最新中南大学粉末冶金原理课本重点.docx

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最新中南大学粉末冶金原理课本重点

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课程名称：

粉末冶金学

PowderMetallurgyScience

第一章导论

1粉末冶金技术的发展史Historyofpowdermetallurgy

粉末冶金是采用金属粉末（或非金属粉末混合物）为原料，经成形和烧结操作制造金属材料、复合材料及其零部件的加工方法。

粉末冶金既是一项新型材料加工技术，又是一项古老的技术。

.早在五千年前就出现了粉末冶金技术雏形，古埃及人用此法制造铁器件；

.1700年前，印度人采用类似方法制造了重达6.5T的“DELI　柱”（含硅Fe合金，耐蚀性好）。

.19世纪初，由于化学实验用铂（如坩埚）的需要，俄罗斯人、英国人采用粉末压制、烧结和热锻的方法制造致密铂，成为现代粉末冶金技术的基础。

.20世纪初，现代粉末冶金的发展起因于爱迪生的长寿命白炽灯丝的需要。

钨灯丝的生产标志着粉末冶金技术的迅速发展。

.1923年硬质合金的出现导致机加工的革命。

.20世纪30年代铜基含油轴承的制造成功，并在汽车、纺织、航空、食品等工业部门的广泛应用。

随后，铁基粉末冶金零部件的生产，发挥了粉末冶金以低的制造成本生产高性能零部件的技术优点。

.20世纪40年代，二战期间，促使人们开发研制高级的新材料（高温材料），如金属陶瓷、弥散强化合金作为飞机发动机的关键零部件。

.战后，迫使人们开发研制更高性能的新材料，如粉末高速钢、粉末超合金、高强度铁基粉末冶金零部件（热锻）。

大大扩大了粉末冶金零部件及其材料的应用领域。

.粉末冶金在新材料的研制开发过程中发挥其独特的技术优势。

2粉末冶金工艺

粉末冶金技术的大致工艺过程如下：

原料粉末+添加剂（合金元素粉末、润滑剂、成形剂）

↓

成形（模压、CIP、粉浆浇注、轧制、挤压、温压、注射成形等）

↓

烧结（加压烧结、热压、HIP等）

↓

粉末冶金材料或粉末冶金零部件—后续处理

Fig.1-1TypicalProcessingflowchartforPowderMetallurgyTechnique

3粉末冶金技术的特点

.低的生产成本：

能耗小，　生产率高，　材料利用率高，设备投资少。

　　　　　↑　　　　↑　　　　　↑

工艺流程短和加工温度低　加工工序少　少切削、无切削

.材料成分设计灵活、微观结构可控（由工艺特征决定）：

能制造普通熔练法不可能生产的材料，如W-Cu、SnO2-Ag、WC-Co、Cu-石墨、金属陶瓷（TiC-NiCr,Al2O3-Ni或Cu,TiB2-Cu等）、弥散强化材料（Al2O3-CuAl2O3-Al，Y2O3-Fe基合金）、粉末超合金（非相图成分）、难熔金属及其合金如钨钼、含油轴承、过滤材料等。

