专业课学习报告
序论
概念：粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。
粉末冶金的基本工序：1）原料粉末的制取和准备；2）将金属粉末制成所需形状的坯块；3）将坯块在物料主要熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。
粉末冶金技术的特点1）成本低；2）具有独特的性能和显微组织，如多孔材料、氧化物弥散强化合金、陶瓷和硬质合金；3）可以制取其它工艺难以制取的材料，如活性金属、高熔点金属；4）经济效果只有在大规模生产时才能表现出来；5）粉末冶金材料和制品的应用范围十分广泛。
粉末的制取
1.1机械粉碎法
1.1.1机械研磨法
1.1.1.1研磨规律
1）球磨时最有效的研磨制度时球体滚动和自由下落
2）要使球体起冲击作用，圆筒转速应为（0.7～0.75）n临界，
2影响球磨的因素
研磨硬脆材料时，课选用球筒直径D与长度L之比D/L>3的球磨机；
一般球磨机的装填系数取0.4～0.5为宜；
装填料为球磨筒容积的20％
2
表1金属和合金粉末的推荐制取方法
金属或合金
制取方法
铝
气雾化，空气雾化，研磨
铍
研磨，电解，化学沉积
钴
氧化物还原，电解
铜
电解，水雾化，氧化物还原，硫酸盐沉淀
铜合金
水雾化，机械研磨
铁
氧化物还原，机械研磨，水雾化，羰基法，离心雾化，电解，气雾化
镍
羰基法，电解，氧化物还原，水雾化，气雾化
精密合金
空气雾化，电解，混合还原
反应金属（钛，锆）
氧化物还原，离心雾化，化学沉积
高熔点金属（钒，钼，铼，钽，铪）
氧化物还原，化学沉积，离心雾化
特殊合金
气雾化，水雾化
钢
水雾化，蒸汽雾化，气雾化
超合金
气雾化，离心雾化
铀
氧化物还原，氢化－除氢法
2粉末的性能及其测定
1粉末及粉末性能
2.1.1粉末颗粒结晶构造和表面状态
一般来说粉末颗粒具有多晶结构，而晶粒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。
粉末颗粒实际构造的复杂性在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，夹杂等。因此，粉末总是贮存较高的晶格即便能，具有较高的活性。
2.1.2粉末性能
单颗粒性质（1）由粉末材料决定的性质：点阵结构，理论密度，熔点，塑性，弹性，电磁性质，化学成分等；（2）粉末生产方法决定的性质，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，表面吸附的气体与氧化物，活性等。
粉末体性质：平均粒度，粒度组成，比表面，松装密度，振实密度，流动性和颗粒间的摩擦状态。
粉末的空隙性质：总孔隙体积，颗粒间的孔隙体积，颗粒内孔隙体积，颗粒间孔隙数量，平均孔隙大小，孔隙大小分布以及孔隙形状。
2.2化学检验
粉末的化学成分包括主要金属的含量和杂质的含量
含氧量的测定方法：库仑分析议，菲水滴定法和氢损测定法
2.3颗粒形状
表2颗粒形状与粉末生产方法的关系
颗粒形状
粉末生产方法
颗粒形状
粉末生产方法
球形
气相沉积，液相沉淀
树枝状
水溶液电解
近球形
气体雾化，溶液置换
多孔海绵状
金属氧化物还原
片状
塑性金属机械粉碎
碟状
金属漩涡研磨
多角形
机械粉碎
不规则形
水雾化，机械粉碎，化学沉淀
概念：表面形状因子，体积形状因子，比形状因子
2.4粉末的粒度及其测定
2.4.1粒度和粒度组成
2.4.1.1粒径基准：1）几何学粒径dg，名义粒径;2)当量粒径de;3)比表面粒径dsp;4)衍射粒径dsc
2.4.1.2粒度分布基准：个数基准分布，长度基准分布，面积基准分布，质量基准分布
2.4.2粉末粒度的测定方法
表3常用的一些粒度测定方法
测量原理
方法
使用的大致粒度范围/?m
机械或超生振动
筛分
5-800
显微镜
光学
0.5-100
电子
0.001-50
电阻率
库尔吐计数器
0.5-800
电敏感区
0.1-2000
沉降
沉降仪
0.1-100
罗勒分析器
5-40
空气粉尘粒度测定仪
2-300
光散射
光散射粒度测定仪
2-100
光遮蔽
