粉末冶金原理

粉末冶金原理PowderMetallurgy緒論1.粉末冶金定義消費金屬粉末和用金屬粉末〔也包括非金屬粉末〕作為原料經(jīng)過成型和燒結消費金屬資料、復合資料和各種類型制品的冶金工程與資料科學和機械零件制造技術。合金元素粉原料粉光滑劑混合成型壓坯燒結產(chǎn)品粉末制品消費表示圖2.粉末冶金消費工藝粉末冶金消費工藝由三大步驟組成：〔1〕粉末消費〔2〕粉末成型〔3〕成形坯燒結粉末冶金資料和零件主要制造流程原料粉末添加劑混合壓制等靜壓注射擠壓軋制燒結熱等靜壓熱擠壓粉漿澆注精整浸油鍛造熱處置軋制復壓復燒后處置廢品粉末冶金資料和制品消費工藝流程3粉末冶金特點〔1〕粉末冶金能消費普通冶煉方法無法消費的具有特殊性能的資料；1〕孔隙度可控2〕可組成相圖不成立的合金，如金屬與非金屬，假合金，高合金含量等3〕復合資料〔2〕比普通冶煉法消費的資料性能優(yōu)越；1〕高合金資料，如超合金，高速鋼等2〕難熔金屬〔3〕比普通熔煉法更經(jīng)濟

少切削、無切削和一次成形的特點

1〕資料利用率高；

2〕能耗低；

3〕投資低，批量愈大本錢愈低，粉末冶金產(chǎn)品本錢取決于模具和設備的一次投資；

4〕可按照需求調(diào)理資料的成分；

5〕可消費外形復雜的零件；

6〕精度高，粗糙度低；

7〕環(huán)境好，無污染、噪音；

齒輪的粉末消費工藝齒輪的機加工消費工藝粉末成形燒結精整高頻淬火廢品冶煉鑄造鍛打切割退火機加工淬火磨加工廢品鑄造粉末冶金冷成形鍛造機械加工90958580507550250〔%〕資料利用率3828.54149820255075100〔MJ〕每kg零件的能耗各種方法資料利用率與能耗

徑向可達到的ISO公差標準

級加工工藝5678910111213141516精密鍛造****鍛造（沖裁）******高精度鍛造****冷壓*****粉末冶金****拉拔成型****磨加工****各種方法可到達的徑向尺寸公差加工工藝

平均粗糙度鍛造沖壓高精度鍛造機械加工磨加工粉末冶金63040025016010063402516106.304.002.501.601.000.630.400.250.160.100.064粉末冶金的開展1遠古的粉末冶金

海綿鐵鍛打冶金工藝。我國早在春秋末期，也就是2500多年以前，就已用塊煉鐵(即海綿鐵)鍛造法制造鐵器了。公元4世紀，古印度用同一工藝制成了舉世出名的德里鐵柱(高7．2m，重6t)和達爾鐵柱(高12．5m，重7t)。2現(xiàn)代粉末冶金來源于難熔金屬，難熔金屬粉末壓制、燒結、熱鍛工藝。1750-1850年，鉑；1909年鎢絲。3含油軸承的發(fā)明、硬質(zhì)合金的消費推進了粉末冶金在機械制造業(yè)的開展4科學技術的開展帶動了粉末冶金資料和技術的的開展5粉末冶金制造技術和設備的開展6我國粉末冶金的開展7粉末冶金的開展現(xiàn)狀和前景新工藝和新技術：溫壓成形，粉末注射，粉末鍛造，粉末放射成形，微波燒結，放電等離子燒結5粉末冶金資料的種類和運用〔1〕粉末冶金資料和制品的種類1〕機械零件2〕工具資料3〕磁性和電工資料4〕耐熱資料5〕原子能工程資料〔2〕運用領域類別材料和制品的名稱機械零件和結構零件減磨材料多孔含油軸承鐵基含油軸承銅基含油軸承鋁基含油軸承金屬塑料減磨材料致密減磨材料機械零件鐵基機械零件有色金屬機械零件摩擦材料鐵基摩擦材料銅基摩擦材料多孔材料過濾器流體分布元件多孔電極發(fā)散發(fā)汗材料吸音材料密封材料工具材料硬質(zhì)合金含鎢硬質(zhì)合金WC-CoWC-Ti-Co無鎢硬質(zhì)合金碳化鈦基硬質(zhì)合金碳化鉻基硬質(zhì)合金鋼結硬質(zhì)合金超硬材料立方氮化硼金剛石工具陶瓷工具材料粉末高速鋼磁性材料和電工材料磁性材料軟磁材料硬磁材料高溫磁性材料矩磁鐵氧體旋磁鐵氧體電接觸材料電觸頭材料金屬-金屬金屬-石墨金屬-金屬化合物電熱材料金屬電熱材料難熔金屬化合物耐熱材料粉末超合金粉末鎳基超合金粉末鈷基超合金難熔金屬及其合金金屬陶瓷高溫金屬陶瓷氧化物基碳化鈦基高溫涂層彌散強化材料氧化物彌散碳化物硼化物氮化物纖維強化材料原子能工程材料核燃料元件鈾合金化合物彌散強化其他原子能工程材料粉末冶金在汽車上的運用據(jù)資料引見：興隆國家汽車制造業(yè)粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品總產(chǎn)量的絕大多數(shù)，如美國占90%，歐洲為80%，而我國目前尚缺乏40%。歐洲平均每輛汽車的粉末冶金制品運用量是14kg，日本為16kg，美國已到達19.5kg以上，估計未來能夠到達22kg。而我國目前平均每輛汽車粉末冶金制品的用量卻只需4kg多點〔按2021乘用車產(chǎn)量1826萬輛計算為4.15kg/輛〕。VVT鏈輪凸輪軸鏈輪平衡軸機構平衡軸鏈輪雙聯(lián)曲軸鏈輪機油泵總成EA888發(fā)動機真空泵總成水泵總成空調(diào)總成進排氣座圈凸輪軸護圈搖臂支架氣門導管凸輪軸組件曲軸軸承蓋凸輪軸軸承蓋曲軸連桿桿導承MPIF確認VVT為PM里程碑技術真空泵燃油泵齒輪泵轉子泵內(nèi)外齒泵鑄物產(chǎn)品帶輪系列

