第7章粉末冶金技术.ppt
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1、第七章第七章粉末冶金技术粉末冶金技术 粉末冶金粉末冶金粉末冶金是将金属粉末粉末冶金是将金属粉末(或掺入部分非金或掺入部分非金属粉末属粉末)经过成型和烧结制成金属材料或经过成型和烧结制成金属材料或机械零件的一种工艺方法。机械零件的一种工艺方法。它既可用金属粉末直接制成它既可用金属粉末直接制成(不经切削加不经切削加工,或经少量切削加工工,或经少量切削加工)符合装配要求的符合装配要求的零件,又可制造用一般冶炼方法难以生零件,又可制造用一般冶炼方法难以生产的金属材料和制品。产的金属材料和制品。一、粉末冶金的定义一、粉末冶金的定义 粉粉末末冶冶金金是是以以粉粉末末 (金金属属粉粉末末或或非非金金属属粉粉
2、末末)为为原原料料,经经过过成成形形和和烧烧结结制制造造金金属属或或非非金金属属材材料料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。复合材料以及各种类型制品的工艺过程。实实际际上上,粉粉末末冶冶金金技技术术涉涉及及到到很很多多新新的的理理论论和和技技术术,内内涵涵越越来来越越丰丰富富。粉粉末末冶冶金金已已经经逐逐渐渐发发展展成成一门一门“科学科学”,而非简单的,而非简单的“工艺工艺”或或“技术技术”。二、粉末冶金工艺及技术的特点二、粉末冶金工艺及技术的特点 1.1.传统的粉末冶金工艺传统的粉末冶金工艺粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末、粉末冶金工艺的第一步是制取金属粉末、合金粉末、金属化合
3、物粉末以及包覆粉末,第二步是将原料粉金属化合物粉末以及包覆粉末,第二步是将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品。粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图粉末冶金材料和制品的工艺流程举例如图1 1所示所示 (1)(1)传统的粉末制备技术传统的粉末制备技术 对粉末的要求不同,所需要的制备方对粉末的要求不同,所需要的制备方法也不同。物料状态有法也不同。物料状态有固态、液态或固态、液态或气态三种气态三种。u采用固态原料制备粉末采用固态原料制备粉末从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主从固态金属与合金制取金属与合金粉末的方法主要是机械粉碎法要是机械粉碎
4、法从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的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有还原法制取金属化合物粉末的有还原制取金属化合物粉末的有还原-化合法化合法u在液态下制备粉末的方法在液态下制备粉末的方法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从液态金属与合金制金属与合金粉末的雾化法从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末从金属盐溶液置换和还原制金属、合金以及包覆粉末的置换法、溶液氢还原法的置换法、溶液氢还原法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从金属熔盐中沉淀制金属粉末的熔盐沉淀法从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法从辅助金属浴中析出制金属化合物粉末的金属浴法从金属
5、盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属盐溶液电解制金属与合金粉末的水溶液电解法从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解从金属熔盐电解制金属和金属化合物粉末的熔盐电解法法u在气态下制备粉末的方法在气态下制备粉末的方法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从金属蒸气冷凝制取金属粉末的蒸气冷凝法从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆从气态金属羰基物离解制取金属、合金以及包覆粉末的羰基物热离解法粉末的羰基物热离解法从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末从气态金属卤化物气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的气相氢还原法以及金属、合金涂层的气相氢还原法从气态金属卤化物沉积制取
6、金属化合物粉末以及从气态金属卤化物沉积制取金属化合物粉末以及涂层的化学气相沉积法涂层的化学气相沉积法 从过程的实质来看,现有制粉方法大体上可归纳从过程的实质来看,现有制粉方法大体上可归纳为两大类,即为两大类,即机械法机械法机械法机械法和和物理化学法物理化学法物理化学法物理化学法。机械法是将原材料机械地粉碎,而化学成分基本机械法是将原材料机械地粉碎,而化学成分基本上不发生变化;上不发生变化;物理化学法是借助化学的或物理的作用,改变原物理化学法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。材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的。粉末的生产方法很多,从工业规模而言,应用最粉末的