.高的性能：

粉末高速钢、粉末超合金因无成分偏析和稳定的组织（细的晶粒）而性能优于熔炼法制备的合金；纳米材料，金属－陶瓷梯度复合材料（梯度硬质合金）。

主要不足之处：

.由于受设备容量的限制，传统粉末冶金工艺制造的粉末冶金零部件的尺寸较其它加工方法（铸造，机加工等）小；

.材料韧性不高；

.零部件的形状复杂程度和综合力学性能有限等。

正被新型成形技术（如无模成形技术，温压成形，注射成形）逐步克服。

4粉末冶金材料及其零部件的应用

由于粉末冶金材料及其零部件较其它加工方法制造的零部件的成本低，以及其性能能满足特种要求，因而粉末冶金零部件和材料在国民经济各部门的应用十分广泛。

如：

.汽车制造业的各种粉末冶金零部件；

.机加工工业中的切削用硬质合金和粉末高速钢刀具；

.电子工业用粉末冶金磁性材料和电触头；

.计算机的原器件用电子封装材料；

.机械制造业的减磨零件和结构部零件；

.航天航空业中的耐热材料及结构零部件；

.家用电器中的微型轴承；

.原子能材料；

.武器系统和作战平台（高效、低成本）；

.建材工业用金刚石工具材料等。

.环保与化工用催化剂及过滤器件。

总之，粉末冶金材料与人们的生活密不可分，在国民经济和国防建设中发挥重大作用。

而且，随着粉末冶金新技术和新工艺的开发与应用，粉末冶金的技术上的优越性也更加显著，应用领域不断扩大。

如温压成形技术的出现使粉末冶金零部件在轿车上的应用水平由原来的13.2Kg/辆增加到22Kg/辆，大大扩大了粉末冶金零部件的应用范围。

5粉末冶金的未来发展

.大量高性能铁基粉末冶金结构零部件的开发与应用。

．组织均匀的全致密、高性能难加工材料的开发与应用。

．非平衡材料（amorphous,microcrystalline,metastablealloys）.

．特种新型材料的开发与应用（纳米复合材料，梯度复合材料）

.新型成型与烧结技术的开发

.计算机仿真技术的应用

6粉末冶金技术与其他材料加工技术间的关系

粉末冶金作为一种加工方法，主要从成本和性能上弥补其他加工技术上的不足。

与其它加工技术一样同属材料科学与工程的范畴，为人类社会的文明和进步不断提供物质基础。

特别是，在新材料的研制和开发过程中，粉末冶金技术因其独特的工艺优势将继续发挥先导作用。

第二章粉末的性能与测试方法简介

§1粉末及粉末性能

1粉末颗粒与粉末体的概念

习惯上，人们按分散程度将自然界的固体分为三类，即致密体（>1mm）、粉末体（0.1μm―1mm）和胶粒（<0.1μm）。

然而随着纳米技术的发展，现在看来，这一分类方法存在严重不足之处。

也就是说，超细颗粒与纳米颗粒均同属于粉末体的范筹。

粉末颗粒指组成粉末体的最小单位或个体，简称颗粒。

粉末体则是由尺寸小于1mm的颗粒及颗粒间孔隙所组成的集合体。

可流动性：

由于粉末颗粒之间的相互作用力远低于通常固体内原子间作用力

压缩性：

由于颗粒间存在相当数量的孔隙，也具有可压缩的特性。

单个粉末颗粒可能是单一晶粒，也可能是多晶粒。

主要取决于粉末制备方法和制取工艺条件、颗粒大小和颗粒的晶体学特性。

2粉末颗粒的性质

2.1颗粒的聚集状态

由于粉末颗粒细小，具有发达的表面积，颗粒表面附近的原子活性很高，导致粉末颗粒发生某些聚集现象。

单颗粒：

单个独立存在的颗粒被称为单颗粒（粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒）。

粗粉末通常以单颗粒形式存在。

一次颗粒（primaryparticle）：

最先形成的不可以独立存在的颗粒，它只有聚集成二次颗粒时才能独立存在。

二次颗粒（secondaryparticle）：

由两个以上的一次颗粒结合而又不易分离的能独立存在的聚集颗粒被称为二次颗粒。

若能被分离，就成为单颗粒。

细粉末由于表面发达而结合，通常以二次颗粒的形式存在。

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,opticalmicroscope,TEM,SEM,lightscattering

团粒（agglomelate）:

由单颗粒或二次颗粒依靠范德华力粘结而成的聚集颗粒。

絮凝体（flocculate）:

