粉末冶金第二章课件

第二章第二章 粉末性能及其测定粉末性能及其测定7/18/20241 本本 章章 内内 容容 2.1 2.1 粉末及粉末性能粉末及粉末性能 2.2 2.2 粉末粒度及其测定粉末粒度及其测定 2.3 2.3 粉末的比表面及其测定粉末的比表面及其测定 7/18/202422.1 粉末及粉末性能粉末及粉末性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 工艺性能工艺性能7/18/20243一、粉末体一、粉末体 固固态态物物质质按按分分散散程程度度不不同同分分成成致致密密体体、粉粉末末体体和胶体和胶体三类。三类。1mm1mm -致密体致密体或常说的固体或常说的固体0.10.1m-1mmm-1mm -粉末体粉末体或简称粉末或简称粉末0.10.1m m -胶体胶体粉末颗粒表现出流体性质，粉末越细，流动性质越明显。7/18/20244粉末颗粒与粉末体粉末颗粒与粉末体粉末颗粒：晶粒或多晶聚合体粉末体：简称粉末，是由大量的粉末颗粒组成的一种分散体系，其中的颗粒彼此可以分离，或者说，粉末是由大量的颗粒及颗粒之间的空隙所构成的集合体。7/18/20245二、粉末颗粒二、粉末颗粒1.颗粒聚集状态颗粒聚集状态粉末聚集状态：粉末聚集状态：单颗粒，二次颗粒。单颗粒，二次颗粒。单颗粒：单颗粒：粉末中能粉末中能分开并独立分开并独立存在的最小实体称存在的最小实体称为单颗粒为单颗粒。二次颗粒：二次颗粒：单颗粒以某种方式聚集就构成二次颗单颗粒以某种方式聚集就构成二次颗粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。粒，其中的原始颗粒就称为一次颗粒。7/18/20246a粉末体示意图粉末体示意图可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团颗粒之间存在孔隙颗粒之间存在孔隙7/18/20247图21描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。一次颗粒之间形成一定的粘结面，在二次颗粒内存在一些细微的空隙。一次颗粒或单颗粒可能是单晶颗粒，而更普遍情况下是多晶颗粒，但晶粒间不存在空隙。二次颗粒示意图二次颗粒示意图a a 单颗粒单颗粒 b b 二次颗粒二次颗粒 a a2 2 一次颗粒一次颗粒 c c晶粒晶粒a7/18/20248团团粒粒：由由单单颗颗粒粒或或二二次次颗颗粒粒依依靠靠范范德德华华引引力力的的作用下结合而成的粉末颗粒，作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散易于分散。絮絮凝凝体体：用用溶溶胶胶凝凝胶胶方方法法制制备备的的粉粉末末，是是一一种种由由单颗粒或二次颗粒结合成的单颗粒或二次颗粒结合成的更松软的聚集颗粒。更松软的聚集颗粒。7/18/20249一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BET二次颗粒粒度测定,x-ray,optical microscope,TEM,SEM7/18/2024102.2.颗粒结晶构造和表面状态颗粒结晶构造和表面状态1 1 1 1）颗粒结晶构造）颗粒结晶构造）颗粒结晶构造）颗粒结晶构造颗颗粒粒的的内内部部结结构构 与颗粒的外部结构比较，颗粒的内部结构非常复杂。多多晶晶颗颗粒粒 通常的粉末只能制得多晶颗粒，用RST快速冷凝技术可制备单晶颗粒或准晶、非晶粉末颗粒。7/18/202411缺缺陷陷：表面缺陷，加工硬化，内空隙。畸变，杂质，裂纹、亚结构、第二相、合金元素，吸附物。2）颗粒表面状态 内表面、外表面，内表面远比外表面复杂、丰富。7/18/202412（1 1）单颗粒性能（质）单颗粒性能（质）由材质决定：由材质决定：点阵类型、理论密度、点阵类型、理论密度、熔点、电磁性能熔点、电磁性能由制粉方法决定：由制粉方法决定：粒度、形状、有效粒度、形状、有效 密度密度粉末性能分类粉末性能分类（2 2）粉末体性能（质）：）粉末体性能（质）：单颗粒性能单颗粒性能 +粒度组成、粒度组成、平均粒度、比表面、振实平均粒度、比表面、振实密度、松装密度、流动性、密度、松装密度、流动性、压制性能压制性能（3 3）粉末孔隙特性：）粉末孔隙特性：总孔隙总孔隙体积体积、颗粒间孔、颗粒间孔隙隙体积体积、颗粒内孔隙、颗粒内孔隙体体积积、孔隙的开闭性、孔、孔隙的开闭性、孔隙大小、形状等隙大小、形状等最常最常见的性能分的性能分类体系：体系：化学性能（成分）、物理性能、工化学性能（成分）、物理性能、工艺性能性能三、粉末性能三、粉末性能7/18/202413 金金属属粉粉末末的的性性能能对对其其成成形形和和烧烧结结过过程程以以及及制制品品的的质质量量都都有有重重大大影影响响。