《超硬材料燒結(jié)制品》課件-項(xiàng)目四 燒結(jié)基礎(chǔ)

1.金屬粉末燒結(jié)定義、過程及分類CONTENTS目

錄01燒結(jié)定義02燒結(jié)過程03燒結(jié)分類課程導(dǎo)入01粉末燒結(jié)是系統(tǒng)自由能降低的過程，當(dāng)粉末處于較高能量狀態(tài)時(shí)，燒結(jié)體便會自動燒結(jié)，形成能量狀態(tài)低的燒結(jié)材料。02燒結(jié)是一種高溫?zé)崽幚?，涉及燒結(jié)爐、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)條件的選擇和控制，因此燒結(jié)工序非常關(guān)鍵，必須全面了解和把握燒結(jié)的基本原理、燒結(jié)工藝(如材料、溫度、時(shí)間、燒結(jié)氣氛、環(huán)境等)、燒結(jié)氣氛的作用以及影響燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量的因素等方面的知識。03同時(shí)，燒結(jié)又是能源消耗大、設(shè)備投資高、產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量和成本最重要的環(huán)節(jié)之一。PART01燒結(jié)定義燒結(jié)定義顆粒界面(a)壓坯狀態(tài)晶界面(b)燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)圖1燒結(jié)結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖目的是使粉末顆粒間產(chǎn)生冶金結(jié)合，即使粉末顆粒之間由機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變成原子之間的晶界結(jié)合。燒結(jié)是將粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行的熱處理。燒結(jié)定義燒結(jié)目的燒結(jié)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(jié)合的材料。壓坯雖然有了機(jī)械零件的外形和尺寸,但是它的強(qiáng)度非常低，無法滿足使用的要求,必須通過燒結(jié),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(xué)性能和物理性能。顆粒界面(a)壓坯狀態(tài)圖1燒結(jié)結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖PART02燒結(jié)過程燒結(jié)過程燒結(jié)過程彼此間并無明顯的界限，而是穿插進(jìn)行，互相重疊，互相影響，加之其他一些燒結(jié)條件，使整個(gè)燒結(jié)過程變得很復(fù)雜。圖2燒結(jié)過程示意圖燒結(jié)過程圖2(a)是燒結(jié)前壓坯中粉末的接觸狀態(tài),從圖2(a)可了解到，這種結(jié)合只是機(jī)械結(jié)合，粉末顆粒的界面仍然可以區(qū)分并可以分離。隨著燒結(jié)的進(jìn)行，結(jié)合面增加，直至顆粒界面完全轉(zhuǎn)變成晶界面，最后成為圖2(c)所示的狀態(tài)。圖2(b)是燒結(jié)時(shí)的狀態(tài)，這時(shí)粉末顆粒接觸點(diǎn)的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即如圖l(b)所示的冶金結(jié)合,顆粒界面為晶界面所取代。圖2燒結(jié)過程示意圖燒結(jié)過程從粉末顆粒的燒結(jié)過程，還可以觀察到，顆粒之間的孔隙由不規(guī)則的形狀轉(zhuǎn)變成球形的孔隙。燒結(jié)頸的形成燒結(jié)頸的長大孔隙球化階段燒結(jié)燒結(jié)過程燒結(jié)頸形成（1）燒結(jié)頸的形成燒結(jié)頸燒結(jié)的開始，在粉末顆粒接觸點(diǎn)形成結(jié)合點(diǎn)，這種兩顆粒之間的連接點(diǎn)通常稱為燒結(jié)頸。燒結(jié)過程隨著燒結(jié)的進(jìn)行，燒結(jié)頸由點(diǎn)向面發(fā)展即發(fā)生了燒結(jié)頸的長大，所以稱為燒結(jié)頸長大階段。燒結(jié)頸的長大使兩個(gè)顆粒合并成一個(gè)顆粒，顆粒界面成為晶界面。燒結(jié)頸部（2）燒結(jié)頸的長大燒結(jié)頸的長大晶界遷移形成晶粒的組織結(jié)構(gòu)燒結(jié)過程（3）孔隙球化階段燒結(jié)后期或者說顆粒之間的燒結(jié)完成之后，繼續(xù)保溫將會發(fā)生孔隙的球化，隔離的孔隙在最小表面能的驅(qū)動下將會自發(fā)地發(fā)生球化。這時(shí)如果燒結(jié)時(shí)間過長則會發(fā)生晶粒的粗化,相反會給力學(xué)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(xué)性能得到進(jìn)一步改善。PART03燒結(jié)分類