7、生产方法很多,从工业规模而言,应用最广泛的是还原法、雾化法和电解法;而气相沉积广泛的是还原法、雾化法和电解法;而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。(2)(2)粉末成形粉末成形成成形形前前要要进进行行物物料料准准备备。物物料料准准备备包包括括粉粉末末的的预预处处理理(如如粉粉末末加加工工、粉粉末末退退火火、粉粉末末的的分分级级、粉粉末末的混合和粉末的干燥等。的混合和粉末的干燥等。成成形形的的目目的的是是制制得得一一定定形形状状和和尺尺寸寸的的压压坯坯,并并使使其其具具有有一一定定的的密密度度和和强强度度。成成形形方方法法基基本本上上分分加加压压成成形
8、形和和无无压压成成形形两两类类;加加压压成成形形中中用用得得最最普普遍遍的的是是模模压压成成形形,简简称称压压制制。其其他他加加压压成成形形方方法法有有等等静静压压成成形形、粉粉末末轧轧制制、粉粉末末挤挤压压等等。粉粉浆浆浇浇注注是是一种无压成形技术。一种无压成形技术。(3)(3)烧结技术烧结技术烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块烧结是粉末冶金的关键工序。成形后的压坯或坯块通过烧结可得到所要求的物理机械性能。通过烧结可得到所要求的物理机械性能。烧结分单元系烧结和多元系烧结。烧结分单元系烧结和多元系烧结。不论单元系或多元系的固相烧结,其烧结温度都比不论单元系或多元系的固相烧结,其烧结温
9、度都比所含金属与合金的熔点低;而多元系的液相烧结,所含金属与合金的熔点低;而多元系的液相烧结,其烧结温度比其中难熔成分的熔点低,但高于易熔其烧结温度比其中难熔成分的熔点低,但高于易熔成分的熔点。成分的熔点。一般来说,烧结是在保护气氛下进行的。除了普通一般来说,烧结是在保护气氛下进行的。除了普通烧结方法外,还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架烧结方法外,还有松装烧结、将金属渗入烧结骨架中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。中的熔浸法、压制和烧结结合一起进行的热压等。2.2.粉末冶金技术的特点粉末冶金技术的特点 粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。粉末冶金在技术上和经济上具有一系列的特点。
10、p从制取材料方面来看,粉末冶金方法能生产具有从制取材料方面来看,粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。能控制制品的孔隙度,例如,可生产各种多孔材料、多孔含油轴能控制制品的孔隙度,例如,可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等承等;能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果,生产各种特殊性能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果,生产各种特殊性能的材料,例如,钨能的材料,例如,钨-铜假合金型的电触头材料、金属和非金属铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等组成的摩擦材料等;能生产各种复合材料,例如,由难熔化合物和金属组成的硬质合
11、能生产各种复合材料,例如,由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。pp粉末冶金方法生产的某些材料,与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料,与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料,与普通熔炼法相粉末冶金方法生产的某些材料,与普通熔炼法相比,性能优越比,性能优越比,性能优越比,性能优越:高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好,例如,高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好,例如,粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析,保证合粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析,保证合金具有均匀的组织和稳定的性能,
12、同时,这种合金具金具有均匀的组织和稳定的性能,同时,这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善有细晶粒组织使热加工性大为改善;生产难熔金属材料或制品,一般要依靠粉末冶金法,生产难熔金属材料或制品,一般要依靠粉末冶金法,例如,钨、铝等难熔金属,即使用熔炼法能制造,但例如,钨、铝等难熔金属,即使用熔炼法能制造,但比粉末冶金的制品的晶粒要粗,纯度要低。比粉末冶金的制品的晶粒要粗,纯度要低。pp粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑,无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑,无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑,无切屑粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑,无切屑的新工艺,可以大量减少机加工量,节约金属材的