在液体介质中由单颗粒或二次颗粒结合的更松软的聚集颗粒。

致密体：

晶粒之间没有宏观的孔隙，靠原子间的键力联结

粉末体：

颗粒之间有许多小孔隙，而且联结面很小，面上的原子不可能形成强的键力

2.2颗粒表面形貌（surfacemorphology）

粉末颗粒的表面形貌一般来说凹凸不平的，即使是采用机械破碎法制得的陶瓷粉末。

从理论上讲，粗大的颗粒在冲击载荷的作用下会发生沿一定晶面的解理断裂，形成平整的断裂面。

但由于受力状态的复杂性，解理面并非沿同一晶面进行，而发生惯穿多个晶面的断裂，从而导致颗粒表面的凹凸不平。

而对于通常的金属粉末的制备方法制取的粉末颗粒，由于出现优先成核与生长的客观条件，易形成凹凸不平的欠发育完整的表面。

2.3内部结构

大部分的粉末颗粒系多晶结构，粉末颗粒内部存在许多缺陷，如空位、位错、晶格弯曲等，还存在孔隙、裂纹等。

另外还有夹杂（还原法制粉中更为突出）。

3粉末性能

粉末性能包括物理性能（颗粒的密度、熔点和显微硬度等）、几何性能（颗粒形状，颗粒尺寸及其组成）、化学性质和工艺性能（松装密度，流动性，压缩性，成形性和烧结性能）。

特别是粉末的工艺性能受控于前三种粉末性能。

3．1粉末的物理性能

3．1．1颗粒密度材料的理论密度即无孔隙密度，一般不能代表颗粒密度。

这主要是因为大多数制粉方法所制备的粉末颗粒内含有孔隙（开孔或闭孔）和裂隙。

通常采用两种方法来表示颗粒的密度。

真密度（porefreedensity）即固体材料的理论密度。

除一些具有不同晶形的物质（碳、氧化锆、氧化铝、碳化硅等）以外，其它物质的粉末颗粒的真密度与其理论密度相同。

（颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的商值）

有效密度（ffectiveparticledensity）系单位体积内粉末颗粒的质量。

颗粒中存在的闭孔体积计算在内。

很明显，它小于颗粒的真密度。

要精确测定粉末颗粒的有效密度几乎是不可能的。

一般采用比重瓶法测定其近似值，因而也称为比重瓶密度。

（即似密度D2）

D2=（F2-F1）/[V-{（F3-F2）/D液}]

F1:

比重瓶重量F2:

含粉末后的比重瓶重量

F3:

比重瓶加粉末和充满液体之后的总重量

V=（F3-F2）/D液粉末体积

F3-F2液体重量,F3-F2/D液液体体积

D液（水）=1

形状因子：

是表示实际粉末偏离球形的程度的；

表面形状因子、体积形状因子，及两者的比值－比形状因子；

S=fD2V=kD3

f:

表面形状因子k：

体积形状因子,

二者之比m=f/k比形状因子,

如规则的球形体:

S=πD2,V=（1/6）πD3

表面形状因子为π,体积形状因子等于π/6,比形状因子等于6.m=6；

边长为a的规则正方体，表面积等于6a2，体积等于a3，f=6，k=1，m=6；

形状愈复杂,表面愈发达,表面积愈大,则比形状因子数值也愈大,树枝状粉末的比形状因子m=12-18,薄片状=80,角状m=10

其他任何形状的颗粒，F/K均大于6；而且形状越是规则，颗粒的表面积越发达，则比形状因子就越大。

3．1．2显微硬度粉末颗粒的显微硬度主要取决于构成固体物质的原子间的结合力、加工硬化程度和纯度，左右着粉末的压缩性。

后二者主要受控于粉末制取方法。

如还原铁粉颗粒的显微硬度可采用适当的退火工艺来消除加工硬化、降低其中氧、碳含量，达到降低颗粒显微硬度的目的。

一般地,粉末强度愈高,硬度愈高,混合粉末的强度比合金粉末的硬度低,合金化可以使得金属强化,硬度随之提高；不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。

粉末纯度越高，则硬度越低，粉末退火降低加工硬化、减少氧、碳等杂质含量后，硬度降低。

颗粒的显微硬度值，在很大程度上取决于粉末中各种杂质与合金组元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。

