【管理资料】烧结-粉末冶金原理PPT(4)汇编
粉末冶金原理简介课件
化学共沉淀法
总结词
通过化学反应使金属离子共沉淀形成均匀的金属氧化物或硫化物粉末。
详细描述
化学共沉淀法是一种制备金属粉末的方法，通过化学反应使金属离子共沉淀形成 均匀的金属氧化物或硫化物粉末。在沉淀过程中，控制溶液的pH值和浓度等条 件，使不同金属离子同时沉淀，形成成分均匀的混合物粉末。
喷雾干燥法
定义
粉末烧结是一种通过加热使粉末颗粒 间发生粘结，从而将它们转化为致由烧结和压制烧结。
烧结原理与过程
原理
烧结过程中，粉末颗粒通过表面扩散、粘性流动和塑性变形等机制相互粘结， 形成连续的固体结构。
过程
烧结过程通常包括加热、保温和冷却三个阶段，其中保温阶段是粉末颗粒粘结 的主要阶段。
能源领域
粉末冶金多孔材料可用于制造 燃料电池电极、核反应堆控制 棒等能源相关领域。
医疗器械
粉末冶金材料具有生物相容性 和耐腐蚀性，适用于医疗器械 制造，如人工关节、牙科植入
物等。
粉末冶金的发展历程
01
02
03
早期发展
粉末冶金起源于古代金属 加工技术，如青铜器时代 的铜合金制造。
20世纪发展
随着科技的发展，粉末冶 金在20世纪得到了广泛研 究和应用，涉及领域不断 扩大。
05
粉末冶金材料性能
力学性能
高强度和硬度
粉末冶金材料通过细晶强 化等手段，表现出较高的 硬度和强度，能够满足各 种复杂工况的需求。
良好的耐磨性
由于粉末冶金材料的晶粒 细小且均匀，其耐磨性优 于传统铸造和锻造材料。
抗疲劳性能
由于材料的内部结构均匀 ，可以有效抵抗疲劳裂纹 的扩展，提高零件的寿命 。
特点
粉末冶金具有能够制备传统熔炼 方法难以制备的合金、材料纯度 高、材料性能可调范围广、节能 环保等优点。
烧结-粉末冶金原理PPT(4)
2020/5/24
Part 2： 粉末烧结
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
计算机模拟
双球模型
原子迁移机构,扩散机构
组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的 反应
借助于建立物理、几何或化 学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
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Part 2： 粉末烧结
为什么能形成接触面？
➢ 范德华力:接触压力ｐ＝20-300Mpa （接触距离为0.2nm时）
➢ 静电力 ➢ 金属键合力:约为范德华力的20倍 ➢ 电子作用力 ➢ 附加应力（存在液相） ➢ 金属键合力 ➢ 电子作用力 ➢ 电子云重叠，导致电子云密度增加
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Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
2020/5/24
Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
• 蒸气压较高：Mn,Zn，Cd,CdO等 • 高温:接近烧结材料的熔点 • 化学活化：添加氯离子的烧结 • 纳米粉末的烧结
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Part 2： 粉末烧结
由Gibbs-Kelvin公式得到蒸气压差 P=PoγΩ/(kTR)
Po —平面的饱和蒸气压； R—曲面的曲率半径。
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Part 2： 粉末烧结
第一章 概述
§1 烧结的定义与分类 §2 烧结理论的研究范畴和目的 §3 烧结技术的发展
粉末冶金第4章单元系粉末烧结
第四章单元系粉末烧结Sintering of single component§1 烧结现象（简介）纯金属、固定化学成分的化合物和均匀固溶体的粉末烧结体系1. 烧结现象：1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解）→形成内压→若内压超过颗粒间的结合强度→膨胀,起泡或开裂等→废品2）当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大产生回复和再结晶现象由于颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。
