第二章粉末制备
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粉末的制取方法
二、还原或还原化合法
要使金属热还原顺利进行，还原剂一般还应满足下 列要求： (1) 还原反应所产生的热效应较大，希望还原反应能 依靠反应热自发地进行。 (2) 形成的渣以及残余的还原剂应该容易用溶剂洗涤 、蒸馏或其他方法与所得的金属分离开来。 (3) 还原剂与被还原金属不能形成合金或其他化合物 。
二、还原或还原化合法
还原金属氧化物及盐类以生产金属粉末是一种应用 最广泛的制粉方法。特别是直接使用矿石以及冶金 工业废料如轧钢铁鳞作原料时，还原法最为经济。 实践证明：用固体碳还原，不仅可以制取铁粉，而 且可以制取钨粉；用氢或分解氨还原，可以制取钨 、钼、铁、铜、钴、镍等粉末；用转化天然气作还 原剂，可以制取铁粉等；用钠、钙、镁等金属作还 原剂，可制取钽、铌、钛、锆、钍、铀等稀有金属 粉末。归纳起来，不但还原剂可呈固态、气态以至 液态，而被还原物料除固态外，还可以是气相和液 相。
七、机械粉碎法
(4) 研磨介质 物料除了在空气介质中干磨外，还可在液体介质中 进行湿磨根据物料的性质，液体介质可以采用水、酒精、汽油 、丙酮等。水能使粉末氧化，故一般不用。在湿磨中有时加入 一些表面活性物质，可使颗粒表面为活性分子层所包围，从而 防止细粉末的焊接聚合；活性物质还可渗入到粉末颗粒的显微 裂纹里，产生一种附加应力，促进裂纹的扩张，对粉碎过程是 有利的。总之，湿磨的优点主要有：1）可减少金属的氧化； 2 ）可防止金属颗粒的再聚集和长大，因为颗粒间的介电常数增 大了，原子间的引力减小了；3）可减少物料的成分偏析并有利 于成形剂的均匀分散；4）加入表面活性物质时可促进粉碎作用 ；5）可减少粉尘飞扬，改善劳动环境。 当然，湿磨增加了辅助工序（如过滤、干燥等），因此应根据 物料的要求来选择干磨或湿磨。必须指出，不是所有研磨介质 都是为了加强粉碎作用的，有时可把研磨介质作为保护介质， 如有的活性易氧化的金属的研磨就在惰性介质中进行。
粉末冶金原理第二章
27
比重瓶法 (Pycnometer method) ；
The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml), The following masses are measured: m0: empty pycnometer ml: pycnometer containing liquid ms: pycnometer including sample particles msl: pycnometer including sample and liquid ρl: the liquid density ρp: The particle density ；
• 粉末颗粒表现出流体性质 ，粉末越细，流动性质越
2012/2/28
明显。
4
• 粉末颗粒与粉末体 • 粉末颗粒： 晶粒或多晶聚合体 • 粉末体：简称粉末，是由大量的粉末颗粒 组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此可 以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及 颗粒之间的空隙所构成的集合体。
2012/2/28
5
• 二、粉末颗粒
• 1.颗粒聚集状态 • 粉末聚集状态： 单颗粒，二次颗粒。 • 单颗粒：粉末中能分开并独立存在的最小实体称
为单颗粒 。
• 二次颗粒：单颗粒以某种方式聚集就构成二次颗
粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。 2012/2/28
6
a
粉末体示意图 可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团 颗粒之间存在孔隙
针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、 燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 粉末氧含量测定： ● 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原， 计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%
比重瓶法 (Pycnometer method) ；
The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml), The following masses are measured: m0: empty pycnometer ml: pycnometer containing liquid ms: pycnometer including sample particles msl: pycnometer including sample and liquid ρl: the liquid density ρp: The particle density ；
• 粉末颗粒表现出流体性质 ，粉末越细，流动性质越
2012/2/28
明显。
4
• 粉末颗粒与粉末体 • 粉末颗粒： 晶粒或多晶聚合体 • 粉末体：简称粉末，是由大量的粉末颗粒 组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此可 以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及 颗粒之间的空隙所构成的集合体。
2012/2/28
5
• 二、粉末颗粒
• 1.颗粒聚集状态 • 粉末聚集状态： 单颗粒，二次颗粒。 • 单颗粒：粉末中能分开并独立存在的最小实体称
为单颗粒 。
• 二次颗粒：单颗粒以某种方式聚集就构成二次颗
粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。 2012/2/28
6
a
粉末体示意图 可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团 颗粒之间存在孔隙
