第五章 燒結技術

程繼貴jgcheng63@材料科學與工程學院《粉末冶金原理》

第五章燒結技術

SinteringTechnology2/5/20231

本章內(nèi)容§5.1燒結工藝§5.2燒結氣氛§5.3燒結爐§5.4特殊燒結技術和燒結新技術2/5/20232第一節(jié)燒結工藝燒結基本工藝過程：粉末壓坯→裝料（裝爐、燒結前的準備）→燒結（預熱、保溫、冷卻）→出爐→燒結體一、燒結前的準備（一）壓坯的檢查●目的：去除尺寸、單重不合格或有掉邊、掉角、分層、裂紋等缺陷的壓坯，減少燒結廢品?！穹椒ǎ撼闄z、肉眼觀察、儀器檢測。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/20233(二)裝爐（裝舟及擺料）

推桿式燒結爐—裝舟；網(wǎng)帶式燒結爐—-擺料SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202341.裝爐量

影響生產(chǎn)率;壓坯之間的接觸影響燒結時的粘接和變形;裝爐量受網(wǎng)帶高溫強度的限制。2.裝爐方式

指壓坯擺放的松緊程度、舟中裝料的深淺、壓坯擺放的方向（橫放、豎放）等。

→影響燒結爐中的氣氛流動、傳熱、燒結體的變形、表面狀態(tài)等。

→注意細長薄壁零件的裝爐

→某些情況下采用填料裝舟或燒舟密封SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/20235二、鐵銅基粉末冶金零件燒結工藝簡介（一）燒結工藝參數(shù)對鐵基零件性能的影響燒結工藝參數(shù)：燒結溫度、燒結時間、加熱及冷卻速度、燒結氣氛等1.燒結溫度

鐵基制品燒結溫度的選擇主要依據(jù)制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力學性能）和用途（結構件、減摩件）等來確定。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202361050-1200oC加熱燒結保溫水冷時間，hr空冷溫度℃SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/20237序號燒結溫度（±10℃）適用制品范圍舉例11050高碳（石墨2.5％以上）、低密度（＜6.0g/cm3）21080含油軸承、氣門導管，石墨添加量1.5～2.5％的減摩零件31120鐵基結構零件（Fe-C、Fe-Cu-C），石墨添加量＜1％時，一次燒結工藝4＞1150中高強度結構零件（石墨添加量＜1％，添加適量合金元素），或復壓復燒工藝中的高溫燒結鐵基制品燒結溫度范圍SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202382.燒結時間

●鐵基制品燒結時間的選擇主要依據(jù)制品成分（含碳量、合金元素）、單重、幾何尺寸、壁厚、密度、裝爐方式等；

●燒結時間與燒結溫度有關；●一般燒結時間1.5-3h。

●在連續(xù)爐中，保溫時間：

t=L/l?n

t—保溫時間（min）L—燒結帶長度（cm）l—燒舟或石墨板長度（cm）n—推舟間隔（min/舟）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202393.升溫及冷卻速度

●升溫速度影響潤滑劑等的揮發(fā)速度；

●冷卻速度影響制品的微觀結構和性能

→SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202310冷卻方式鐵銅制品中的含銅量（％）0248A13.1620.328.436.9B13.1618.929.834.5C11.615.320.123D12.518.520.121.7冷卻方式對抗拉強度的影響（kgf/mm2）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202311（二）銅基粉末冶金零件燒結工藝簡介

粉末冶金Cu基制品青銅Cu-Sn6-6-3青銅90/10青銅黃銅Cu-Zn純銅Cu鎳銀Cu-Ni-Zn燒結的主要特點：

●不同材料燒結溫度相差較大700-1000℃→●(焙烘）預氧化燒結的采用（部分）→

●普遍采用網(wǎng)帶式燒結爐SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202312燒結材料成分（％）燒結溫度范圍（℃）CuZnSnNiPb6-6-3青銅其余5～75～7－2～4750～83090Cu-10Sn青銅其余－9～11－－750～830純銅100－－－－750～100070-30黃銅67～70其余－－－825～900Cu-Ni-Zn合金6520～21－14～15－940～1080

幾種銅合金的燒結溫度范圍

SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202313焙烘的目的（常用于Cu、青銅）：

●充分揮發(fā)并燒除硬脂酸鋅潤滑劑；●使粉末顆粒表面氧化，得到薄層氧化物，實現(xiàn)活化燒結，溫度380-500℃，氧化物層厚＜500A。

SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202314三、燒結缺陷分析1.形狀與尺寸缺陷：

●變形與翹曲●尺寸超差

2.分層與開裂3.鼓泡與麻點

●鼓泡：圓滑凸起●麻點：黑麻點、白亮麻點

4.過燒與欠燒

●過燒：粘接、局部熔化●欠燒：未燒好SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023155.氧化與脫碳

