粉末冶金制作流程.ppt

昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,主要內(nèi)容,第一章 粉末制備新技術(shù) 第二章 成型新技術(shù) 第二章 燒結(jié)技術(shù),第一章 粉末的制備新技術(shù),昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,制備粉末的三種途徑： 固態(tài) 液態(tài) 粉末 氣態(tài),昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,固態(tài) 粉末 1、金屬（合金）金屬粉末：機(jī)械粉碎，電化腐蝕 2、金屬氧化物（鹽類）金屬粉末：還原法 3、金屬非金屬化合物 金屬化合物粉末：還原化合法 金屬氧化物非金屬化合物,第一章 粉末的制備新技術(shù),昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,機(jī)械研磨 氣流研磨,昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,機(jī)械制粉方法的實(shí)質(zhì)就是利用動能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面。,機(jī)械研磨法,能夠提供動能的方法可以設(shè)計(jì)出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。,物料顆粒受機(jī)械力作用而被粉碎時，還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化，這種因機(jī)械載荷作用導(dǎo)致顆粒晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的變化稱為機(jī)械力化學(xué)。,研磨的理論基礎(chǔ) 機(jī)械力化學(xué),顆粒結(jié)構(gòu)變化，如表面結(jié)構(gòu)自發(fā)地重組，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或重結(jié)晶 顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)變化，如表面電性、物理與化學(xué)吸附、溶解性、分散與團(tuán)聚性質(zhì) 在局部受反復(fù)應(yīng)力作用區(qū)域產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)，釋放出氣體、外來離子進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)中引起原物料中化學(xué)組成變化。,球磨制粉包括四個基本要素： 球磨筒 磨球 研磨物料 研磨介質(zhì),球磨制粉,在球磨過程中，球磨筒將機(jī)械能傳遞到筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生正向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力等，當(dāng)這些復(fù)雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，細(xì)化過程實(shí)質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過程；如果粉末的塑性較強(qiáng)，則顆粒的細(xì)化過程較為復(fù)雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為，不論何種性質(zhì)的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是一致的。,1.動能準(zhǔn)則： 提高磨球的動能 2.碰撞幾率準(zhǔn)則： 提高磨球的有效碰撞幾率,球磨制粉的基本原則,滾筒式 行星式 振動式 攪動式,球磨制粉的基本方式,滾筒式球磨,轉(zhuǎn)速較低時，球料混合體與筒壁做相對滑動運(yùn)動并保持一定的斜度。隨轉(zhuǎn)速的增加，球料混合體斜度增加，抬升高度加大，這時磨球并不脫離筒壁； 轉(zhuǎn)速達(dá)一臨界值V臨1時，磨球開始拋落下來，形成了球與筒及球與球間的碰撞； 轉(zhuǎn)速增加到某一值時，磨球的離心力大于其重力，這時磨球、粉料與磨筒處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，此時研磨作用停止，這個轉(zhuǎn)速被稱為臨界轉(zhuǎn)速V臨2。,D是磨筒的直徑,滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個限定條件,V臨1< V 實(shí)際 < V臨2,振動球磨,行星球磨,攪動球磨,橫臂均勻分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨過程中，磨球與粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心攪拌棒周圍產(chǎn)生旋渦，然后沿軸線下降，如此循環(huán)往復(fù)。只要轉(zhuǎn)速和裝球量合適，在任何情況下磨筒底部都不會出現(xiàn)死角由于磨球的動能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動提供的，研磨時不會存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制，因此，磨球的動能大大增加。同時還可以采用提高攪動轉(zhuǎn)速。減小磨球直徑的辦法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動能，這樣才符合了提高機(jī)械球磨效率的兩個基本準(zhǔn)則。