第五章-烧结技术

2020/5/221程继贵[e-mail]材料科学与工程学院《粉末冶金原理》第五章烧结技术SinteringTechnology2020/5/222本章内容§5.1烧结工艺§5.2烧结气氛§5.3烧结炉§5.4特殊烧结技术和烧结新技术2020/5/223第一节烧结工艺烧结基本工艺过程：粉末压坯→装料（装炉、烧结前的准备）→烧结（预热、保温、冷却）→出炉→烧结体一、烧结前的准备（一）压坯的检查●目的：去除尺寸、单重不合格或有掉边、掉角、分层、裂纹等缺陷的压坯，减少烧结废品。●方法：抽检、肉眼观察、仪器检测。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/224(二)装炉（装舟及摆料）推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2251.装炉量影响生产率;压坯之间的接触影响烧结时的粘接和变形;装炉量受网带高温强度的限制。2.装炉方式指压坯摆放的松紧程度、舟中装料的深浅、压坯摆放的方向（横放、竖放）等。→影响烧结炉中的气氛流动、传热、烧结体的变形、表面状态等。→注意细长薄壁零件的装炉→某些情况下采用填料装舟或烧舟密封SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/226二、铁铜基粉末冶金零件烧结工艺简介（一）烧结工艺参数对铁基零件性能的影响烧结工艺参数：烧结温度、烧结时间、加热及冷却速度、烧结气氛等1.烧结温度铁基制品烧结温度的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力学性能）和用途（结构件、减摩件）等来确定。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2271050-1200oC加热烧结保温水冷时间，hr空冷温度℃SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/228序号烧结温度（±10℃）适用制品范围举例11050高碳（石墨2.5％以上）、低密度（＜6.0g/cm3）21080含油轴承、气门导管，石墨添加量1.5～2.5％的减摩零件31120铁基结构零件（Fe-C、Fe-Cu-C），石墨添加量＜1％时，一次烧结工艺4＞1150中高强度结构零件（石墨添加量＜1％，添加适量合金元素），或复压复烧工艺中的高温烧结铁基制品烧结温度范围SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2292.烧结时间●铁基制品烧结时间的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、单重、几何尺寸、壁厚、密度、装炉方式等；●烧结时间与烧结温度有关；●一般烧结时间1.5-3h。●在连续炉中，保温时间：t=L/l▪nt—保温时间（min）L—烧结带长度（cm）l—烧舟或石墨板长度（cm）n—推舟间隔（min/舟）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22103.升温及冷却速度●升温速度影响润滑剂等的挥发速度；●冷却速度影响制品的微观结构和性能→SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2211冷却方式铁铜制品中的含铜量（％）0248A13.1620.328.436.9B13.1618.929.834.5C11.615.320.123D12.518.520.121.7冷却方式对抗拉强度的影响（kgf/mm2）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2212（二）铜基粉末冶金零件烧结工艺简介粉末冶金Cu基制品青铜Cu-Sn6-6-3青铜90/10青铜黄铜Cu-Zn纯铜Cu镍银Cu-Ni-Zn烧结的主要特点：●不同材料烧结温度相差较大700-1000℃→●(焙烘）预氧化烧结的采用（部分）→●普遍采用网带式烧结炉SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2213烧结材料成分（％）烧结温度范围（℃）CuZnSnNiPb6-6-3青铜其余5～75～7－2～4750～83090Cu-10Sn青铜其余－9～11－－750～830纯铜100－－－－750～100070-30黄铜67～70其余－－－825～900Cu-Ni-Zn合金6520～21－14～15－940～1080几种铜合金的烧结温度范围SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2214焙烘的目的（常用于Cu、青铜）：●充分挥发并烧除硬脂酸锌润滑剂；●使粉末颗粒表面氧化，得到薄层氧化物，实现活化烧结，温度380-500℃，氧化物层厚＜500A。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2215三、烧结缺陷分析1.形状与尺寸缺陷：●变形与翘曲●尺寸超差2.分层与开裂3.鼓泡与麻点●鼓泡：圆滑凸起●麻点：黑麻点、白亮麻点4.过烧与欠烧●过烧：粘接、局部熔化●欠烧：未烧好SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22165.氧化与脱碳●氧化：多出现于烧结降温阶段●脱碳：氧化的另一种形式，多发生于高温烧结阶段6.金相组织缺陷●二次网状渗碳体缺陷●大块渗碳体聚集●连通孔隙缺陷SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2217第二节烧结气氛Sinteringatmosphere一、概述1.烧结气氛的作用控制烧结体与环境之间的化学反应……1）保护作用：减少环境对制品的影响，如防氧化、脱碳2）净化作用：及时带走烧结坯体中润滑剂和成形剂的分解产物等3）维持或改变烧结材料中的有用成分：活化气氛、渗碳气氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22182.