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 oｆｐowder 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:↓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）↓—后续处理Ｆig.１-1 Typicａl Processｉｎg ｆｌowcｈａrt foｒ Powｄeｒ Meｔａｌlurgy Tｅchｎique3粉末冶金技术的特点．低的生产成本:能耗小, 生产率高, 材料利用率高,设备投资少。

↑↑↑工艺流程短和加工温度低加工工序少少切削、无切削.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、SnO2－Aｇ、WC－Co、Cｕ-石墨、金属陶瓷（ＴｉC-ＮiCr，Al２O3－Ni或Cu,TiＢ2－Ｃｕ等）、弥散强化材料（Al2O3-Cu Al2Ｏ3-Al,Y２O３-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). 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§1 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（0.1μｍ―１mｍ)和胶粒(<0.１μｍ）。

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(粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒）。

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（secondａrｙpaｒtiｃｌe）: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。

细粉末由于表面发达而结合，通常以二次颗粒的形式存在。

一次颗粒往往不能单独存在而聚集在一起,聚集力主要是物理作用力，而非强化学健结合一次颗粒粒度测定：惰性气体表面吸附方法BETﻭ二次颗粒粒度测定:ｘ-rａy，optiｃal micｒoｓcｏpｅ, ＴEM, SEM,ｌｉght scaｔteriｎg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。

致密体：晶粒之间没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联结粉末体：颗粒之间有许多小孔隙,而且联结面很小,面上的原子不可能形成强的键力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。

（颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的商值）有效密度（ffｅcｔiｖｅparticｌe 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。

(即似密度D2)D２=（F2－F1）/［V-{（F３-F2)/Ｄ液｝]Ｆ1: 比重瓶重量F2：含粉末后的比重瓶重量F3:比重瓶加粉末和充满液体之后的总重量V＝(Ｆ3-F２)/Ｄ液粉末体积ﻭF3-Ｆ2 液体重量,Ｆ３-F2/Ｄ液液体体积ﻭD液(水)=1ﻭ形状因子:是表示实际粉末偏离球形的程度的；ﻭ表面形状因子、体积形状因子,及两者的比值－比形状因子；S＝ｆD2V=kD3ｆ:表面形状因子ｋ:体积形状因子，二者之比m=f/k 比形状因子，ﻭ如规则的球形体: S=πD2, V=(１/6)πD3ﻭ表面形状因子为π, 体积形状因子等于π/6，比形状因子等于6. m＝6;ﻭ边长为a的规则正方体，表面积等于6a2,体积等于a３,f=６,k=１,m=6；形状愈复杂, 表面愈发达, 表面积愈大, 则比形状因子数值也愈大，树枝状粉末的比形状因子m=12-１8，薄片状=80, 角状m=１0ﻭ其他任何形状的颗粒,F/Ｋ均大于6；而且形状越是规则，颗粒的表面积越发达，则比形状因子就越大。

ﻭ3.1.2 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。

一般地, 粉末强度愈高,硬度愈高, 混合粉末的强度比合金粉末的硬度低,合金化可以使得金属强化, 硬度随之提高；不同方法生产同一种金属的粉末,显微硬度是不同。

粉末纯度越高，则硬度越低,粉末退火降低加工硬化、减少氧、碳等杂质含量后,硬度降低。

ﻭ颗粒的显微硬度值，在很大程度上取决于粉末中各种杂质与合金组元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。

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。

如尺寸为１０nm的纳米银粉,其熔点仅为9７℃。