针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、 燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 粉末氧含量测定： ● 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原， 计算粉末还原前后的重量变化。 氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%
粉末的制备
粉末的制备
机械制粉 物理制粉 化学制粉
第一章 机械制粉法
机械研磨 气流研磨
粉末的制备
机械制粉
物理制粉
化学制粉
机械研磨 气流研磨 液体雾化 蒸发凝聚 气相沉积 还原化合 电化学法
2.1 机械研磨法
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。
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 是用于物料破碎及粗粉制备的。
第一节 雾化制粉法
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 冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷 却凝固来实现的。
雾化机理
雾化 聚并 凝固
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表面能增加。
提高雾化制粉效率基本准则
1、能量交换准则
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。
2、快速凝固准则
提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒 的再次聚集。
雾化制粉分类
双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流； 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
气流研磨制粉的基本原则
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
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。
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端的气体流速达超音速
气流研磨三种类型：
机械制粉 物理制粉 化学制粉
第一章 机械制粉法
机械研磨 气流研磨
粉末的制备
机械制粉
物理制粉
化学制粉
机械研磨 气流研磨 液体雾化 蒸发凝聚 气相沉积 还原化合 电化学法
2.1 机械研磨法
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。
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 是用于物料破碎及粗粉制备的。
第一节 雾化制粉法
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 冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷 却凝固来实现的。
雾化机理
雾化 聚并 凝固
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表面能增加。
提高雾化制粉效率基本准则
1、能量交换准则
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。
2、快速凝固准则
提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒 的再次聚集。
雾化制粉分类
双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流； 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
气流研磨制粉的基本原则
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
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。
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端的气体流速达超音速
气流研磨三种类型：
粉末冶金 -第二章 粉体制备
dD
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第二章 金属粉末制备
§2.1 概述
3、粉碎的第三理论 彭德（Bond）粉碎的第三理论
11 E = KG( - )
dD
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第二章 金属粉末制备
§2.1 概述
金属粉末的制取方法可以分成 机械法和物理化学法两大类。 机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本 上发生变化的工艺过程。 ********************************************** 物理化学法则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工艺过程。
2.2.1还原法制备金属粉末 碳还原法
铁的氧化物的还原过程是分阶段进行的，即先从高价氧化铁还原成 低价氧化铁，最后再还原成金属铁：
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
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第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末 碳还原法
用固体碳可以还原很多金属氧化物，如铁、锰、铜、镍、钨等的氧 化物来制取相应的金属粉末。