金金属属粉粉末末的的性性能能可可以以用用化化学成分、物理性能和工艺性能来表征。学成分、物理性能和工艺性能来表征。7/18/202414 化学性质主要指粉末的化学组成化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition）主要成分（如铁粉中的主要成分（如铁粉中的Fe）含量）含量对粉末性能有决定对粉末性能有决定 影响；影响；化学组成还包括杂质的种类和含量化学组成还包括杂质的种类和含量对粉末性能也有对粉末性能也有 重要影响。重要影响。主要粉末的化学组成都有主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。及行业标准规定。1.1.化学成分化学成分7/18/202415 粉末中的杂质主要指：粉末中的杂质主要指：l与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分:Fe-C，Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti，LaNi5（电池材料）（电池材料）等。等。l从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂:主要为非金属类机械夹杂物：主要为非金属类机械夹杂物：Si、Al氧化物、硅酸盐等。氧化物、硅酸盐等。l粉末表面吸附粉末表面吸附 水，氧，空气水，氧，空气l制粉过程中带进的杂质制粉过程中带进的杂质 电解、雾化、气体还原粉末中的电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等等7/18/202416 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能，机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能，对对材料韧性，特别是冲击韧性性影响显著。材料韧性，特别是冲击韧性性影响显著。夹杂物在粉末中的分布状态以及夹杂本身的形状对材料夹杂物在粉末中的分布状态以及夹杂本身的形状对材料的力学性能影响不同的力学性能影响不同 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影响明显。响明显。7/18/202417 针对不同成分，有多种方法：针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、传统的化学滴定法、燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。燃烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。粉末氧粉末氧粉末氧粉末氧含量测定：含量测定：含量测定：含量测定：氢损值（可被氢损值（可被H H还原氧含量测定）：还原氧含量测定）：用氢还原，用氢还原，计算粉末还原前后的计算粉末还原前后的质量质量变化。变化。氢损值氢损值=（A-BA-B）/（A-CA-C）x 100%x 100%A A粉末（粉末（5 5克）加烧舟的质量；克）加烧舟的质量；B B氢气中煅烧后残留物加烧舟的质量；氢气中煅烧后残留物加烧舟的质量；C C烧舟的质量烧舟的质量7/18/202418适用于工业铁、铜、钨、镍、钴等粉末。适用于工业铁、铜、钨、镍、钴等粉末。见表见表2-1对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的对金属粉末中可被氢还原的氧化物的氧含量的估算估算：SiO2、CaO、Al2O3不被氢还原不被氢还原 实际氧含量？测得氧含量实际氧含量？测得氧含量粉末有脱碳、脱硫反应及金属挥发粉末有脱碳、脱硫反应及金属挥发 实际氧含量？测得氧含量实际氧含量？测得氧含量氢损法测量氧含量范围：氢损法测量氧含量范围：Cu、Fe粉为粉为0.05-3%，W粉为粉为0.01-0.5%7/18/202419 酸不溶物法酸不溶物法ISO-4496原理：原理：粉末试样用某种无机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解，粉末试样用某种无机酸（铜用硝酸，铁用盐酸）溶解，将不溶物沉淀和过滤出来，在将不溶物沉淀和过滤出来，在980下煅烧下煅烧1h后称重，再按下后称重，再按下列公式计算酸不溶物含量：列公式计算酸不溶物含量：铁粉盐酸不溶物铁粉盐酸不溶物=A/B100%式中 A-盐酸不溶物的克数；B-粉末试样的克数。