粉末冶金原理粉末冶金原理 郭圣达郭圣达 E-mail: enga163.com E-mail: enga163.com 江西理工大学江西理工大学 工程研究院工程研究院2021/5/231参考书目u1.黄培云主编：粉末冶金原理，冶金工业 出版社u2.王盘鑫主编：粉末冶金学，冶金工业出 版社2021/5/232 目 录u一、粉末的制备技术u二、粉末的性能及其测定u三、粉末成形u四、烧结u五、粉末冶金材料和制品u六、粉末冶金的安全知识u七、粉末制备、成形、烧结新技术2021/5/233 绪论1 1. .粉末冶金粉末冶金是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金是一种利用制取到的金属粉末，或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和烧结制造金属材料、属粉末的混合物作为原料，经过粉末成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有复合材料以及各类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。2.2.粉末冶金的发展粉末冶金的发展 粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁的第一方 法实质上采用的就是粉末冶金方法。法实质上采用的就是粉末冶金方法。 3.3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志：1 1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。19091909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；19231923年粉末冶金硬质年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。2021/5/234 绪论u2 2）2020世纪三十年代世纪三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶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制品少切削金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金制品少切削甚至无切削的优点。甚至无切削的优点。u3 3）向更高级的新材料、新工艺发展。）向更高级的新材料、新工艺发展。四十四十年代，出现金年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料，属陶瓷、弥散强化等材料，六十六十年代末至年代末至七十七十年代初，粉年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；还有利用粉末冶金锻末高速钢、粉末高温合金相继出现；还有利用粉末冶金锻造及热等静压等技术已能制造高强度的零件。以硬质合金造及热等静压等技术已能制造高强度的零件。以硬质合金来说，新型硬质合金已经逐步替代传统合金，如梯度结构来说，新型硬质合金已经逐步替代传统合金，如梯度结构硬质合金、超细硬质合金、超细/ /纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金纳米晶、双晶结构、粗晶结构硬质合金等。等。2021/5/235 绪论u粉末冶金工艺的基本工序粉末冶金工艺的基本工序u1 1、原料粉末的制备原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。其中机械法又可分为：机械粉碎和机械法和物理化学法。其中机械法又可分为：机械粉碎和雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原法、还原- -化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。u2 2、将将粉末压制成型为所需形状的坯块粉末压制成型为所需形状的坯块。成型的目的是制。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型，还有挤压成型、爆炸成型等。应用最多的是模压成型，还有挤压成型、爆炸成型等。2021/5/236 绪论u3 3、坯块的烧结坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理力学性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低，多元系的烧结，若烧结温度比所用的金属及合金的熔点低，则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔则称之为固相烧结；若烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通点低，而高于易熔成分的熔点，则称为液相烧结。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法烧结等特殊的烧结工艺。结工艺。2021/5/237绪论u4 4、产品的后序处理产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。取得较理想的效果。2021/5/238 绪论 粉末冶金工艺的优点粉末冶金工艺的优点u 1 1、绝大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散强、绝大多数难熔金属及其化合物、氧化物弥散强化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬质合金等只能用粉化合金、多孔材料、陶瓷材料和硬质合金等只能用粉末冶金方法来制造。末冶金方法来制造。u 2 2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要后续的机械加工，故能大大节约而不需要或很少需要后续的机械加工，故能大大节约金属用量，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品金属用量，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有时，金属的损耗只有1-5%1-5%，而用一般熔铸方法生产时，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到金属的损耗可能会达到80%80%。 2021/5/239u 3 3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。度的材料。u 4 4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和均匀性。均匀性。u 5 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。金法制造能大大降低生产成本。2021/5/2310 绪论粉末冶金材料和制品的发展方向粉末冶金材料和制品的发展方向1 1、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高、具有代表性的铁基合金，将向大体积的精密制品，高质量的结构零部件发展。质量的结构零部件发展。2 2、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密、制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能硬质合金。的高性能硬质合金。3 3、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊、用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。合金。4 4、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。、制造非均匀材料、非晶态、微晶或者亚稳合金。5 5、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。、加工独特的和非一般形态或成分的复合零部件。2021/5/2311一、粉末制备技术一、粉末制备技术u1. 在不同状态下制备粉末的方法在不同状态下制备粉末的方法u 1.1 在固态下制备粉末的方法u 1.2 在液态下制备粉末的方法u 1.3 在气态下制备粉末的方法u2.常用的粉末制备方法常用的粉末制备方法u 2.1 机械粉碎法u 2.2 雾化法u 2.3 还原法u 2.4 气相沉积法u 2.5 液相沉淀法u 2.6 电解法u3. 本章小结本章小结2021/5/2312 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1. 在不同状态下制备粉末的方法在不同状态下制备粉末的方法1.1 在固态下制备粉末的方法在固态下制备粉末的方法 （1）从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有）从固态金属与合金中制取金属与合金粉末的方法有机械粉碎法和电化学腐蚀法；机械粉碎法和电化学腐蚀法； （2）从固态金属氧化物及盐类制取金属与合金粉末的有）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；还原法； （3）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制）从金属和非金属粉末、金属氧化物和非金属粉末制取金属化合物粉末的有还原化合法。取金属化合物粉末的有还原化合法。2021/5/2313 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1.2 在液态下制备粉末的方法在液态下制备粉末的方法 （1）从液态金属与合金中制取金属与合金粉末从液态金属与合金中制取金属与合金粉末的有雾化法；的有雾化法； （2）从金属盐溶液置换和还原制取金属、合金）从金属盐溶液置换和还原制取金属、合金以及包覆粉末的有置换法、溶液氢还原法；以及包覆粉末的有置换法、溶液氢还原法； 从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀从金属熔盐中沉淀制取金属粉末的有熔盐沉淀法；法； 从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有从辅助金属浴中析出制取金属化合物粉末的有金属浴法；金属浴法； （3）从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的）从金属盐溶液电解制取金属与合金粉末的有水溶液电解法；有水溶液电解法； 从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的有熔盐电解法。有熔盐电解法。2021/5/2314 一、粉末制备技术一、粉末制备技术1.3 在气态下制备粉末的方法在气态下制备粉末的方法 （1）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸气冷凝法；气冷凝法； （2) ) 从气态金属羰基物中离解制取金属、合从气态金属羰基物中离解制取金属、合金粉末以及包覆粉末的有羰基物热离解法；金粉末以及包覆粉末的有羰基物热离解法； （3）从气态金属卤化物中气相还原制取金属、）从气态金属卤化物中气相还原制取金属、合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法；合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法； 从气态金属卤化物中沉积制取金属化合物从气态金属卤化物中沉积制取金属化合物粉末以及涂层的有化学气相沉积法。粉末以及涂层的有化学气相沉积法。2021/5/2315 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为从实质过程看，现有制粉方法大体可归纳为两大类，即两大类，即机械法机械法和和物理化学法物理化学法。u 1.1.机械法：机械法：是将原材料机械地粉碎，而化学成是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本上不发生变化；分基本上不发生变化；u 2.2.物理化学法物理化学法是借助化学的或物理的作用，改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方法。变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的方法。 粉末的具体生产方法很多，从目前国内外生产粉末的具体生产方法很多，从目前国内外生产的工业规模而言，应用最广泛的有的工业规模而言，应用最广泛的有还原法、雾化法还原法、雾化法和电解法和电解法三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊三种；而气相沉淀法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。应用时亦很重要。 表表1-1为制取粉末的一些方法。为制取粉末的一些方法。2021/5/2316 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 表表1-1 粉末生产方法粉末生产方法2021/5/2317 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 续表续表1-12021/5/2318 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.常用的粉末制备方法常用的粉末制备方法2.1 机械粉碎法机械粉碎法 机械粉碎是靠机械粉碎是靠压碎压碎、击碎击碎和和磨削磨削等作用，将块等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末的。 固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常常作为某些制粉方法的补充工序。又常常作为某些制粉方法的补充工序。 2021/5/2319 依据物料粉碎的最终程度，又可以分为依据物料粉碎的最终程度，又可以分为粗碎粗碎和和细碎细碎两类。以压碎为主要作用的有两类。以压碎为主要作用的有碾压碾压、锟轧锟轧以及以及颚式破碎颚式破碎等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨等；以击碎为主的有锤磨；属于击碎和磨削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。削等多方面作用的机械粉碎有球磨、棒磨等。 实践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。利实践表明，机械研磨比较适用于脆性材料。利用塑性金属或合金来制取粉末多采用用塑性金属或合金来制取粉末多采用涡旋研磨、冷涡旋研磨、冷气流粉碎气流粉碎等方法。等方法。2021/5/2320 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.1.1机械研磨法机械研磨法 研磨的任务包括：研磨的任务包括：减少或增大粉末粒度；合金化；固态混减少或增大粉末粒度；合金化；固态混料；改善、转变或改变材料的性能料；改善、转变或改变材料的性能等。在大多数情况下，研磨等。在大多数情况下，研磨的任务是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化的任务是使粉末的粒度变细。研磨后的金属粉末会有加工硬化现象、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。现象、形状不规则以及出现流动性变坏和团块等特征。 （1）研磨规律研磨规律 在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：在研磨时，有四种力作用于颗粒材料上：冲击、磨耗、剪冲击、磨耗、剪切切以及以及压缩压缩。 在球磨机中球体运动的方式有四种（如图在球磨机中球体运动的方式有四种（如图1-1）：滑动、滑动、滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动滚动、自由下落以及在临界转速时球体的运动。 2021/5/2321 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-1 在球磨机中球体运动示意图在球磨机中球体运动示意图(a)(a)滑动；滑动；(b)(b)滚动；滚动；(c)(c)自由下落；自由下落；(d)(d)在临界转速时球体的运动在临界转速时球体的运动临界转速与圆筒直径有关，其关系为：临界转速与圆筒直径有关，其关系为： 球体发生滚动的临界条件为：球体发生滚动的临界条件为： ；反之发生滑动。；反之发生滑动。 为筒体转动时，球体表面发生倾斜，在一定的转速和装球为筒体转动时，球体表面发生倾斜，在一定的转速和装球量下的倾斜角量下的倾斜角 2021/5/2322一、粉末制备技术一、粉末制备技术u 球体滚动和自由下落是最有效的研磨方式，并且粉末的细磨只有在滚动下才能实现，因为细小的颗粒不会被球体的冲击所再粉碎2021/5/2323一、粉末制备技术（2）影响球磨的因素影响球磨的因素 球磨机中的研磨过程取决于众多因素：球磨机中的研磨过程取决于众多因素：筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例转速、研磨时间、球体与被研磨物料的比例（球料比）、研磨介质以及球体直径等。（球料比）、研磨介质以及球体直径等。2021/5/2324 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 例如：球磨筒转速例如：球磨筒转速n n0.7-0.750.7-0.75n n临界临界时，球体发生抛时，球体发生抛落；落； n n0.60.6n n临界临界时，球体发生滚动；时，球体发生滚动； n n0.60.6n n临界临界时，时，球体以滑动为主。球体以滑动为主。 在一定范围内，增加装球量能提高研磨效率。但如在一定范围内，增加装球量能提高研磨效率。但如果把球体体积与球筒容积之比称为装填系数，则一般球果把球体体积与球筒容积之比称为装填系数，则一般球磨机的装填系数取磨机的装填系数取0.40.40.50.5为宜。随转速的提高，装填为宜。随转速的提高，装填系数可略为增大。系数可略为增大。 2021/5/2325 在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。在研磨过程中一定要注意球体与物料的比例。一般在球体装填系数为一般在球体装填系数为0.40.40.50.5时，装料量应以填时，装料量应以填满球体的空隙，以稍微掩盖住球体表面为原则。可满球体的空隙，以稍微掩盖住球体表面为原则。可取球磨筒容积的取球磨筒容积的2020为装料量。球体的大小对物料为装料量。球体的大小对物料的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选的粉碎也有很大的影响。实践中，球磨铁粉一般选用用101020mm20mm的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选的钢球；球磨硬质合金混合料时，则选用用5 510mm10mm大小的硬质合金球，同时为了避免研磨大小的硬质合金球，同时为了避免研磨球对粉末的污染，应取与要制备粉末成分相近的球球对粉末的污染，应取与要制备粉末成分相近的球做为研磨球。做为研磨球。 2021/5/2326一、粉末制备技术（3）强化球磨强化球磨 球磨粉碎物料是一个很慢长的过程，因此提高球磨粉碎物料是一个很慢长的过程，因此提高研磨效率、强化球磨效果对提高生产效率具有很大研磨效率、强化球磨效果对提高生产效率具有很大的意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。的意义。例如采用振动球磨和行星球磨即属于此。图图1-2为一种湿式振动球磨机。为一种湿式振动球磨机。2021/5/2327 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.1.2机械合金化机械合金化 这这是种高能球磨法。用这种方法可是种高能球磨法。用这种方法可制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。制造具有可控细显微组织的复合金属粉末。它是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属它是在高速搅拌球磨的条件下，利用金属粉末混合物的重复冷焊和断裂进行进行合粉末混合物的重复冷焊和断裂进行进行合金化的。也可以在金属粉末中加入非金属金化的。也可以在金属粉末中加入非金属粉末来实现机械合金化。粉末来实现机械合金化。 2021/5/2328一、粉末制备技术一、粉末制备技术 用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与用机械合金化制造的材料，其内部的均一性与原材料粉末的粒度无关。因此，用较粗的原材料粉原材料粉末的粒度无关。因此，用较粗的原材料粉末末(50100)可制成超细弥散体（颗粒间距小可制成超细弥散体（颗粒间距小于于1）。制造机械合金化弥散强化高温合金的）。制造机械合金化弥散强化高温合金的原材料都是工业上广泛采用的纯粉末，粒度约为原材料都是工业上广泛采用的纯粉末，粒度约为1200。2021/5/2329 对用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制对用于机械合金化的粉末混合物，其唯一限制( (除上述粒度要求和需要控制极低的氧含量外)是混合物至少有1515（容积）的可压缩变形的金属粉末。一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2330 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-3为机械合金化装置示意图。为机械合金化装置示意图。 机械合金化与滚动球磨的区别在于：机械合金化与滚动球磨的区别在于：使球体运动的驱动力使球体运动的驱动力不同不同。 图图1-2 斯韦科湿式振动球磨机斯韦科湿式振动球磨机 图图1-3 机械合金化装置示意图机械合金化装置示意图2021/5/23312.1.3 涡旋研磨涡旋研磨 一般机械研磨只适合于粉碎脆性金属或合金，涡旋研磨则可以有效地研磨软的塑性金属或合金。由于在涡旋研磨中，研磨一方面依靠冲击作用，另一方面还依靠颗粒间、颗粒与工作室内壁以及颗粒与回转打击子相碰时的磨损作用。一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/23322.1.4 冷气流粉碎冷气流粉碎 冷气流粉碎的基本工艺是：利用高速高压的气流带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室中的靶面，压力立即从高压（7MPa）降到0.1MPa，发生绝热膨胀，使金属靶和击碎室的温度降到室温以下，甚至零度以下，冷却了的颗粒就会被粉碎。气流压力越大，得到的粉末粒度越细。一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2333 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2 雾化法雾化法 雾化法是一种将液体金属或合金直接破碎成为细小的液滴，其大小一般小于150，然后冷却而形成粉末的一种制粉方法。 雾化法可以用来制取多种金属粉末，也可以制取各种预合金粉末。实践上，任何能形成液体的材料都可以进行雾化。 2021/5/2334一、粉末制备技术一、粉末制备技术 前面所述的“机械粉碎法”是借机械作用破坏固体金属原子间的结合而制得粉末，雾化法则只要克服液体金属原子间的结合力就能使之分散成粉末。因而雾化过程所消耗的外力比机械粉碎化要小得多。从能量消耗来说，雾化法是一种简便且经济的粉末生产方法。 雾化法又可以分为二流雾化、离心雾化、真空雾化以及超声波雾化等。2021/5/2335 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.1二流雾化二流雾化 借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为借助高压水流或气流的冲击来破碎液流，称为水雾化或气雾化，也称二流雾化（水雾化或气雾化，也称二流雾化（图图1-4） 。 根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的根据雾化介质（气体、水）对金属液流作用的方式不同，雾化具有多种形式（方式不同，雾化具有多种形式（图图1-5）：）：平行喷平行喷射、垂直喷射、射、垂直喷射、V形喷射、锥形喷射以及漩涡环形形喷射、锥形喷射以及漩涡环形喷射。喷射。 2021/5/2336一、粉末制备技术一、粉末制备技术 雾化过程很复杂，按雾化介质与金属液流相互雾化过程很复杂，按雾化介质与金属液流相互作用的实质，既有作用的实质，既有物理机械作用物理机械作用，又有，又有物理化学变物理化学变化化。高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力，。高速的气流或水流，既是破碎金属液的动力，又是金属液流的冷却剂。又是金属液流的冷却剂。 因此在雾化介质同金属液流之间既有能量交换，因此在雾化介质同金属液流之间既有能量交换，又有热量交换。并且，液态金属的粘度和表面张力又有热量交换。并且，液态金属的粘度和表面张力在雾化过程和冷却过程中不断发生变化，以及液态在雾化过程和冷却过程中不断发生变化，以及液态金属与雾化介质的化学作用（如氧化、脱碳），使金属与雾化介质的化学作用（如氧化、脱碳），使雾化过程变得较为复杂。雾化过程变得较为复杂。2021/5/2337 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-4 水雾化和气雾化示意图水雾化和气雾化示意图 图图1-5 雾化的多种形式雾化的多种形式2021/5/2338 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 （1）气雾化气雾化 在气雾化中，金属由感应炉熔化并流入喷嘴，气流由排在气雾化中，金属由感应炉熔化并流入喷嘴，气流由排列在熔化金属四周的多个喷嘴喷出。雾化介质采用的是惰性列在熔化金属四周的多个喷嘴喷出。雾化介质采用的是惰性气体。雾化可获得粒度分布范围较宽的球形粉末。在气雾化气体。雾化可获得粒度分布范围较宽的球形粉末。在气雾化中，雾化过程可以用中，雾化过程可以用图图1-6来说明。来说明。 图图1-6 气雾化时金属粉末的形成气雾化时金属粉末的形成2021/5/2339 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 （2）水雾化水雾化 水雾化时制取金属或合金粉末最常用的工艺水雾化时制取金属或合金粉末最常用的工艺技术。水可以单个的、多个的或环形的方式喷射。技术。水可以单个的、多个的或环形的方式喷射。高压水流直接喷射在金属液流上，强制其粉碎并高压水流直接喷射在金属液流上，强制其粉碎并加速凝固，因此粉末形状比起气雾化来呈不规则加速凝固，因此粉末形状比起气雾化来呈不规则形状。形状。 粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。