●氧化：多出現(xiàn)于燒結降溫階段●脫碳：氧化的另一種形式，多發(fā)生于高溫燒結階段6.金相組織缺陷

●二次網(wǎng)狀滲碳體缺陷●大塊滲碳體聚集●連通孔隙缺陷SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202316第二節(jié)燒結氣氛Sinteringatmosphere一、概述1.燒結氣氛的作用

控制燒結體與環(huán)境之間的化學反應……1）保護作用：減少環(huán)境對制品的影響，如防氧化、脫碳2）凈化作用：及時帶走燒結坯體中潤滑劑和成形劑的分解產(chǎn)物等3）維持或改變燒結材料中的有用成分：活化氣氛、滲碳氣氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023172.燒結氣氛的分類

●氧化性氣氛：如純Ag或Ag-氧化物復合材料及氧化物陶瓷的燒結：空氣

●還原性氣氛：含有H2或CO組份的燒結氣氛：硬質(zhì)合金燒結用氫氣氛，鐵基、銅基粉末冶金零件的含氫氣氛（氨分解氣）

●惰性或中性氣氛：Ar、He、N2、真空

●滲碳氣氛：含有較高的導致燒結體滲碳的組元，如CO，CH4，碳氫化合物氣體

●氮基氣氛：含氮量很高的燒結氣氛：10%H2+N2SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023183.燒結氣氛的選用原則

●保持燒結體成分基本不變（特殊除外）；●一定的還原性（許多情況下需要）；

●腐蝕性??；●對人無害，生產(chǎn)、使用安全●成本—來源、制取工藝氣氛種類應用所占比例應用舉例吸熱型氣體70％碳鋼分解氨氣體20％不銹鋼、碳鋼放熱型氣體5％銅基材料H2、N2、真空5％鋁基材料及其它國外粉末冶金工業(yè)用燒結氣氛舉例SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202319不同燒結氣氛的成本比較：以電解氫的成本為參考：H2：1.0；氮基（nitrogen-based）氣氛：0.6；分解氨（dissociatedammonia）：0.4；吸熱性氣氛(endothermalgas)：0.2；放熱性氣氛(exothermalgas)：0.1；真空(vaccum)：昂貴（設備投資大）SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202320二、吸熱型氣氛和放熱型氣氛●轉化氣的概念：以碳氫化合物氣體（天然氣、石油氣、焦爐煤氣）為原料，采用空氣或水蒸氣在高溫下進行反應，而得到的以H2、CO、CO2、N2為主，并含有少量CH4和H2O的混合氣體。

由天然氣轉化——稱為轉化天然氣……由煤氣轉化——？SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202321●放熱型氣體：制備轉化氣時，原料氣體與空氣按一定比例通過轉化器，若空氣與原料氣體比例較高，反應過程中放出的熱量足夠維持轉化器的反應溫度，不需外部向反應器供熱，由此得到的轉化氣。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202322●吸熱型氣體：制備轉化氣時，若空氣與原料氣體比例較低，反應過程中放出的熱量不足以維持轉化器的反應溫度，需外部向反應器供熱，由此得到的轉化氣稱……SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202323鐵制品燒結用轉化氣體標準成分及應用

▲吸熱、放熱型氣體比較

●放熱型氣氛制備時空氣比例較高，燃料氣完全燃燒，而吸熱型氣氛制備時空氣比例較低，燃料氣不完全燃燒；●放熱型氣氛中CO2含量較高，而吸熱型氣氛中中可能有少量未燃燒的燃料（CH4）；

●吸熱、放熱型氣體的標準成分！表5-14

氣體標準成分應用舉例吸熱型40H2，20％CO，1％CH4，39％N2Fe-C，F(xiàn)e-Cu-C等高強度零件；爆炸性極強放熱型8％H2，6％CO，6％CO2，80％N2純鐵，F(xiàn)e-Cu燒結零件；有爆炸性SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202324三、鐵基制品無氧化無脫碳燒結控制原理1.無氧化燒結控制原理

在含有H2/H2O、CO/CO2氣氛中：1、2兩線分別為CO和H2還原FeO平衡時的氣相平衡組成與溫度關系，線左還原，線右氧化。

1:FeO+CO=Fe+CO2

2:FeO+H2=Fe+H2O

①區(qū):1、2向右；②區(qū):1、2向左；③區(qū)：1左2右；④區(qū)：1右2左①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202325●要無氧化燒結，應在①區(qū)；●＞800℃H2還原區(qū)域更大；●隨溫度升高，欲保持CO/CO2氣氛的還原性，需降低CO2%●CO和H2的還原能力隨溫度變化規(guī)律相反。①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023262.無脫碳燒結控制原理

