粉末冶金4

第四章烧结♫粉末冶金是一门研究制取各种粉末，并以粉末为原料，通过压制成形、烧结和必要的后续处理制成材料和制品的科学技术。♫又叫金属陶瓷法（生产工艺类似）。普通压制方法热压法其它压制方法(轧制)(等静压制)(高能或高速成形)(无压成形或重力烧结)(粉浆浇注)(挤压)烧结附加工序(熔浸)(复压或整形)(复压再烧结)(热锻、冷锻或二次成形)润滑剂金属粉末合金添加剂混合后续加工(热处理)(电镀)(磨加工)(机械加工)(浸油或浸塑料)(攻丝)(蒸汽处理)(滚磨)(钻孔)(焊接)烧结附加工序(二次轧制)(二次成形)(锻造)烧结机械零件烧结机械零件的基本制造工艺后处理4.1烧结的定义和分类烧结的重要性和必要性：烧结是粉末冶金生产过程中最基本和最重要的工序，对粉末冶金材料和制品的性能将起决定性作用。虽然粉末冶金生产过程一般看作是由粉末成形和烧结两道基本工序完成的，但是粉末松装烧结、粉末双金属板材等不一定需要成形工序，而烧结工序或者相当于烧结的高温工序（如热压或热锻）却是所有粉末冶金材料和制品生产中不可缺少的最重要工序之一。烧结的定义和分类烧结的实质：烧结就其实质而言，仍属于一种高温热加工处理过程。将粉末成形压坯在低于材料主要组分熔点温度以下进行高温处理，并在某个特定温度和气氛中发生一系列复杂的物理和化学的变化，把粉末压坯中粉末颗粒由机械啮合的聚集体变为原子晶体结合的聚结体，最终获得材料必要的物理和力学性能。烧结的定义和分类烧结的定义：所谓烧结，就是将粉末或粉末压坯在低于其主要组元熔点的温度(大约0.7～0.8T绝对熔点)下进行加热处理，借助于原子迁移实现颗粒间的联结以提高压坯强度和各种物理机械性能的工艺过程。烧结过程按照有无外加压力可以分为两大类：不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结，简称不加压烧结(pressurelesssintering)和加压烧结(appliedpressureorpressure-assistedsintering)。粉末体烧结类型不施加外压力施加外压力固相烧结液相烧结单相粉末多相粉末持续液相瞬时液相反应烧结活化烧结强化烧结液相热压反应热压反应热等静压超固相线烧结热压热锻热等静压典型烧结过程进行复合♫固相烧结是指整个烧结过程都是在固态下进行的。♫烧结体系按粉末原料的组成可以分成：由纯金属、化合物（如Al2O3，B4C等）或固溶体组成的单相系；由金属-金属、金属-非金属、金属-化合物组成的多相系。♫单元系烧结：纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物，在其熔点以下的温度进行的固相烧结过程。(属于固相烧结)♫由两种或两种以上组元构成的多元系烧结，分为两种类型：一种是烧结温度低于多元系中低熔点组元的熔点下进行的烧结，属于多元系固相烧结，如铁-石墨、Cu-Ni、Fe-Ni等烧结系统；另一种是烧结温度超过多元系中低熔点成分的熔点温度下进行的烧结，即在烧结中出现明显的液相成分，称其为多元系液相烧结。固相烧结多元系固相烧结：1.无限固溶系：在合金状态图中有无限固溶区的系统，如Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、Ag-Au、W-Mo等；2.有限固溶系：在合金状态图中有有限固溶区的系统，如Fe-C、Fe-Cu、W-Ni等；3.完全不互溶系：组元之间既不互相溶解又不形成化合物或其他中间相的系统，如Ag-W、Cu-W、Cu-C等所谓“假合金”。反应烧结与活化烧结♫固相多元系反应烧结(reactionsintering)，一般是以形成期望的化合物为目的的烧结。化合物可以是金属间化合物，也可以是陶瓷。烧结过程中粉末颗粒间发生的化学反应可以是吸热的，也可以是放热的。♫固相多元系活化烧结(activatedsintering)一般是二元系粉末体固相烧结。常常通过将微量第二相粉末(添加剂、活化剂或烧结助剂)加入到主相粉末中的方法，以达到降低主相粉末体的烧结温度、增加烧结速率或抑制晶粒长大、提高烧结体材料性能的目的。（多元系）液相烧结♫液相烧结：是指有液相和固体颗粒共同存在的一种烧结过程。