粉末的表面是粗糙的并且含有一些氧化物。由于散热快，过热度要超过熔融金属熔点较多，由于散热快，过热度要超过熔融金属熔点较多，以便控制粉末的形状。在水雾化中，包括制取合以便控制粉末的形状。在水雾化中，包括制取合金粉末在内，其化学偏析是非常有限的。金粉末在内，其化学偏析是非常有限的。 2021/5/2340 在水雾化时，在水雾化时，金属液滴的形成是水滴对金属液滴的形成是水滴对液体金属表面的冲击作用而不是剪切作用液体金属表面的冲击作用而不是剪切作用。水雾化中，雾化的粉末粒度水雾化中，雾化的粉末粒度D主要与水速主要与水速v有关：有关： 式中式中 C为与材料和雾化装置结构有关的常数为与材料和雾化装置结构有关的常数 a为金属液流与水流轴之间的夹角为金属液流与水流轴之间的夹角 表表1-2为气雾化与水雾化的一些比较。为气雾化与水雾化的一些比较。 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2341 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 表表1-2 气雾化与水雾化的比较气雾化与水雾化的比较 2021/5/2342一、粉末制备技术一、粉末制备技术（3）影响二流雾化性能的因素影响二流雾化性能的因素 雾化粉末有三个重要的性能：雾化粉末有三个重要的性能： 一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及一、粒度，包括平均粒度、粒度分布及可用粉末收得率等；可用粉末收得率等； 二、颗粒形状及与其有关的性能，如松二、颗粒形状及与其有关的性能，如松装密度、流动性、压坯密度及比表面等；装密度、流动性、压坯密度及比表面等； 三、颗粒的纯度和结构。三、颗粒的纯度和结构。 影响这些性能的主要因素是影响这些性能的主要因素是雾化介质雾化介质、金属液流的特征金属液流的特征以及以及雾化装置的结构雾化装置的结构特征等。特征等。2021/5/2343 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.2离心雾化离心雾化 用离心力破碎液流得到雾化粉末的方法称为离用离心力破碎液流得到雾化粉末的方法称为离心雾化。离心雾化的发展是与控制粉末粒度的要求心雾化。离心雾化的发展是与控制粉末粒度的要求和解决制取活性金属粉末的困难有关。和解决制取活性金属粉末的困难有关。 离心雾化有旋转圆盘雾化、旋转坩埚雾化、旋离心雾化有旋转圆盘雾化、旋转坩埚雾化、旋转电极雾化等多种形式（如转电极雾化等多种形式（如图图1-7所示）所示）。 图图1-7 离心雾化示意图离心雾化示意图2021/5/2344 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.3其他雾化工艺其他雾化工艺 除了利用水和气体冲击熔化金属，以及和旋转除了利用水和气体冲击熔化金属，以及和旋转相关的雾化方法之外，还有一些可使用熔融金属破相关的雾化方法之外，还有一些可使用熔融金属破碎的工艺方法。碎的工艺方法。 比如：锟筒雾化法：熔融金属被喂入快速旋转比如：锟筒雾化法：熔融金属被喂入快速旋转的轧辊中而雾化成粉末；振动电极雾化法：通过自的轧辊中而雾化成粉末；振动电极雾化法：通过自耗电极的振动来生产高纯度粉末的方法；熔滴雾化耗电极的振动来生产高纯度粉末的方法；熔滴雾化法：熔融金属经坩埚底部的小孔流出，流入真空或法：熔融金属经坩埚底部的小孔流出，流入真空或惰性气体中，膨胀并形成球开颗粒得到粉末；以及惰性气体中，膨胀并形成球开颗粒得到粉末；以及超声雾化法以及真空雾化法等等。超声雾化法以及真空雾化法等等。 2021/5/2345表表1-31-3：一些雾化工艺的比较：一些雾化工艺的比较 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2346 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.2.4雾化粉末显微结构的控制雾化粉末显微结构的控制 在快速冷却的合金粉末中，显微组织结构在快速冷却的合金粉末中，显微组织结构的控制取决于的控制取决于形核形核和和长大长大因素。因素。 在凝固中，较大的温度梯度的情况易于形在凝固中，较大的温度梯度的情况易于形成非晶态，相反，要在低的冷却速率和小的成非晶态，相反，要在低的冷却速率和小的温度梯度的条件下，则易形成具有偏析的显温度梯度的条件下，则易形成具有偏析的显微组织结构。微组织结构。 图图1-8是显微组织结构与粉末颗粒温度梯是显微组织结构与粉末颗粒温度梯度和温度之间的关系。度和温度之间的关系。2021/5/2347图图1-8 温度梯度和温度对快速凝固粉末的显微组织结构的影响温度梯度和温度对快速凝固粉末的显微组织结构的影响2021/5/2348 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3 还原法还原法 用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末的方法，这是一种广泛采用的制粉方法。还原剂可以是固态、气态或液态；被还原的物料也可采用固态、气态或液态形式的物质。 表表1-4为用不同还原剂和被还原的物质进行还为用不同还原剂和被还原的物质进行还原作用来制取粉末的一些例子。原作用来制取粉末的一些例子。2021/5/2349表表1-4 还原法广义的使用范围还原法广义的使用范围 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2350 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 工艺上所说的还原是指通过一种物质（称为还原剂），夺取氧化物或盐类中的氧(或酸根)而使其转变为纯元素或低价氧化物（低价盐）的过程。最简单的反应可用下式表示： 2021/5/2351 为了能顺利进行还原反应，还原剂X对氧的化学亲和力必须大于金属Me对氧的亲和力。 由于不同的金属元素对氧的作用情况不同，因而生成氧化物的稳定性也不大一样。可采用标准生成自由能作为衡量对氧亲和力大小的尺度。 凡是对氧的亲和力比被还原的金属对氧的亲和力大的物质，都能作用该金属氧化物的还原剂。 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2352 一般说来，在冶金过程中，特别是在粉末冶金中，可采用气体(氢、一氧化碳)、碳或某些金属作还原剂。因此可把这些还原反应分类称为碳还原、气体还原和金属热还原。 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2353 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 在还原过程中，还原进行的速度和还原的程度在还原过程中，还原进行的速度和还原的程度是与还原的条件有关的。影响还原反应速度和还原是与还原的条件有关的。影响还原反应速度和还原程度的因素是很复杂的，并且这些反应往往在多相程度的因素是很复杂的，并且这些反应往往在多相中反应。中反应。 因此在还原过程中，除了反应物的浓度、反应因此在还原过程中，除了反应物的浓度、反应过程的温度外，还与界面的特征（如晶格缺陷）、过程的温度外，还与界面的特征（如晶格缺陷）、界面的面积、液体的速度、反应相的比例、形核以界面的面积、液体的速度、反应相的比例、形核以及扩散层等有关。及扩散层等有关。2021/5/2354 图图1-9是氧化物被还原形成金属粉末的是氧化物被还原形成金属粉末的示意图，其反应速率取决于两个扩散流。示意图，其反应速率取决于两个扩散流。 图图1-9 氧化物颗粒部分还原为金属粉末的示意图氧化物颗粒部分还原为金属粉末的示意图 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2355 实际表明，反应速度与时间的关系具有自动催化的特点，实际表明，反应速度与时间的关系具有自动催化的特点，如图如图110所示。所示。图图1-10：吸附自动催化的反应速度与时间的关系：吸附自动催化的反应速度与时间的关系 共分三个阶段：第一阶段速度很慢，反应仅在固体表面开共分三个阶段：第一阶段速度很慢，反应仅在固体表面开始；第二阶段当新相形成，由于新旧界面力场不对称，较易吸始；第二阶段当新相形成，由于新旧界面力场不对称，较易吸附还原剂，反应面扩大，速度增加；第三阶段由于反应沿着以附还原剂，反应面扩大，速度增加；第三阶段由于反应沿着以新相晶核为中心而逐渐扩大，反应面不断减小，引起反应速度新相晶核为中心而逐渐扩大，反应面不断减小，引起反应速度的降低。的降低。 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2356 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.1碳还原法碳还原法 用固体碳可以还原很多金属氧化物，但用固体碳可以还原很多金属氧化物，但用这种方法制成的铜粉、镍粉等易被碳玷污，用这种方法制成的铜粉、镍粉等易被碳玷污，故一般不使用碳来还原这类金属氧化物制取故一般不使用碳来还原这类金属氧化物制取相应的金属粉末。在工业上，大规模应用碳相应的金属粉末。在工业上，大规模应用碳作为还原剂的方法可用于制取还原铁粉和碳作为还原剂的方法可用于制取还原铁粉和碳化钨粉，但需要严格控制碳含量。化钨粉，但需要严格控制碳含量。2021/5/2357图图1-11 用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图 图图1-11为用一氧化碳还原铁的氧化物的反应为用一氧化碳还原铁的氧化物的反应状态图。从图可看出一氧化碳的量以及确定氧化物状态图。从图可看出一氧化碳的量以及确定氧化物还原反应的方向与温度、气相成分的关系。还原反应的方向与温度、气相成分的关系。2021/5/2358 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.2气体还原法气体还原法 气体还原法不仅可以制取铁、镍、钴、铜以及气体还原法不仅可以制取铁、镍、钴、铜以及钨等金属粉末，还可以制取一些合金粉末。钨等金属粉末，还可以制取一些合金粉末。 气体还原法制取的粉末比用固体还原法制取气体还原法制取的粉末比用固体还原法制取的要更纯，从而得到了很大的发展。钨粉的生产主的要更纯，从而得到了很大的发展。钨粉的生产主要是用氢还原法。要是用氢还原法。 影响钨粉粒度和纯度的主要因素有：影响钨粉粒度和纯度的主要因素有：原料；原料；氢气流量与进气速度；还原速度、还原时间和料层氢气流量与进气速度；还原速度、还原时间和料层厚度；厚度；以及以及添加剂添加剂等。等。 （1）氢还原法制取铁粉氢还原法制取铁粉 （2）水冶法生产钴粉水冶法生产钴粉 （3）氢还原法制取钨粉氢还原法制取钨粉2021/5/2359 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.3.3金属热还原金属热还原 金属热还原法主要应用于制取稀有金属粉末，金属热还原法主要应用于制取稀有金属粉末，如钛、锆、铀、钍、铌等金属粉末。在金属还原法如钛、锆、铀、钍、铌等金属粉末。在金属还原法中，多采用钠、钙、镁作金属还原剂。中，多采用钠、钙、镁作金属还原剂。2.3.4难熔化合物粉末的制取难熔化合物粉末的制取 制取难熔化合物粉末（碳化物、硼化物、氮化制取难熔化合物粉末（碳化物、硼化物、氮化物和硅化物）的主要方法，与还原法制取金属粉末物和硅化物）的主要方法，与还原法制取金属粉末极为相似。碳、硼和氮能与过渡族金属元素形成间极为相似。碳、硼和氮能与过渡族金属元素形成间隙固溶体或间隙化合物，而硅与这类金属元素只能隙固溶体或间隙化合物，而硅与这类金属元素只能形成非间隙固溶体或非间隙化合物。形成非间隙固溶体或非间隙化合物。 2021/5/2360 难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用难熔化合物具有高熔点、高硬度以及其他有用的性能，因此在现代技术中已被广泛地用来作为硬的性能，因此在现代技术中已被广泛地用来作为硬质合金、耐热材料、电工材料、耐蚀材料以及其他质合金、耐热材料、电工材料、耐蚀材料以及其他材料地基体。材料地基体。2. 4 气相沉积法气相沉积法 在粉末冶金技术中应用气相沉积法有几种方式：金属蒸气冷凝、羰基物热离解、气相还原以及化学气相沉积。 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2021/5/2361 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.4.1金属蒸气冷凝金属蒸气冷凝法法 这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属这种方法主要用于制取具有大蒸气压的金属（如锌、镉等）粉末。由于这些金属的特点是具有（如锌、镉等）粉末。由于这些金属的特点是具有较低的熔点和较低的熔点和较高的挥发性。如果将这些金属蒸气在冷却面上冷凝下来，便可形成很细的球形粉末。2.4.2羰基物热离解法羰基物热离解法 羰基物热离解法羰基物热离解法( (简称羰基法简称羰基法) )就是离解金属羰就是离解金属羰基化合物而制取金属粉末的方法。用这种方法不仅基化合物而制取金属粉末的方法。用这种方法不仅可以生产纯金属粉末，而且如果同时离解几种羰基可以生产纯金属粉末，而且如果同时离解几种羰基物的混合物，则可制得合金粉末；如果在一些颗粒物的混合物，则可制得合金粉末；如果在一些颗粒表面上沉积热离解羰基物，就可以制得包覆粉末。表面上沉积热离解羰基物，就可以制得包覆粉末。图图1-12是常压羰基法制取镍粉的工艺流程。是常压羰基法制取镍粉的工艺流程。2021/5/2362 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-12 常压羰基法制取镍粉的工艺流程示意图常压羰基法制取镍粉的工艺流程示意图2021/5/23632.4.3化学气相沉积法化学气相沉积法 化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD)CVD)是从气态金属卤是从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末和各种涂层，包括碳化物、硼熔化合物粉末和各种涂层，包括碳化物、硼化物、硅化物和氮化物等的方法。在沉积法化物、硅化物和氮化物等的方法。在沉积法过程中过程中也可用等离子弧法，这种方法可用来也可用等离子弧法，这种方法可用来制取微细碳化物。制取微细碳化物。 图图1-13为等离子弧法装置示意图。为等离子弧法装置示意图。2021/5/2364 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 图图1-13 等离子弧法装置示意图等离子弧法装置示意图2021/5/23652.4.4气相还原法气相还原法 气相还原法包括气相氢还原法和气相金气相还原法包括气相氢还原法和气相金属热还原法。气相氢还原是指用氢还原气态属热还原法。气相氢还原是指用氢还原气态金属卤化物，主要是还原金属氯化物。此法金属卤化物，主要是还原金属氯化物。此法可制取钨、钼、铌、铬、钒、镍、钴等金属可制取钨、钼、铌、铬、钒、镍、钴等金属粉末，也可同时还原几种金属氯化物而制得粉末，也可同时还原几种金属氯化物而制得合金粉末，也可以制取包覆粉末。此法所得合金粉末，也可以制取包覆粉末。此法所得粉末一般都是很细或超细的。而用镁气还原粉末一般都是很细或超细的。而用镁气还原四氯化钛、四氯化锆等属于气相金属热还原。四氯化钛、四氯化锆等属于气相金属热还原。2021/5/2366 一、粉末制备技术一、粉末制备技术2.5 液相沉淀法液相沉淀法 用液相沉淀法可以制取复合粉末，一般有两种方案： （1）用基体金属和弥散相金属盐或氢氧化物在某种溶液中同时析出达到均匀分布，然后经过干燥、分解、还原过程以得到基体金属和弥散相的复合粉末。 （2）将弥散相制成最终粒度，然后悬浮在含基体金属的水溶液中作为沉淀结晶核心。待基体金属以某种化合物沉淀后，经过干燥和还原就得到以弥散相为核心，基体金属包覆在弥散相核心外面的包覆粉末。 2021/5/2367 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 2.6 电解法电解法 在一定条件下，粉末可以在电解槽的阴极上在一定条件下，粉末可以在电解槽的阴极上沉积出来。一般说来，电解法生产的粉末成本较沉积出来。一般说来，电解法生产的粉末成本较高，因此在粉末生产中所占的比重是较小的。电高，因此在粉末生产中所占的比重是较小的。电解粉末具有吸引力的原因是它的纯度高。电解法解粉末具有吸引力的原因是它的纯度高。电解法制取粉末主要采用水溶液电解和熔盐电解。制取粉末主要采用水溶液电解和熔盐电解。 水溶液电解可以生产铜、铁、镍、银、锡、水溶液电解可以生产铜、铁、镍、银、锡、铅、铬、锰等金属粉末；在一定条件下也可以使铅、铬、锰等金属粉末；在一定条件下也可以使几种元素同时沉积而制得铁镍、铁铬等合金几种元素同时沉积而制得铁镍、铁铬等合金粉末。图粉末。图1-141-14为电解过程示意图。为电解过程示意图。2021/5/2368图图1-14 电解过程示意图电解过程示意图 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 2021/5/2369 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 熔盐电解法可以制取钛、锆、钽、铌、钍、铀、铍等纯熔盐电解法可以制取钛、锆、钽、铌、钍、铀、铍等纯金属粉末，也可制取如钽铌等合金粉末，以及制取各种难金属粉末，也可制取如钽铌等合金粉末，以及制取各种难熔化合物粉末。影响熔盐电解过程和电流效率的主要因素有：熔化合物粉末。影响熔盐电解过程和电流效率的主要因素有：电解质成分、电解质温度、电流密度和极间距离等。图电解质成分、电解质温度、电流密度和极间距离等。图1-151-15为电解制钽示意图。为电解制钽示意图。 图图1-15 电解制钽示意图电解制钽示意图2021/5/2370 一、粉末制备技术一、粉末制备技术3. 本章本章小结小结 综上所述，制取粉末的方法使多种多样的，并且在工程中应用的所有金属材料几乎都可以加工成为粉末形态。 在选择制取粉末方法时，应该考虑到对粉末所提出的要求和遵循经济的原则。当需要采用廉价的粉末作原料时，经济问题便是先决条件；但是当需要粉末具有严格的性能要求时，则也可选用昂贵的制粉方法。 表1-5 金属和合金粉末的推荐制取方法2021/5/2371 一、粉末制备技术一、粉末制备技术 续续表1-5 2021/5/2372 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 u1.粉末及粉末性能粉末及粉末性能u 1.1粉末体和粉末颗粒粉末体和粉末颗粒u 1.2粉末颗粒结晶构造和表面状态粉末颗粒结晶构造和表面状态u 1.3粉末性能粉末性能u2.金属粉末的取样和分析金属粉末的取样和分析u 2.1取样数目取样数目 u 2.2取样和分样取样和分样 u3.化学检验化学检验u4.颗粒形状颗粒形状u5. 粉末的粒度及其测定粉末的粒度及其测定u 5.1粒度和粒度组成粒度和粒度组成 u 5.2粉末粒度的测定方法粉末粒度的测定方法 2021/5/2373二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定u6. 粉末的比表面及其测定粉末的比表面及其测定u 6.1气体吸附法气体吸附法 u 6.2透过法透过法u7. 金属粉末工艺性能测试金属粉末工艺性能测试u 7.1金属粉末的松装密度和振实密度的测定金属粉末的松装密度和振实密度的测定u 7.2金属粉末其他工艺性能的测试金属粉末其他工艺性能的测试u 7.3金属粉末有效密度的测定金属粉末有效密度的测定2021/5/2374 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定1.粉末及粉末性能粉末及粉末性能1.1粉末体和粉末颗粒粉末体和粉末颗粒（1）粉末体粉末体 固态物质按分散程度不同可分为致密固态物质按分散程度不同可分为致密体、粉末体和胶体三类，大小在体、粉末体和胶体三类，大小在1mm以上以上的称为致密体或常说的固体，的称为致密体或常说的固体，0.1以下的以下的称为胶体，而介与两者之间的称为粉末体。称为胶体，而介与两者之间的称为粉末体。 2021/5/2375 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 粉末体简称粉末，是由大量颗粒及颗粉末体简称粉末，是由大量颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。粉末体内颗粒之间的空隙所构成的集合体。粉末体内颗粒之间有许多小孔隙而且联结面很少，面上粒之间有许多小孔隙而且联结面很少，面上的原子之间不能形成强的健力。因此它不像的原子之间不能形成强的健力。因此它不像致密体那样具有固定形状，而表现出与液体致密体那样具有固定形状，而表现出与液体相似的流动性。但由于相对移动时有摩擦，相似的流动性。但由于相对移动时有摩擦，故粉末的流动性是有限的。故粉末的流动性是有限的。2021/5/2376 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定（2）粉末颗粒粉末颗粒 粉末中能分开并独立存在的最小实体粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒。单颗粒如果以某种形式聚集就称为单颗粒。单颗粒如果以某种形式聚集就构成所谓二次颗粒，其中的原始颗粒就称为构成所谓二次颗粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。一次颗粒。2021/5/2377 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 颗粒的聚集状态和聚集程度不同，粒度颗粒的聚集状态和聚集程度不同，粒度的含义和测试方法也就不同。粉末颗粒的聚的含义和测试方法也就不同。粉末颗粒的聚集状态和程度对粉末的工艺性能影响很大。集状态和程度对粉末的工艺性能影响很大。从粉末的流动性和松装密度看，聚集颗粒相从粉末的流动性和松装密度看，聚集颗粒相当于一个大的单颗粒，流动性和松装密度均当于一个大的单颗粒，流动性和松装密度均比细的单颗粒高，压缩性也较好。而在烧结比细的单颗粒高，压缩性也较好。而在烧结过程中，则一次颗粒的作用比二次颗粒显得过程中，则一次颗粒的作用比二次颗粒显得更重要。更重要。2021/5/2378 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定1.2粉末颗粒结晶构造和表面状态粉末颗粒结晶构造和表面状态 (1)金属及多数非金属颗粒都是结晶体。金属及多数非金属颗粒都是结晶体。 (2)制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起制粉工艺对粉末颗粒的结晶构造起着主要作用。一般说来，粉末颗粒具有多晶着主要作用。一般说来，粉末颗粒具有多晶结构，而晶粒的大小取决于工艺特点和条件，结构，而晶粒的大小取决于工艺特点和条件，对于极细粉末可能出现单晶颗粒。粉末颗粒对于极细粉末可能出现单晶颗粒。粉末颗粒实际构造的复杂性还表现为晶体的严重不完实际构造的复杂性还表现为晶体的严重不完整性，即存在许多结晶缺陷，如空隙、畸变、整性，即存在许多结晶缺陷，如空隙、畸变、夹杂等。因此粉末总是贮存有较高的晶格畸夹杂等。因此粉末总是贮存有较高的晶格畸变能，具有较高的活性。变能，具有较高的活性。 2021/5/2379 (3)粉末颗粒的表面状态十分复杂。一粉末颗粒的表面状态十分复杂。一般粉末颗粒愈细，外表面愈发达；同时粉末般粉末颗粒愈细，外表面愈发达；同时粉末颗粒的缺陷多，内表面也就相当大。粉末发颗粒的缺陷多，内表面也就相当大。粉末发达的表面贮藏着相当高的表面能，因而超细达的表面贮藏着相当高的表面能，因而超细粉末容易自发地聚集成二次颗粒，并且在空粉末容易自发地聚集成二次颗粒，并且在空气中极易氧化和自燃。气中极易氧化和自燃。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2380 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定1.3粉末性能粉末性能 粉末是颗粒与颗粒间的空隙所粉末是颗粒与颗粒间的空隙所组成的集合体。组成的集合体。因此研究粉末体时应分别研究单颗粒、粉末体和粉因此研究粉末体时应分别研究单颗粒、粉末体和粉末体中空隙等的一切性质。末体中空隙等的一切性质。 单颗粒的性质：单颗粒的性质： （1）由粉末材料决定的性质，）由粉末材料决定的性质，如点阵结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、电磁如点阵结构、理论密度、熔点、塑性、弹性、电磁性质、化学成分等；（性质、化学成分等；（2）由粉末生产方法所决定）由粉末生产方法所决定的性质，如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶的性质，如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、颗粒内气体含量、表面吸附的粒结构、点阵缺陷、颗粒内气体含量、表面吸附的气体与氧化物、活性等。气体与氧化物、活性等。 2021/5/2381 粉末体的性质：除单颗粒的性质、以粉末体的性质：除单颗粒的性质、以外，还有平均粒度、粒度组成、比表面、松外，还有平均粒度、粒度组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦装密度、振实密度、流动性、颗粒间的摩擦状态。状态。 粉末的孔隙性质：总孔隙体积、颗粒粉末的孔隙性质：总孔隙体积、颗粒间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔间的孔隙体积、颗粒内孔隙体积、颗粒间孔隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以隙数量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形状。及孔隙的形状。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2382 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 在粉末的实践应用中在粉末的实践应用中通常按通常按化学成分化学成分、物理性能物理性能和和工艺性能工艺性能来进行划分和测定粉末来进行划分和测定粉末的性能。的性能。 化学成分主要是指粉末中化学成分主要是指粉末中金属的含量金属的含量和和杂质含量杂质含量。 物理性能包括颗粒形状与结构、粒度与物理性能包括颗粒形状与结构、粒度与粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度，粒度组成、比表面积、颗粒密度、显微硬度，以及光学、电学、滋学和热学等诸性质。以及光学、电学、滋学和热学等诸性质。2021/5/2383 实际上，粉末的熔点、蒸气压、比热实际上，粉末的熔点、蒸气压、比热容与同成分的致密材料差别很小，一些性质容与同成分的致密材料差别很小，一些性质与粉末冶金关系不大，因此本部分仅介绍颗与粉末冶金关系不大，因此本部分仅介绍颗粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗较密粒形状、粒度及粒度组成、比表面、颗较密度、粉末体密度及其测试的方法。度、粉末体密度及其测试的方法。 工艺性能包括工艺性能包括松装密度、振实密度、松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。流动性、压缩性和成形性。2021/5/2384 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2.