,氣流研磨法,通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機(jī)械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球及其它輔助研磨介質(zhì)。研磨腔內(nèi)是粉末與氣體的兩相混合物。根據(jù)粉料的化學(xué)性質(zhì)，可采用不同的氣源，如陶瓷粉多采用空氣，而金屬粉末則需要用惰性氣體或還原性氣體。由于不使用研磨球及研磨介質(zhì)，所以氣流研磨粉的化學(xué)純度一般比機(jī)械研磨法的要高。,1.動能準(zhǔn)則： 提高粉末顆粒的動能 2.碰撞幾率準(zhǔn)則： 提高粉末顆粒的碰撞幾率,氣流研磨制粉的基本原則,由于粉末顆粒的運(yùn)動是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動能必須要提高載流氣體的速度。,兩種辦法來實(shí)現(xiàn) 提高氣體的入口壓力 氣體噴嘴的氣體動力學(xué)設(shè)計(jì),通過這兩種辦法使噴嘴出口端的氣體流速達(dá)超音速,氣流研磨三種類型： 旋渦研磨 冷流沖擊 流態(tài)化床氣流磨,旋渦研磨,冷流沖擊,加速效應(yīng)： 加速后的氣體可超過音速； 冷卻效應(yīng)： 氣粉混合物的溫度能降到零度以下。,這兩點(diǎn)對于顆粒的粉碎十分有利，其一是顆粒的撞擊動能增大，其二是金屬顆粒的冷脆性提高。,夾帶有粉料的高壓氣流通過一個稱為拉瓦爾管型硬質(zhì)合金噴嘴噴向空間時，氣體壓力急劇下降，形成絕熱膨脹過程。這一過程會同時產(chǎn)生兩種效應(yīng),流態(tài)化床氣流磨,可獲得超細(xì)粉體，并且粉末粒度均勻； 由于氣體絕熱膨脹造成溫度下降，所以可研磨低熔點(diǎn)物料； 粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)生過度的磨損，因此粉末雜質(zhì)含量少； 針對不同的性質(zhì)的粉末，可使用空氣、N2、Ar等惰性氣體。,流態(tài)化床氣流磨的特點(diǎn)：,昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,液態(tài) 粉末 1、液態(tài)金屬（合金）金屬粉末：霧化法 2、金屬鹽溶液金屬粉末：置換法，溶液氫還原法，水溶液電解法 3、金屬熔鹽金屬粉末：熔鹽沉淀法，熔鹽電法,第一章 粉末的制備新技術(shù),霧化法是一種典型的物理制粉方法，是通過高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水強(qiáng)烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻凝固來實(shí)現(xiàn)的。,霧化制粉法,霧化機(jī)理,過程一：大的液珠當(dāng)受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，則液體的能量變化可近似為液體的表面能增加。 很明顯，霧化時液體吸收的能量與霧化液滴的粒徑存在一個對應(yīng)關(guān)系，即：吸收的能量越高則粒徑越??；反之亦然。,過程二：液體顆粒破碎的同時，還可能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個過程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過程。,過程三：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。,1、能量交換準(zhǔn)則 提高單位時間、單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。 2、快速凝固準(zhǔn)則 提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。,提高霧化制粉效率基本準(zhǔn)則,霧化制粉分類,雙流霧化 指被霧化的液體流和噴射的介質(zhì)流； 單流霧化 直接通過離心力、壓力差或機(jī)械沖擊力實(shí)現(xiàn)霧化,雙流霧化法,氣霧化 水霧化,注：適合于金屬粉末制備,金屬液由上方孔流出時與沿一定角度高速射擊的氣體或水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混合流動，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。,霧化過程的四種情況,動能交換：霧化介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺埽?熱量交換：霧化介質(zhì)帶走大量的液固相變潛熱； 流變特性變化：液態(tài)金屬的粘度及表面張力隨溫度的降低而不斷發(fā)生變化； 化學(xué)反應(yīng)：高比表面積顆粒（液滴或粉粒）的化學(xué)活性很強(qiáng)，會發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)。,氣霧化的四個區(qū)域,負(fù)壓紊流區(qū)高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓紊流層； 顆粒形成區(qū)在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴； 有效霧化區(qū)氣流匯集點(diǎn)對原始液滴產(chǎn)生強(qiáng)烈破碎作用，進(jìn)一步細(xì)化； 冷卻凝固區(qū)細(xì)化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質(zhì)，凝固為粉末顆粒。,氣霧化制粉的影響因素 （1）氣體動能 （2）噴嘴結(jié)構(gòu) （3）液流性質(zhì) （4）噴射方式,離心霧化法,離心霧化法是借助離心力的作用將液態(tài)金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉末顆粒的方法。