材料制備技術(shù)-粉末冶金

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 粉體制備技術(shù)第三節(jié) 成型技術(shù)第三章 粉末冶金粉末冶金定義制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。制取金屬及化合物粉末，采用成形和燒結(jié)工藝制成金屬材料、復(fù)合材料、陶瓷材料及其它們的制品的技術(shù)科學(xué)。汽車變速器系統(tǒng)用粉末燒結(jié)鋼件:汽車發(fā)動機(jī)用粉末燒結(jié)鋼零件金屬切削刀片硬質(zhì)合金刀具：鎢基高密度合金Nd-Fe-B、Sm-Co、鐵氧體永磁精細(xì)陶瓷制品金屬粉末和粉末冶金材料、制品的應(yīng)用工業(yè)部門金屬粉末和粉末冶金材料、制品應(yīng)用舉例地質(zhì)、采礦工具硬質(zhì)合金，金剛石-金屬材料機(jī)械加工硬質(zhì)合金，陶瓷刀具，

2、粉末高速鋼汽車、拖拉機(jī)制造機(jī)械零件，摩擦材料，多孔含油軸承，過濾器機(jī)床制造、紡織機(jī)械機(jī)械零件，多孔含油軸承 等機(jī)車制造多孔含油軸承，摩擦材料 等造船多孔含油軸承，摩擦材料，油漆用鋁粉 等冶金礦山機(jī)械多孔含油軸承，機(jī)械零件，等電機(jī)制造多孔含油軸承，銅-石墨電刷，硬磁材料精密儀器、儀表零件硬磁材料，軟磁材料，功能陶瓷 等工業(yè)爐電熱材料，電真空材料電氣和電子工業(yè)電接觸材料，電真空材料，磁性材料，功能陶瓷無線電和電視磁性材料，功能陶瓷 等五金和辦公用具機(jī)械零件 等醫(yī)療器械機(jī)械零件，特殊器械 等化學(xué)、石油工業(yè)過濾器，防腐零件，催化劑載體 等軍事工業(yè)穿甲彈頭，炮彈箍，軍械零件 等航空摩擦材料，過濾器，粉末

3、超合金 等航天和火箭難熔金屬及合金，纖維強(qiáng)化材料，發(fā)汗材料 等原子能工業(yè)核燃料元件，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，控制材料 等常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金減摩材料。通過在材料孔隙中浸潤滑油或在材料成分中加減摩劑或固體潤滑劑制得。廣泛用于制造軸承、支承襯套或作端面密封等。 （2）粉末冶金多孔材料。又稱多孔燒結(jié)材料。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯、互相貫通，一般有3060的體積孔隙度，孔徑1100微米。透過性能和導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，耐高溫、低溫，抗熱震，抗介質(zhì)腐蝕。用于制造過濾器、多孔電極、滅火裝置、防凍裝置等。 （3）粉末冶金結(jié)構(gòu)材料。又稱燒結(jié)結(jié)構(gòu)材料。能承受拉伸、壓縮、扭曲等載荷，并能在摩擦磨損條件下工作。（4）粉

4、末冶金工模具材料。包括 硬質(zhì)合金 、粉末冶金高速鋼等。后者組織均勻，晶粒細(xì)小，沒有偏析，比熔鑄高速鋼韌性和耐磨性好，熱處理變形小，使用壽命長?？捎糜谥圃烨邢鞯毒摺⒛＞吆土慵呐骷?。 （5）粉末冶金電磁材料。包括電工材料和磁性材料。用于制造各種轉(zhuǎn)換、傳遞、儲存能量和信息的磁性器件。 （6）粉末冶金高溫材料。包括粉末冶金高溫合金、難熔金屬和合金、 金屬陶瓷 、彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化材料等。用于制造高溫下使用的渦輪盤、噴嘴、葉片及其他耐高溫零部件。粉末冶金發(fā)展簡史約3000年前，埃及人就制得海綿鐵，并鍛打成鐵器； 3世紀(jì)，印度人用同樣方法制得“德里柱”，重達(dá)6.5噸； 19世紀(jì)出現(xiàn)Pt粉的冷壓、燒結(jié)、熱

5、鍛工藝； 現(xiàn)代粉末冶金從1909年，W.D. Coolidge 的電燈鎢絲問世開始?，F(xiàn)代粉末冶金發(fā)展的三個重要標(biāo)志： 1909年制造電燈鎢絲的技術(shù)成功（W粉成形、燒結(jié)、鍛打、拉絲）；1923年硬質(zhì)合金研制成功。 20世紀(jì)30年代，多孔含油軸承成功；相繼發(fā)展鐵基機(jī)械零件 向新材料、新工藝發(fā)展：20世紀(jì)40年代，金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化材料（如燒結(jié)鋁）；60年代末70年代初，粉末高速鋼、粉末高溫合金，粉末鍛造技術(shù)已能生產(chǎn)高強(qiáng)度零件。粉末冶金材料和制品出現(xiàn)年代鎢1909難熔碳化物19001914電觸頭材料19171920WC-Co硬質(zhì)合金19231925燒結(jié)摩擦材料1929多孔青銅軸承19211930WC

6、-TiC-Co硬質(zhì)合金19291932燒結(jié)磁鐵1936多孔鐵軸承1936機(jī)械零件、合金鋼機(jī)械零件19361946燒結(jié)鋁1946金屬陶瓷（TiC-Ni）1949鋼結(jié)硬質(zhì)合金1957粉末高速鋼1968與傳統(tǒng)材料制備方法的比較IM(Ingot Metallurgy) 熔鑄法 熔(melting)、煉(refining)、鑄(casting) 鑄件(castings) 機(jī)加工(machining)零件 鑄坯(ingots)塑性成形(plastic forming) 熱處理(heat treatment)機(jī)加工（切削 (cutting)）零件 擠壓(extrusion)、軋制(rolling)、拉拔(d