金属粉末的取样和分析金属粉末的取样和分析2.1取样数目取样数目 由于粉末在由于粉末在装料、出料、运输装料、出料、运输过程以及过程以及贮存贮存时时受到受到震动震动等都可能造成等都可能造成物料的分布不均匀物料的分布不均匀。因此，。因此，取样要按国家标准规定取样要按国家标准规定(GB531485)进行。如进行。如果粉末是装在容器中的，则按表果粉末是装在容器中的，则按表2-1数目取样。如数目取样。如果整批粉末是通过一个孔口连续流动的，则取样应果整批粉末是通过一个孔口连续流动的，则取样应在全部出料时间内，按一定的在全部出料时间内，按一定的时间间隔时间间隔进行。进行。 取样数目取决于要求的精确度。至少应取取样数目取决于要求的精确度。至少应取三份三份试样，一份在出料开始后不久，一份在出料过程中，试样，一份在出料开始后不久，一份在出料过程中，一份在出料结束前不久。一份在出料结束前不久。2021/5/23852021/5/2386 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2.2取样和分样取样和分样 如果是在连续流动出料时取样，则在垂直于粉流方向上，如果是在连续流动出料时取样，则在垂直于粉流方向上，等速地用粉流截面的矩形取样器贯穿粉末流即可。取出的粉等速地用粉流截面的矩形取样器贯穿粉末流即可。取出的粉末注入总样容器内。取样器如图末注入总样容器内。取样器如图2-1所示。所示。 总样容器内的试样粉末，要分总样容器内的试样粉末，要分 成若干份，以随后进行测试之用。成若干份，以随后进行测试之用。 可用分样器进行分样。以达到测定可用分样器进行分样。以达到测定 粉末性能所要求的粉重。粉末性能所要求的粉重。 图图2-1 插入式取样器插入式取样器2021/5/2387 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定3.化学检验化学检验 金属粉末的化学分析与常规的分析方法相同，金属粉末的化学分析与常规的分析方法相同，首先测定主要成分的含量，然后测定其它成分包括杂首先测定主要成分的含量，然后测定其它成分包括杂质的含量。质的含量。 粉末的化学成分包括主要粉末的化学成分包括主要金属的含量金属的含量和和杂质的杂质的含量含量。 杂质主要包括：杂质主要包括： (1)与主要金属结合，形成因溶体或化台物的金与主要金属结合，形成因溶体或化台物的金属或非金属成分、如还原铁粉中的属或非金属成分、如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、硅、锰、碳、硫、磷、氧磷、氧等；等； (2)从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂，从原料和从粉末生产过程中带入的机械夹杂，如二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、难熔金属碳化物等酸如二氧化硅、氧化铝、硅酸盐、难熔金属碳化物等酸不溶物；不溶物； 2021/5/2388 (3)粉末表面吸附的氧、水蒸气和其它气体粉末表面吸附的氧、水蒸气和其它气体(氮、氮、二氧化碳二氧化碳)； (4)制粉工艺带进的杂质，如水溶液电解粉末制粉工艺带进的杂质，如水溶液电解粉末中的氢，气体还原粉末中溶解的碳、氮和氢，羰基中的氢，气体还原粉末中溶解的碳、氮和氢，羰基粉末中溶解的碳等。粉末中溶解的碳等。 金属粉末的氧含量，除采用库仑分析法测定全金属粉末的氧含量，除采用库仑分析法测定全氧以外还可根据氧以外还可根据GB416484和和GB51E885的标准分别测定金属粉末中可被氢还原的氧含的标准分别测定金属粉末中可被氢还原的氧含量。量。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2389 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 菲水滴定法菲水滴定法是将含有金属氧化物的金属粉末试是将含有金属氧化物的金属粉末试祥置于纯净、干燥的氢气流中加热，金属氧化物祥置于纯净、干燥的氢气流中加热，金属氧化物与氢反应生成水，然后用试剂滴定出水的含量，与氢反应生成水，然后用试剂滴定出水的含量，从而确定氧的含量。从而确定氧的含量。 氢损测定氢损测定是把金属粉末的试祥在纯氢气流中是把金属粉末的试祥在纯氢气流中燃烧足够长的时间燃烧足够长的时间(如铁粉为如铁粉为1000-l050，1h，铜粉为，铜粉为875，0.5h)，粉末中的氧被还原生，粉末中的氧被还原生成水蒸气，某些元素成水蒸气，某些元素(碳、硫碳、硫)与氢生成挥发性化与氢生成挥发性化合物，与挥发性金属合物，与挥发性金属(锌、镉、铅锌、镉、铅)一同排出，测一同排出，测得试样粉末的质量损失称为氢损。得试样粉末的质量损失称为氢损。2021/5/2390氢损按下式计算：氢损按下式计算：式中式中A为粉末试样加烧舟的质量为粉末试样加烧舟的质量 B为氢中煅烧后残留物加烧舟的质量为氢中煅烧后残留物加烧舟的质量 C为烧舟的质量为烧舟的质量 氢损法被认为是对金属粉末中可被氢还原的氧氢损法被认为是对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的估计，若粉末中有在分析条件下不化物的氧含量的估计，若粉末中有在分析条件下不被氢所还原的氧化物（如二氧化硅，氧化钙等），被氢所还原的氧化物（如二氧化硅，氧化钙等），则测定的氧值将低于实际氧含量。则测定的氧值将低于实际氧含量。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2391 金属粉末的杂质测定方法还可采用金属粉末的杂质测定方法还可采用酸酸不溶物不溶物法。粉末试样用某种无机酸法。粉末试样用某种无机酸(铜用硝铜用硝酸，铁用盐酸酸，铁用盐酸)溶解。将不溶物沉淀并过滤，溶解。将不溶物沉淀并过滤，在在980下煅烧下煅烧lh后称重，再按下式计算酸后称重，再按下式计算酸不溶物含量，例如测定铁粉时：不溶物含量，例如测定铁粉时：式中A为盐酸不溶物的质量 B为粉末试样的质量 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2392 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定4.颗粒形状颗粒形状 颗粒的形状是指粉末颗粒的颗粒的形状是指粉末颗粒的几何形状几何形状。任何不。任何不同颗粒的几何形状不可能完全相同，因此可以笼统同颗粒的几何形状不可能完全相同，因此可以笼统地划分为地划分为规则形状规则形状和和不规则形状不规则形状两大类。两大类。 规则形状的颗粒外形可近似地用某种几何形状规则形状的颗粒外形可近似地用某种几何形状地名称描述，它们与粉末生产方法密切相关。地名称描述，它们与粉末生产方法密切相关。2021/5/2393 表表2-2描述了颗粒形状和生产方法之间的关描述了颗粒形状和生产方法之间的关系。粉末颗粒外形如图系。粉末颗粒外形如图2-2所示。所示。 表表2-2 颗粒形状与粉末生产方法的关系颗粒形状与粉末生产方法的关系 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2394 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 图图2-2 粉末颗粒形状粉末颗粒形状 一般说来，准确描述粉末颗粒的形状是很困难的。在测一般说来，准确描述粉末颗粒的形状是很困难的。在测定和表示粉末粒度时，常常采用定和表示粉末粒度时，常常采用表形状因子表形状因子、体积形状因子体积形状因子和和比形状因子比形状因子。2021/5/2395 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 对于任意形状的颗粒，其表面积和体积可以认为与某一对于任意形状的颗粒，其表面积和体积可以认为与某一相当直径的平方和立方成正比，而相当直径的平方和立方成正比，而比例系数则与选择的直径比例系数则与选择的直径有关有关。形状愈复杂，则比形状因子就愈大（表。形状愈复杂，则比形状因子就愈大（表2-3）。颗粒）。颗粒的形状对粉末的流动性、松装密度以及压制和烧结均有影响。的形状对粉末的流动性、松装密度以及压制和烧结均有影响。 表表2-3 某些金属粉末的形状因子某些金属粉末的形状因子2021/5/2396 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5. 粉末的粒度及其测定粉末的粒度及其测定 粉末的粒度和粒度组成对金属粉末的加粉末的粒度和粒度组成对金属粉末的加工性能有重大影响，在很大程度上，它们决工性能有重大影响，在很大程度上，它们决定着最终粉末冶金材料和制品的性能。粉末定着最终粉末冶金材料和制品的性能。粉末的粒度和粒度的组成主要与粉末的制取方法的粒度和粒度的组成主要与粉末的制取方法和工艺有关。机械粉碎粉末一般较粗，气相和工艺有关。机械粉碎粉末一般较粗，气相沉积粉末极细，而还原粉末和电解粉末则可沉积粉末极细，而还原粉末和电解粉末则可以通过还原温度或电流密度，在较宽的范围以通过还原温度或电流密度，在较宽的范围的范围内变化。的范围内变化。2021/5/23975.1粒度和粒度组成粒度和粒度组成 用直径表示颗粒大小称为粒度粒径。用直径表示颗粒大小称为粒度粒径。由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径，由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径，于是又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分于是又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表示粉末颗粒大小的状况，称为粒度含量来表示粉末颗粒大小的状况，称为粒度组成，又称粒度分布。因此，粒度仅指单颗组成，又称粒度分布。因此，粒度仅指单颗粒而言，粒度组成则指整个粉末体。但通常粒而言，粒度组成则指整个粉末体。但通常所说的粒度包含有粉末平均粒度的意思，也所说的粒度包含有粉末平均粒度的意思，也就是粉末的某种统计学平均粒径。就是粉末的某种统计学平均粒径。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/2398 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.1.1粒径基准粒径基准 多数粉末颗粒由于形状不对称，仅用一维几何多数粉末颗粒由于形状不对称，仅用一维几何尺寸不能精确地表示颗粒地真实大小，可用长、宽、尺寸不能精确地表示颗粒地真实大小，可用长、宽、高三维尺寸的某种平均值来度量，这称为几何学粒高三维尺寸的某种平均值来度量，这称为几何学粒度径。由于度量颗粒的几何尺寸非常麻烦，计算几度径。由于度量颗粒的几何尺寸非常麻烦，计算几何学平均粒径比较繁琐，因此又有通过测定粉末的何学平均粒径比较繁琐，因此又有通过测定粉末的沉降速度、比表面、光波衍射和散射等性质，而用沉降速度、比表面、光波衍射和散射等性质，而用当量或名义直径表示粒度的方法。可以采用四种粒当量或名义直径表示粒度的方法。可以采用四种粒径作为基准。径作为基准。 2021/5/2399 （1）几何学粒径几何学粒径dg：用显微镜投影几：用显微镜投影几何学原理测得的粒径称为投影径。一般要根何学原理测得的粒径称为投影径。一般要根据与颗粒最稳定平面垂直方法投影所测得的据与颗粒最稳定平面垂直方法投影所测得的投影像来测量，然后取各种几何学平均径；投影像来测量，然后取各种几何学平均径；还可根据与颗粒最大投影面积还可根据与颗粒最大投影面积f与颗粒体积与颗粒体积v相同的矩形、正方形或圆、球的边长或直径相同的矩形、正方形或圆、球的边长或直径来确定颗粒的平均粒径，称名义粒径。来确定颗粒的平均粒径，称名义粒径。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23100 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （2）当量粒径当量粒径de：用沉降法、离心法或：用沉降法、离心法或水力学方法（风筛法，水筛法）测得的粉末水力学方法（风筛法，水筛法）测得的粉末粒度称为当量粒径。当量粒径中有一种斯托粒度称为当量粒径。当量粒径中有一种斯托克斯径，其物理意义是与被测粉末具有相同克斯径，其物理意义是与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯托克斯定律的同质球形粒沉降速度且服从斯托克斯定律的同质球形粒子的直径。由于粉末的实际沉降速度还受颗子的直径。由于粉末的实际沉降速度还受颗粒形状和表面状态的影响，故形状复杂、表粒形状和表面状态的影响，故形状复杂、表面粗糙的粉末，斯托克斯径总比按体积计算面粗糙的粉末，斯托克斯径总比按体积计算的几何学名义径小。的几何学名义径小。2021/5/23101 （3）比表面粒径比表面粒径dsp ：利用吸附法、透过法和：利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径表示，称为比表面粒表面值的均匀球形颗粒的直径表示，称为比表面粒径。因此，由比表面相同、大小相等的均匀小球直径。因此，由比表面相同、大小相等的均匀小球直径可以求得粉末的比表面粒径。径可以求得粉末的比表面粒径。 （4）衍射粒径衍射粒径dsc：对于粒度接近电磁波波长：对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光和电磁波（如的粉末，基于光和电磁波（如X线等）的衍射现象线等）的衍射现象所测得的粒径称为衍射粒径。所测得的粒径称为衍射粒径。X线小角度衍射法测线小角度衍射法测定极细粉末的粒度就属于这一类。定极细粉末的粒度就属于这一类。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23102 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.1.2粒度分布基准粒度分布基准 粉末粒度组成为各种粒径的颗粒在全体粉末总粉末粒度组成为各种粒径的颗粒在全体粉末总数量中所占的百分数，可用某种统计分布曲线或统数量中所占的百分数，可用某种统计分布曲线或统计分布函数来描述。粒度的统计分布可以选择四种计分布函数来描述。粒度的统计分布可以选择四种不同的基准。不同的基准。 （1）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒数占全部颗粒总数中的个数表示，又称为频度分布。数占全部颗粒总数中的个数表示，又称为频度分布。 （2）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和的多少表示。总长度占全部颗粒的长度总和的多少表示。2021/5/23103 （3）面积基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒）面积基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的总表面积和中的多少表示。总表面积占全部颗粒的总表面积和中的多少表示。 （4）质量基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒）质量基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。 四种基准之间虽存在一定的换算关系，但实际四种基准之间虽存在一定的换算关系，但实际应用的是频率分布和质量分布。应用的是频率分布和质量分布。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23104 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.1.3粒度分布函数粒度分布函数 粒度分布曲线若用数学式表达出粒度分布曲线若用数学式表达出来，就称为分布函数。黑赤乔特由来，就称为分布函数。黑赤乔特由正态几率分布函数导出计算粉末中具正态几率分布函数导出计算粉末中具有粒径有粒径d的颗粒频度的颗粒频度n的公式：的公式： 2021/5/23105 按正态分布函数作出频度分布曲线是以算术平按正态分布函数作出频度分布曲线是以算术平均值为均值的，这时算术平均值与多数径和累积分均值为均值的，这时算术平均值与多数径和累积分布曲线中的中位径是一致的，是一种最理想的分布布曲线中的中位径是一致的，是一种最理想的分布曲线。而用各种粉末实测的粒度分布曲线常比正态曲线。而用各种粉末实测的粒度分布曲线常比正态分布曲线复杂得多（图分布曲线复杂得多（图2-3）。）。 图图2-3 粒度分布曲线的几种类型粒度分布曲线的几种类型 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23106 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.1.4平均粒度平均粒度 粉末粒度组成的表示比较麻烦，应用也不大方便，许多情粉末粒度组成的表示比较麻烦，应用也不大方便，许多情况下只需要知道粉末的平均粒度即可。计算平均粒度的公式如况下只需要知道粉末的平均粒度即可。计算平均粒度的公式如表表2-4所示。公式中的粒径可以按前述四种基准中的任一种统所示。公式中的粒径可以按前述四种基准中的任一种统计。计。 表表2-4 粉末统计平均粒径的计算公式粉末统计平均粒径的计算公式2021/5/23107 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.2粉末粒度的测定方法粉末粒度的测定方法 粉末粒度的测定是粉末冶金生产中检验粉末质量，以及调粉末粒度的测定是粉末冶金生产中检验粉末质量，以及调节和控制工艺过程的重要依据。测定粉末粒度的方法很多。节和控制工艺过程的重要依据。测定粉末粒度的方法很多。表表2-5为常用的一些测量粒度的方法及其应用的范围。为常用的一些测量粒度的方法及其应用的范围。 表表2-5 常用的一些测量粒度的方法常用的一些测量粒度的方法 2021/5/23108 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.2.1筛分析法筛分析法 筛分析法是粒度分布测量方法中最简单最快速的方法，应筛分析法是粒度分布测量方法中最简单最快速的方法，应用很广。筛分析所用的设备主要有震筛机和试验筛。用很广。筛分析所用的设备主要有震筛机和试验筛。 网筛标准则因各国制定的标准不同，网丝直径和筛孔大小网筛标准则因各国制定的标准不同，网丝直径和筛孔大小也不一样。目前，国际标准采用泰勒筛制（表也不一样。目前，国际标准采用泰勒筛制（表2-62-6）。）。 表表2-6 2-6 泰勒标准筛制泰勒标准筛制 2021/5/23109 习惯上以网目数（简称目）表示筛网的习惯上以网目数（简称目）表示筛网的孔径和粉末的粒度。所谓目数是指筛网孔径和粉末的粒度。所谓目数是指筛网1 1英英寸（寸（25.4mm25.4mm）长度上的网孔数。目数愈大，）长度上的网孔数。目数愈大，网孔愈细。网孔愈细。 由于网孔是网面上丝间的开孔，每一英由于网孔是网面上丝间的开孔，每一英寸上的网孔数与丝的根数应相等，所以网孔寸上的网孔数与丝的根数应相等，所以网孔的实际尺寸还与丝的直径有关。的实际尺寸还与丝的直径有关。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23110 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.2.2显微镜法显微镜法 光学显微镜的分辨能力，在理想情况下可达到光学显微镜的分辨能力，在理想情况下可达到0.2m，它和光源的波长，透镜的数值孔径有关。，它和光源的波长，透镜的数值孔径有关。但在实际应用中，光学显微镜的粒度测量范围是但在实际应用中，光学显微镜的粒度测量范围是0.8150m，再小的粉末粒度唯有电子显微镜等再小的粉末粒度唯有电子显微镜等方法才能观察和测定。方法才能观察和测定。 同时，由于反射光工作的光学显微镜仅能测量同时，由于反射光工作的光学显微镜仅能测量粒度大于粒度大于5m颗粒物质，因此粒度分析一般采用透颗粒物质，因此粒度分析一般采用透射光工作的显微镜。射光工作的显微镜。 2021/5/23111二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 为了计算颗粒的大小，在显微镜目镜上配有显为了计算颗粒的大小，在显微镜目镜上配有显微刻度尺。常用于分析的显微刻度尺有三种：微刻度尺。常用于分析的显微刻度尺有三种：（1）带十字线的直线刻度尺，测量时刻度尺的分）带十字线的直线刻度尺，测量时刻度尺的分值大小须视放大系统而定；（值大小须视放大系统而定；（2）网格显微刻度尺；）网格显微刻度尺；（3）花样显微刻度尺。三种刻度尺使用时事先都）花样显微刻度尺。三种刻度尺使用时事先都应校准。应校准。2021/5/23112二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 由于采用显微镜法进行粒度分析时所用由于采用显微镜法进行粒度分析时所用样品量少，而且每次观测时又只对样品的一样品量少，而且每次观测时又只对样品的一部分区域进行测量计数，因此所取样品需要部分区域进行测量计数，因此所取样品需要有充分的代表性。有充分的代表性。 一般，取样按四分法进行：将一般，取样按四分法进行：将0.5克左克左右的粉末颗粒放在玻璃板上充分混合，分割右的粉末颗粒放在玻璃板上充分混合，分割成四份，取其中的两份混合再分割为四份，成四份，取其中的两份混合再分割为四份，再取两份依次做下去，直到剩余颗粒的质量再取两份依次做下去，直到剩余颗粒的质量约为约为0.01克为止，取样完成。克为止，取样完成。2021/5/23113 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 用透射显微镜测定时，一般采用玻璃片制样，用透射显微镜测定时，一般采用玻璃片制样，将取好的样置于干净的玻璃片上，滴几滴分散介质将取好的样置于干净的玻璃片上，滴几滴分散介质以便将样品分散开来观察测量。此时，分散介质的以便将样品分散开来观察测量。此时，分散介质的选择是重要的，对分散介质的要求：选择是重要的，对分散介质的要求：（1）分散介质与所测粉末颗粒不起化学反应；）分散介质与所测粉末颗粒不起化学反应；（2）分散介质挥发的蒸气对显微镜镜头没有腐蚀作）分散介质挥发的蒸气对显微镜镜头没有腐蚀作 用；用；（3）分散介质应是无色透明并能较好地湿润所测颗）分散介质应是无色透明并能较好地湿润所测颗 粒；粒；（4）分散介质对人体健康没有危害。）分散介质对人体健康没有危害。 2021/5/23114二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 显微镜法测量的是颗粒的表观粒度，显微镜法测量的是颗粒的表观粒度，即颗粒的投影尺寸。对称性好的球形颗粒即颗粒的投影尺寸。对称性好的球形颗粒（如雾化粉）或立方体颗粒可直接按直径或（如雾化粉）或立方体颗粒可直接按直径或长度计算。但对于非球形的不规则颗粒，不长度计算。但对于非球形的不规则颗粒，不能用直接计算的方法，颗粒的尺寸必须考虑能用直接计算的方法，颗粒的尺寸必须考虑到颗粒形状而有不同的表示方法。到颗粒形状而有不同的表示方法。 实际上，粒度测量应用垂直投影法比实际上，粒度测量应用垂直投影法比较简单，还有比垂直投影法更简单的是线切较简单，还有比垂直投影法更简单的是线切割法。割法。 显微镜法最大的显微镜法最大的缺点缺点是是操作繁琐操作繁琐且费且费力。力。2021/5/23115 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.2.3沉降分析法沉降分析法 沉降的方法一般分为液体沉降和气体沉降两大沉降的方法一般分为液体沉降和气体沉降两大类。类。 沉降法的优点是粉末取样较多，代表性好，使沉降法的优点是粉末取样较多，代表性好，使结果的统计性和再现性提高，能适应较宽的粒度范结果的统计性和再现性提高，能适应较宽的粒度范（0.0150m）。）。 沉降分析法测定粉末颗粒大小的原理在于测定沉降分析法测定粉末颗粒大小的原理在于测定粉末颗粒在某一分散介质中的沉降速度。颗粒在介粉末颗粒在某一分散介质中的沉降速度。颗粒在介质中等速降落时同时受三种力的作用：颗粒重力、质中等速降落时同时受三种力的作用：颗粒重力、介质（一般只用液体）的浮力和悬浊液介质对球形介质（一般只用液体）的浮力和悬浊液介质对球形颗粒运动的阻力。颗粒运动的阻力。2021/5/23116 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （1 1）沉降天平法）沉降天平法 沉降天平的形式很多，图沉降天平的形式很多，图2-42-4为其工作为其工作原理示意图。原理示意图。 （2 2）光透过法）光透过法 光透过法属于增量分析法，特点是沉降光透过法属于增量分析法，特点是沉降槽容积小，悬浊液浓度稀薄且用量少。光透槽容积小，悬浊液浓度稀薄且用量少。光透过式粒度测定仪常见的有：比浊仪、过式粒度测定仪常见的有：比浊仪、X X光比光比浊仪以及光扫描比浊仪。图浊仪以及光扫描比浊仪。图2-52-5为比浊仪测为比浊仪测量粒度的原理图。量粒度的原理图。 课本148页2021/5/23117图图2-4 沉降天平法工作原理示意图沉降天平法工作原理示意图 工作原理：天平一端的金属盘吊在玻璃沉降管工作原理：天平一端的金属盘吊在玻璃沉降管中，粉末悬浮液有一定的深度中，粉末悬浮液有一定的深度H，粉末从不同的高，粉末从不同的高度以不同的速度逐渐降落在盘上，通过自动机构使度以不同的速度逐渐降落在盘上，通过自动机构使天平杠杆随时恢复平衡，测量并记录沉降盘上粉末天平杠杆随时恢复平衡，测量并记录沉降盘上粉末的累积质量随时间的变化，就可以计算粉末的粒度的累积质量随时间的变化，就可以计算粉末的粒度组成。组成。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23118图图2-5 比浊仪测量粒度的原理图比浊仪测量粒度的原理图 随着颗粒的重力沉降，悬浮液浓度逐渐变淡薄，随着颗粒的重力沉降，悬浮液浓度逐渐变淡薄，通过光的强度随之增强，光强度由检流计示出或用通过光的强度随之增强，光强度由检流计示出或用记录器记录，从而通过公式可以计算得出不同粒级记录器记录，从而通过公式可以计算得出不同粒级颗粒的粒度组成。颗粒的粒度组成。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23119 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （3）X光透过法光透过法 对于对于0.11的细颗粒，可采用的细颗粒，可采用X光作为入光作为入射光源，这样既避免了细颗粒组分的散射效应，又射光源，这样既避免了细颗粒组分的散射效应，又可直接测得悬浊液的颗粒浓度。可直接测得悬浊液的颗粒浓度。 （4）光扫描比浊法）光扫描比浊法 该法的原理为：在固定沉降时间该法的原理为：在固定沉降时间t内，如果测内，如果测定沉降槽中不同高度的悬浊液浓度差，便可求出悬定沉降槽中不同高度的悬浊液浓度差，便可求出悬浊液中颗粒的粒度组成（如图浊液中颗粒的粒度组成（如图2-6所示）。所示）。2021/5/23120图图2-6 光透过不同高度的悬浊液光透过不同高度的悬浊液 图图26中，设悬浮液静置中，设悬浮液静置T时间后，用一与液时间后，用一与液面相平行的极细光束很快地从上到下扫过沉降槽，面相平行的极细光束很快地从上到下扫过沉降槽，同时记录相应于各种高度时的透光强度，从而计算同时记录相应于各种高度时的透光强度，从而计算得出各粒度等级分布。得出各粒度等级分布。 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23121 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定5.2.4淘析法淘析法 颗粒在流动介质（气体或液体）中发生非自然颗粒在流动介质（气体或液体）中发生非自然沉降而分级称为重力淘析或简称淘析法。