粉末冶金-粉末性能

形＞树枝形 spherical-similar spherical-irregular-dendritic c. 表面粗糙度 d、粒度分布 Particle size distribution ☻ 细粉比例增加，松装密度减小; ☻ 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大; 球形不锈钢粉 -100＋150（% 100 80 60 40 20 －325（%） 20 40 60 80 100 d松 4.9 5.2 4.8 4.6 4.3School of Materials Science and Engineering粉末松装密度测定（GB1478-84、GB5060-85）粉末松装密度测定（GB1478-84、GB5060-85）The basic components of the Hall flowmeter and Scott volumeter for measuring the flow and packing of powdersSchool of Materials Science and Engineeringnull（2）振实密度 tapping packing） density 与粉末体中的孔隙 ● 粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度 ● 振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的孔隙pores。空隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数称为孔隙度 Porosity （θ） ●粉末体中的孔隙包括pores in the particles and between the particles； ● ρ—松装密度，ρ理—材料的theoretical density理论密度或颗粒真 密度true density，与粉末体孔隙度θ的关系： θ＝1－ρ/ρ理School of Materials Science and Engineeringnull● ρ/ρ理 称为粉末体的相对密度relative density，用d 表示，其倒数，β＝1/d称为相对体积relative volume。孔隙度porosity与相对密度和相对体积的关系为： θ＝1－d 和θ＝1－1/β ● 粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒的密度和表面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种综合性质。Porosity or density is a simultaneous parameter related to particle size and distribution， shape， surface feature。 School of Materials Science and Engineeringnull●由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时， θ＝0.476，最松散的堆积（packing）； θ＝0.259，最紧密的堆积（packing） ● 如果颗粒的大小不等 ，较小的颗粒填充到大颗粒的间隙中，孔隙度将降低； ● 颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；School of Materials Science and Engineeringnull2. 流动性 Flow ability （流速） ● 定义：一定量粉末(50g) 流经标准漏斗所需的时间： sec./50 gram ● 意义：反映压制时粉末充填模腔的能力 ● 影响因素: 颗粒间的摩擦 friction between the particles ☻形状复杂，表面粗糙，流动性差 ☻理论密度增加，流动性增加 ☻粒度组成：流动性差School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull● Flow ability也采用前述测松装密度的漏斗unnel来测定。标准漏斗tunnel （又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标定。 ●还可采用粉末自然堆积角natural angle of repose试验测定流动性（粉末通过一粗筛网sieve自然流下并堆积在直径为1in.的圆板上），当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性。 ● 粉末锥的底角称为natural angle of repose。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。 School of Materials Science and EngineeringnullSchool of Materials Science and Engineeringnull● 流动性与粉末密度有关：如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；颗粒密度不变，相对密度增大会使流动性提高; 例：球形 Al粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差。 ● 流动性受颗粒间粘附adhesion作用的影响：颗粒表面吸附水分、气体, 加入成形剂(binder) 减低粉末的流动性。 ● Flow ability 直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性：是自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能。 制粒工序（团粒）— 改善流动性。School of Materials Science and Engineeringnull3. 