燒結(jié)分類

單相系多相系單元系燒結(jié)多元系燒結(jié)按粉末原料的組成分按燒結(jié)過程分2.金屬粉末燒結(jié)要求、設(shè)備CONTENTS目

錄01燒結(jié)要求02燒結(jié)設(shè)備03燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)PART01燒結(jié)要求燒結(jié)要求粉末冶金材料要達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求，燒結(jié)是關(guān)鍵工藝，燒結(jié)材料有如下要求：尺寸和形狀的精度要求力學(xué)性能和物理性能的要求密度的要求組織結(jié)構(gòu)的要求燒結(jié)要求1.1尺寸和形狀的精度要求PART01燒結(jié)材料的尺寸、形狀精度包括表面粗糙度要滿足設(shè)計(jì)的要求。PART03這就需要嚴(yán)格地控制燒結(jié)條件,才能保證燒結(jié)材料的尺寸和形狀精度要求。PART02燒結(jié)會使燒結(jié)體發(fā)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(jié)體還會發(fā)生變形,因此通過燒結(jié),燒結(jié)材料的尺寸和形狀會發(fā)生變化。燒結(jié)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(jié)中,由于發(fā)生了粉末顆粒之間的燒結(jié)以及燒結(jié)材料的收縮或膨脹,因此燒結(jié)材料的密度、孔隙度和孔隙連通狀態(tài)會發(fā)生變化。燒結(jié)要求1.3組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。組織結(jié)構(gòu)的要求表征粉末冶金材料的組織結(jié)構(gòu)因子有:晶粒度、相結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的形成和變化主要發(fā)生在燒結(jié)過程中。燒結(jié)要求1.4力學(xué)性能和物理性能的要求最終的燒結(jié)材料要達(dá)到所需要的力學(xué)性能和物理性能。包括強(qiáng)度、硬度伸長率和沖擊韌性等;力學(xué)性能包括密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和磁性等。物理性能PART02燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)設(shè)備電熱爐(包括電阻爐和感應(yīng)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(jié)爐連續(xù)作業(yè)爐間歇式(也稱周期式)作業(yè)爐按爐子作業(yè)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(fā)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(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)水冷系統(tǒng)爐體部分電加熱元件爐膛部分燒結(jié)爐燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)3.1爐膛部分爐膛一般指爐子中間用耐火材料所砌的內(nèi)腔部分。爐膛的大小、形狀是根據(jù)產(chǎn)品的尺寸、產(chǎn)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(chǎn)小型產(chǎn)品、產(chǎn)量較小時(shí),一般用圓形或半圓形。產(chǎn)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(nèi)溫度分布要均勻。燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)3.2水冷系統(tǒng)

水套冷卻段設(shè)在爐體的出料端,產(chǎn)品經(jīng)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(chǎn)批量大時(shí),水套長度取高溫帶的3~6倍,夾套厚度在25～30mm。03進(jìn)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(chǎn)品從高溫帶所帶出的熱量決定。05燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)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(yīng)具有如下性能:足夠的耐火度;足夠的機(jī)械強(qiáng)度:在高溫下有良好的絕緣性能;耐冷熱沖擊性能好。燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)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(yīng)盡量小,防止熱損失或有害氣體逐出,腐蝕加熱元件。灰縫泥漿是以磨細(xì)的干耐火土粉15%～30%,熟耐火土粉70%～85%,使用水調(diào)和成糊狀。筑砌時(shí)還需留熱膨脹縫以補(bǔ)償材料熱膨脹。燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)、液相燒結(jié)及強(qiáng)化燒結(jié)CONTENTS目