铜粉硝酸不溶物粉硝酸不溶物=（A-B）/C100%式中 A-硝酸不溶物的克数；B-相当于锡氧化物的克数；C-粉末试样的克数。7/18/2024202.2.物理性能物理性能颗粒形状及结构颗粒形状及结构颗粒大小及粒度组成颗粒大小及粒度组成比表面积比表面积颗粒密度颗粒密度颗粒硬度颗粒硬度 熔点熔点热学、热学、电学、电学、磁学、光学性质等磁学、光学性质等7/18/202421（1）颗粒形状）颗粒形状颗粒形状主要由制粉方法和制粉决定，同时颗粒形状主要由制粉方法和制粉决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关。素有关。7/18/202422 颗粒形状的分类颗粒形状的分类（定性描述（定性描述 qualitativedescription）7/18/202423某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。球形粉末球形粉末-雾化法雾化法 Spherical powders 多孔粉末多孔粉末-还原法还原法 Porous powders 树枝状粉末树枝状粉末-电解法电解法 Dendrite powders 片状粉末片状粉末-研磨法研磨法 Plate powders颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响度有显著影响7/18/202424（2 2）颗粒密度）颗粒密度真密度真密度:颗粒质量除去开孔和闭孔的颗粒体积去除得的商值，颗粒质量除去开孔和闭孔的颗粒体积去除得的商值，粉末材料理论密度粉末材料理论密度D1。有效密度（比重瓶密度）：有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度包含闭孔隙在内的密度D2似密度（表观密度）似密度（表观密度）:包含开、闭孔隙在内的粉末密度包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3D1=m/（V-V孔孔）=m/（V-V开开-V闭闭）D2=m/（V-V开开）D3=m/VV颗粒总体积；颗粒总体积；V孔孔孔隙体积；孔隙体积；V开开、V闭闭开、闭孔体开、闭孔体积积 D3D22m7/18/2024746.6.电阻法电阻法电阻法又叫库尔特法，是由美国一个叫库尔特的人发明的一种粒度测试方法。这种方法是根据导电液制备的颗粒悬浮液在通过一个小微孔的瞬间，占据了小微孔中的部分空间而排开了小微孔中的导电液体，使小微孔两端的电阻发生变化的原理测试粒度分布的。小孔两端的电阻的大小与颗粒的体积成正比。测量粒度范围1-100 m7/18/2024757.7.淘析法淘析法定义：定义：颗粒在流动介质（气体或液体）中颗粒在流动介质（气体或液体）中发生非自然沉降而分级称为重力淘析或简发生非自然沉降而分级称为重力淘析或简称淘析。称淘析。风选风选-气体淘析气体淘析水力分级水力分级-液体淘析液体淘析7/18/202476淘析法原理：淘析法原理：流体逆着粉末向上运动，粉末按颗粒沉降速度大于或小于流体线速度而彼此分开，改变流速，就可按不同的临界粒径分级。对分级后的各部分粉末，用其它辅助方法分别测定平均粒度，就可计算粒度组成。7/18/2024772.3 2.3 粉末的比表面及其测定粉末的比表面及其测定 粉末克比表面粉末克比表面Sw（m2/g或或cm2/g）1g质量的粉末所具有的总表面积。质量比表面致密体的比表面致密体的比表面体积比表面：体积比表面：Sv（m2/cm3）指单位体积粉末具有的表面积。Fsss气体透过法测外比表面，气体透过法测外比表面，测二次颗粒粒径（测二次颗粒粒径（50-0.1m）BET吸附法测量比表面积，吸附法测量比表面积，测量一次颗粒测量一次颗粒 透过法透过法 吸附法吸附法7/18/202478一、气体吸附法一、气体吸附法1.1.基本原理基本原理利利用用气气体体在在固固体体表表面面的的物物理理吸吸附附测测定定物物质质比比表表面面的的原原理理是是：测测量量吸吸附附在在固固体体表表面面上上气气体体单单分分子子层层的的质质量量或或体体积积，再再由由气气体体分分子子的的横横截截面面积积计计算算1g物质的总表面积，即得克比表面。