液相烧结是二元系或多元系粉末体烧结过程。液相的出现是由不同化学性质组成的多元混合料，在烧结中发生多元组分中低熔点组元的熔化，或者多元混合料在烧结中出现低熔点共晶物的生成。得到的液相可能是短时间的(瞬时液相烧结)，也可能持续到烧结过程的完成直至进入冷却阶段(持续液相烧结)。加压烧结♫对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压，就形成了所谓的加压烧结。♫热压(hotpressing)是指将松散粉末置于限定形状的石墨模具中，在加热粉末体的同时对其施加单轴向压力的烧结过程。♫热等静压(hotisostaticpressing)是指对装于包套之中的松散粉末体加热的同时对其施加各向相同的等静压力的烧结过程。♫粉末热锻(powderhotforging)，又称烧结锻造，一般是先将压坯预烧结，然后再在适当的高温下进行锻造。粉末冶金烧结炉主要用于铜基，铁基粉末冶金制品，复合材料，双金属材料的烧结，亦可用于不锈钢粉末冶金制品热处理。烧结的重要性♫烧结在粉末冶金工艺中的重要性，在于粉末冶金材料只有通过烧结，才能获得所需要的物理和力学性能，才有应用价值。烧结过程是一个涉及到材料种类、密度、气氛条件、设备选型和控制等非常复杂的过程。烧结中材料内部发生的一系列物理化学变化，包括晶粒结构和相结构形成、孔隙度、孔隙形状等都要在烧结过程中完成。烧结故障造成的废品，往往不能在后续工艺中予以补救。而烧结前的某些欠缺，如粉末粒度和粒度组成的波动、黏结剂或润滑剂量和质的波动、混合料的均匀程度、压坯密度的不均匀和波动等，都将在烧结过程中十分敏感地凸显出来，并导致烧结制品质量波动甚至造成废品。烧结体粉末原料组成单相系（由纯金属、化合物或固溶体组成）多相系（由金属-金属、金属-非金属、金属-化合物组成）烧结过程单元系烧结（纯金属或固溶体在其熔点以下的温度进行的固相烧结过程。）多元系烧结（两种或者两种以上的组元构成的固相烧结或者液相烧结体系。）总结：4.2发生在烧结过程中的一些主要现象♫烧结工艺都是一个粉末体的热固结过程。在烧结的固结过程中，压坯内发生的变化，无论是宏观的还是微观的，都在很大程度上决定着最终制品的质量。♫发生在烧结过程中的一些主要现象有：1、烧结密度与尺寸的变化2、烧结体显微组织的变化3、力学性能特征1、烧结密度与尺寸的变化♫从宏观上看，烧结过程首先是烧结时压坯体积收缩，即烧结体各方向的几何尺寸减小。在研究粉末体的实际烧结过程中，烧结时压坯的尺寸变化，即压制的生坯和烧结好的零件之间的尺寸差别，是一个非常重要的参数。通常在平行和垂直于压制的两个方向上测量压坯和烧结零件的尺寸，来确定烧结收缩。且在垂直或平行于压制方向上的收缩是不等的，一般说，垂直方向的收缩较大，但是也有相反的情况，主要取决于颗粒形状。2、烧结体显微组织的变化♫单元系金属材料，例如铁，其显微组织系由晶粒网状组织组成的。单元系金属粉末压坯的显微组织也一样，只是其中还含有无数大小与形状不同的孔隙，可以认为孔隙是显微组织中的第二相。2、显微组织演变♫以生坯密度为6.5g/cm3的铁粉压坯为例，未经烧结的生压坯，其显微组织是压坯中每一颗粒周围都围绕以缝隙，可看到较大的不规则状孔隙。在烧结的压坯中仍然可以看到生坯中的大孔隙网络，但孔隙已圆化，即通过材料迁移已将原始孔隙的尖角部位填满。原来粉末颗粒周围的多孔性缝隙消失，即通过颗粒界的材料迁移，在颗粒之间形成了冶金结合，和经退火的锻轧钢铁材料一样，形成了由晶界分割的晶粒网络。2、显微组织演变♫②多元系金属粉末压坯的显微组织的变化，除了孔隙的变化外，还表现在所需要的相的形成和发展，诸如烧结硬化过程的情况，烧结钢中珠光体、贝氏体及马氏体的形成。3、力学性能特征♫烧结材料的力学性能需要注意的几个特征：♫①烧结材料的力学性能值比较分散，即使是在同一条件下制备的试样，每个试样的值的分散程度都比致密材料试样大。这在一定程度上，反映了烧结体内孔隙分布、成分分布、样品表面孔隙的不均匀性。♫②对于烧结材料而言，决定力学性能高低的主要因素是烧结体密度的高低，凡是对提高烧结体密度有利的因素，都能提高最终产品的力学性能。