粉末冶金新工藝

昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁主要內(nèi)容第一章粉末制備新技術(shù)第二章成型新技術(shù)第二章燒結(jié)技術(shù)第一章粉末的制備新技術(shù)昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁制備粉末的三種途徑：固態(tài)液態(tài)粉末氣態(tài)昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁固態(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：復(fù)原法3、金屬＋非金屬化合物→金屬化合物粉末：復(fù)原－化合法金屬氧化物＋非金屬化合物第一章粉末的制備新技術(shù)昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁機(jī)械研磨氣流研磨昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁機(jī)械制粉方法的本質(zhì)就是利用動(dòng)能來破壞資料的內(nèi)結(jié)合力，使資料分裂產(chǎn)生新的界面。機(jī)械研磨法可以提供動(dòng)能的方法可以設(shè)計(jì)出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。物料顆粒受機(jī)械力作用而被粉碎時(shí)，還會(huì)發(fā)生物質(zhì)構(gòu)造及外表物理化學(xué)性質(zhì)的變化，這種因機(jī)械載荷作用導(dǎo)致顆粒晶體構(gòu)造和物理化學(xué)性質(zhì)的變化稱為機(jī)械力化學(xué)。研磨的實(shí)際根底——機(jī)械力化學(xué)顆粒構(gòu)造變化，如外表構(gòu)造自發(fā)地重組，構(gòu)成非晶態(tài)構(gòu)造或重結(jié)晶顆粒外表物理化學(xué)性量變化，如外表電性、物理與化學(xué)吸附、溶解性、分散與聚會(huì)性質(zhì)在部分受反復(fù)應(yīng)力作用區(qū)域產(chǎn)生化學(xué)反響，如由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)，釋放出氣體、外來離子進(jìn)入晶體構(gòu)造中引起原物料中化學(xué)組成變化。球磨制粉包括四個(gè)根本要素： 球磨筒 磨球 研磨物料 研磨介質(zhì)球磨制粉在球磨過程中，球磨筒將機(jī)械能傳送到筒內(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(shí)，細(xì)化過程本質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過程；假設(shè)粉末的塑性較強(qiáng)，那么顆粒的細(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，提高球磨效率的根本原那么是一致的。1.動(dòng)能準(zhǔn)那么： 提高磨球的動(dòng)能2.碰撞幾率準(zhǔn)那么： 提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的根本原那么滾筒式行星式振動(dòng)式攪動(dòng)式球磨制粉的根本方式滾筒式球磨轉(zhuǎn)速較低時(shí)，球料混合體與筒壁做相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)并堅(jiān)持一定的斜度。隨轉(zhuǎn)速的添加，球料混合體斜度添加，抬升高度加大，這時(shí)磨球并不脫離筒壁；轉(zhuǎn)速達(dá)一臨界值V臨1時(shí)，磨球開場(chǎng)拋落下來，構(gòu)成了球與筒及球與球間的碰撞；轉(zhuǎn)速添加到某一值時(shí)，磨球的離心力大于其重力，這時(shí)磨球、粉料與磨筒處于相對(duì)靜止形狀，此時(shí)研磨作用停頓，這個(gè)轉(zhuǎn)速被稱為臨界轉(zhuǎn)速V臨2。D是磨筒的直徑滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個(gè)限定條件V臨1<V實(shí)踐<V臨2振動(dòng)球磨行星球磨攪動(dòng)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，磨球與粉料一同呈螺旋方式上升，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)。只需轉(zhuǎn)速和裝球量適宜，在任何情況下磨筒底部都不會(huì)出現(xiàn)死角由于磨球的動(dòng)能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動(dòng)提供的，研磨時(shí)不會(huì)存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制，因此，磨球的動(dòng)能大大添加。同時(shí)還可以采用提高攪動(dòng)轉(zhuǎn)速。減小磨球直徑的方法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動(dòng)能，這樣才符合了提高機(jī)械球磨效率的兩個(gè)根本準(zhǔn)那么。