Pulley鏈輪系列

SprocketGears軸承蓋系列

BearingCap同步器齒轂系列

SynchronicHub轉子齒輪系列

Rotor輪轂系列

Flange滑塊撥叉系列TransmissionParts轉向管柱系列

SteeringColumnParts空調(diào)緊縮機系列

AirCompressorParts第一章粉末制取1粉末的要求：化學成分物理構造外形粒度和粒度分布；2制粉方法生產(chǎn)方法原材料粉末產(chǎn)品金屬粉末合金、化合物粉末物理化學法還原碳還原氣體還原金屬熱還原金屬氧化物金屬氧化物及鹽類金屬氧化物Fe，WFe，W，Mo，Ni，Co，CuFe-Mo，W-ReCr-Ni還原化合碳化或碳與金屬氧化物作用硼化或碳化硼法硅化或與硅與金屬氧化物作用氮化或與氮與金屬氧化物作用碳化物硼化物硅化物氮化物氣像還原氣相氫還原氣相金屬熱還原氣態(tài)金屬鹵化物氣態(tài)金屬鹵化物W，MoTa，Nb，Ti，ZrCo-W，W-Mo化學氣相沉積氣態(tài)金屬鹵化物碳化物硼化物硅化物氮化物氣相冷凝換離解金屬蒸汽冷凝氣態(tài)金屬Zn，Cd羰基物熱理解氣態(tài)金屬羰基物Fe，Ni，CoFe-Ni置換溶液氫還原從熔鹽中沉淀金屬鹽溶液金屬鹽溶液金屬熔鹽Cu,Sn,Ag，Cu,Ni,CoZr,BeNi-Co電解水溶液電解熔鹽電解金屬鹽溶液金屬熔鹽Fe,Cu,Ni,AgTa,Nb,Ti,Zr,Th,BeFe-NiTa-Nb電化腐蝕不銹鋼任何金屬和合金任何金屬不銹鋼任何金屬碳化物硼化物硅化物機械法機械粉碎機械研磨旋渦研磨冷氣流粉碎脆性金屬和合金人工增加脆性的金屬和合金Sb,Cr,Mn,高碳鐵Sn,Pb,TiFe,AlFe-Al,Fe-SiFe-Cr等合金Fe-Ni,鋼不銹鋼，超合金霧化氣體霧化水霧化旋轉圓盤霧化旋轉電極霧化液態(tài)金屬和合金液態(tài)金屬和合金液態(tài)金屬和合金液態(tài)金屬和合金Sn,Pb,Al,Cu,FeCu,FeCu,Fe,難熔金屬，無氧銅黃銅，青銅，合金鋼，不銹鋼黃銅，青銅，合金鋼鋁合金，鈦合金，不銹鋼第一節(jié)復原法1.復原法的特點運用面廣，原料易獲得，復原方法工藝簡便，消費投資本錢低，可大規(guī)模消費；2.運用范圍：鎢、鉬、鐵、銅、鈷、鎳3.消費方法固體碳復原，氫氣復原，天然轉化氣復原，金屬熱復原，氣相復原，一、金屬氧化物復原根本原理1.復原熱力學用復原金屬氧化物可以獲得金屬粉末和合金粉末一種氧化物能否被復原首先要從熱力學上進展判別判別根據(jù)：MeO+X=Me+XO根據(jù)加和反響可寫成：2Me+O2=2MeO(1)2X+O2=2XO(2)?[(2)-(1)]MeO+X=Me+XO根據(jù)規(guī)范等壓位△Z?=-RTlnKp