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末
反应边界
未反应芯部
Ji
Jo
反应区
氧化物颗粒部分还原金属粉末示意图
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第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末
第一 阶段
第二阶段
第三阶段
反应速度
时间
吸附自动催化的反应速度与时间的关系 星蓝海学习网
第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
ΔG/kcal/mol 2O
0
-40 SeO2
CO
TeO2
-80 Bi2O3 As2O3 PbO
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第二章 金属粉末制备
§2.1 概述
3、粉碎的第三理论 彭德（Bond）粉碎的第三理论
11 E = KG( - )
dD
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第二章 金属粉末制备
§2.1 概述
金属粉末的制取方法可以分成 机械法和物理化学法两大类。 机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本 上发生变化的工艺过程。 ********************************************** 物理化学法则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工艺过程。
2.2.1还原法制备金属粉末 碳还原法
铁的氧化物的还原过程是分阶段进行的，即先从高价氧化铁还原成 低价氧化铁，最后再还原成金属铁：
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
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第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末 碳还原法
用固体碳可以还原很多金属氧化物，如铁、锰、铜、镍、钨等的氧 化物来制取相应的金属粉末。
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末
反应边界
未反应芯部
Ji
Jo
反应区
氧化物颗粒部分还原金属粉末示意图
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第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
2.2.1还原法制备金属粉末
第一 阶段
第二阶段
第三阶段
反应速度
时间
吸附自动催化的反应速度与时间的关系 星蓝海学习网
第二章 金属粉末制备
§2.2 制粉方法
ΔG/kcal/mol 2O
0
-40 SeO2
CO
TeO2
-80 Bi2O3 As2O3 PbO
粉末的制取
沉淀法可以分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共 沉淀法等。
1 直接沉淀法
向盐溶液中直接加入沉淀剂进行反应得到细小沉 淀物的方法。
2 均匀沉淀法
依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀剂而进行沉淀 反应的方法。 （例如：尿素水解制备盐类） (NH2)2CO十3H2O2NH4OH（沉淀剂）十CO2
3 共沉淀法
在溶液中同时沉淀两种或两种以上金属离子得到均 匀性好的复合氧化物的方法。
粉末的制备
从制备方法的原理可以分为三大类：
机械制备
物理制备
物理制备
化学制备
一、粉末的机械制备方法
➢ 机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内部结合力，使材料分裂产生新的界面。
➢ 分为研磨、锤捣、辊轧等 机械研磨（球磨）
研磨 气流研磨
球磨法
• 四个基本要素 球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质
• 类型 ①电阻加热方式 ②等离子束加热方式 ③激光加热方式 ④电子束加热方式 ⑤高频感应加热方式
电阻加热蒸发
激光加热蒸发
电子束加热蒸发
高频感应加热蒸发
三、粉末的化学制备方法
• 液相沉淀法 • 化学气相沉积法（CVD） • 还原反应法 • 电解法
液相沉淀法
主要原理：在液相中采用各种水溶性化合物经 混合、发生化学反应生成不溶于水的沉淀， 将沉淀洗涤并热分解可形成超细粉。
n临界＝
30 R
42.4 转 / 分 D
n工作
0.75n临界
0.75
42.4 D
32 转 / 分 D
➢ 振动球磨
• 工作原理：振动球磨机结构示图1—筒体；2一偏心轴；3一马达； 4一弹簧；5一弹性联轴节
➢ 搅拌球磨
• 工作原理：又称为高能球磨
1 直接沉淀法
向盐溶液中直接加入沉淀剂进行反应得到细小沉 淀物的方法。
2 均匀沉淀法
依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀剂而进行沉淀 反应的方法。 （例如：尿素水解制备盐类） (NH2)2CO十3H2O2NH4OH（沉淀剂）十CO2
3 共沉淀法
在溶液中同时沉淀两种或两种以上金属离子得到均 匀性好的复合氧化物的方法。
粉末的制备
从制备方法的原理可以分为三大类：
机械制备
物理制备
物理制备
化学制备
一、粉末的机械制备方法
➢ 机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内部结合力，使材料分裂产生新的界面。
➢ 分为研磨、锤捣、辊轧等 机械研磨（球磨）
研磨 气流研磨
球磨法
• 四个基本要素 球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质
• 类型 ①电阻加热方式 ②等离子束加热方式 ③激光加热方式 ④电子束加热方式 ⑤高频感应加热方式
电阻加热蒸发
