现代粉末冶金技术(第一二章)
合集下载
现代粉末冶金技术(第一二章) 材料制备技术 教学课件
现代粉末冶金技术特征与 发展趋势
• 技术特征：
• 技术多样性
粉末制备、成形、烧结技术多选择
• 工艺复杂性：见图 • 手段先进性
压机、烧结炉等设备与最新科技结合
• 性能优异性 • 零件复杂性 • 规模扩大性；成本低廉性
• 发展趋势
• 辐射领域越来越广 材料、应用 • 工艺过程的变异 粉末直接成形 • 多学科交叉点 技术手段、应用领域 • 朝特异性能、规模化、低成本方向发展
粉末冶金技术的主要应用
• 典型的汽车用粉末冶金零部件 • Main Bearing Cap Set
• VALVE SEAT AND VALVE GUIDE
•ROCKER ARMS
课程结构与内容
• 粉末制备技术
• 雾化制粉* • 还原法 • 机械合金化* • 气相沉积 • 溶胶凝胶* • 自蔓燃反应合成*
dm=114P-0.58 (conical) dm=68P-0.56 (V-shaped)
高压气雾化
• 层流雾化：
=0；利用气体的纯剪切作 用破碎金属熔体；粉末粒 度可达10um以下
• 紧耦合式雾化喷嘴：
–充分利用气体能量； –气体压力：10~20MPa; 粉末 粒度：10~20um；
喷嘴口压力vs 气体压力
仅40~50% 材料组元可控，利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料
• 采用PM技术制备材料/产品的缺点：
• 原料粉末价格较贵（Fe和Fe粉）； • 成形模具成本高；靠产量规模降低费用； • 烧结制品残余孔隙影响性能； • 氧和杂质含量较高；制备高纯活性金属困难；
粉末冶金技术发展史
喷嘴口压力越 小，粉末越细
雾化粉末特性
粉末颗粒特性的表征
材料制备技术-粉末冶金
热模锻优势：
① 粉末冶金制件精度比精锻高；
① 可制造大型零件；
② 粉末锻造节省材料、重量控制精 ② 锻件力学性能比烧结粉
确、可无非边锻造，也能制造形状较 末冶金零件高，但与粉末
复杂制件；
锻造件相当；
③ 粉末锻造只需一副成形模具和一 ③ 可制造形状复杂程度较
副锻模；热锻需两副以上锻模、一副 高的制品。
挤压(extrusion)、轧制(rolling)、拉拔(drawing)、 冲压(punching)、锻造(forging)
PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法 制粉(powder making)压型(pressing) 烧结(sintering)
粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较
现代粉末冶金发展的三个重要标志：
• 1909年制造电灯钨丝的技术成功（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；相继发展铁基机械零件 • 向新材料、新工艺发展：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。
4） 成型性 Formation ability
定义: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: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性 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
3） 压缩性 Compressive ability
(1) 定义: 粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压 力下（30t/inch2）粉末压坯的密度
第二章粉末制备
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
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
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%
粉末冶金原理
课程名称：粉末冶金学Powder Metallurgy Science第一章导论1粉末冶金技术的发展史History of powder metallurgy粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法。
粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。
.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达6.5T的“DELI柱”（含硅Fe合金，耐蚀性好）。
.19世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，成为现代粉末冶金技术的基础。
.20世纪初，现代粉末冶金的发展起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。
钨灯丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。
.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。
.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工业部门的广泛应用。
随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的制造成本生产高性能零部件的技术优点。
.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。
.战后，迫使人们开发研制更高性能的新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高强度铁基粉末冶金零部件(热锻)。
大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领域。
.粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。
2粉末冶金工艺粉末冶金技术的大致工艺过程如下：↓成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）↓烧结（加压烧结、热压、HIP等）↓—后续处理Fig.1-1 Typical Processing flowchart for Powder Metallurgy Technique 3粉末冶金技术的特点.低的生产成本：能耗小，生产率高，材料利用率高，设备投资少。
现代材料成型新技术.