7、rawing)、沖壓(punching)、鍛造(forging)PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法 制粉(powder making)壓型(pressing)燒結(jié)(sintering)粉末冶金特點及與其他成形工藝的比較 多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)。涉及到化工、冶金、材料制備、壓力加工、熱工、機(jī)械、自動控制等學(xué)科技術(shù)。 （一）一般特點1優(yōu)點（1）可生產(chǎn)普通熔鑄法難于生產(chǎn)的材料 多孔材料（孔隙度可控）； 假合金（如Cu-W）； 復(fù)合材料，如硬質(zhì)合金和金屬陶瓷、彌散強(qiáng)化材料、纖維強(qiáng)化材料； 特種陶瓷（結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些P/M材料與熔鑄材料相比，性能更優(yōu)越 避免成分偏析、

8、晶粒細(xì)，組織均勻，性能大幅提高。如，粉末高速鋼、粉末高溫合金。 鎢、鉬、鉭等難熔金屬采用熔鑄法晶粒粗大、純度低，工業(yè)上一般采用粉末冶金方法生產(chǎn)。（3）對制品成型有明顯優(yōu)勢 是一種少切削、無切削工藝（近凈成型near net-shape）； 可大批量生產(chǎn)同一零件； 形狀很復(fù)雜零件（如齒輪、凸輪或多功能零件）的制造公差窄； 不需或可簡化機(jī)械的精加工作業(yè)； 節(jié)能、省材； 可制造自潤滑材料。2缺點 粉末成本高； 形狀、尺寸受到一定限制； 成形模具較貴；一般要生產(chǎn)量在500010000個/批，才經(jīng)濟(jì)。 燒結(jié)零件韌性相對差（但可通過粉模鍛造或復(fù)燒改善）。與其他成型工藝比較（制造金屬結(jié)構(gòu)件）1和熔鑄技術(shù)比較

9、粉末冶金優(yōu)勢： 粉末冶金制件表面光潔度高； 制造的尺寸公差很窄，尺寸精確； 合金化與制取復(fù)合材料的可能性大 組織均一（無偏聚、砂眼、縮孔）、力學(xué)性能可靠； 在經(jīng)濟(jì)上，粉末冶金工藝能耗小。鑄造優(yōu)勢： 形狀不受限制；（粉末冶金注射成形形狀也不受限制，但只能生產(chǎn)小制件） 適于制造大型零件； 零件生產(chǎn)批量小時，經(jīng)濟(jì)； 一般說來，工、模具費(fèi)用低。2和熱模鍛技術(shù)比較粉末冶金優(yōu)勢： 粉末冶金制件精度比精鍛高； 粉末鍛造節(jié)省材料、重量控制精確、可無非邊鍛造，也能制造形狀較復(fù)雜制件； 粉末鍛造只需一副成形模具和一副鍛模；熱鍛需兩副以上鍛模、一副修邊模。熱模鍛優(yōu)勢： 可制造大型零件； 鍛件力學(xué)性能比燒結(jié)粉末冶金零

10、件高，但與粉末鍛造件相當(dāng)； 可制造形狀復(fù)雜程度較高的制品。（1）制粉（2）物料準(zhǔn)備（3）成形（4）燒結(jié) 單元系燒結(jié) 多元系燒結(jié) 固相燒結(jié) 液相燒結(jié) 熱壓（熱等靜壓）、熔浸等。（5）燒結(jié)后處理粉末冶金一般工藝粉末冶金生產(chǎn)工藝2.1 金屬粉末的性能1、化學(xué)成分氧化物:通常，金屬粉末的氧化物含量越少越好氣體雜質(zhì)：氧、氫、一氧化碳及氮;真空脫氣處理2、物理性能材料熔點, 比熱, 電學(xué), 磁學(xué), 光學(xué)性質(zhì), 顆粒形狀、大小和粒度組成比表面積顆粒密度顯微硬度球形,針形,樹枝形,粒狀,片形,瘤狀,多角形,海綿形,不規(guī)則形顆粒形狀: 顆粒形狀與制粉方法和制粉工藝相關(guān)球形粉末-霧化法 Spherical pow

11、ders多孔粉末-還原法 Porous powders樹枝狀粉末-電解法 Dendrite powders片狀粉末-研磨法 Plate powders松裝密度、流動性、壓縮性、成形性3、工藝性能1） 松裝密度 apparent density （1) Definition: 單位體積內(nèi)自由松裝粉末體的質(zhì)量g/cm3（2）意義: 自動壓制容積法（3）測量方法: 流量法，粉末自由落下（4）影響因素: particle shape，size， and surface conditions， components 松裝密度測定裝置(a) 裝配圖 (b) 流速漏斗 (c) 量杯 a、粒度 粒度小，松裝密

12、度小 還原鐵粉 電解鐵粉b、顆粒形狀 形狀復(fù)雜 松裝密度小 粉末形狀影響松裝密度，從大到小排列 球形粉類球形不規(guī)則形樹枝形 sphere-similar sphere-irregular-dentriticalc、表面粗糙 Surface coarsed、粒度分布 Particle size distribution 1 細(xì)分比率增加，松裝密度減小; 2 粗粉中加入適量的細(xì)粉，松裝密度增大; 如球形不銹鋼粉2） 流動性 Flow ability定義：一定量粉末(50g) 流經(jīng)漏斗所需的時間： sec./50 gram 意義：影響壓制操作的自動裝粉盒壓件密度均勻性影響因素: 顆粒間的摩擦 形狀復(fù)

