粉末冶金及材料工程

本书分粉体的性能及其检测、粉末的制备、粉末成型、钢压模具设计、烧结和粉末冶金材料六章详细地介绍了从粉体原料到实际应用制品的粉末冶金工艺全流程。本书在内容上既注重对基础理论、工艺知识及生产技术的介绍, 也尽可能多地归纳总结本领域的新技术、新方法和新理论的发展动向。作为教学用书, 提供相应的试卷及参考答案。作为工程实践参考用书, 提供了各类具体材料的制备工序。

目 录 绪论 …………………………………………………………………………………………………１ 第一章 粉体的性能及其检测 ……………………………………………………………………５ １.１ 粉末体与粉末性能 ……………………………………………………………………… ５ １.１.１ 粉末体 （或粉末） 的概念 ……………………………………………………………… ５ １.１.２ 粉末的性能 …………………………………………………………………………… ６ １.２ 粉末的化学成分 ………………………………………………………………………… ６ １.３ 粉末的物理性能 ………………………………………………………………………… ８ １.３. １ 颗粒的形状与结构 ……………………………………………………………………… ８ １.３.２ 颗粒密度 ……………………………………………………………………………… ９ １.３.３ 显微硬度 ……………………………………………………………………………… ９ １.３.４ 粉末粒径和粒径组成 …………………………………………………………………… ９ １.３.５ 粒径的测定 …………………………………………………………………………… １４ １.３. ６ 颗粒的比表面积 ……………………………………………………………………… ２２ １. ４ 粉末的工艺性能………………………………………………………………………… ２８ １.４. １ 松装密度和摇实密度 ………………………………………………………………… ２８ １. ４. ２ 流动性 ……………………………………………………………………………… ２９ １. ４. ３ 压制性 ……………………………………………………………………………… ３０ １. ５ 粉末的应用……………………………………………………………………………… ３１ １. ５. １ 食品添加剂 …………………………………………………………………………… ３１ １. ５. ２ 颜料、 油墨和复印用粉末……………………………………………………………… ３１ １.５.３ 燃料、 烟火和炸药用粉末……………………………………………………………… ３２ １. ５. ４ 磁性探伤用粉末 ……………………………………………………………………… ３２ １. ５.５ 焊药、 表面涂层用粉末 ……………………………………………………………… ３３ １. ５. ６ ３Ｄ 打印用粉末………………………………………………………………………… ３３ １.５.７ 其他方面用粉末 ………………………………………………………………………３４ 第二章 粉末的制备 ……………………………………………………………………………３５ ２.１ 粉末制取方法概述……………………………………………………………………… ３５ ２. ２ 还原法…………………………………………………………………………………… ３６ ２.２.１ 还原过程的基本原理 ………………………………………………………………… ３７ ２.２.２ 碳还原法 ……………………………………………………………………………… ４５ ２. ２.３ 气体还原法 …………………………………………………………………………… ５０ ２. ３ 还原－化合法 …………………………………………………………………………… ５３ ２.４ 电解法…………………………………………………………………………………… ５７ ２. ４. １ 水溶液电解的基本原理 ……………………………………………………………… ５７ ２.４.２ 电解法生产铜粉 ……………………………………………………………………… ６０ ２. ５ 雾化法…………………………………………………………………………………… ６２ ２.５.１ 雾化法的分类 ………………………………………………………………………… ６３ ２.５.２ 雾化法的基本原理 …………………………………………………………………… ６５ ２.５.３ 喷嘴结构 ……………………………………………………………………………… ６８ ２. ５.４ 影响雾化粉末性能的因素……………………………………………………………… ７０ ２. ６ 机械粉碎法……………………………………………………………………………… ７２ ２.６.１ 球磨的基本规律 ……………………………………………………………………… ７３ ２.６.２ 影响球磨的因素 ……………………………………………………………………… ７４ ２. ６.３ 球磨能量与粉末粒径的基本关系 ……………………………………………………… ７６ ２. ６. ４ 强化研磨 ……………………………………………………………………………… ７６ ２. ７ 纳米粉体的制备技术…………………………………………………………………… ７８ ２. ７.１ 化学制备法 …………………………………………………………………………… ７９ ２.７. ２ 化学物理合成法 ……………………………………………………………………… ８７ ２. ７.３ 物理方法 ……………………………………………………………………………… ９１ ２.