氣流研磨法經(jīng)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，氣流研磨不需求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，而金屬粉末那么需求用惰性氣體或復(fù)原性氣體。由于不運(yùn)用研磨球及研磨介質(zhì)，所以氣流研磨粉的化學(xué)純度普通比機(jī)械研磨法的要高。1.動(dòng)能準(zhǔn)那么： 提高粉末顆粒的動(dòng)能2.碰撞幾率準(zhǔn)那么： 提高粉末顆粒的碰撞幾率氣流研磨制粉的根本原那么由于粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動(dòng)能必需求提高載流氣體的速度。兩種方法來實(shí)現(xiàn) 提高氣體的入口壓力 氣體噴嘴的氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)過這兩種方法使噴嘴出口端的氣體流速達(dá)超音速氣流研磨三種類型： 旋渦研磨 冷流沖擊 流態(tài)化床氣流磨旋渦研磨冷流沖擊加速效應(yīng)： 加速后的氣體可超越音速；冷卻效應(yīng)： 氣粉混合物的溫度能降到零度以下。這兩點(diǎn)對(duì)于顆粒的粉碎非常有利，其一是顆粒的撞擊動(dòng)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經(jīng)過一個(gè)稱為拉瓦爾管型硬質(zhì)合金噴嘴噴向空間時(shí)，氣體壓力急劇下降，構(gòu)成絕熱膨脹過程。這一過程會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩種效應(yīng)流態(tài)化床氣流磨可獲得超細(xì)粉體，并且粉末粒度均勻；由于氣體絕熱膨脹呵斥溫度下降，所以可研磨低熔點(diǎn)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(duì)不同的性質(zhì)的粉末，可運(yùn)用空氣、N2、Ar等惰性氣體。流態(tài)化床氣流磨的特點(diǎn)：昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁液態(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，溶液氫復(fù)原法，水溶液電解法3、金屬熔鹽→金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔鹽電法第一章粉末的制備新技術(shù)霧化法是一種典型的物理制粉方法，是經(jīng)過高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水劇烈沖擊液流，或經(jīng)過離心力使之破碎、冷卻凝固來實(shí)現(xiàn)的。霧化制粉法霧化機(jī)理霧化聚并凝固過程一：大的液珠當(dāng)遭到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個(gè)小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，那么液體的能量變化可近似為液體的外表能添加。很明顯，霧化時(shí)液體吸收的能量與霧化液滴的粒徑存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：吸收的能量越高那么粒徑越?。环粗嗳?。過程二：液體顆粒破碎的同時(shí)，還能夠發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個(gè)較大的液體顆粒，并且液體顆粒外形向球形轉(zhuǎn)化，這個(gè)過程中，體系的總外表能降低，屬于自發(fā)過程。過程三：液體顆粒冷卻構(gòu)成小的固體顆粒。1、能量交換準(zhǔn)那么提高單位時(shí)間、單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以抑制外表自在能的添加。2、快速凝固準(zhǔn)那么提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。提高霧化制粉效率根本準(zhǔn)那么霧化制粉分類雙流霧化指被霧化的液體流和放射的介質(zhì)流；單流霧化直接經(jīng)過離心力、壓力差或機(jī)械沖擊力實(shí)現(xiàn)霧化雙流霧化法氣霧化水霧化注：適宜于金屬粉末制備金屬液由上方孔流出時(shí)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(dòng)，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時(shí)間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。霧化過程的四種情況動(dòng)能交換：霧化介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚耐獗砟?；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)金屬的粘度及外表張力隨溫度的降低而不斷發(fā)生變化；化學(xué)反響：高比外表積顆?！