1、粉末冶金原理粉末冶金原理 郭圣达郭圣达 E-mail: E-mail: 江西理工大学江西理工大学 工程研究院工程研究院精选参考书目u1.黄培云主编：粉末冶金原理，冶金工业 出版社u2.王盘鑫主编：粉末冶金学，冶金工业出 版社精选 目 录u一、粉末的制备技术u二、粉末的性能及其测定u三、粉末成形u四、烧结u五、粉末冶金材料和制品u六、粉末冶金的安全知识u七、粉末制备、成形、烧结新技术精选 绪论1 1.粉末冶金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、属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和
2、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。相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。2.2.粉末冶金的发展粉末冶金的发展 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。法实质上采用的就是粉末冶金方法。3.3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：1 1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生
3、的困难。19091909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；19231923年粉末冶金硬质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。合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。精选 绪论u2 2）2020世纪三十年代世纪三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶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。甚至无切削的优点。u3 3）向更高级的新材料、新工艺发展。）向更高级的新材料、新工艺发展。四十四十年代，出现金年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料，
4、属陶瓷、弥散强化等材料，六十六十年代末至年代末至七十七十年代初，粉年代初，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、超细硬质合金、超细/纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金等。等。精选 绪论u粉末冶金工艺的基本工序粉末冶金工艺的基本工序u1 1、原料粉末的制备原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分
5、为两类：。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、化合雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。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。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。u2 2、将将粉末压制成型为所需形状的坯块粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的目的是制。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。得一定形状和尺寸
6、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。应用最多的是模压成型，还有挤压成型、爆炸成型等。精选 绪论u3 3、坯块的烧结坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。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，多元系
7、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。结工艺。精选绪论u4 4、产品的后序处理产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产。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加工、热
8、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，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。取得较理想的效果。精选 绪论 粉末冶金工艺的优点粉末冶金工艺的优点u 1 1、绝大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散强、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。末冶金方法来制造。u 2 2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，、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，故能大大节约而不需要或很少需要后续的机械加
9、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，金属的损耗只有时，金属的损耗只有1-5%1-5%，而用一般熔铸方法生产时，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到金属的损耗可能会达到80%80%。精选u 3 3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不、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，故有可能制取高纯氧化，也不会给材料任何污染
10、，故有可能制取高纯度的材料。度的材料。u 4 4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和均匀性。均匀性。u 5 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的、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。金法制造能大大降低生产成本。精选 绪论粉末冶金材料和制品的发展方向粉末冶金材料和制品的发展方向1 1、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高、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。质量的结构零部件发展。2 2、制造具有均
11、匀显微组织结构的、加工困难而完全致密、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。的高性能硬质合金。3 3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊、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。合金。4 4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。5 5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。精选一、粉末制备技术一、粉末制备技术u1.在不同状态下制备粉末的方法在不同状态下制备粉末的方法u 1.1 在固态下制备粉末的方法u 1.2 在液态下制备粉末的方法u 1.3 在气
12、态下制备粉末的方法u2.常用的粉末制备方法常用的粉末制备方法u 2.1 机械粉碎法u 2.2 雾化法u 2.3 还原法u 2.4 气相沉积法u 2.5 液相沉淀法u 2.6 电解法u3.本章小结本章小结精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1.在不同状态下制备粉末的方法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）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；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）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
