1.金屬粉末燒結定義、過程及分類CONTENTS目

錄01燒結定義02燒結過程03燒結分類課程導入01粉末燒結是系統自由能降低的過程，當粉末處于較高能量狀態時，燒結體便會自動燒結，形成能量狀態低的燒結材料。02燒結是一種高溫熱處理，涉及燒結爐、燒結氣氛、燒結條件的選擇和控制，因此燒結工序非常關鍵，必須全面了解和把握燒結的基本原理、燒結工藝(如材料、溫度、時間、燒結氣氛、環境等)、燒結氣氛的作用以及影響燒結產品質量的因素等方面的知識。03同時，燒結又是能源消耗大、設備投資高、產品質量特性不能充分測定的特殊工序，所以它是影響粉末冶金零件質量和成本最重要的環節之一。PART01燒結定義燒結定義顆粒界面(a)壓坯狀態晶界面(b)燒結狀態燒結圖1燒結結合狀態轉變示意圖目的是使粉末顆粒間產生冶金結合，即使粉末顆粒之間由機械嚙合轉變成原子之間的晶界結合。燒結是將粉末或壓坯在低于主要組分熔點的溫度下進行的熱處理。燒結定義燒結目的燒結定義由圖l(a)可知，壓坯只是粉末顆粒界面接觸的混合體，而非真正意義上原子結合的材料。壓坯雖然有了機械零件的外形和尺寸,但是它的強度非常低，無法滿足使用的要求,必須通過燒結,使壓坯成為冶金意義上的材料,賦予粉末冶金零件所需要的力學性能和物理性能。顆粒界面(a)壓坯狀態圖1燒結結合狀態轉變示意圖PART02燒結過程燒結過程燒結過程彼此間并無明顯的界限，而是穿插進行，互相重疊，互相影響，加之其他一些燒結條件，使整個燒結過程變得很復雜。圖2燒結過程示意圖燒結過程圖2(a)是燒結前壓坯中粉末的接觸狀態,從圖2(a)可了解到，這種結合只是機械結合，粉末顆粒的界面仍然可以區分并可以分離。隨著燒結的進行，結合面增加，直至顆粒界面完全轉變成晶界面，最后成為圖2(c)所示的狀態。圖2(b)是燒結時的狀態，這時粉末顆粒接觸點的結合狀態發生了轉變，即如圖l(b)所示的冶金結合,顆粒界面為晶界面所取代。圖2燒結過程示意圖燒結過程從粉末顆粒的燒結過程，還可以觀察到，顆粒之間的孔隙由不規則的形狀轉變成球形的孔隙。燒結頸的形成燒結頸的長大孔隙球化階段燒結燒結過程燒結頸形成（1）燒結頸的形成燒結頸燒結的開始，在粉末顆粒接觸點形成結合點，這種兩顆粒之間的連接點通常稱為燒結頸。燒結過程隨著燒結的進行，燒結頸由點向面發展即發生了燒結頸的長大，所以稱為燒結頸長大階段。燒結頸的長大使兩個顆粒合并成一個顆粒，顆粒界面成為晶界面。燒結頸部（2）燒結頸的長大燒結頸的長大晶界遷移形成晶粒的組織結構燒結過程（3）孔隙球化階段燒結后期或者說顆粒之間的燒結完成之后，繼續保溫將會發生孔隙的球化，隔離的孔隙在最小表面能的驅動下將會自發地發生球化。這時如果燒結時間過長則會發生晶粒的粗化,相反會給力學性能帶來不利的影響。這一階段密度變化不大，但由于孔隙的球化，力學性能得到進一步改善。PART03燒結分類