13、雜，表面粗糙，流動性差理論密度增加，比重大，流動性增加粒度組成，細(xì)粉增加,流動性差同松裝密度一樣，流動性受顆粒間粘附作用的影響，因此，顆粒表面吸附水分、氣體, 加入成形劑 減低粉末的流動性;流動性采用前述測松裝密度的漏斗來測定。標(biāo)準(zhǔn)漏斗 （又稱流速計）是用150目金剛砂粉末，在40s內(nèi)流完50g來標(biāo)的;采用粉末自然堆積角試驗測定流動性。粉末通過一粗篩網(wǎng)自然流下并堆積在直徑為1inch.的圓板上;當(dāng)粉末堆滿圓板后，以粉末錐的高度衡量流動性;粉末錐的底角稱為natural angle of repos。錐越高或自然堆積角越大，則表示粉末的流動性越差；反之則流動性越好。如果粉末的相對密度不變，顆粒密

14、度越高，流動性越好；流動性直接影響 壓制過程自動裝粉和壓件密度的均勻性，自動壓制工藝中必須考慮的重要工藝性能-制粒工序, 改善流動性; 3） 壓縮性 Compressive ability(1) 定義: 粉末被壓緊的能力，表示方法是：在恒定壓力下（30t/inch2）粉末壓坯的密度(2) 意義: 壓坯密度，最終燒結(jié)密度和性能。(3) 影響因素: a 顆粒塑性，顯微硬度 b 顆粒形貌：不規(guī)則的顆粒壓縮性差 c 密度減少時（空隙增加）壓縮性差 d 合金元素或非金屬夾雜時，會降低粉末的壓縮性4） 成型性 Formation ability定義:粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力 用壓坯強(qiáng)度表示意義:

15、 壓坯加工能力，加工形狀復(fù)雜零件的可能性影響因素:顆粒之間的嚙合與間隙a 不規(guī)則顆粒，顆粒間連接力強(qiáng), 成型性好b 顆粒越小，成型性越好; 與壓縮性影響后果相反,必須綜合考慮2.2 粉末制備方法 機(jī)械法：通過機(jī)械破碎、研磨或氣流研磨方法將大塊材料或粗大顆粒細(xì)化的方法。 物理法：采用蒸發(fā)凝聚成粉或液體霧化的方法使材料的聚集狀態(tài)發(fā)生改變，獲得粉末。 化學(xué)法：依靠化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)過程，生成新的粉態(tài)物質(zhì)。 固態(tài)三種途徑： 液態(tài) 粉末 氣態(tài) 固態(tài) 粉末1、金屬（合金）金屬粉末：機(jī)械粉碎，電化腐蝕2、金屬氧化物（鹽類）金屬粉末：還原法3、金屬非金屬化合物 金屬化合物粉末：還原化合法金屬氧化物非金屬化合

16、物機(jī)械制粉方法的實質(zhì)就是利用動能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面。機(jī)械研磨法、氣流研磨法粉碎的基本形式 物料顆粒受機(jī)械力作用而被粉碎時，還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化，這種因機(jī)械載荷作用導(dǎo)致顆粒晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的變化稱為機(jī)械力化學(xué)。滾筒式行星式振動式攪動式球磨法 在球磨過程中，球磨筒將機(jī)械能傳遞到筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生正向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力等，當(dāng)這些復(fù)雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，細(xì)化過程實質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過程；如果粉末的塑性較強(qiáng)，則顆粒的細(xì)化過程較為復(fù)雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為，不論何種性質(zhì)的研磨物料，提高球磨效

17、率的基本原則是一致的。球磨制粉包括四個基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介質(zhì)滾筒式球磨轉(zhuǎn)速較低時，球料混合體與筒壁做相對滑動運(yùn)動并保持一定的斜度。隨轉(zhuǎn)速的增加，球料混合體斜度增加，抬升高度加大，這時磨球并不脫離筒壁；轉(zhuǎn)速達(dá)一臨界值V臨1時，磨球開始拋落下來，形成了球與筒及球與球間的碰撞；轉(zhuǎn)速增加到某一值時，磨球的離心力大于其重力，這時磨球、粉料與磨筒處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，此時研磨作用停止，這個轉(zhuǎn)速被稱為臨界轉(zhuǎn)速V臨2。攪動球磨:橫臂均勻分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨過程中，磨球與粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心攪拌棒周圍產(chǎn)生旋渦，然后沿軸線下降，如此循環(huán)往復(fù)。只要轉(zhuǎn)速和裝球量合

18、適，在任何情況下磨筒底部都不會出現(xiàn)死角由于磨球的動能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動提供的，研磨時不會存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制，因此，磨球的動能大大增加。同時還可以采用提高攪動轉(zhuǎn)速。減小磨球直徑的辦法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動能，這樣才符合了提高機(jī)械球磨效率的兩個基本準(zhǔn)則。1.動能準(zhǔn)則：提高磨球的動能2.碰撞幾率準(zhǔn)則：提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則：氣流研磨法 通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機(jī)械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球及其它輔助研磨介質(zhì)。研磨腔內(nèi)是粉末與氣體的兩相混合物。根據(jù)粉料的化學(xué)性質(zhì)，可采用不同的氣源，如陶瓷粉多采用空氣，而金屬粉末則需要用惰性氣體或還

