粉体科学导论

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1、预混合粉末中金属粉末与粘结剂作用机理和表征方法11018随着我国汽车制造行业的迅猛发展，对Fe基粉末冶金零件和Fe粉的需求量越来越大。为了提高Fe基产品的力学性能，常在Fe粉中加入C、Ni、Cu、Mo等合金元素，这些合金元素与Fe粉相比，粉末的松装密度、粒度、形貌等各不相同，致使混合粉末在运输和压制过程中产生扬尘和合金元素的偏析，污染工作环境，并导致坯体内和坯体间成分、组织、乃至性能和尺寸不均匀。将钢铁粉末中的合金元素进行粘结处理制备成预合金钢粉是解决这一问题的新技术，其制备原理是以高压缩性的Fe粉、扩散粉或预合金粉为母粉，采用粘结剂将石墨、Mn等密度、粒度或形貌与母粉相差较大的合金元素粉末粘

2、附在基体粉末上，以减少混合粉末在运输和压制过程中的扬尘和成分偏析。与未经粘结剂处理的混合粉相比，预混合钢粉具有如下优点：工艺简单，成本低廉；扬尘和合金元素的偏析少；合金粉末的流动性和模具填充性好，生产效率高；脱模压力低；生坯及烧结件中成分和组织均匀性高；产品性能和尺寸的一致性好。预混合钢粉制备的关键技术是粘结剂技术，虽然在一些专利中提到过一些粘结剂类型，我国的科研人员也对此进行了初步研究，但总体来说对预混合钢粉粘结剂作用机理和表征测试方法等方面的研究报道很少，因此本文作者从粘结剂的粘结机理入手，试图系统的找出粘结剂与粉末的相互作用机理以及它们之间粘结力的表征方法。一、粘结机理在粉末中加入粘结剂

3、的目的是将细小的容易产生扬尘或者偏析的合金元素颗粒粘结到尺寸较大的母粉颗粒上。包括粘结剂与母粉的粘结以及粘结剂与合金元素的粘结，粘结剂在中间起到桥梁作用。粘结剂与母粉和合金元素之间的粘结力受界面张力的影响最大。文献指出，粉末与粘结剂有三种不同的粘结形式：合金元素颗粒之间的粘连、合金元素和基体粉末的粘连以及基体粉末颗粒之间的粘连。理想和粘结是合金元素和基体粉末颗粒的粘连，即粘结剂用量最省，且效果最好，但实际粘结剂用量远大于该值，其原因就是三种情况的粘结都有。当粘结剂以固态形式加入时，粘结剂在粉末中的分布难以达到微观均匀，对粘结效果有负面影响。粘结剂以液态的形式加入到混合粉中，则粘结剂在粉末颗粒的

4、表面形成一层薄膜，分散更均匀，因而粘结效果较好。影响粘结剂粘附效果的因素有：1、粉末表面结构形貌表面原子排列突然中断，表面原子排列突然中断，如果在该处原子仍按照内部方式排列，则势必增大系统的自由能(主要是弹性能).为此，表面附近原子排列必须进行调整.调整方式有两种：(1)自行调整，表面处原子排列与内部有明显不同；(2)靠外来因素调整，如吸附杂质，生成新相等图1几种清洁表面结构图1中驰豫(relaxation)、重构(reconstruction)、吸附(chemisorption)等是常见表面结构与现象。驰豫、重构、偏析(segregation)、台阶(ledge)属粉表面自行调整且通常是驰豫

5、的。表面原子(或离子)间距偏离体内的晶体晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称驰豫。金属氧化物粉表面（如SiO2、Al2O3、ZrO2等）一般也有类似的弛豫结构。存在表面电矩，氧离子在最外层，而使表面常带负电荷。氧离子亚层与金属离子亚层的厚度直接影响粉（或浆体）的等电点（IEP）等电性能（如胶体双电层），以及粉的化学吸附、化学反应等物化性能。如果是同种粉体，无论杂质存在与否，由于驰豫产生的表面电荷彼此相互排斥，要使这些粉紧密接触会相当困难，从而带来粉成型工艺困难（如干磨后未吸附水的粉难以干压成型）。即驰豫现象不会导致粉团聚，而是分散。从能量的角度，弛豫导致粉体表面相互靠近至紧密接触时，产生强

6、大的键力而相互排斥。其它几种靠表层原子自行调整方式，如重构、偏析、台阶（如图1b、图1c、图1f）也不会导致粉团聚.并且往往也是驰豫结构。因此，导致团聚的因素必定是外来因素，即化学吸附或有新化合物生成引起的。当使用的纳米粉之间不起化学反应，也没有足够的能量进行成核、长大，那么引起团聚的因素就一定与环境介质有关，如化学反应或化学吸附。大气环境下的纳米粉体表面原子结构、特性：由于粉体外表面结构不同于内表面的结构，导致过剩能量即表面能的产生。随着粉体变细，其比表面积增加，表面能增大，表面效应(如弛豫、偏析、吸附)、量子尺寸效应(如能隙变宽等)增强，熔点降低，使纳米粉的表面性质变得更加活跃，许多在加热

7、条件下或高温下才发生的化学反应，在常温下已经很剧烈了。随着比表面积的增加,表面层原子数量增加到一定程度引起结构与性质的质变,出现久保效应等。纳米粉能够从空气中吸附大量的水,在表面形成羟基层和多层物理吸附水。取α-Al2O3纳米（60nm）粉于120℃保温1h，密封。用美国Nicolt公司170stFT－TR红外光谱仪（有付立叶变换）进行测试，得到如图2所示红外光谱。图2α―Al2O3粉末红外光谱图