1974年，首先由美國提出旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法，后來又發(fā)展了旋轉(zhuǎn)錠模、旋轉(zhuǎn)園盤等離心霧化方法。,旋轉(zhuǎn)電極法,粉末平均粒度為 D=（M0。12/wd0。64）(r/m)0。43 式中 M 熔化速度 d陽極直徑 W角速度 D熔體表面張力 m密度,旋轉(zhuǎn)錠模法（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）：,旋轉(zhuǎn)盤法： 旋轉(zhuǎn)盤法最早于1976的美國Pratt & Whitney 飛機(jī)制造公司研制出，用來制備超合金粉末。 這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，則平均粒度越小，細(xì)粉收得率越高。,粉末平均粒度及100目以下粉末收得率隨霧化盤轉(zhuǎn)速而變化的情況,旋轉(zhuǎn)輪法,旋轉(zhuǎn)杯,旋轉(zhuǎn)網(wǎng),昆明理工大學(xué)材料與冶金學(xué)院 胡勁,氣態(tài) 粉末 1、金屬蒸汽金屬粉末：蒸汽冷凝法 2、氣態(tài)金屬羰基物金屬粉末：羰基物熱離解法 3、氣態(tài)金屬鹵化物金屬粉末：氣相氫還原法 4、氣態(tài)金屬鹵化物金屬化合物粉末：化學(xué)氣相沉積法,第一章 粉末的制備新技術(shù),氣相沉積制粉是通過某種形式的能量輸入，使氣相物質(zhì)發(fā)生氣固相變或氣相化學(xué)反應(yīng)，生成金屬或陶瓷粉體。,物理氣相沉積法 化學(xué)氣相沉積法,一、化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)類型,分解反應(yīng),化學(xué)氣相沉積法,化合反應(yīng),二、化學(xué)氣相沉積制粉原理,1. 化學(xué)反應(yīng) 2. 均相形核 3. 晶粒生長 4. 團(tuán) 聚,制粉過程包括四個步驟：,化合反應(yīng),由上式可知，化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的控制因素包括： 1）反應(yīng)溫度、2）氣相反應(yīng)物濃度、3）氣相生成物濃度,1.化學(xué)反應(yīng),對一個確定的化學(xué)反應(yīng)，判斷其能否進(jìn)行的熱力學(xué)判據(jù)為：,分解反應(yīng),氣相反應(yīng)發(fā)生后的瞬間，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成了產(chǎn)物蒸氣，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時，產(chǎn)物蒸氣濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，這時產(chǎn)物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反應(yīng)產(chǎn)物晶核的形成是個均勻形核過程。 假設(shè)晶核為球形，半徑為r，則形成一個晶核，體系自由能的變化為：,2.均勻形核,為固氣相的體積自由能差 為晶核的表面能,臨界形核半徑,對應(yīng)大小的晶核則被稱為臨界晶核,結(jié)論： 溫度越高，過飽和度越大，則臨界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，對晶體生成越有利。,均相晶核形成之后，穩(wěn)定存在的晶核便開始晶粒生長過程。小晶粒通過對氣相產(chǎn)物分子的吸附或重構(gòu)，使自身不斷長大。理論和實(shí)踐都表明：晶粒生長過程主要受產(chǎn)物分子從反應(yīng)體系中向晶粒表面的擴(kuò)散遷移速率所控制。,3.晶粒生長,顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用，主要包括范德華力、靜電引力等，顆粒之間會發(fā)生聚集，顆粒越小，則聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象被稱為團(tuán)聚。對于超微粉末，團(tuán)聚是一個普遍存在并不容忽視的問題，在實(shí)際使用超微粉末時，如果不能有效地解決團(tuán)聚問題，則粉末就可能失去其特有的性質(zhì)。,4.團(tuán) 聚,三、化學(xué)氣相沉積類型,熱分解法,熱分解法中最為典型的就是羰基物熱分解，它是一種由金屬羰基化合物加熱分解制取粉末的方法，整個過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是制備金屬羰基化合物,第一步：合成羰基鎳,第二步：羰基鎳熱分解,氣 相 氫 還 原 還原劑-氫氣 氣相金屬熱還原 還原劑-低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)的金屬（Mg、Ca、Na） 兩類反應(yīng)的反應(yīng)物均選用低沸點(diǎn)的金屬鹵化物且以氯化物為主,氣相還原法,復(fù)合反應(yīng)法是一種重要的制取無機(jī)化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，這種方法既可制備各種陶瓷粉體也可進(jìn)行陶瓷薄膜的沉積。所用的原料是金屬鹵化物(以氯化物為主)，在一定溫度下，以氣態(tài)參與化學(xué)反應(yīng)。,復(fù)合反應(yīng)法,1. 碳化物反應(yīng)通式,2. 氮化物反應(yīng)通式,3. 硼化物反應(yīng)通式,4. 硅化物反應(yīng)通式,一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉積條件,化學(xué)還原法,一、還原制粉的基本原理,依據(jù)熱力學(xué)原理確定反應(yīng)能否發(fā)生氧位圖,氧化物的 G0T 圖,二、典型還原制粉類型,氫還原法,碳還原法,還原化合法,電化學(xué)制粉法,一、電化學(xué)制粉分類,水溶液電解 有機(jī)電解質(zhì)電解 熔鹽電解 液體金屬陰極電解,！,