粉末冶金燒結(jié)

燒結(jié)機(jī)理 在燒結(jié)過程中粉末體要經(jīng)歷一系列的物理化學(xué)變化，如水分或有機(jī)物的蒸發(fā)或揮發(fā)，吸附氣體的排除，應(yīng)力的消除，粉末顆粒表面氧化物的還原，顆粒間的物質(zhì)遷移、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等，因而使顆粒間的晶體接觸面增加,孔隙收縮甚至消失。出現(xiàn)液相時(shí),還會(huì)發(fā)生固相的溶解與析出。這些過程彼此間并無明顯的界限，而是互相重疊，互相影響。再加上其他燒結(jié)工藝條件，使整個(gè)燒結(jié)過程的反應(yīng)復(fù)雜化。1942年德國(guó)許蒂希(G.F.Hüttig)利用物理化學(xué)的研究手段測(cè)定了燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)體的電動(dòng)勢(shì)、溶解度、密度、顯微組織、力學(xué)性能等的影響，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。1949年美國(guó)庫(kù)琴斯基 (G.C.Kuczynski)研究了金屬球與金屬板的燒結(jié)，認(rèn)為燒結(jié)時(shí)的物質(zhì)遷移主要是以擴(kuò)散方式進(jìn)行的（見金屬中的擴(kuò)散）。他們的工作把燒結(jié)理論的研究推向新的階段。后來的許多研究工作都是圍繞著燒結(jié)過程中的物質(zhì)遷移機(jī)理進(jìn)行的。

燒結(jié)過程中物質(zhì)遷移 一般認(rèn)為有下列五種機(jī)理：粘性或塑性流動(dòng),蒸發(fā)和凝聚，體積擴(kuò)散，晶界擴(kuò)散,表面擴(kuò)散。兩個(gè)相互接觸的球形顆粒（圖1）燒結(jié)時(shí)，接觸頸部半徑x 的增長(zhǎng)與燒結(jié)時(shí)間t可能有下列關(guān)系：

燒結(jié)工藝 燒結(jié)必須在有保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行，以避免燒結(jié)體氧化，或發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)。燒結(jié)爐的種類很多，可用天然氣、煤氣、油、電等作熱源。電加熱爐經(jīng)濟(jì)方便，易于調(diào)節(jié)控制。常用的保護(hù)氣氛有真空，氬、氦、氮、二氧化碳等惰性氣體和氫、分解氨、一氧化碳、轉(zhuǎn)化天然氣等還原性氣體。

為了進(jìn)一步提高燒結(jié)制品的使用性能以及尺寸和形狀精度，往往要進(jìn)行整形、精整、復(fù)壓、浸油、機(jī)械加工、熱處理等后續(xù)工序。

參考書目

黃培云主編,《粉末冶金原理》，冶金工業(yè)出版社,北京，1982。

Joel S. Hirschhorn，Introduction to Powder Metallurgy，APMI,New York,1969.

F. V. Lenel，Powder Metallurgy Principles and Applications，MPIF,Princeton,New Jersey,1980.

它是粉末冶金的重要工序之一。在燒結(jié)過程中粉末顆粒要發(fā)生相互流動(dòng)、擴(kuò)散、熔解、再結(jié)晶等物理化學(xué)過程，使粉末體進(jìn)一步致密，消除其中的部分或全部孔隙。

燒結(jié)方法 通常有以下幾類：

固相燒結(jié) 燒結(jié)溫度在粉末體中各組元的熔點(diǎn)以下，一般是0.7～0.8Tm（Tm為絕對(duì)熔點(diǎn)，以K計(jì)）。

液相燒結(jié) 粉末壓坯中如果有兩種以上的組元，燒結(jié)有可能在某種組元的熔點(diǎn)以上進(jìn)行，因而燒結(jié)時(shí)粉末壓坯中出現(xiàn)少量的液相。