19、原性氣體。由于不使用研磨球及研磨介質(zhì)，所以氣流研磨粉的化學(xué)純度一般比機(jī)械研磨法的要高。旋渦研磨氣流研磨三種類型：旋渦研磨、 冷流沖擊、 流態(tài)化床氣流磨冷流沖擊加速效應(yīng)：加速后的氣體可超過音速；冷卻效應(yīng)：氣粉混合物的溫度能降到零度以下。 這兩點對于顆粒的粉碎十分有利，其一是顆粒的撞擊動能增大，其二是金屬顆粒的冷脆性提高。 夾帶有粉料的高壓氣流通過一個稱為拉瓦爾管型硬質(zhì)合金噴嘴噴向空間時，氣體壓力急劇下降，形成絕熱膨脹過程。這一過程會同時產(chǎn)生兩種效應(yīng)流態(tài)化床氣流磨 grinding Venturi nozzle pusher ceramic liner 可獲得超細(xì)粉體，并且粉末粒度均勻；由于氣體絕

20、熱膨脹造成溫度下降，所以可研磨低熔點物料；粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)生過度的磨損，因此粉末雜質(zhì)含量少；針對不同的性質(zhì)的粉末，可使用空氣、N2、Ar等惰性氣體。流態(tài)化床氣流磨的特點：1.動能準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的動能2.碰撞幾率準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的碰撞幾率氣流研磨制粉的基本原則 由于粉末顆粒的運(yùn)動是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動能必須要提高載流氣體的速度。兩種辦法來實現(xiàn)提高氣體的入口壓力氣體噴嘴的氣體動力學(xué)設(shè)計通過這兩種辦法使噴嘴出口端的氣體流速達(dá)超音速 液態(tài) 粉末1、液態(tài)金屬（合金）金屬粉末：霧化法2、金屬鹽溶液金屬粉末：置換法，溶液氫還原法，水溶液電解法3、金屬熔鹽金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔

21、鹽電法 霧化法是一種典型的物理制粉方法，是通過高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水強(qiáng)烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻凝固來實現(xiàn)的。霧化制粉法霧化聚并凝固外力沖擊相互接觸冷卻 霧化機(jī)理過程一：大的液珠當(dāng)受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，則液體的能量變化可近似為液體的表面能增加。很明顯，霧化時液體吸收的能量與霧化液滴的粒徑存在一個對應(yīng)關(guān)系，即：吸收的能量越高則粒徑越??；反之亦然。過程二：液體顆粒破碎的同時，還可能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個過程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過程。過程三：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。霧

22、化制粉分類雙流霧化 被霧化的液體流和噴射的介質(zhì)流；單流霧化 直接通過離心力、壓力差或機(jī)械沖擊力實現(xiàn)霧化 雙流霧化法氣霧化、水霧化（適合于金屬粉末制備）二者的區(qū)別：粉末形狀：氣霧化容易獲得球形粉末。水霧化獲得粉末表面張力較小的呈土豆?fàn)罨虿灰?guī)則形狀，只有那些表面張力較大的合金，例如鎳基合金，才能得到球形合金粉末?；瘜W(xué)成分：不論是采用水霧化還是采用氣霧化，制作出的合金粉末的化學(xué)成份不會因為制作方法的不同而產(chǎn)生差異。 金相組織：采用氣霧化制作的合金粉末，合金的過冷度要比采用水霧化制作的小許多，所以相同的化學(xué)成份，采用不同的霧化方法制出的合金粉末的金相組織會不一樣。氣霧化顆粒形貌水霧化銅粉顆粒形貌 金屬

23、液由上方孔流出時與沿一定角度高速射擊的氣體或水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混合流動，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。工藝原理：霧化過程的四種情況動能交換：霧化介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺?；熱量交換：霧化介質(zhì)帶走大量的液固相變潛熱；流變特性變化：液態(tài)金屬的粘度及表面張力隨溫度的降低而不斷發(fā)生變化；化學(xué)反應(yīng)：高比表面積顆粒（液滴或粉粒）的化學(xué)活性很強(qiáng)，會發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)。氣霧化的四個區(qū)域負(fù)壓紊流區(qū) 高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓紊流層；顆粒形成區(qū) 在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴；有效霧化區(qū) 氣流匯集點對原始液滴產(chǎn)

24、生強(qiáng)烈破碎作用，進(jìn)一步細(xì)化；冷卻凝固區(qū) 細(xì)化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質(zhì)，凝固為粉末顆粒。1、能量交換準(zhǔn)則 提高單位時間、單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固準(zhǔn)則 提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。提高霧化制粉效率基本準(zhǔn)則氣霧化制粉的影響因素氣體動能、噴嘴結(jié)構(gòu)、液流性質(zhì)、噴射方式 借助離心力的作用將液態(tài)金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉末顆粒的方法。1974年，首先由美國提出旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法，后來又發(fā)展了旋轉(zhuǎn)錠模、旋轉(zhuǎn)園盤等離心霧化方法離心霧化法旋轉(zhuǎn)盤法旋轉(zhuǎn)盤法最早于1976的美國Pratt & Whitney 飛機(jī)制造公司研制出，用來制備

25、超合金粉末。這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，則平均粒度越小，細(xì)粉收得率越高。旋轉(zhuǎn)錠模（坩堝）法旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)網(wǎng) 氣相沉積制粉是通過某種形式的能量輸入，使氣相物質(zhì)發(fā)生氣固相變或氣相化學(xué)反應(yīng)，生成金屬或陶瓷粉體。 物理氣相沉積法 化學(xué)氣相沉積法 氣態(tài) 粉末1、金屬蒸汽金屬粉末：蒸汽冷凝法2、氣態(tài)金屬羰基物金屬粉末：羰基物熱離解法3、氣態(tài)金屬鹵化物金屬粉末：氣相氫還原法4、氣態(tài)金屬鹵化物金屬化合物粉末：化學(xué)氣相沉積法蒸汽冷凝法物理氣相沉積法1.均相形核；2.晶粒生長；3.團(tuán)聚制粉過程包括三個步驟：一、化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)類型分解反應(yīng)化學(xué)氣相沉積法化合反應(yīng)二、化學(xué)氣相沉積制粉原理