在CH4/H2和CO/CO2氣氛中：1）圖中兩線分別為在CO2/CO氣氛和CH4/H2氣氛中Fe與C反應平衡時氣相平衡組成與溫度關系

1:Fe+2CO=（Fe，C）+CO2

2:Fe+CH4=（Fe，C）+2H2

12SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023272）CO2/CO中，T↑，發(fā)生脫碳的CO2平衡濃度很低，說明高溫在CO2/CO中易脫碳；T＜700℃，脫碳趨勢降低；3）CH4/H2氣氛中，通常燒結溫度下，氣氛中少量CH4（＞1%）的存在，可能導致滲碳；4）一般轉化氣中，脫碳、滲碳還與氣氛露點有關?！鷼夥仗紕菘刂?2SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202328四、可控碳勢氣氛和氣氛碳勢控制原理●氣氛碳勢：氣氛的相對含碳量，相當于一定溫度下氣氛與一定含碳量的燒結材料達到反應平衡時（不滲碳、不脫碳），該材料中的碳含量?！窨煽靥紕輾夥眨簽榭刂苹蛘{(diào)整燒結鋼的含碳量，而向燒結體系中引入的經(jīng)過制備的氣體介質(zhì)的總稱。（一）氣氛碳勢和可控碳勢氣氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202329

●可控碳勢氣氛的分類

▲吸熱型氣氛▲放熱型氣氛▲分解氨氣氛→▲H2氣氛▲N2基氣氛▲真空氣氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202330SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202331（二）氣氛碳勢控制原理

關鍵是控制氣氛中CO2、H2O的量▲H2O量的控制—露點

露點：在標準大氣壓下，氣氛中水蒸汽開始凝結成霧的溫度，氣氛中含水量愈多，露點愈高。

露點可采用露點儀測量：利用LiCl的吸水導電性測量

▲CO2的量的控制—紅外吸收分析儀測定SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202332五、真空燒結實質(zhì)上是減壓燒結，真空度一般10-1-10-5mmHg（1.3×10-1.3

×10-3Pa）。（一）真空燒結的特點

●減少氣氛中有害成分對產(chǎn)品的臟化；●是較為理想的中性氣氛●可改善液相燒結時的潤濕角；●有利于Si、Al、Mg、Ca等雜質(zhì)及其氧化物的排除→凈化；●有利于排除吸附氣體，對后期收縮作用明顯；●設備投資大，單爐產(chǎn)量低。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202333（二）真空燒結技術難點（關鍵）及控制

1.真空的獲得→真空泵：

機械真空泵、擴散真空泵、分子泵2.粘接金屬等的揮發(fā)

▲影響合金的最終組成，阻礙燒結

▲影響因素：金屬本身的蒸氣壓、真空度、燒結溫度

▲解決：控制真空度（絕對壓力）高于燒結溫度下的蒸氣壓

SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023343.含碳材料燒結時的脫碳

主要發(fā)生于燒結升溫階段（三）真空燒結工藝參數(shù)

真空燒結易于排除雜質(zhì)和吸附氣體，促進燒結，達到與氣氛燒結相同的致密化程度，燒結溫度可以降低50-150℃。

在與氣氛燒結相同的燒結溫度下，可以縮短燒結時間。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202335第三節(jié)燒結爐Sinteringfurnaces

●粉末冶金燒結爐與其他冶金爐不同，必須帶有保護氣氛或為真空爐。

●燒結爐的溫度控制非常重要，對升溫和冷卻速率都有要求。

●大多數(shù)燒結爐有三個溫度帶（區(qū)）：

預熱帶、高溫帶、冷卻帶一、概述SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202336SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202337●粉末冶金燒結爐的分類

粉末冶金燒結爐按裝爐的連續(xù)性連續(xù)式燒結爐間歇式燒結爐按加熱方式燃料加熱燒結爐……電加熱燒結爐……其他燒結爐按氣氛氣氛燒結爐……真空燒結爐其他分類：按燒結溫度、按送料機構……SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202338二、帶有保護氣氛的連續(xù)式燒結爐（一）爐子結構SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202339SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202340（二）壓坯傳輸方式1.網(wǎng)帶式傳輸SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202341SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202342SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202343ExamplesofSinteringProductionLinesSchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202344SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023452.輥底式傳輸SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202346SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023473.推桿式傳輸SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202348SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202349SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2023504.步進梁式傳輸SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202351SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202352三、真空燒結爐SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/202353SchoolofMaterialsScienceandEngineering2/5/2