那么〔1〕式的

△Z?=-RTlnKp=-RTln

那么〔2〕式的

△Z?=-RTlnKp=-RTln

那么△Z?=1/2(△Z?(2)-△Z?(1))如要復原反響進展那么△Z?=<0那么△Z?(2)<△Z?(1)PO2(XO)<PO2(MeO)按氧化物△Z?=a+bT作圖△Z?-T圖規(guī)律1.隨溫度升高，△Z?增大，即氧化物的離解壓(po2)增大;2.△Z?-T曲線在相變處發(fā)生轉機；3.CO生成的△Z?-T曲線走向向下，與其他氧化反響相反；4.在同一溫度下位置越低的氧化物生成物越穩(wěn)定。2金屬氧化物復原反響動力學動力學研討的問題是反響進展的速度和影響反響速度的要素1〕碰撞實際碰撞-接觸-反響是分子之間的反響的必要條件，參與化學反響的物質(zhì)濃度越高那么碰撞幾率越大，那么化學反響速度越快，因此有：v=kCACB一級反響速度與濃度的關系：2〕活化能根據(jù)可逆反響到達平衡是的平衡常數(shù)與溫度的關系：可得到公式中的E即為反響活化能，其含義是發(fā)生反響必需抑制的勢壘大小，降低反響的活化能是提高反響速度的重要措施。3〕多相反響特點多相反響機理吸附-自動催化：吸附MeO〔固〕+X〔氣〕=MeO〔固〕·X〔吸附〕反響MeO〔固〕·X〔吸附〕=Me〔固〕·XO〔吸附〕解吸Me〔固〕·XO〔吸附〕=Me〔固〕+XO〔氣〕MeO〔固〕+X〔氣〕=Me〔固〕+XO〔氣〕氣體分子氧化物自動催化abc時間反響速度與時間的關系速度

影響反響速度的要素

〔1〕反響物之間的接觸面積，

3(W01/3-W1/3)=Kt

〔2〕化學反響速度

v=k2Acin

〔3〕分散速度

v=D/δA(c-ci)=k1Ac00.60.70.80.91.01.01.21/T,K-1溫度對C+1/2O2CO反響速度的影響10310210對于反響物為球狀的反響速度計算公式r0ydy二、氧化鐵復原根本原理1.復原熱力學Fe2O3Fe3O4FeOFeCO復原在570℃以上3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(a)Fe3O4+CO=3FeO+CO2(b)FeO+CO=Fe+CO2(C)在570℃以下Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2(d)根據(jù)△Z?=-RTlnKp計算出不同溫度下在△Z?=0時的上述每一個反響的CO的分壓值，然后作圖，可得CO%-T圖。80604020CO%40060080010001200溫度，℃Fe-O-C系平衡氣相組成與溫度的關系dcbDCBoe2直接復原和間接復原直接復原即碳與氧化鐵接觸并經(jīng)過碳原子與氧化鐵反響而進展的；間接復原既碳發(fā)生氣化反響產(chǎn)生CO，然后經(jīng)過CO氣體在氧化鐵外表的吸附并進展反響，氣化反響：CO2+C=2CO,pco+pco2=1atm2C+O=CO,pco=1atm