26、1. 化學(xué)反應(yīng)；2.均相形核；3.晶粒生長；4.團(tuán)聚制粉過程包括四個步驟：化合反應(yīng)由上式可知，化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的控制因素包括：1）反應(yīng)溫度、2）氣相反應(yīng)物濃度、3）氣相生成物濃度1.化學(xué)反應(yīng)對一個確定的化學(xué)反應(yīng)，判斷其能否進(jìn)行的熱力學(xué)判據(jù)為：分解反應(yīng) 氣相反應(yīng)發(fā)生后的瞬間，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成了產(chǎn)物蒸氣，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時，產(chǎn)物蒸氣濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，這時產(chǎn)物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反應(yīng)產(chǎn)物晶核的形成是個均勻形核過程。假設(shè)晶核為球形，半徑為r，則形成一個晶核，體系自由能的變化為：2.均勻形核為固氣相的體積自由能差為晶核的表面能臨界形核半徑對應(yīng)大小的晶核則被稱為臨界晶核晶

27、核的表面能晶核中原子或分子的體積玻爾茲曼常數(shù)產(chǎn)物的氣相分壓產(chǎn)物的飽和蒸氣壓，過飽和程度。P0P/P0 溫度越高，過飽和度越大，則臨界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，對晶體生成越有利。 均相晶核形成之后，穩(wěn)定存在的晶核便開始晶粒生長過程。小晶粒通過對氣相產(chǎn)物分子的吸附或重構(gòu)，使自身不斷長大。理論和實踐都表明：晶粒生長過程主要受產(chǎn)物分子從反應(yīng)體系中向晶粒表面的擴(kuò)散遷移速率所控制。3.晶粒生長 顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用，主要包括范德華力、靜電引力等，顆粒之間會發(fā)生聚集，顆粒越小，則聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象被稱為團(tuán)聚。對于超微粉末，團(tuán)聚是一個普遍存在并不容忽視的問題，在實際使用超微粉末時，如果

28、不能有效地解決團(tuán)聚問題，則粉末就可能失去其特有的性質(zhì)。4.團(tuán)聚 三、化學(xué)氣相沉積類型熱分解法熱分解法中最為典型的就是羰基物熱分解，它是一種由金屬羰基化合物加熱分解制取粉末的方法，整個過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是制備金屬羰基化合物第一步：合成羰基鎳第二步：羰基鎳熱分解氣 相 氫 還 原 還原劑-氫氣氣相金屬熱還原 還原劑-低熔點、低沸點的金屬（Mg、Ca、Na）兩類反應(yīng)的反應(yīng)物均選用低沸點的金屬鹵化物且以氯化物為主氣相還原法復(fù)合反應(yīng)法 復(fù)合反應(yīng)法是一種重要的制取無機(jī)化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，這種方法既可制備各種陶瓷粉體也可進(jìn)行陶瓷薄膜的沉積。所用的原料是金屬鹵化物(以氯化物為主)，

29、在一定溫度下，以氣態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)。1. 碳化物反應(yīng)通式2. 氮化物反應(yīng)通式3. 硼化物反應(yīng)通式4. 硅化物反應(yīng)通式一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉積條件化學(xué)還原法一、還原制粉的基本原理依據(jù)熱力學(xué)原理確定反應(yīng)能否發(fā)生氧位圖氧化物的 G0T 圖二、典型還原制粉類型氫還原法碳還原法還原化合法被還原物料 還原劑 舉 例 備 注 固體 固體 固體 固體 氣體 熔體 FeO+CFe+CO WO3+3H2W+3H2O ThO2+2CaTh+2CaO 固體碳還原 氣體還原 金屬熱還原 氣體 氣體 氣體 固體 氣體 熔體 WCl6+3H2W+6HCl TiCl4+2MgTi+2MgCl2 氣相氫還原 氣相

30、金屬熱還原 溶液 溶液 熔鹽 固體 氣體 熔體 CuSO4+FeCu+FeSO4 Me(NH3)nSO4+H2Me+(NH4)2SO4+(n-2)NH3 ZrCl4+KCl+MgZr+產(chǎn)物 置換 溶液氫還原 金屬熱還原 電化學(xué)制粉法一、電化學(xué)制粉分類 水溶液電解 有機(jī)電解質(zhì)電解 熔鹽電解 液體金屬陰極電解！二、電化學(xué)制粉原理以銅電解制粉為例電化學(xué)體系陽極：Cu（純）陰極： Cu粉電解液： CuSO4、H2SO4、H2O電化學(xué)反應(yīng)陰極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：生產(chǎn)方法原材料金屬粉末合金粉末化合物粉末包覆粉末電解水溶液電解金屬鹽溶液Fe Co Ni AgFe-Ni熔鹽電解金屬熔鹽Ta Nb Ti Zr Th

31、 BeTa-Nb碳化物，硼化物，硅化物離子液體電解金屬有機(jī)物離子液體電化腐蝕晶間腐蝕，不銹鋼不銹鋼電腐蝕金屬或合金任何金屬任何合金三、電化學(xué)制粉的影響因素電流密度、電解液溫度、攪拌、刷粉周期粉末制備新技術(shù) 在此法中,穩(wěn)定的平頭火焰是由低壓燃料/氧氣混合氣的燃燒產(chǎn)生的。化學(xué)母體與燃料一起導(dǎo)入燃燒室,在火焰的熱區(qū)進(jìn)行快速熱分解。由于燃燒室表面溫度分布良好,氣相逗留時間短以及化學(xué)母體濃度均勻,并在很窄的熱區(qū)進(jìn)行熱分解,因而能生產(chǎn)出粒度分布集中的高質(zhì)量的納米粉。1.燃燒火焰-化學(xué)氣相法生產(chǎn)納米粉末該法生產(chǎn)的納米粉末成本十分低廉，按年產(chǎn)100噸納米粉估算,每公斤納米粉的成本不會高于50美元。 目前，該法

