第三章燒結(jié)成形

第三章燒結(jié)成形第一節(jié)概述燒結(jié)（sintering）粉狀或粒狀物料或壓坯，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥罩惺軣岚l(fā)生物理、化學(xué)變化而固結(jié)的過(guò)程，其結(jié)果是顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，燒結(jié)體的強(qiáng)度增加，多數(shù)情況下密度也提高。燒結(jié)或燒成通過(guò)高溫處理，使坯體發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，形成預(yù)期的組成和顯微結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到固定外形并獲得所要求性能的工序。燒結(jié)過(guò)程：

顆粒聚集體→晶粒聚結(jié)體

燒結(jié)的動(dòng)力是表面張力造成的一種機(jī)械力，它垂直地作用于燒結(jié)頸曲面上，使頸向外擴(kuò)大。燒結(jié)可加強(qiáng)顆粒粘合和減小孔隙。第二節(jié)粉末冶金制品

1、粉末冶金制品的工藝流程

制粉→混合→壓坯→燒結(jié)→加工成形2、粉末冶金制品3、粉末冶金的特點(diǎn)

①能生產(chǎn)用普通熔煉方法無(wú)法生產(chǎn)的具有特殊性能的材料

●能控制制品的孔隙度，生產(chǎn)多孔材料（含油軸承）。

●能生產(chǎn)各種顆粒復(fù)合材料，例如：金屬與非金屬組成的摩擦材料；難熔化合物與金屬組成的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷。

②對(duì)于易偏析或難熔金屬材料用粉末冶金方法生產(chǎn)，其性能更優(yōu)越。

●消除區(qū)域偏析或共晶網(wǎng)，例如粉末高速鋼。

●生產(chǎn)鎢、鉬難熔金屬，晶粒更細(xì)、純度更高。

③近終形成形，減少切削加工，節(jié)約材料，提高生產(chǎn)率。④生產(chǎn)成本高，制品大小形狀受限，韌性較差。粉末冶金材料的孔隙

一般粉末冶金材料是金屬和孔隙的復(fù)合體，其孔隙度范圍很寬：

低于1～2％殘留孔隙度的為致密材料，10％左右孔隙度的為半致密材料，>15％孔隙度的為多孔材料，也有高達(dá)98％孔隙度的泡沫材料。

通常粉末冶金制品的致密度在95％左右。4、制粉機(jī)械法：固體粉碎（球磨、研磨）液體粉碎（霧化法）物理化學(xué)法：還原法、電解法、化學(xué)置換法物化法利用高壓氣體、高壓液體或高速旋轉(zhuǎn)的葉片，將熔融的金屬或合金打散成霧狀液滴，冷卻后成粉末。還原法：用還原劑還原金屬氧化物或鹽類。電解法：在溶液或熔鹽中控制通入直流電流密度，使金屬離子重獲外層電子，形成粉末。化學(xué)置換法：用活性大的金屬置換活性小的金屬也可按下列分類還原或還原－化合法氣相沉積法液相沉積法電解法霧化法機(jī)械粉碎法5、壓制連續(xù)壓坯6、燒結(jié)6、1燒結(jié)的分類：為了反映燒結(jié)的主要過(guò)程和機(jī)制的特點(diǎn)，通常按燒結(jié)過(guò)程有無(wú)液相出現(xiàn)和燒結(jié)系統(tǒng)的組成分類：①單元系燒結(jié)純金屬或化合物，在其熔點(diǎn)以下溫度進(jìn)行固相燒結(jié)。②多元系固相燒結(jié)由兩種以上的組元構(gòu)成的燒結(jié)系，在其中低熔成分的熔點(diǎn)溫度以下進(jìn)行固相燒結(jié)。又可分為：無(wú)限固溶系、有限固溶系、完全不互溶系。③多元系液相燒結(jié)由兩種以上的組元構(gòu)成的燒結(jié)系，在其中低熔成分的熔點(diǎn)溫度以上進(jìn)行燒結(jié)。又可分為：燒結(jié)過(guò)程始終存在液相的系統(tǒng)、燒結(jié)后期液相消失的系統(tǒng)。6、2燒結(jié)的基本過(guò)程和機(jī)制

