粉末冶金设备及车间设计讲义解析
《粉末冶金车间设备及设计》讲义
绪论
粉末冶金是材料科学的一个重要领域。在国民经济和国防建设中起着重要的作用。
粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方法实质上采用的就是粉末冶金方法。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革命；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少切削甚至无切削的优点；四十年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料；六十年代末至七十年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。
工程材料主要利用其力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）；功能材料主要利用其物理性能（光、电、磁、热、声等）。
领域：机械、化工、电器仪表、石油钻探、国防等
材质：Fe基、Cu基、Cu-W合金、W制品、WC-Co合金等
用途：摩擦材料、减磨材料、结构材料、工具材料、电工材料等
多孔材料：孔隙度20～30％，可以过滤、减震、隔音、热交换等
减摩材料：多孔可含油，保证高耐磨性时低的摩擦系数。
摩擦材料：高耐磨性和高的摩擦系数。
工具材料：硬质合金、粉末高速钢、金属陶瓷等工模具。
电磁材料：电器、电子、通讯等元件
高温材料：助推火箭、航空发动机、汽轮机等。
目前大家在做的事情：
（1）金属粉末
高密度、高精度、高强度粉末冶金零件的发展，导致日本、欧美低合金粉末生产的迅速发展。按照加入的合金元素，现在有Cr一Mn系与Ni一Mo一Cu 系，但它们皆趋向于采用复合型粉末（是指用气体式液体雾化法制成的预合金化粉末。部分扩散预合金化粉末，使一种或几种组份以涂层状或很细的弥散颗粒状
分布于主要组份粉末颗粒之上或之中组成的粉末）。
（2）硬质合金
混料设备：采用微机控制的可倾式球磨机。新的干燥方法有喷雾干燥法及流态化床干燥法以及两者结合的流态化床喷雾制粒装置。
成形技术：挤压成形法可生产0.2一0.35mm的打印针，中0.5~30mm，长达3m的棒针，内径o.OZmm，外径o。45mm的微型套管。还可生产整体铣刀、铰刀、麻花钻、微型钻、螺旋铣、半月型空心深孔钻等形状复杂的制品，这是模压法所难以胜任的。
烧结技术：过压烧结，也称低压热等静压、真空烧结热等静压或低压真空烧结。其实质是脱蜡、预烧、烧结、热等静压合为一道工序。这种新的烧结技术源于80年代初期，可以说是由热等静压技术演变过来的。可以得到孔隙度为零的产品，且能消除钻池和碳化物晶粒异常长大，因而更能保证烧结质量。
涂层硬质合金：自1969年问世后，发展速度很快，涂层刀片已达切削刀片总量的60一70%。
机夹刀片技术和废料回收技术：硬质合金工艺技术方面的重大进展，除上述几方面外，还有机夹刀片(或可转位刀片)技木和硬质合金废料的回收拉术。机夹刀片的发展给机械加工业带来巨大效益，因此成为世界各国硬质合金厂的主要产品。最近发展起来的电泳回收法，亦可方便地回收WC和CO，克服了产物中的含锌间题，但还需进一步控制粒度。
（3）航空工业粉末冶金结构材料
60年代以来，粉末冶金技术在航空上的应用出现了突破性的发展，一系列新技术、新工艺和新材料相继涌现。如超细超微、高纯高合金化粉末制造技术，快速凝固、机械合金化、喷射成形
（4）非晶态合金粉末
非晶态合金在结构和成份上的均匀性，使它具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐腐蚀性、耐磨性，高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电藕合系数，以及良好的催化活性，储氢特性，钎焊性能和防辐照特性等，由于其性能优异、制备工艺简单，非晶态合金的研究和产品开发已成为80年代材料科学界的热点项目之一。