光遮蔽粒度测定仪
1-9000
透过性
费歇尔亚筛粒度分析仪
0.2-50
表面积
气体吸附（BET）
0.01-20
2.5粉末的比表面及其测定
定义：1g质量的粉末所具有的总表面积
测定方法通常有吸附法和透过法
3成形
3.1成形前原料准备
1）退火
还原法，机械研磨法，电解法，雾化法及羰基离解法制得的粉末都要退火处理；
退火温度一般在（0.5-0.6）范围内
退火气氛一般用还原性气氛
2）合混合基本上有两种方法：机械法和化学法。机械混料法分为干混和湿混。化学法是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合
3）筛分4）制粒5）加润滑剂
3.2压制过程中力的分析
3.2.1侧压力
3.2.2外摩擦力
外摩擦力的影响1）损耗了一部分压制力2）引起压制压力的不均匀分布3）阻碍粉末体在压制过程中的运动
3.2.3脱模压力
3.2.4弹性后效
3.5成形剂
使用成形剂的目的
促经粉末颗粒变形，改善压制过程，降低单位压制压力
提高压坯强度，减少粉尘飞扬，改善劳动条件
提高压坯密度及其分布均匀性，改善压坯表面质量
提高压坯寿命
兼做造孔剂
4烧结
4.1烧结过程热力学
4.1.1烧结的热力学
1）金属粉末具有较大的表面积，表面能较高，粉末表面原子都力图成为内部原子，使其本身处于低能位置。因此，粉末粒度越细，表面越不规则，表面能越大，所贮存的能量越高，烧结也易于进行。
2）晶格畸变和处于活性状态的原子，在烧结过程中也要释放一定的能量，力图恢复其正常位置。
3）ΔA = ΔU - TΔS，ΔU为粉末说具有的全部过剩能量，ΔA为其自发进行烧结的能量，T为绝对温度，ΔS为粉末状态和烧结状态的熵差，一般来说，ΔA总是小于ΔU，但是一般认为这种能量使发生烧结的原动力。
4.1.2烧结的基本过程
等温烧结大致可分为三个界限不十分明显的阶段
1）开始阶段（粘结阶段）
颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变。但是烧结体的强度核导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显增加。这阶段主要发生金属的回复，吸附气体核水分的挥发，压坯内成形剂的分解核排除。
2）中间阶段—烧结颈长大阶段
原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。
同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。
密度和强度增高使这个阶段的主要特征。
这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。
3）最终阶段—闭孔隙球化和缩小阶段。此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球形而且不断缩小。
这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。但是仍有少量残留的隔离小孔不能被消除。
4.1.3烧结原动力
1）根据库钦斯基的简化烧结模型，作用于烧结颈的应力为：
孔隙网形成后对烧结起推动作用的有效力：
当Pv增大到超过表面张应力时，隔离孔隙就停止收缩，所以再烧结最终阶段，烧结体内总会残留少部分的闭孔隙。这种闭孔隙仅靠延长烧结时间时不能消除的。
2）烧结原动力的热力学表达式
如果具有过剩空位浓度ΔCv的区域仅在烧结颈表面下以ρ为半径的园内，则当发生空位扩散时，过剩空位浓度梯度是：
3）物质由颗粒表面向空间蒸发，导致的物质迁移
,P0—平面饱和蒸气压；r—曲面的曲率半径
4.3烧结中的物质迁移
4.3.1开始烧结阶段
1）烧结颈长大的一般通式：，x:烧结颈半径;R粉末颗粒半径;t等温烧结时间B：材料的几何参数和几何常数n烧结机构特征的指数项；m:由粉末颗粒大小决定的指数项。n,m,b,值取决于物质迁移机构
2）物质迁移机构：粘性流动机构，蒸发－凝聚机构，体积扩散机构，表面扩散机构，晶界扩散机构和塑性流动机构
4.3.2中间烧结阶段