气体淘析沉降而分级称为重力淘析或简称淘析法。气体淘析就是风选；液体淘析也称为水力分级。淘析法用于就是风选；液体淘析也称为水力分级。淘析法用于极细和超细粉末的分级，具有设备简单、操作方便极细和超细粉末的分级，具有设备简单、操作方便和效率高的特点。其中液体淘析又可分为：和效率高的特点。其中液体淘析又可分为： （1）水平液流式）水平液流式 粉末悬浮液以一定速度沿水平方向流动，颗粒粉末悬浮液以一定速度沿水平方向流动，颗粒同时发生重力沉降，粒度不同的粉末最后的落点有同时发生重力沉降，粒度不同的粉末最后的落点有远近之分，从而达到分级效果。远近之分，从而达到分级效果。 见课本1512021/5/23122 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定（2）上升液流式）上升液流式 在一竖直圆柱容器内，当悬浮液以临界粒径的在一竖直圆柱容器内，当悬浮液以临界粒径的沉降速度连续向上流动时，液内具有大于临界粒径沉降速度连续向上流动时，液内具有大于临界粒径的颗粒将降落在底部，而小于临界粒径的颗粒从上的颗粒将降落在底部，而小于临界粒径的颗粒从上方溢流中排出，从而达到分级的目的。方溢流中排出，从而达到分级的目的。（3）离心淘析式）离心淘析式 悬浮液以一定的切线速度绕一中心轴旋转流悬浮液以一定的切线速度绕一中心轴旋转流动，由此产生的离心力将强化粉末的重力沉降过程，动，由此产生的离心力将强化粉末的重力沉降过程，从而加快细粉末的分级速度，这样以临界粒径为界，从而加快细粉末的分级速度，这样以临界粒径为界，把粉末分成粗细两部分。把粉末分成粗细两部分。 图图2-7为水平液流分级器。为水平液流分级器。 见课本1512021/5/23123图图2-7 水平分级器原理水平分级器原理 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定2021/5/23124 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定6. 粉末的比表面及其测定粉末的比表面及其测定 粉末比表面定义为粉末比表面定义为1g质量的粉末所具质量的粉末所具有的总表面积，是粉末的平均粒度、颗粒形有的总表面积，是粉末的平均粒度、颗粒形状和颗粒密度的函数。测定粉末比表面通常状和颗粒密度的函数。测定粉末比表面通常采用尺寸效应法、吸附法和透过法。采用尺寸效应法、吸附法和透过法。 比表面属于粉末体的一种综合性质，是比表面属于粉末体的一种综合性质，是由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。 2021/5/23125二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 尺寸效应法是根据粉末粒度组成和形尺寸效应法是根据粉末粒度组成和形状因子计算表面积的一种方法。如以状因子计算表面积的一种方法。如以f为表为表面形状因子，面形状因子，K为体积形状因子，为体积形状因子，为颗粒为颗粒有效密度，则计算比表面公式为：有效密度，则计算比表面公式为： 公式中公式中d为体面积平均径，因此，按上为体面积平均径，因此，按上式由均匀球形颗粒比表面计算的统计粒径就式由均匀球形颗粒比表面计算的统计粒径就是体面积平均径。是体面积平均径。2021/5/23126 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定6.1气体吸附法气体吸附法 利用气体在固体表面的物理吸附量来测定物质利用气体在固体表面的物理吸附量来测定物质比表面的原理是：测量吸附在固体表面上气体单分比表面的原理是：测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算1g物质的总表面积，即得克比表面积。物质的总表面积，即得克比表面积。 描述吸附量与气体压力关系的有所谓描述吸附量与气体压力关系的有所谓“等温等温吸附线吸附线”（图（图2-8）。）。 2021/5/23127二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 图图2-8 等温吸附线的几种类型等温吸附线的几种类型 图中横坐标图中横坐标P0为吸附气体的饱和蒸气压力。为吸附气体的饱和蒸气压力。 气体吸附法测定比表面的灵敏度和精确度最高。气体吸附法测定比表面的灵敏度和精确度最高。它分为静态法和动态法两大类，前者又包括容量法、它分为静态法和动态法两大类，前者又包括容量法、重量法和热解吸色谱法等。重量法和热解吸色谱法等。2021/5/23128二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定u 容量法：容量法： 根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸附量，实际上就是测定在已知容积内气体压力的变附量，实际上就是测定在已知容积内气体压力的变化来测得比表面。化来测得比表面。u 重量法：重量法： 用吸附秤直接精确称量粉末试样在吸附前后的质用吸附秤直接精确称量粉末试样在吸附前后的质量变化来确定比表面的方法。量变化来确定比表面的方法。u 热解吸色谱法：热解吸色谱法： 流动的吸附气载气混合气连续地通过固体或粉流动的吸附气载气混合气连续地通过固体或粉末试样，借助变化吸附气流速，以改变混合气的组末试样，借助变化吸附气流速，以改变混合气的组成，得到不同的相对压强，根据压强变化来确定样成，得到不同的相对压强，根据压强变化来确定样品的气体吸附量。品的气体吸附量。2021/5/23129 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定6.2透过法透过法 气体透过法是通过测定气体透过粉末气体透过法是通过测定气体透过粉末层的透过率来计算粉末比表面或平均粒径的层的透过率来计算粉末比表面或平均粒径的方法。透过法测定的粒度是一种当量粒径，方法。透过法测定的粒度是一种当量粒径，即比表面平均径。即比表面平均径。 透过法根据所用的介质的不同，分为透过法根据所用的介质的不同，分为气体透过法和液体透过法。后者只适用于粗气体透过法和液体透过法。后者只适用于粗粉末或孔隙较大的多孔性固体（如金属过滤粉末或孔隙较大的多孔性固体（如金属过滤器），在粉末测试中用得很少。器），在粉末测试中用得很少。 2021/5/23130 液体透过粉末床的透过率或所受的阻液体透过粉末床的透过率或所受的阻力与粉末的粗细或比表面的大小有关。当粉力与粉末的粗细或比表面的大小有关。当粉末床的孔隙度不变时，液体通过粗粉末比通末床的孔隙度不变时，液体通过粗粉末比通过细粉末的流量大。根据柯青过细粉末的流量大。根据柯青-卡门推导，卡门推导，可得出粉末的比表面可得出粉末的比表面S0的基本公式：的基本公式： 如果将比表面平均径的计算式如果将比表面平均径的计算式 代入上式并以微米表示，则平均粒度的计算代入上式并以微米表示，则平均粒度的计算公式为：公式为：2021/5/23131 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定6.2.1空气透过法空气透过法 常压空气透过法分为稳流式和变流式常压空气透过法分为稳流式和变流式两种基本形式。稳流式是在空气流速和压力两种基本形式。稳流式是在空气流速和压力不变的情况下来测定粉末的比表面和平均粒不变的情况下来测定粉末的比表面和平均粒度的，如费歇尔微粉粒度分析仪。变流式则度的，如费歇尔微粉粒度分析仪。变流式则在空气流速和压力随时间而变化的条件下，在空气流速和压力随时间而变化的条件下，测定粉末的比表面或平均粒度，如布莱因粒测定粉末的比表面或平均粒度，如布莱因粒度仪。度仪。 2021/5/23132二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定（1）费歇尔微粉粒度分析仪费歇尔微粉粒度分析仪 简称费歇尔筛，已被许多国家列为国家测定标简称费歇尔筛，已被许多国家列为国家测定标准。费氏空气透过仪如图准。费氏空气透过仪如图2-9所示。所示。 图图2-9 费歇尔仪示意图费歇尔仪示意图2021/5/23133 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （2）布莱因法布莱因法 与费歇尔法不同，布莱因法的测定原理是在变流条件下与费歇尔法不同，布莱因法的测定原理是在变流条件下测定空气透过粉末床时，平均压力或流量达到某规定值时所测定空气透过粉末床时，平均压力或流量达到某规定值时所需的时间来确定的。图需的时间来确定的。图2-10为微粉为微粉 测试仪的示意图。测试仪的示意图。 变流透过法计算比表面的近似公变流透过法计算比表面的近似公 式是凯斯提出的：式是凯斯提出的： 图图2-10 变流式变流式U形管透过仪形管透过仪2021/5/23134 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定6.2.2低压气体扩散法低压气体扩散法 用气体扩散装置来测定比表面，就可适用于粒度小至用气体扩散装置来测定比表面，就可适用于粒度小至0.01的粉末。气体扩散法分为静态和动态两类。前者与的粉末。气体扩散法分为静态和动态两类。前者与常压透过法相同，测得的是外比表面，而用动态法测定的才常压透过法相同，测得的是外比表面，而用动态法测定的才接近于全比表面。接近于全比表面。 （1）静态扩散装置静态扩散装置 图图2-11为克努曾流动仪，它利用公式：为克努曾流动仪，它利用公式： 公式中公式中A为试样管断面积，为试样管断面积，L 为试样管内粉末层厚度，为试样管内粉末层厚度，q气体流气体流速，速，P气体压力最高值，气体压力最高值，M气体克分子量。在实验中，只要测气体克分子量。在实验中，只要测出出P和和q就可计算出比表面就可计算出比表面Sw。 （2）动态扩散装置动态扩散装置 当粉末颗粒内存在大量潜孔和微细裂隙时，可利用分子当粉末颗粒内存在大量潜孔和微细裂隙时，可利用分子2021/5/23135 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 流原理，设计动态扩散装置（如图流原理，设计动态扩散装置（如图2-12所示）。此时，测定所示）。此时，测定全比表面的计算公式为：全比表面的计算公式为：公式中公式中L粉末床厚度，粉末床厚度，M气体的相对分气体的相对分子质量，子质量，R为常数，为常数，T实验温度。实验温度。 图图2-11 克努曾流动仪克努曾流动仪 图图2-12 动态扩散实验装置动态扩散实验装置2021/5/23136 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7. 金属粉末工艺性能测试金属粉末工艺性能测试 金属粉末的工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、金属粉末的工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、压缩性和成形性。工艺性能主要取决于粉末的生产方法和粉压缩性和成形性。工艺性能主要取决于粉末的生产方法和粉末的处理工艺（球磨、退火、加润滑剂、制粒等）末的处理工艺（球磨、退火、加润滑剂、制粒等）7.1金属粉末的松装密度和振实密度的测定金属粉末的松装密度和振实密度的测定7.1.1松装密度松装密度 松装密度是粉末试样自然地充满规定的容器时，单位容松装密度是粉末试样自然地充满规定的容器时，单位容积的粉末质量。松装密度可用漏斗法、斯柯特容量计法或震积的粉末质量。松装密度可用漏斗法、斯柯特容量计法或震动漏斗法来测定。动漏斗法来测定。 漏斗法是用图漏斗法是用图2-13所示的标准漏斗来测定金属粉末松装所示的标准漏斗来测定金属粉末松装密度的。本法仅适用于能自由流过孔径为密度的。本法仅适用于能自由流过孔径为2.5mm或或5mm标标准漏斗的粉末。准漏斗的粉末。 见131页2021/5/23137 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 斯柯特容量计法（如图斯柯特容量计法（如图2-14所示）适用于不能自由流过所示）适用于不能自由流过漏斗法中孔径为漏斗法中孔径为5mm的漏斗和用振动漏斗法易改变特性的金的漏斗和用振动漏斗法易改变特性的金属粉末，特别适用于难熔金属属粉末，特别适用于难熔金属 及化合物粉末。及化合物粉末。 图图2-13 漏斗法测量松装密度装置漏斗法测量松装密度装置 图图2-14 斯柯特容量计法测定松装密度装置斯柯特容量计法测定松装密度装置2021/5/23138 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 震动漏斗法适用于不能自由流过漏斗法中孔径震动漏斗法适用于不能自由流过漏斗法中孔径为为5mm漏斗的金属粉末。但不适用于在震动过程漏斗的金属粉末。但不适用于在震动过程中易于破碎的金属粉末，如团聚颗粒，纤维状或针中易于破碎的金属粉末，如团聚颗粒，纤维状或针状的粉末。震动漏斗装置如图状的粉末。震动漏斗装置如图2-15所示。所示。 图图2-15 震动漏斗装置示意图震动漏斗装置示意图2021/5/23139 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7.1.2振实密度振实密度 金属粉末的振实密度是指将粉末装入振动容器中，在规金属粉末的振实密度是指将粉末装入振动容器中，在规定条件下经过振实后测得的粉末密度。一般振实密度比松装定条件下经过振实后测得的粉末密度。一般振实密度比松装密度高密度高2030。 振实密度的测定通常是在振实装置上进行的。振实装置振实密度的测定通常是在振实装置上进行的。振实装置上的量筒有几种，因此所用量筒和粉末量应根据粉末的松装上的量筒有几种，因此所用量筒和粉末量应根据粉末的松装密度来选择（密度来选择（表表2-7）。）。 表表2-7 2-7 粉末松装密度与所选用量筒和粉末质量关系粉末松装密度与所选用量筒和粉末质量关系2021/5/23140 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7.1.3影响松装密度和振实密度的因素影响松装密度和振实密度的因素 松装密度是粉末自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的松装密度是粉末自然堆积的密度，因而取决于颗粒间的粘附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程粘附力、相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末度、粉末体的密度、颗粒形状、颗粒密度和表面状态、粉末的粒度和粒度组成等因素。的粒度和粒度组成等因素。 （1）粉末颗粒形状愈规则，其松装密度就愈大；颗粒表）粉末颗粒形状愈规则，其松装密度就愈大；颗粒表面愈光滑，松装密度也愈大。面愈光滑，松装密度也愈大。表表2-8为粒度大小和粒度组成为粒度大小和粒度组成大致相同的三种铜粉，由于形状不同表现出密度和孔隙度的大致相同的三种铜粉，由于形状不同表现出密度和孔隙度的差异。差异。 表表2-8 三种颗粒形状不同的铜粉密度三种颗粒形状不同的铜粉密度 2021/5/23141 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （2）粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大。）粉末颗粒愈粗大，其松装密度就愈大。表表2-9表示粉表示粉末粒度对松装密度的影响。细粉末形成拱桥和互相粘结防碍末粒度对松装密度的影响。细粉末形成拱桥和互相粘结防碍了颗粒相互移动，故粉末的松装密度减少。了颗粒相互移动，故粉末的松装密度减少。 表表2-9 钨粉的粒度对松装密度的影响钨粉的粒度对松装密度的影响 （3）粉末颗粒愈致密，松装密度就愈大。表面氧化物的）粉末颗粒愈致密，松装密度就愈大。表面氧化物的生成提高了粉末的松装密度。生成提高了粉末的松装密度。 （4）粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低。当）粉末粒度范围窄的粗细粉末，松装密度都较低。当粗细粉末按一定比例混合均匀后，可获得最大松装密度。粗细粉末按一定比例混合均匀后，可获得最大松装密度。2021/5/23142 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7.2金属粉末其他工艺性能的测试金属粉末其他工艺性能的测试 金属粉末的其他工艺性能还有流动性、压制性以及与压金属粉末的其他工艺性能还有流动性、压制性以及与压制、烧结有关的尺寸测定。制、烧结有关的尺寸测定。7.2.1流动性流动性 粉末的流动性是指粉末的流动性是指50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为时间，单位为s/50g。其倒数是单位时间流出粉末的质量，。其倒数是单位时间流出粉末的质量，称为流速。流速的测定方法可采用前述图称为流速。流速的测定方法可采用前述图2-13所示孔径为所示孔径为2.5mm的标准漏斗。的标准漏斗。 粉末颗粒愈大，颗粒形状愈规则，粒度组成中极细粉末粉末颗粒愈大，颗粒形状愈规则，粒度组成中极细粉末所占比例小，流动性都将变好。粉末氧化能提高流动性。如所占比例小，流动性都将变好。粉末氧化能提高流动性。如果颗粒密度不变，相对密度增加，会使流动性提高。颗粒表果颗粒密度不变，相对密度增加，会使流动性提高。颗粒表面吸附水分、气体或加入成形剂会降低粉末流动性。面吸附水分、气体或加入成形剂会降低粉末流动性。2021/5/23143 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7.2.2压缩性和成形性压缩性和成形性 压缩性也可以是压缩性和成形性的总称。压缩性就是金压缩性也可以是压缩性和成形性的总称。压缩性就是金属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力。成形性是指粉末属粉末在规定的压制条件下被压紧的能力。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。压制后，压坯保持既定形状的能力。 压缩性的测定是在封闭模具中采用单轴双向压制，在规压缩性的测定是在封闭模具中采用单轴双向压制，在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所达到定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所达到的压坯密度来表示。成形性的测定可通过转鼓试验。我国国的压坯密度来表示。成形性的测定可通过转鼓试验。我国国家标准规定采用矩形压坯的横向断裂强度来测定压坯强度方家标准规定采用矩形压坯的横向断裂强度来测定压坯强度方法表示成形性。法表示成形性。 影响压缩性和成形性的主要因素有颗粒的影响压缩性和成形性的主要因素有颗粒的塑性塑性和和颗粒形颗粒形状状。 在评价粉末的压制性时，必须综合比较压缩性和成形性。在评价粉末的压制性时，必须综合比较压缩性和成形性。一般说来，成形性好的粉末，往往压缩性差；压缩性好的粉一般说来，成形性好的粉末，往往压缩性差；压缩性好的粉末，成形性差。末，成形性差。2021/5/23144 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 7.2.3金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸测定金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸测定 所谓金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化（简称尺所谓金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化（简称尺寸变化），通常是指金属粉末在压制成形过程中发生的弹性寸变化），通常是指金属粉末在压制成形过程中发生的弹性后效，和压坯在烧结中发生的尺寸缩小或增大。后效，和压坯在烧结中发生的尺寸缩小或增大。 （1）尺寸变化的测量尺寸变化的测量 与金属粉末成形和烧结有联系的尺寸变化有下列三种：与金属粉末成形和烧结有联系的尺寸变化有下列三种： A 从模腔尺寸到压坯尺寸（弹性后效从模腔尺寸到压坯尺寸（弹性后效 ）：）： B 从压坯尺寸到烧结尺寸（烧结尺寸变化从压坯尺寸到烧结尺寸（烧结尺寸变化 ）：）： C 从模腔尺寸到烧结尺寸（总尺寸变化从模腔尺寸到烧结尺寸（总尺寸变化 ）：）：2021/5/23145 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 （2）影响尺寸变化的的因素影响尺寸变化的的因素 影响金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化的因素很影响金属粉末与成形和烧结有联系的尺寸变化的因素很多，主要有三种因素：多，主要有三种因素： A 金属粉末的类型不同（包括金属粉末性能），其尺寸变化金属粉末的类型不同（包括金属粉末性能），其尺寸变化也不同。与尺寸变化有联系的性能是粉末的粒度及其组成、也不同。与尺寸变化有联系的性能是粉末的粒度及其组成、颗粒形状和内部结构、金属粉末的塑性或加工硬化情况、以颗粒形状和内部结构、金属粉末的塑性或加工硬化情况、以及金属粉末的化学组成等。粒度愈细，颗粒表面愈光滑，氧及金属粉末的化学组成等。粒度愈细，颗粒表面愈光滑，氧含量愈高以及低塑性的金属粉末等，其弹性后效愈大。含量愈高以及低塑性的金属粉末等，其弹性后效愈大。 B 成形压力与尺寸变化关系十分密切。一般而言，低压成形成形压力与尺寸变化关系十分密切。一般而言，低压成形时，金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而增大；高压成时，金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而增大；高压成形时，金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而减少。形时，金属粉末的弹性后效随成形压力的增大而减少。 C 烧结条件通常以烧结温度、时间和气氛为主要条件。升温烧结条件通常以烧结温度、时间和气氛为主要条件。升温速度、冷却速度等对烧结时尺寸变化也有影响。速度、冷却速度等对烧结时尺寸变化也有影响。2021/5/23146 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定7.3金属粉末有效密度的测定金属粉末有效密度的测定 粉末材料的理论密度通常不能代表粉末颗粒的粉末材料的理论密度通常不能代表粉末颗粒的实际密度。因此计算颗粒密度时，颗粒的体积由于实际密度。因此计算颗粒密度时，颗粒的体积由于是否计入这些孔隙的体积而会有不同的值，一般说是否计入这些孔隙的体积而会有不同的值，一般说来有下列三种颗粒密度：来有下列三种颗粒密度：真密度、似密度（有效密真密度、似密度（有效密度）和表观密度。度）和表观密度。 真密度：颗粒质量与除去开孔和闭孔的颗粒体真密度：颗粒质量与除去开孔和闭孔的颗粒体积相除的商值，真密度就是粉末的理论密度。积相除的商值，真密度就是粉末的理论密度。 似密度（有效密度）：颗粒质量用包括闭孔在似密度（有效密度）：颗粒质量用包括闭孔在内的颗粒体积除得的商值，用比重瓶法测定的密度内的颗粒体积除得的商值，用比重瓶法测定的密度接近这种密度值，因此又称之为比重瓶密度。接近这种密度值，因此又称之为比重瓶密度。 表观密度：颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的表观密度：颗粒质量用包括开孔和闭孔在内的颗粒体积除得的密度值。颗粒体积除得的密度值。2021/5/23147 二、粉末的性能及其测定二、粉末的性能及其测定 测量有效密度的方法有两种：一是比重瓶法（测量有效密度的方法有两种：一是比重瓶法（如图如图2-16所示所示）；另一个是吊斗法（）；另一个是吊斗法（如图如图2-17所示所示）。）。 图图2-16 比重瓶比重瓶 图图2-17 吊斗法示意图吊斗法示意图2021/5/23148 三、成形三、成形u3.1 成形前原料准备成形前原料准备u3.2 金属粉末压制过程金属粉末压制过程u3.3 压制压力与压坯密度的关系压制压力与压坯密度的关系u3.4 压制过程中力的分析压制过程中力的分析u3.5 压坯密度及其分布压坯密度及其分布u3.6 成形剂成形剂u3.7 压制废品分析压制废品分析u3.8 影响压制过程和压坯质量因素影响压制过程和压坯质量因素u3.9 特殊成形特殊成形2021/5/23149 三、成形三、成形 粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一粉末冶金成形是将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块。粉末定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块。粉末可以用普通模压法或用特殊方法成形。可以用普通模压法或用特殊方法成形。1. 成形前原料准备成形前原料准备 成形前原料准备的目的是要制备具有一定化学成分和一成形前原料准备的目的是要制备具有一定化学成分和一定粒度，以及适合的其它物理化学性能的混合料。主要包括定粒度，以及适合的其它物理化学性能的混合料。主要包括粉末退火、混合、筛分、制粒以及加润滑剂等方法。粉末退火、混合、筛分、制粒以及加润滑剂等方法。1.1退火：退火：粉末的退火可使氧化物还原、降低碳和其它杂质含量、粉末的退火可使氧化物还原、降低碳和其它杂质含量、提高粉末纯度、消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构、提高粉末纯度、消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构、还可将粉末表面钝化以防止其自燃、改善压制性能等。还可将粉末表面钝化以防止其自燃、改善压制性能等。1.2混合：混合：是指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的是指将两种或两种以上的不同成分的粉末混合均匀的过程，通常采用机械混合法和化学混料法。过程，通常采用机械混合法和化学混料法。1.3筛分：筛分：筛分是为了把不同颗粒大小的原始粉末进行分级，而筛分是为了把不同颗粒大小的原始粉末进行分级，而使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。2021/5/23150 三、成形三、成形1.4制粒：制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工艺过程，常用将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工艺过程，常用来改善粉末的流动性和压制性来改善粉末的流动性和压制性1.5加润滑剂：加润滑剂：在成形前，粉末混合料中常常会添加一些能改善在成形前，粉末混合料中常常会添加一些能改善成形过程的物质，即润滑剂，这类物质在烧结时能挥发干净，成形过程的物质，即润滑剂，这类物质在烧结时能挥发干净，对产品性能不产生影响。对产品性能不产生影响。2021/5/23151 三、粉末成形三、粉末成形2. 金属粉末压制过程金属粉末压制过程2.1金属粉末压制现象金属粉末压制现象 压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力压模压制是指松散的粉末在压模内经受一定的压制压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。图3-1是压模示意图。是压模示意图。 