８ 球形粉体的制备………………………………………………………………………… ９９ 第三章 粉末成型……………………………………………………………………………… １０６ ３. １ 概述 …………………………………………………………………………………… １０６ ３. ２ 压制成型原理 ………………………………………………………………………… １０６ ３. ２.１ 粉末的压制过程……………………………………………………………………… １０６ ３. ２.２ 压制过程中压坯的受力分析 ………………………………………………………… １０９ ３. ２.３ 压坯密度及其分布 …………………………………………………………………… １１３ ３.２.４ 压制压力与压坯密度的关系 ………………………………………………………… １１６ ３.２.５ 压坯强度 …………………………………………………………………………… １１９ ３.２. ６ 成型剂 ……………………………………………………………………………… １１９ ３. ３ 成型工艺 ……………………………………………………………………………… １２０ ３. ３.１ 压制前的准备 ……………………………………………………………………… １２０ ３. ３.２ 压制工艺 …………………………………………………………………………… １２１ ３. ３.３ 压制参数 …………………………………………………………………………… １２３ ３. ４ 成型废品分析 ………………………………………………………………………… １２３ ３.４.１ 物理性能方面 ……………………………………………………………………… １２３ ３. ４. ２ 几何精度方面 ……………………………………………………………………… １２３ ３. ４. ３ 外观质量方面 ……………………………………………………………………… １２４ ３.４.４ 开裂 ………………………………………………………………………………… １２５ ３. ５ 影响成型的因素 ……………………………………………………………………… １２７ ３. ５.１ 粉末性能对压制过程的影响 ………………………………………………………… １２７ ３. 5. ２ 润滑剂和成形剂对压制过程的影响 …………………………………………………… １２９ ３.５. ３ 压制方式对压制过程的影响 ………………………………………………………… １３０ ３. ６ 成型方式简介 ………………………………………………………………………… １３１ ３.６. １ 压力机法 …………………………………………………………………………… １３１ ３. ６.２ 离心成型法 ………………………………………………………………………… １３１ ３. ６.３ 挤压成型 …………………………………………………………………………… １３１ ３. ６. ４ 等静压成型 ………………………………………………………………………… １３１ ３.６. ５ 三向压制成型 ……………………………………………………………………… １３２ ３.６. ６ 热压法 ……………………………………………………………………………… １３２ ３.６. ７ 粉末轧制法 ………………………………………………………………………… １３２ ３.６.８ 粉浆浇注法 ………………………………………………………………………… １３３ ３.６.９ 粉末热锻技术 ……………………………………………………………………… １３４ ３.６.１０ 高能成型法 （爆炸成型法） ………………………………………………………… １３４ ３.６. １１ 注射成形………………………………………… １３５ ３. ６.１２ 粉末流延成型 ……………………………………………………………………… １３５ ３.６.１３ 楔形 （循环） 压制 ………………………………………………………………… １３６ ３.６. １４ 高速压制成型 ……………………………………………………………………… １３６ ３. ６. １５ 凝胶铸模成型 ……………………………………………………………………… １３６ ３. ６. １６ 温压成型技术 ………………………………………………………………………１３６ 第四章 钢压模具设计 …………………………………………………………………………１３８ ４. １ 概述 …………………………………………………………………………………… １３８ ４. １. １ 模具及其在工业生产中的作用 ……………………………………………………… １３８ ４.１. ２ 压模的基本结构……………………………………………………………………… １３９ ４. １. ３ 粉末冶金模具的分类 ………………………………………………………………… １３９ ４. １.４ 粉末冶金模具设计的指导思想和原则 ………………………………………………… １４０ ４.１.５ 粉末冶金模具设计的内容及步骤……………………………………………………… １４０ ４.１.６ 编制模具零件工艺规程的步骤 ……………………………………………………… １４１ ４.２ 模具设计理论基础 …………………………………………………………………… １４２ ４. ２. １ 粉末的受力与计算 …………………………………………………………………… １４２ ４.２.２ 压制过程中粉末的运动规律 ………………………………………………………… １４６ ４.