錄01固相燒結(jié)

02液相燒結(jié)03強(qiáng)化燒結(jié)PART01固相燒結(jié)

固相燒結(jié)

固相燒結(jié)按其組元可分為單元系固相燒結(jié)和多元系固相燒結(jié)兩類。1.1單元系固相燒結(jié)單元系固相燒結(jié)是指單一成分粉末或者單一成分粉末壓坯的燒結(jié)。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(jié)

單元系固相燒結(jié)過程中只發(fā)生顆粒之間的冶金結(jié)合，沒有化學(xué)成分和組織的變化,不存在組織間的溶解，或者出現(xiàn)新的組成物或新相，這類燒結(jié)又稱為粉末單相燒結(jié)，通常是在其熔點(diǎn)溫度的2/3~4/5溫度下進(jìn)行。固相燒結(jié)

指兩種以上單一粉末的混合粉末或混合粉末壓坯的燒結(jié)，燒結(jié)是在固態(tài)狀態(tài)下，燒結(jié)中沒有液相的出現(xiàn)，對此稱為多元系固相燒結(jié)。1.2多元系固相燒結(jié)有限互溶系燒結(jié)互不相溶系燒結(jié)無限互溶系燒結(jié)多元系固相燒結(jié)PART02液相燒結(jié)液相燒結(jié)液相燒結(jié)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(tài)下進(jìn)行的燒結(jié)。即當(dāng)燒結(jié)溫度高于壓坯中低熔點(diǎn)成分的熔點(diǎn)時(shí)，低熔點(diǎn)金屬熔化為液相,致使燒結(jié)在有液相存在的情況下進(jìn)行。液相燒結(jié)穩(wěn)定液相燒結(jié)如果在燒

結(jié)中液相始終存在于燒結(jié)體中，就稱為穩(wěn)定液相燒結(jié)。瞬間液相燒結(jié)如果液相只存在燒結(jié)過程中的一段時(shí)間，燒結(jié)后期消失，這類

燒結(jié)通常稱之為瞬間液相燒結(jié)。液相燒結(jié)液相金屬具有流動性、毛細(xì)管力和更大的擴(kuò)散性，所以液相會促進(jìn)燒結(jié)體的合金化和致密化。通過液相燒結(jié)可獲得高密度的燒結(jié)合金，甚至可以得到完全致密的合金。PART03強(qiáng)化燒結(jié)強(qiáng)化燒結(jié)3.1溫壓成形02通過一次壓制/燒結(jié)工藝制造高密度、高性能、低成本粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的一項(xiàng)新型的粉末成形新技術(shù)。通過改進(jìn)傳統(tǒng)的粉末冶金壓機(jī),采用特制的粉末加熱、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將混有溫壓專用潤滑劑/黏結(jié)劑的混合粉末加熱到一個(gè)特定溫度（一般130-150℃）進(jìn)行壓制，再用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，以獲得較高密度的產(chǎn)品。溫壓成形溫壓工藝01強(qiáng)化燒結(jié)3.2熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)又稱為加壓燒結(jié)，是把粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時(shí)使粉末加熱到正常燒結(jié)溫度或更低一些，經(jīng)過較短時(shí)間燒結(jié)成致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結(jié)兩個(gè)工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結(jié)所達(dá)不到的密度，從這個(gè)意義上說，熱壓是一種強(qiáng)化燒結(jié)。強(qiáng)化燒結(jié)3.3活化燒結(jié)活化燒結(jié)可以降低燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)體的密度和性能。在粉末冶金燒結(jié)中，活化燒結(jié)是非常重要的一門技術(shù)?；罨療Y(jié)是提高燒結(jié)速度的一種燒結(jié)過程。例如往粉末中添加某種物質(zhì)或在燒結(jié)氣氛影響下進(jìn)行的燒結(jié)。強(qiáng)化燒結(jié)它是利用粉末間火花放電所產(chǎn)生的高溫，并且同時(shí)受外應(yīng)力作用的一種特殊燒結(jié)方法。3.4電火花燒結(jié)電火花燒結(jié)（電火花壓力燒結(jié)）強(qiáng)化燒結(jié)3.4電火花燒結(jié)電火花燒結(jié)是通過一對電極板和上下模沖向模腔內(nèi)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(tài)，通過模沖加壓進(jìn)行燒結(jié)。由于高頻電流通過粉末形成的機(jī)械脈沖波的作用，致密化過程在極短時(shí)間內(nèi)（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(chǎn)生的熱來實(shí)現(xiàn)的。4.影響燒結(jié)過程的因素及燒結(jié)廢品分析CONTENTS目