烧结体密度越高，力学性能越高，但只要烧结体密度达不到相应致密材料的理论密度，烧结体材料的力学性能就比相应致密材料的力学性能低。粉末压坯的三个烧结阶段♫粉末的等温烧结大致可以分为三个界限不十分明显的阶段：①开始阶段：烧结的初期，或称粘结阶段。颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，但是，烧结体的强度和导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显的增加。此阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。粉末压坯的三个烧结阶段②中间阶段：烧结颈长大阶段。原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动。而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。密度和强度增高是这个阶段的主要特征。这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。粉末压坯的三个烧结阶段③闭孔隙球化和缩小阶段：此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球化而且不断缩小。这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。此阶段可延续很长时间，但是仍有少量残留的隔离小孔隙不能被消除。♫在实际烧结过程中，粉末颗粒的粘结阶段和烧结颈形成，长大及孔隙收缩阶段往往互相联系、重叠交错，很难严格划分。4.4多元系固相烧结粉末冶金材料除了单一组元成分烧结外，大多数材料是由两种或两种以上固体材料混合成的多元系烧结。多元系烧结过程中不出现液相的称为多元系固相烧结。包括了成分间互溶的和不互溶的两类。成分互溶的又分为无限互溶的和有限互溶的两种情况多元系固相烧结要比单元系烧结复杂，除了同组元颗粒间发生粘结外，不同组分间还要发生扩散、溶解和合金均匀化过程。4.4多元系固相烧结使用金属粉末的混合物进行烧结，通常是为了实现其合金化。采用混合粉末来替代预合金粉末的优点是：(1)容易改变成分；(2)由于这类粉末具有低的强度、硬度以及加工硬化现象，所以容易进行压制成形；(3)有较高的压坯密度和强度；(4)可能形成均匀的显微组织；(5)有一些与烧结致密化相关的可能的优点。1、无限互溶的混合粉末烧结铜-镍、铜-钴、铜-金、钨-钼、铁-镍等都属于无限互溶的混合粉末。混合粉末烧结，在一定阶段发生体积增大现象，烧结收缩随时间的变化，主要取决于合金均匀化的程度。1、无限互溶的混合粉末烧结在混合粉末烧结时，可利用相图了解可能发生的相的反应。另外，对于给定的粉末颗粒大小来说，扩散的速率决定了混合粉末烧结时的均匀化速率。如图所示为相互无限溶解的二元系统模型。假定粉末的几何形状为球形。开始时，t0=0，浓度梯度呈台阶状。随着烧结时间的延长，浓度梯度逐渐减缓。最终，当t∞=∞时，达到一个常数值。通常，粉末颗粒较细，烧结温度较高，以及烧结时间较长，则混合粉末的均匀化程度较好。BC1、无限互溶的混合粉末烧结烧结过程中各工艺条件及粒度大小对合金化过程的影响。(6个方面)(1)烧结温度：是影响合金化的最重要的因素。由于合金化是靠组元原子的相互扩散来进行的，扩散系统随温度的升高而显著增加，因此，在烧结时间一定时，升高烧结温度，即显著提高合金化程度。(2)烧结时间：在相同温度下，烧结时间越长，扩散过程进行越充分，合金化过程越高，但不如烧结温度影响显著。1、无限互溶的混合粉末烧结(3)粉末粒度：合金化的速度随着粒度减小而增加。在其他条件相同时，减小粉末粒度意味着增加颗粒间的扩散界面，并且缩短扩散路程，从而增加单位时间内扩散原子的数量。(4)压坯密度：增加压制压力，将使粉末颗粒间接触面增大，扩散面增大，加快合金化过程，但作用并不显著。(5)粉末原料：采用一定数量的预合金粉末或复合粉末，同完全使用混合粉末比较，达到相同的均匀化过程所需时间将缩短。因为这时扩散路程缩短，并可减少要