物质的总表面积，即得克比表面。7/18/202479气体被吸附是由于固体表面存在有剩余力场，根据这种力的性质和大小不同，分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力的作用，气体以分子状态被吸附；后者是化学键力起作用，相当于化学反应，气体以原子状态被吸附。7/18/202480物理吸附吸附量受气体压力的影响物理吸附吸附量受气体压力的影响,建立在多分子层吸附理论上建立在多分子层吸附理论上的的BETBET法是低温氮气吸附，用于比表面测定。法是低温氮气吸附，用于比表面测定。朗格谬尔吸附等温式朗格谬尔吸附等温式 或写成或写成 压力为压力为p p时被吸附气体的容积时被吸附气体的容积,常数；常数；全部表面被单分子层覆盖时的气体容积，称饱和吸附量；全部表面被单分子层覆盖时的气体容积，称饱和吸附量；7/18/202481 式中表明式中表明 与与 成直线关系成直线关系,由实验先求得由实验先求得V-pV-p的对应数据，作出该直线，根据直线的斜率和纵截距的对应数据，作出该直线，根据直线的斜率和纵截距求得式中的求得式中的 ，再由气体分子的截面积计算被吸附，再由气体分子的截面积计算被吸附的总表面积和克比表面值。的总表面积和克比表面值。适合单分子层吸附适合单分子层吸附适合单分子层吸附适合单分子层吸附7/18/202482BET吸附吸附多分子层吸附理论多分子层吸附理论7/18/2024837/18/202484多分子层吸附BET公式式中 P 吸附平衡时的气体压力；P0 吸附气体的饱和蒸气压；V 被吸附气体的体积；Vm 固体表面被单分子层气体覆盖所需 气体的体积；C 常数7/18/202485 实验测得不同P值下的V，以 对 作图作图 为直线的纵截距值，为直线的斜率，7/18/202486钽粉末钽粉末钽粉末钽粉末 平均粒径平均粒径平均粒径平均粒径 4.1 4.1 mm 7/18/2024872.2.测试方法测试方法静态法静态法-容量法、质量法、单点吸附法容量法、质量法、单点吸附法动态法动态法-流动法流动法（1）容量法）容量法根据根据吸附平衡前后吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸吸附气体容积的变化来确定吸附量，实际上就是测定在已知容积内，气体压力附量，实际上就是测定在已知容积内，气体压力的变化。的变化。7/18/2024887/18/202489（2）单点吸附法）单点吸附法BET法至少要测量三组p-V数据才能得到准确的直线，故称多点吸附法。用氮吸附氮吸附时，BET二常数式可简化为p/V(p0-p)=1/Vmp/p0 (2-25)一般利用该式，在p/p00.3附近测一点。单点法与多点法比点法与多点法比较，当比表面在，当比表面在10-2-102m2/g范范围时，误差差为5%。7/18/202490单点吸附法的比表面计算式S=4.36Vm/W (2-26)式中 W-粉末试样的质量，g。实验证明：单点吸附法的系统重复性较好，但在不同的p/p0 值下测量的结果会有偏差，如p/p0偏大，所得比表面值偏高，故应控制p/p0值约为0.1最好。7/18/202491（3）质量法）质量法质量法是用吸附称直接精确称量粉末试样在吸附前后质量的变化来确定比表面的方法，它能避免容量法测系统“死空间”的麻烦和消除由此带来的测量误差。7/18/202492（4）流动法）流动法静态吸附法要等吸附过程达到平衡后才测量吸附量。流动法是运用气体微量分析技术测定吸附或解吸前后气体的浓度变化，从而确定吸附量的方法。图2-307/18/202493二、透过法二、透过法气体透过法气体透过法液体透过法液体透过法（只适用于粗粉末或孔隙较大的多 孔性固体）透过法测定的粒度是一种当量粒径，即比表面平均径。卡门推导了关于常压气体通过粉末床的流速、压力降与粉末床的孔隙率、几何尺寸及粉末的表面积等参数之间的关系式。气体透过法已成为当前测定粉末及多孔固体的比表面，特别是测定亚筛级粉末平均粒度的重要工业方法。7/18/2024941.1.透过法原理透过法原理流体通过粉末床的透过率或所受的阻力与粉末的粗细或比表面的大小有关。粉末愈细，比表面愈大，对流体的阻力也愈大，因而单位时间内透过单位面积的流体量就愈小。7/18/202495Darcy达尔西方程表明，多孔材料中，水流流量Q0（g/s）与气压降P=PU-PL 和水黏度存在如下关系：Q0=KpPA/L （2-27）Kp-Kp-透过率 表表明明：流流速速（Q0/A）是是与与压压力力梯梯度度（P/L）成成正正比比，与粘度成与粘度成()反比的。