3氧化鐵復原動力學固體碳的間接復原氧化鐵遵照多相復原機理，即吸附-自動催化6005004003002001000復原速率mg氧/min020406080100復原百分率，%B1B2B3C3C2C1〔1〕Fe2O3復原的多層構造性：1〕570以上：Fe2O3〔芯部〕Fe3O4浮氏體〔Fe3O4·FeO固溶體〕Fe〔外層〕2〕570以下：Fe2O3〔芯部〕Fe3O4Fe〔2〕反響速度：Fe2O3Fe3O4Fe3O4FeOFe三、固體碳復原制取鐵粉的工藝1.原料的加工處置〔1〕氧化鐵1〕軋鋼鐵鱗由鋼鐵軋制獲得即為鋼板軋制外表零落物，起成分為：FeO〔接近鋼板〕、Fe3O4〔中間層〕、Fe2O3〔表層〕，在搜集和運輸過程中臟化，需清洗和磁選處置。2〕磁鐵礦精礦粉由鐵礦石開采獲得?！?〕復原劑〔固體碳〕2.復原工藝名稱成分固定碳S灰分揮發(fā)物備注焦碳75-780.8-0.9≈155-8無煙煤70-801.5-3.2510.8木炭≥60≤0.03≤10≤25還原劑還原溫度及時間還原溫度/℃還原時間/h木炭95050焦碳115047無煙煤1050-110055不同復原劑的復原溫度及時間技術參數(shù)廠家名稱美國赫格納斯日本川崎瑞典赫格納斯中國（1）中國（2）全長/m170160275105154預熱帶長度/m50402532還原帶長度/m60805485冷卻帶長度/m60402637還原溫度/℃1200113012001150-12001150-1200還原劑種類焦碳焦碳焦碳焦碳焦碳還原周期/h841339890還原罐出爐溫度/℃200200250250年產(chǎn)量/t15000-200001100060000500010000隧道窯有關工藝參數(shù)3.影響復原過程和鐵粉質(zhì)量的要素〔1〕原料1〕雜質(zhì)雜質(zhì)除了影響復原鐵粉的純度，還影響到復原反響速度，其中以氧化硅有害程度最大。2FeO+SiO2=Fe2SiO42)氧化鐵的粒度氧化鐵粉細比外表大與復原氣體的接觸面大，反響速度快，如在900℃下用CO復原，粒徑1mm時復原20min復原率達90%以上，而粒徑為4mm，90%復原率需70min。粉末太細透氣性差會降低復原速度，工業(yè)上選擇在0.35-0.175mm〔-40～-80目〕(2)復原劑1〕復原劑種類木炭焦炭無煙煤復原劑木炭氣孔率大活性強效果最正確，焦碳次之，無煙煤最差，而且焦碳和無煙煤中含有較高的S需加脫硫劑〔普通用石灰石〕2〕固體復原劑的用量根據(jù)下面反響計算：FeO+C=Fe+CO〔1〕FeO+C=Fe+CO2〔2〕那么〔1〕和〔2〕的碳氧比為k1和k2：k1=C/O=0.75k2=C/O=0.35實踐碳的選擇：木炭0.5-0.6，焦碳、無煙煤0.6-0.7，即參與碳量為：C固體碳=O分析k

參與量對Fe粉純度的影響80901001100木炭參與量%9998979695Fe%含鐵量鐵中含碳量〔3〕復原工藝1〕溫度和時間復原溫度和時間復原溫度高復原速度快時間短，反之那么長。但復原溫度不宜過高，否那么會使海綿鐵結塊和滲碳。料層厚度120010008006004002000復原溫度℃0102030405060708090100110復原時間/h105m隧道窯兩種工藝曲線比較〔1200±40〕46h〔1150±10〕55h100806040200010203040506070復原時間min木炭復原鐵鱗復原百分率與溫度和復原時間的關系百分率%1050℃1000℃950℃2〕料層厚度3〕復原罐密封程度〔4〕添加劑1〕參與一定的固體碳2〕參與前往料3〕引人氣體復原劑4〕堿金屬鹽〔5〕海綿鐵質(zhì)量控制和處置復原終點氧化鐵全部被復原，繼續(xù)延伸復原時間，碳的濃度急劇上升，使海綿鐵開場滲碳，復原終了和開場滲碳的平衡點即所謂的復原終點。2CO==CO2+C+〕3Fe+C==Fe3C2CO+3Fe==FeC+CO2海綿鐵破碎還面鐵是鐵粉顆粒的粘結體要經(jīng)過破碎才干獲得鐵粉。鐵粉的松裝密度等可經(jīng)過破碎來調(diào)理。二次復原海綿鐵破碎之后需進展復原，作用脫碳、脫氧、脫硫，消除破碎產(chǎn)生的加工硬化。海綿鐵中的含碳量110012001300140015001600T,K氣相組成、壓力溫度對鐵中含碳量的影響1.00.80.60.40.20C%p1.0p0.5p1.0p0.5p1.01.00.10.10.010.01co2:co第二節(jié)電解法一、水溶液電解法1.特點純度高，粒度可控，壓制性好，本錢較高2.運用最廣的是：銅、鎳、鐵、銀、錫、鉛、鉻、錳〔一〕、水溶液電解的根本原理1.電化學原理陽極陰極⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊕⊕⊙⊙⊕電解過程表示圖電解銅時電解槽的化學體系〔-〕Cu〔粉〕/CuSO4，H2SO4，H2O/Cu〔純〕〔+〕電解質(zhì)在溶液中的電離陽極反響：