3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙4）晶粒长大1.烧结温度与时间（自学）T=（2/3-4/5）Tm2.烧结密度与尺寸变化（自学）§2 烧结过程中的晶粒长大1 .烧结材料的晶粒尺寸细小：在粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小而在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象但与普通致密材料相比较，烧结材料的这种晶粒长大现象几乎可以忽略。
原因有二：孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍烧结温度低于铸造温度1)对晶界的阻碍作用：烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的迁移。
粉末颗粒的原始边界随着烧结过程的进行一般发展成晶界。
烧结坯中的大量孔隙大都与晶界相连接。
孔隙对晶界迁移施加的阻力:随其中孔隙尺寸的减小而降低孔隙的数量的下降而降低当孔隙度固定时，孔隙数量愈大，这种阻碍作用也愈强相应地，晶粒长大趋势亦小在相同烧结条件下，粒度粗的粉末易得到较粗大的晶粒而粒度较细的粉末则易获得较细小的晶粒结构细粉时，孔隙数量大，对晶界的阻碍作用较强但烧结温度过高或烧结时间过长，则会发生聚集再结晶当烧结坯中的孔隙尺寸和总孔隙度下降到一定程度后，孔隙的阻碍作用迅速减弱，导致晶界与孔隙发生分离现象。
这时，晶内孔隙形成。
粉末中的夹杂物也对晶粒长大施加一定的阻碍作用。
夹杂物包括硅酸盐和稳定性高的金属氧化物对晶界迁移的阻碍作用大于孔隙因为孔隙随着烧结过程的进行可减弱或消失。
而夹杂物一般难以消除（若夹杂物在烧结过程中稳定）同时,粉末烧结温度远低于铸造温度故粉末烧结材料的晶粒一般较细小2 .晶粒长大（grain growth）的阻碍作用模型若附在晶界上的孔隙的尺寸为rP，平均晶粒尺寸为Ga，则孔隙的体积分数为fP=48(rP/Ga)3假设单位晶界面积上的孔隙个数为N，则N=24/πGa2晶界迁移的驱动力F=2kγgb(1/Ga-1/G)k=4/5(for normal grain growth)孔隙或夹杂物及溶质原子对晶界的拉力为Fd=πrPγgb(N+MP/Mb)其中：孔隙的移动性MP=An/rPnAn、rn依赖于导致孔隙迁移的物质迁移机构其中δ为表面层厚度；m为摩尔质量；αˊ为蒸发速度常数晶界移动性Mb=(αC∞+1/Mo)-1Mo：晶界本征移动性，C∞：溶质原子的平均浓度因而对晶界总的拉力为Fd=πrPγgb(N+AnαC∞/rPn+An/MorPn)产生晶界与孔隙分离或形成晶内孔隙的条件是晶界迁移驱动力F≥施加在晶界上的拉力Fd容易发现rP愈小,N↑，→Fd↑细粉末难以形成内孔隙原始晶粒尺寸分布愈均匀，晶界与孔隙分离的机率也愈小晶粒长大动力学方程为Gn -Go n =kt 2<n≤3Ga为平均晶粒尺寸孔隙等的存在导致晶粒长大速度下降§3 纳米粉末的烧结特性与烧结技术1. 纳米晶材料具有传统与微米晶材料的不同特性不透明→透明；脆性→超塑性；绝缘→导体；电子材料：很高的磁阻，超磁性（可控的能带间隙）技术困难纳米粉体的烧结是为了得到纳米晶全致密的块体材料(矛盾)2.目标：关键是在保持块体材料呈现纳米晶结构，而又能获得全致密化纳米粉末具有本征的偏离平衡态的亚稳结构纳米晶结构还导致晶体结构的改变固溶度增加物理性能改变问题是1）烧结后产生晶粒粗化→非纳米晶结构活性高:烧结驱动力用于致密化和晶粒长大2）试样细寸细小，特别是难以得到出现性能突变的可供测试的样品，无法判断对应晶粒尺寸3）工程应用也受到制约为什么纳米粉末颗粒的烧结活性很高？1）烧结热力学具有巨大的表面能，为烧结过程提供很高的烧结驱动力，使烧结过程加快2）烧结动力学由烧结动力学方程(X/a)m=F(T).t/am-n纳米粉末颗粒的a值很小达到相同的x/a值所需时间很短，烧结温度降低。
粉末冶金原理 PPT
临界转速与圆筒直径有关,其关系为:
球体发生滚动得临界条件为:
;反之发生滑动。
β为筒体转动时,球体表面发生倾斜,在一定得转速与装球
量下得倾斜角
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一、粉末制备技术
球体滚动与自由下落就是最有效得研磨方式, 并且粉末得细磨只有在滚动下才能实现,因为细小 得颗粒不会被球体得冲击所再粉碎
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一、粉末制备技术 (2)影响球磨得因素
球磨机中得研磨过程取决于众多因素: 筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机 转速、研磨时间、球体与被研磨物料得比例 (球料比)、研磨介质以及球体直径等。