①燒結(jié)的基本過(guò)程及驅(qū)動(dòng)力粉末有自動(dòng)粘結(jié)或成團(tuán)的傾向，粉末越細(xì)越明顯。粉末受熱，顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，即燒結(jié)現(xiàn)象。燒結(jié)前顆粒的原始接觸燒結(jié)早期燒結(jié)頸的長(zhǎng)大燒結(jié)后期孔隙的球化

燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力：存在于粉末坯體內(nèi)的表面能和晶格畸變能。粘結(jié)階段：顆粒間的原始接觸點(diǎn)或面轉(zhuǎn)變成晶體結(jié)合，通過(guò)成核、晶粒長(zhǎng)大等原子過(guò)程形成燒結(jié)頸。燒結(jié)頸長(zhǎng)大階段：原子向顆粒結(jié)合面大量遷移使燒結(jié)頸擴(kuò)大，顆粒間距縮小，形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)；晶粒長(zhǎng)大，晶界越過(guò)孔隙移動(dòng)，被晶界掃過(guò)的地方，孔隙大量消失。燒結(jié)體收縮，強(qiáng)度和密度增加。閉孔隙球化和縮小階段：燒結(jié)體密度達(dá)90％以后，多數(shù)孔隙被完全分割形成閉孔，此階段燒結(jié)體收縮變緩。

②燒結(jié)機(jī)制★粘性流動(dòng)：類似兩個(gè)液滴從開(kāi)始的點(diǎn)接觸，發(fā)展到互相聚合。燒結(jié)早期的粘結(jié)（即燒結(jié)頸長(zhǎng)大），可看作在表面張力作用下，顆粒發(fā)生類似粘性液體的流動(dòng)，結(jié)果使系統(tǒng)的總表面積減少?！镎舭l(fā)與凝聚：由于燒結(jié)頸對(duì)平面飽和蒸氣壓差，使原子從顆粒表面蒸發(fā)，重新在燒結(jié)頸凹面上凝聚下來(lái)，引起燒結(jié)頸長(zhǎng)大。

★體積擴(kuò)散：在顆粒接觸面上，空位濃度增高，原子與空位交換位置，不斷地向接觸面遷移，使燒結(jié)頸長(zhǎng)大。特別是在燒結(jié)頸凹面下，由于表面張力產(chǎn)生垂直于曲頸向外的張應(yīng)力，其空位濃度更高。表面擴(kuò)散

由于表面原子的擴(kuò)散，顆粒粘結(jié)面擴(kuò)大，使顆粒表面凹處逐漸被填平。晶界擴(kuò)散

在顆粒接觸面上容易形成穩(wěn)定的晶界，特別是細(xì)粉末燒結(jié)后形成許多的網(wǎng)狀晶界與孔隙相互交錯(cuò)，使燒結(jié)頸邊緣和細(xì)孔隙表面的過(guò)?？瘴蝗菀淄ㄟ^(guò)鄰接的晶界進(jìn)行擴(kuò)散或被吸收。塑性流動(dòng)燒結(jié)頸形成和長(zhǎng)大可以看成是金屬粉末在表面張力作用下發(fā)生塑性變形的結(jié)果。燒結(jié)前期，表面張力大，塑性流變類似于蠕變的位錯(cuò)機(jī)制。燒結(jié)后期，以擴(kuò)散流動(dòng)為主，類似于低應(yīng)力下的擴(kuò)散蠕變。在較低溫度和極細(xì)粉末的燒結(jié)中，表面擴(kuò)散可能是主要機(jī)制。等溫?zé)Y(jié)過(guò)程，表面擴(kuò)散僅在早期階段對(duì)燒結(jié)頸的形成和長(zhǎng)大以及在后期對(duì)孔隙的球化起明顯作用。在蒸氣壓高的燒結(jié)以及通過(guò)氣氛活化的燒結(jié)中，蒸發(fā)與凝聚也是較重要的機(jī)制。在較高的燒結(jié)溫度，特別是等溫?zé)Y(jié)后期，體積擴(kuò)散總是占優(yōu)勢(shì)。粘性流動(dòng)只適用于非晶體物質(zhì)，塑性流動(dòng)理論是對(duì)粘性流動(dòng)理論的發(fā)展和補(bǔ)充。由于粉末坯體內(nèi)含有大量粘結(jié)劑，因此低溫時(shí)注意脫膠和排氣。