激光加热蒸发
电子束加热蒸发
高频感应加热蒸发
三、粉末的化学制备方法
• 液相沉淀法 • 化学气相沉积法（CVD） • 还原反应法 • 电解法
液相沉淀法
主要原理：在液相中采用各种水溶性化合物经 混合、发生化学反应生成不溶于水的沉淀， 将沉淀洗涤并热分解可形成超细粉。
n临界＝
30 R
42.4 转 / 分 D
n工作
0.75n临界
0.75
42.4 D
32 转 / 分 D
➢ 振动球磨
• 工作原理：振动球磨机结构示图1—筒体；2一偏心轴；3一马达； 4一弹簧；5一弹性联轴节
➢ 搅拌球磨
• 工作原理：又称为高能球磨
第二章粉末压制成形原理
4. 粉末体受力变形时，局部区域的实际应力远高于粉 末体受到的表观应力（表观压制压力）。 局部区域的高应力可能超过粉末颗粒的强度极限。
5. 粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力 增大而增大，两者间存在一定的定量关系。
School of Materials Science and Engineering
School of Materials Science and Engineering
注意几个问题：
● 公式计算的侧压力是平均值，沿高度不同位置侧压力 不等 ● 粉末体非流体， p侧总小于p ● 研究侧压力具有重要意义
粉末压制过程中发生的现象：
1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于 粉末体的相对密度。 压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50%
2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程 度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力， 其反作用力—侧压力产生。 但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！
间歇成形、粉末连续成形
☻ 按成形料的干湿程度：
干粉压制、可塑成形、浆料成形
School of Materials Science and Engineering
➢ 模压成形是最重要、应用最广的成形方法！ ➢ 本章有关成形原理的讨论以模压成形为基础！
上模冲 粉末
阴模
下模冲
成形压模的基本结构
School of Materials Science and Engineering
● 成形的重要性
1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。 2）比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。
a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。 b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。 c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。
5. 粉末体受力压制，颗粒之间的接触面积随压制压力 增大而增大，两者间存在一定的定量关系。
School of Materials Science and Engineering
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注意几个问题：
● 公式计算的侧压力是平均值，沿高度不同位置侧压力 不等 ● 粉末体非流体， p侧总小于p ● 研究侧压力具有重要意义
粉末压制过程中发生的现象：
1. 压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于 粉末体的相对密度。 压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50%
2. 轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程 度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力， 其反作用力—侧压力产生。 但是粉末体非流体，侧压力小于正压力！
间歇成形、粉末连续成形
☻ 按成形料的干湿程度：
干粉压制、可塑成形、浆料成形
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➢ 模压成形是最重要、应用最广的成形方法！ ➢ 本章有关成形原理的讨论以模压成形为基础！
上模冲 粉末
阴模
下模冲
成形压模的基本结构
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● 成形的重要性
1）是重要性仅次于烧结的一个基本的粉末冶金工艺过程。 2）比其他工序更限制和决定粉末冶金整个生产过程。
a）成形方法的合理与否直接决定其能否顺利进行。 b）影响随后各工序（包括辅助工序）及最终产品质量。 c）影响生产的自动化、生产率和生产成本。
粉末冶金2 粉末的制备(2)
第2部分粉末的制备（2）PowdermetallurgyprinciplePowderfabricationbyelectrolytic第六章、电解制粉electrolyte（Hydro—metallurgy）Twomethodstoelectrolyte溶液电解：liquidelectrolyte制取Fe、Cu、Ag、Sn、Mo、Pb、Au熔盐电解moltensaltelectrolyte制取Ti、Zr、Be、Ta、Nb、Th、稀有金属及合金rear，metallicalloys Anelectrolyticcelloperationfordepositionofmetalpowders,therawmetalisdissolvedat theanodeanddepositedatthecathode,(Fe,Cu,Au,Ag,Ni,etc.) RelationofmetalionsversusdistancetocathodeC0:ionconcentrationatthecathode,C:ionconcentrationinthesolution