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一、粉末制备技术
例如:球磨筒转速n＝0、7-0、75n临界时,球体发生抛 落; n＝0、6n临界时,球体发生滚动; n<0、6n临界时,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
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一、粉末制备技术
图1-3为机械合金化装置示意图。 机械合金化与滚动球磨得区别在于:使球体运动得驱动力 不同。
图1-2 斯韦科湿式振动球磨机
图1-3 机械合金化装置示意图
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一、粉末制备技术
2、1、3 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得塑性金属或合金。 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 回转打击子相碰时得磨损作用。
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绪论
粉末冶金工艺得基本工序 1、原料粉末得制备。现有得制粉方法大体可分为两类:机
械法与物理化学法。其中机械法又可分为:机械粉碎与雾 化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合法、 还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其 中应用最为广泛得就是还原法、雾化法与电解法。
粉末冶金原理简介PPT课件
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一、粉末制备技术
1. 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 1.2 在液态下制备粉末的方法 1.3 在气态下制备粉末的方法 2.常用的粉末制备方法 2.1 机械粉碎法 2.2 雾化法 2.3 还原法 2.4 气相沉积法 2.5 液相沉淀法 2.6 电解法 3. 本章小结
3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志： 1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。1909 年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923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。
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4
绪论
2）20世纪三十年代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 甚至无切削的优点。
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。
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一、粉末制备技术
1.3 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
气冷凝法；
（2) 从气态金属羰基物中离解制取金属、合 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、 合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法；
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
度的材料。
4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和
均匀性。Βιβλιοθήκη 5、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
金法制造能大大降低生产成本。
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绪论
➢ 粉末冶金材料和制品的发展方向
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一、粉末制备技术
粉末冶金概论PPT课件
