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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,(,pressureless,sintering),和,加压烧结,(applied pressure or pressure-assisted sintering),。,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,Al,2,O,3,，,B,4,C,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,：,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；,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；,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,(reaction sintering),，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,(activated sintering),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,(hot pressing),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,(hot,isostatic,pressing),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,(powder hot forging),，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/cm,3,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,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：,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。,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：,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,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,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，,t,0,=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。,1,、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，并可减少要迁移的原子数量。,(6),杂质,：,Si,、,Mn,等杂质会阻碍合金化。因为存在于粉末表面或在烧结过程中形成的,MnO,、,SiO,2,杂质阻碍颗粒间的扩散进行。,2,、有限互溶的混合粉末烧结,有限互溶混合粉末的烧结合金有铁,-,碳、铁,-,铜、钨,-,镍、银,-,镍等。这类合金烧结后得到的是,多相合金,。,在有限互溶系统中，,铁,-,石墨系统,广泛被用来作为减摩材料和结构材料。石墨加入铁粉中既可作为惰性添加剂，又可做为反应组元。由于石墨夹杂在铁粉中能起隔离作用，所以烧结时的收缩就有一些降低。,有限互溶体系的收缩过程，与,合金元素含量有关,，而且还有与中间金属物的化合相的形成有关的反常现象。,2,、有限互溶的混合粉末烧结,有限互溶体系的烧结性能与许多因素有关：在有限固溶体区域中，均匀化的完善程度；试样的孔隙；异相间接触与同相间接触的完善程度；未溶组元的形状和数量。分析这些因素对烧结体性能的影响是相当困难的。 异扩散的作用可以促使有限互溶区内浓度的均匀化，这在大多数情况下是所希望的。收缩过程还与颗粒间的接触状态以及颗粒间接触区的变形有关。接触区的变形与单相烧结的情况一样，具有扩散的特征。