图图3-1 压模示意图压模示意图2021/5/23152 三、粉末成形三、粉末成形2.2粉末颗粒变形与位移的几种形式粉末颗粒变形与位移的几种形式 （1）粉末的位移）粉末的位移 可用图可用图3-2所示的两颗粉末来近似地说所示的两颗粉末来近似地说明。明。 图图3-2 粉末位移的形式粉末位移的形式2021/5/23153 三、粉末成形三、粉末成形 （2）粉末的变形）粉末的变形 粉末的变形有三种情况，即弹性变形、塑性变形和脆性粉末的变形有三种情况，即弹性变形、塑性变形和脆性断裂。当压制难熔金属如钨、碳化钨等脆性粉末时，除有少断裂。当压制难熔金属如钨、碳化钨等脆性粉末时，除有少量塑性变形外，主要是脆性断裂。粉末的变形图量塑性变形外，主要是脆性断裂。粉末的变形图3-3所示。所示。 图图3-3 压制时粉末的变形压制时粉末的变形 由图可知：压力增大时，颗粒发生变形，由最初的点接由图可知：压力增大时，颗粒发生变形，由最初的点接触逐渐变成面接触，接触面积随之增大，粉末颗粒由球形变触逐渐变成面接触，接触面积随之增大，粉末颗粒由球形变成扁平状。成扁平状。2021/5/23154 三、粉末成形三、粉末成形2.3金属粉末的压坯强度金属粉末的压坯强度 粉末颗粒间的联结力大致可分成两种：粉末颗粒间的联结力大致可分成两种：（1）粉末颗粒间的机械啮合力。粉末外表面呈不规则的凹凸不）粉末颗粒间的机械啮合力。粉末外表面呈不规则的凹凸不平的形状，通过压制，粉末颗粒间由于位移和变形可以互相平的形状，通过压制，粉末颗粒间由于位移和变形可以互相楔住和勾连，从而形成粉末颗粒间的机械啮合。这也是使压楔住和勾连，从而形成粉末颗粒间的机械啮合。这也是使压坯具有强度的主要原因。坯具有强度的主要原因。（2）粉末颗粒表面原子间的吸引力。在金属粉末的压制后期，）粉末颗粒表面原子间的吸引力。在金属粉末的压制后期，粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形，粉末颗粒表面粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形，粉末颗粒表面上的原子彼此接近，当进入引力范围之内时，粉末颗粒因引上的原子彼此接近，当进入引力范围之内时，粉末颗粒因引力作用而发生联结。力作用而发生联结。2021/5/23155 三、粉末成形三、粉末成形2.3金属粉末的压坯强度金属粉末的压坯强度 压坯强度是指压坯反抗外力作用，保持其几何形状尺寸压坯强度是指压坯反抗外力作用，保持其几何形状尺寸不变的能力。压坯强度的测定方法主要用：压坯抗弯强度试不变的能力。压坯强度的测定方法主要用：压坯抗弯强度试验法，测定压坯边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度验法，测定压坯边角稳定性的转鼓试验法以及测试破坏强度的方法。电解铜粉和还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的的方法。电解铜粉和还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系如图关系如图3-4和图和图3-5所示。所示。 图3-4电解铜粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系 图3-5还原铁粉压坯的抗弯强度与成形压力的关系2021/5/23156 三、粉末成形三、粉末成形3. 压制压力与压坯密度的关系压制压力与压坯密度的关系3.1金属粉末压制时压坯密度的变化规律金属粉末压制时压坯密度的变化规律 粉末体在压模中受压后发生位移和变形，随着压力的增加，粉末体在压模中受压后发生位移和变形，随着压力的增加，压坯的相对密度出现有规律的变化，通常将这种变化规律假压坯的相对密度出现有规律的变化，通常将这种变化规律假设为如图设为如图3-6所示的三个阶段。所示的三个阶段。 图图3-6 压坯密度与成形压力的关系压坯密度与成形压力的关系 P1732021/5/23157 三、粉末成形三、粉末成形 第第1阶段：阶段：在此阶段内，由于粉末颗粒发生位移，填充在此阶段内，由于粉末颗粒发生位移，填充孔隙，因此当压力稍有增加时，压坯的密度增加很快，所以孔隙，因此当压力稍有增加时，压坯的密度增加很快，所以此阶段又称为滑动阶段。此阶段又称为滑动阶段。 第第2阶段：阶段：压坯经过第一阶段后，密度已达到一定值，压坯经过第一阶段后，密度已达到一定值，这时粉体又出现了一定的压缩阻力，在此阶段内压力虽然继这时粉体又出现了一定的压缩阻力，在此阶段内压力虽然继续增加，但是压坯密度增加很少，这是因此此时粉末颗粒间续增加，但是压坯密度增加很少，这是因此此时粉末颗粒间的位移已大大减少，而其大量的变形尚未开始。的位移已大大减少，而其大量的变形尚未开始。 第第3阶段：阶段：当压力超过一定值后，压坯密度又随压力增当压力超过一定值后，压坯密度又随压力增加而继续增大，随后又逐渐平缓，这是因为压力超过粉末颗加而继续增大，随后又逐渐平缓，这是因为压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，而使压坯密度继续增粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，而使压坯密度继续增大，但是当压力增加到一定程度，粉末颗粒剧烈变形造成的大，但是当压力增加到一定程度，粉末颗粒剧烈变形造成的加工硬化，使粉末进一步变形发生困难，因而在此后随压力加工硬化，使粉末进一步变形发生困难，因而在此后随压力的增加，压坯密度的变化不大，逐渐趋于平缓。的增加，压坯密度的变化不大，逐渐趋于平缓。2021/5/23158 三、粉末成形三、粉末成形3.2压制压力与压坯密度的定量关系压制压力与压坯密度的定量关系 目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式（包目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量关系式（包括理论公式和经验公式）有几十种之多。公式虽多，但却无括理论公式和经验公式）有几十种之多。公式虽多，但却无理想的公式。这是由于多数理论都把粉末体作为弹性体来处理想的公式。这是由于多数理论都把粉末体作为弹性体来处理；并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化；有的未考理；并且未考虑到粉末在压制过程中的加工硬化；有的未考虑到粉末之间的摩擦；而且多数理论都忽略了压制时间的影虑到粉末之间的摩擦；而且多数理论都忽略了压制时间的影响。这些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。响。这些都将影响到压制理论的正确性和使用范围。 以下是几个有代表性的压制理论：以下是几个有代表性的压制理论： （1）巴尔申压制方程）巴尔申压制方程 巴尔申认为在压制金属粉末的情况下，压力与变形之间巴尔申认为在压制金属粉末的情况下，压力与变形之间的关系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素，经数学处理的关系符合虎克定律。如果忽略加工硬化因素，经数学处理后可以得到：后可以得到： 但此方程仅在一定的场合中才是正确。但此方程仅在一定的场合中才是正确。2021/5/23159 三、粉末成形三、粉末成形 （2）川北公夫压制理论）川北公夫压制理论 日本的川北公夫研究了多种粉末（大部分是金属氧化物）日本的川北公夫研究了多种粉末（大部分是金属氧化物）在压制过程中的行为。采用钢压模，粉末装入压模后在压机在压制过程中的行为。采用钢压模，粉末装入压模后在压机上逐步加压，然后测定粉末体的体积变化，作出各种粉末的上逐步加压，然后测定粉末体的体积变化，作出各种粉末的压力压力-体积曲线，并得出有关经验公式：体积曲线，并得出有关经验公式： （3）黄培云压制理论方程）黄培云压制理论方程 黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式：黄培云对粉末压制成形提出一种新的压制理论公式： 比较上述各压制方程可以看出：在多数情况下，黄培云比较上述各压制方程可以看出：在多数情况下，黄培云的双对数方程不论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方的双对数方程不论硬、软粉末适用效果都比较好。巴尔申方程用于硬粉末比软粉末效果好。川北公夫方程则在压制压力程用于硬粉末比软粉末效果好。川北公夫方程则在压制压力不太大时较为优越。不太大时较为优越。2021/5/23160 三、三、粉末成形粉末成形4. 压制过程中力的分析压制过程中力的分析 压制压力作用在粉末体上之后分为两部分：压制压力作用在粉末体上之后分为两部分： （1）一部分是用来使粉末产生位移、变形和克服粉末）一部分是用来使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦，这部分称为净压力。的内摩擦，这部分称为净压力。 （2）另一部分，是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩）另一部分，是用来克服粉末颗粒与模壁之间外摩擦的力，这部分力称为压力损失。擦的力，这部分力称为压力损失。 因此，压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和。因此，压制时所用的总压力为净压力与压力损失之和。2021/5/23161 三、三、粉末成形粉末成形4.1侧压力侧压力 粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力就叫侧给压坯一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力就叫侧压力。由于侧压力的存在，当粉末在压制过程中相对于模壁压力。由于侧压力的存在，当粉末在压制过程中相对于模壁运动时，使必然产生摩擦力，因此侧压力对压坯过程和压坯运动时，使必然产生摩擦力，因此侧压力对压坯过程和压坯质量具有重要意义。质量具有重要意义。4.1.1侧压力与压制压力的关系侧压力与压制压力的关系 为研究侧压力与压制压力的关系，可取一个简化的立方为研究侧压力与压制压力的关系，可取一个简化的立方体压坯在压模中受力的情况来分析（如图体压坯在压模中受力的情况来分析（如图3-7所示）。所示）。 图图3-7 压坯受力示意图压坯受力示意图2021/5/23162 三、粉末成形三、粉末成形4.1.2侧压系数与压坯密度的关系侧压系数与压坯密度的关系 研究得出，粉末体的侧压系数研究得出，粉末体的侧压系数 和压坯密度有如下关系：和压坯密度有如下关系： 侧压系数侧压系数 随侧压力的增加而随侧压力的增加而 增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐 减少时，侧压系数也随之减少。减少时，侧压系数也随之减少。 图图3-8为压制压力与侧压系数的关系。为压制压力与侧压系数的关系。 图中线图中线1为侧压系数；线为侧压系数；线2为压制压为压制压力；线力；线3为侧压力。为侧压力。 图图3-8 压制压力与侧压系数的关系压制压力与侧压系数的关系2021/5/23163 三、粉末成形三、粉末成形4.2外摩擦力外摩擦力4.2.1外摩擦力外摩擦力 当粉末体受到压力作用时，粉末体将相对于模壁产生运当粉末体受到压力作用时，粉末体将相对于模壁产生运动，由于侧压力的作用，粉末体与模壁之间将产生摩擦力，动，由于侧压力的作用，粉末体与模壁之间将产生摩擦力，其中粉末颗粒之间的摩擦叫内摩擦力，粉末颗粒与模壁之间其中粉末颗粒之间的摩擦叫内摩擦力，粉末颗粒与模壁之间的摩擦叫外摩擦力。的摩擦叫外摩擦力。4.2.2摩擦压力损失与压坯尺寸的关系摩擦压力损失与压坯尺寸的关系 假设压坯是一个理想的正方体，而粉末颗粒也是一些小假设压坯是一个理想的正方体，而粉末颗粒也是一些小立方体，如图立方体，如图3-9所示。当压坯之截面积与高度之比为一定所示。当压坯之截面积与高度之比为一定值时，压坯尺寸越大，消耗于克服外摩擦的压力损失便相对值时，压坯尺寸越大，消耗于克服外摩擦的压力损失便相对减少。由于总的压制压力是消耗于粉末颗粒的位移、变形，减少。由于总的压制压力是消耗于粉末颗粒的位移、变形，以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损失。所以对于大的压坯以及粉末颗粒的内摩擦和摩擦压力损失。所以对于大的压坯来说，由于压力损失相对减少，因而所需的总的压制压力和来说，由于压力损失相对减少，因而所需的总的压制压力和单位压制压力也会相应地减少。表单位压制压力也会相应地减少。表3-1是从压坯比表面积的是从压坯比表面积的角度来说明上述规律的。角度来说明上述规律的。2021/5/23164 三、粉末成形三、粉末成形 图图3-9 粉末压坯与模壁接触的断面示意图粉末压坯与模壁接触的断面示意图 表表3-1 压坯尺寸与压坯比表面积的关系压坯尺寸与压坯比表面积的关系2021/5/23165 由表31可知，随着压坯尺寸的增加，压坯的比表面积相对减小，即压坯与模壁的相对接触面积减小，因而消耗于外摩擦力的压力损失便相应减小，所以对于尺寸大的压坯所加的单位压制压力比小压坯所需的要相应减少。 三、粉末成形三、粉末成形2021/5/23166 三、三、粉末成形粉末成形4.2.3摩擦力对压制过程及压坯质量的影响摩擦力对压制过程及压坯质量的影响 图图 3-10可知，在无润滑剂情况下进行压制时，外摩擦压可知，在无润滑剂情况下进行压制时，外摩擦压力损失可达力损失可达6090，压力损失是很大的。这就引起了压压力损失是很大的。这就引起了压坯密度沿高度分布的不均匀。可以看出，在压制过程中，外坯密度沿高度分布的不均匀。可以看出，在压制过程中，外摩擦力对压制过程会有一系列的影响。摩擦力对压制过程会有一系列的影响。 图图 3-102021/5/23167 三、三、粉末成形粉末成形（1）由于外摩擦力的方向与压制压力的方向相反，所以它的存）由于外摩擦力的方向与压制压力的方向相反，所以它的存在实际上无益地损耗了一部分压力，为此要达到一定的压坯在实际上无益地损耗了一部分压力，为此要达到一定的压坯密度，相应地需要增加一定的压制压力。密度，相应地需要增加一定的压制压力。（2）由于外摩擦力的存在，将引起压制压力的不均匀分布，当）由于外摩擦力的存在，将引起压制压力的不均匀分布，当压坯高度较大、阴模壁表面质量不高或不采用润滑方式时，压坯高度较大、阴模壁表面质量不高或不采用润滑方式时，沿压坯高度的压力降将会十分显著。沿压坯高度的压力降将会十分显著。（3）由于摩擦力的存在，将阻碍粉末体在压制过程中的运动，）由于摩擦力的存在，将阻碍粉末体在压制过程中的运动，对于复杂形状制品，摩擦力的存在将严重影响粉末体顺利填对于复杂形状制品，摩擦力的存在将严重影响粉末体顺利填充那些棱角部位，使制品不理想。充那些棱角部位，使制品不理想。2021/5/23168 三、三、粉末成形粉末成形4.3脱模压力脱模压力 把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模把压坯从阴模内卸出所需要的压力称为脱模压力。脱模压力同样受到一系列因素的影响，其中包括压制压力、压坯压力同样受到一系列因素的影响，其中包括压制压力、压坯密度、粉末材料的性质、压坯尺寸、模壁的状况，以及润滑密度、粉末材料的性质、压坯尺寸、模壁的状况，以及润滑条件等等。条件等等。 脱模压力与压制压力的关系，取决于摩擦系数和泊松比。脱模压力与压制压力的关系，取决于摩擦系数和泊松比。因此可知，脱模压力与压制压力成线性关系因此可知，脱模压力与压制压力成线性关系 硬质合金物料在大多数情况下的脱模压力值约为压制压硬质合金物料在大多数情况下的脱模压力值约为压制压力的力的30% 在小压力和中等压力下压制时，一般说来，压制压力小在小压力和中等压力下压制时，一般说来，压制压力小于或等于于或等于300400MPa时，脱模压力一般不超过时，脱模压力一般不超过0.3P。2021/5/23169 三、三、粉末成形粉末成形4.4弹性后效弹性后效 在压制过程中，当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出在压制过程中，当卸掉压制压力并把压坯从压模中压出后，由于弹性内应力的作用，压坯将发生弹性膨胀，这种现后，由于弹性内应力的作用，压坯将发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示：象称为弹性后效。弹性后效通常以压坯胀大的百分数表示： 不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压不同粉末在轴向上的弹性后效或径向上的弹性后效与压制压力的关系如图制压力的关系如图3-11和图和图3-12所示。所示。 图图3-11 各种粉末的轴向弹性后效与压制压力的关系各种粉末的轴向弹性后效与压制压力的关系 图图3-12 径向弹性后效与压制压力的关系径向弹性后效与压制压力的关系2021/5/23170 弹性膨胀现象的原因：粉末体在压制过程中受到压力作用后，粉末颗粒发生弹塑性变形，从而在压坯内部聚集很大的内应力弹性内应力，其方向与颗粒所受的外力方向相反，力图阻止颗粒变形。当压制力消除后，弹性内应力便要松弛，改变颗粒的外形和颗粒间的接触状态，这就使粉末压坯发生了膨胀。 202页 三、三、粉末成形粉末成形2021/5/23171 三、粉末成形三、粉末成形 影响弹性后效大小的因素很多，如粉末的种类及其粉末影响弹性后效大小的因素很多，如粉末的种类及其粉末特性（如粒度和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等）、特性（如粒度和粒度组成、粉末颗粒形状、粉末硬度等）、压制压力大小、加压速度、压坯孔隙度、压模材质和结构以压制压力大小、加压速度、压坯孔隙度、压模材质和结构以及成形剂等。图及成形剂等。图3-13为不同方法制取的铁粉和铜粉的弹性后为不同方法制取的铁粉和铜粉的弹性后效。效。 图图3-13 各种粉末的弹性后效各种粉末的弹性后效 2021/5/23172 三、三、粉末成形粉末成形5. 压制密度及其分布压制密度及其分布5.1压坯密度分布规律压坯密度分布规律 实践证明，在单向压制时，压坯沿其高度方向上密度分实践证明，在单向压制时，压坯沿其高度方向上密度分布是不均匀的。任取一个圆柱形压模，用锡箔纸作垫片（或布是不均匀的。任取一个圆柱形压模，用锡箔纸作垫片（或用石墨粉作隔层），将同等质量的粉末，分别装入压模中，用石墨粉作隔层），将同等质量的粉末，分别装入压模中，然后进行单向压制，即可得到如图然后进行单向压制，即可得到如图3-14所示的压坯形状。所示的压坯形状。 图图3-14 用石墨粉作隔层的单向压制压坯用石墨粉作隔层的单向压制压坯2021/5/23173 三、粉末成形三、粉末成形5.2影响压坯密度分布的因素影响压坯密度分布的因素 实验证明，增加压坯的高度会使压坯各部分的密度差增实验证明，增加压坯的高度会使压坯各部分的密度差增大，而加大直径则会使密度的分布更加均匀。压坯中密度分大，而加大直径则会使密度的分布更加均匀。压坯中密度分布的不均匀性，在很大程度上可以用双向压制来改善。在双布的不均匀性，在很大程度上可以用双向压制来改善。在双向压制时，与上、下模冲接触的两端密度较低（图向压制时，与上、下模冲接触的两端密度较低（图3-15）。）。 图图3-15 单向压制与双向压制的压坯密度沿高度方向的分布单向压制与双向压制的压坯密度沿高度方向的分布2021/5/23174 三、粉末成形三、粉末成形5.3复杂形状压坯的压制复杂形状压坯的压制 在压制横截面不同的复杂形状压坯时，必须保证整个压在压制横截面不同的复杂形状压坯时，必须保证整个压坯内的密度相同。坯内的密度相同。 否则在脱模过程中，密度不同的衔接处就会由于应力的否则在脱模过程中，密度不同的衔接处就会由于应力的重新分布而产生断裂或分层；压坯密度的不均匀也将使烧结重新分布而产生断裂或分层；压坯密度的不均匀也将使烧结后的制品因收缩不同造成的变形也不同，从而出现开裂或扭后的制品因收缩不同造成的变形也不同，从而出现开裂或扭曲。曲。2021/5/23175 三、粉末成形三、粉末成形5.3复杂形状压坯的压制复杂形状压坯的压制 在压制横截面不同的复杂形状压坯时，必须保证整个压在压制横截面不同的复杂形状压坯时，必须保证整个压坯内的密度相同。坯内的密度相同。 而为了使横截面不同的复杂形状压坯的密度均匀，需要而为了使横截面不同的复杂形状压坯的密度均匀，需要设计不同动作的多模冲压模，并且使它们的压缩比相等。如设计不同动作的多模冲压模，并且使它们的压缩比相等。如图图3-16所示。所示。 图图3-16 异形压坯的压制异形压坯的压制2021/5/23176 三、粉末成形三、粉末成形 对于具有曲折形状的压坯，压模结构也必须作相应的调对于具有曲折形状的压坯，压模结构也必须作相应的调整，以便使压坯密度尽可能均匀（图整，以便使压坯密度尽可能均匀（图3-17）。由图可知，当）。由图可知，当压坯截面上各部分的压缩比相同时，其密度也就可以均匀。压坯截面上各部分的压缩比相同时，其密度也就可以均匀。 图图3-17 曲面压坯的压制方法曲面压坯的压制方法2021/5/23177 三、三、粉末成形粉末成形6. 成形剂成形剂6.1使用成形剂的目的使用成形剂的目的 粉末体在压制过程中，外摩擦力的存在会引起压制粉末体在压制过程中，外摩擦力的存在会引起压制压力沿压坯高度降低。减少摩擦的方法有两种：一是使压力沿压坯高度降低。减少摩擦的方法有两种：一是使用高光洁度、高硬度的模具；二是在粉末混合料中加入用高光洁度、高硬度的模具；二是在粉末混合料中加入成形剂（或称粘结剂）。成形剂（或称粘结剂）。 使用成形剂的目的有：使用成形剂的目的有： a 促进颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制力；促进颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制力； b 提高压坯强度，减少粉尘飞扬，改善劳动条件；提高压坯强度，减少粉尘飞扬，改善劳动条件； c 提高压坯密度的均匀性，改善压坯表面质量；提高压坯密度的均匀性，改善压坯表面质量； d 可明显提高压模寿命等等。可明显提高压模寿命等等。2021/5/23178 三、三、粉末成形粉末成形6.2成形剂的选择原则成形剂的选择原则 选择成形剂的原则有以下几个方面：选择成形剂的原则有以下几个方面： （1）成形剂的加入不会改变混合料的化学成分；成形剂）成形剂的加入不会改变混合料的化学成分；成形剂在随后的预烧或烧结过程中能全部排除，不残留有害物质；在随后的预烧或烧结过程中能全部排除，不残留有害物质；所放出的气体对人体无害。所放出的气体对人体无害。 （2）成形剂应具有很好的分散性能；具有较好的粘性和）成形剂应具有很好的分散性能；具有较好的粘性和良好的润滑性；并且易于和粉末料混合均匀。良好的润滑性；并且易于和粉末料混合均匀。 （3）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大；除特）对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大；除特殊情况外其软化点应当高，以防止混合过程中的温升而熔化。殊情况外其软化点应当高，以防止混合过程中的温升而熔化。 （4）烧结后对产品性能和外观等没有不良影响。）烧结后对产品性能和外观等没有不良影响。 （5）成本低，来源广。）成本低，来源广。 实践中，不同的金属粉末必须选用不同的物质作成形剂。实践中，不同的金属粉末必须选用不同的物质作成形剂。2021/5/23179 三、三、粉末成形粉末成形6.3成形剂的用量及效果成形剂的用量及效果 成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及成形剂的加入量与粉末种类、颗粒大小、压制压力以及摩擦表面有关，并与成形剂本身的性质有关。一般说来，细摩擦表面有关，并与成形剂本身的性质有关。一般说来，细颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。颗粒粉末所需的成形剂加入量比粗粒度粉末的量要多一些。成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同（图成形剂的加入随压坯形状因素的不同而不同（图3-18）。由）。由图可知，成形剂的加入量与形状因素成正比。图可知，成形剂的加入量与形状因素成正比。 图图3-18 形状因素对成形剂加入量的影响形状因素对成形剂加入量的影响2021/5/23180 三、粉末成形三、粉末成形 加入不同粒度的成形剂对粉末流动性、松装密度和脱模加入不同粒度的成形剂对粉末流动性、松装密度和脱模压力的影响如图压力的影响如图3-19和图和图3-20所示。成形剂的加入量还影所示。成形剂的加入量还影响压坯密度和脱模压力（图响压坯密度和脱模压力（图3-21）。图）。图3-22是成形剂对烧是成形剂对烧结体的抗弯强度的影响。结体的抗弯强度的影响。 图图3-19 成形剂粒度对粉末流动性和松装密度的影响成形剂粒度对粉末流动性和松装密度的影响2021/5/23181 三、粉末成形三、粉末成形 图图3-20 成形剂粒度对脱模压力的影响成形剂粒度对脱模压力的影响2021/5/23182 三、粉末成形三、粉末成形 图图3-21 成形剂加入量对涡旋铁粉成形剂加入量对涡旋铁粉 图图3-22 成形剂对烧结体抗弯强度的影响成形剂对烧结体抗弯强度的影响 压坯密度和脱模压力的影响压坯密度和脱模压力的影响2021/5/23183 三、粉末成形三、粉末成形 从图从图3-19 图图3-22可知，加入成形剂对压坯质量和烧结性能可知，加入成形剂对压坯质量和烧结性能都有影响，因此应从多方面综合考虑正确地选择和使用成形剂。都有影响，因此应从多方面综合考虑正确地选择和使用成形剂。 由上分析，也可不把成形剂加入混合料中而直接润滑压模。常用由上分析，也可不把成形剂加入混合料中而直接润滑压模。常用润滑压模地润滑剂有：硬脂酸、硬脂酸盐类、丙酮、苯、甘油、油润滑压模地润滑剂有：硬脂酸、硬脂酸盐类、丙酮、苯、甘油、油酸、三氯乙烷等。图酸、三氯乙烷等。图3-23为不同润滑方式对压坯密度的影响。为不同润滑方式对压坯密度的影响。 图图3-23 不同润滑方式对压坯密度的影响不同润滑方式对压坯密度的影响2021/5/23184 三、粉末成形三、粉末成形7. 压制废品分析压制废品分析 压制废品的种类很多，主要有分层、裂纹、掉边掉角、压压制废品的种类很多，主要有分层、裂纹、掉边掉角、压坯密度严重不均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。坯密度严重不均匀、毛刺过大、表面划伤、同轴度超差等。 （1）分层）分层 沿压坯的棱边向内部发展的裂纹，并且大约与沿压坯的棱边向内部发展的裂纹，并且大约与受压面呈受压面呈45角的整齐界面角的整齐界面（图（图3-24）。）。 图图3-24 压制分层压制分层 图图3-25 压制裂纹压制裂纹 （2）裂纹）裂纹 裂纹一般是不规则的，并且无整齐的界面。但裂纹一般是不规则的，并且无整齐的界面。但裂纹同样出现在应力集中的部位（图裂纹同样出现在应力集中的部位（图3-25）。）。 （3）掉边掉角）掉边掉角 （4）压坯密度严重不均和其它废品）压坯密度严重不均和其它废品2021/5/23185 三、三、粉末成形粉末成形8. 影响压制过程和压坯质量的因素影响压制过程和压坯质量的因素8.1粉末性能对压制过程的影响粉末性能对压制过程的影响8.1.1粉末的物理性能的影响粉末的物理性能的影响 （1）金属粉末的硬度和可塑性对压制过程的影响很大。软）金属粉末的硬度和可塑性对压制过程的影响很大。软金属粉末比硬金属粉末易于压制，所需的压制压力要小的多金属粉末比硬金属粉末易于压制，所需的压制压力要小的多（表（表3-2）。）。 表表3-2 金属粉末的硬度与压制压力的关系金属粉末的硬度与压制压力的关系 （2）金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。一般说）金属粉末的摩擦性能对压模的磨损影响很大。一般说来，压制硬金属粉末压模的寿命短。来，压制硬金属粉末压模的寿命短。2021/5/23186 三、粉末成形三、粉末成形8.1.2粉末纯度的影响粉末纯度的影响 粉末纯度愈高，压制愈易进行。