3．3．3粉末颗粒的熔点对于普通粉末冶金用金属粉末，粉末颗粒的熔点与固体的熔点几乎相同。

但当粉末颗粒的尺寸很小时，颗粒的熔点大幅度降低。

如尺寸为10nm的纳米银粉，其熔点仅为97℃。

3．2颗粒的形状（Particleshape）

颗粒形状一般分为两大类，即规则形状与不规则形状颗粒。

主要取决于粉末的制造方法。

具体关系如下：

球形颗粒—气相沉积，液相沉淀；近球形—气体雾化，溶液置换；片状—机械研磨；多角形—机械粉碎；树枝状—电解法；多孔海绵状—还原法；不规则形状—水雾化、机械粉碎、化学沉积

严格来说，所谓规则状颗粒系指能用现有数学工具加以准确描述的颗粒。

而通常指的颗粒形状是粉末颗粒的外形轮廓投影的形状。

而颗粒的形状的表征到目前为止仍然是一件十分困难的工作。

因而，造成表征粉末颗粒尺寸时也只能给出很粗糙的表达。

一些典型的粉末颗粒如图所示。

（此处附图）

目前，对于颗粒形状的描述仅局限于定性分析，即以人们已知的自然界中的物体形状作参考来加以表示。

颗粒的形状的观察通常采用光学显微镜、扫描电镜和透射作为分析手段。

§2粉末粒度及其分布（Particlesizeanditsdistribution）

1粒度（particlesize）以mm或μm的表示的颗粒的大小称为颗粒直径，简称粒径或粒度。

习惯上，粉末颗粒的大小（即粉末粒度）采用一维（onedimension）尺寸来衡量，粗略地表示粉末颗粒的粗细程度，以μm或mm为单位。

通常所说的粒度指的是粒径。

粉末粒径反映颗粒外形的某一尺寸。

粒径的具体数值与粉末颗粒的形状及粉末粒度的分析方法有关。

因为，对于具体的测试方法是建立在一定的有关粉末颗粒形状的假设的基础之上的。

如筛分析法指网孔的尺寸；光学显微镜法或扫描电镜法则代表颗粒投影的某一尺寸，即定向径；沉降分析、比表面法的当量粒径或等效球径。

投影径：

DA=（4A/π）1/2（令颗粒的投影面积A与直径为DA的球形颗粒面积相等）

等体积球径：

Dv=（6V/π）1/3（令颗粒体积V与直径为的球形颗粒的体积相等）

表面径：

Dsp=（S/π）1/2（令颗粒的表面积S与球形颗粒的表面积相等）

体比表面径：

Dsv=6/Sv=6V/S

前三种表示方法都基于了不同的对颗粒形状的假设，相互之间无法进行换算，且几何意义不明显。

第四种方法不需对粉末颗粒的形状作任何形式的假设，而且其几何意义很明显，即为颗粒中心（centroid）到各表面元（微表面元ds）按其表面积加权距离的两倍。

其有效性在于：

（1）便于比较不同形状粉末颗粒的尺寸大小；

（2）能有效地说明粉末颗粒尺寸对粉末的工艺性能（如粉末的压制与烧结性能）的影响。

2．粒度组成或粒度分布（particlesizedistribution）

2．1粒度组成指具有不同粒径范围的颗粒在粉末总量中所占的百分数（质量或个数）。

对于具体的测试方法，所测得的粒度分布是粗略的。

因为，不同粒度范围的颗粒，其形状存在一定的差异，而这种差异恰恰反映了颗粒尺寸的大小。

2．2表示方法：

列表法

直方分布图（histogram）和频度分布曲线：

即以频度（各粒度范围的颗粒数占所统计颗粒总数的百分数）为纵坐标，粒径为横坐标，矩形高度代表该粒级的频度（百分数）。

这一表示方法比较直观，适用于筛分析和显微分析法测定的粒度分布的表征。

若粒级取得足够窄，矩形上边的中点的连线成为频度分布曲线。

（见教材）

累计分布曲线（cumulativecurve）：

分为“正”和“负”累计分布曲线两种。

后者表示颗粒尺寸小于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数；而前者则指粉末颗粒数量大于该粒度数值的粉末颗粒占颗粒总量的百分数。

