粉末冶金原理.ppt

1、粉末冶金原理,Powder Metallurgy,緒論,1.粉末冶金定義 生產(chǎn)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(jié)生產(chǎn)金屬材料、復合材料和各種類型制品的冶金工程與材料科學和機械零件制造技術(shù)。,合金元素粉 原料粉 潤滑劑,混合,成型,壓坯,燒結(jié),產(chǎn)品,粉末制品生產(chǎn)示意圖,2.粉末冶金生產(chǎn)工藝,粉末冶金生產(chǎn)工藝由三大步驟組成： （1）粉末生產(chǎn) （2）粉末成型 （3）成形坯燒結(jié) 粉末冶金材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(jié),熱等靜壓,熱擠壓,粉漿澆注,精整,浸油,鍛造,熱處理,軋制,復壓,復燒,后處理,成品,粉末冶金材料和制品

2、生產(chǎn)工藝流程,3粉末冶金特點,（1）粉末冶金能生產(chǎn)普通冶煉方法無法生產(chǎn)的具有特殊性能的材料； 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）復合材料 （2）比普通冶煉法生產(chǎn)的材料性能優(yōu)越； 1）高合金材料，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）材料利用率高；2）能耗低；3）投資低，批量愈大成本愈低，粉末冶金產(chǎn)品成本取決于模具和設(shè)備的一次投資；4）可按照需要調(diào)節(jié)材料的成分；5）可生產(chǎn)形狀復雜的零件；6）精度高，粗糙度低；7）環(huán)境好，無污染、噪音；,齒輪的粉末生產(chǎn)工藝,齒輪的機加工生產(chǎn)工藝,粉末,成形,燒

3、結(jié),精整,高頻淬火,成品,冶煉,鑄造,鍛打,切割,退火,機加工,淬火,磨加工,成品,鑄造 粉末冶金 冷成形 鍛造 機械加工,90,95,85,80,50,75 50 25 0（%） 材料利用率,38,28.5,41,49,82,0 25 50 75 100（MJ） 每kg零件的能耗,各種方法材料利用率與能耗,各種方法可達到的徑向尺寸公差,630 400 250 160 100 63 40 25 16 10 6.30 4.00 2.50 1.60 1.00 0.63 0.40 0.25 0.16 0.10 0.06,4粉末冶金的發(fā)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2

4、500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聞名 的德里鐵柱(高72m，重6t)和達爾鐵柱(高125m，重7t)。 2現(xiàn)代粉末冶金 起源于難熔金屬，難熔金屬粉末壓制、燒結(jié)、熱鍛工藝。1750-1850年，鉑； 1909年鎢絲。 3含油軸承的發(fā)明、硬質(zhì)合金的生產(chǎn)推動了粉末冶金在機械制造業(yè)的發(fā)展 4科學技術(shù)的發(fā)展帶動了粉末冶金材料和技術(shù)的的發(fā)展 5粉末冶金制造技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展 6我國粉末冶金的發(fā)展 7粉末冶金的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 新工藝和新技術(shù)：溫壓成形，粉末注射，粉末鍛造，粉末噴射成形，微波燒結(jié)，放電等離子燒結(jié),5粉末冶金材料的種類和應用,（1）

5、粉末冶金材料和制品的種類 1）機械零件 2）工具材料 3）磁性和電工材料 4）耐熱材料 5）原子能工程材料 （2）應用領(lǐng)域,粉末冶金在汽車上的應用,據(jù)資料介紹：發(fā)達國家汽車制造業(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%，而我國目前尚不足40%。歐洲平均每輛汽車的粉末冶金制品使用量是14kg，日本為16kg，美國已達到19.5kg以上，預計未來可能達到22kg。而我國目前平均每輛汽車粉末冶金制品的用量卻只有4kg多點（按2010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(gòu),平衡軸鏈輪,雙聯(lián)曲軸鏈輪,機油泵總成,EA