机械合金化制备的合金粉末具有优异的综合性能，如高硬度、良好的耐磨性和耐腐 蚀性等，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
化学共沉淀法
化学共沉淀法是一种制备金属或金属氧化物粉末的常用方法。
电子工业
粉末冶金材料可用于制造电子元件和 集成电路的封装外壳、散热器等。
国防工业
粉末冶金技术对于国防工业至关重要， 用于制造高性能的武器装备和军事器 材。
05
04
航空航天
粉末冶金材料具有高强度、轻量化的 特点，在航空航天领域中广泛应用于 制造飞机和火箭的结构件。
粉末冶金的发展历程
20世纪初
粉末冶金技术开始发展，主要用于制造含油轴承 和硬质合金。
粉末冶金在新能源领域的应用 主要包括风能、太阳能等领域
。
粉末冶金零件如粉末冶金轴承 、粉末冶金齿轮等在风力发电 机组中广泛应用，提高了风能
利用率。
粉末冶金材料在太阳能光伏电 池的制造过程中也发挥了重要 作用，提高了光电转换效率。
随着新能源技术的不断发展， 粉末冶金在高效储能、绿色能 源转换等方面的应用将具有广 阔前景。
在喷雾干燥法中，首先将原料溶液或悬浮液送入雾化器， 在雾化器中经压力或旋转作用形成细小液滴，然后在热空 气中迅速蒸发干燥，得到固体粉末。
喷雾干燥法制备的粉末具有粒度均匀、形状规则、流动性 好等优点，广泛应用于陶瓷、涂料、医药等领域。
热分解法
1
热分解法是一种通过加热分解含有目标产物的化 合物来制备金属或非金属粉末的方法。
05 粉末冶金材料
硬质合金
硬质合金是由硬质相和粘结剂 组成的粉末冶金材料，具有高 硬度、高耐磨性和良好的化学 稳定性。
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结是一种常用的制备金属和陶瓷材料的工艺。
其原理基于粉末颗粒在高温下通过表面扩散和颗粒间的相互作用力而实现的固相结合。
首先，通过研磨和混合的方式将所需的金属或陶瓷粉末混合均匀。
混合的目的是使不同粉末颗粒在烧结过程中能够更好地接触和相互结合。
接下来，将混合后的粉末填充到模具中，并施加一定的压力。
压力的作用是使粉末颗粒之间产生一定的接触力，这样可以促进烧结过程中的颗粒扩散。
然后，将填充好的模具放入烧结炉中，进行高温处理。
在高温下，粉末颗粒表面会发生表面扩散，即颗粒表面的原子或离子会向颗粒内部扩散。
同时，由于高温下颗粒间的相互作用力增强，颗粒之间产生局部的结合。
经过一段时间的高温处理，粉末颗粒表面扩散和颗粒间的结合逐渐扩展到整个颗粒，形成了一个密实的整体。
这个过程称为固相烧结，通过这种方式，粉末的体积会明显减小。
最后，将烧结后的样品冷却并取出，进行进一步的加工和处理。
根据需要，可以对烧结样品进行后续的热处理、机加工等工艺步骤。
总之，粉末冶金烧结是一种通过高温和压力作用下，将粉末颗
粒固相结合的制备材料的方法。
通过控制烧结过程中的温度、压力和时间等参数，可以获得具有预期性能的金属和陶瓷材料。
粉末冶金简介全版.ppt
.精品课件.
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2、从保证压坯质量的角度来考虑
a）压坯密度均匀性：如下图（a）由于减小了压坯的长细比，从而可以提高压 坯的密度均匀性；图（b）采用凹坑向下的方向压制，可以部分地减少凹坑的装 粉，有助于改善密度分布，凹坑越深改善越明显；图（c）凸脐朝上，因上模冲 下行，压坯上部密度提高以免因凸脐部分少装粉所带来的密度偏低的不足。
1、等高压坯密度均匀设计
a）细长类零件：如图所示的衬套类零件压坯，在采用单向压制时，其上下密度 差达0.46g/cm3，硬度差达25HB，其压溃值低于200MPa；如采用双向压制，其 上、下与中间的密度差小于0.13g/cm3，硬度差可以控制在5HB范围内
.精品课件.
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b）薄壁类零件：如下图所示，二个零件的外径与高度相同，但内径不同，壁厚 不同，采用双向压制后，左侧零件整体密度为6.55g/cm3，上端密度为 6.62g/cm3，中间密度为6.44g/cm3，下端密度为6.61g/cm3；右侧零件整体密度 为6.47g/cm3，上端密度为6.64g/cm3，中间密度为6.33g/cm3，下端密度为 6.61g/cm3。可以看出壁厚越小，整体密度越低，上、中、下密度差也越大，这 是阴模内壁与芯棒表面对粉末的摩擦阻力增大所致。
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3、Ⅲ型压坯
指上、下端面都有两个台面的一类压坯。
通常由：阴模、两个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所 示。
.精品课件.