制取非晶态合金粉末的主要方法有:常规氮气雾化法，高压水雾化法，超声氦气雾化法。其它方法还有，高速旋转筒法，滚筒急冷法等。
（5）精细陶瓷研究与开发
只有严格控制精细陶瓷的形状与结构，才可以提高陶瓷的性能并开发新用途。
（6）粉末冶金新工艺的发展
自芡烬高温合成技术(SHs)
自蔓燃高温合成技术是一种能合成，制造和加工处理各种材料的新技术。
SHS技术是利用化学能而不是电能，用快速内燃，而不是慢速外部加热的方法，与传统的材料制造工艺相比，其工艺和设备简单，能耗和原材料消耗低，由于高温蒸发低沸点杂质，产品纯度高，而高温梯度和大的冷却速率，能获得复杂相或亚稳相，生产效率高，成本低等。
SHS的应用非常广泛，应用领域一般可分为6个方面，即SHS制粉，SHS 烧结，SHS致密化;SHS焊接，SHS涂层，SHS熔敷。
超细粉末的制备及其应用
有人预测，2000年新材料发展的焦点: 一是超导材料;二是超细粉末。
超细粉末的制备方法很广，分物理法、化学法和物理化学法三大类。物理法有:流动油面上真空蒸发法、放电爆炸法、低压气中蒸发法(包括等离子射流法、电子束法、激光束法等)。化学法有:气体还原法、气相反应法、金属碳基物热分解法;汞齐法、冷冻干燥法等。物理化学法有代表性的是活化氢熔融金属反应法(其粒度范围为。.02~0.1nm)，该法是一种颇有前途的工业化生产超细粉末的方法。
应用广泛、技术成熟、生产低投入、深度加工高回报等，导致粉末冶金行业发展非常迅速，工厂层出不穷。株洲的知名企业与著名商标，而成为硬质合金的代名词。
我国粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距：(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。(4)再投入缺乏与困扰。(5)工艺装备、配套设施落后。(6)产品出口少，贸易渠道不畅。
工厂性质不同：国有控股、民营企业、合资企业等
产品性质不同：粉末专业生产厂、粉末冶金制品生产厂等
本课程分两个部分：车间设备和车间设计
本课程学习目的：
1 了解粉末冶金生产中基本设备
2 了解工厂设计的基本概念
3 了解生产和质量管理的基本过程与环节
4 建立安全、环保、防范的基本意识
结业评分标准：平时成绩（含作业）30分，考试70分。
第一部分粉末冶金车间设备
第一章制粉设备
教学内容：固体还原、气体还原制粉原理及设备；安全用氢；物理制粉设备。
教学要求：掌握气体还原制粉原理及设备；掌握安全使用氢气；了解物理制取金属粉末方法及设备。
教学难点：氢气的安全使用。
教学安排：4课时
金属粉末属于松散状物质，其性能综合反映了金属本身的性质和单个颗粒的性状及颗粒群的特性。一般将金属粉末的性能分为化学性能、物理性能和工艺性能。化学性能是指金属含量和杂质含量。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，颗粒的形状、表面形貌和内部显微结构。工艺性能是一种综合性能，包括粉末的流动性、松装密度、振实密度、压缩性、成形性和烧结尺寸变化等。
按转变的作用原理分为机械法和物理化学法两类，既可从固、液、气态金属直接细化获得，又可从其不同状态下的金属化合物经还原、热解、电解而转变制取。难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物一般可直接用化合或还原－化合方法制取。
粉末冶金制品的原材料—金属粉末可有多种路径得到。
物理化学方法：氧化还原（矿山产品）、气相冷凝、液相沉淀、电解等
机械方法：机械破碎、雾化等
应用最广的是还原法、雾化法、电解法。
1.1 固体碳还原制粉设备
主要适用于铁粉生产
生产原理：
C + Fe2O3、Fe3O4、FeO === Fe + CO2
本还原反应为吸热反应，温度有利反应进行。
参加反应的原材料是固体C（煤、焦碳、木炭）和氧化铁（铁鳞），生成物
是铁（海绵铁）和废气。