烧结气氛的分类●氧化性气氛：如纯Ag或Ag-氧化物复合材料及氧化物陶瓷的烧结：空气●还原性气氛：含有H2或CO组份的烧结气氛：硬质合金烧结用氢气氛，铁基、铜基粉末冶金零件的含氢气氛（氨分解气）●惰性或中性气氛：Ar、He、N2、真空●渗碳气氛：含有较高的导致烧结体渗碳的组元，如CO，CH4，碳氢化合物气体●氮基气氛：含氮量很高的烧结气氛：10%H2+N2SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22193.烧结气氛的选用原则●保持烧结体成分基本不变（特殊除外）；●一定的还原性（许多情况下需要）；●腐蚀性小；●对人无害，生产、使用安全●成本—来源、制取工艺气氛种类应用所占比例应用举例吸热型气体70％碳钢分解氨气体20％不锈钢、碳钢放热型气体5％铜基材料H2、N2、真空5％铝基材料及其它国外粉末冶金工业用烧结气氛举例SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2220不同烧结气氛的成本比较：以电解氢的成本为参考：H2：1.0；氮基（nitrogen-based）气氛：0.6；分解氨（dissociatedammonia）：0.4；吸热性气氛(endothermalgas)：0.2；放热性气氛(exothermalgas)：0.1；真空(vaccum)：昂贵（设备投资大）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2221二、吸热型气氛和放热型气氛●转化气的概念：以碳氢化合物气体（天然气、石油气、焦炉煤气）为原料，采用空气或水蒸气在高温下进行反应，而得到的以H2、CO、CO2、N2为主，并含有少量CH4和H2O的混合气体。由天然气转化——称为转化天然气……由煤气转化——？SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2222●放热型气体：制备转化气时，原料气体与空气按一定比例通过转化器，若空气与原料气体比例较高，反应过程中放出的热量足够维持转化器的反应温度，不需外部向反应器供热，由此得到的转化气。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2223●吸热型气体：制备转化气时，若空气与原料气体比例较低，反应过程中放出的热量不足以维持转化器的反应温度，需外部向反应器供热，由此得到的转化气称……SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2224铁制品烧结用转化气体标准成分及应用▲吸热、放热型气体比较●放热型气氛制备时空气比例较高，燃料气完全燃烧，而吸热型气氛制备时空气比例较低，燃料气不完全燃烧；●放热型气氛中CO2含量较高，而吸热型气氛中中可能有少量未燃烧的燃料（CH4）；●吸热、放热型气体的标准成分！表5-14气体标准成分应用举例吸热型40H2，20％CO，1％CH4，39％N2Fe-C，Fe-Cu-C等高强度零件；爆炸性极强放热型8％H2，6％CO，6％CO2，80％N2纯铁，Fe-Cu烧结零件；有爆炸性SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2225三、铁基制品无氧化无脱碳烧结控制原理1.无氧化烧结控制原理在含有H2/H2O、CO/CO2气氛中：1、2两线分别为CO和H2还原FeO平衡时的气相平衡组成与温度关系，线左还原，线右氧化。1:FeO+CO=Fe+CO22:FeO+H2=Fe+H2O①区:1、2向右；②区:1、2向左；③区：1左2右；④区：1右2左①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2226●要无氧化烧结，应在①区；●＞800℃H2还原区域更大；●随温度升高，欲保持CO/CO2气氛的还原性，需降低CO2%●CO和H2的还原能力随温度变化规律相反。①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22272.无脱碳烧结控制原理在CH4/H2和CO/CO2气氛中：1）图中两线分别为在CO2/CO气氛和CH4/H2气氛中Fe与C反应平衡时气相平衡组成与温度关系1:Fe+2CO=（Fe，C）+CO22:Fe+CH4=（Fe，C）+2H212SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/22282）CO2/CO中，T↑，发生脱碳的CO2平衡浓度很低，说明高温在CO2/CO中易脱碳；T＜700℃，脱碳趋势降低；3）CH4/H2气氛中，通常烧结温度下，气氛中少量CH4（＞1%）的存在，可能导致渗碳；4）一般转化气中，脱碳、渗碳还与气氛露点有关。→气氛碳势控制12SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2229四、可控碳势气氛和气氛碳势控制原理●气氛碳势：气氛的相对含碳量，相当于一定温度下气氛与一定含碳量的烧结材料达到反应平衡时（不渗碳、不脱碳），该材料中的碳含量。●可控碳势气氛：为控制或调整烧结钢的含碳量，而向烧结体系中引入的经过制备的气体介质的总称。（一）气氛碳势和可控碳势气氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2230●可控碳势气氛的分类▲吸热型气氛▲放热型气氛▲分解氨气氛→▲H2气氛▲N2基气氛▲真空气氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2231SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/5/2232（二）气氛碳势控制原理关键是控制气氛中CO2、H2O的量▲H2O量的控制—露点露点：在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结成雾的温度，气氛中含水量愈多，露点愈高。露点可采用露点仪测量：利用LiCl的吸水导电性测量▲CO2的量的控制—红外吸收分析仪测