13、新工艺,可以大量减少机加工量,节约金属材的新工艺,可以大量减少机加工量,节约金属材的新工艺,可以大量减少机加工量,节约金属材料,提高生产率料,提高生产率料,提高生产率料,提高生产率总之,粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料总之,粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术,又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。的技术,又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如,粉末成本但粉末冶金在应用上也有不足之处。例如,粉末成本高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制,烧高、粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制,烧结零件的韧性较差等等。但是,随着粉末冶金技术的结零件的韧
14、性较差等等。但是,随着粉末冶金技术的发展,这些问题正在逐步解决中,例如,等静压成形发展,这些问题正在逐步解决中,例如,等静压成形技术已能压制较大的和异形的制品;粉末冶金锻造技技术已能压制较大的和异形的制品;粉末冶金锻造技术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。术已能使粉末冶金材料的韧性大大提高等。粉粉末末冶冶金金由由于于其其技技术术上上和和经经济济上上的的巨巨大大优优越越性性,在在国国民民经经济济和和国国防防建建设设中中起起着着非非常常重重要要的的作作用用。美美国国国国家家科科学学基基金金委委员员会会在在向向美美国国总总统统和和国国会会提提交交的的“科科学学展展望望”中中对对粉粉末末冶冶金金和和
15、快快速速凝凝固固技技术术曾曾作作过过如如下下论论述述:“这这些些技技术术的的出出现现和和发发展展,将将对对运运输输、空空间间、能能源源系系统统提提供供大大量量的的经经济济利利益益,并并且且将将加加强强美美国国的的工工业业基基础础,有有可可能能对对美美国国工工业业生生产产局局面面产产生生相相当当大大的的冲冲击击”。世世界界上上许许多多发发达达国国家家把把粉粉末末冶冶金金的的发发展展放放在在重重要要地地位位,将将现现代代粉粉末末冶冶金金称称作作为为“Advanced Metallurgy”(现现代代冶冶金学金学)。三、粉末冶金技术的三、粉末冶金技术的发展现状与趋势发展现状与趋势 (一一一一)制备技
16、术的发展概况制备技术的发展概况制备技术的发展概况制备技术的发展概况二十世纪下半叶以来,粉末冶金有了突破性进展,二十世纪下半叶以来,粉末冶金有了突破性进展,一系列新技术、新工艺大量涌现,例如;超微粉或一系列新技术、新工艺大量涌现,例如;超微粉或纳米粉制备技术,快速冷凝技术,溶胶纳米粉制备技术,快速冷凝技术,溶胶-凝胶技术,凝胶技术,机械合金化,粉末热等静压,热结机械合金化,粉末热等静压,热结/热等静压,粉热等静压,粉末热锻、粉末挤压,粉末轧制,超塑性等温锻造,末热锻、粉末挤压,粉末轧制,超塑性等温锻造,粉末喷射成形,自蔓延高温合成技术,粉末注射成粉末喷射成形,自蔓延高温合成技术,粉末注射成形,流
17、涎成形,爆炸成形,梯度材料复合技术,形,流涎成形,爆炸成形,梯度材料复合技术,CVDCVD,PVDPVD和和PCVDPCVD技术,电火花烧结,反应烧结,超技术,电火花烧结,反应烧结,超固相线烧结,瞬时液相烧结,微波烧结等。固相线烧结,瞬时液相烧结,微波烧结等。1.1.粉末制造技术的发展粉末制造技术的发展近几十年来,粉末制造技术得到迅速发展,特别近几十年来,粉末制造技术得到迅速发展,特别是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉是快速冷凝雾化技术、机械合金化技术、超微粉末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、末制造技术的产生和发展使粉末制造朝着超微、超细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、超
18、细、速凝、高纯、均质、成分可控、大规模、多品种的方向发展。多品种的方向发展。1)快速冷凝雾化制粉技术。快速冷凝雾化制粉技术。作为粉末冶金新技术,第一个引入注目的技术就作为粉末冶金新技术,第一个引入注目的技术就是快速凝固制粉技术,快速冷凝制取金属粉末是是快速凝固制粉技术,快速冷凝制取金属粉末是指金属或合金的熔滴通过急剧冷却,形成非晶、指金属或合金的熔滴通过急剧冷却,形成非晶、准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉准晶和微晶金属粉末的技术。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响,它给高性能粉末及宏观特性都产
19、生了深刻影响,它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路,有力地推动冶金材料制备开辟了一条崭新道路,有力地推动了粉末冶金的发展。了粉末冶金的发展。快速凝固技术的产生及发展快速凝固技术的产生及发展 (一一一一)快速凝固的内涵快速凝固的内涵快速凝固的内涵快速凝固的内涵 常规铸造合金之所以会出现常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析晶粒粗大、偏析严重、铸造性能严重、铸造性能严重、铸造性能严重、铸造性能不好不好不好不好等严重缺陷,主要原因是合等严重缺陷,主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小,而这又是由金凝固时的过冷度和凝固速度很小,而这又是由于它们于它们凝固时的冷速