对设备的基本要求：
加热反应1100-1200℃
保温扩散型相变需要时间
冷却高温出炉遇空气又氧化
排气废气分压影响反应方向
测温控制反应速度与产品质量
进料减小劳动强度
常见设备：
倒焰炉图1-1 P3
隧道窑图1-2 P4
* 生产过程控制：
原料准备：铁矿粉（烘干）、还原剂（煤粉或焦炭粉）、脱硫剂（石灰石）装罐：ф350×380
隧道窑分为三段：预热带、还原带、冷却带。窑长260 m
预热带（51 m）水分的蒸发、水合物分解和碳酸钙分解
还原带（154 m）铁的氧化物被CO还原
C+CO2==2CO
FeO+CO==Fe+CO2
CO2+C==2CO…….循环
一切有利碳气化反应的措施，均提高还原速度。如提高温度、增加配碳量、增加碳粉表面积、加催化剂等。
FeO消失后，炉内气氛为渗碳气氛，海绵铁开始渗碳
2CO ==C+CO2
3Fe+C== Fe3C 正确控制还原终点，控制碳含量。
冷却带（55 m）低于100℃出炉
温度下降、气氛变为氧化性质、海绵铁收缩等，再氧化。
预防海绵铁再氧化措施：反应罐加盖密封。
过程达20～40 h，还原温度1180℃，喷嘴152支，温度控制点25个。
1.2 气体还原制粉设备
前面介绍起还原作用的是CO气体，但还原剂加入为固体形式。而气体还原制粉的还原剂却是另一种还原性气体——氢气。
主要应用于W粉、Mo粉、Co粉、Ni粉、Cu粉等的生产。
生产原理：
H2+ MeO === Me + H2O
本还原反应为吸热反应，温度有利反应进行。
参加反应的原材料是还原性强的氢气和金属的氧化物，生成物是还原金属和氧化性强的水蒸气。
对设备的基本要求：
加热反应950～1000℃
保温扩散型相变需要时间
冷却高温出炉遇空气又氧化
排气废气分压影响反应方向
测温控制反应速度与产品质量
进料减小劳动强度
生产过程控制：
原材料处理，生产方法（装料，还原金属，温度控制）。
与前不同是，使用了非常危险的易爆气体—氢气，且产生强氧化性水蒸气。
常见设备：
管式炉或管式还原炉图1-5 P6
网带式还原炉图1-6 P7
回转管式还原炉图1-11 P10
设备的主要结构：
炉头、炉身、炉尾、炉管、炉壳；推舟系统、加热系统、温度控制系统、氢气管道系统、进气排气设置、水冷系统等。
* 生产举例：氢气还原氧化钨工艺
W的氧化物中有四种比较稳定形式：黄色WO3、蓝色WO2.90、紫色WO2.72、褐色WO2。
实际反应顺序：
WO 3 + 0.1H 2 === WO 2.90 + 0.1H 2O
WO 2.90 + 0.18H 2 === WO 2.72 + 0.18H 2O
WO 2.72 + 0.72H 2 === WO 2 + 0.72H 2O
WO 2 + 2H 2 === W + 2H 2
WO 3 + H 2 === W + 3H 2O
机理：化学气相迁移长大机理。
在水蒸气下，WO 3生成挥发性较强的水合氧化物WO 2（OH ）2，呈气相，并在H 2作用下沉淀在W 粉颗粒上，W 粒聚集长大。
从机理上看，高温和湿氢有利于气相迁移。
还原过程分析，它受T 和
2
2H O H P P 比值控制 1 T ：
T ＞775℃ WO 2.72 --- WO 2 --- α-W
WO 3---WO 2.90-- T = 575—585℃ WO 2 ----- α-W
T = 525—550℃ β-W --- α-W
T 越低 还原时间越长
2 22H O H P P ： 如22H O H P P 比值较大，T 将提高；降低T ，必降低2
2H O H P P 比值，降低P H2O 。 生产控制：
1 H 2流量提高，水气迅速排除，有利得到细颗粒W 粉。但太大，W 粉实收率下降。
转子流量计测定H 2流量
2 氢湿度（H 2中水与反应生成水）较高。当温度较高，生成WO 2（OH ）2速度提高，W 颗粒长大加剧。
顺H 2和逆H 2工艺
3 料层薄，水气易排除，有利制得细颗粒W 粉。
4 原料中水含量太高，出炉可能再次氧化，W 粉氧含量可能超标。所以，原料粉尽可能干燥。