Scanningelectronmicrographofelectrolyticcopperpowdershowtypicaldendriticshape Procedureofcopperpowderproductionbyelectrolyticfromsolutionandprocessingparamet ersCathodesCuSO4sol.Anodes(120-150g/L)Electrolyticdeposition,(i=25a/dm2,1.8v,50°C)Cupowderoncathodespickpowder20minintervalWashinganddryingwaterandvacuumMillingandscreen,Cupowder一、电解基本原理及规律BasicMechanism当外加电位＝原电池电位时E外＝E池，氧化还原平衡oxidation-reductionequilibrium. 当外加电位大于原电池cellvoltage电位时，电解发生，阳极氧化anode，阴极cathode还原电极电位的意义：electrode标准电极电位，即离子在浓度等于克离子/升溶液中的还原电位，如：水溶液电解基本原理——电化学原理定义definition：在直流电作用下，在电极上产生氧化与还原的过程称之为电解在阳极anode上失去电子electronlosing，氧化反应oxidationreaction，成为正离子在阴极cathode上金属正离子获得电子electron，obtaining还原成为金属原子电解时，电能转化为化学能——作用与原电池相反reversetoelectriccell，如图所示，化学能——粉末表面能n离子价电数，F＝96500库仑，法拉第常数[还]还原物浓度[氧]氧化物浓度T＝25ºR＝8.3161、电解区，在阴极区，电极电位正着先还原；非标准状态下，电极电位与溶液中离子浓度的关系—涅斯特方程：Insolution，化学位用活度activity表示，纯金属活度Dilutesolution（稀）溶液中，活度activityconcentration，气体的活度等于各分压,所以：1、电极反应（forexampleCuelectrolyte）见图化学体系：Cu粉/Cu离子，CuSO4，H2SO4，H2O/Cu粉，1）硫酸铜水解反应，2）硫酸水解反应，3）阳极氧化反应阳极铜板失去电子，变成离子，进入溶液，即阳极去掉离子，析出氧气。
第二章 粉体制备
对所用原料进行粉体的制备和粉体性能的调控、 处理，是获得性能优良的材料的前提。
粉体颗粒的种类
原级颗粒型 聚集体颗粒型 凝聚体颗粒型 絮凝体颗粒型
二、粉体化的目的
粉体化：将固体材料粒子的尺寸进行缩减。粉体的性质多 与粉体粒子大小，形状有关。
将固体物料粉体化的目的主要有： 1）增大物理化学反应速度，对于陶瓷材料促进烧结，降低 反应温度。粒子尺寸↓，比表面积，表面能，反应速度。 2）有利于均匀混合，促进制品的均质化。制品的均匀程度 （成分）主要取决于配合料（多种）中的混合均匀程度。
f（Dp）=np/N×100% f(△Dp)=np/N×100% 这种频率与颗粒大小的关系，称为频率分布。
例如：设用显微镜观察N为300个颗粒的粉体样品，经测 定最小颗粒直径为1.5μm，最大颗粒直径为12.2μm.。将 被测定出来的颗粒按由小到大的顺序以适当的区间加以 分组，组数用h来表示，一般多取10~25组。小于10组， 数据的准确性大大降低，大于25组，数据的处理过程又 过于冗长。这里取h=12。区间的范围称为组距，用△Dp 表示。设△Dp=1μm，每一个区间的中点，称为组中值， 用di表示。落在每一个区间的颗粒数除以N，便是 f(△Dp)。将测量的数据加以整理，如下表：
等表面积球当量径：与颗粒同表面积的球的直径；这种方法 比较实用，通过流体透过法等间接方法求得。
等比表面积球当量径：与颗粒同比表面积的球的直径； 等沉降速度球当量径：与颗粒在流体中以等沉降速度下降的 球的直径，也称斯托克斯当量径。
2、颗粒群平均直径
在实际中，所涉及的不是单个的颗粒，而是包含各种不同 粒径的颗粒的集合，即粒子群。对于不同粒径颗粒组成的粒子 群，为简化其粒度大小的描述，常采用平均粒度的概念。平均 粒度是用数学统计方法来表征的一个综合概括的数值——代表 某一粒子群粒径大小。
粉体颗粒的种类
原级颗粒型 聚集体颗粒型 凝聚体颗粒型 絮凝体颗粒型
二、粉体化的目的
粉体化：将固体材料粒子的尺寸进行缩减。粉体的性质多 与粉体粒子大小，形状有关。
将固体物料粉体化的目的主要有： 1）增大物理化学反应速度，对于陶瓷材料促进烧结，降低 反应温度。粒子尺寸↓，比表面积，表面能，反应速度。 2）有利于均匀混合，促进制品的均质化。制品的均匀程度 （成分）主要取决于配合料（多种）中的混合均匀程度。
f（Dp）=np/N×100% f(△Dp)=np/N×100% 这种频率与颗粒大小的关系，称为频率分布。
例如：设用显微镜观察N为300个颗粒的粉体样品，经测 定最小颗粒直径为1.5μm，最大颗粒直径为12.2μm.。将 被测定出来的颗粒按由小到大的顺序以适当的区间加以 分组，组数用h来表示，一般多取10~25组。小于10组， 数据的准确性大大降低，大于25组，数据的处理过程又 过于冗长。这里取h=12。区间的范围称为组距，用△Dp 表示。设△Dp=1μm，每一个区间的中点，称为组中值， 用di表示。落在每一个区间的颗粒数除以N，便是 f(△Dp)。将测量的数据加以整理，如下表：
等表面积球当量径：与颗粒同表面积的球的直径；这种方法 比较实用，通过流体透过法等间接方法求得。
等比表面积球当量径：与颗粒同比表面积的球的直径； 等沉降速度球当量径：与颗粒在流体中以等沉降速度下降的 球的直径，也称斯托克斯当量径。
2、颗粒群平均直径
在实际中，所涉及的不是单个的颗粒，而是包含各种不同 粒径的颗粒的集合，即粒子群。对于不同粒径颗粒组成的粒子 群，为简化其粒度大小的描述，常采用平均粒度的概念。平均 粒度是用数学统计方法来表征的一个综合概括的数值——代表 某一粒子群粒径大小。
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内容
粉末粒度/μm 颗粒形状 聚集状况 表观密度% 冷却速度/K· s -1 偏析程度 氧化物/10