6、888 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(shù),真空泵,燃油泵,齒輪泵,轉(zhuǎn)子泵,內(nèi)外齒泵,鑄物產(chǎn)品,帶輪系列 Pulley,鏈輪系列 Sprocket Gears,軸承蓋系列 Bearing Cap,同步器齒轂系列 Synchronic Hub,轉(zhuǎn)子齒輪系列 Rotor,輪轂系列 Flange,滑塊撥叉系列 Transmission Parts,轉(zhuǎn)向管柱系列 Steering Column Parts,空調(diào)壓縮機系列 Air Compressor Parts,

7、第一章粉末制取,1粉末的要求： 化學成分 物理結(jié)構(gòu) 形狀 粒度和粒度分布； 2制粉方法,第一節(jié) 還原法,1.還原法的特點 應用面廣，原料易獲得，還原方法工藝簡便，生產(chǎn)投資成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)； 2.應用范圍：鎢、鉬、鐵、銅、鈷、鎳 3.生產(chǎn)方法 固體碳還原，氫氣還原，天然轉(zhuǎn)化氣還原，金屬熱還原，氣相還原，,一、金屬氧化物還原基本原理,1.還原熱力學 用還原金屬氧化物可以獲得金屬粉末和合金粉末 一種氧化物能否被還原首先要從熱力學上進行判斷 判斷依據(jù)： MeO+X=Me+XO 根據(jù)加和反應可寫成：,2Me+O2=2MeO (1) 2X+O2=2XO (2) (2)-(1) MeO+X=Me+XO,

8、根據(jù)標準等壓位Z= -RTlnKp則（1）式的 Z= -RTlnKp =- RTln,則（2）式的 Z= -RTlnKp =- RTln,則 Z =1/2(Z (2)- Z( 1) 如要還原反應進行那么 Z= 0 則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(zhuǎn)折； 3.CO生成的Z-T曲線走向向下，與其他氧化反應相反； 4.在同一溫度下位置越低的氧化物生成物越穩(wěn)定。,2金屬氧化物還原反應動力學,動力學研究的問題是反應進行的速度和影響反應速度的因素

9、1）碰撞理論 碰撞-接觸-反應是分子之間的反應的必要條件，參加化學反應的物質(zhì)濃度越高則碰撞幾率越大，則化學反應速度越快，因此有： v= kCACB 一級反應速度與濃度的關(guān)系：,2）活化能,根據(jù)可逆反應達到平衡是的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系： 可得到 公式中的E即為反應活化能，其含義是發(fā)生反應必須克服的勢壘大小，降低反應的活化能是提高反應速度的重要措施。,3）多相反應特點,多相反應機理 吸附-自動催化： 吸附 MeO（固）+X（氣）=MeO（固）X（吸附） 反應 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）+

10、XO（氣）,氣體分子,氧化物,自動催化,a,b,c,時間 反應速度與時間的關(guān)系,速度,影響反應速度的因素（1）反應物之間的接觸面積， 3(W01/3-W1/3)=Kt（2）化學反應速度 v=k2Acin（3）擴散速度 v=D/ A(c-ci)=k1Ac0,0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.2 1/T, K-1 溫度對C+1/2O2 CO反應速度的影響,103 102 10,對于 反應物為球狀的反應速度計算公式,r0,y dy,二、氧化鐵還原基本原理,1.還原熱力學 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe CO還原 在570以上 3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 +C

11、O2 (a) Fe3O4 + CO =3 FeO +CO2 (b) FeO + CO = Fe +CO2 (C) 在570以下 Fe3O4 +4 CO =3 Fe +4CO2 (d),根據(jù)Z= -RTlnKp 計算出不同溫度下在Z= 0時的上述每一個反應的CO的分壓值，然后作圖，可得CO%-T圖。,80 60 40 20,CO%,400 600 800 1000 1200 溫度， Fe-O-C 系平衡氣相組成與溫度的關(guān)系,d,c,b,D,C,B,o,e,2直接還原和間接還原,直接還原 即碳與氧化鐵接觸并通過碳原子與氧化鐵反應而進行的； 間接還原 既碳發(fā)生氣化反應產(chǎn)生CO，然后通過CO氣體在氧化