若将二者绘制于同一图上，则二者呈对称分布。

（同上）

以上表示方法一般基于显微镜法或筛分析法，且分析过程极其复杂，适用于较粗粉末的粒度组成分析。

而对于微细粉末粒度组成的测定，常采用一种快速分析方法—激光衍射法。

该法可给出粒度组成的连续分布曲线和粉末的平均粒度。

3平均粒度（Averageparticlesize）

常用平均粒度的表示方法：

算术平均径Da=∑NiDi/∑Ni

体积平均径Dv=（∑Nid3/∑Ni）1/3

面积平均径DA=（∑Nid2/∑Ni）1/2

比表面平均径Dsp=K/（ρSm）K=颗粒的形状因子；ρ=颗粒的密度

4粒度分析方法

4．1筛分析（Screening）：

适合于较粗（>38μm）粉末的粒度分析。

测得粉末颗粒的最大外形尺寸。

目或网目数m：

指筛网上一英寸长度内的网孔数。

目数↑，网孔↓

m=25.4/（a+d）

其中a=网孔尺寸；d=网丝径。

且一英吋等于25.4mm。

筛网标准：

使用较多的是泰勒筛制。

其分度方法是以200目的筛孔尺寸（0.074mm）为基准，依次乘以主模数21/2得到比得200目更粗的150、100、65、48、35目；对于小于200目的筛网，则依次除以主模数21/2得到比200目更细的270、400目。

若所需的筛网粒级更加密集，则可用副模数21/4去乘或除。

与上一筛制相比较，筛网数量增加一倍。

筛分析法简单快捷，工业用铁、铜基粉末常采用此法来分析粉末的粒度组成。

4.2显微镜法（Microscopy）：

A光学：

粒度大于1μm；B电镜：

粒度大于0.001μm。

此法测得的是颗粒定向径或投影径。

并且，易于观察颗粒的表面形貌。

借助于图像分析仪可进行快速定量分析。

4．3沉降分析（Sedimentation）：

适合于粒度细小粉末的分析。

原理：

重力G=πd3ρg/6

浮力F=πd3ρog/6

运动阻力R=3πdηv。

沉降天平法测定

根据斯托克斯Stocksian公式，在静止在水中，物

体沉降速度与其直径平方成正比：

其中：

ρ1沉降物质密度g/cm3;

ρ2介质密度g/cm3;

d颗粒直径cm;