-6
气雾化
100 球形 有一些 55 10
4
水雾化
150 不规则 很少 35 10
5
轻微 120
可忽略 3000
流体压力/MPa
流体速度/m· s 雾化效率
-1
3
100 低
14
100 中等
2）影响二流雾化性能的因素
从制备过程的实质来分：机械破碎法、物 理化学法
固态
粉末
1、金属（合金）→金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀 2、金属氧化物（盐类）→金属粉末：还原法 3、金属＋非金属化合物 →金属化合物粉末：还原－化合法
金属氧化物＋非金属化合物
3 常用的粉末制备方法 3、1 机械粉碎法
碾碎 碾碎机 双辊滚碎机
机 械 粉 碎 法
雾化粉末性能的表征 a.粉末的粒度：平均粒度、粒度分布、可用粉 末收得率 b.粉末形状：松装密度、流动性、压坯密度、 比表面积 c.粉末纯度和结构：化学成分、氧化度、均匀 性、颗粒微观组织结构
A.雾化介质
空气 气体 雾化介质 影响 液体 水 惰性 气体 油
对氧化不严重或再进行还原处理的合 金。（铜、铁、碳钢） 对易氧化的金属粉末制备，含锰、硅、 钒、钛、锆的合金或镍基、钴超合金 能较好地控制颗粒形状和表面氧化 对含有易被还原的氧化物金属合金， 铁、低碳钢、合金钢（由于金属冷却 速度快粉末表面烟花大大减少）
3.2.2离心雾化
离心雾化法—利用机械旋转离心力将金属液流 击碎成细液滴，然后冷却凝结成 粉末 离心雾化法分类：旋转圆盘、旋转坩埚、旋转 电极、旋转网
1）旋转圆盘法
金属液流在一定压力下，流至转动圆盘上，被 圆盘上的叶片所击碎并迅速冷却成粉末
2）旋转坩埚雾化法
固定电极与一个旋转 水冷坩埚内的金属之间产 生电弧而被熔化，熔融金 属在离心力作用下（转速 3000~4000τ/min）从坩埚 口被粉碎而被甩击
研磨的任务：减小或增大粉末粒度；合金化；固态 混料；改善、转变粉末材料的性能。
1）研磨规律
冲击 磨耗 剪切 压缩 颗粒体之间的瞬时冲击 两物体间的摩擦产生碎屑 在其他合力作用下颗粒被切开 缓慢施加压力于颗粒上使其压碎
研 磨
颗 粒 体
研磨装臵
滚筒
磨球 （磨料：钢球、合金钢球、 陶瓷球） 支承滚轮
物料 （被磨料：金属块、合金块）
金属液流的粘度随温度升高而减小 金属液流强烈氧化，粘度大大提高 合金溶体的年度随成分变化而变化
b.金属液过热温度的影响
金属液过热温度愈高，细粉末产出率愈高，愈容 易得球形粉末 过热温度选择：低熔点金属（Sn、Pb、Zn、Al）为50℃ 铜合金类：100~150 ℃ 铁及合金钢类：150~250 ℃
雾化介质压力的影响：压力愈大，制备的粉末愈细，雾化介 质流体的动能愈大，金属液流破碎效果愈好。
B.金属液流
a.金属液的表面张力和粘度的影响 金属液的表面张力愈大粉末或球形愈多， 粉末粒度也粗；反之，表面张力小时，粉末 呈不规则形状，粒度也减小
表面张力愈小，粘度愈低，所得的粉末愈细
液体的粘度受温度和化学成分的影响
-7 3
0.12
4)旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：
3.2.3其它雾化工艺
①
②
③ ④ ⑤
辊筒雾化法 振动电极雾化法 熔滴雾化法 超声雾化法 真空雾化法
3.3雾化粉末显微结构的控制
二次枝晶间距 Y= CD
n
C与材料的聚合和工艺过程的常数 D粉体颗粒的直径 n与合金成分和凝固模式的常数在 0.5~1之间
水雾化时，金属液流的破碎机理
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 图（a）中形成金属液滴的 “溅落”机理步骤 图（b）中形成金属液滴的 “擦落”机理步骤 C 水雾化法粉末粒度D= vsinα C与材料和雾化装臵结构有 关的常数；v水速；α金属液流与 水流轴之间夹角
气体雾化与水雾化的比较
（a)
（b)
（c)
（d)
②临界转速n临界与圆直径D的关系 42.4 n临界 = √¯¯ D r/min 强烈的冲击作用， 研磨细粉 研磨细粉
抛落转速（0.7~0.75）n临界 磨粗料 泻落转速 大于0.6 n临界 滑动转速 小于0.6 n临界
③球料倾斜角
转速低，球料量小，β角小 当β <β临界，球料滑动
①球料的运行状态 a、滑动：在载荷和转速都不大时，球料沿筒壁滑动 b、泻落：在载荷比较大时，球料沿筒壁上升至自然坡度角， 然后落下（也称为滚动） c、抛落：随着转速提高，球料与筒壁一起上升到一定高度， 然后落下（也称为自由下落） d、临界转速：当转速达到一定的速度时，球料受离心力作用， 一直紧贴在筒壁上，以致不能跌落
雾化中，形球时间的关系式
球化时间 t 球化
3 2 4 4 （r1 r2 ) 4V
r1转变成球形颗粒后的粉末颗粒半径；
r2转变成球形颗粒前的粉末颗粒半径；
μ熔融金属粘度；σ液态金属的表面张力
V粉末颗粒的体积
4、还原法
固态 被还原物 气态 + 还原剂 液态 固态 气态 液态 金属粉末
压碎 击碎 磨削
辊轧 颚式 锤磨 球磨 棒磨 设备
粗碎 设备
颚式破碎机
锤磨机 球磨机 振动球磨机 搅动球磨机 棒磨机
细碎 研磨 设备
原理分类
3.1.1 机械研磨
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。
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 方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。
D液滴直径；ρm液态金属密度；h传热系数；
Cp金属的比热容；To雾化气体温度（室温）；
Tm金属熔化温度；Ts凝固温度；H金属的熔化潜热
对流冷却传热系数与导热率、粒径和雷诺数 的关系
k h (2 0.6R P ) 传热系数 d
K雾化介质的热导率；d颗粒直径； Re雷诺数；Pr普朗特数
1 1 2 3 e r
雾化的四个区域
a.负压紊流区Ⅰ b.原始液滴形成区Ⅱ c.有效雾化区Ⅲ d.冷却凝固区Ⅳ，形成的 液滴颗粒分散开
喷嘴结构
喷嘴的设计要求 a.能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所 需要的能量 b.保证雾化介质与金属液流之间形成最合理 的喷射角度 c.使金属液流产生最大的紊流 e.加工制造简单