惨旱位蚍哿！车幕瘜W(xué)活性很強(qiáng)，會(huì)發(fā)生一定程度的化學(xué)反響。氣霧化的四個(gè)區(qū)域負(fù)壓紊流區(qū)—高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方構(gòu)成負(fù)壓紊流層；顆粒構(gòu)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)—?dú)饬骶奂c(diǎn)對(duì)原始液滴產(chǎn)生劇烈破碎作用，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送給霧化介質(zhì)，凝固為粉末顆粒。氣霧化制粉的影響要素 〔1〕氣體動(dòng)能 〔2〕噴嘴構(gòu)造 〔3〕液流性質(zhì) 〔4〕放射方式離心霧化法離心霧化法是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，后來又開展了旋轉(zhuǎn)錠模、旋轉(zhuǎn)園盤等離心霧化方法。旋轉(zhuǎn)電極法粉末平均粒度為D=〔M0。12/wd0。64〕(r/m)0。43式中 M—熔化速度 d—陽極直徑 W—角速度 D—熔體外表張力m—密度旋轉(zhuǎn)錠模法〔又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法〕：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，那么平均粒度越小，細(xì)粉收得率越高。粉末平均粒度及100目以下粉末收得率隨霧化盤轉(zhuǎn)速而變化的情況旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)網(wǎng)昆明理工大學(xué)資料與冶金學(xué)院胡勁氣態(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：氣相氫復(fù)原法4、氣態(tài)金屬鹵化物→金屬化合物粉末：化學(xué)氣相堆積法第一章粉末的制備新技術(shù)氣相堆積制粉是經(jīng)過某種方式的能量輸入，使氣相物質(zhì)發(fā)生氣—固相變或氣相化學(xué)反響，生成金屬或陶瓷粉體。物理氣相堆積法化學(xué)氣相堆積法一、化學(xué)氣相堆積的反響類型分解反響化學(xué)氣相堆積法化合反響二、化學(xué)氣相堆積制粉原理1.化學(xué)反響2.均相形核3.晶粒生長4.團(tuán)聚制粉過程包括四個(gè)步驟：化合反響由上式可知，化學(xué)氣相堆積反響的控制要素包括：1〕反響溫度、2〕氣相反響物濃度、3〕氣相生成物濃度1.化學(xué)反響對(duì)一個(gè)確定的化學(xué)反響，判別其能否進(jìn)展的熱力學(xué)判據(jù)為：分解反響氣相反響發(fā)生后的瞬間，在反響區(qū)內(nèi)構(gòu)成了產(chǎn)物蒸氣，當(dāng)反響進(jìn)展到一定程度時(shí)，產(chǎn)物蒸氣濃度到達(dá)過飽和形狀，這時(shí)產(chǎn)物晶核就會(huì)構(gòu)成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反響產(chǎn)物晶核的構(gòu)成是個(gè)均勻形核過程。假設(shè)晶核為球形，半徑為r，那么構(gòu)成一個(gè)晶核，體系自在能的變化為：2.均勻形核為固氣相的體積自在能差為晶核的外表能臨界形核半徑對(duì)應(yīng)大小的晶核那么被稱為臨界晶核晶核的外表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結(jié)論：溫度越高，過飽和度越大，那么臨界晶核尺寸越小，晶核構(gòu)成能越低，對(duì)晶體生成越有利。均相晶核構(gòu)成之后，穩(wěn)定存在的晶核便開場(chǎng)晶粒生長過程。小晶粒經(jīng)過對(duì)氣相產(chǎn)物分子的吸附或重構(gòu)，使本身不斷長大。實(shí)際和實(shí)際都闡明：晶粒生長過程主要受產(chǎn)物分子從反響體系中向晶粒外表的分散遷移速率所控制。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(huì)發(fā)生聚集，顆粒越小，那么聚集效果越明顯，這一景象被稱為聚會(huì)。對(duì)于超微粉末，聚會(huì)是一個(gè)普遍存在并不容忽視的問題，在實(shí)踐運(yùn)用超微粉末時(shí)，假設(shè)不能有效地處理聚會(huì)問題，那么粉末就能夠失去其特有的性質(zhì)。4.團(tuán)聚三、化學(xué)氣相堆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(gè)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復(fù)原劑----氫氣氣相金屬熱復(fù)原復(fù)原劑----低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)的金屬〔Mg、Ca、Na…〕兩類反響的反響物均選用低沸點(diǎn)的金屬鹵化物且以氯化物為主氣相復(fù)原法復(fù)合反響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)展陶瓷薄膜的堆積。所用的原