《现代材料成型新技术》讲义重庆大学机械工程学院材料加工工程2004．5．26课程主要内容1．粉末冶金技术2．金属多孔材料3．定向凝固和单晶铸造4．金属超塑性5．连续铸造技术6．快速凝固技术和材料7．金属半固态成形技术第一章粉末冶金1．概述1.1粉末冶金的工艺：制粉，成型，烧结（发展到两者合一,HIP，或者三者合一，Osprey,以及烧结后的锻造）1.2优点：1）近终成型（用于高硬度材料，不利于机械加工零件）2）合金成分设计，可在宽范围控制成分（提高固溶度）3）可以得到复杂零件（锻造得不到）4）组织可控（铸造组织粗大）5）可制备人工复合材料1.3 缺点：1）粉末和模具成本高2）不适合大零件成型3）存在孔隙1）简化制粉工艺，提高产出率2）全致密工艺（热等静压）2制粉2.1传统制粉：电解，球磨，气体雾化，水雾化（粒径大：≥200μm；粒径分散度大；产出率低）2．2离心雾化和快速凝固制粉2.2.1旋转电极法（见图1.1、图1.2）图1.1 旋转电极法原理图图旋转电极过程中液膜破碎、球形粉形成原理图250转/秒≥150μm图1.3 不同形式的离心雾化250转/秒2.2.3高速转轮快速凝固法(RST)(图1.3C)改进的离心雾化法：提高冷却速度(水冷旋转轮) （≥106 ℃ /秒）；高速转轮（400-600转/秒）优点：1）微晶或非晶粉末；成分偏析小；2）合金元素固溶度提高：表1.1 通过RST提高合金元素在铝中的溶解度力学性能提高：表1.2 用RST加入Li后，2024Al合金性能的改善•在T4和T6热处理状态下。
3）可消除有害相（高温合金的σ相），材料韧性提高4）得到亚稳组织，改变了合金共晶温度，共晶成分，扩大了合金成分范围，可以重新设计合金成分。
60000-80000H z 速度：2马赫≤50μm图1.4 真空雾化原理图1）气相沉积法：激光-蒸发-沉积（1公斤装置）产出率低；粒径小；μm （SiC粉）μm (Si3N4粉)2）液相法：溶液-微粒沉淀-干燥3．成型及致密化新技术致密度≤95%，模内致密度不均匀3.1 注射成型粉末，增塑剂（石蜡），黏结剂—>注射成型—>预烧结（排除有机物）—>成预坯—>烧结注射力提高了致密度和均匀性。
电子教案与课件：现代粉末冶金技术课件-化工 第一章 超微粉末的制备技术
➢ 1962年，日本物理学家Kubo在量子统计力学的基础上分析了金属超 微粒子的特性及粒子中电子间的相互作用，提出了著名的“久保效 应”，开创了近代超微粒子研究的新阶段。
➢ 20世纪60年代，透射电子显微镜开发成功后，超微粒子的研究工作主 要集中在晶体学和形貌特点方面。
➢ 1963年Ryozi Uyeda等人发展了气相蒸发法制备金属超微粉末的方法。
E处的密度分布函数(E)为：
(E)
3NE1/ 2 4EF 3/ 4
（1-2）
➢ 根据自由电子模型，粒子中电子的平均能级间隔δ可以近似表示为：
4EF
3N
（1-3）
式中的N为体系的自由电子数，EF为自由电子的费米能。
1.2.1.1电子状态
➢ 根据公式（1-3）可知，当体系的自由电子数在1024数量级时，自由电 子的能级间隔非常窄，基本上可以看成是连续分布的；但当体系的自 由电子数目为104数量级时，能级间隔就只有10-4eV左右；如果超微 粒子的尺寸进一步减小，则值将更大，这种情况下电子能级的不连 续性就不能忽略了。