喷嘴的基本结构：分为自由降落式喷、侧限式喷嘴
液体 金属 击碎 法 雾化法
二流雾化：气体雾化、水雾化 离心雾化：旋转圆盘、旋转电极、旋转坩埚 真空雾化 超声波雾化
3.2.1 二流雾化法
二流：第一流雾化介质（水流、气流）； 第二流被雾化物（金属液流） 雾化法是采用高速气流或者高压水流击 碎金属液流的方法
雾化法的各种形式
气流与金属液流平行
气流或水流与 金属液流垂直
C.金属液流股直径的影响
金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多
流股直径的选择： 金属熔点低于1000 ℃时，直径φ5~6mm 金属熔点低于1300 ℃时，直径φ6~8mm 金属熔点高于1300 ℃时，直径φ8~10mm
C.雾化装置
喷射参数的影响： 液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当， 有利于得到细粉；液滴飞行距离较长有利于 形成球形粉，粉末颗粒也粗
气流或水流与金属 液流呈一定角度
气体或水从若干均匀分布在圆 周上的小孔喷击，构成一个末封闭 的锥体，交汇于锥体顶点，将流经 该处的金属流击碎
压缩气体从切向进入喷嘴 内腔，造成漩涡气锥，金属液 流在锥底被击碎
1）雾化机理
物理—机械作用：高速气流或水，既是使金属 液流击碎的动力源，又是一 种冷却剂。包含了能量交换 和热量交换。 物理—化学变化：雾化和冷却过程使液态金属 的粘度和表面张力不断变化， 液态金属与雾化介质同时发 生化学作用，使金属改变成 分（氧化、脱碳）
粉末冶金 （ 2）
第二章 粉末的制取
1、粉末制取方法概述
粉末是粉末冶金的原料，制取粉末是粉末冶 金的第一步。粉末的形成是依靠能量传递到材料而 制造新表面的过程。
金属块 1μm金属颗粒 1×1018 个
破 碎
1m 3 表面积6m 2 机械法 物理化学法
2 在不同状态下粉末制取的主要方法
① ② ③
在液态下制备粉末的方法 在固态下制备粉末的方法 在气态下制备粉末的方法
3）旋转电极雾化法
把被雾化的金属或 合金，作为旋转自耗电 极，通过固定的钨电极 发生电弧使金属或合金 熔化，熔化的金属或合 金在离心力作用下碎成 细滴状飞击，形成粉末
旋转电极雾化机理
旋转电极法粉末平均粒度D为：
M D 1.64 (r /ρ m )0.43 wd
M熔化速率，d阳极直径，w 角速度 工艺参数：熔化率10 m /s ，转速1000~5000τ/min,d=2~5mm
熔 盐
熔 体
ZrCl4 KCl Mg Zr 产物
金属热还原
金属氧化物热力学
MeO X Me XO
WCl6 3H 2 W 6HCl TiCl4 2Mg Ti 2MgCl2
CuSO4 Fe Cu FeSO4
固体碳还原
气体还原 金属热还原
气相氢还原 气相金属热还原 臵换 溶液氢还原
Me( NH 3 )n SO4 H 2 Me ( NH 4 )2 SO4 (n 2) NH 3
还原法广义的使用范围
被还原物料 还原剂 举 例 备 注
固 体
固 体 固 体 气 体 气 体 气 体 溶 液 溶 液
固 体
气 体 熔 体 固 体 气 体 熔 体 固 体 气 体
粉末粒度/μm 颗粒形状 聚集状况 表观密度% 冷却速度/K· s -1 偏析程度 氧化物/10
-6
气雾化
100 球形 有一些 55 10
4
水雾化
150 不规则 很少 35 10
5
轻微 120
可忽略 3000
流体压力/MPa
流体速度/m· s 雾化效率
-1
3
100 低
14
100 中等
2）影响二流雾化性能的因素
从制备过程的实质来分：机械破碎法、物 理化学法
固态
粉末
1、金属（合金）→金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀 2、金属氧化物（盐类）→金属粉末：还原法 3、金属＋非金属化合物 →金属化合物粉末：还原－化合法
金属氧化物＋非金属化合物
3 常用的粉末制备方法 3、1 机械粉碎法
碾碎 碾碎机 双辊滚碎机
机 械 粉 碎 法
雾化粉末性能的表征 a.粉末的粒度：平均粒度、粒度分布、可用粉 末收得率 b.粉末形状：松装密度、流动性、压坯密度、 比表面积 c.粉末纯度和结构：化学成分、氧化度、均匀 性、颗粒微观组织结构
A.雾化介质
空气 气体 雾化介质 影响 液体 水 惰性 气体 油
对氧化不严重或再进行还原处理的合 金。（铜、铁、碳钢） 对易氧化的金属粉末制备，含锰、硅、 钒、钛、锆的合金或镍基、钴超合金 能较好地控制颗粒形状和表面氧化 对含有易被还原的氧化物金属合金， 铁、低碳钢、合金钢（由于金属冷却 速度快粉末表面烟花大大减少）
3.2.2离心雾化
离心雾化法—利用机械旋转离心力将金属液流 击碎成细液滴，然后冷却凝结成 粉末 离心雾化法分类：旋转圆盘、旋转坩埚、旋转 电极、旋转网
1）旋转圆盘法
金属液流在一定压力下，流至转动圆盘上，被 圆盘上的叶片所击碎并迅速冷却成粉末
2）旋转坩埚雾化法
固定电极与一个旋转 水冷坩埚内的金属之间产 生电弧而被熔化，熔融金 属在离心力作用下（转速 3000~4000τ/min）从坩埚 口被粉碎而被甩击
研磨的任务：减小或增大粉末粒度；合金化；固态 混料；改善、转变粉末材料的性能。
1）研磨规律
冲击 磨耗 剪切 压缩 颗粒体之间的瞬时冲击 两物体间的摩擦产生碎屑 在其他合力作用下颗粒被切开 缓慢施加压力于颗粒上使其压碎
研 磨
颗 粒 体
研磨装臵
滚筒
磨球 （磨料：钢球、合金钢球、 陶瓷球） 支承滚轮
物料 （被磨料：金属块、合金块）
金属液流的粘度随温度升高而减小 金属液流强烈氧化，粘度大大提高 合金溶体的年度随成分变化而变化
b.金属液过热温度的影响
金属液过热温度愈高，细粉末产出率愈高，愈容 易得球形粉末 过热温度选择：低熔点金属（Sn、Pb、Zn、Al）为50℃ 铜合金类：100~150 ℃ 铁及合金钢类：150~250 ℃
雾化介质压力的影响：压力愈大，制备的粉末愈细，雾化介 质流体的动能愈大，金属液流破碎效果愈好。
B.金属液流
a.金属液的表面张力和粘度的影响 金属液的表面张力愈大粉末或球形愈多， 粉末粒度也粗；反之，表面张力小时，粉末 呈不规则形状，粒度也减小
表面张力愈小，粘度愈低，所得的粉末愈细