32、已用于生產(chǎn)SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物納米粉。2.激光生產(chǎn)納米粉末 采用普通攪拌器、激光與便宜的反應(yīng)材料,可快速、便宜、干凈地生產(chǎn)1100nm的銀粉與鎳粉。 例如,將硝酸銀溶液與一種還原劑導(dǎo)入攪拌器中,用激光短時照射混合物,同時進(jìn)行攪拌。當(dāng)激光脈沖射到液體時，形成極小的“熱點”,使硝酸銀與還原劑發(fā)生反應(yīng),生成極小的銀顆粒。通過改變激光強(qiáng)度、攪拌器轉(zhuǎn)速與反應(yīng)成分,可控制銀粉粒度,在一定程度上也可控制顆粒形狀。 該法生產(chǎn)速度為0.5-30g/min,比其他納米粉末制備方法生產(chǎn)率高。本方法所用反應(yīng)材料不污染環(huán)境，而以前生產(chǎn)銀粉所用的聯(lián)氨是一種致癌物。用這種方法

33、生產(chǎn)的銀粉可用于制造焊料、牙科填料、電路板、高速攝影膠片等。3.電爆炸金屬絲制取納米粉大功率電脈沖施于氬氣保護(hù)的金屬絲上,并受到大功率脈沖產(chǎn)生的特殊場約束。柱形等離子體被加熱到15000以上高溫,因而電阻劇增,引起特殊場崩潰。金屬蒸氣的高壓引起爆炸,產(chǎn)生沖擊波,形成的金屬氣溶膠快速絕熱冷卻,制得納米粉。 此法可生產(chǎn)鋁、鎳、銀、銅、鋅、鉑、鉬、鈦、鋯、銦、鎢及其合金粉，用于推進(jìn)劑、炸藥、煙火、金屬與陶瓷的粘結(jié)、助燒結(jié)劑、催化劑、合成有機(jī)金屬化合物等。4.聲化學(xué)制取納米金屬粉美國科學(xué)家采用聲化學(xué)技術(shù)制取納米金屬粉。聲化學(xué)是研究液體中高強(qiáng)度超聲波產(chǎn)生的小氣泡的形成、長大與內(nèi)向破裂等現(xiàn)象的學(xué)科。這些超

34、聲波氣泡的破裂,產(chǎn)生很強(qiáng)的局部加熱而在冷液中形成“熱點”,瞬時溫度約為5000,壓力約1GPa,持續(xù)時間約10億分之一秒。 粗略而形象地說,上述這些數(shù)據(jù)相當(dāng)于太陽的表面溫度,大洋底部的壓力,閃電的時間。當(dāng)氣泡破裂時,氣泡內(nèi)所含金屬的易揮發(fā)化合物分解成單個金屬原子,而后聚集為原子簇。這些原子簇含有幾百個原子,直徑約為23nm。2.3 成型技術(shù)原料粉末其它添加劑熱壓松裝燒結(jié)粉漿燒注混合壓制等靜壓制軋制擠壓燒結(jié)燒結(jié)浸適熱處理電鍍預(yù)燒結(jié)高溫?zé)Y(jié)復(fù)壓鍛打復(fù)燒拉絲燒縮精整鍛造軋制擠壓燒結(jié)（浸油）熱處理粉末冶金成品 成形是粉末冶金工藝的重要步驟。成形的目的是制得具有一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的壓坯。模壓成形

35、是最基本方法。 1.粉末預(yù)處理 預(yù)處理包括：粉末退火，篩分，混合，制粒，加潤滑劑等。1）退火還原氧化物消除加工硬化鈍化金屬，防止自燃消除雜質(zhì)，提高純度2）篩分：把顆粒大小不勻的原始粉末進(jìn)行分級，使粉末能夠按照粒度分成大小范圍更窄的若干等級。3）制粒：將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序，常用來改善粉末的流動性。 4）混合：將兩種或兩種以上不同成分的粉末均勻混合的過程。有時需將成分相同而粒度不同的粉末進(jìn)行混合，稱為合批。（1）機(jī)械法（2）化學(xué)法：潤滑劑或成形劑，造孔劑封閉鋼模壓制成型工序組成：稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模。（1）稱粉與裝粉 自動裝粉方式 a）落入法 b）吸入法 c）多余充填法基本

36、壓制方式 a)單向壓制 b)雙向壓制 c)浮動壓制（2）壓制壓制過程可分為四個階段： 粉末顆粒移動，孔隙減小，顆粒間相互擠緊； 粉末擠緊，小顆粒填入大顆粒間隙中，顆粒開始有變形； 粉末顆粒表面的凹凸部分被壓緊且嚙合成牢固接觸狀態(tài)； 粉末顆粒加工硬化到了極限狀態(tài)，進(jìn)一步增高壓力，粉末顆粒被破壞和結(jié)晶細(xì)化。壓坯密度的均勻性 a.垂直截面上，上層密度大于下層密度；b.水平截面上，接近上模沖斷面上，兩側(cè)大中間??；遠(yuǎn)離上模沖斷面上，中間大兩側(cè)?。籧.壓坯底部的邊緣密度低。 a) 壓制前 b) 壓制后 用石墨粉作隔層的單向壓坯 a）單向壓制 b) 雙向壓制壓坯密度沿高度分布圖 壓坯密度分布不均勻是因為粉末