錄01影響燒結(jié)過程的因素02燒結(jié)廢品分析PART01影響燒結(jié)過程的因素影響燒結(jié)過程的因素?zé)Y(jié)溫度燒結(jié)時(shí)間粉末粒度影響燒結(jié)過程的三個(gè)直接因素影響燒結(jié)過程的因素影響燒結(jié)過程的因素粉末性能添加物壓力燒結(jié)溫度燒結(jié)時(shí)間燒結(jié)氣氛PART02燒結(jié)廢品分析燒結(jié)廢品分析裂紋氧化分層尺寸超差翹曲或變形麻點(diǎn)起泡或起皮孔洞過燒欠燒工藝廢品燒結(jié)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(nèi)產(chǎn)生許多的“隱分層”，燒結(jié)后擴(kuò)大而變得明顯。當(dāng)壓坯密度嚴(yán)重不均，內(nèi)部應(yīng)力集中或制品結(jié)構(gòu)厚薄相差懸殊時(shí)，由于熱應(yīng)力或不均勻也會造成裂紋。燒結(jié)廢品分析翹曲現(xiàn)象常岀現(xiàn)在長條狀和薄片狀的制品中。薄片狀制品常出現(xiàn)翹曲變形，襯套制品常出現(xiàn)橢圓變形，細(xì)長制品常岀現(xiàn)彎曲變形。2.分層3.翹曲或變形又稱層裂紋，硬質(zhì)合金燒結(jié)中易于發(fā)現(xiàn)。主要是由于壓坯的局部地方密度過高，在燒結(jié)條件下，應(yīng)力的松弛大于壓坯的強(qiáng)度所造成。燒結(jié)廢品分析壓坯內(nèi)部密度分布不均及壓坯原始變形產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在燒結(jié)中溫度不均或者升溫過快，受熱不均或冷卻速度不均燒結(jié)溫度過高，制品軟化，受壓力或本身重量作用裝料時(shí)壓坯歪斜或制件燒結(jié)時(shí)膨脹受擠壓燒結(jié)廢品分析4.起泡或起皮起泡是指燒結(jié)件表面岀現(xiàn)大小不一的較圓滑的凸起，同時(shí)在其他部位伴有裂紋及翹曲發(fā)生。起泡現(xiàn)象多發(fā)生在壓坯預(yù)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(fā)而引起燒結(jié)件起泡。燒結(jié)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(nèi)的添加物在高溫下迅速膨脹所致，并且有時(shí)由于燒結(jié)件嚴(yán)重氧化，再還原時(shí)就可能在其表面上產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象。燒結(jié)廢品分析過燒是由于溫度過高或者在高溫下停留時(shí)間過長所致。過燒嚴(yán)重時(shí)表面會出現(xiàn)局部熔化、歪扭、黏結(jié)等現(xiàn)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(jié)塊現(xiàn)象，在燒結(jié)時(shí)揮發(fā)造成或者石墨嚴(yán)重偏析，壓制工序中裝粉時(shí)造成石墨嚴(yán)重分層，在燒結(jié)時(shí)生成共晶熔體而流出造成熔坑。燒結(jié)時(shí)溫度過低