制造高密度零件时，粉粉末纯度愈高，压制愈易进行。制造高密度零件时，粉末的化学成分对其成形性能影响较大。末的化学成分对其成形性能影响较大。8.1.3粉末颗粒及粒度组成的影响粉末颗粒及粒度组成的影响 粉末的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为就粉末的粒度及粒度组成不同时，在压制过程中的行为就不一致。与颗粒形状相同的粗粉末相比，细颗粒粉末的压缩不一致。与颗粒形状相同的粗粉末相比，细颗粒粉末的压缩性较差，而成形性好。性较差，而成形性好。8.1.4粉末颗粒形状的影响粉末颗粒形状的影响 粉末颗粒形状对压制过程和压坯质量的影响具体反映在粉末颗粒形状对压制过程和压坯质量的影响具体反映在其填充性能、压制性等。粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。其填充性能、压制性等。粉末颗粒形状对压坯性能也有影响。8.1.5粉末松装密度的影响粉末松装密度的影响 粉末松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素粉末松装密度是设计模具尺寸时所必须考虑的重要因素松装密度小时，模具的高度和模冲的长度必须增大。松装密松装密度小时，模具的高度和模冲的长度必须增大。松装密度大时，模具的高度及模冲的长度可以缩短。实践中应采用度大时，模具的高度及模冲的长度可以缩短。实践中应采用的松装密度大小，需根据实际情况而定。的松装密度大小，需根据实际情况而定。2021/5/23187 三、三、粉末成形粉末成形8.2成形剂对压制过程及压坯质量的影响成形剂对压制过程及压坯质量的影响 成形剂的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加压坯成形剂的加入可以改善粉末的成形性、塑性、增加压坯强度等。强度等。8.3压制方式对压制过程及压坯质量的影响压制方式对压制过程及压坯质量的影响8.3.1加压方式的影响加压方式的影响 为了减少压制过程中的压坯密度出现不均匀现象，可以为了减少压制过程中的压坯密度出现不均匀现象，可以采用双向压制及多向压制（等静压制），或者改变压模结构采用双向压制及多向压制（等静压制），或者改变压模结构等。特别是当压坯的高径比较大时，采用单向压制不能保证等。特别是当压坯的高径比较大时，采用单向压制不能保证制品的密度要求。某些难熔金属化合物（如碳化硼）的压制，制品的密度要求。某些难熔金属化合物（如碳化硼）的压制，有时为了保证密度要求，还可采用换向压制的方法。有时为了保证密度要求，还可采用换向压制的方法。8.3.2加压速度的影响加压速度的影响 通常的压制过程均是以静压（缓慢加压）状态进行的。通常的压制过程均是以静压（缓慢加压）状态进行的。粉末体受到高速冲击负荷作用时，压坯的致密化过程与静压粉末体受到高速冲击负荷作用时，压坯的致密化过程与静压时的情况是不同的。时的情况是不同的。2021/5/23188 三、三、粉末成形粉末成形8.3.3加压保持时间的影响加压保持时间的影响 粉末在压制过程中，如果在某一特定的压力下保持一定粉末在压制过程中，如果在某一特定的压力下保持一定的时间，往往可得到非常好的效果。这对于形状复杂或体积的时间，往往可得到非常好的效果。这对于形状复杂或体积较大的制品来说更为重要（如图较大的制品来说更为重要（如图3-26所示）。所示）。 图图3-26 加压保持时间对压坯密度的影响加压保持时间对压坯密度的影响 对于形状简单、体积小的制品通常不采取保压。如需保压，对于形状简单、体积小的制品通常不采取保压。如需保压，保压时间可根据具体时间确定。保压时间可根据具体时间确定。2021/5/23189 三、三、粉末成形粉末成形8.3.4振动压制的影响振动压制的影响 振动压制对制品的致密化有良好的作用，是广泛引起人们振动压制对制品的致密化有良好的作用，是广泛引起人们注意的新工艺。试验表明，振动压制对于铜、钴、铝、铁等注意的新工艺。试验表明，振动压制对于铜、钴、铝、铁等软粉末的效果，远不如碳化钛、碳化钨等硬而脆的粉末。软粉末的效果，远不如碳化钛、碳化钨等硬而脆的粉末。8.3.5磁场影响磁场影响 磁场压制所用的压模结构与普通压模不同（图磁场压制所用的压模结构与普通压模不同（图3-27）。）。由图可知，加压方式和磁场方向有相互平行和相互垂直两种由图可知，加压方式和磁场方向有相互平行和相互垂直两种方式。后者不但成形比较困难且制品的收缩也可能不均匀。方式。后者不但成形比较困难且制品的收缩也可能不均匀。 图图3-27 磁场压制压模结构图磁场压制压模结构图2021/5/23190 三、粉末成形三、粉末成形9. 特殊成形特殊成形9.1等静压成形等静压成形9.1.1等静压制的基本原理等静压制的基本原理 等静压制是借助高压泵的作用把液体介质（气体或液体）等静压制是借助高压泵的作用把液体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内（如图压入耐高压的钢体密封容器内（如图3-28），高压流体的静），高压流体的静压力直接作用在弹性模套内粉末上，使粉末体在同一时间内压力直接作用在弹性模套内粉末上，使粉末体在同一时间内各个方法均匀受压而获得密度各个方法均匀受压而获得密度 分布均匀和强度较高的压坯。分布均匀和强度较高的压坯。 （A）压力分布和摩擦力对）压力分布和摩擦力对 压坯密度分布的影响压坯密度分布的影响 （B）压制压力与压坯密度）压制压力与压坯密度 的关系的关系 图图3-28 等静压原理图等静压原理图2021/5/23191 三、粉末成形三、粉末成形9.1.2冷等静压制冷等静压制 冷等静压制主要工艺过程包括模具材料的选择及模冷等静压制主要工艺过程包括模具材料的选择及模具的制作，粉末料的准备，以及将粉末料装入模袋、密具的制作，粉末料的准备，以及将粉末料装入模袋、密封、压制和脱模。图封、压制和脱模。图3-29为冷等静压工艺的流程图。为冷等静压工艺的流程图。 图图3-29 冷等静压制的流程图冷等静压制的流程图2021/5/23192 三、粉末成形三、粉末成形 （1）模具材料的选择及制作）模具材料的选择及制作 冷等静压制模具大多采用弹性物，例如天然橡胶和合成冷等静压制模具大多采用弹性物，例如天然橡胶和合成橡胶。这些弹性材料的性质如表橡胶。这些弹性材料的性质如表3-3所示。近年来又采用了所示。近年来又采用了塑料。热塑性软性树脂是目前制作模具的主要材料。塑料。热塑性软性树脂是目前制作模具的主要材料。 表表3-3 某些弹性材料的性质某些弹性材料的性质 （2）粉末料的准备）粉末料的准备2021/5/23193 三、粉末成形三、粉末成形 （3）装料、密封及抽气）装料、密封及抽气 冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具压冷等静压制按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具压制（图制（图3-30）和干袋模具压制（图）和干袋模具压制（图3-31）两种。）两种。 图图3-30 湿袋模具压制试图湿袋模具压制试图 图图3-31干袋模具压制图干袋模具压制图 （4）压制和脱模）压制和脱模2021/5/23194 三、三、粉末成形粉末成形9.1.3软模压制软模压制 软模成形是利用塑性的弹性好的特点，它能与液体介质软模成形是利用塑性的弹性好的特点，它能与液体介质一样均匀传递压力，而且不收缩。用塑料作模具，图一样均匀传递压力，而且不收缩。用塑料作模具，图3-32为为软模成形示意图。软模压制可以不用复杂设备而制得密度均软模成形示意图。软模压制可以不用复杂设备而制得密度均匀的异形制品。软模材料通常选取聚氯乙稀塑料。匀的异形制品。软模材料通常选取聚氯乙稀塑料。 图图3-32 软模成形示意图软模成形示意图2021/5/23195 三、粉末成形三、粉末成形9.2三轴压制三轴压制 三轴压制可以近似地认为就是双轴压制（模压）和等静三轴压制可以近似地认为就是双轴压制（模压）和等静压制的结果。三轴压制周压轴压。三轴压制的效果，无压制的结果。三轴压制周压轴压。三轴压制的效果，无论从压坯密度还是从压坯抗弯强度上看都是较好的。只要在论从压坯密度还是从压坯抗弯强度上看都是较好的。只要在很低的周压条件下增大轴压，就可生产比其它两种成形方法很低的周压条件下增大轴压，就可生产比其它两种成形方法均好的压坯。三轴压制的产品均好的压坯。三轴压制的产品 具有高密度、高强度的特性。具有高密度、高强度的特性。 三轴压制装置如图三轴压制装置如图3-33所示。所示。 图图3-33 三轴压制装置简图三轴压制装置简图 2021/5/23196 三、三、粉末成形粉末成形9.3粉浆浇注粉浆浇注 粉浆浇注是金属粉末在不施加外压力的情况下粉浆浇注是金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成形的过程。而实现成形的过程。 对于压制性差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、对于压制性差的脆性粉末，如碳化物、硅化物、氮化物、铬和硅等粉末，粉浆浇注是特别有效的成氮化物、铬和硅等粉末，粉浆浇注是特别有效的成形方法。形方法。 用粉浆浇注方法制得的制品密度应是均匀的。用粉浆浇注方法制得的制品密度应是均匀的。用粉浆浇注法可以生产坩埚、圆柱体和矩形坯块、用粉浆浇注法可以生产坩埚、圆柱体和矩形坯块、涡轮叶片等制品。涡轮叶片等制品。2021/5/231979.4金属粉末轧制金属粉末轧制 粉末压制法与模压法相比，优点是制粉末压制法与模压法相比，优点是制品的长度原则上不受限制；轧制制品密度比品的长度原则上不受限制；轧制制品密度比较均匀。但粉末压制法只能制取形状较简单较均匀。但粉末压制法只能制取形状较简单的板带板以及直径与厚度比值很大的衬套。的板带板以及直径与厚度比值很大的衬套。 粉末压制的主要设备是粉末轧机和烧结粉末压制的主要设备是粉末轧机和烧结炉。用粉末轧制可制造接近理论密度的制品。炉。用粉末轧制可制造接近理论密度的制品。 三、三、粉末成形粉末成形2021/5/23198 三、三、粉末成形粉末成形 粉末轧制的原理如图粉末轧制的原理如图3-34所示。轧制可以所示。轧制可以在垂直的或水平的轧机上进行（图在垂直的或水平的轧机上进行（图3-35）。 图图3-34 粉末轧制过程示意图粉末轧制过程示意图 图图3-35 粉末轧制方式示意图粉末轧制方式示意图2021/5/23199 三、粉末成形三、粉末成形9.5稧形压制稧形压制 采用锲形压制是为了改进粉末压制中不能轧制较厚带材的采用锲形压制是为了改进粉末压制中不能轧制较厚带材的不足。图不足。图3-36为锲形压制装置示意图，图为锲形压制装置示意图，图3-37为锲形压制为锲形压制过程示意图。过程示意图。 图图3-36 锲形压制装置示意图锲形压制装置示意图 图图3-37 锲形压制过程示意图锲形压制过程示意图2021/5/23200 三、粉末成形三、粉末成形9.6挤压挤压 挤压法的优点是可以把难压制的组元（难熔金属化合挤压法的优点是可以把难压制的组元（难熔金属化合物、氧化物为基的材料）制成密度均匀而较长的制品。图物、氧化物为基的材料）制成密度均匀而较长的制品。图3-38是挤压时混合料受力状态图。是挤压时混合料受力状态图。 图图3-38 挤压时混合料的受力状态挤压时混合料的受力状态2021/5/23201 三、粉末成形三、粉末成形9.7爆炸爆炸成形成形 爆炸成形法是高能成形的方法之一。图爆炸成形法是高能成形的方法之一。图3-39是类似液是类似液体等静压一样的间接法爆炸成形原理图。体等静压一样的间接法爆炸成形原理图。 图图3-39 爆炸成形原理爆炸成形原理2021/5/23202 四、烧结四、烧结u4.1 概述概述u4.2 烧结过程的热力学烧结过程的热力学u4.3 烧结中的物质迁移烧结中的物质迁移u4.4 混合粉末的烧结混合粉末的烧结u4.5 强化烧结强化烧结u4.6 全致密工艺全致密工艺u4.7 烧结气氛和烧结炉烧结气氛和烧结炉u4.8 烧结体的性能烧结体的性能2021/5/23203 四、烧结四、烧结1. 概述概述 为了提高压坯或松装粉末体的强度，把压坯或松装粉末为了提高压坯或松装粉末体的强度，把压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的温度（约体加热到其基本组元熔点以下的温度（约0.70.8T绝对熔绝对熔点），借颗粒间的联结以提高强度。这种热处理就叫做烧结。点），借颗粒间的联结以提高强度。这种热处理就叫做烧结。 烧结对粉末冶金材料和制品的性能有着烧结对粉末冶金材料和制品的性能有着决定性决定性的影响。的影响。用粉末烧结的方法可以制得各种纯金属、合金、化合物以及用粉末烧结的方法可以制得各种纯金属、合金、化合物以及复合材料。复合材料。 烧结的研究主要是围绕两个最基本的问题：一是烧结为烧结的研究主要是围绕两个最基本的问题：一是烧结为什么会发生？即所谓烧结的什么会发生？即所谓烧结的原动力或热力学原动力或热力学问题；二是烧结问题；二是烧结是怎样进行的？即烧结的是怎样进行的？即烧结的结构和动力学结构和动力学问题。问题。2021/5/23204 四、烧结四、烧结烧结的分类（1）单元系烧结：纯金属或化合物在其熔点以下的温度进行的固相烧结过程。（2）多元系固相烧结：由两种或两种以上的组分构成的烧结体系，在其中低熔组分的熔点温度以下所进行的固相烧结过程。 a 无限固溶系：Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au b 有限固溶系: Fe-C、 Fe-Cu、W-Ni C 完全不互溶系(假合金）：Ag-W、Cu-W 2021/5/23205（3）多元系液相烧结：以超过系统中低熔组分熔点的温度进行的烧结过程。 a 稳定液相烧结系统：WC-Co、W-Cu-Ni b 瞬时液相烧结系统：Cu-Sn、Cu-Pb2021/5/23206 四、烧结四、烧结2. 烧结过程的热力学烧结过程的热力学2.1烧结的热力学烧结的热力学 （1）烧结时所需能量在粉末中存在的形式）烧结时所需能量在粉末中存在的形式 首先被考虑到的是粉末的首先被考虑到的是粉末的表面能表面能。粉末粒度愈小，其粉末。粉末粒度愈小，其粉末体的表面积就愈大，相对地具有的表面能也就较高。表体的表面积就愈大，相对地具有的表面能也就较高。表4-1为几种金属粉末的比表面积。为几种金属粉末的比表面积。2021/5/23207 四、烧结四、烧结 除表面能外，还有各种形式的除表面能外，还有各种形式的晶格缺陷所贮存晶格缺陷所贮存的能量。的能量。晶格缺陷会因粉末制造方法的不同而有显著的差异。晶格缺陷会因粉末制造方法的不同而有显著的差异。 （2）烧结时所需能量对烧结过程所起的作用）烧结时所需能量对烧结过程所起的作用 粉末的表面能越大，所贮存的能量就越高粉末的表面能越大，所贮存的能量就越高。这样的粉末。这样的粉末要释放能量使其变为低能状态的趋势也就越大，烧结也就易要释放能量使其变为低能状态的趋势也就越大，烧结也就易于进行。于进行。 （3）热力学方程式：）热力学方程式： 一般来说，一般来说， A（自由能）的值总是小于（自由能）的值总是小于 U（焓）。（焓）。据估算，表面能的数值与化学反应中的能量变化相比较是相据估算，表面能的数值与化学反应中的能量变化相比较是相当小的。但是，一般认为这种能量是发生烧结的原动力。当小的。但是，一般认为这种能量是发生烧结的原动力。2021/5/23208 四、烧结四、烧结2.2烧结的基本过程烧结的基本过程 粉末的等温烧结过程大致可分为三个界限不十分明显的粉末的等温烧结过程大致可分为三个界限不十分明显的阶段：阶段：开始阶段、中间阶段以及最终阶段开始阶段、中间阶段以及最终阶段。具体过程如图。具体过程如图4-1所示。所示。 图图4-1 烧结阶段的示意图烧结阶段的示意图2021/5/23209 四、烧结四、烧结2.3烧结原动力烧结原动力 可应用库钦斯基的简化烧结模型，推导烧结原动力的计可应用库钦斯基的简化烧结模型，推导烧结原动力的计算公式。根据理想的两球模型（图算公式。根据理想的两球模型（图4-2）作用于烧结颈的应）作用于烧结颈的应力为：力为： 负号表示作用在曲颈面上的应力负号表示作用在曲颈面上的应力是是张力，张力，是曲率半径是曲率半径 图图4-2 烧结的两球模型烧结的两球模型 2021/5/23210 四、烧结四、烧结3. 烧结机构、烧结中的物质迁移烧结机构、烧结中的物质迁移 在烧结过程中，存在着两种类型的物质迁移结构在烧结过程中，存在着两种类型的物质迁移结构物物质的表面迁移和体积迁移（图质的表面迁移和体积迁移（图4-3）。）。 图图4-3两种类型的物质迁移两种类型的物质迁移 2021/5/23211 四、烧结四、烧结3.1开始阶段烧结开始阶段烧结 在烧结的开始阶段，假定开始时是单一球形的点接触，烧在烧结的开始阶段，假定开始时是单一球形的点接触，烧结颈长大可以用一般的通式来表示结颈长大可以用一般的通式来表示2021/5/23212 四、烧结四、烧结 3.1.1粘性流动机构模型粘性流动机构模型 1945年由佛兰克尔提出。它把烧结分成为两个过程，即年由佛兰克尔提出。它把烧结分成为两个过程，即粉末颗粒之间由点接触到面接触的变化过程和后期的孔隙收粉末颗粒之间由点接触到面接触的变化过程和后期的孔隙收缩过程。粘性流动被认为是以图缩过程。粘性流动被认为是以图4-4（a）那样的方式来进行）那样的方式来进行的，也就是由于应力的作用使原子或空位顺着应力的方向发的，也就是由于应力的作用使原子或空位顺着应力的方向发生流动。在体积扩散的情况下，则是由于存在空位浓度而使生流动。在体积扩散的情况下，则是由于存在空位浓度而使原子发生移动（图原子发生移动（图 4-4（b ） ）。两者是有一定差别的。）。两者是有一定差别的。 图图4-4 原子移动示意图原子移动示意图 （a）粘性流动；）粘性流动； （b）体积扩散）体积扩散2021/5/23213 四、烧结四、烧结 假定作用于烧结颈部的表面张力使物质发生迁移，则在假定作用于烧结颈部的表面张力使物质发生迁移，则在完全粘性流动时为：完全粘性流动时为： 上式经数学处理后可以得到：上式经数学处理后可以得到： 即烧结颈半径即烧结颈半径x的的2次方与烧结时间次方与烧结时间t成比例。库钦斯基成比例。库钦斯基采用的烧结模型，证实了佛兰克尔的上述关系。不过佛兰克采用的烧结模型，证实了佛兰克尔的上述关系。不过佛兰克尔的粘性流动机构实际上只适用于非晶体物质。尔的粘性流动机构实际上只适用于非晶体物质。 1955年，金捷里年，金捷里-伯格用玻璃球在玻璃板上烧结，实验伯格用玻璃球在玻璃板上烧结，实验结果也得出了结果也得出了x的的2次方与次方与t的直线关系。的直线关系。 2021/5/23214 四、烧结四、烧结3.1.2蒸发蒸发-凝聚机构凝聚机构 蒸气压差使原子会在粉末颗粒表面蒸发，在接触颈部凝蒸气压差使原子会在粉末颗粒表面蒸发，在接触颈部凝聚发生迁移，因而使烧结颈部长大。聚发生迁移，因而使烧结颈部长大。 假定在单位时间内，在接触处的单位面积上凝聚的物质假定在单位时间内，在接触处的单位面积上凝聚的物质为为G，则，则G与与P（平面饱和蒸气差）成比例，（平面饱和蒸气差）成比例，G=k P。经。经数学处理后便可以得到：数学处理后便可以得到： 即烧结颈半径即烧结颈半径x的三次方与烧结时间的三次方与烧结时间t成正比。成正比。 不过，只有那些具有较高蒸气压的物质才可能发生蒸发不过，只有那些具有较高蒸气压的物质才可能发生蒸发-凝聚的物质迁移过程。凝聚的物质迁移过程。 蒸发蒸发-凝聚对烧结后期孔隙的球化起作用。凝聚对烧结后期孔隙的球化起作用。2021/5/23215 四、烧结四、烧结3.1.3体积扩散机构体积扩散机构 在扩散理论中，认为晶格点阵中原子的迁移是原子连续在扩散理论中，认为晶格点阵中原子的迁移是原子连续迁移与空位交换位置的结果。图迁移与空位交换位置的结果。图4-5（a）表示了这种扩散机）表示了这种扩散机构。此外，图构。此外，图4-5（b）表示原子的间隙扩散机构，图）表示原子的间隙扩散机构，图4-5（c）表示原子间的相互换位或环转换位机构。）表示原子间的相互换位或环转换位机构。 图图4-5 三种扩散机构示意图三种扩散机构示意图 （a）空位扩散；）空位扩散； （b）间隙扩散；）间隙扩散； （c）相互换位或环转换位扩散）相互换位或环转换位扩散2021/5/23216 四、烧结四、烧结 在金属粉末的烧结过程中，空位及其在金属粉末的烧结过程中，空位及其扩散起着很重要的作用。在烧结的体积扩散扩散起着很重要的作用。在烧结的体积扩散机构中，空位体积的扩散可以使空位向晶界、机构中，空位体积的扩散可以使空位向晶界、晶粒内和颗粒表面扩散来进行。晶粒内和颗粒表面扩散来进行。 烧结如果以体积扩散机构进行，则烧烧结如果以体积扩散机构进行，则烧结颈半径结颈半径x的的5次方与次方与t成比例。数学表达式成比例。数学表达式为：为：2021/5/23217 四、烧结四、烧结3.1.4表面扩散机构表面扩散机构 金属表面即使能够做成在物理上没有金属表面即使能够做成在物理上没有畸变的表面，其原子排列也是呈阶梯状的。畸变的表面，其原子排列也是呈阶梯状的。因此表面原子很易发生移动和扩散。因此表面原子很易发生移动和扩散。 实验表明：在低温烧结时占优势的不实验表明：在低温烧结时占优势的不是体积扩散而是表面扩散，事实上烧结过程是体积扩散而是表面扩散，事实上烧结过程中颗粒的相互联结，首先就是在颗粒表面上中颗粒的相互联结，首先就是在颗粒表面上进行的。进行的。2021/5/23218 四、烧结四、烧结 表面扩散机构也是在表面的原子与表表面扩散机构也是在表面的原子与表面的空位互相交换位置而进行的。表面扩散面的空位互相交换位置而进行的。表面扩散机构可用下式表达：机构可用下式表达： 该式表明在表面扩散机构占优势时，该式表明在表面扩散机构占优势时，接触颈部半径接触颈部半径x的的7次方与烧结时间次方与烧结时间t成正比。成正比。2021/5/23219 四、烧结四、烧结3.1.5晶界扩散机构晶界扩散机构 空位扩散时，晶界可以作为空位空位扩散时，晶界可以作为空位“阱阱”。晶界。晶界扩散在许多反应或过程中起着重要作用。扩散在许多反应或过程中起着重要作用。 晶界对烧结的重要性有两方面：晶界对烧结的重要性有两方面：（1）烧结时，在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界。）烧结时，在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界。特别是细粉末烧结后形成许多网状晶界与孔隙相互特别是细粉末烧结后形成许多网状晶界与孔隙相互交错，使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易交错，使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易通过邻接的晶界进行扩散或被吸收；通过邻接的晶界进行扩散或被吸收；（2）晶界扩散的激活能只是体积扩散激活能的一半，）晶界扩散的激活能只是体积扩散激活能的一半，而扩散系数要大而扩散系数要大1000倍，并且随着温度的降低，倍，并且随着温度的降低，这种差别会增大。这种差别会增大。2021/5/23220 如果两个粉末颗粒的接触表面形成了如果两个粉末颗粒的接触表面形成了晶界，那么，靠近接触颈部的过剩空位就可晶界，那么，靠近接触颈部的过剩空位就可以通过晶界进行扩散。原子则沿空位扩散的以通过晶界进行扩散。原子则沿空位扩散的相反方向流入接触颈部表面。这样就使接触相反方向流入接触颈部表面。这样就使接触颈部通过晶界扩散而长大，两个颗粒中心相颈部通过晶界扩散而长大，两个颗粒中心相互靠近。互靠近。2021/5/23221 四、烧结四、烧结 晶界对烧结颈长大和烧结体收缩的作用，可用图晶界对烧结颈长大和烧结体收缩的作用，可用图4-7来说来说明。明。 （a）无晶界；）无晶界； （b）有晶界）有晶界图图4-7 空位从颗粒接触面向颗粒表面或晶界扩散的模型空位从颗粒接触面向颗粒表面或晶界扩散的模型 如果颗粒接触面上未形成晶界，空位只能从烧结颈通过如果颗粒接触面上未形成晶界，空位只能从烧结颈通过颗粒内向表面扩散，原子由颗粒表面填补烧结颈区；若有晶颗粒内向表面扩散，原子由颗粒表面填补烧结颈区；若有晶界存在，烧结颈边缘的过剩空位将扩散到晶界上消失，结果界存在，烧结颈边缘的过剩空位将扩散到晶界上消失，结果是颗粒间距缩短，发生收缩。是颗粒间距缩短，发生收缩。2021/5/23222 四、烧结四、烧结3.1.6塑性流动机构塑性流动机构 烧结颈形成和长大可看成是金属粉末在表面张烧结颈形成和长大可看成是金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形的结果。塑性流动与粘性流力作用下发生塑性变形的结果。塑性流动与粘性流动不同，外应力必须通过塑性材料的屈服应力才能动不同，外应力必须通过塑性材料的屈服应力才能发生。发生。 塑性流动理论的最新发展是将高温微蠕变理论塑性流动理论的最新发展是将高温微蠕变理论应用于烧结过程。金属的高温蠕变是在恒定的低应应用于烧结过程。金属的高温蠕变是在恒定的低应力下发生的微变形过程。力下发生的微变形过程。 经验表明烧结过程中，接触颈部半径经验表明烧结过程中，接触颈部半径x的的9次次方与烧结时间方与烧结时间t成比例。塑性流动适用于金属粉末成比例。塑性流动适用于金属粉末烧结的早期阶段。烧结的早期阶段。2021/5/23223 四、烧结四、烧结3.1.7小结小结 综上所述，烧结过程中粉末颗粒的粘结是综上所述，烧结过程中粉末颗粒的粘结是一个十分复杂的过程，由许多方面的因素决定。一个十分复杂的过程，由许多方面的因素决定。在具体的烧结过程中，何种机构起主导作用，在具体的烧结过程中，何种机构起主导作用，要由具体情况而定。如细粉末颗粒烧结时，表要由具体情况而定。如细粉末颗粒烧结时，表面扩散机构可能起着决定作用；在高温烧结时，面扩散机构可能起着决定作用；在高温烧结时，主要是体积扩散机构；某些易于蒸发的金属粉主要是体积扩散机构；某些易于蒸发的金属粉末烧结时，可能蒸发末烧结时，可能蒸发-凝聚的过程起着十分重凝聚的过程起着十分重要的作用；加压烧结时，则起主要作用的将是要的作用；加压烧结时，则起主要作用的将是塑性流动机构。塑性流动机构。2021/5/23224（1）当讨论粉末粒度对烧结开始阶段的影响时，考）当讨论粉末粒度对烧结开始阶段的影响时，考虑粉末的分布特性是很重要的。如果物质迁移机构虑粉末的分布特性是很重要的。如果物质迁移机构是已知的话，那么粉末粒度变化的影响是可以预测是已知的话，那么粉末粒度变化的影响是可以预测的。烧结并不只是单一的烧结机构起作用。许多材的。烧结并不只是单一的烧结机构起作用。许多材料是由包括几个物质迁移模式在内的复杂过程来进料是由包括几个物质迁移模式在内的复杂过程来进行烧结的。随着粉末粒度的变化，由于对粒度不同行烧结的。随着粉末粒度的变化，由于对粒度不同的敏感性，因而有可能改变占优势的烧结机构。的敏感性，因而有可能改变占优势的烧结机构。 通常，细的粉末颗粒有利于借助表面扩散来进通常，细的粉末颗粒有利于借助表面扩散来进行的烧结。体积扩散对粉末颗粒大小的敏感性不及行的烧结。体积扩散对粉末颗粒大小的敏感性不及表面扩散和晶界扩散。表面扩散和晶界扩散。2021/5/23225 四、烧结四、烧结 （2）收缩率对烧结过程是个有用的参数。由）收缩率对烧结过程是个有用的参数。由于在压坯中存在着密度的梯度，密度梯度将会在烧于在压坯中存在着密度的梯度，密度梯度将会在烧结过程中有不同的收缩。对于一些材料来说，高的结过程中有不同的收缩。对于一些材料来说，高的密度是通过烧结时的收缩来达到的。在这种情况下，密度是通过烧结时的收缩来达到的。在这种情况下，烧结过程中的物质体积迁移活动是十分重要的。烧结过程中的物质体积迁移活动是十分重要的。 烧结开始阶段，如上所述的收缩烧结模式只有烧结开始阶段，如上所述的收缩烧结模式只有在最初的收缩率为在最初的收缩率为3%时才是有效的。图时才是有效的。图4-8为细为细不锈钢粉在氢气中烧结的收缩行为。不锈钢粉在氢气中烧结的收缩行为。2021/5/23226 四、烧结四、烧结 图图4-8 细水雾化不锈钢粉在烧结时的致密化和收缩细水雾化不锈钢粉在烧结时的致密化和收缩 （3）表面积变化测定的优点是对于所有物质迁移机构均）表面积变化测定的优点是对于所有物质迁移机构均适用。适用。 表表4-3是不同物质迁移机构的表面积减少指数；图是不同物质迁移机构的表面积减少指数；图4-9为为两个铜粉在两个铜粉在1010烧结时表面积减少的例子。烧结时表面积减少的例子。 （4）致密化参数是烧结时压坯密度变化的另一检测法。）致密化参数是烧结时压坯密度变化的另一检测法。2021/5/23227 四、烧结四、烧结 图图4-9 铜粉烧结时的表面积减少铜粉烧结时的表面积减少 2021/5/23228 四、烧结四、烧结3.2中间阶段烧结中间阶段烧结 中间阶段烧结是决定压坯性能的最重要阶段。这阶段可中间阶段烧结是决定压坯性能的最重要阶段。这阶段可以用烧结体的致密化和晶粒长大来表征。在一些情况中，烧以用烧结体的致密化和晶粒长大来表征。在一些情况中，烧结时不允许烧结体有尺寸的变化。为此，通常采用较短的烧结时不允许烧结体有尺寸的变化。为此，通常采用较短的烧结时间、较低的烧结温度和较高的压制压力相配合，从而达结时间、较低的烧结温度和较高的压制压力相配合，从而达到最低程度的致密化。到最低程度的致密化。 在中间阶段烧结时，晶粒边界和孔隙的几何形状（如图在中间阶段烧结时，晶粒边界和孔隙的几何形状（如图4-10所示）控制着烧结的速率。所示）控制着烧结的速率。 图图4-10中间阶段烧结时，孔隙结构及其相互联系中间阶段烧结时，孔隙结构及其相互联系2021/5/23229 四、烧结四、烧结 在烧结时孔隙与晶界之间的作用可能有两种形式在烧结时孔隙与晶界之间的作用可能有两种形式：（：（1）孔隙可能在晶粒长大时被运动着的晶界所平直化；（孔隙可能在晶粒长大时被运动着的晶界所平直化；（2）晶界）晶界可能从孔隙处中断。可能从孔隙处中断。 考虑到两种可能，孔隙可以占据晶粒的棱边，或者占据考虑到两种可能，孔隙可以占据晶粒的棱边，或者占据晶粒内部的位置。前者可以发生烧结体的致密化；而后者的晶粒内部的位置。前者可以发生烧结体的致密化；而后者的情况则没有致密化发生，成了闭孔隙。图情况则没有致密化发生，成了闭孔隙。图4-11为孔隙为孔隙-晶粒晶粒边界的分布形貌示意。边界的分布形貌示意。 图图4-11 孔隙孔隙-晶粒边界在中间阶段烧结时的两种可能性晶粒边界在中间阶段烧结时的两种可能性 （a）能致密化；）能致密化； （b）不能致密化）不能致密化2021/5/23230 四、烧结四、烧结 限制烧结时的晶粒长大，可获得高的烧结密度。晶粒长大限制烧结时的晶粒长大，可获得高的烧结密度。晶粒长大的速率取决于晶界移动和在晶界上所受到的力。晶界上所受的速率取决于晶界移动和在晶界上所受到的力。晶界上所受到的力由曲率半径、晶界能量和晶粒大小来决定。对于多孔到的力由曲率半径、晶界能量和晶粒大小来决定。对于多孔固体（假定没有孔隙固体（假定没有孔隙-晶界的分离），晶粒大小晶界的分离），晶粒大小G与时间与时间t的的关系可表示为：关系可表示为： 决定中间阶段烧结时的致密化速率，需作些简化的假设。决定中间阶段烧结时的致密化速率，需作些简化的假设。假定几何形状为位于晶粒棱边上的圆柱形。如果孔隙的消失假定几何形状为位于晶粒棱边上的圆柱形。如果孔隙的消失过程是借助体积扩散来达到，根据菲克定律和凯尔文公式可过程是借助体积扩散来达到，根据菲克定律和凯尔文公式可以表示为：以表示为： 致密化速率可以表达为：致密化速率可以表达为：2021/5/23231 四、烧结四、烧结 图图4-12的模型说明晶界对收缩的作用。图中（的模型说明晶界对收缩的作用。图中（a）表示）表示孔隙周围的空位向晶界（空位阱）扩散并被其吸收，使孔隙孔隙周围的空位向晶界（空位阱）扩散并被其吸收，使孔隙缩小，烧结体收缩；图中（缩小，烧结体收缩；图中（b）晶界上孔隙周围的空位沿晶界）晶界上孔隙周围的空位沿晶界（扩散通道）向两端扩散，消失在烧结体之外，也使孔隙缩（扩散通道）向两端扩散，消失在烧结体之外，也使孔隙缩小，烧结体收缩。小，烧结体收缩。 图图4-12 晶界、空位与收缩的关系模型晶界、空位与收缩的关系模型 （a)晶界成为空位阱；（晶界成为空位阱；（b)晶界成为空位扩散通道晶界成为空位扩散通道 由上可知，烧结过程的致密化明显取决于晶粒大小、密由上可知，烧结过程的致密化明显取决于晶粒大小、密度、烧结温度和烧结时间。其中烧结温度的效果占优势。度、烧结温度和烧结时间。其中烧结温度的效果占优势。2021/5/23232 四、烧结四、烧结 在烧结的中间阶段，孔隙的消失是与晶粒长大和孔隙尺在烧结的中间阶段，孔隙的消失是与晶粒长大和孔隙尺寸的减少一起发生的，原动力的变化引起表面积的变化为：寸的减少一起发生的，原动力的变化引起表面积的变化为： 综上所述，在粉末未加压烧结的致密化过程中，体积扩综上所述，在粉末未加压烧结的致密化过程中，体积扩散、晶界扩散起主导作用。尤其是后期，晶界对致密化有很散、晶界扩散起主导作用。尤其是后期，晶界对致密化有很重要的作用。如欲促进烧结过程，首先要提高空位或原子的重要的作用。如欲促进烧结过程，首先要提高空位或原子的扩散系数，这就要求高温加热。在致密化后期要防止晶粒长扩散系数，这就要求高温加热。在致密化后期要防止晶粒长大和晶界减少，甚至可积极制造晶界。为了防止晶粒长大，大和晶界减少，甚至可积极制造晶界。为了防止晶粒长大，可以加入少量的能阻碍晶粒长大、而且在高温时是稳定的碳可以加入少量的能阻碍晶粒长大、而且在高温时是稳定的碳化物、氧化物等添加剂。这些添加物的粒度要尽量细，而且化物、氧化物等添加剂。这些添加物的粒度要尽量细，而且能很均匀地分布在物料中。能很均匀地分布在物料中。2021/5/23233 四、烧结四、烧结3.3最终阶段烧结最终阶段烧结 烧结的最终阶段是一个很缓慢的过程。在该阶段借助烧结的最终阶段是一个很缓慢的过程。在该阶段借助于体积扩散机构将发生孔隙的孤立、球化以及收缩。在此于体积扩散机构将发生孔隙的孤立、球化以及收缩。在此阶段中，孔隙的孤立可用图阶段中，孔隙的孤立可用图4-13来说明。来说明。 图图4-13 孔隙孤立和球化过程示意孔隙孤立和球化过程示意2021/5/23234 四、烧结四、烧结 在最终阶段烧结过程中，孔隙消失速率可用下式表示：在最终阶段烧结过程中，孔隙消失速率可用下式表示： 在大多数的材料中，在烧结的最终阶段时的孔隙大小分在大多数的材料中，在烧结的最终阶段时的孔隙大小分布，是由粉末的粒度分布和它的堆积方式造成的。图布，是由粉末的粒度分布和它的堆积方式造成的。图4-14为为烧结铁粉的孔隙度、晶粒大小、孔隙大小与烧结时间的关系，烧结铁粉的孔隙度、晶粒大小、孔隙大小与烧结时间的关系，孔隙大小将随烧结时间的延长而粗化，单个孔隙尺寸增大，孔隙大小将随烧结时间的延长而粗化，单个孔隙尺寸增大，但其晶粒大小仍按公式：但其晶粒大小仍按公式： 长大。长大。 图图4-14 孔隙度、晶粒大小和孔隙大小与烧结时间的关系孔隙度、晶粒大小和孔隙大小与烧结时间的关系2021/5/23235 四、烧结四、烧结3.4烧结体显微组织的变化烧结体显微组织的变化3.4.1孔隙的变化孔隙的变化 图图4-15示意地描述了粉末颗粒烧结时，接触点颈部长大示意地描述了粉末颗粒烧结时，接触点颈部长大与球形孔隙形成的过程。与球形孔隙形成的过程。 图图4-15 粉末颗粒烧结时，接触点颈部长大与球形孔隙形成过程示意图粉末颗粒烧结时，接触点颈部长大与球形孔隙形成过程示意图2021/5/23236 四、烧结四、烧结3.4.2烧结过程中的再结晶及晶粒长大烧结过程中的再结晶及晶粒长大 粉末的粒度、形状和表面状况、成形压力以及烧结的温粉末的粒度、形状和表面状况、成形压力以及烧结的温度和时间均对再结晶和晶粒长大有显著影响。再结晶的核心度和时间均对再结晶和晶粒长大有显著影响。再结晶的核心多数是产生于粉末颗粒的接触点或接触面上。形核后的晶粒多数是产生于粉末颗粒的接触点或接触面上。形核后的晶粒长大是通过吸收形变过的颗粒基体来进行的，可以使晶界由长大是通过吸收形变过的颗粒基体来进行的，可以使晶界由一个颗粒向另一个颗粒移动。图一个颗粒向另一个颗粒移动。图4-16示意地描述了这种形核、示意地描述了这种形核、再结晶和晶粒长大地过程。再结晶和晶粒长大地过程。 图图4-16在烧结过程中晶核的形成、再结晶和晶粒长大示意图在烧结过程中晶核的形成、再结晶和晶粒长大示意图2021/5/23237 四、烧结四、烧结 A 孔隙的影响孔隙的影响 孔隙是阻止晶界移动和晶粒长大的主要因素。孔隙阻碍孔隙是阻止晶界移动和晶粒长大的主要因素。孔隙阻碍晶粒长大在很大程度上取决于粉末的粒度。图晶粒长大在很大程度上取决于粉末的粒度。图4-17表示晶界表示晶界如有孔隙，晶界长度就减少。图如有孔隙，晶界长度就减少。图4-18显示了晶界扫过晶粒面显示了晶界扫过晶粒面上的无数小孔隙向前移动的情况。上的无数小孔隙向前移动的情况。 图图4-17 孔隙阻止晶界移动示意孔隙阻止晶界移动示意 图图4-18 氧化铝烧结时，由于晶界的移动而扫除了氧化铝烧结时，由于晶界的移动而扫除了 孔隙，原来的晶界位置如虚线所示孔隙，原来的晶界位置如虚线所示2021/5/23238 四、烧结四、烧结 B 第二相的作用第二相的作用 如图如图4-19所示，当原始晶界（所示，当原始晶界（a）移动碰到第二相质点，）移动碰到第二相质点，例如杂质时，晶界首先弯曲，晶界线拉长，如图中（例如杂质时，晶界首先弯曲，晶界线拉长，如图中（b）所示。）所示。但这时杂质相的原始界面的一部分也变为晶界，使系统总的但这时杂质相的原始界面的一部分也变为晶界，使系统总的相界面和能量仍维持不变。但如果晶界继续移动，超越杂质相界面和能量仍维持不变。但如果晶界继续移动，超越杂质相（图中（相（图中（c），基体和杂质相的那部分界面就得到恢复，），基体和杂质相的那部分界面就得到恢复，系统又需增加一部分能量。所以，晶界是不容易挣脱质点的系统又需增加一部分能量。所以，晶界是不容易挣脱质点的障碍向前移动的。障碍向前移动的。 图图4-19 晶界移动通过第二相质点晶界移动通过第二相质点2021/5/23239 四、烧结四、烧结 C 晶界沟的影响晶界沟的影响 在多晶材料内，露出晶体表面的晶界形成所谓的晶界沟在多晶材料内，露出晶体表面的晶界形成所谓的晶界沟（图（图4-20（a）。当晶界沟上的晶界移动时（图）。当晶界沟上的晶界移动时（图4-20（b），晶界面将增加，使系统界面自由能增高。因此，晶），晶界面将增加，使系统界面自由能增高。因此，晶界沟是阻止晶界移动或晶粒长大的。在致密材料中，它的阻界沟是阻止晶界移动或晶粒长大的。在致密材料中，它的阻碍作用不很强。但粉末烧结材料的晶粒细，且粉末在高温烧碍作用不很强。但粉末烧结材料的晶粒细，且粉末在高温烧结后形成许多类似金属高温退火的晶界沟，阻碍作用较明显。结后形成许多类似金属高温退火的晶界沟，阻碍作用较明显。 图图4-20 晶界沟的影响晶界沟的影响 2021/5/23240 四、烧结四、烧结4. 混合粉末的烧结混合粉末的烧结4.1多元互溶系固相烧结多元互溶系固相烧结 多元系固相烧结有三种情况：（多元系固相烧结有三种情况：（1）均匀（单相）固溶体；）均匀（单相）固溶体； （2）混合粉末；（）混合粉末；（3）烧结过程中固溶体分解。但一般讨论）烧结过程中固溶体分解。但一般讨论混合粉末的烧结较为实际。混合粉末的烧结较为实际。 使用金属粉末的混合物进行烧结，通常是为了实现其合使用金属粉末的混合物进行烧结，通常是为了实现其合金化。采用混合粉末来代替预合金粉末的优点是：（金化。采用混合粉末来代替预合金粉末的优点是：（1）容易）容易改变成分；（改变成分；（2）由于这类粉末具有低的强度、硬度以及加工）由于这类粉末具有低的强度、硬度以及加工硬化现象，所以容易进行压制成形；（硬化现象，所以容易进行压制成形；（3）有较高的压坯密度）有较高的压坯密度和强度；（和强度；（4）可能形成均匀的显微组织；（）可能形成均匀的显微组织；（5）有一些与烧）有一些与烧结致密化相关的可能的优点。结致密化相关的可能的优点。 2021/5/23241 四、烧结四、烧结4.1.1无限互溶的混合粉末烧结无限互溶的混合粉末烧结 铜铜-镍、铜镍、铜-钴、铜钴、铜-金、银金、银-金、钨金、钨-钼、铁钼、铁-镍等都属于无镍等都属于无限互溶的混合粉末。限互溶的混合粉末。 图图4-21为相互无限溶解的二元系统为相互无限溶解的二元系统 模型。假定粉末的几何形状为球形。开模型。假定粉末的几何形状为球形。开 始时，始时，t00，浓度梯度呈台阶状。随，浓度梯度呈台阶状。随 着烧结时间的延长，浓度梯度逐渐减缓。着烧结时间的延长，浓度梯度逐渐减缓。 最终，当最终，当t时，达到一个常数值。通时，达到一个常数值。通 常，粉末颗粒较细，烧结温度较高，常，粉末颗粒较细，烧结温度较高， 以及烧结时间较长，则混合粉末的均匀以及烧结时间较长，则混合粉末的均匀 化程度就较好。化程度就较好。 图图4-21 二元混合粉末的均匀化二元混合粉末的均匀化2021/5/23242 四、烧结四、烧结 均匀化程度可以用定量金相、均匀化程度可以用定量金相、X线衍射或探针技术来测定。线衍射或探针技术来测定。图图4-22为为80铜铜-20镍的合金在镍的合金在950烧结前后的烧结前后的X线衍线衍射强度分布曲线。随着烧结时间的延长，衍射强度分布曲线射强度分布曲线。随着烧结时间的延长，衍射强度分布曲线愈窄，表明合金成分愈均匀。愈窄，表明合金成分愈均匀。 图图4-22 80铜铜-20镍烧结的镍烧结的X线衍射强度分布曲线线衍射强度分布曲线 图图4-23 在铜在铜-镍混合粉末系统中的镍混合粉末系统中的 烧结温度为烧结温度为950 致密化和均匀化致密化和均匀化2021/5/23243 四、烧结四、烧结 在混合粉末的烧结系统中，由于存在均匀化过程而会变在混合粉末的烧结系统中，由于存在均匀化过程而会变得复杂化。在得复杂化。在1000 烧结的铜烧结的铜-镍合金系统中，铜向镍中扩镍合金系统中，铜向镍中扩散的速率比镍扩散到铜中要快。因此，烧结致密化可能会由散的速率比镍扩散到铜中要快。因此，烧结致密化可能会由于不同的偏扩散系数引起的膨胀而被抵消。于不同的偏扩散系数引起的膨胀而被抵消。 图图4-23是采用是采用44m的铜粉和的铜粉和5571m的镍粉所组成的镍粉所组成的合金系统的烧结结果。烧结体密度显示出其取决于镍的数的合金系统的烧结结果。烧结体密度显示出其取决于镍的数量、烧结时间和烧结温度。在镍含量低的时候，膨胀发生在量、烧结时间和烧结温度。在镍含量低的时候，膨胀发生在烧结的中间时间。因此在烧结过程的早期，由于不同的扩散烧结的中间时间。因此在烧结过程的早期，由于不同的扩散能力而有孔隙形成的可能性。均匀化之后，孔隙的消失是明能力而有孔隙形成的可能性。均匀化之后，孔隙的消失是明显的。显的。 烧结时的均匀化可以代替由预合金粉末成形的压坯。烧结时的均匀化可以代替由预合金粉末成形的压坯。2021/5/23244 四、烧结四、烧结4.1.2有限互溶的混合粉末烧结有限互溶的混合粉末烧结 有限互溶混合粉末的烧结合金有铁有限互溶混合粉末的烧结合金有铁-碳、铁碳、铁-铜、钨铜、钨-镍、镍、银银-镍等，这类合金烧结后得到的是多相合金。镍等，这类合金烧结后得到的是多相合金。 在有限互溶混合粉末烧结时的收缩过程中，可以发现收在有限互溶混合粉末烧结时的收缩过程中，可以发现收缩与合金中的元素含量有关。还可以发现有时会出现金属间缩与合金中的元素含量有关。还可以发现有时会出现金属间化合物相。镍化合物相。镍-钨粉末混合物烧结时，钨粉末混合物烧结时， 浓度与收缩就存在如图浓度与收缩就存在如图4-24所所 示的曲线关系。压坯的长大现象示的曲线关系。压坯的长大现象 与钨向镍的单向扩散和形成扩散与钨向镍的单向扩散和形成扩散 孔隙有关。孔隙有关。 在有限互溶混合粉末烧结中，在有限互溶混合粉末烧结中， 其烧结体性能与许多因素有关。其烧结体性能与许多因素有关。 图图4-24 镍镍-钨的收缩与浓度的关系钨的收缩与浓度的关系 2021/5/23245 四、烧结四、烧结4.1.3互不溶解的混合粉末烧结互不溶解的混合粉末烧结 互不溶解的混合粉末烧结几乎包括了用粉末冶金方法制互不溶解的混合粉末烧结几乎包括了用粉末冶金方法制取的一切典型的复合材料，例如金属取的一切典型的复合材料，例如金属-金属、金属金属、金属-非金属、非金属、金属金属-氧化物以及金属氧化物以及金属-化合物等。化合物等。 互不溶解的两种粉末混合后，能否进行烧结的条件是互不溶解的两种粉末混合后，能否进行烧结的条件是表面自由能的减小：表面自由能的减小： 如果在满足上式的前提下：如果在满足上式的前提下： 若若 ，则在颗粒，则在颗粒A和和B之间形成烧结颈，并且颗之间形成烧结颈，并且颗粒间的接触表面有一些凸出，凸出的方向朝向表面能低的组粒间的接触表面有一些凸出，凸出的方向朝向表面能低的组元。元。 若若 ，则烧结过程要分两阶段进行。首先是低，则烧结过程要分两阶段进行。首先是低表面能组元通过表面扩散来包围另一种组元，而后就与单相表面能组元通过表面扩散来包围另一种组元，而后就与单相烧结一样烧结。烧结一样烧结。2021/5/23246 四、烧结四、烧结4.2混合粉末的液相烧结和熔浸混合粉末的液相烧结和熔浸4.2.1液相烧结的条件液相烧结的条件 A 润湿性润湿性 如果液滴能够完全分散在固体表面上，被称为完全润湿。如果液滴能够完全分散在固体表面上，被称为完全润湿。润湿角（或接触角）润湿角（或接触角） 的大小就是润湿性的标志（图的大小就是润湿性的标志（图4 -25）。完全润湿时，）。完全润湿时， ； 而不完全润湿时，而不完全润湿时， 。 图图4-25 液相润湿固相平衡图液相润湿固相平衡图 图图4-26 与液相接触的二面角形成与液相接触的二面角形成 2021/5/23247 四、烧结四、烧结 当当 时，可以说液体能够润湿固体表面。时，可以说液体能够润湿固体表面。 当当 ，烧结开始时，液相即使生成也会溢出烧结，烧结开始时，液相即使生成也会溢出烧结体外，这种现象称为渗漏。渗漏的存在会使液相烧结的致密体外，这种现象称为渗漏。渗漏的存在会使液相烧结的致密化过程不能完成。液相只有具备完全或部分润湿的条件，才化过程不能完成。液相只有具备完全或部分润湿的条件，才能渗入颗粒的微孔、裂隙，甚至晶粒间界（图能渗入颗粒的微孔、裂隙，甚至晶粒间界（图4-26 ）。由）。由图图4-26可见，当二面角愈小时，液相渗进固相界面愈深。可见，当二面角愈小时，液相渗进固相界面愈深。 但润湿角不是固定不变的，随烧结时间的延长和烧结温但润湿角不是固定不变的，随烧结时间的延长和烧结温度的提高，润湿角会减少，而使润湿性也得到改善。向液相度的提高，润湿角会减少，而使润湿性也得到改善。向液相金属中添加某些表面活性物质，可改善许多金属或化合物的金属中添加某些表面活性物质，可改善许多金属或化合物的润湿性。粉末表面存在吸附气体、杂质，或存在氧化膜、油润湿性。粉末表面存在吸附气体、杂质，或存在氧化膜、油污等均会降低液体对粉末的润湿性。污等均会降低液体对粉末的润湿性。2021/5/23248 四、烧结四、烧结 B 溶解度溶解度 固相在液相中有一定的溶解度是液相烧结的又一条件。固相在液相中有一定的溶解度是液相烧结的又一条件。因为固相在液相中有限溶解可以改善润湿性，可以相对增加因为固相在液相中有限溶解可以改善润湿性，可以相对增加液相数量，还可以借助液相进行物质迁移。液相数量，还可以借助液相进行物质迁移。 C 液相数量液相数量 液相烧结时，液相数量应以液相填满颗粒的间隙为限度。液相烧结时，液相数量应以液相填满颗粒的间隙为限度。一般认为，液相数量以不超过烧结体体积的一般认为，液相数量以不超过烧结体体积的35为宜，超过为宜，超过这个值则不能保证烧结件的形状和尺寸；液相数量过少，则这个值则不能保证烧结件的形状和尺寸；液相数量过少，则烧结体内会残留一部分不被液相填充的小孔，而且固相颗粒烧结体内会残留一部分不被液相填充的小孔，而且固相颗粒也会因彼此直接接触而过分的烧结长大。也会因彼此直接接触而过分的烧结长大。 液相烧结时的液相数量可以由于多种原因而发生变化。液相烧结时的液相数量可以由于多种原因而发生变化。2021/5/23249 四、烧结四、烧结4.2.2液相烧结的基本过程液相烧结的基本过程 液相烧结过程大致可以划分为三个不十分明显液相烧结过程大致可以划分为三个不十分明显的阶段。在实际中，任何一个系统，这三个阶段都的阶段。在实际中，任何一个系统，这三个阶段都是互相重叠的。是互相重叠的。 （1）生成液相和颗粒重新分布阶段生成液相和颗粒重新分布阶段 颗粒间孔隙中液相所形成的毛细管力以及液相颗粒间孔隙中液相所形成的毛细管力以及液相本身的粘性流动，使颗粒调整位置，重新分布以达本身的粘性流动，使颗粒调整位置，重新分布以达到最紧密的排布，在这个阶段，烧结体密度迅速增到最紧密的排布，在这个阶段，烧结体密度迅速增大。大。2021/5/23250 图图4-25为液相内的孔隙或凹面所产生的毛细为液相内的孔隙或凹面所产生的毛细管应力使粉末颗粒相互靠拢示意图。毛细管的应力管应力使粉末颗粒相互靠拢示意图。毛细管的应力P与液相的表面张力或表面能与液相的表面张力或表面能 成正比，与凹面的成正比，与凹面的曲率半径曲率半径 成反比：成反比： 对于微细粉末来说，在此应力作用下，粉末颗对于微细粉末来说，在此应力作用下，粉末颗粒互相靠拢，从而提高了压坯的密度。粒互相靠拢，从而提高了压坯的密度。 图图4-25 液相烧结时颗粒彼此靠拢液相烧结时颗粒彼此靠拢2021/5/23251 四、烧结四、烧结 （2）溶解和析出阶段溶解和析出阶段 在细小的粉末颗粒在液相中溶解的同时，也在细小的粉末颗粒在液相中溶解的同时，也会在粗颗粒表面上有析出的颗粒，这样就使粗颗粒会在粗颗粒表面上有析出的颗粒，这样就使粗颗粒长大和球形化。物质的迁移是通过液相的扩散来进长大和球形化。物质的迁移是通过液相的扩散来进行的。在此阶段，由于相邻颗粒中心的靠近而发生行的。在此阶段，由于相邻颗粒中心的靠近而发生收缩。收缩。 （3）固相的粘结或形成刚性骨架阶段固相的粘结或形成刚性骨架阶段 经过前面两个阶段，颗粒之间靠拢，在颗粒经过前面两个阶段，颗粒之间靠拢，在颗粒接触表面同时产生固相烧结，使颗粒彼此粘合，形接触表面同时产生固相烧结，使颗粒彼此粘合，形成坚固的固相骨架。这时，剩余液相充填于骨架间成坚固的固相骨架。这时，剩余液相充填于骨架间隙，这阶段以固相烧结为主，致密化已显著减慢。隙，这阶段以固相烧结为主，致密化已显著减慢。2021/5/232524.2.3液相烧结时的致密化和颗粒长大液相烧结时的致密化和颗粒长大 在液相烧结的三个基本过程中，烧结体的致密在液相烧结的三个基本过程中，烧结体的致密化系数与烧结时间的关系如图化系数与烧结时间的关系如图4-26所示，致密化所示，致密化系数为：系数为： 影响致密化的因素有：液相数量、液相对固相影响致密化的因素有：液相数量、液相对固相的润湿性、各个界面的界面能、固相颗粒大小、固的润湿性、各个界面的界面能、固相颗粒大小、固相与液相间的相互溶解度以及压坯密度等。相与液相间的相互溶解度以及压坯密度等。2021/5/23253 四、烧结四、烧结 图图4-26 液相烧结致密化过程液相烧结致密化过程 2021/5/23254 四、烧结四、烧结 在液相烧结时，固相颗粒长大一般可以通过两在液相烧结时，固相颗粒长大一般可以通过两个过程来进行。个过程来进行。 （1）细小颗粒溶解在液相中，而后通过液相）细小颗粒溶解在液相中，而后通过液相扩散在粗大颗粒表面上沉淀析出；扩散在粗大颗粒表面上沉淀析出； （2）通过颗粒中晶界的移动来进行颗粒的聚）通过颗粒中晶界的移动来进行颗粒的聚集长大，研究通过溶解集长大，研究通过溶解-析出过程来改变颗粒的外析出过程来改变颗粒的外形。形。 2021/5/23255 四、烧结四、烧结4.2.4熔浸熔浸 将粉末压坯与液体金属接触或埋在液体金属内，让压坯将粉末压坯与液体金属接触或埋在液体金属内，让压坯的孔隙被金属液充填，冷却下来就得到致密材料或零件，这的孔隙被金属液充填，冷却下来就得到致密材料或零件，这种工艺称为熔浸或熔渗。从本质上来说，它是液相烧结的一种工艺称为熔浸或熔渗。从本质上来说，它是液相烧结的一种特殊情形。其区别在于熔浸的致密化主要靠易熔成分从外种特殊情形。其区别在于熔浸的致密化主要靠易熔成分从外面来填满压坯中的空隙，而不是靠压坯本身的收缩。面来填满压坯中的空隙，而不是靠压坯本身的收缩。 熔浸必须具备的基本条件为：（熔浸必须具备的基本条件为：（1）骨架材料与熔浸金）骨架材料与熔浸金属材料的熔点相差较大，不致造成零件变形；（属材料的熔点相差较大，不致造成零件变形；（2）熔浸金属）熔浸金属应能很好润湿骨架材料，即润湿角应能很好润湿骨架材料，即润湿角 ；（；（3）骨架与熔）骨架与熔浸金属之间不发生互溶或溶解度不大，以避免在熔浸过程中浸金属之间不发生互溶或溶解度不大，以避免在熔浸过程中产生新相而致使液相消失；（产生新相而致使液相消失；（4）熔浸金属的量应以填满压坯）熔浸金属的量应以填满压坯中的空隙为限度，过多或过少均为不利。中的空隙为限度，过多或过少均为不利。2021/5/23256 四、烧结四、烧结 熔浸主要应用于生产电接触材料、机械零件以熔浸主要应用于生产电接触材料、机械零件以及金属陶瓷材料和复合材料。及金属陶瓷材料和复合材料。 熔浸的方式如图熔浸的方式如图4-29所示。最简便的是接触所示。最简便的是接触法（图中法（图中c）。总的说来，熔浸法的生产效率较低。）。总的说来，熔浸法的生产效率较低。 图图4-29 熔浸方式熔浸方式2021/5/23257 四、烧结四、烧结5. 强化烧结强化烧结5.1活化烧结活化烧结 采用化学或物理的措施使烧结温度降低，烧结过程加快采用化学或物理的措施使烧结温度降低，烧结过程加快或使烧结体密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结。或使烧结体密度和其它性能得到提高的方法称为活化烧结。5.1.1预氧化烧结预氧化烧结 最简单的活化烧结方法是应用预氧化还原反应。在烧结最简单的活化烧结方法是应用预氧化还原反应。在烧结过程中，还原一定量的氧化物对金属的性能具有良好的作用。过程中，还原一定量的氧化物对金属的性能具有良好的作用。图图4-30为涡旋铁粉与还原铁粉压坯中含氧量对烧结密度变化为涡旋铁粉与还原铁粉压坯中含氧量对烧结密度变化的影响。的影响。 图图4-30 压坯含氧量对铁粉烧结密度压坯含氧量对铁粉烧结密度 变化的影响，变化的影响，1200，1h2021/5/23258 四、烧结四、烧结5.1.2添加少量合金元素添加少量合金元素 在压坯中添加某些少量合金元素可以促使烧结体的收缩，在压坯中添加某些少量合金元素可以促使烧结体的收缩，进而改善烧结体的性能。图进而改善烧结体的性能。图4-31为添加镍对钨制品烧结后密为添加镍对钨制品烧结后密度的影响。度的影响。 图图4-31 加镍对钨粉压坯烧结密度的影响加镍对钨粉压坯烧结密度的影响2021/5/23259 四、烧结四、烧结5.1.3在气氛或填料中添加活化剂在气氛或填料中添加活化剂 在烧结气氛中通入卤化物蒸气（大多数为氯化物，其次在烧结气氛中通入卤化物蒸气（大多数为氯化物，其次为氟化物），可以促进烧结过程。特别是当制品成分中具有为氟化物），可以促进烧结过程。特别是当制品成分中具有难还原的氧化物时，卤化物的加入具有特别良好的作用。图难还原的氧化物时，卤化物的加入具有特别良好的作用。图4-32为还原铁粉压坯时，在有、无氯化氢的气氛中烧结后的为还原铁粉压坯时，在有、无氯化氢的气氛中烧结后的力学性能。但气氛的腐蚀性是这种活化烧结方法的缺点。力学性能。但气氛的腐蚀性是这种活化烧结方法的缺点。 图图4-32 还原铁粉压坯时在有、无氯化氢还原铁粉压坯时在有、无氯化氢 的气氛中烧结的性能的气氛中烧结的性能2021/5/23260 四、烧结四、烧结5.2电火花烧结电火花烧结 电火花烧结也可称为电活化压力烧结，它是利用粉末间电火花烧结也可称为电活化压力烧结，它是利用粉末间火花放电所产生的高温，并且同时受外应力作用的一种特殊火花放电所产生的高温，并且同时受外应力作用的一种特殊烧结方法。电火花烧结的原理如图烧结方法。电火花烧结的原理如图4-33所示。所示。 图图4-33电火花烧结原理示意图电火花烧结原理示意图2021/5/23261 四、烧结四、烧结 电火花烧结过程如图电火花烧结过程如图4-34所示。火花放电主所示。火花放电主要在烧结初期发生。电火花烧结的零件可接近于致要在烧结初期发生。电火花烧结的零件可接近于致密件，也可有效地控制孔隙度。密件，也可有效地控制孔隙度。图图4-34电火花烧结过程示意图电火花烧结过程示意图2021/5/23262 四、烧结四、烧结6. 全致密工艺全致密工艺6.1热压热压 所谓热压就是将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末所谓热压就是将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到正常烧结温度或低一点，使之加速烧结成比较均匀致加热到正常烧结温度或低一点，使之加速烧结成比较均匀致密的制品。在制取难熔金属（如钨、钼、钽、铌等）或难熔密的制品。