12、鐵表面的吸附并進行反應，氣化反應： CO2+C=2CO, pco+pco2=1atm 2C + O = CO, pco=1atm,3氧化鐵還原動力學,固體碳的間接還原氧化鐵遵循多相還原機理，即吸附-自動催化,600 500 400 300 200 100 0,還原速率mg氧/min,0 20 40 60 80 100 還原百分率，%,B1,B2,B3,C3,C2,C1,（1） Fe2O3還原的多層結(jié)構(gòu)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） Fe3O4 Fe （2）反應速度：,三、固體碳還原

13、制取鐵粉的工藝,1.原料的加工處理 （1）氧化鐵 1）軋鋼鐵鱗 由鋼鐵軋制獲得即為鋼板軋制表面脫落物，起成分為：FeO（接近鋼板）、Fe3O4（中間層）、Fe2O3（表層），在收集和運輸過程中臟化，需清洗和磁選處理。 2）磁鐵礦精礦粉 由鐵礦石開采獲得。 （2）還原劑（固體碳） 2.還原工藝,不同還原劑的還原溫度及時間,隧道窯有關(guān)工藝參數(shù),3.影響還原過程和鐵粉質(zhì)量的因素,（1）原料 1）雜質(zhì) 雜質(zhì)除了影響還原鐵粉的純度，還影響到還原反應速度，其中以氧化硅有害程度最大。 2FeO+SiO2=Fe2SiO4 2)氧化鐵的粒度 氧化鐵粉細比表面大與還原氣體的接觸面大，反應速度快，如在900下用CO

14、還原，粒徑1mm時還原20min還原率達90%以上，而粒徑為4mm，90%還原率需70min。 粉末太細透氣性差會降低還原速度，工業(yè)上選擇在0.35-0.175mm（-40 -80目）,(2)還原劑,1）還原劑種類 木炭 焦炭 無煙煤 還原劑木炭氣孔率大活性強效果最佳，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（一般用石灰石）,2）固體還原劑的用量,根據(jù)下面反應計算： FeO + C =Fe + CO （1） FeO + C =Fe + CO2 （2） 則（1）和（2）的碳氧比為k1和k2： k1=C/O=0.75 k2=C/O=0.35 實際碳的選擇：木炭0.5-0.6，

15、焦碳、無煙煤0.6-0.7，即加入碳量為： C固體碳=O分析k,加入量對Fe粉純度的影響,80 90 100 1100 木炭加入量%,99 98 97 96 95,Fe%,含鐵量,鐵中含碳量,（3）還原工藝,1）溫度和時間 還原溫度和時間 還原溫度高還原速度快時間短，反之則長。但還原溫度不宜過高，否則會使海綿鐵結(jié)塊和滲碳。 料層厚度,1200 1000 800 600 400 200 0,還原溫度 ,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 還原時間 /h 105m隧道窯兩種工藝曲線比較,（120040）46h,（115010）55h,100 80 60 40

16、20 0,0 1 0 20 3 0 40 50 60 70 還原時間min 木炭還原鐵鱗還原百分率與溫度和還原時間的關(guān)系,百分率%,1050 1000 950,2）料層厚度 3）還原罐密封程度 （4）添加劑 1）加入一定的固體碳 2）加入返回料 3）引人氣體還原劑 4）堿金屬鹽,（5）海綿鐵質(zhì)量控制和處理,還原終點 氧化鐵全部被還原，繼續(xù)延長還原時間，碳的濃度急劇上升，使海綿鐵開始滲碳，還原結(jié)束和開始滲碳的平衡點即所謂的還原終點。 2CO=CO2+C +）3Fe+C=Fe3C 2CO+3Fe=FeC+CO2 海綿鐵破碎 還面鐵是鐵粉顆粒的粘結(jié)體要通過破碎才能獲得鐵粉。鐵粉的松裝密度等可通過破碎

