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时磊忖呎…

课程名称：粉末冶金学

Powder Metallurgy Science

第一章导论

1 粉末冶金技术的发展史 History of powder metallurgy

粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操 作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法 。

粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。

.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；

.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达 6.5T的“ DELI柱”（含硅Fe合 金，耐蚀性好）。

.19世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末 压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，成为现代粉末冶金技术的基础。

.20世纪初，现代粉末冶金的发展起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。钨灯 丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。

.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。

.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工 业部门的广泛应用。随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的 制造成本生产高性能零部件的技术优点。

.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如 金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。

.战后，迫使人们开发研制更高性能的新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高 强度铁基粉末冶金零部件（热锻）。大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领 域。 .粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。 2粉末冶金工艺

粉末冶金技术的大致工艺过程如下：

原料粉末+添加剂（合金元素粉末、润滑剂、成形剂） 成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）

烧结（加压烧结、热压、HIP等）

粉末冶金材料或粉末冶金零部件—后续处理 Fig.1-1 Typical Process ing flowchart for Powder Metallurgy Tech nique 3粉末冶金技术的特点 .低的生产成本：

能耗小，

生产率高, 少。

材料利用率高，设备投资

工艺流程短和加工温度低 加工工序少少切削、无切削

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.材料成分设计灵活、微观结构可控（由工艺特征决定）：

能制造普通熔练法不可能生产的材料，如 W-Cu SnO-Ag、WC-Co Cu-石墨、金 属陶瓷（TiC-NiCr,AI 2Q-N 或 Cu,TiB2-Cu 等）、弥散强化材料（AI2Q-CU AI2Q-AI， Y2Q-Fe基合金）、粉末超合金（非相图成分）、难熔金属及其合金如钨钼、含油 轴承、过滤材料等。 .高的性能：

粉末高速钢、粉末超合金因无成分偏析和稳定的组织 （细的晶粒）而性能优于熔 炼法制备的合金；纳米材料，金属-陶瓷梯度复合材料（梯度硬质合金） 。 主要不足之处：

.由于受设备容量的限制，传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零部件的尺寸较其 它加工方法（铸造，机加工等）小； .材料韧性不高；

.零部件的形状复杂程度和综合力学性能有限等。

正被新型成形技术（如无模成形技术，温压成形，注射成形）逐步克服。 4粉末冶金材料及其零部件的应用

由于粉末冶金材料及其零部件较其它加工方法制造的零部件的成本低， 以及 其性能能满足特种要求，因而粉末冶金零部件和材料在国民经济各部门的应用十 分广泛。如：

.汽车制造业的各种粉末冶金零部件；

.机加工工业中的切削用硬质合金和粉末高速钢刀具； .电子工业用粉末冶金磁性材料和电触头； .计算机的原器件用电子封装材料； .机械制造业的减磨零件和结构部零件； .航天航空业中的耐热材料及结构零部件； .家用电器中的微型轴承； .原子能材料；

.武器系统和作战平台（高效、低成本）； .建材工业用金刚石工具材料等。 .环保与化工用催化剂及过滤器件。

总之，粉末冶金材料与人们的生活密不可分， 在国民经济和国防建设中发挥重大 作用。而且，随着粉末冶金新技术和新工艺的开发与应用，粉末冶金的技术上的 优越性也更加显著，应用领域不断扩大。如温压成形技术的出现使粉末冶金零部 件在轿车上的应用水平由原来的 13.2Kg/辆增加到22Kg/辆，大大扩大了粉末冶 金零部件的应用范围。

5粉末冶金的未来发展

.大量高性能铁基粉末冶金结构零部件的开发与应用。 .组织均匀的全致密、高性能难加工材料的开发与应用。

.非平衡材料（amorphous,microcrystalline,metastable alloyS . .特种新型材料的开发与应用（纳米复合材料，梯度复合材料）

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.新型成型与烧结技术的开发 .计算机仿真技术的应用

6粉末冶金技术与其他材料加工技术间的关系

粉末冶金作为一种加工方法，主要从成本和性能上弥补其他加工技术上的不 足。与其它加工技术一样同属材料科学与工程的范畴，为人类社会的文明和进步 不断提供物质基础。特别是，在新材料的研制和开发过程中，粉末冶金技术因其 独特的工艺优势将继续发挥先导作用。

