等静压成型等静压成型挤压成型挤压成型楔形压制楔形压制注浆成型注浆成型热压铸成型热压铸成型注射成型注射成型流延法成型流延法成型压力渗滤工艺压力渗滤工艺离心成型离心成型凝胶铸模成型凝胶铸模成型直接凝固成型直接凝固成型高能成型高能成型4 成形方法q 模压成形模压成形 模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压成一定形状的坯体的方法。成一定形状的坯体的方法。 图5-29 干压成形的密度梯度 a)单向加压 b)双向加压 单向加压单向加压时，压力的不均时，压力的不
34、均匀分布更明显，而且坯体匀分布更明显，而且坯体高度与直径之比愈大，压高度与直径之比愈大，压力分布愈不均匀。力分布愈不均匀。 双向加压双向加压方式是上下压头方式是上下压头（柱塞）从两个方向向模（柱塞）从两个方向向模套内加压，压力分布的不套内加压，压力分布的不均匀程度减轻，故压坯密均匀程度减轻，故压坯密度相对较均匀。度相对较均匀。 为保证坯体质量，干压成形时为保证坯体质量，干压成形时需根据坯体形状、大小、壁厚需根据坯体形状、大小、壁厚及粉料流动性、含水量等情况，及粉料流动性、含水量等情况，控制好成形压力（一般为控制好成形压力（一般为4040100MPa100MPa）、加压速度与保压时）、加压速度与
35、保压时间等工艺参数间等工艺参数。 模压成形步骤及影响因素模压成形步骤及影响因素 A. 原料准备原料准备 a. 粉末退火处理：粉末退火处理： i) 目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度；消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构；表面钝化防止纯度；消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构；表面钝化防止某些超细金属的自燃某些超细金属的自燃 。 ii) 一般用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法一般用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法制得的金属粉末，都要进行退火处理。此外，为了防止某些超细金制得的金属粉末
36、，都要进行退火处理。此外，为了防止某些超细金属的自燃，也要做退火处理，使其表面钝化。属的自燃，也要做退火处理，使其表面钝化。 b. 混合：混合：使两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀使两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀 混合方法：机械法和化学法。混合方法：机械法和化学法。 c. 筛分筛分 d. 制粒制粒：将小颗粒粉末制成大颗粒。：将小颗粒粉末制成大颗粒。 i）目的：为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。）目的：为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。 ii）制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。）制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。 e. 添加成形剂：添加
37、成形剂： B. 装模装模 C. 加压：加压： i）加压方式：有单向加压和双向加压两种。）加压方式：有单向加压和双向加压两种。 ii）对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结）对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结密度与收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。密度与收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。 D. 保压：保压：保压可以使压力传递更加充分，有利于压保压可以使压力传递更加充分，有利于压坯中各部分的密度均匀；有利于粉末中的空气逸出。坯中各部分的密度均匀；有利于粉末中的空气逸出。 E. 脱模脱模：脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特：脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、压坯尺寸、
38、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的性、压坯尺寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响。影响。 利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方向对坯体进行压制的工艺。向对坯体进行压制的工艺。冷等静压可分为干式和湿式冷等静压可分为干式和湿式两种形式。两种形式。q 冷等静压成形冷等静压成形冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压冷等静压 以水为溶剂、粘土为粘结剂和粉体混合，配制成的以水为溶剂、粘土为粘结剂和粉体混合，配制成的具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形