,3,、互不溶解的混合粉末烧结,系统中组元的熔点相差极大时，常存在组元间互不溶解的情况。互不溶解的混合粉末烧结几乎包括了用粉末冶金方法制取的一切典型的复合材料，例如金属,-,金属、金属,-,非金属、金属,-,氧化物以及金属,-,化合物等。,互不溶解的两种粉末混合后，能否进行烧结的条件是：,AB,|,A,-,B,|,，则在颗粒,A,和,B,之间形成烧结颈，并且颗粒间的接触表面有一些凸出，凸出的方向朝向表面能低的组元；,若,AB,|,A,-,B,|,，则烧结过程要分两阶段进行。首先是一种组元通过表面扩散来包围另一种组元，而后就与单相烧结一样烧结。,互不溶解混合粉末的烧结温度由粘结相的熔点决定。如果是固相烧结，则烧结温度不能超过粘结相的熔点；如果该成分的体积不超过,50%,，也可以采用液相烧结。,3,、互不溶解的混合粉末烧结,在互不溶解的系统内，不同成分颗粒之间的结合界面，对材料的烧结性以及烧结体的强度影响很大。固相烧结时，颗粒表面上微量的其他物质生成的液相，或添加少量元素加速颗粒表面原子的扩散，以及表面氧化膜对异类粉末的反应等都可能提高原子的活性，加速烧结过程。例如：铬,-,氧化铝材料，氧化铬的化学吸附能使铬颗粒表面生成一层氧化铬，而氧化铬与氧化铝有着相同的晶型，因此大大地降低了相界面能。铬,-,氧化铝的烧结是在添加氧的气氛中进行的。同时，还可利用添加氧化铬来提高烧结时的收缩。,4.5,混合粉末的,液相烧结,和熔浸,在液相烧结中，液相的出现可以提供快速的物质迁移，因此可以加速烧结。,液相必须围绕固相形成薄膜，所以，,首先液相必须对固相有,润湿性,；,其次固相必须在液相中有,一定的溶解度,，且溶解在液相中的固相原子应有较,高的迁移速度,，足以保证快速的烧结；,再次液相薄膜的形成应该,有利于表面张力的活动,，以增加烧结过程的致密化和孔隙的消失。,铜,-,钴，钨,-,铜，钨,-,镍,-,铁，钨,-,银，铜,-,锡，铁,-,铜，碳化钨,-,钴，铜,-,磷等,4.5,混合粉末的液相烧结和熔浸,1,、液相烧结的条件,2,、液相烧结的基本过程,3,、液相烧结时的致密化和颗粒长大,4,、熔浸,1,、液相烧结的条件,(1),润湿性,(2),溶解度,(3),液相数量,2,、液相烧结的基本过程,液相烧结大致可以分为三个不十分明显的阶段。实际上，任何一个系统，这三个阶段都是相互重叠的。,(1),生成液相和颗粒重新分布阶段,(2),溶解和析出阶段,(3),固相的粘结或形成刚性骨架阶段,3,、液相烧结时的致密化和颗粒长大,影响致密化的因素有：液相数量。液相对固相的润湿性、各个界面的界面能。固相颗粒大小、固相与液相间的相互溶解度以及压坯密度等。,在液相烧结时，固相颗粒长大一般可以通过两个过程进行：,(1),细小的颗粒溶解在液相中，而后通过液相扩散在粗大颗粒的表面上沉淀析出；,(2),通过颗粒中晶界的移动来进行颗粒的聚集长大以及通过溶解析出的过程来改变粉末颗粒的外形。,4,、熔浸,将粉末压坯与液体金属接触或浸埋在液体金属内，让坯块内孔隙为金属液填充，冷却下来就得到致密材料或零件,，这种工艺称为,熔浸或熔渗,。,熔浸过程依靠金属液润湿粉末多孔体，在毛细管力作用下，沿着颗粒间孔隙或颗粒内孔隙流动，直到完全充填空袭为止。因此，其本质为液相烧结的一种特殊情形。,熔浸的致密化主要靠易熔成分从外面来填满压坯中的空隙，而不是靠压坯本身的收缩。,熔浸零件基本上不发生收缩，烧结时间也短。,熔浸需要具备的基本条件,熔浸主要应用于生产电接触材料、机械零件以及金属陶瓷材料和复合材料。,熔浸所必需具备的基本条件：,(1),骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大，不致造成零件变形；,(2),熔浸金属应能很好润湿骨架材料，即,90,；,(3),骨架与熔浸金属之间不发生互溶或溶解度不大，以避免在熔浸过程中产生新相而致液相消失；,(4),熔浸金属的量应以填满压坯中的空隙为限度，过多或过少均为不利。,影响熔浸过程的因素,影响熔浸过程的因素：,(1),金属液的表面张力,越大，对熔浸越有利；,(2),连通孔径的半径大对熔浸有利；,(3),液体金属对骨架的润湿角影响熔浸过程极为显著；,(4),提高熔浸温度使液体粘度降低，对熔浸有利，但由于同时降低了表面张力,，所以温度不宜选择太高；,(5),用合金替代金属进行熔浸，有时可以降低熔浸温度和减少对骨架材料的溶解；,(6),在氢气，特别在真空中熔浸可改善润湿性，并减少孔隙内气体对熔浸金属流动的阻力。