３ 成型模具结构设计 …………………………………………………………………… １４８ ４. ３. １ 基本原则 …………………………………………………………………………… １４８ ４. ３.２ 等高制品成型模设计原理 …………………………………………………………… １４９ ４. ３.３ 不等高制品成型模设计 ……………………………………………………………… １５０ ４.３. ４ 复杂制品成型模设计 ………………………………………………………………… １５１ ４. ４ 模具零件的尺寸计算 ………………………………………………………………… １５４ ４. ４. １ 压模零件尺寸的计算依据 …………………………………………………………… １５４ ４. ４. ２ 阴模外径及阴模强度的计算 ………………………………………………………… １５８ ４.４.３ 其他模具零件的尺寸计算 …………………………………………………………… １６１ ４.５ 典型模具结构及压模零件尺寸计算 ………………………………………………… １６２ ４. ５. １ 带台阶压坯压模的尺寸计算 ………………………………………………………… １６２ ４. ５.２ 无台阶压坯压模的尺寸计算 ………………………………………………………… １６５ ４. ６ 模具制造 ……………………………………………………………………………… １６５ ４. ６. １ 模具材料的选择……………………………………………………………………… １６５ ４. ６. ２ 模具主要零件的加工、 热处理及提高寿命的途径……………………………………… １６７ ４.６. ３ 钢模压型设备 ……………………………………………………………………… １６９ ４. ６. ４ 模架简介 …………………………………………………………………………… １７０ ４. ７ 模具损伤和压件缺陷分析 …………………………………………………………… １７１ ４. ７.１ 模具损伤 …………………………………………………………………………… １７１ ４.７. ２ 成型件的缺陷分析 ……………………………………………………………………１７５ 第五章 烧结 ……………………………………………………………………………………１７８ ５. １ 概述 …………………………………………………………………………………… １７８ ５. １.１ 烧结的定义 ………………………………………………………………………… １７８ ５. １. ２ 烧结的分类 ………………………………………………………………………… １７８ ５.１.３ 烧结理论的发展过程 ………………………………………………………………… １７９ ５.２ 烧结过程的动力学原理 ……………………………………………………………… １７９ ５.２.１ 烧结的基本过程……………………………………………………………………… １７９ ５. ２.２ 烧结过程中压坯的宏观体积变化……………………………………………………… １８１ ５. ２. ３ 烧结过程中烧结体显微组织的变化 …………………………………………………… １８２ ５.２. ４ 烧结过程中物质的迁移方式 ………………………………………………………… １８４ ５. ２. ５ 致密化机理 ………………………………………………………………………… １８９ ５. ３ 烧结过程的热力学原理 ……………………………………………………………… １８９ ５.４ 固相烧结 ……………………………………………………………………………… １９２ ５. ４. １ 单元系固相烧结……………………………………………………………………… １９２ ５. ４. ２ 多元系固相烧结……………………………………………………………………… １９３ ５. ４. ３ 固相烧结合金化及影响因素 ………………………………………………………… ２０２ ５. ５ 液相烧结 ……………………………………………………………………………… ２０３ ５.５.１ 液相烧结满足的条件 ………………………………………………………………… ２０３ ５. ５. ２ 液相烧结基本过程及机理 …………………………………………………………… ２０５ ５.５.３ 液相烧结的致密化及定量描述 ……………………………………………………… ２０６ ５.５.４ 熔浸 ………………………………………………………………………………… ２０７ ５. ６ 烧结后期的晶粒长大与致密化 ……………………………………………………… ２０８ ５. ６.１ 晶粒的正常生长与晶粒异常长大……………………………………………………… ２０８ ５.６.２ 晶粒生长理论基础 …………………………………………………………………… ２１０ ５. ６. ３ 控制晶粒生长的途径 ………………………………………………………………… ２１２ ５. ７ 烧结设备 ……………………………………………………………………………… ２１５ ５. ８ 烧结工艺 ……………………………………………………………………………… ２１８ ５.８.１ 烧结前的准备 ……………………………………………………………………… ２１８ ５. ８.２ 烧结工艺及其对性能的影响 ………………………………………………………… ２１８ ５. ８.３ 粉末冶金制品的烧结后处理 ………………………………………………………… ２２０ ５.９ 烧结气氛 ……………………………………………………………………………… ２２４ ５. ９.１ 气氛的作用与分类 …………………………………………………………………… ２２４ ５.