13、；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）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。取金属化合物粉末的有还原化合法。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1.2 在液态下制备粉末的方法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从液态金属与合金中制取金属与合金粉末的有雾化法；的有雾化法；（2）从金属盐溶液置换和还原制取金属、合金）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；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从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀
14、法；法；从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有金属浴法；金属浴法；（3）从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的）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；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。有熔盐电解法。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1.3 在气态下制备粉末的方法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）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸气冷凝法；气冷凝法；（2)从气态金属羰基物中离解制取金属、合从气态金属羰基物中离解制取金属、合金粉末以及
15、包覆粉末的有羰基物热离解法；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、）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；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。粉末以及涂层的有化学气相沉积法。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为两大类，即两大类，即机械法机械法和和物理化学法物理化学法。u 1.1.机械法：机械法：是将原材料机械地粉碎，而化学
16、成是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；分基本上不发生变化；u 2.2.物理化学法物理化学法是借助化学的或物理的作用，改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。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，应用最广泛的有的工业规模而言，应用最广泛的有还原法、雾化法还原法、雾化法和电解法和电解法三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。应用时亦很重要。表表1-1为制取粉末的一些方法。为制取粉末的一些方法。精选
17、一、粉末制备技术一、粉末制备技术 表表1-1 粉末生产方法粉末生产方法精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 续表续表1-1精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.常用的粉末制备方法常用的粉末制备方法2.1 机械粉碎法机械粉碎法 机械粉碎是靠机械粉碎是靠压碎压碎、击碎击碎和和磨削磨削等作用，将块等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。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，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。又常常作为某些制粉方法的补充工序。精选 依据物料粉碎的最终程度，又可以分为依据物料粉碎的最终
18、程度，又可以分为粗碎粗碎和和细碎细碎两类。以压碎为主要作用的有两类。以压碎为主要作用的有碾压碾压、锟轧锟轧以及以及颚式破碎颚式破碎等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨等；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。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用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷涡旋研磨、冷气流粉碎气流粉碎等方法。等方法。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.1.1机械研磨法机械研磨法 研磨的任务包括：研磨的任务包括：减少或增大粉末粒
19、度；合金化；固态混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料；改善、转变或改变材料的性能等。在大多数情况下，研磨等。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。现象、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。（1）研磨规律研磨规律 在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：冲击、磨耗、剪冲击、磨耗、剪切切以及以及压缩压缩。在球磨机中球体运动的方式有四种（如图在球磨机中球体运动的方式有四种（如图1-1）：滑动、滑
20、动、滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-1 在球磨机中球体运动示意图在球磨机中球体运动示意图(a)(a)滑动；滑动；(b)(b)滚动；滚动；(c)(c)自由下落；自由下落；(d)(d)在临界转速时球体的运动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：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：球体发生滚动的临界条件为：；反之发生滑动。；反之发生滑动。为筒体转动时，球体表面发生倾斜，在一定的转速和装球为筒体转动时，球体表面发生倾斜，在一定的转速和装球量下的倾斜角量下的倾斜角
21、精选一、粉末制备技术一、粉末制备技术u 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精选一、粉末制备技术（2）影响球磨的因素影响球磨的因素 球磨机中的研磨过程取决于众多因素：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比例（球料比）、研磨介质以及球体直径等。等。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 例如：球磨筒转速例如：球磨筒转速n n0.7-0.750.7
22、-0.75n n临界临界时，球体发生抛时，球体发生抛落；落；n n0.60.6n n临界临界时，球体发生滚动；时，球体发生滚动；n n0.60.6n n临界临界时，时，球体以滑动为主。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磨机的装填系数取0.40.40.50.5为宜。随转速的提高，装填为宜。随转速的提高，装填系数可略为增大。系数可略为增大。精选 在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。在研磨过程中一定要注意球体与物料的
23、比例。一般在球体装填系数为一般在球体装填系数为0.40.40.50.5时，装料量应以填时，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。可取球磨筒容积的取球磨筒容积的2020为装料量。球体的大小对物料为装料量。球体的大小对物料的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选用用101020mm20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用用5 510mm10mm大小的硬质合金球，同时为了避免研磨大小的硬质合金球，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