燒結分類

單相系多相系單元系燒結多元系燒結按粉末原料的組成分按燒結過程分2.金屬粉末燒結要求、設備CONTENTS目

錄01燒結要求02燒結設備03燒結設備結構PART01燒結要求燒結要求粉末冶金材料要達到設計和使用要求，燒結是關鍵工藝，燒結材料有如下要求：尺寸和形狀的精度要求力學性能和物理性能的要求密度的要求組織結構的要求燒結要求1.1尺寸和形狀的精度要求PART01燒結材料的尺寸、形狀精度包括表面粗糙度要滿足設計的要求。PART03這就需要嚴格地控制燒結條件,才能保證燒結材料的尺寸和形狀精度要求。PART02燒結會使燒結體發生收縮或膨脹,并且由于壓坯密度分布不均勻以及爐子溫度的不均勻,燒結體還會發生變形,因此通過燒結,燒結材料的尺寸和形狀會發生變化。燒結要求1.2密度的要求密度的要求相對密度和孔隙度表征粉未冶金材料密度的高低,作為自潤滑的粉末冶金含油軸承還有連通孔隙的要求。在燒結中,由于發生了粉末顆粒之間的燒結以及燒結材料的收縮或膨脹,因此燒結材料的密度、孔隙度和孔隙連通狀態會發生變化。燒結要求1.3組織結構的要求粉末冶金材料與其他材料一樣,其性能取決于組織結構。組織結構的要求表征粉末冶金材料的組織結構因子有:晶粒度、相結構、相的分布、合金成分的分布以及孔隙度、孔隙大小和孔隙形狀。粉末冶金材料組織結構的形成和變化主要發生在燒結過程中。燒結要求1.4力學性能和物理性能的要求最終的燒結材料要達到所需要的力學性能和物理性能。包括強度、硬度伸長率和沖擊韌性等;力學性能包括密度、導電性、導熱性和磁性等。物理性能PART02燒結設備燒結設備電熱爐(包括電阻爐和感應電爐)燃料加熱爐(包括固體燃料爐、液體燃料爐和氣體燃料爐)按加熱源分燒結爐連續作業爐間歇式(也稱周期式)作業爐按爐子作業分管狀爐箱式馬弗爐鐘罩爐隧道窯爐按爐腔形式低溫爐(1000℃以下)中溫爐(1000-1600℃)高溫爐(高于1600℃以上，以石墨作為發熱元件或以高頻加熱，如果在2500以上可以用鎢絲加熱）按爐子溫度分PART03燒結設備結構燒結設備結構水冷系統爐體部分電加熱元件爐膛部分燒結爐燒結設備結構3.1爐膛部分爐膛一般指爐子中間用耐火材料所砌的內腔部分。爐膛的大小、形狀是根據產品的尺寸、產量及溫度分布均勻等主要因素決定的。爐膛的斷面形狀常為圓形、半圓形、長方形等。在生產小型產品、產量較小時,一般用圓形或半圓形。產量大、溫度低的多為方形或長方形。爐膛截面尺寸不宜太寬太高，爐膛內溫度分布要均勻。燒結設備結構3.2水冷系統

水套冷卻段設在爐體的出料端,產品經此冷卻后出爐。01冷卻段一般用5～6mm厚的普通鋼板焊成,在它上面再焊上水套,水套也用5～6mm厚的普通鋼板焊成。02生產批量大時,水套長度取高溫帶的3~6倍,夾套厚度在25～30mm。03進水管安裝在水套的下面出水管安裝在水套的上面,以保證冷卻水充滿水套。04通入水套的水量由產品從高溫帶所帶出的熱量決定。05燒結設備結構3.3爐體部分爐體的筑砌部分,有耐火層和隔熱保溫層,主要起耐火和保溫作用。耐火材料是筑砌爐體的主要材料,應具有如下性能:足夠的耐火度;足夠的機械強度:在高溫下有良好的絕緣性能;耐冷熱沖擊性能好。燒結設備結構3.3爐體部分一般粉末冶金爐使用普通耐火磚和高鍛磚,中間爐膛材料多用氧化鋁或碳化硅材料。磚縫應盡量小,防止熱損失或有害氣體逐出,腐蝕加熱元件?；铱p泥漿是以磨細的干耐火土粉15%～30%,熟耐火土粉70%～85%,使用水調和成糊狀。筑砌時還需留熱膨脹縫以補償材料熱膨脹。燒結設備結構3.4電加熱元件常用的電加熱元件材料有純金屬、合金材料、非金屬等。電熱體的選擇與使用壽命、能耗和爐子的成本有直接關系。一般加工成絲、帶棒、管等不同形狀的加熱元件。3.固相燒結、液相燒結及強化燒結CONTENTS目

錄01固相燒結

02液相燒結03強化燒結PART01固相燒結

固相燒結

固相燒結按其組元可分為單元系固相燒結和多元系固相燒結兩類。1.1單元系固相燒結單元系固相燒結是指單一成分粉末或者單一成分粉末壓坯的燒結。固定成分的化合物粉末，如WC、MnSi2、Al2O3等。純金屬粉末,如純鐵、純銅、純鉬粉等；合金粉末，如不銹鋼粉、青銅粉、黃銅粉等；020103所謂單一成分有如下幾種情況：固相燒結

單元系固相燒結過程中只發生顆粒之間的冶金結合，沒有化學成分和組織的變化,不存在組織間的溶解，或者出現新的組成物或新相，這類燒結又稱為粉末單相燒結，通常是在其熔點溫度的2/3~4/5溫度下進行。固相燒結

指兩種以上單一粉末的混合粉末或混合粉末壓坯的燒結，燒結是在固態狀態下，燒結中沒有液相的出現，對此稱為多元系固相燒結。1.2多元系固相燒結有限互溶系燒結互不相溶系燒結無限互溶系燒結多元系固相燒結PART02液相燒結液相燒結液相燒結是至少具有兩種組分的粉末或壓坯在形成一種液相的狀態下進行的燒結。即當燒結溫度高于壓坯中低熔點成分的熔點時，低熔點金屬熔化為液相,致使燒結在有液相存在的情況下進行。液相燒結穩定液相燒結如果在燒