第二章粉末的性能与测试方法简介

§粉末及粉末性能

1粉末颗粒与粉末体的概念

习惯上，人们按分散程度将自然界的固体分为三类，即致密体(>1mm、粉 末体(0.1卩m— 1mr、i和胶粒(<0.1卩m、。然而随着纳米技术的发展，现在看来， 这一分类方法存在严重不足之处。也就是说，超细颗粒与纳米颗粒均同属于粉 末体的范筹。

粉末颗粒指组成粉末体的最小单位或个体，简称颗粒。

粉末体则是由尺寸小于1mm的颗粒及颗粒间孔隙所组成的集合体。

可流动性：由于粉末颗粒之间的相互作用力远低于通常固体内原子间作用力 压缩性：由于颗粒间存在相当数量的孔隙，也具有可压缩的特性。

单个粉末颗粒可能是单一晶粒，也可能是多晶粒。主要取决于粉末制备方法和 制取工艺条件、颗粒大小和颗粒的晶体学特性。 2粉末颗粒的性质 2.1颗粒的聚集状态

由于粉末颗粒细小，具有发达的表面积，颗粒表面附近的原子活性很高，导致 粉末颗粒发生某些聚集现象。

单颗粒：单个独立存在的颗粒被称为单颗粒。粗粉末通常以单颗粒形式存在。 一次颗粒(primary particle ):最先形成的不可以独立存在的颗粒，它只有聚集 成二次颗粒时才能独立存在。

二次颗粒(secondary particle ):由两个以上的一次颗粒结合而又不易分离的能 独立存在的聚集颗粒被称为二次颗粒。若能被分离，就成为单颗粒。细粉末通 常以二次颗粒的形式存在。

一次颗粒与二次颗粒间的差异如图所示。(图，18)

团粒(agglomelate):由单颗粒或二次颗粒依靠范德华力粘结而成的聚集颗粒。 絮凝体(flocculate、：在液体介质中由单颗粒或二次颗粒结合的更松软的聚集颗 粒。 2.2 颗粒表面形貌(surface morphology)

粉末颗粒的表面形貌一般来说凹凸不平的， 即使是采用机械破碎法制得的陶 瓷粉末。从理论上讲，粗大的颗粒在冲击载荷的作用下会发生沿一定晶面的解理 断裂，形成平整的断裂面。但由于受力状态的复杂性，解理面并非沿同一晶面进 行，而发生惯穿多个晶面的断裂，从而导致颗粒表面的凹凸不平。 而对于通常的 金属粉末

时

需Sr彳

的制备方法制取的粉末颗粒，由于出现优先成核与生长的客观条件， 易 形成凹凸不平的欠发育完整的表面。 2.3内部结构

大部分的粉末颗粒系多晶结构，粉末颗粒内部存在许多缺陷，如空位、位 错、晶格弯曲等，还存在孔隙、裂纹等。另外还有夹杂（还原法制粉中更为突 出）。 3粉末性能

粉末性能包括物理性能（颗粒的密度、熔点和显微硬度等）、几何性能（颗粒形 状，颗粒尺寸及其组成）、化学性质和工艺性能（松装密度，流动性，压缩性， 成形性和烧结性能）。特别是粉末的工艺性能受控于前三种粉末性能。 3. 1粉末的物理性能

3. 1. 1颗粒密度 材料的理论密度即无孔隙密度，一般不能代表颗粒密度。 这主要是因为大多数制粉方法所制备的粉末颗粒内含有孔隙（开孔或闭孔）和 裂隙。通常采用两种方法来表示颗粒的密度。

真密度（pore free density） 即固体材料的理论密度。除一些具有不同晶 形的物质（碳、氧化锆、氧化铝、碳化硅等）以外，其它物质的粉末颗粒的真 密度与其理论密度相同。

有效密度（ffective particle density） 系单位体积内粉末颗粒的质量。颗粒 中存在的闭孔体积计算在内。很明显，它小于颗粒的真密度。要精确测定粉末 颗粒的有效密度几乎是不可能的。一般采用比重瓶法测定其近似值，因而也称 为比重瓶密度。

3. 1. 2显微硬度 粉末颗粒的显微硬度主要取决于构成固体物质的原子间的 结合力、加工硬化程度和纯度，左右着粉末的压缩性。后二者主要受控于粉末 制取方法。如还原铁粉颗粒的显微硬度可采用适当的退火工艺来消除加工硬化、 降低其中氧、碳含量，达到降低颗粒显微硬度的目的。