,4.6,强化烧结,强化烧结的目的是提高烧结过程中的致密化，使得烧结材料与铸锻材料的性能具有可比性。,1,、活化烧结,2,、电火花烧结,3,、相稳定化,1,、活化烧结,活化烧结：利用化学或物理的措施，使烧结温度降低，烧结过程加快，或使烧结体密度和其它性能得到提高的方法。,活化烧结可以分为两种基本类型：,依靠外界因素活化烧结过程，包括在气氛中添加活化剂、向烧结填料中添加强化还原剂,(,如氢化物,),、周期性地改变烧结温度、施加外应力等；,提高粉末的活性，使烧结过程活化，例如，使粉末压坯的表面预氧化，使粉末颗粒产生较多的晶体缺陷或不稳定结构、添加活化元素以及烧结时形成少量液相等。,(1),预氧化烧结,预氧化还原反应：在烧结过程中，还原一定量的氧化物对金属的烧结具有良好的作用。少量氧化物的这种活化作用是由于在烧结过程中表面氧化物薄膜被还原，在颗粒表面层内出现了大量的活化原子，因而明显降低了烧结时原子迁移的活化能。,采用湿氢可有效的降低钼的烧结温度。,粉末中有烧结时很难还原的氧化物，则在烧结过程中只有当氧化物薄膜溶解于金属中或升华、聚结，破坏了使颗粒间彼此隔离的氧化物薄膜后，烧结才有可能进行。,(2),添加少量合金元素,少量合金元素的加入可以促使烧结体的收缩，进而改善烧结体的性能。,在添加少量镍或钴来活化烧结过程时，不能采用机械混合的方法，因为机械混合不能在基体金属粉末颗粒表面形成活化层。,添加合金元素的活化机理：大多认为体积扩散是主要的。当基体金属表面上覆盖一层扩散系数较大的其它金属薄膜时，由于金属原子主要是由薄膜扩散到基体金属颗粒中去，因而在颗粒表面形成了大量的空位和微孔。其结果是有助于扩散、粘性流动等物质迁移过程的进行，强化了烧结过程，使收缩大大提高。,(3),在气氛或填料中添加活性剂,烧结气氛中通入卤化物蒸气，大多为氯化物，其次为氟化物促进烧结过程。,烧结气氛中加入氯化氢的方法有：在烧结炉中直接通入氯化氢；在烧结填料中加入氯化铵，当氯化铵分解时就生成氯化氢。,这种活化烧结的缺点：气氛具有腐蚀性。当卤化物的含量过高时。不但烧结体表面会被腐蚀，而且烧结炉炉体也会遭到腐蚀。为了尽可能的把烧结体孔隙中的卤化物清洗掉，在烧结终了时，还必须通入强烈的氢气流。,活化烧结的物理方法：超声波，机械振动，磁场，温度的周期性改变以及施加外应力等。,2,、电火花烧结,概念：也叫电活化压力烧结，利用粉末间火花放电所产生的高温，并且同时受外应力作用的一种特殊烧结方法。,电火花烧结的原理：通过一对电极板和上下模冲向膜腔内的粉末直接通入高频或中频交流或直流叠加电流。加热粉末是靠火花放电产生的热和通过粉末与模具的电流。粉末在高温下处于塑性状态，通过模冲加压进行烧结。由于高频电流通过粉末形成的机械脉冲波的作用，致密化过程在极短时间内即可完成。,火花放电主要发生在烧结初期。此时，预加负荷很小，达到一定温度后控制输入的电功率并增大压力，直至完全致密化。,3,、相稳定化,材料的体积扩散能力取决于温度、晶体构造以及缺陷形态等因素。,例如，铁在,910,时，体心立方相的铁素体比面心立方相的奥氏体体积扩散能力要高,330,倍。这种体心立方相的稳定性为人们提供了一种加速烧结的途径。例如，钼、磷和硅可以稳定上述铁素体。添加硅对铁的影响表现在减小压坯密度而提高烧结密度。通常，烧结体的致密程度是随烧结温度下铁素体稳定化的程度提高而增加的。由于铁素体的稳定化而引起致密化的增高，可能是由于中间相界为一个良好的空位阱之故。,另外，镍对铁的奥氏体起相稳定化作用。与镍在烧结体中的分布相关，镍降低了铁的烧结过程的致密化。然而，镍作为在铁粉表面的涂层元素可以有助于烧结。后面的一种作用可能是由于借助扩散引起的均匀化而在相界面产生空位的结果。在这种类形的混合相烧结中，主要的作用是体积扩散过程。,4.7,全致密工艺,致密化被认为是改变粉末冶金制品和材料的关键。全致密工艺是将压力和温度同时并用，以达到消除孔隙的目的。,1,、热压,2,、热等静压,3,、热挤,4,、热锻,5,、喷雾沉积,6,、大气压固结,1,、热压,热压就是将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到熔点以下，使之加速烧结成比较均匀致密的制品。因此，热压就是把压制成形和烧结同时进行的一种工艺方法。