37、體在壓模內(nèi)受力后向各個方向流動，于是引起垂直于壓模壁的側(cè)壓力。側(cè)壓力引起摩擦力，會使壓坯在高度方向存在明顯的壓力降。 改善措施： 1）減小摩擦力：模具內(nèi)壁上涂潤滑油或采用內(nèi)壁更光潔的模具；2）采用雙向壓制以改善壓坯密度分布的不均勻性；3）模具設(shè)計時盡量降低高徑比。壓坯密度與影響因素的關(guān)系a.隨壓制壓力的增高而增大；b.隨粉末的粒度或松裝密度的增大而增大；c.顆粒的強(qiáng)度和硬度降低，有利于提高壓坯密度；d.降低壓制速度，提高壓坯密度。a)填充粉料 b)雙向壓坯 c)上沖模復(fù)位 d)頂出坯塊傳統(tǒng)壓制技術(shù)的局限1、模具要求高，占用生產(chǎn)成本比例大；2、所加工部件尺寸受到限制；3、部件密度分布不均勻；4、

38、脫模困難，工序長，生產(chǎn)效率低。雙向壓制粉末冶金坯塊工步示意圖 等靜壓成形 借助高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼體密封容器內(nèi)，高壓流體的等靜壓壓力直接作用于彈性模套內(nèi)的粉末上，使粉體各個方向同時均衡受壓，而獲得密度分布均勻以及強(qiáng)度較高的壓坯。其他成型技術(shù)爆炸成形利用炸藥爆炸時產(chǎn)生的瞬間高沖擊波壓力，作用于粉體進(jìn)行成形的工藝?？杉庸て胀▔褐坪蜔Y(jié)工藝難以成形的材料，如難熔金屬、高合金材料等，還可壓制普通壓力無法壓制的大型壓坯。 粉末軋制1.動磁壓制技術(shù)原理:將粉末裝于一個導(dǎo)電的容器(護(hù)套)內(nèi),置于高強(qiáng)磁場線圈的中心腔中。電容器放電在數(shù)微秒內(nèi)對線圈通入高脈沖電流,線圈腔中形成磁場,

39、護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與施加磁場相互作用,產(chǎn)生由外向內(nèi)壓縮護(hù)套的磁力,因而粉末得到二維壓制。整個壓制過程不足1ms。粉末冶金成型新技術(shù)動磁壓制的優(yōu)點: 由于不使用模具,成型時模壁摩擦減少到0，因而可達(dá)到更高的壓制壓力,有利于提高產(chǎn)品，并且生產(chǎn)成本低；由于在任何溫度與氣氛中均可施壓,并適用于所有材料,因而工作條件更加靈活； 由于這一工藝不使用潤滑劑與粘結(jié)劑,因而成型產(chǎn)品中不含有雜質(zhì)，性能較高，而且還有利于環(huán)保。2.高速壓制 瑞典開發(fā)出粉末冶金用高速壓制法。這可能是粉末冶金工業(yè)的又一次重大技術(shù)突破。高速壓制采用液壓沖擊機(jī),它與傳統(tǒng)壓制有許多相似之處,但關(guān)鍵是壓制速度比傳統(tǒng)快5001000倍,

40、其壓頭速度高達(dá)230m/s,因而適用于大批量生產(chǎn)。液壓驅(qū)動的重錘(51200kg)可產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波,0.02s內(nèi)將壓制能量通過壓模傳給粉末進(jìn)行致密化。重錘的質(zhì)量與沖擊時的速度決定壓制能量與致密化程度。 高速壓制的另一個特點是產(chǎn)生多重沖擊波，間隔約0 3s的一個個附加沖擊波將密度不斷提高。這種多重沖擊提高密度的一個優(yōu)點是,可用比傳統(tǒng)壓制小的設(shè)備制造重達(dá)5kg以上的大零件。與傳統(tǒng)壓制相比, 高速壓制的優(yōu)點是：壓制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；壓制件抗拉強(qiáng)度可提高20%25%；高速壓制壓坯徑向彈性后效很小, 脫模力較低；高速壓制的密度較均勻, 其偏差小于0.01g/cm3。 3.溫壓成

41、型技術(shù) 溫壓技術(shù)是近幾年新發(fā)展的一項新技術(shù)。它是在混合物中添加高溫新型潤滑劑，然后將粉末和模具加熱至423K左右進(jìn)行剛性模壓制，最后采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù)，是普通模壓技術(shù)的發(fā)展與延伸，被國際粉末冶金界譽(yù)為 “開創(chuàng)鐵基粉末冶金零部件應(yīng)用新紀(jì)元”和“導(dǎo)致粉末冶金技術(shù)革命”的新型成型技術(shù)。其與傳統(tǒng)模壓工藝主要區(qū)別之處在于壓制過程中將粉末和模具加熱到一定的溫度，溫度通常設(shè)定在130150范圍以內(nèi)，可使鐵基粉末冶金零件密度提高0.150.4g/cm3，粉末壓坯相對密度可達(dá)到98-99%。在該工藝中，為了充分發(fā)揮在壓制過程中的顆粒重排和塑性變形等溫壓致密化機(jī)制，往往需要優(yōu)化原料粉末設(shè)計（如形狀、

42、粒度組成的選擇），通過退火或擴(kuò)散退火處理以改善粉末塑性，以及往粉末中摻入高性能高溫潤滑劑（添加量通常為0.6wt%）。 特點 ：（1）密度高且分布均勻 常規(guī)一次壓制-燒結(jié)最高密度一般為7.1g/cm3左右，溫壓一次壓制-燒結(jié)密度可達(dá)到7.40-7.50 g/cm3，溫壓二次壓制-燒結(jié)密度可高達(dá)7.6g/cm3左右。溫壓工藝中高性能潤滑劑保證了粉末與模壁之間具有較低的摩擦系數(shù)，使得壓坯密度分布更加均勻，采用溫壓工藝制備齒輪類零件時齒部與根部間的密度差比常規(guī)壓制工藝低0.10.2g/cm3。 （2）生坯強(qiáng)度高常規(guī)工藝的生坯強(qiáng)度約為1020MPa，溫壓壓坯的強(qiáng)度則為2530MPa，提高了1.25-2