結中液相始終存在于燒結體中，就稱為穩定液相燒結。瞬間液相燒結如果液相只存在燒結過程中的一段時間，燒結后期消失，這類

燒結通常稱之為瞬間液相燒結。液相燒結液相金屬具有流動性、毛細管力和更大的擴散性，所以液相會促進燒結體的合金化和致密化。通過液相燒結可獲得高密度的燒結合金，甚至可以得到完全致密的合金。PART03強化燒結強化燒結3.1溫壓成形02通過一次壓制/燒結工藝制造高密度、高性能、低成本粉末冶金結構零件的一項新型的粉末成形新技術。通過改進傳統的粉末冶金壓機,采用特制的粉末加熱、粉末輸送和模具加熱系統，將混有溫壓專用潤滑劑/黏結劑的混合粉末加熱到一個特定溫度（一般130-150℃）進行壓制，再用傳統的燒結工藝進行燒結，以獲得較高密度的產品。溫壓成形溫壓工藝01強化燒結3.2熱壓燒結熱壓燒結又稱為加壓燒結，是把粉末裝在模腔內，在加壓的同時使粉末加熱到正常燒結溫度或更低一些，經過較短時間燒結成致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結兩個工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結所達不到的密度，從這個意義上說，熱壓是一種強化燒結。強化燒結3.3活化燒結活化燒結可以降低燒結溫度，提高燒結體的密度和性能。在粉末冶金燒結中，活化燒結是非常重要的一門技術?；罨療Y是提高燒結速度的一種燒結過程。例如往粉末中添加某種物質或在燒結氣氛影響下進行的燒結。強化燒結它是利用粉末間火花放電所產生的高溫，并且同時受外應力作用的一種特殊燒結方法。3.4電火花燒結電火花燒結（電火花壓力燒結）強化燒結3.4電火花燒結電火花燒結是通過一對電極板和上下模沖向模腔內的粉末直接通入高頻或中頻交流和直流疊加電流。粉末在高溫下處于塑性狀態，通過模沖加壓進行燒結。由于高頻電流通過粉末形成的機械脈沖波的作用，致密化過程在極短時間內（幾秒鐘）即可完成。加熱粉末是依靠通過粉末與模具的電流在粉末間火花放電產生的熱來實現的。4.影響燒結過程的因素及燒結廢品分析CONTENTS目

錄01影響燒結過程的因素02燒結廢品分析PART01影響燒結過程的因素影響燒結過程的因素燒結溫度燒結時間粉末粒度影響燒結過程的三個直接因素影響燒結過程的因素影響燒結過程的因素粉末性能添加物壓力燒結溫度燒結時間燒結氣氛PART02燒結廢品分析燒結廢品分析裂紋氧化分層尺寸超差翹曲或變形麻點起泡或起皮孔洞過燒欠燒工藝廢品燒結廢品分析1.裂紋引起裂紋主要是由于成形壓力過高致使壓坯內產生許多的“隱分層”，燒結后擴大而變得明顯。當壓坯密度嚴重不均，內部應力集中或制品結構厚薄相差懸殊時，由于熱應力或不均勻也會造成裂紋。燒結廢品分析翹曲現象常岀現在長條狀和薄片狀的制品中。薄片狀制品常出現翹曲變形，襯套制品常出現橢圓變形，細長制品常岀現彎曲變形。2.分層3.翹曲或變形又稱層裂紋，硬質合金燒結中易于發現。主要是由于壓坯的局部地方密度過高，在燒結條件下，應力的松弛大于壓坯的強度所造成。燒結廢品分析壓坯內部密度分布不均及壓坯原始變形產生這種現象的原因在燒結中溫度不均或者升溫過快，受熱不均或冷卻速度不均燒結溫度過高，制品軟化，受壓力或本身重量作用裝料時壓坯歪斜或制件燒結時膨脹受擠壓燒結廢品分析4.起泡或起皮起泡是指燒結件表面岀現大小不一的較圓滑的凸起，同時在其他部位伴有裂紋及翹曲發生。起泡現象多發生在壓坯預熱階段，由于升溫速度太快或壓坯局部接觸高溫，造成潤滑劑劇烈分解、揮發而引起燒結件起泡。燒結廢品分析4.起泡或起皮起泡起皮在制品上形成大的孔洞在制品表面上形成魚鱗狀的表皮由于壓坯內的添加物在高溫下迅速膨脹所致，并且有時由于燒結件嚴重氧化，再還原時就可能在其表面上產生脫皮現象。燒結廢品分析過燒是由于溫度過高或者在高溫下停留時間過長所致。過燒嚴重時表面會出現局部熔化、歪扭、黏結等現象。5.過燒6.欠燒7.孔洞由于混料不均，硬脂酸鋅、硫黃等有結塊現象，在燒結時揮發造成或者石墨嚴重偏析，壓制工序中裝粉時造成石墨嚴重分層，在燒結時生成共晶熔體而流出造成熔坑。燒結時溫度過低