反比的。7/18/202496泊肃叶导出流体在层流条件下，通过圆形直毛细管束的流量公式：Q0=gpr4/（8Lc）（2-28）式中 Q0-流量，g/s；Lc-毛细管长度，cm；r-毛细管半径，cm。流体线速度：uc=Q0/(r2)=gPr4/（8Lc）(2-29)7/18/202497柯青假定柯青假定柯青假定柯青假定：粉末床由球形颗粒组成，颗粒间有许多由截面不：粉末床由球形颗粒组成，颗粒间有许多由截面不：粉末床由球形颗粒组成，颗粒间有许多由截面不：粉末床由球形颗粒组成，颗粒间有许多由截面不等的并联圆柱形毛细管束形成的通道，流体沿着这些毛细孔等的并联圆柱形毛细管束形成的通道，流体沿着这些毛细孔等的并联圆柱形毛细管束形成的通道，流体沿着这些毛细孔等的并联圆柱形毛细管束形成的通道，流体沿着这些毛细孔流过粉末床。流过粉末床。流过粉末床。流过粉末床。式中 S0-体积比表面，S0=Sw柯青柯青-卡卡门门方程方程（2-30）（2-37）测比表面的基本公式测比表面的基本公式7/18/202498将比表面平均径的计算式dm=6/S0代入代入2-37，并以，并以m表示，表示，则则平均粒度平均粒度计计算公式算公式为为：（2-38）柯青柯青-卡门方程是由泊肃叶粘性流动理论导出的，适用于常压液体或气卡门方程是由泊肃叶粘性流动理论导出的，适用于常压液体或气体透过粗颗粒粉末床。体透过粗颗粒粉末床。7/18/2024992.2.空气透过法空气透过法常压空气透过法分两种基本形式：1）稳流式 在空气流速和压力不变的条件下，测定比表面和平均粒度，如费歇尔微粉粒度分析仪和Permaran空气透过仪；2）变流式 在空气流速和压力随时间变化的条件下，测定比表面或平均粒度，如Blaine粒度仪和Rigden仪。7/18/2024100费歇尔微粉粒度分析仪费歇尔微粉粒度分析仪 费氏仪全名是Fisher Sub-Sieving Sieve,简写成F.S.S.S.,已被许多国家列入标准；计算粒度的原理是根据柯青-卡门方程变换建立的公式古登（Gooden，Smith）；用粉末床几何尺寸表示孔隙度：孔隙度 W：粉末质量 A：试样截面积 L：试样长度 c：粉末材料理论密度7/18/2024101（2-40）最终简化为最终简化为（2-41）式中式中 p-流过粉末床之前的空气压力；流过粉末床之前的空气压力；p-通过粉末床之后的空气压力。通过粉末床之后的空气压力。7/18/2024102布莱茵法布莱茵法在变流条件下测定变流条件下测定空气透过粉末床时，平均压力或流量达到某规定值所需的时间，同样是用柯青-卡门公式计算平均粒度。7/18/20241033.X-3.X-射线衍射分析射线衍射分析 =dhklsin()-X-射线波长；dhkl-晶粒材料面间距；-衍射角衍射峰半高宽增加,衍射晶体的厚度(粒度)减少成比例：因此粉末粒度可以从X-射线衍射主要峰半高宽值计算得到：D=0.9(Bcos()D-晶粒粒度；B-衍射主要峰半高宽7/18/2024104影响因素 分析时可能产生应变效应，导致结果偏移；塑性材料分析精确程度低于刚性材料；球磨粉末由于存在非均匀应变，分析结果精度有限；粒度分析范围：到200 nm(0.2um)，一般在50 nm以内。7/18/2024105作业作业1.1.粉末颗粒有哪几种聚集形式？它们之间的区别在哪里？粉末颗粒有哪几种聚集形式？它们之间的区别在哪里？2.2.氢损法测定金属粉末的氧含量的原理是什么？该方法适氢损法测定金属粉末的氧含量的原理是什么？该方法适用于怎样的金属？为什么说它测定的一般不是全部氧含量用于怎样的金属？为什么说它测定的一般不是全部氧含量？3.3.对于边长为对于边长为3m3m的立方形颗粒：的立方形颗粒：a.a.它的当量球形表面直它的当量球形表面直径是多少？径是多少？b.b.它的当量球形体积直径是多少？它的当量球形体积直径是多少？4.4.将铁粉过筛分成将铁粉过筛分成-100+200-100+200目和目和-325-325目两种粒度级别，测目两种粒度级别，测得粗粉末的松装密度为得粗粉末的松装密度为2.6g/cm2.6g/cm3 3.再将再将20%20%的细粉末与粗粉的细粉末与粗粉末合批后测得松装密度为末合批后测得松装密度为2.8g/cm2.8g/cm3 3，这是什么原因？请说，这是什么原因？请说明。明。7/18/2024106外表面：外表面：颗粒表面所有宏观的凸起和凹进的部分以及宽度大于深度的裂隙。内表面：内表面：深度超过宽度的裂隙、微缝以及与颗粒外表面相通的孔隙、空腔等的壁面，不包括封闭在颗粒内的潜孔。7/18/2024107