24、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。做为研磨球。精选一、粉末制备技术（3）强化球磨强化球磨 球磨粉碎物料是一个很慢长的过程，因此提高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。的意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。图图1-2为一种湿式振动球磨机。为一种湿式振动球磨机。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.1.2机械合金化机械合金化 这这是种高能球磨法。用这种方法可是种高能球磨法。用这种方法可制造具有可控细显微组织的复合金属粉制造具有可控细
25、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。加入非金属粉末来实现机械合金化。精选一、粉末制备技术一、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，用较粗的原材料粉原材料粉末的粒度无关。因此，用较粗的原材料粉末末(50100)可制成超细弥散体（颗粒间距小可制成超细弥散体（颗粒间距小于于1）。制造机械合金化弥散强化
26、高温合金的）。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，粒度约为原材料都是工业上广泛采用的纯粉末，粒度约为1200。精选 对用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制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1515（容积）的可压缩变形的金属粉末。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-3为机械合金化装置示意图。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：机械合金化与滚动球磨的区别在于：使球体运动的驱动力使球体运动的驱动力不同不同。图图1-2 斯韦科湿式振动球磨机斯韦科
27、湿式振动球磨机 图图1-3 机械合金化装置示意图机械合金化装置示意图精选2.1.3 涡旋研磨涡旋研磨 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。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选2.1.4 冷气流粉碎冷气流粉碎 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
28、越大，得到的粉末粒度越细。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2 雾化法雾化法 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150，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。精选一、粉末制备技术一、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
29、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。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.1二流雾化二流雾化 借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为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（水雾化或气雾化，也称二流雾化（图图1-4）。根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式（方式不同，雾化具有多种形式（图图1-5）：）：平行喷平行喷射、垂直喷射、射、垂直喷射、V形喷射、锥形喷射以及漩涡环形形喷射、锥形喷射以及漩涡环形喷射。喷射。精选一、粉末制备技术一、粉末制备技术 雾化过程很复杂，按雾
30、化介质与金属液流相互雾化过程很复杂，按雾化介质与金属液流相互作用的实质，既有作用的实质，既有物理机械作用物理机械作用，又有，又有物理化学变物理化学变化化。高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力，。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。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，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），使金属与雾化介质的
31、化学作用（如氧化、脱碳），使雾化过程变得较为复杂。雾化过程变得较为复杂。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-4 水雾化和气雾化示意图水雾化和气雾化示意图 图图1-5 雾化的多种形式雾化的多种形式精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 （1）气雾化气雾化 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，雾化过程可以用中，雾化过程
32、可以用图图1-6来说明。来说明。图图1-6 气雾化时金属粉末的形成气雾化时金属粉末的形成精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 （2）水雾化水雾化 水雾化时制取金属或合金粉末最常用的工艺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。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加速凝固，因此粉末形状比起气雾化来呈不规则形状。形状。粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。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
33、熔点较多，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。金粉末在内，其化学偏析是非常有限的。精选 在水雾化时，在水雾化时，金属液滴的形成是水滴对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，雾化的粉末粒度水雾化中，雾化的粉末粒度D主要与水速主要与水速v有关：有关：式中式中 C为与材料和雾化装置结构有关的常数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为金属液流与水流轴之间的夹角 表表1-2为气雾化与水
34、雾化的一些比较。为气雾化与水雾化的一些比较。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 表表1-2 气雾化与水雾化的比较气雾化与水雾化的比较 精选一、粉末制备技术一、粉末制备技术（3）影响二流雾化性能的因素影响二流雾化性能的因素 雾化粉末有三个重要的性能：雾化粉末有三个重要的性能：一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及可用粉末收得率等；可用粉末收得率等；二、颗粒形状及与其有关的性能，如松二、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；装密度、流动性、压坯密度及比表面等；三、颗粒的纯度和结构。三、颗粒的纯度和结构。影
35、响这些性能的主要因素是影响这些性能的主要因素是雾化介质雾化介质、金属液流的特征金属液流的特征以及以及雾化装置的结构雾化装置的结构特征等。特征等。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.2离心雾化离心雾化 用离心力破碎液流得到雾化粉末的方法称为离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。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（如转电极雾化等多种形式（如图图1-7所示）。所示）。
36、图图1-7 离心雾化示意图离心雾化示意图精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.3其他雾化工艺其他雾化工艺 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。碎的工艺方法。比如：锟筒雾化法：熔融金属被喂入快速旋转比如：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，