燒結(jié)體的質(zhì)量：致密度、變形（尺寸控制）第三節(jié)制磚普通粘土磚：用粘土制成的磚坯，經(jīng)干燥，入窯高溫（1050℃）焙燒而成。粘土：天然巖土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然風(fēng)化作用后，形成的細(xì)小碎屑巖。粘土的組成分兩部分：粘土礦物：由高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O）及其他含水硅酸鋁組成的礦物。雜質(zhì)礦物：由石英砂、云母、碳酸鈣、鐵質(zhì)礦物、堿以及有機(jī)質(zhì)等組成。一般高嶺石含量愈大則塑性愈好，但磚的體積收縮也愈大；鐵質(zhì)含量多，會(huì)使粘土的熔化溫度降低；石英砂含量多會(huì)降低磚的強(qiáng)度。磚一般在1050℃左右燒成：900℃──欠火磚──孔隙最大、色微紅、強(qiáng)度及耐久性差。1200℃──過(guò)火磚──熔融物多，無(wú)法保持原形，耐久性好，不怕水。最后封閉窯門(mén)，氧氣不足，形成還原氣氛，粘土內(nèi)紅色氧化鐵（Fe2O3）被還原為氧化亞鐵（FeO），并在磚上沉積碳素，使磚呈青色，此為青磚。青磚比紅磚的耐久性好。第四節(jié)陶瓷的燒成燒成制品的發(fā)展：砂→陶→瓷砂：是指不加粘結(jié)劑，直接將原料燒結(jié)成制品，不致密，孔隙多。如砂鍋。原始砂鍋，無(wú)粘結(jié)劑，燒結(jié)溫度1000℃。最初燒結(jié)溫度較低（1000℃以下），現(xiàn)代發(fā)展高溫?zé)Y(jié)（1200℃）例如紫砂壺。紫砂壺的原料為我國(guó)南方河底淤泥的沉積物，顆粒非常細(xì)，因此，燒成的紫砂壺硬度高，不僅表面細(xì)膩，而且還有微孔，在其表面滴水可吸入。紫砂壺的原料中含有Fe，因次燒結(jié)后呈紅色或紅黑色。Fe是變價(jià)元素，在不同溫度下形成不同的產(chǎn)物，其顏色也不同，因此原料中含F(xiàn)e時(shí)，由于溫度的影響，制品可能出現(xiàn)不同的顏色。陶和瓷：特點(diǎn)是原料中添加粘結(jié)劑后燒結(jié)，而且燒結(jié)溫度較高。陶制品的燒結(jié)溫度約為1100℃，而瓷的燒結(jié)溫度為1200℃以上。骨質(zhì)瓷：燒結(jié)溫度1150℃，骨質(zhì)瓷制品的特點(diǎn)細(xì)膩、薄、聲音清脆。一般的細(xì)瓷碗燒結(jié)溫度在1200℃以上。骨質(zhì)瓷

薄如紙、聲如琴、指（摸）如玉含有20％～30％骨質(zhì)（動(dòng)物的骨頭），添加骨質(zhì)后燒結(jié)出的產(chǎn)品（如玉）給人感覺(jué)非常好。骨質(zhì)實(shí)際上主要是磷灰石，磷灰石的主要成分是氧化鈣CaO和氧化磷。粘結(jié)劑：主要是粘土（粘土的主要成分是氧化鋁和氧化硅，但二者比例不同，其粘土的性質(zhì)不同，氧化鋁比例高的為硬粘土，氧化硅比例高的為軟粘土）。除粘土以外，粘結(jié)劑還有堿金屬的氧化物，如氧化鉀、氧化鋰等。粘結(jié)劑的作用提高燒結(jié)活性，提高燒結(jié)的致密度。提高燒結(jié)活性實(shí)際上是可降低燒結(jié)溫度，或者在同樣溫度下燒結(jié)的制品更致密。剛玉Al2O3，三方晶系，密度3.95～4.10，透明晶體有各種顏色，無(wú)色透明的叫白玉；藍(lán)色透明的叫藍(lán)寶石（含Ti）；紅色透明的叫紅寶石（含Cr）。工業(yè)上常用電熔法處理鋁礬土或工業(yè)氧化鋁制成人造剛玉，也叫“電熔剛玉”。氧化鋁經(jīng)電熔后的結(jié)晶產(chǎn)物（即剛玉），再破碎制成磨料。剛玉的熱電偶保護(hù)管，是用極細(xì)的氧化鋁粉（粒度在5μm，最大不能超過(guò)10μm）在1800℃以