在制取难熔金属（如钨、钼、钽、铌等）或难熔化合物（如硼化物、碳化物、氮化物、硅化物）等致密制品时，一般都可以采用热压工艺。这些材料的熔点很高，在高温下会分解或形成其它化合物，因此用熔炼的方法不易制取。而使用一般的压制成形后烧结的方法也很难得到完全致密的制品。,影响热压的因素,热压效果受时间、粉末粒度、热压温度等因素的影响。热压过程中压坯密度随着热压时间的延长而不断增加，但是当时间相当长时，继续延长热压时间，密度并不增加。为了使最终制品中的孔隙度小，原始粉末粒度应该要小些。当原始粉末粒度过大时，往往得到较低的密度，烧结速度也随粉末粒度的增大而下降。压坯密度一般随热压温度的升高而连续增大。但是，如果随着温度的升高，发生晶粒的快速长大，则就有可能使压坯密度下降。因为晶粒快速长大，会使孔隙在致密化过程的早期就成为粗大的晶内孔隙，因而停止了这些孔隙的收缩。,热压的致密化过程,热压的致密化过程大致有三个连续的阶段：,（,1,）快速致密化阶段,-,又称微流动阶段，即在热压烧结初期发生相对滑动、破碎和塑性变形，类似于冷压成形时的颗粒重排。此时的致密化速度较高，主要取决于粉末的粒度、颗粒形状和材料的断裂强度与屈服强度。,（,2,）致密化减速阶段,-,以塑性流动为主要机构，类似于烧结后期的闭孔收缩阶段。,（,3,）趋近终极密度阶段,-,受扩散控制的蠕变为主要机构，此时的晶粒长大使致密化速度大大降低，达到终极密度后，致密化过程结束。,4.8,烧结气氛,1,、气氛的作用和分类,烧结气氛对于保证烧结的顺利进行和产品质量十分重要，其作用是控制压坯与环境之间的化学反应和清除润滑剂的分解产物，具体说有三个方面：,(1),防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应，如氧化、脱碳等，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定；,(2),排除有害杂质，如吸附气体，表面氧化物或内部夹杂；,(3),维持或改变烧结材料中的有用成分，这些成分常常能与烧结金属生成合金或活化烧结过程，例如烧结钢的碳控制、渗氮和预氧化烧结等。,1,、气氛的作用和分类,烧结气氛按其功用可分成五种基本类型：,(1),氧化气氛：包括纯氧、空气、水蒸气。可用于贵金属的烧结，氧化物弥散化材料的内氧化烧结、铁和铜基零件的预氧化烧结；,(2),还原气氛：如纯氢、分解氨、煤气、碳氢化合物的转化气；,(3),惰性或中性气体：包括活性金属、高纯金属烧结用的,N,2,、,Ar,、,He,以及真空。,CO,2,或水蒸气对铜合金的烧结也属于中性气氛；,(4),渗碳气氛：,CO,、,CH4,以及其它碳氢化合物气体对于烧结铁或低碳钢是渗透性的；,(5),氮化气氛：用于烧结不锈钢及其它含铬钢的,N,2,和,NH,3,。,目前工业用烧结气氛主要有：氢气、分解氨气、吸热或放热型气体以及真空。,2,、还原性气氛,烧结时最常采用含有,H,2,、,CO,成分的还原性或保护性气体，它们对大多数金属在高温下均有还原性。,气氛的还原能力由金属的氧化,-,还原反应的热力学决定。,当用纯氢时，其还原平衡反应为：,Me+H,2,Me+H,2,O,，,平衡常数：,当采用,CO,时，其还原平衡反应为：,MeO+COMe+CO,2,，,平衡常数,:,在指定的烧结温度下，上述两个反应的平衡常数都为定值，即有一定的分压比。只有气氛中分压比的值低于平衡常数规定的临界分压比，还原反应就能进行，高于临界分压比，则金属被氧化。,3,、 吸热型与放热型气氛,碳氢化物,(,甲烷、丙烷等,),是天然气的最主要成分，也是焦炉煤气、石油气的组成成分。以这些气体为原料，采用空气和水蒸气在高温下进行转化,(,实际上为部分燃烧,),，从而得到一种混合气称为,转化气,。,对用空气转化而且,空气与煤气的比例较高,(,空气与甲烷按,5.5,10,的比例混合,),时，转化过程中反应放出的热量足够维持转化器的反应温度，转化效率较高，这样得到的混合气体称,放热型气体,。,如果,空气与煤气的比例较小,(,混合比例为,2,4,时,),，转化过程的热量不足以维持反应所需的温度而要从外部加热转化器，则得到,吸热型气体,。,3,、吸热型与放热型气氛,气 体,标 准 成 分,应 用 举 例,吸 热 型,40%H,2,，,20%CO,，,1%CH,4,，,39%N,2,Fe-C,，,Fe-Cu,等高强度零件爆炸性极法,放 热 型,80%H,2,，,6%CO,，,6%CO,2,，,8%N,2,纯铁、,Fe-Cu,烧结零件，有爆炸性,3,、吸热型与放热型气氛,吸热型气体具有强的还原性。