➢ 当超微粒子的尺寸达到与导电电子的平均自由程、超导电子对的 平均寿命距离、光波波长、晶格振动波长、磁畴壁有效厚度等物 理特征尺寸相当或更小时，粒子的周期性边界条件将被破坏，从 而使得材料的声、光、电、磁、热学等特性发生显著变化。这种 由于物质体积变小而引起物性显著变化的效应被称为“体积效应” 或“小尺寸效应”。
➢ 这种效应所导致的材料性能变化有：饱和蒸气压上升、 溶解度加大、晶体结构改变、表面活性提高、相互接触 的不同金属粒子之间容易自发融合等。
1.2.2.2表面效应
➢ 由于超微粒子表面原子的活性很高，容易与其它物质之间发生相互作 用。例如，表面洁净的超微粒子在空气中很容易发生迅速氧化甚至燃 烧，粒子间很容易团聚，粒子容易吸附在容器的器壁上等。在粒子表 面包覆一层惰性层或对粉末进行钝化处理，在表面形成一层稳定而致 密的氧化膜，则可以解决这些问题。
➢ 20世纪60年代，透射电子显微镜开发成功后，超微粒子的研究工作主 要集中在晶体学和形貌特点方面。
➢ 1963年Ryozi Uyeda等人发展了气相蒸发法制备金属超微粉末的方法。
E处的密度分布函数(E)为：
(E)
3NE1/ 2 4EF 3/ 4
（1-2）
➢ 根据自由电子模型，粒子中电子的平均能级间隔δ可以近似表示为：
4EF
3N
（1-3）
式中的N为体系的自由电子数，EF为自由电子的费米能。
1.2.1.1电子状态
➢ 根据公式（1-3）可知，当体系的自由电子数在1024数量级时，自由电 子的能级间隔非常窄，基本上可以看成是连续分布的；但当体系的自 由电子数目为104数量级时，能级间隔就只有10-4eV左右；如果超微 粒子的尺寸进一步减小，则值将更大，这种情况下电子能级的不连 续性就不能忽略了。
➢ 当超微粒子的尺寸达到与导电电子的平均自由程、超导电子对的 平均寿命距离、光波波长、晶格振动波长、磁畴壁有效厚度等物 理特征尺寸相当或更小时，粒子的周期性边界条件将被破坏，从 而使得材料的声、光、电、磁、热学等特性发生显著变化。这种 由于物质体积变小而引起物性显著变化的效应被称为“体积效应” 或“小尺寸效应”。
➢ 这种效应所导致的材料性能变化有：饱和蒸气压上升、 溶解度加大、晶体结构改变、表面活性提高、相互接触 的不同金属粒子之间容易自发融合等。
1.2.2.2表面效应
➢ 由于超微粒子表面原子的活性很高，容易与其它物质之间发生相互作 用。例如，表面洁净的超微粒子在空气中很容易发生迅速氧化甚至燃 烧，粒子间很容易团聚，粒子容易吸附在容器的器壁上等。在粒子表 面包覆一层惰性层或对粉末进行钝化处理，在表面形成一层稳定而致 密的氧化膜，则可以解决这些问题。
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
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
粒度分布：10~300um；冷却速度：103~105 C
油雾化
• 1980’s Sumitomo Metals 发明，主 要用来制备低氧含量粉末。
• 优点：杂质含量低：O (<0.01%) • 缺点：C含量不易控制；
多生产高碳钢粉末 粉末粒度：~70um
气雾化
• 1920’s 发明空气雾化，二战期间德国 开始采用双流空气雾化生产钢粉
• 1963年Nuclear Metals Inc.发明； • 主要用来生产球形、高活性、无污染粉
末，如Ti合金粉； • 粉末粒度：200um (50~400um); • 冷却速度：< 102 C/s； • 转速：1570~2100rps • 局限：过热度小，不宜生产熔点范围宽