η介质粘度

当颗粒受力处于平衡状态时（即∑Fi=0），颗粒在液体中匀速运动。

不难想象，粒度较粗的颗粒在沉降初期，因受到较大的重力作用而具有较大的初速度而较快地到达沉降天平的托盘。

细小颗粒较后到达。

单位用厘米·克·秒表示：

d=175〔η/（ρ-ρo）0.5（h/t）0.5〕

η=沉降介质的粘度；ρ=颗粒的密度（有效密度）；ρo=介质的密度；h=沉降起始高度；t=沉降时间

沉降法分析一个球形粉末粒度，设颗粒直径为8微米，如果粉末分散在设定100mm高的水柱中，求粉末沉降的速度：

v=h/t=gd2（ρ1-ρ2）/（18η）

这里，H=height=0.1m

g=地球引力常数=9.8m/s2

d=颗粒直径=8×10-6m

ρ1=Ni粉密度=8.9×103kg/m3

ρ2=水密度=103kg/m3

η=水的粘度=10-3kg/m/s

算出的速度为2.8×10-4m/s，对于设定高度为0.1米,相应的时间是约360s或6分钟,雷诺系数为2.2×10-3

一般采用沉降天平分析。

4．4X-射线衍射：

纳米粉末的粒度分析

4．5激光衍射

5粉末比表面（Specificsurfacearea）

粉末克比表面Sm：

1克质量的粉末所具有的总表面积，m2/g；

粉末体比表面Sv：

单位体积粉末所具有的总表面积，m-1。

便于不同材质粉末的比表面大小的比较。

二者间的关系：

Sv=ρ松×Sm

对于颗粒形状相似的粉末体，Sm↑，颗粒尺寸↓。

粉末颗粒的比表面取决于颗粒形状、粉末粒度及其组成、颗粒的表面粗糙程度。

粉末的比表面决定了粉末的成形性和烧结性的好坏，是粉末的重要性能。

3．1气体吸附法—BET法（测量二次颗粒和一次颗粒），

原理：

利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：

测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，由气体分子的截面积换算出单位质量粉末的表面积。

Sm=VmN0Am/（22400M）

Vm=吸附在粉末颗粒表面的单分子气体的总体积；N0=阿佛加德罗常数；

Am=被吸附气体分子的截面积；M=粉末质量

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

测试方法：

分为容量法和质量法。

前者直接测量被吸附单分子气体的体积，而后者则称量吸附前后粉末质量的变化，得到吸附量，再转换成气体分子的体积。

5．2空气透过法（Airpermeability）：

测量空气流过一定厚度粉末床后压力的变化。

适合于微小粉末粒度和比表面的测定。

Fsss气体透过法测外比表面，测二次颗粒

§3粉末的工艺性能（Processingproperty）

1粉末松装密度（apparentdensity）与振实密度（taporpackingdensity）

松装密度（俗称松比）ρ

粉末在规定条件下自然填充容器时，单位体积内粉末质量。

取决于粉末的制备方法[粉末颗粒的形状（导致机械啮合和产生拱桥效应的机会）、颗粒的密度（自然填充的动力，固体的理论密度和内孔隙存在与否）及表面状态（粗糙程度，决定了颗粒之间的摩擦力）、粉末的粒度及其组成（→拱桥效应←粉末颗粒间的摩擦力+颗粒重力）]及粉末的干湿程度（液膜导致颗粒间粘附力）。

a、粒度：

粒度小，流动性差，松装密度小

b、颗粒形状：

形状复杂松装密度小

粉末形状影响松装密度，从大到小排列：

球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形

c、表面粗糙，摩擦阻力大，松装密度小

d、粒度分布：

细分比率增加，松装密度减小;粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉

e、粉末经过适当球磨和氧化之后，松装密度提高

f、粉末潮湿，松装密度提高

g．颗粒密度：

颗粒密度大，自动填充能力强，松装密度大

粉末振实密度（tapdensity）

在规定的条件下，粉末受敲打或振动填充规定容器时单位体积的粉末质量。

振动作用为颗粒间的相互填充创造条件（输入动力和减小颗粒间填充前的摩擦力）。

因而，其数值大于粉末的松比。

振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量的空隙，所占体积称为空隙体积。

空隙体积与粉末体的表观体积之比称为孔隙度θ；

.粉末体的孔隙度θ=孔隙体积/粉末表观体积=1-ρ/ρm（相对密度d）；

.相对体积β是相对密度的倒数1/d=ρm/ρ>1，且θ=1-1/β

ρ/ρ理比值称为粉末体的相对密度，用d表示，其倒数β＝1/d称为相对体积。

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。

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

θ＝0.259，最紧密的堆积

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；

2流动性（flowability,flowrate）：

50克粉末从标准漏斗流出所需的时间，以秒/50g表示。

一般来说，粉末的流动性与其松比成正比。

即粉末的松装密度愈高，其流动性愈好。

粉末的流动性反映颗粒间内摩擦力的大小。

在粉末压制过程中，流动性决定了粉末填充模腔的均匀性和自动压制可实现程度。

若粉末的流动性太差，需对粉末进行制粒处理。

影响因素:

颗粒间的摩擦

形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加

粒度组成，细粉增加，流动性下降

a、与颗粒密度和粉末松装密度有关：

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，相对密度的增大会使流动性提高;如sphericalAl粉，尽管相对密度较大，但由于颗粒密度小，流动性仍比较差;

b、同松装密度一样，与粉末体颗粒的性质