其露点和碳势都可加以控制。对露点可以通过调节空气与甲烷的混合比例来控制。对碳势可以通过调节其中的,CO,2,，,H,2,O,和,CH,4,中的任一成分来控制。,所谓,露点,(dew point),：是指气体中的水份从未饱和水蒸气变成饱和水蒸气的温度，当未饱和水蒸气变成饱和水蒸气时，有极细的露珠出现，出现露珠时的温度叫做“露点”，它表示气体中的含水量，一般露点越低，表示气体中的含水量越少，气体越干躁。,所谓,气氛的碳势：,是指气氛与含碳量一定的烧结材料在某种温度下维持平衡,(,不渗碳也不脱碳,),时，该材料的含碳量。,4,、真空烧结,真空烧结实际上是低压,(,减压,),烧结，真空愈高，愈接近中性气氛，愈与材料不发生任何化学反应。真空度通常为,10,-1,10,-5,毫米汞柱。它主要用于活性和难熔金属,Be,、,Th,、,Zr,、,Ta,、,Nb,等金属以及硬质合金，磁性材料与不锈钢等的烧结。,4,、真空烧结,真空烧结的主要优点,：,(1),减少气氛中有害成分,(H,2,O,、,O,2,、,N,2,),对产品的脏化；,(2),真空是最理想的惰性气体，当不宜用其他还原性或惰性气体时,(,如活性金属的烧结,),，或者对容易出现脱碳、渗碳的材料，均可采用真空烧结；,(3),真空可改善液相烧结的润湿性，有利于收缩和改善合金的组织；,(4),真空有利于,Si,、,Al,、,Mg,、,Ca,等杂质或其氧化物的排除，起到提纯材料的作用；,(5),真空有利于排除吸附气体,(,孔隙中残留气体以及反应气体产物,),，对促进烧结后期的收缩作用明显。,4,、真空烧结,但是，真空下的液相烧结，粘结金属易挥发损失。这不仅改变和影响合金的最终成分和组织，而且对烧结过程本身也起阻碍作用。,另外，真空烧结含碳材料时也会发生脱碳，这主要发生在升温阶段，一般是采用石墨粒填料做保护，或者调节真空泵的抽空量。,真空烧结和气体保护气氛烧结的工艺没有根本区别，只是烧结温度低一些，一般可降低,100,150,，这对于提高炉子寿命，降低电能消耗以及减少晶粒长大均是有利的。,4.9,粉末冶金制品的烧结后处理,1,、精整和复压,精整：烧结后的粉末冶金制品，在模具中再压一次，以获得需要的尺寸公差和提高表面光洁度的工艺。,以获得特定的表面形状和适当改善密度的工艺叫精压。,主要为提高制品密度，以提高强度的工艺叫复压。,精整是使制品表面层产生少许的塑性变形,(,伴随有弹性变形,),来实现的。一般外径的精整余量为,0.03,0.10,毫米，内孔的精整余量为,0.01,0.05,毫米，长度方向为,0.05,1,毫米。精整所需压力一般为成形压力的,1/3,1/2,。,2,、粉末冶金的切削加工,补充切削加工，垂直压制方向的沟槽、孔等。,1,、粉末冶金制品虽然其硬度、抗拉强度等力学性能比化学成分相同的致密金属低，但是在切削加工时，刀尖经常处于断裂切削状态，切屑呈细碎状，刀具尖部在切削时，还受到轻微冲击。,2,、切削粉末冶金制品的切削刀具寿命比切削一般金属材料时低。因为粉末冶金制品导热率低，使切削时产生的热量贮积于切削带。,3,、对粉末冶金制品的切削，建议最好采用硬质合金刀具。而且刀具的切削刃必须锋利。如切削刃钝，将造成过大的摩擦和表面撕裂、切削面毛糙。,3,、粉末冶金制品的热处理,1,、不同孔隙度的粉末冶金制品经过热处理后，其机械性能是不同的。,2,、粉末冶金制品中的孔隙，可以使加热介质及冷却介质进入，并同孔隙表面发生作用。,3,、孔隙降低烧结材料的导热性，因而会降低粉末冶金制品内部被加热和冷却的速度，影响制品的淬透性。,4,、粉末冶金制品孔隙的存在，在热处理过程中易发生氧化和脱碳现象，因此在加热和加热后移至淬火液的整个操作中，一般要用保护气氛或固体填料。,3,、粉末冶金制品的热处理,5,、粉末冶金制品中的孔隙，有时会起着缺口的作用，因此，孔隙也可能促使出现淬火裂纹。,6.,粉末冶金制品的密度不均匀性，使的其在热处理冷却时产生热应力和组织应力，而引起制品尺寸等变形现象。,7,、粉末冶金制品的热处理也是通过固态下的组织转变来改变性能的。,作业：,1,、阐述发生在烧结过程中的一些主要现象。,
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