37、流入真空或法：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真空雾化法等等。超声雾化法以及真空雾化法等等。精选表表1-31-3：一些雾化工艺的比较：一些雾化工艺的比较 一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.4雾化粉末显微结构的控制雾化粉末显微结构的控制 在快速冷却的合金粉末中，显微组织结构在快速冷却的合金粉末中，显微组织结构的控制取决于的控制取决于形核形核和和长大长大因素。因素。在凝固中，较大的温度梯度的情况易于形在凝固中，较大的温度梯度的情况易于形成非晶态，
38、相反，要在低的冷却速率和小的成非晶态，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温度梯度的条件下，则易形成具有偏析的显微组织结构。微组织结构。图图1-8是显微组织结构与粉末颗粒温度梯是显微组织结构与粉末颗粒温度梯度和温度之间的关系。度和温度之间的关系。精选图图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温度梯度和温度对快速凝固粉末的显微组织结构的影响精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3 还原法还原法 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
39、质。表表1-4为用不同还原剂和被还原的物质进行还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。原作用来制取粉末的一些例子。精选表表1-4 还原法广义的使用范围还原法广义的使用范围 一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、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：精选 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
40、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。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 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。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、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程度的因素是很复
41、杂的，并且这些反应往往在多相中反应。中反应。因此在还原过程中，除了反应物的浓度、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）、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。及扩散层等有关。精选 图图1-9是氧化物被还原形成金属粉末的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。示意图，其反应速率取决于两个扩散流。图图1-9 氧化物颗粒部分还原为金属粉末的示意图氧化物颗粒部分还原为金属粉末的示意图 一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选
42、实际表明，反应速度与时间的关系具有自动催化的特点，实际表明，反应速度与时间的关系具有自动催化的特点，如图如图110所示。所示。图图1-10：吸附自动催化的反应速度与时间的关系：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，引起反应速度新相晶核为中心而逐
43、渐扩大，反应面不断减小，引起反应速度的降低。的降低。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.1碳还原法碳还原法 用固体碳可以还原很多金属氧化物，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，但需要严格控制碳还原铁粉和碳化钨粉，但需要严格控制碳含量。含量。精选图图1-1
44、1 用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图 图图1-11为用一氧化碳还原铁的氧化物的反应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。还原反应的方向与温度、气相成分的关系。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.2气体还原法气体还原法 气体还原法不仅可以制取铁、镍、钴、铜以及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。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气体还原法制取的粉
45、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。要是用氢还原法。影响钨粉粒度和纯度的主要因素有：影响钨粉粒度和纯度的主要因素有：原料；原料；氢气流量与进气速度；还原速度、还原时间和料层氢气流量与进气速度；还原速度、还原时间和料层厚度；厚度；以及以及添加剂添加剂等。等。（1）氢还原法制取铁粉氢还原法制取铁粉 （2）水冶法生产钴粉水冶法生产钴粉 （3）氢还原法制取钨粉氢还原法制取钨粉精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.3金属热还原金属热还原 金属热还原法主要应用于制取稀有金属粉末，金属热还原法主要应用于制取稀有金
46、属粉末，如钛、锆、铀、钍、铌等金属粉末。在金属还原法如钛、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。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。形成非间
47、隙固溶体或非间隙化合物。精选 难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用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、耐蚀材料以及其他质合金、耐热材料、电工材料、耐蚀材料以及其他材料地基体。材料地基体。2.4 气相沉积法气相沉积法 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。一、粉末制备技术一、粉末制备技术精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.4.1金属蒸气冷凝金属蒸气冷凝法法 这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属这种方法主要用于
48、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（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 羰基物热离解法羰基物热离解法(简称羰基法简称羰基法)就是离解金属羰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；如果在一些颗粒物的混合物，则可制得合金粉末；如果在一些颗粒表面上
49、沉积热离解羰基物，就可以制得包覆粉末。表面上沉积热离解羰基物，就可以制得包覆粉末。图图1-12是常压羰基法制取镍粉的工艺流程。是常压羰基法制取镍粉的工艺流程。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-12 常压羰基法制取镍粉的工艺流程示意图常压羰基法制取镍粉的工艺流程示意图精选2.4.3化学气相沉积法化学气相沉积法 化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD)CVD)是从气态金属是从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制卤化物（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。物、硼化物、硅化物和氮化
50、物等的方法。在沉积法过程中在沉积法过程中也可用等离子弧法，这种也可用等离子弧法，这种方法可用来制取微细碳化物。方法可用来制取微细碳化物。图图1-13为等离子弧法装置示意图。为等离子弧法装置示意图。精选 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-13 等离子弧法装置示意图等离子弧法装置示意图精选2.4.4气相还原法气相还原法 气相还原法包括气相氢还原法和气相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。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、钴此法可制取钨、钼、铌、铬、