43、倍。生坯強(qiáng)度的提高可以大大降低產(chǎn)品在轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)的掉邊、掉角等缺陷，有利于制備形狀復(fù)雜的零件；同時，還有望對生坯直接進(jìn)行機(jī)加工，免去燒結(jié)后的機(jī)加工工序，降低了生產(chǎn)成本。這一點在溫壓-燒結(jié)連桿制備中表現(xiàn)得尤為明顯。 （3）脫模壓力小溫壓工藝脫模壓力(Slide pressure)約為1020MPa，而常規(guī)工藝卻高達(dá)5575MPa，其降低幅度超過60%。低的脫模壓力意味著溫壓工藝易于壓制形狀復(fù)雜的鐵基P/M零件和減小模具磨損從而延長其使用壽命。 （4）表面精度高由于溫壓工藝使壓坯密度升高，而且溫壓中處于粘流態(tài)的潤滑劑具有良好的“整平”作用，因此它可以使鐵基粉末冶金零件表面精度提高2個IT等級，使

44、納米晶硬質(zhì)合金粉末壓坯表面精度提高3個IT等級。4.流動溫壓技術(shù) 流動溫壓技術(shù)以溫壓技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合了金屬注射成形的優(yōu)點,通過加入適量的微細(xì)粉末和加大潤滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動性、填充能力和成形性, 這一工藝是利用調(diào)節(jié)粉末的填充密度與潤滑劑含量來提高粉末材料的成形性。它是介于金屬注射成形與傳統(tǒng)模壓之間的一種成形工藝。 流動溫壓技術(shù)的關(guān)鍵是提高混合粉末的流動性，主要通過兩種方法來實現(xiàn)： 第一種方法是:向粉末中加入精細(xì)粉末。這種精細(xì)粉末能夠填充在大顆粒之間的間隙中,從而提高了混合粉末的松裝密度。 第二種方法是:比傳統(tǒng)粉末冶金工藝加入更多的粘結(jié)劑和潤滑劑,但其加入量要比粉末注射成形少得

45、多。粘結(jié)劑或潤滑劑的加入量達(dá)到最優(yōu)化后,混合粉末在壓制中就轉(zhuǎn)變成一種填充性很高的液流體。 將上述兩種方法結(jié)合起來,混合粉末在壓制溫度下就可轉(zhuǎn)變成為流動性很好的黏流體,它既具有液體的所有優(yōu)點,又具有很高的黏度。混合粉末的流變行為使得粉末在壓制過程中可以流向各個角落而不產(chǎn)生裂紋。流動溫壓工藝主要特點: (1)可成形零件的復(fù)雜幾何形狀。國外已利用常規(guī)溫壓工藝成功制備出了一些形狀較復(fù)雜的粉末冶金零件,如汽車傳動轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂、連桿和齒輪類零件等。 (2)密度高、性能均一。流動溫壓工藝由于松裝密度較高,經(jīng)溫壓后的半成品密度可以達(dá)到很高的值。由于流動溫壓工藝中粉末的良好流動性,由此得到的材料密度也更加均

46、勻。 (3)適應(yīng)性較好。流動溫壓工藝已經(jīng)用于低合金鋼粉、不銹鋼316L粉、純Ti粉和WC-Co硬質(zhì)合金粉末。原則上它可適用于所有的粉末體系，唯一的條件是該粉末體系須具有足夠好的燒結(jié)性能,以便達(dá)到所要求的密度和性能。 (4)簡化了工藝,降低了成本。4.冷成形工藝 美國開發(fā)出一種能在室溫下生產(chǎn)全致密零件而無需后續(xù)燒結(jié)的粉末冶金工藝。此工藝稱之為“冷成形粉末冶金”。它采用特殊配制的活化溶液與革新的進(jìn)料靴技術(shù),在壓力下精確地將粉末注入模中。加壓輸送的進(jìn)料靴使粉末填充更加均勻,而活性溶液則防止形成氧化物,從而大大促進(jìn)了冷焊效應(yīng)。 采用這一工藝可制得全致密的接近最終形狀的零件，而壓制后無需燒結(jié)及機(jī)加工。此

47、工藝采用包覆粉末。但許多市售的金屬或非金屬粉末也可使用。目前該工藝的開發(fā)工作主要集中于生產(chǎn)熱操作零件，但這一工藝也適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件及其他用途的零件5. 粉漿澆注成型金屬粉末在不施加外力的情況下成形的，即將粉末加水或其它液體及懸浮劑調(diào)制成粉漿，再注入石膏模內(nèi)，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。 6.注射成形技術(shù) 金屬粉末注射成形技術(shù)是隨著高分子材料的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新型固結(jié)金屬粉、金屬陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量熱塑性粘結(jié)劑與粉料一起注入成形模中，施于低而均勻的等靜壓力，使之固結(jié)成形，然后脫粘結(jié)劑燒結(jié)。 這種技術(shù)能夠制造用常規(guī)模壓粉末的技術(shù)無法制造的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)（如帶有螺紋、垂直或高叉孔銳角、多臺階、壁、翼等）制品，具有更高的材質(zhì)密度（93%100%的理論密度）和強(qiáng)韌性，并具有材質(zhì)各向同性等特性。目前該項技術(shù)成為粉末冶金領(lǐng)域最具活力的新技術(shù) 并已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階