的合金。
细粉末雾化制备技术：
• 发展趋势
• 辐射领域越来越广 材料、应用
• 工艺过程的变异 粉末直接成形
• 多学科交叉点 技术手段、应用领域
• 朝特异性能、规模化、低成本方向发展
粉末冶金技术的主要应用
• 典型的汽车用粉末冶金零部件 • Main Bearing Cap Set
• VALVE SEAT AND VALVE GUIDE
nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱzzles)
环缝式喷嘴
（annular ring nozzle)
工艺特性：
• 水雾化工艺条件
工艺参数
熔体流量/kg/min 水流量/kg/min
水速/m/s 水压/ MPa
过热度
通常范围 4.5~90 110~380 70~230 5.5~21
75~150C
316L 22 200 110 9 80
• 工艺装置可利用水雾化的自由落体式， 但多采用限制式，能量利用率高；喷嘴 可采用环缝式和分离式。
气雾化制粉的基本工艺条件
工艺参数
气体流量/m3/s 熔体流量 kg/min
气体压力/Mpa 气体流速/m/s
过热度/C
通常条件 0.02~0.24
1~70
0.5~9 20~超音速
75~150
粉末粒度：50~300um
第二章 粉末雾化技术
粉末雾化技术
• 概况 • 商业化的粉末雾化技术 • 雾化粉末特性 • 粉末雾化模型及机制
• 概况
分类：
– 按破碎方式：双流雾化（气、水、 油）；真空雾化；旋转电极雾化、机 械力雾化（旋转盘、轧辊（roller)、 旋转杯（spinning cup))
商业化粉末雾化技术
双流雾化： • 水雾化：
Ni 基合金
20 2 100 150
真空雾化
• 含过饱和溶度气体的金属熔体在气压作用下喷 入真空腔体中。
• H2
2H(dissolved in M)
• H含量0.0001~0.001w/o; 气体压力：1~3MPa;
• 粉末粒度：40~70um(1~500um);
• 冷却速度：~102C/s
旋转电极雾化
气雾化粉末特性
•粉末粒度与粒度分布
影响因素与水雾化类似； 气体比耗(specific gas consumption): 气体与金属液流的质量比， F，m3/kg;
dm = KF-1/2
•颗粒形状：
多为球形： 例如149~420um粉末: 球形化时间：小于210-5s 比凝固时间小几个数量级
粉末表面形貌和内部结构
• 1956年后大量铁基、铝基零件上市；
• 1969年机械合金化技术出现
• 20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广 泛应用于航空。
现代粉末冶金技术特征与 发展趋势
• 技术特征：
• 技术多样性
粉末制备、成形、烧结技术多选择
• 工艺复杂性：见图 • 手段先进性
压机、烧结炉等设备与最新科技结合
• 性能优异性 • 零件复杂性 • 规模扩大性；成本低廉性
• 粉末烧结技术
• 微波烧结* • 反应烧结 • 液相烧结 • 超固相线液相烧结* • 电火花烧结* • 快速原位成形*
原料：元素粉末、合金粉末 成形：热压（ 热等静压、挤压...）
冷压（模压、冷等静压...） 烧结：真空、气氛、外场
其它制备技术：复压、精整、熔浸...
其它后续处理技术：热处理、机加工...