17、來調(diào)節(jié)。 二次還原 海綿鐵破碎之后需進行還原，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,1100 1200 1300 1400 1500 1600 T,K 氣相組成、壓力溫度對鐵中含碳量的影響,1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0,C%,p1.0 p 0.5 p1.0 p 0.5 p 1.0 1.0 0.1 0.1 0.01 0.01,co2: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，成本較高 2.應用 最廣的是：銅、鎳、鐵、銀、錫、鉛、鉻、錳 （一）、水溶液電解的基本原理 1.電化學原理,陽極,陰極,電解過程示意圖,電解銅時電解

18、槽的化學體系 （-）Cu（粉）/CuSO4，H2SO4，H2O/Cu（純）（+） 電解質(zhì)在溶液中的電離,陽極反應：陰極反應：,2.溶液中雜質(zhì)元素的反應,（1）標準電位比銅更負的元素 在陽極 這類元素優(yōu)先轉(zhuǎn)入溶液 在陰極 不還原或比銅后還原 如有鐵存在，鐵比銅的標準電位更負，將會發(fā)生： 在陽極 Fe Fe2+ + 2e 在水溶液中 2Fe2+ +2H+ +1/2O2=2Fe3+ +H2O 在陰極 Fe3+ + e = Fe2+,(2)標準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 這類元素先還原。 如銀在陽極不溶解。如溶液中存在少量的銀形成Ag2SO4則電離后銀離子優(yōu)先在陰極

19、析出，造成銀的損耗，可加入HCl形成AgCl沉積回收。 （3）標準電位接近銅的元素 這類元素會在陽極與銅一起進入溶液，在陰極，當銅離子濃度降低時，會在陰極上析出。,（二）、電解電壓和極化,1.理論分解電壓 能夠發(fā)生電解反應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理論=陽-陰 分解電位 實際分解時的電位： E分解 = E理論 +E超 E超= E濃+ E阻+ E電化 2.極化 偏離平衡電位的現(xiàn)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，而正負離子來不及擴散補充，造成在陽極陰極之間正離子

20、和負離子之間的濃度差，這種濃度差而導致電位反向增高，這種現(xiàn)象稱為濃差極化?？赏ㄟ^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，在任一電極反應中，發(fā)生變化的物質(zhì)量與通過的電量成正比，即與電流強度和通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)需通過F=96500C或96500AS（26.8Ah）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 則電解產(chǎn)量為： m=qIt I電流強度，A t電解時間，h,（四）、成粉條件,粉末的析出條件,陰極 至陰極距離 h 析出金屬粉末時的陽離子濃度分布,C,濃度,

21、陰極 至陰極距離 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須降低到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至陰極板距離根據(jù)法拉第定律,Q-通過面積A的電量,在電解槽中，濃度梯度與電流密度的關(guān)系為：,積分,代入上式得：,假定在1秒鐘后開始析出粉末 則 t=1,上式表明要析出粉末的電流密度。實驗表明在20-25s內(nèi)還未析出粉末，則在此種電流條件下，不可能析出粉末，如以t=0.25s代入上式：,由此可知，當要得到松散粉末 iKC要得到致密金屬 i0.2KC 由此可作圖得到三個區(qū)域，即 -粉末區(qū)；-過度

22、區(qū)和-致密沉積區(qū)，作圖可得,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 C，mol/L i-c關(guān)系圖,0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0,Ia/cm2,i=KC,i=0.2KC,（五）、電流效率和電能效率,電流效率和電能效率關(guān)系到電解制粉的指標和經(jīng)濟效益。 1.電流效率i： M電解出的實際產(chǎn)物質(zhì)量，g q電化當量，g/Ah； I電流強度，A； t電解時間，h 電流效率一般為90%，好的95%左右。,2.電能效率：W0析出一定質(zhì)量在理論上所需要的電能W0=沉積所需要的電量（I0t）理論分解電壓（E理論）We析出同樣物質(zhì)實際所消耗的電能We=通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 E分解分解電壓 E分解 = E理論