９. ２ 还原性气氛 ………………………………………………………………………… ２２４ ５. ９. ３ 吸热型与放热型气氛 ………………………………………………………………… ２２７ ５.９. ４ 真空烧结 …………………………………………………………………………… ２２８ ５.９.５ 发生炉煤气 ………………………………………………………………………… ２２９ ５.１０ 烧结废品分析………………………………………………………………………… ２３０ ５. １０.１ 烧结废品简介 ……………………………………………………………………… ２３０ ５. １０. ２ 主要废品分析 ……………………………………………………………………… ２３２ ５. １０.３ 废品的处理 ………………………………………………………………………… ２３３ ５. １１ 特种烧结……………………………………………………………………………… ２３３ ５. １１.１ 松装烧结 …………………………………………………………………………… ２３３ ５. １１. ２ 放电等离子体烧结 ………………………………………………………………… ２３４ ５.１１.３ 微波烧结 …………………………………………………… ２３４ ５.１１. ４ 爆炸烧结 …………………………………………………………………………… ２３５ ５.１１.５ 电火花烧结 ………………………………………………………………………… ２３５ ５.１１. ６ 快速原理制作技术 ………………………………………………………………… ２３６ ５. １１. ７ 烧结方法对比 ………………………………………………………………………２３７ 第六章 粉末冶金材料 ………………………………………………………………………… ２３８ ６. １ 概述 …………………………………………………………………………………… ２３８ ６.２ 结构材料 ……………………………………………………………………………… ２３８ ６. ２. １ 概述 ………………………………………………………………………………… ２３８ ６. ２. ２ 粉末冶金结构材料的制备 …………………………………………………………… ２３９ ６.２.３ 粉末冶金结构材料发展趋势 ………………………………………………………… ２４４ ６.３ 摩擦材料 ……………………………………………………………………………… ２４６ ６.３.１ 概述 ………………………………………………………………………………… ２４６ ６.３.２ 粉末冶金摩擦材料的制备 …………………………………………………………… ２５０ ６.３. ３ 粉末冶金摩擦材料发展趋势 ………………………………………………………… ２５５ ６.４ 电工材料 ……………………………………………………………………………… ２５７ ６. ４. １ 概述 ………………………………………………………………………………… ２５７ ６. ４. ２ 触头材料 …………………………………………………………………………… ２５７ ６. ４. ３ 电刷材料 …………………………………………………………………………… ２６７ ６.４.４ 电极材料 …………………………………………………………………………… ２７０ ６.４.５ 粉末冶金电工材料的发展趋势 ……………………………………………………… ２７２ ６. ５ 磁性材料 ……………………………………………………………………………… ２７３ ６. ５.１ 磁性材料概述 ……………………………………………………………………… ２７３ ６.５.２ 粉末冶金磁性材料的制备 …………………………………………………………… ２７６ ６.５.３ 粉末冶金磁性材料的发展趋势 ……………………………………………………… ２８３ ６.６ 多孔材料 ……………………………………………………………………………… ２８４ ６.６.１ 多孔材料概述 ……………………………………………………………………… ２８４ ６.６. ２ 粉末冶金含油轴承 …………………………………………………………………… ２８７ ６.６.３ ３Ｄ 打印多孔材料 …………………………………………………………………… ２９４ ６. ６. ４ 粉末冶金多孔材料的发展趋势 ……………………………………………………… ２９４ ６.７ 工具材料 ……………………………………………………………………………… ２９５ ６.７.１ 工具材料概述 ……………………………………………………………………… ２９５ ６. ７.２ 粉末冶金工具材料的制备 …………………………………………………………… ３００ ６.７. ３ 粉末冶金工具材料的发展趋势 ……………………………………………………… ３１３ ６. ８ 粉末冶金武器材料 …………………………………………………………………… ３１３ ６.８.１ 粉末冶金武器材料概述 ……………………………………………………………… ３１３ ６. ８. ２ 粉末冶金武器材料制备 ……………………………………………………………… ３１５ ６.９ 其他材料 ……………………………………………………………………………… ３２２ ６.９. １ 航空航天工业用粉末冶金材料 ……………………………………………………… ３２２ ６.９.２ 核工业用粉末冶金材料 ……………………………………………………………… ３２２ ６.９.３ 生物医用粉末冶金材料 ……………………………………………………………… ３２３ 参考文献………………………………………………………………………………………… ３２６