液体的粘度受温度和化学成分的影响
-7 3
0.12
4)旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：
3.2.3其它雾化工艺
①
②
③ ④ ⑤
辊筒雾化法 振动电极雾化法 熔滴雾化法 超声雾化法 真空雾化法
3.3雾化粉末显微结构的控制
二次枝晶间距 Y= CD
n
C与材料的聚合和工艺过程的常数 D粉体颗粒的直径 n与合金成分和凝固模式的常数在 0.5~1之间
水雾化时，金属液流的破碎机理
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 图（a）中形成金属液滴的 “溅落”机理步骤 图（b）中形成金属液滴的 “擦落”机理步骤 C 水雾化法粉末粒度D= vsinα C与材料和雾化装臵结构有 关的常数；v水速；α金属液流与 水流轴之间夹角
气体雾化与水雾化的比较
（a)
（b)
（c)
（d)
②临界转速n临界与圆直径D的关系 42.4 n临界 = √¯¯ D r/min 强烈的冲击作用， 研磨细粉 研磨细粉
抛落转速（0.7~0.75）n临界 磨粗料 泻落转速 大于0.6 n临界 滑动转速 小于0.6 n临界
③球料倾斜角
转速低，球料量小，β角小 当β <β临界，球料滑动
①球料的运行状态 a、滑动：在载荷和转速都不大时，球料沿筒壁滑动 b、泻落：在载荷比较大时，球料沿筒壁上升至自然坡度角， 然后落下（也称为滚动） c、抛落：随着转速提高，球料与筒壁一起上升到一定高度， 然后落下（也称为自由下落） d、临界转速：当转速达到一定的速度时，球料受离心力作用， 一直紧贴在筒壁上，以致不能跌落
雾化中，形球时间的关系式
球化时间 t 球化
3 2 4 4 （r1 r2 ) 4V
r1转变成球形颗粒后的粉末颗粒半径；
r2转变成球形颗粒前的粉末颗粒半径；
μ熔融金属粘度；σ液态金属的表面张力
V粉末颗粒的体积
4、还原法
固态 被还原物 气态 + 还原剂 液态 固态 气态 液态 金属粉末
压碎 击碎 磨削
辊轧 颚式 锤磨 球磨 棒磨 设备
粗碎 设备
颚式破碎机
锤磨机 球磨机 振动球磨机 搅动球磨机 棒磨机
细碎 研磨 设备
原理分类
3.1.1 机械研磨
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。
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 方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。
D液滴直径；ρm液态金属密度；h传热系数；
Cp金属的比热容；To雾化气体温度（室温）；
Tm金属熔化温度；Ts凝固温度；H金属的熔化潜热
对流冷却传热系数与导热率、粒径和雷诺数 的关系
k h (2 0.6R P ) 传热系数 d
K雾化介质的热导率；d颗粒直径； Re雷诺数；Pr普朗特数
1 1 2 3 e r
雾化的四个区域
a.负压紊流区Ⅰ b.原始液滴形成区Ⅱ c.有效雾化区Ⅲ d.冷却凝固区Ⅳ，形成的 液滴颗粒分散开
喷嘴结构
喷嘴的设计要求 a.能使雾化介质获得尽可能大的出口速度和所 需要的能量 b.保证雾化介质与金属液流之间形成最合理 的喷射角度 c.使金属液流产生最大的紊流 e.加工制造简单
喷嘴的基本结构：分为自由降落式喷、侧限式喷嘴
液体 金属 击碎 法 雾化法
二流雾化：气体雾化、水雾化 离心雾化：旋转圆盘、旋转电极、旋转坩埚 真空雾化 超声波雾化
3.2.1 二流雾化法
二流：第一流雾化介质（水流、气流）； 第二流被雾化物（金属液流） 雾化法是采用高速气流或者高压水流击 碎金属液流的方法
雾化法的各种形式
气流与金属液流平行
气流或水流与 金属液流垂直
C.金属液流股直径的影响
金属液流股直径愈细，所得细粉末也愈多
流股直径的选择： 金属熔点低于1000 ℃时，直径φ5~6mm 金属熔点低于1300 ℃时，直径φ6~8mm 金属熔点高于1300 ℃时，直径φ8~10mm
C.雾化装置
喷射参数的影响： 液流长度短，喷射长度短，喷射顶角适当， 有利于得到细粉；液滴飞行距离较长有利于 形成球形粉，粉末颗粒也粗
气流或水流与金属 液流呈一定角度
气体或水从若干均匀分布在圆 周上的小孔喷击，构成一个末封闭 的锥体，交汇于锥体顶点，将流经 该处的金属流击碎
压缩气体从切向进入喷嘴 内腔，造成漩涡气锥，金属液 流在锥底被击碎
1）雾化机理
物理—机械作用：高速气流或水，既是使金属 液流击碎的动力源，又是一 种冷却剂。包含了能量交换 和热量交换。 物理—化学变化：雾化和冷却过程使液态金属 的粘度和表面张力不断变化， 液态金属与雾化介质同时发 生化学作用，使金属改变成 分（氧化、脱碳）
粉末冶金 （ 2）
第二章 粉末的制取
1、粉末制取方法概述
粉末是粉末冶金的原料，制取粉末是粉末冶 金的第一步。粉末的形成是依靠能量传递到材料而 制造新表面的过程。
金属块 1μm金属颗粒 1×1018 个
破 碎
1m 3 表面积6m 2 机械法 物理化学法
2 在不同状态下粉末制取的主要方法
① ② ③
在液态下制备粉末的方法 在固态下制备粉末的方法 在气态下制备粉末的方法
3）旋转电极雾化法
把被雾化的金属或 合金，作为旋转自耗电 极，通过固定的钨电极 发生电弧使金属或合金 熔化，熔化的金属或合 金在离心力作用下碎成 细滴状飞击，形成粉末
旋转电极雾化机理
旋转电极法粉末平均粒度D为：
M D 1.64 (r /ρ m )0.43 wd
M熔化速率，d阳极直径，w 角速度 工艺参数：熔化率10 m /s ，转速1000~5000τ/min,d=2~5mm
熔 盐
熔 体
ZrCl4 KCl Mg Zr 产物
金属热还原
金属氧化物热力学
MeO X Me XO
WCl6 3H 2 W 6HCl TiCl4 2Mg Ti 2MgCl2
CuSO4 Fe Cu FeSO4
固体碳还原
气体还原 金属热还原
气相氢还原 气相金属热还原 臵换 溶液氢还原
Me( NH 3 )n SO4 H 2 Me ( NH 4 )2 SO4 (n 2) NH 3
还原法广义的使用范围
被还原物料 还原剂 举 例 备 注
固 体
固 体 固 体 气 体 气 体 气 体 溶 液 溶 液
固 体
气 体 熔 体 固 体 气 体 熔 体 固 体 气 体