喷嘴形状
喷射角越大，dm越小
水喷射速度
dm = (5500/Vm)
•粉末颗粒形状
粉末颗粒形状主要决定于：
金属液滴在表面张力作用下球化的 时间：0.1~10us for 100um 金属液滴凝固的时间： 100~1000us
实际影响因素很多：如颗粒球化 前须经过液滴形成、加速、穿过 紊流区等，约200us时间
基本光滑、表面通常呈现胞状和树 枝状结构、表面氧化痕迹
内部显微组织
快速凝固、与粒 度相关的冷却速 度的影响导致颗 粒内部精细的显 微结构
MC, M2C
Cu, Cu-Zr
粉末组织结 构与成分关 系
Al-Fe-Ni: (TEM)
❖ 1930年Hoganas公司开始用固相还原法 生产海绵铁。
• 随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn (1000年) 、Pt粉及Pt块(1800年）；
• 1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉 末冶金的基础；
• 1914年WC、MoC粉末出现（德国）；
• 1927年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了 金属切削技术的革命；
• 细粉末定义：<20um; • 细粉末的意义：
• 快速凝固粉末的研究与商业化需要； • 粉末注射成形需要（5~15um)； • 细粉末改善烧结性能； • 热喷涂用； • 复合材料、电磁、催化剂、医药、导电塑
料等用途。
高压水雾化
• 水压：100~150MPa；粉末粒度：15um
dm=114P-0.58 (conical) dm=68P-0.56 (V-shaped)
•ROCKER ARMS
课程结构与内容
• 粉末制备技术
• 雾化制粉* • 还原法 • 机械合金化* • 气相沉积 • 溶胶凝胶* • 自蔓燃反应合成*
• 粉末成形技术
• 喷射沉积* • 注射成形 • 挤压成形 • 粉末锻造 • 粉末轧制 • 温压成形* • 冷热等静压及特种固结技术 • 爆炸成形*
– 起源：1872年Marriott（英国）发明蒸汽 熔化金属并雾化；1950’s英国PM Ltd.发 明雾化喷嘴，制备有色金属；1954英国 B.S.A.Co Ltd 和瑞典Hoganas生产水雾化 铁粉
自由落体式（ Free-fall mode)水雾化
雾化喷嘴
分离式喷嘴（discrete multiple
水雾化粉末颗粒特性
A. 粉末粒度与粒度分布
影响因素：水速、金属液流量、水 压、熔体过热度、喷嘴形状等
水、金属液流量
dm = f(Vm/VL) Vm: 金属液流量； VL : 水流量；
水压
dm = ln(P/A)n; dm = KP-n;
熔体过热度
影响金属熔体粘度和表面张力：
Zn: 过热度从100增至300°C, dm 从150降 至100um; Co基合金：过热度增加150 °C， dm 减少 13.5%; 提高过热度可防止喷嘴处堵嘴（Freeze-up).
第四部分 粉末冶金技术
第一章 现代粉末冶金技 术概况
• 粉末冶金技术的特点（优、缺点） • 粉末冶金技术发展史 • 现代粉末冶金技术的特征与发展趋势 • 粉末冶金技术的主要应用
粉末冶金技术发展史
❖ 公元前3000年以前，古埃及人使用陨铁； 公元前2300年左右出现块炼铁技术：固 相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过 高温锻焊成各种器件。如公元300年左右 印度的Dehli Piller, 重6吨；我国西汉 （公元前113年）的刘胜墓出土的错金书 刀等。
高压气雾化
• 层流雾化：
=0；利用气体的纯剪切 作用破碎金属熔体；粉末 粒度可达10um以下
• 紧耦合式雾化喷嘴：
– 充分利用气体能量； – 气体压力：10~20MPa; 粉
末粒度：10~20um；
喷嘴口压力vs 气体压力
喷嘴口压力越 小，粉末越细
雾化粉末特性
粉末颗粒特性的表征
•颗粒形状 •粉末粒度 •粉末粒度分布、中位径dm •粉末颗粒表面粗糙度
•氧化膜的形成
抵消表面张力，高熔点氧化膜的 形成（Cr、Al、Ti、Mg）易得到 不规则形状颗粒。
•金属、合金熔点
高熔点金属液滴凝固时间长，易 得到球形粉。
粉末颗粒表面形貌和内部结构
粉末纯度和杂质含量
粉末氧含量与金属活性及氧化膜 性质相关； 与雾化条件相关：采用去离子水、 添加酒精和表面活性剂等； Fe: 1000~4000ppm; Ag-28Cu: 285ppm; Au-Ni: 57ppm; 304L: 2000ppm.