是决定压坯性能的最重要阶段。特点是烧结体的致密化和晶粒长大
孔隙的结构变得光滑，但在最终阶段烧结之前还残存着相互的联系
晶粒边界和孔隙的几何形状控制着烧结的速率
孔隙与晶界之间的相互作用可能由两种形式： = 1 \* GB3 ①孔隙可能在晶粒长大时被运动着的晶界所平直化 = 2 \* GB3 ②晶界可能从孔隙处中断
孔隙可以占据晶粒的棱边，从而发生烧结体的致密化，或者占据晶粒内部，成为闭孔隙，不会发生致密化。
希望孔隙与晶界不分离，可以通过控制温度，第二相杂质或者使用粒度分布较窄的粉末等途径，将这种分离减小到最低程度。
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。尤其时后期，晶界对致密化有很重要作用。
如欲提高空位或原子的扩散系数，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，可以加入少量能阻碍晶粒长大而且在高温时稳定的碳化物，氧化物等添加剂。这些添加剂的粒度要尽量细，而且能很均匀的分布在物料中。
4.3.3最终烧结阶段
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
延长加热时间，孔隙的粗化会引起平均孔隙大小的增大，同时减少孔隙的数目
体积扩散机构对孔隙的收缩时需要的。
孔隙消失的速率取决于孔隙密度，孔隙半径，体积扩散，晶粒大小以及应力的作用
用烧结来达到100％的烧结体密度是困难的
4.3.4烧结体显微组织的变化
孔隙的变化
一开始孔隙是连通的，随着烧结进行，颗粒之间接触点增大，数量逐渐减少孔隙间的联系逐渐切断，最后形成一个个孤立的孔隙。随后，孔隙收缩，细小的孔隙消失，稍大的孔隙长大，其形状逐渐接近于球形
在绝大多数情况下，烧结时孔隙赌的变化时依靠开孔隙来进行的 。这些孔隙的一部分被物质迁移二完全填满；；另一部分转变为孤立的或者封闭的孔隙。但是这种封闭的孔隙非常少。
烧结过程种的再结晶及晶粒长大
粉末经过压制成形后，粉末颗粒发生了变形，颗粒的接触点或面上开始形核，随后的加热会使晶体的核心长大。
升高烧结温度或延长烧结时间，将使晶体长大，并且彼此相互接触形成晶界，而且还吧由于形变而处于高能状态的基体吸收。
与晶体长大的同时，颗粒间的孔隙将会缩小和球化。
孔隙，第二相和晶界沟都能够阻碍晶粒长大
4.4混合粉末的烧结
4.4.1多元系固相烧结
优点：容易改变成分，容易压制成形；有较高的压坯密度和强度；可能形成均匀的显微组织
特点：烧结温度和时间能够控制到保证成分的均匀化；最好使用细的粉末颗粒；适当控制烧结过程，避免形成有害相
包括无限互溶的混合粉末烧结，有限互溶的混合粉末烧结和互不溶解的混合粉末烧结
4.4.2液相烧结
4.4.2.1液相烧结的条件
液相具备完全或部分润湿固相的条件：润湿角小于90度，渗入颗粒的微孔，裂隙，甚至晶粒间界
固相再液相中有一定溶解度
4.4.2.2液相烧结的基本过程
生成液相和颗粒重新分布。如果粉末颗粒使球形，压坯中的孔隙相当于40％的压坯体积，当低熔点组元融化后，固相颗粒重新分布，并使固相颗粒占65％的体积，如果液相数量大于或等于35％体积，则在此阶段就可以使烧结体完全致密化。
溶解和析出阶段
固相的粘结或形成刚性骨架阶段。如果液相润湿固相使不完全的，则会有固体颗粒之间的接触。这阶段已固相烧结为主，致密化已显著减慢。
4.4.2.3液相烧结时的致密化和颗粒长大
在烧结的第一阶段由于液相的形成，伴随剧烈的收缩，此时的收缩主要取决于液相的数量。影响致密化的因素有：液相数量，液相对固相的润湿性，界面能，固相颗粒大小，固相与液相之间的溶解度等。
固相颗粒长大一般通过两个过程进行：细小的颗粒溶解在液相中，而后通过液相扩散在粗大的颗粒表面上析出；通过晶粒中晶界的移动来进行颗粒的聚积长大记忆通过溶解－析出过程来改变颗粒的外形。
液相烧结时，颗粒长大与烧结时间的关系为：
，rt:烧结后的颗粒半径；r0:烧结前的颗粒半径；n：指数，如果颗粒长大主要通过液相的体积扩散进行，则n=3，如果是由于颗粒界面上的反应，则n=2。
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