在制取难熔金属（如钨、钼、钽、铌等）或难熔化合物（如硼化物、碳化物、氯化物、硅化物）等致密制品化合物（如硼化物、碳化物、氯化物、硅化物）等致密制品时，一般都可采用热压工艺。热压致密化理论是在粘性或塑时，一般都可采用热压工艺。热压致密化理论是在粘性或塑性流动烧结机构的基础上建立起来的。如图性流动烧结机构的基础上建立起来的。如图4-35所示模型。所示模型。 图图4-35 塑性流动模型塑性流动模型2021/5/23263 四、烧结四、烧结 表表4-4为铜粉热压时的外压、温度和相对密为铜粉热压时的外压、温度和相对密度的关系。由表可见，热压可以促进铜粉的致密化度的关系。由表可见，热压可以促进铜粉的致密化过程。过程。 表表4-4 铜粉热压时的外压、温度和相对密度的关系铜粉热压时的外压、温度和相对密度的关系 2021/5/23264 四、烧结四、烧结 热压是一个十分复杂的过程，不可能用一个方程式来热压是一个十分复杂的过程，不可能用一个方程式来描述热压的全过程。实际上，热压到相当长的时间后，继描述热压的全过程。实际上，热压到相当长的时间后，继续延长热压时间，密度并不增加。大部分的收缩是在续延长热压时间，密度并不增加。大部分的收缩是在1520min内完成的，以后致密化的速度显著减慢。图内完成的，以后致密化的速度显著减慢。图4-36为碳化钽在各种温度下热压时，相对密度与时间的关系。为碳化钽在各种温度下热压时，相对密度与时间的关系。 图图4-36 碳化钽热压时相对密度与时间的关系，压力为碳化钽热压时相对密度与时间的关系，压力为30MPa2021/5/23265 四、烧结四、烧结 热压的致密化过程大致有三个连续的阶段热压的致密化过程大致有三个连续的阶段： （1）快速致密化阶段）快速致密化阶段又称微流动阶段，即在热压初又称微流动阶段，即在热压初期发生相对滑动、破碎和塑性变形，类似于冷压成形时的颗期发生相对滑动、破碎和塑性变形，类似于冷压成形时的颗粒重排。此时的致密化速度较高，主要取决于粉末的粒度、粒重排。此时的致密化速度较高，主要取决于粉末的粒度、颗粒形状和材料断裂强度与屈服强度。颗粒形状和材料断裂强度与屈服强度。 （2）致密化减速阶段）致密化减速阶段以塑性流动为主要机构，类似以塑性流动为主要机构，类似于烧结后期的闭孔收缩阶段。于烧结后期的闭孔收缩阶段。 （3）趋近终极密度阶段）趋近终极密度阶段受扩散控制的蠕变为主要机受扩散控制的蠕变为主要机构，此时的晶粒长大使致密化速度大大降低，达到终极密度构，此时的晶粒长大使致密化速度大大降低，达到终极密度后，致密化过程完全停止。后，致密化过程完全停止。2021/5/23266 四、烧结四、烧结6.2热等静压热等静压 热等静压是把粉末压坯或把装入特制容器（称粉末包套）热等静压是把粉末压坯或把装入特制容器（称粉末包套）内的粉末置于热等静压机高压容器中内的粉末置于热等静压机高压容器中 （图（图4-37），施以高温和高压，使这些粉），施以高温和高压，使这些粉 末被压制和烧结过程。这是一种消除材料末被压制和烧结过程。这是一种消除材料 内部残存微量孔隙和提高材料相对密度的内部残存微量孔隙和提高材料相对密度的 有效方法。有效方法。 图图4-37 热等静压制原理热等静压制原理2021/5/23267 四、烧结四、烧结 用热等静压法制取的材料或制品密度要比热压法高些。表用热等静压法制取的材料或制品密度要比热压法高些。表4-5为热等静压与热压某些材料的密度比较。为热等静压与热压某些材料的密度比较。 表表4-5 热等静压法与热压法的材料密度比较热等静压法与热压法的材料密度比较 由表可见，用热等静压法制取材料性能普遍高于热压制由表可见，用热等静压法制取材料性能普遍高于热压制取的材料性能。取的材料性能。2021/5/23268 四、烧结四、烧结 图图4-38为热等静压工艺流程示意图。为热等静压工艺流程示意图。 图图4-38 热等静压工艺流程示意图热等静压工艺流程示意图 热等静压设备系统由带加热炉体的压力容器、高压介质热等静压设备系统由带加热炉体的压力容器、高压介质输送装置和电气设备组成。热等静压常采用惰性气体，如氦输送装置和电气设备组成。热等静压常采用惰性气体，如氦气或氩气作压力介质。气或氩气作压力介质。2021/5/23269 四、烧结四、烧结6.3热挤热挤 粉末热挤压是把成形、烧结和热加工处理结合在一起，粉末热挤压是把成形、烧结和热加工处理结合在一起，从而直接获得力学性能较佳的材料或制品。热挤法能够准确从而直接获得力学性能较佳的材料或制品。热挤法能够准确地控制材料的成分和合金内部的组织结构。它可分成非包套地控制材料的成分和合金内部的组织结构。它可分成非包套热挤法和包套热挤法两种形式。图热挤法和包套热挤法两种形式。图4-39为热挤法制取烧结铝为热挤法制取烧结铝粉的工艺流程图。图粉的工艺流程图。图4-40是用包套来进行热挤的示意图。是用包套来进行热挤的示意图。 图图4-39 热挤铝粉的工艺流程热挤铝粉的工艺流程2021/5/23270 四、烧结四、烧结 图图4-40 粉末热挤示意图粉末热挤示意图 图图4-41是一种填充坯料挤压的工艺流程图。这是一种可是一种填充坯料挤压的工艺流程图。这是一种可以用来制取复杂断面制品的重要方法。以用来制取复杂断面制品的重要方法。 图图4-41 填充坯料挤压工艺流程图填充坯料挤压工艺流程图2021/5/23271 四、烧结四、烧结6.4热煅热煅 粉末锻造在高温下具有高的应变速率。采用热粉末锻造在高温下具有高的应变速率。采用热煅的制品性能非常好，有很多优点。在塑性流动中，煅的制品性能非常好，有很多优点。在塑性流动中，多孔压坯的行为是粉末锻造主要注意之点。图多孔压坯的行为是粉末锻造主要注意之点。图4-42是粉末锻造过程的示意图。是粉末锻造过程的示意图。 图图4-42 粉末锻造过程示意图粉末锻造过程示意图 2021/5/23272 四、烧结四、烧结 对于完全致密的铁制品，其加工硬化指数接近对于完全致密的铁制品，其加工硬化指数接近于于0.31。 在粉末锻造时，密度，加工硬化的速率和泊松在粉末锻造时，密度，加工硬化的速率和泊松比是随形变程度而变化的。粉末锻造是在单轴压制比是随形变程度而变化的。粉末锻造是在单轴压制时致密化和流动的结合体。时致密化和流动的结合体。2021/5/23273 四、烧结四、烧结6.5喷雾沉积喷雾沉积 喷雾沉积工艺是通过雾化的喷雾沉积工艺是通过雾化的 方法将液体金属直接转化为具有方法将液体金属直接转化为具有 一定形状的预成形坯，然后再利一定形状的预成形坯，然后再利 用雾化粉末的余热或补充加热之用雾化粉末的余热或补充加热之 后进行直接锻造成型（图后进行直接锻造成型（图4-44）。）。 图图4-44 喷雾锻造示意图喷雾锻造示意图2021/5/23274 四、烧结四、烧结6.6大气压固结大气压固结 大气压固结法是将粉末密封在玻璃中，除气，然后在大大气压固结法是将粉末密封在玻璃中，除气，然后在大气压力下进行真空烧结。图气压力下进行真空烧结。图4-45为大气压固结的示意图。在为大气压固结的示意图。在大气压固结法中，选择装填粉末的玻璃是很重要的。大气压固结法中，选择装填粉末的玻璃是很重要的。 图图4-45 大气压固结法示意图大气压固结法示意图2021/5/23275 四、烧结四、烧结7. 烧结气氛和烧结炉烧结气氛和烧结炉7.1烧结气氛烧结气氛 烧结气氛对于保证烧结的顺利进行和产品的质量十分重烧结气氛对于保证烧结的顺利进行和产品的质量十分重要。目前，工业用烧结气氛主要是氢气、离解氨气体、吸热要。目前，工业用烧结气氛主要是氢气、离解氨气体、吸热或放热型气体和真空，氮气也日益得到应用，是一种廉价而或放热型气体和真空，氮气也日益得到应用，是一种廉价而安全的气体。表安全的气体。表4-6为粉末冶金工业常用的一些烧结气氛。为粉末冶金工业常用的一些烧结气氛。 表表4-6 粉末冶金工业所用烧结气氛举例粉末冶金工业所用烧结气氛举例2021/5/23276 四、烧结四、烧结7.1.1还原性气氛还原性气氛 烧结时常采用含有氢、一氧化碳成分的还原性或保护性气体，它烧结时常采用含有氢、一氧化碳成分的还原性或保护性气体，它们对大多数金属在高温下均具有还原性。对于活性高的金属，气氛们对大多数金属在高温下均具有还原性。对于活性高的金属，气氛中有极微量的氧或水都是不允许的。要用经过严格脱水和纯净化过中有极微量的氧或水都是不允许的。要用经过严格脱水和纯净化过的净纯氢气，最高采用真空或惰性气体。图的净纯氢气，最高采用真空或惰性气体。图4-46为金属氧化物的还为金属氧化物的还原平衡温度与露点的关系。有图可见，烧结温度愈低，要求氢气的原平衡温度与露点的关系。有图可见，烧结温度愈低，要求氢气的露点也愈低。露点也愈低。 图图4-46 金属氧化物的还原平衡温度与露点的关系金属氧化物的还原平衡温度与露点的关系2021/5/23277 四、烧结四、烧结7.1.2可控碳势气氛可控碳势气氛 粉末冶金碳钢或合金钢的碳含量对其力学性能的影响很粉末冶金碳钢或合金钢的碳含量对其力学性能的影响很大。要控制烧结体中的碳含量就需要控制好烧结气氛中的碳大。要控制烧结体中的碳含量就需要控制好烧结气氛中的碳势。烧结气氛相当于钢中碳的成分可能有三种情况：渗碳、势。烧结气氛相当于钢中碳的成分可能有三种情况：渗碳、脱碳和中性。控制气氛的碳势就是要在一定温度下维持气体脱碳和中性。控制气氛的碳势就是要在一定温度下维持气体成分的一定比例。成分的一定比例。 图图4-47为甲烷转化气为甲烷转化气 的类型及组成。的类型及组成。 图图4-47 甲烷转化气的类型及组成甲烷转化气的类型及组成2021/5/23278 四、烧结四、烧结 实际生产中常用的烧结气氛列于表实际生产中常用的烧结气氛列于表4-7。 表表4-7 常用烧结气氛的成分常用烧结气氛的成分2021/5/23279 四、烧结四、烧结7.1.3真空烧结真空烧结 真空烧结主要用于活性金属和难熔金属以及硬质合金、真空烧结主要用于活性金属和难熔金属以及硬质合金、磁性材料和不锈钢等的烧结。真空烧结实际上是低压（减压）磁性材料和不锈钢等的烧结。真空烧结实际上是低压（减压）烧结。真空度愈高，愈接近中性气氛，愈与材料不发生任何烧结。真空度愈高，愈接近中性气氛，愈与材料不发生任何化学反应。化学反应。 真空烧结的优点是真空烧结的优点是：（：（1）减少气氛中的有害成分（水、）减少气氛中的有害成分（水、氧、氮等）对产品的玷污；（氧、氮等）对产品的玷污；（2）真空是理想的惰性气氛，当）真空是理想的惰性气氛，当不宜用其它还原性或惰性气体时，或者对容易出现脱碳、渗不宜用其它还原性或惰性气体时，或者对容易出现脱碳、渗碳的材料，均可采用真空烧结；（碳的材料，均可采用真空烧结；（3）真空可改善液相烧结的）真空可改善液相烧结的润湿性，有利于烧结过程中的收缩和改善合金的组织结构；润湿性，有利于烧结过程中的收缩和改善合金的组织结构；（4）真空有利于硅、铝、镁、钙等杂质或其氧化物的排除，）真空有利于硅、铝、镁、钙等杂质或其氧化物的排除，起到提纯材料的作用；（起到提纯材料的作用；（5）真空有利于排除吸附气体，对促）真空有利于排除吸附气体，对促进烧结后期的收缩作用明显。进烧结后期的收缩作用明显。2021/5/23280 四、烧结四、烧结7.1.4烧结填料烧结填料 使用烧结填料可使烧结体加热更加均匀并能防止烧结体使用烧结填料可使烧结体加热更加均匀并能防止烧结体之间的粘连。烧结填料要采用经过煅烧的氧化铝、氧化镁、之间的粘连。烧结填料要采用经过煅烧的氧化铝、氧化镁、石墨颗粒以及不与烧结体相互作用的材料。石墨颗粒以及不与烧结体相互作用的材料。7.2烧结炉烧结炉 根据粉末压坯进行烧结的要求和烧结炉的工作原理，可根据粉末压坯进行烧结的要求和烧结炉的工作原理，可以把烧结炉分为间隙式烧结炉和连续式烧结炉两大类。以把烧结炉分为间隙式烧结炉和连续式烧结炉两大类。 连续烧结炉比间隙式炉具有更高的生产率。在连续烧结连续烧结炉比间隙式炉具有更高的生产率。在连续烧结炉中，烧结件送入烧结炉中后的进行顺序如图炉中，烧结件送入烧结炉中后的进行顺序如图4-48所示。所示。2021/5/23281 四、烧结四、烧结 烧结炉中采用的加热元件应根据炉子的工作温度来选择。烧结炉中采用的加热元件应根据炉子的工作温度来选择。烧结不同的粉末冶金材料和制品需要采用不同的烧结温度。烧结不同的粉末冶金材料和制品需要采用不同的烧结温度。 图图4-48 在烧结炉中进行的顺序在烧结炉中进行的顺序2021/5/23282 四、烧结四、烧结8. 烧结体的性能烧结体的性能 烧结的目的是要使压坯具有所要求的力学性能和物理性烧结的目的是要使压坯具有所要求的力学性能和物理性能。影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末的性状、成形能。影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末的性状、成形的条件和烧结的条件。的条件和烧结的条件。 属于粉末性状的因素包括粉末的粒度和粒度组成、颗粒属于粉末性状的因素包括粉末的粒度和粒度组成、颗粒形状、颗粒内的孔隙、松装密度、压缩比、流动性、纯度、形状、颗粒内的孔隙、松装密度、压缩比、流动性、纯度、夹杂物的分布状态以及加工硬化程度等。属于成形条件的因夹杂物的分布状态以及加工硬化程度等。属于成形条件的因素包括成形压力、加压速度、压坯形状、压模的设计和精度、素包括成形压力、加压速度、压坯形状、压模的设计和精度、压制方法、粉末和压模的润滑状况等。属于烧结条件的因素压制方法、粉末和压模的润滑状况等。属于烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度、烧结时间、冷却速度、烧结气氛包括加热速度、烧结温度、烧结时间、冷却速度、烧结气氛以及烧结加压状况等等。以及烧结加压状况等等。2021/5/23283 四、烧结四、烧结8.1烧结过程中烧结体性能的变化烧结过程中烧结体性能的变化8.1.1对力学性能的影响对力学性能的影响 使用烧结在烧结温度较低或烧结初期，烧结体的强度大使用烧结在烧结温度较低或烧结初期，烧结体的强度大体上与密度成正比例地增加（图体上与密度成正比例地增加（图4-49）。进一步提高烧结温）。进一步提高烧结温度，致密化过程减慢，密度也不如烧结初期那样显著增加。度，致密化过程减慢，密度也不如烧结初期那样显著增加。烧结温度的升高，孔隙会逐渐球化，烧结体的强度进一步提烧结温度的升高，孔隙会逐渐球化，烧结体的强度进一步提高。但烧结温度过高时，烧结体的强度有所降低。高。但烧结温度过高时，烧结体的强度有所降低。 烧结体的延伸率随强度的烧结体的延伸率随强度的 提高而增加。提高而增加。 图图4-48 烧结温度与烧结体性能的关系烧结温度与烧结体性能的关系2021/5/23284 四、烧结四、烧结 硬度也是材质的一项重要指标。易塑性变形的金属，其硬度也是材质的一项重要指标。易塑性变形的金属，其烧结体的硬度与烧结温度的关系如图烧结体的硬度与烧结温度的关系如图4-50所示。所示。 要使烧结材料得到较高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性要使烧结材料得到较高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性和硬度等力学性能通常采用三种方法，即提高烧结密度、增和硬度等力学性能通常采用三种方法，即提高烧结密度、增加基体金属的强度和延性以及提高残余孔隙的球化程度。加基体金属的强度和延性以及提高残余孔隙的球化程度。 图图4-50 金属粉末烧结体的硬度与烧结温度的关系金属粉末烧结体的硬度与烧结温度的关系2021/5/23285 四、烧结四、烧结8.1.2对物理性能的影响对物理性能的影响 烧结体主要的物理性能与烧结体的组织结构，特别是孔烧结体主要的物理性能与烧结体的组织结构，特别是孔隙和晶粒大小有关。图隙和晶粒大小有关。图4-51为几种金属的导电性与烧结体密为几种金属的导电性与烧结体密度的关系。有图可知，压坯的导电性是随烧结温度的提高而度的关系。有图可知，压坯的导电性是随烧结温度的提高而增大的。烧结体的密度低于某一数值时，传导性为零。增大的。烧结体的密度低于某一数值时，传导性为零。 图图4-51 铜、镍、青铜（铜、镍、青铜（89铜铜-11镍）烧结体镍）烧结体 的导电性与烧结体密度的关系的导电性与烧结体密度的关系2021/5/23286 四、烧结四、烧结 在烧结过程中，烧结体的电阻率是变化最敏感的物理性在烧结过程中，烧结体的电阻率是变化最敏感的物理性能，它随粉末颗粒内部微细结构的变化，和随颗粒间的接触能，它随粉末颗粒内部微细结构的变化，和随颗粒间的接触点或面的微细结构的变化而变化。图点或面的微细结构的变化而变化。图4-52为电解铜粉压坯在为电解铜粉压坯在氢气、真空中烧结时，其电阻率的变化与温度的关系。有图氢气、真空中烧结时，其电阻率的变化与温度的关系。有图可见，电阻率的变化因烧结气氛的不同而显著不同。可见，电阻率的变化因烧结气氛的不同而显著不同。 图图4-52 电解铜粉在各种气氛中均匀加热时电解铜粉在各种气氛中均匀加热时 电阻率的变化与温度的关系电阻率的变化与温度的关系2021/5/23287 四、烧结四、烧结8.2孔隙度对烧结性能的影响孔隙度对烧结性能的影响8.2.1对力学性能的影响对力学性能的影响 根据孔隙对材料断裂影响机理的不同，可将粉末冶金材根据孔隙对材料断裂影响机理的不同，可将粉末冶金材料分为两大类：一是具有高密度和脆性的致密（低孔）材料料分为两大类：一是具有高密度和脆性的致密（低孔）材料与多孔材料，如硬质合金、淬火的粉末钢等；二是具有一定与多孔材料，如硬质合金、淬火的粉末钢等；二是具有一定塑性的，由塑性金属制成的致密（低孔）材料与多孔材料，塑性的，由塑性金属制成的致密（低孔）材料与多孔材料，如烧结金属、多孔金属等。在脆性粉末冶金材料中，孔隙引如烧结金属、多孔金属等。在脆性粉末冶金材料中，孔隙引起强烈的应力集中，使材料在较低的名义应力下断裂。而具起强烈的应力集中，使材料在较低的名义应力下断裂。而具有一定塑性的粉末冶金材料，孔隙并不引起相当大的应力集有一定塑性的粉末冶金材料，孔隙并不引起相当大的应力集中，孔隙主要是削弱了材料承载的有效截面，应力沿材料显中，孔隙主要是削弱了材料承载的有效截面，应力沿材料显微条件不均匀分布。并随着材料孔隙度的增加，材料的塑性微条件不均匀分布。并随着材料孔隙度的增加，材料的塑性降低。降低。2021/5/23288 四、烧结四、烧结 粉末冶金脆性材料断裂，也可认为是裂纹的形成与扩展的粉末冶金脆性材料断裂，也可认为是裂纹的形成与扩展的过程。因此，孔隙和裂纹在粉末冶金脆性材料中成为应力集过程。因此，孔隙和裂纹在粉末冶金脆性材料中成为应力集中的断裂源。中的断裂源。 烧结铁的断裂机理研究表明：烧结材料的断裂，在很大烧结铁的断裂机理研究表明：烧结材料的断裂，在很大程度上取决于孔隙度以及与孔隙有关的几何、物理参数。程度上取决于孔隙度以及与孔隙有关的几何、物理参数。 A 断裂韧性断裂韧性 材料的断裂韧性的定义是含有裂纹或局部损坏的结构元材料的断裂韧性的定义是含有裂纹或局部损坏的结构元件，具有承受载荷，又不完全断裂的能力。断裂韧性反映了件，具有承受载荷，又不完全断裂的能力。断裂韧性反映了材料的抗裂纹扩展的能力。对具有中心缺口的薄板试样，断材料的抗裂纹扩展的能力。对具有中心缺口的薄板试样，断裂过程一般包括三个阶段：裂纹开始增长、裂纹慢增长时期裂过程一般包括三个阶段：裂纹开始增长、裂纹慢增长时期以及灾难性的裂纹传播，导致完全断裂。在第三阶段中，裂以及灾难性的裂纹传播，导致完全断裂。在第三阶段中，裂纹迅速扩展的临界条件，也就是材料的断裂条件。实验表明，纹迅速扩展的临界条件，也就是材料的断裂条件。实验表明，断裂韧性与所制材料的密度有关，随孔隙度减少，断裂韧性断裂韧性与所制材料的密度有关，随孔隙度减少，断裂韧性增加。增加。2021/5/23289 四、烧结四、烧结 B 静态强度静态强度 静态强度包括抗拉、抗弯和抗压强度。它们不仅与孔隙静态强度包括抗拉、抗弯和抗压强度。它们不仅与孔隙度有关，而且还与孔隙的形状、分布和大小有关。度有关，而且还与孔隙的形状、分布和大小有关。 图图4-53为孔隙度和烧结温度对还原铁粉试样的抗拉强度为孔隙度和烧结温度对还原铁粉试样的抗拉强度的影响。烧结温度从的影响。烧结温度从1000提高到提高到1300时，由于形成形状时，由于形成形状较为完整的孔隙，使得性能得到改善。不同方法制取的粉末，较为完整的孔隙，使得性能得到改善。不同方法制取的粉末，虽然性能变化的规律是相同的，但强度与密度关系的斜率是虽然性能变化的规律是相同的，但强度与密度关系的斜率是不同的（图不同的（图4-54）。粉末粒度对烧结试样的强度也有影响。）。粉末粒度对烧结试样的强度也有影响。图图4-55为烧结铜粉试样的抗拉强度与粉末粒度的关系。为烧结铜粉试样的抗拉强度与粉末粒度的关系。 在很大程度上，硬质合金的抗弯强度取决于孔隙。多孔在很大程度上，硬质合金的抗弯强度取决于孔隙。多孔体是依靠外压缩力的作用来提高其密度的。抗压强度与孔隙体是依靠外压缩力的作用来提高其密度的。抗压强度与孔隙度的关系在一定条件下呈线性关系。度的关系在一定条件下呈线性关系。2021/5/23290 四、烧结四、烧结 图图4-53 在不同温度下烧结，铁粉试样在不同温度下烧结，铁粉试样 的孔隙度对抗拉强度的影响的孔隙度对抗拉强度的影响 图图4-54 抗拉强度与烧结铁密度之间的关系抗拉强度与烧结铁密度之间的关系 图图4-55 烧结铜粉试样的抗拉强度与平均粒度的关系烧结铜粉试样的抗拉强度与平均粒度的关系2021/5/23291 四、烧结四、烧结 C 塑性塑性 塑性包括延伸率和断面收缩率。粉末冶金材料由于有孔塑性包括延伸率和断面收缩率。粉末冶金材料由于有孔 隙存在，有利于裂纹的形成和扩展，因而表现出低的拉伸塑隙存在，有利于裂纹的形成和扩展，因而表现出低的拉伸塑 性和高的脆性。如图性和高的脆性。如图4-56所示，延伸率对孔隙形状敏感，所示，延伸率对孔隙形状敏感， 对一定的孔隙度来说，较大的孔隙表现对一定的孔隙度来说，较大的孔隙表现 出相对较好的塑性。出相对较好的塑性。 采用复压复烧的工艺，可以提高延采用复压复烧的工艺，可以提高延 伸率，从而使得对孔隙结构敏感的延伸伸率，从而使得对孔隙结构敏感的延伸 率得到改善。率得到改善。 图图4-56 烧结铁的延伸率与密度的关系烧结铁的延伸率与密度的关系2021/5/23292 四、烧结四、烧结 D 动态性能动态性能 动态性能包括冲击韧性和疲劳强度，它们强烈地依赖于动态性能包括冲击韧性和疲劳强度，它们强烈地依赖于材料的塑性，从而也象塑性一样强烈地依赖于孔隙度。如图材料的塑性，从而也象塑性一样强烈地依赖于孔隙度。如图4-57所示，粉末冶金材料的冲击韧性与密度的关系服从于指所示，粉末冶金材料的冲击韧性与密度的关系服从于指数函数关系。孔隙度为数函数关系。孔隙度为1520 粉末冶金材料，其冲击韧性是很低的。粉末冶金材料，其冲击韧性是很低的。 在粉末烧结材料的疲劳试验中，在粉末烧结材料的疲劳试验中， 首先从带锐角的孔隙开始产生微裂纹。首先从带锐角的孔隙开始产生微裂纹。 当疲劳断裂扩展时，这些裂纹便相互当疲劳断裂扩展时，这些裂纹便相互 连接起来，向变粗的主裂纹发展。孔连接起来，向变粗的主裂纹发展。孔 隙起了提供断裂源的作用。隙起了提供断裂源的作用。 图图4-57 烧结镍钢的冲击韧性与密度的关系烧结镍钢的冲击韧性与密度的关系2021/5/23293 四、烧结四、烧结 E 硬度硬度 硬度对孔隙形状不敏感，主要取决于材料的孔隙度。宏硬度对孔隙形状不敏感，主要取决于材料的孔隙度。宏观硬度随孔隙度的增高而降低，测定硬度时不能反映多孔金观硬度随孔隙度的增高而降低，测定硬度时不能反映多孔金属基体的真实硬度。可用显微硬度来测定。属基体的真实硬度。可用显微硬度来测定。 F 弹性模量弹性模量 弹性模量表征着晶格点阵中原子间的结合强度，是应力弹性模量表征着晶格点阵中原子间的结合强度，是应力-应变曲线在弹性范围内直线段的斜率。如图应变曲线在弹性范围内直线段的斜率。如图4-58所示，其弹所示，其弹性模量随孔隙度的增高而降低。在给定性模量随孔隙度的增高而降低。在给定 的应力下，弹性模量的降低意味着较大的的应力下，弹性模量的降低意味着较大的 弹性应变。弹性应变。 图图4-58 致密钢、铜和烧结铁的拉伸图开始部分致密钢、铜和烧结铁的拉伸图开始部分2021/5/23294 四、烧结四、烧结8.2.2对物理性能的影响对物理性能的影响 电导率、热导率、磁导率和电容率等都属于传导性。对电导率、热导率、磁导率和电容率等都属于传导性。对于多相系统的传导性于多相系统的传导性 ，若把孔隙当作孤立夹杂物，则可认，若把孔隙当作孤立夹杂物，则可认为孔隙的传导性为零。为孔隙的传导性为零。 图图4-59烧结铁和烧结铜的电导率与孔隙度的关系。孔隙烧结铁和烧结铜的电导率与孔隙度的关系。孔隙形状对磁导率和电容率的影响很大。孔隙形状愈接近于球形，形状对磁导率和电容率的影响很大。孔隙形状愈接近于球形，在颗粒表面凹凸部分的退磁场影响就愈小；从而降低了最大在颗粒表面凹凸部分的退磁场影响就愈小；从而降低了最大磁导率。磁导率。 图图4-59 烧结体电导率与孔隙度的关系烧结体电导率与孔隙度的关系2021/5/23295 四、烧结四、烧结8.2.3对工艺性能的影响对工艺性能的影响 在烧结后处理的各种加热过程中，会发生再结晶和晶粒在烧结后处理的各种加热过程中，会发生再结晶和晶粒长大。再结晶和晶粒长大会受烧结体内存在的孔隙和第二相长大。再结晶和晶粒长大会受烧结体内存在的孔隙和第二相（如夹杂物等）以及晶界的影响。（如夹杂物等）以及晶界的影响。 由于粉末冶金材料的晶粒可以满足超细化、等轴化和稳由于粉末冶金材料的晶粒可以满足超细化、等轴化和稳定化的要求，所以有可能在一定应变速率和温度下产生超塑定化的要求，所以有可能在一定应变速率和温度下产生超塑性，从而大大改善材质的热加工性能，使难于变形的材料具性，从而大大改善材质的热加工性能，使难于变形的材料具有良好的压力加工性能。有良好的压力加工性能。 精整压力与制品的孔隙度和合金的组织结构有关。随孔精整压力与制品的孔隙度和合金的组织结构有关。随孔隙度的增加，精整压力显著降低。由于孔隙的存在，对烧结隙度的增加，精整压力显著降低。由于孔隙的存在，对烧结体的导热性、淬透性的影响很大。对烧结钢的渗碳、碳氮共体的导热性、淬透性的影响很大。对烧结钢的渗碳、碳氮共渗等热处理也有影响。对烧结零件的电镀工艺和效果影响很渗等热处理也有影响。对烧结零件的电镀工艺和效果影响很大。大。2021/5/23296 四、烧结四、烧结8.3孔隙度、孔径和渗透性的测定孔隙度、孔径和渗透性的测定 粉末冶金制品中的孔隙度可以用静水称量法（根据阿基粉末冶金制品中的孔隙度可以用静水称量法（根据阿基米德定律米德定律 ）来测定。）来测定。 也可以用静水衡量法来测定开孔隙度、总孔隙度和闭孔也可以用静水衡量法来测定开孔隙度、总孔隙度和闭孔隙度。隙度。 2021/5/23297 四、烧结四、烧结 目前测定孔径及其分布的方法很多，主要有汞压入法、气目前测定孔径及其分布的方法很多，主要有汞压入法、气泡法、离心力法、悬浊液过滤法、透过法、气体吸附法、泡法、离心力法、悬浊液过滤法、透过法、气体吸附法、X线小角度散射法以及显微镜分析法等。其中使用较多的是汞线小角度散射法以及显微镜分析法等。其中使用较多的是汞压入法。用汞压入法可以测定的半径范围为压入法。用汞压入法可以测定的半径范围为 。 气泡法适用于估计直径在气泡法适用于估计直径在 范围内的孔隙。悬浊液过范围内的孔隙。悬浊液过滤法是一种模拟过滤过程的方法，用此法可以预计多孔材料滤法是一种模拟过滤过程的方法，用此法可以预计多孔材料对悬浊液的净化效果。透过法可以测量压对悬浊液的净化效果。透过法可以测量压 力达力达 时的渗透性。图时的渗透性。图4-61是测得是测得 的渗透系数与试样开孔隙数量的关系。的渗透系数与试样开孔隙数量的关系。 图图4-61渗透系数与开孔隙数量的关系渗透系数与开孔隙数量的关系2021/5/23298 四、烧结四、烧结8.4烧结废品烧结废品 烧结中的废品根据产生的原因可分为三类烧结中的废品根据产生的原因可分为三类：（：（1）破坏了）破坏了规定的加热规程（烧结温度过高或过低，烧结时间过长或过规定的加热规程（烧结温度过高或过低，烧结时间过长或过短）；（短）；（2）破坏了烧结气氛（烧结气氛中存在氧或水蒸气，）破坏了烧结气氛（烧结气氛中存在氧或水蒸气，存在能与烧结体相互作用的气体）；（存在能与烧结体相互作用的气体）；（3）与压制成形过程有）与压制成形过程有关（采用了不合格的粉末，混料不均匀，压坯中存在较高的关（采用了不合格的粉末，混料不均匀，压坯中存在较高的应力，压模结构不正确等等）而造成的烧结废品。应力，压模结构不正确等等）而造成的烧结废品。2021/5/23299