压制性 Compacting ability，Compactability）压制性是压缩性和成形性的总称 compressibility and formability （1）压缩性 Compressibility ● 定义: 粉末被压紧的能力，表示方法是：一定压制条件下粉末压坯的密度（green density）（在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力（500MPa）下粉末所达到的压坯密度表示） ● 意义: 压坯密度对最终烧结密度有重要影响，进而影响烧结体性能。School of Materials Science and Engineeringnull● 影响压缩性因素: a. 粉末hardening 加工硬化，压缩性能差 b. irregular powder：poor compressibility c. 密度减少时（空隙增加），压缩性差 d. 碳、氧和酸不溶物含量的增加，压缩性变差 凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响School of Materials Science and Engineeringnull（2）成形性 Formability ● 定义: 压制后，粉末压坯保持形状的能力。用压坯强度表示 ● 意义: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性 ● 影响因素： 颗粒之间的啮合与间隙 a. irregular shape，颗粒间连接力强, 成形性好 b. smaller particle，soft powder，good formability, 成形性和压缩性矛盾：成形性好的粉末压缩性差 压缩性好的粉末成形性差 必须综合考虑压缩性和成形性School of Materials Science and Engineering三、粉末粒度及其测定 particle size and measurement三、粉末粒度及其测定 particle size and measurement（一）粒度及其分布（ Particle size and distribution ） 1. 基本概念： ● 粒度Particle size ：以mm或μm的表示的颗粒的大小称颗粒直径，简称粒径或粒度。 ● 粒度分布 Particle size distribution：由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同。具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称粉末的粒度组成，又称粒度分布 size distribution。 ● 粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。但是通常说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径（对粉末体也可称粒度，但是指平均粒度）。 School of Materials Science and Engineeringnull粒度级别的划分 粉末的粒度和粒度组成直接影响其工艺性能，从而对粉末的压制过程以及最终产品的性能产生很大影响。School of Materials Science and Engineeringnull2. 粒径基准 ● 用直径表示的颗粒大小称粒径。规则粉末颗粒可以直接用球的直径或投影圆的直径来表示粒径—最简单和最精确。 ● 近球形、等轴状颗粒，用最大长度方向的尺寸代表粒径，误差也不大。 ●大多数粉末颗粒，形状不对称，仅用一维几何尺寸不能精确表示颗粒真实的大小，最好用长、宽、高三维尺寸的某种平均值来度量。 School of Materials Science and Engineeringnull几种粒径基准： （1）几何学粒径dg： 用显微镜按投影几何学原理测得的粒径称投影径。 ● 二轴平均径：● 三轴平均径：● 加和（调和）平均径：● 几何平均径：● 体积平均径：School of Materials Science and Engineeringnull（2）当量粒径de 用沉降法、离心法或水力法等测得的粉末粒径。 物理意义：与被测粉末具有相同沉降速度且服从斯特克斯定律的同质球形粒子的直径。 ● 体积当量径 volume equivalent diameter 如 V粉(体积)=V球(体积) ；D粉=D球； V球=（/6） d3球 d球=(6V/ )1/3=d粉 测出粉末体积, 能够换 算出粉末的颗粒粒径； ● 面积当量径 area equivalent diameter 当S粉(投影面积)=S球(投影面积), D粉=D球 S球=（ /4）d2圆 d圆=（4/）s1/2圆=d粉School of Materials Science and Engineeringnull（3）比表面粒径dsp 利用吸附法、透过法和润湿热法测定粉末的比表面，再换算成具有相同比表面值的均匀球形颗粒的直径，称为比表面积 （4）衍射粒径dsc 对于粒度接近电磁波波长的粉末，基于光与电磁波(如X光等)的衍射现象所测得的粒径称为衍射粒径。 School of Materials Science and Engineeringnull3. 粒度分布基准 （1）个数基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒粉占全部颗粒总数中的个数表示，又称频度分布； （2）长度基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和中的多少表示； （3）面积 基准分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的表面积总和中的多少表示； （4）质量quantity rule 基准分布: 以每一粒径间隔内的颗粒总质量占全部颗粒的质量总和中的多少表示。School of Materials Science and Engineeringnull4. 