20、很小凝固时的冷速很小凝固时的冷速很小凝固时的冷速很小引起的。因此,要消除引起的。因此,要消除铸造合金存在的这些缺陷,突破研制新型合金的铸造合金存在的这些缺陷,突破研制新型合金的障碍,核心是要提高熔体凝固时的过冷度,从而障碍,核心是要提高熔体凝固时的过冷度,从而提高了合金的凝固速度。提高了合金的凝固速度。实现快速凝固效果的两类方法实现快速凝固效果的两类方法 :动力学方法动力学方法设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固设法提高熔体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速,使熔体形核时间极短,来不及在乎时的冷速,使熔体形核时间极短,来不及在乎衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低衡熔点附近凝固而只能
21、在远离平衡熔点的较低温度下凝固,因而具有很大的凝固过冷度和凝温度下凝固,因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度。固速度。具体措施:具体措施:l急冷凝固技术急冷凝固技术(Rapidly Quenching Technology或或RQT)l熔体淬火技术熔体淬火技术(Melt Quenching Technology或或MQT)。静力学方法静力学方法 针对通常铸造合金都是在针对通常铸造合金都是在非均匀形核非均匀形核条件下凝固,因条件下凝固,因而针对合金凝固过冷度很小的问题,设法提供而针对合金凝固过冷度很小的问题,设法提供近似均近似均匀形核匀形核的条件。在这种条件下凝固时,尽管冷速不高的条件。在这种条件
22、下凝固时,尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷度,从而提高凝固但也同样可以达到很大的凝固过冷度,从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术一般称为速度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术大过冷技术(Large Undercooling TechnologyLarge Undercooling Technology)。快快速速凝凝固固技技术术急冷凝固急冷凝固大过冷大过冷雾化技术雾化技术 技术特点技术特点:使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲使熔体在离心力、机械力或窝速流体冲击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾击力等外力作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴,并使熔滴在与流体或冷模接触状熔滴,并使熔
23、滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。中迅速冷却凝固。(1)(1)双流雾化法双流雾化法(Twin Fluid Atomization)(Twin Fluid Atomization)这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流这类方法是通过高速、高压工作介质流体对熔体流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴,并通过对流的冲击作用把熔体分离成很细的熔滴,并通过对流的方式散热而迅速冷凝。的方式散热而迅速冷凝。熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体熔体凝固的冷速主要取决于工作介质的密度、熔体和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔和工作介质的传热能力特别是熔滴的直径决备而熔滴的直径又受熔体过热温度
24、、熔体流直径、雾化压滴的直径又受熔体过热温度、熔体流直径、雾化压力和喷嘴设计等雾化参数控制。力和喷嘴设计等雾化参数控制。A.A.水雾化法与气体雾化法水雾化法与气体雾化法 根据雾化介质根据雾化介质(气气流、水流流、水流)对金属液对金属液流作用的方式不同,流作用的方式不同,雾化具有多种形式:雾化具有多种形式:平行喷射平行喷射(气流与金气流与金属液流平行属液流平行)垂直喷射垂直喷射(气流或水气流或水流与金属液流互成垂流与金属液流互成垂直方向直方向)水雾化时,控制好以下条件可以得水雾化时,控制好以下条件可以得细粉末细粉末细粉末细粉末:水:水的压力高,水的流速、流量大,金属液流直径小,的压力高,水的流速
25、、流量大,金属液流直径小,过热温度高,金属的表面张力和粘度小,金属液流过热温度高,金属的表面张力和粘度小,金属液流长度短,喷射长度短,喷射顶角适当等。长度短,喷射长度短,喷射顶角适当等。控制好以下条件可以得控制好以下条件可以得球形粉末球形粉末球形粉末球形粉末:金属表面张:金属表面张力要大,过热温度高,水的流速低,喷射顶角大,力要大,过热温度高,水的流速低,喷射顶角大,液流飞行路程长等。液流飞行路程长等。水雾化时,金属液过热温度低水压高,水的流水雾化时,金属液过热温度低水压高,水的流速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且速大以及液滴飞行路程短可以得到显微组织较细且具有致密颗粒结构的粉末。具
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