陰極反響：

2.溶液中雜質(zhì)元素的反響〔1〕規(guī)范電位比銅更負的元素在陽極這類元素優(yōu)先轉入溶液在陰極不復原或比銅后復原如有鐵存在，鐵比銅的規(guī)范電位更負，將會發(fā)生：在陽極FeFe2++2e在水溶液中2Fe2++2H++1/2O2=2Fe3++H2O在陰極Fe3++e=Fe2+(2)規(guī)范電位比銅更正的元素在陽極這類元素不氧化或比銅后氧化在陰極這類元素先復原。如銀在陽極不溶解。如溶液中存在少量的銀構成Ag2SO4那么電離后銀離子優(yōu)先在陰極析出，呵斥銀的損耗，可參與HCl構成AgCl堆積回收。〔3〕規(guī)范電位接近銅的元素這類元素會在陽極與銅一同進入溶液，在陰極，當銅離子濃度降低時，會在陰極上析出?！捕?、電解電壓和極化1.實際分解電壓可以發(fā)生電解反響的最小電壓稱為分解電壓，數(shù)值上等于原電池的電動勢：E實際=ε陽-ε陰分解電位實踐分解時的電位：E分解=E實際+E超E超=E濃+E阻+E電化2.極化偏離平衡電位的景象稱為極化，極化有濃差極化、電阻極化和電化學激化，相應的有濃差超電壓、電阻超電壓和電化學超電壓。濃差極化電解時正負離子在陰極和陽極上的析出，而正負離子來不及分散補充，呵斥在陽極陰極之間正離子和負離子之間的濃度差，這種濃度差而導致電位反向增高，這種景象稱為濃差極化。可經(jīng)過攪拌消除濃度差，從而消除濃差極化。

電阻極化

電化學極化

〔三〕、電解的定量定律法拉第第一定律：電解時，在任一電極反響中，發(fā)生變化的物質(zhì)量與經(jīng)過的電量成正比，即與電流強度和經(jīng)過的電流時間成正比。法拉第第二定律：析出一克當量的物質(zhì)需經(jīng)過F=96500C或96500A·S〔26.8A·h〕的電量，96500C為法拉第常數(shù)。電化當量為：W——物質(zhì)的原子量；N——原子價那么電解產(chǎn)量為：m=q·I·tI——電流強度，At——電解時間，h〔四〕、成粉條件粉末的析出條件陰極至陰極間隔h析出金屬粉末時的陽離子濃度分布C濃度陰極至陰極間隔h溶液中最初的陽離子濃度分布C0在一定的電流密度下，要析出金屬粉末，陰極板附近的離子必需降低到C0。在陰極板附近的離子濃度降到C0時，在陰極板上析出的離子數(shù)為：

式中A為陰極板面積，h至陰極板間隔

根據(jù)法拉第定律Q---經(jīng)過面積A的電量在電解槽中，濃度梯度與電流密度的關系為：

積分代入上式得：假定在1秒鐘后開場析出粉末那么t=1上式闡明要析出粉末的電流密度。實驗闡明在20-25s內(nèi)還未析出粉末，那么在此種電流條件下，不能夠析出粉末，如以t=0.25s代入上式：由此可知，當要得到松散粉末

i≥KC

要得到致密金屬

i≤0.2KC

由此可作圖得到三個區(qū)域，即Ⅰ-粉末區(qū)；Ⅱ-過度區(qū)和Ⅲ-致密堆積區(qū)，作圖可得00.20.40.60.81.01.21.4C，mol/Li-c關系圖0.50.40.30.20.10Ia/cm2i=KCi=0.2KCⅠⅡⅢ〔五〕、電流效率和電能效率電流效率和電能效率關系到電解制粉的目的和經(jīng)濟效益。1.電流效率ηi：M——電解出的實踐產(chǎn)物質(zhì)量，gq——電化當量，g/Ah；I——電流強度，A；t——電解時間，h電流效率普通為90%，好的95%左右。2.電能效率：

W0——析出一定質(zhì)量在實際上所需求的電能

W0=堆積所需求的電量〔I0t〕×實際分解電壓〔E實際〕

We——析出同樣物質(zhì)實踐所耗費的電能

We=經(jīng)過電解槽的全部電量〔It〕×槽電壓〔E槽〕槽電壓〔E槽〕是電解時加在電解槽上的電壓

E槽=E分解+E液+E接