3. 3. 3粉末颗粒的熔点 对于普通粉末冶金用金属粉末，粉末颗粒的熔点与固 体的熔点几乎相同。但当粉末颗粒的尺寸很小时，颗粒的熔点大幅度降低。女口 尺寸为10nm的纳米银粉，其熔点仅为97 C。 3. 2 颗粒的形状（Particle shape

颗粒形状一般分为两大类，即规则形状与不规则形状颗粒。主要取决于粉末 的制造方法。具体关系如下：

球形颗粒一气相沉积，液相沉淀；近球形一雾化，溶液置换；片状一机械研磨； 多角形一机械粉碎；树枝状一电解法；多孔海绵状一还原法。

严格来说，所谓规则状颗粒系指 能用现有数学工具加以准确描述的颗粒。而 通常指的颗粒形状是粉末颗粒的外形轮廓投影的形状。 而颗粒的形状的表征到目 前为止仍然是一件十分困难的工作。 因而，造成表征粉末颗粒尺寸时也只能给出 很粗糙的表达。一些典型的粉末颗粒如图所示。 （此处附图）

目前，对于颗粒形状的描述仅局限于定性分析， 即以人们已知的自然界中的 物体形状作参考来加以表示。颗粒的形状的观察通常采用光学显微镜、 扫描电镜 和透射作为分析手段。

§2 粉末粒度及其分布（Particle size and its distribution）

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1粒度（particle size ）习惯上，粉末颗粒的大小（即粉末粒度）采用一维（one

dimension）尺寸来衡量，粗略地表示粉末颗粒的粗细程度，以卩m或mm为单位。 通常所说的粒度指的是粒径。粉末粒径反映颗粒外形的某一尺寸。 粒径的具体数 值与粉末颗粒的形状及粉末粒度的分析方法有关。因为，对于具体的测试方法是 建立在一定的有关粉末颗粒形状的假设的基础之上的。如筛分析法指网孔的尺 寸；光学显微镜法或扫描电镜法则代表颗粒投影的某一尺寸， 即定向径；沉降分 析、比表面法的当量粒径或等效球径。

投影径：DA=（4A/ n ）1/2 （令颗粒的投影面积A与直径为DA的球形颗粒面积相等） 等体积球径：D=（6V/ n ）1/3 （令颗粒体积V与直径为的球形颗粒的体积相等） 表面径：DSp=（S/ n ）1/2 体比表面径：Dv=6/Sv=6V/S

前三种表示方法都基于了不同的对颗粒形状的假设，相互之间无法进行换 算，且几何意义不明显。第四种方法不需对粉末颗粒的形状作任何形式的假设， 而且其几何意义很明显，即为颗粒中心（centroid）到各表面元（微表面元ds）按其 表面积加权距离的两倍。其有效性在于：（1）便于比较不同形状粉末颗粒的尺寸 大小；（2）能有效地说明粉末颗粒尺寸对粉末的工艺性能（如粉末的压制与烧结 性能）的影响。

2.粒度组成或粒度分布（particle size distribution）

2. 1粒度组成 指具有不同粒径范围的颗粒在粉末总量中所占的百分数（质量 或个数）。对于具体的测试方法，所测得的粒度分布是粗略的。因为，不同粒度 范围的颗粒，其形状存在一定的差异，而这种差异恰恰反映了颗粒尺寸的大小。 2. 2表示方法：

列表法

直方分布图（histogram ）和频度分布曲线：即以频度（各粒度范围的颗粒数占 所统计颗粒总数的百分数）为纵坐标，粒径为横坐标，矩形高度代表该粒级的频 度（百分数）。这一表示方法比较直观，适用于筛分析和显微分析法测定的粒度 分布的表征。若粒级取得足够窄，矩形上边的中点的连线成为频度分布曲线。（见 教材）

累计分布曲线（cumulative curve）：分为“正”和“负”累计分布曲线两种。后者 表示颗粒尺寸小于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数； 而前者则指粉末 颗粒数量大于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数。若将二者绘制于同一 图上，则二者呈对称分布。（同上）

以上表示方法一般基于显微镜法或筛分析法， 且分析过程极其复杂，适用于 较粗粉末的粒度组成分析。而对于微细粉末粒度组成的测定，常采用一种快速分 析方法一激光衍射法。该法可给出粒度组成的连续分布曲线和粉末的平均粒度。 3 平均粒度（Average particle size

常用平均粒度的表示方法： 算术平均径 Da=END/刀N

）

（令颗粒的表面积S与球形颗粒的表面积相等）