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4、Ⅳ型压坯
指下端面都有三个台面的一类压坯，包括两个外台阶面类和凹槽类。
通常由：阴模、一个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所 示。
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Part 2： 粉末烧结
§1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化
烧结三阶段
➢ 粘结面的形成 ➢ 烧结颈（sintering neck）的形成与长大 ➢ 闭孔隙的形成和球化
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2020/7/5
一、粘结面的形成
Part 2： 粉末烧结
过程：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表 面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为
三、闭孔隙的形成和球化
• 孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发 展成孤立孔隙并球化
• 处于晶界上的闭孔则有可能消失 • 有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成
为晶内孔隙（intragranular pore），并 充分球化 • 孔隙结构演化
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§2
Part 2： 粉末烧结
烧结热力学
结 操
2 决定了P/M制品的性能
作 3 烧结废品很难补救，如铁基部件的
的
脱渗碳和严重的烧结变形
重 要
4 热处理，过程能耗大→降低烧结温度是有意义
性
（降低能耗和提高烧结炉寿命）
5 纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制
2020/7/5
Part 2： 粉末烧结
§2 烧结理论的研究范畴和目的
烧结理论的研究目的： 研究粉末压坯在烧结过程中微观结 构的演化(microstructural evolution)和物质变化规律
Part 2： 粉末烧结
烧结-粉末冶金原理PPT(4)
1
含义
Part 2： 粉末烧结
1 粉末
松装烧结，制造过滤材料（不锈钢， 青铜，黄铜，钛等）和催化材料（铁， 镍，铂等）
2020/7/5
含义
Part 2： 粉末烧结
2 低于主要组分熔点的温度
* 固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点 * 液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点
2020/7/5
Part 2： 粉末烧结
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
计算机模拟
双球模型
原子迁移机构,扩散机构
组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的 反应
借助于建立物理、几何或化 学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
2020/7/5
Part 2： 粉末烧结
单元系 粉末颗粒处于化学平衡态 粉末系统过剩自由能的降低是烧结
进行的驱动力
driving force for sintering
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2020/7/5
Part 2： 粉末烧结
系统的过剩自由能包括：
• 总界面积和总界面能的减小
• E=γs.As+γgb.Agb/2。（主要） As为自由表面积,Agb为晶界面积 单晶时Agb=0，则为总表面能减小
有限固溶系
Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等
互不固溶系
组元间既不溶解，也不形成化合物
Ag-W、Cu-W、Cu-C等
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Part 2： 粉末烧结
液相烧结 在烧结过程中存 在液相的烧结过程。
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Part 2： 粉末烧结
1 粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一
烧
磁粉芯和粘结磁性材料例外
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分类
Part 2： 粉末烧结
粉末烧结类型：
加压烧结 施加外压力(Applied pressure or pressure-assisted sintering) 热等静压 (hot isostatic pressing HIP)
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Part 2： 粉末烧结
无压烧结
不施加外压力 (Pressureless sintering)
后期的特征 孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发 生迁移
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Part 2： 粉末烧结
为什么会导致颗粒间的距离缩短？
• 原子的扩散，颗粒间的距离缩短 • 烧结颈间形成了微孔隙 • 微孔隙长大 • 聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌 • 银粉的烧结提供了相关证据
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Part 2： 粉末烧结
固相烧结与液相烧结
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固相烧结
Part 2： 粉末烧结
单元系固相烧结烧结
单相（纯金属、化合物、固溶体粉 末）
烧结—单相烧结 过程包括反应烧结等
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固相烧结
Part 2： 粉末烧结
无限固溶系
Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等
§3 烧结技术的发展
外力的引入：HP、HIP、 超高压烧结（纳米晶材料）
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Part 2： 粉末烧结
快速烧结技术
1 电固结工艺
2 快速热等静压(quick-HIP)
3 微波烧结技术
4 激光烧结
5 等离子体烧结
6 电火花烧结
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第二章 烧结热力学基础
§1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化 §2 烧结热力学 §3 烧结驱动力计算 §4 粉末烧结活性（简介）
但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
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含义
Part 2： 粉末烧结
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合
Mechanical interlocking or physical bonging
→Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
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Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
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Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
烧结机构，即解决How的问题， 也就是说物质迁移方式和迁移速度
原子间的冶金结合,形成晶界
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Part 2： 粉末烧结
结果： 坯体的强度增加，表面积减小 金属粉末烧结体：导电性能提高 是粉末烧结发生的标志 而非出现烧结收缩
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Part 2： 粉末烧结
为什么能形成接触面？
➢ 范德华力:接触压力ｐ＝20-300Mpa （接触距离为0.2nm时）
➢ 静电力 ➢ 金属键合力:约为范德华力的20倍 ➢ 电子作用力 ➢ 附加应力（存在液相） ➢ 金属键合力 ➢ 电子作用力 ➢ 电子云重叠，导致电子云密度增加
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Part 2： 粉末烧结
二、烧结颈（sintering neck）的形成与长大 (neck growth)
前期的特征 形成连续的孔隙网络，孔隙表面光滑化