39、状具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法。的石膏模中成形的方法。q 注浆法成形注浆法成形 这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对粉体和石蜡混合流体进行压用石蜡的高温流变特性，对粉体和石蜡混合流体进行压力下的铸造成形。力下的铸造成形。 q 热压铸成形热压铸成形 1）料浆的制备：）料浆的制备：将经过粉体与将经过粉体与612石蜡和石蜡和0.1 1硬脂酸或油酸表面活性剂加热到硬脂酸或油酸表面活性剂加热到6080再与熔化的再与熔化的石蜡混合即可。石蜡混合即可。 2）压铸：）压铸：在压缩空气作用下充型，
40、保压冷却，脱模。在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。 一般用于制备厚度一般用于制备厚度 80m的坯片。的坯片。q 带式成形（流延成形）带式成形（流延成形） 借鉴金属的挤借鉴金属的挤压成形和轧制成压成形和轧制成形工艺。形工艺。q 增塑成形增塑成形 将具有可塑将具有可塑性的泥料，性的泥料，利用压力通利用压力通过模具挤出过模具挤出来成形。来成形。 将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混炼，使之混合均匀，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反炼，使之混合均匀，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制复轧制，可制得薄片瓷坯。得薄片瓷坯。粉末冶金中，粉末冶金中，称
41、为称为粉末轧制。粉末轧制。 q 概概 述述 定定 义义： 烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。低、机械性能提高的致密化过程。 烧结驱动力烧结驱动力： 粉体的表面能降低和缺陷能的降低。粉体的表面能降低和缺陷能的降低。第四节第四节 粉末的烧结粉末的烧结 烧结的主要阶段烧结的主要阶段： 1）烧结前期阶段烧结前期阶段（坯体入炉（坯体入炉90致密化）致密化） 粘结剂等的脱除：如石蜡在粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化全部汽化 挥发。挥发。 随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，随着烧结温度升高，原子扩散加剧，
42、孔隙缩小， 颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。隙变得封闭，并孤立分布。 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。 2）烧结后期阶段烧结后期阶段 孔隙的消除：孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，晶界上的物质不断扩散到孔隙处， 使孔隙逐渐消除。使孔隙逐渐消除。 晶粒长大：晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。晶界移动，晶粒长大。 烧结的分类烧结的分类：固相烧结（只有固相传质）固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）气相烧结（蒸汽压较
43、高）烧烧 结结q 烧结过程的物质传递烧结过程的物质传递气相传质（蒸发与凝聚为主）气相传质（蒸发与凝聚为主）固相传质（扩散为主）固相传质（扩散为主）液相传质（溶解和沉淀为主）液相传质（溶解和沉淀为主）烧结过程烧结过程中的物质中的物质传递传递q 影响烧结的因素影响烧结的因素原料粉末的粒度原料粉末的粒度烧结温度烧结温度烧结时间烧结时间烧结气氛烧结气氛影响因素影响因素q 烧结方法分类烧结方法分类常压烧结常压烧结压力烧结压力烧结按压力分类按压力分类普通烧结普通烧结氢气烧结氢气烧结真空烧结真空烧结按气氛分类按气氛分类固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结气相烧结气相烧结活化烧结活化烧结反应烧结反应烧结按反应分类
44、按反应分类q 常见的烧结方法常见的烧结方法 在大气压状态下，将压制的坯体置于烧结炉中进行在大气压状态下，将压制的坯体置于烧结炉中进行加热的普通烧结。加热的普通烧结。 热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。间更短。 将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中，在将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中，在高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。 将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有将
45、粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有利于粘结剂的脱除和坯体内气体的排除，有利于实现高利于粘结剂的脱除和坯体内气体的排除，有利于实现高致密化。致密化。 反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（SHS）烧）烧结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、微波烧结等微波烧结等 1.粉体粒度测定方法有哪几种？简述其原理。粉体粒度测定方法有哪几种？简述其原理。2.粉体的制备方法有哪些？试举例说明两种超细粉体的制备方法有哪些？试举例说明两种超细粉的制备方法。粉的制备方法。3.造粒有何作用？常用的造粒方法有哪些？造粒有何作用？常用的造粒方法有哪些？4.分析等静压成型的优越性。分析等静压成型的优越性。5.什么是烧结？粉体材料为什么可以通过烧结成什么是烧结？粉体材料为什么可以通过烧结成为坚硬的固体材料。为坚硬的固体材料。作业作业