平均粒度mean particle size School of Materials Science and Engineeringnull5. 粒度分布 Particle size distribution基本概念： ● 频度: 第i 级粉末颗粒数与总颗粒数之比 100% 第i 级粉末重量数与总重量数之比 100% 第i 级粉末体积数与总体积数之比 100%  ● 相对频度：单位尺寸(微米)上的频度数 relative frequency 例如：１０-１５微米总颗粒数占总颗粒数的３０％， 具有１０-１５微米粉末颗粒的频度值为３０％， 相对频度＝３０％／（１５-１０）＝６％ ● 粒度分布曲线 以颗粒数或颗粒频度对平均粒径所作的粒度分布曲线称为频度分布曲线，曲线峰值所对应的粒径称为多数径．School of Materials Science and Engineeringnullｆｉ＝（nｉ／Ｎ）ｘ１００％ 以颗粒数nｉ和频度数ｆｉ对平均粒径作图，可以得到直观的粒度分布曲线和频度分布曲线． 由于该横坐标horizontal axial 取值以一个单位计算ｕ=1，固这一频度分布曲线又称为相对频度分布曲线relative frequency distribution curve，二条曲线重合． ｆｉ＝ｆｉ／ｕSchool of Materials Science and Engineeringnull累积分布曲线： 将各种粒级粉末个数或百分数逐一相加累积并做图，可以得到累积分布曲线，分布曲线对应５０％处称为中位径， 当考虑累积分布曲线中粒径小于某个粒度的粉末占总体粉末的百分率时，这种累计为负累计negative accumulated distribution curve. 也可知道大于某个粒级的粉末占总粉末的百分率，称正累计positive accumulated distribution curve ． School of Materials Science and EngineeringCurve of particle size distributionCurve of particle size distributionSchool of Materials Science and EngineeringFrequency distributionFrequency distributionSchool of Materials Science and EngineeringCommon particle size distributionsCommon particle size distributionsSchool of Materials Science and EngineeringnullThe particle size distributions shown on four different bases; frequency versus linear particle size, and cumulative frequency versus log particle size, etc.School of Materials Science and Engineeringnull思考： 某粉末粒度组成数据如下： 0～5μm 5～10μm 10～15μm 15～20μm 37(颗粒数) 37 49 72 20～25μm 25～30μm 30～35μm 35～40μm 108 164 121 93 40～45μm 45～50μm ＞50μm 62 40 19 做粒度分布曲线、正累积分布曲线、负累积分布曲线， 确立中位径，计算平均粒径。School of Materials Science and EngineeringTypical methods to determine particle sizeTypical methods to determine particle size（二）粒度测定（ Particle size measurement ） School of Materials Science and Engineering思考题 1. 使用200g粉末测量粒度（Ni粉），测得平均粒度为120μm，估算在这一粉体样品中大约有多少颗粉末（Ni（ρ）=8.9g/cm3） 2. 对于边长为3μm的立方形颗粒：a. 它的当量球形表面直径是多少？b. 它的当量球形体积直径是多少？ 3. 粉末的何种性质造成透过法测量表面积和吸附法测量表面积的差异。 4. 解释：当振实密度对松装密度的比值增加时，为什么会增加在Hall流速仪中测定的流经时间？（松装密度小，粉末形状，振实密度相对于松装密度之比增加，所需流经的时间增加）。 5. 一分散性良好的粉末用光学显微镜观察，平均粒度为13μm，用沉降天平分析平均粒度为28μm，讨论造成如此差别的原因。 6. 10克+325-270目铁粉，大约有多少个粉末颗粒，表面积有多大，铁理论密度为7.86 g/cm3。思考题 1. 使用200g粉末测量粒度（Ni粉），测得平均粒度为120μm，估算在这一粉体样品中大约有多少颗粉末（Ni（ρ）=8.9g/cm3） 2. 对于边长为3μm的立方形颗粒：a. 它的当量球形表面直径是多少？b. 它的当量球形体积直径是多少？ 3. 粉末的何种性质造成透过法测量表面积和吸附法测量表面积的差异。 4. 解释：当振实密度对松装密度的比值增加时，为什么会增加在Hall流速仪中测定的流经时间？（松装密度小，粉末形状，振实密度相对于松装密度之比增加，所需流经的时间增加）。 5. 一分散性良好的粉末用光学显微镜观察，平均粒度为13μm，用沉降天平分析平均粒度为28μm，讨论造成如此差别的原因。 6. 10克+325-270目铁粉，大约有多少个粉末颗粒，表面积有多大，铁理论密度为7.86 g/cm3。School of Materials Science and EngineeringnullNext time ： Powder Compaction and Formation (粉末压制、成形）School of Materials Science and Engineering