加壓燒結(jié) 在燒結(jié)時(shí)，對(duì)粉末體施加壓力，以促進(jìn)其致密化過程。加壓燒結(jié)有時(shí)與熱壓(hot pressing)為同義詞，熱壓是把粉末的成形和燒結(jié)結(jié)合起來，直接得到制品的工藝過程。

活化燒結(jié) 在燒結(jié)過程中采用某些物理的或化學(xué)的措施，使燒結(jié)溫度大大降低，燒結(jié)時(shí)間顯著縮短，而燒結(jié)體的性能卻得到改善和提高。

電火花燒結(jié) 粉末體在成形壓制時(shí)通入直流電和脈沖電，使粉末顆粒間產(chǎn)生電弧而進(jìn)行燒結(jié)；在燒結(jié)時(shí)逐漸地對(duì)工件施加壓力，把成形和燒結(jié)兩個(gè)工序合并在一起。

熔滲 又稱浸透。為了提高多孔毛坯的強(qiáng)度等性能，在高溫下把多孔毛坯與能潤(rùn)濕它的固態(tài)表面的液體金屬或合金相接觸，由于毛細(xì)管作用力，液態(tài)金屬會(huì)充填毛坯中的孔隙。這種工藝適合于制造鎢銀、鎢銅、鐵銅等合金材料或制品。

粉末冶金件，即用粉末冶金方法壓制成的機(jī)械零件、電器零件、磁件、硬質(zhì)合金件、高溫合金件、難熔金屬件等的坯件，主要用控制氣氛電阻爐和真空電阻爐燒結(jié)。但在燒結(jié)溫度高的場(chǎng)合(500~2400℃)也用真空感應(yīng)燒結(jié)爐燒結(jié)，特別在刀具行業(yè) 。

粉末冶金燒結(jié)爐

燒結(jié)電爐分為電阻燒結(jié)爐和感應(yīng)燒結(jié)爐兩大類，電阻燒結(jié)爐使用較多。電阻燒結(jié)爐是通過電熱元件將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡脕磉M(jìn)行燒結(jié)的電爐；感應(yīng)燒結(jié)爐是利用電磁感應(yīng)在金屬內(nèi)激勵(lì)出電流使其加熱的電爐。

按爐內(nèi)使用氣氛和真空度，電阻燒結(jié)爐分為普通氣氛電阻燒結(jié)爐和真空電阻燒結(jié)爐，感應(yīng)燒結(jié)爐亦可分為普通氣氛感應(yīng)燒結(jié)爐和真空感應(yīng)燒結(jié)爐；按爐子結(jié)構(gòu)型式，電阻燒結(jié)爐分為豎式電阻燒結(jié)爐和臥式電阻燒結(jié)爐，感應(yīng)燒結(jié)爐亦可分為豎式感應(yīng)燒結(jié)爐和臥式感應(yīng)燒結(jié)爐；按作業(yè)性質(zhì)，電阻燒結(jié)爐分為間斷式電阻燒結(jié)爐和連續(xù)式電阻燒結(jié)爐，感應(yīng)燒結(jié)爐亦可分為間斷式感應(yīng)燒結(jié)爐和連續(xù)式感應(yīng)燒結(jié)爐。此外，感應(yīng)燒結(jié)爐按使用的頻率，可分為中頻感應(yīng)燒結(jié)爐(500Hz-10kHz)和高頻感應(yīng)燒結(jié)爐(70～200kHz)。

按加熱方式，電阻燒結(jié)爐又分為間接加熱式電阻燒結(jié)爐和直接加熱式電阻燒結(jié)爐。間接加熱式電阻燒結(jié)爐是指電流通過電熱元件發(fā)出熱量，借輻射傳熱使?fàn)t膛溫度升高從而將制品加熱；直接加熱式電阻燒結(jié)爐是指電流由電源通過接頭直接流過被加熱制品使其加熱，例如，用于鎢、鉬、鉭和鈮等難熔金屬高溫?zé)Y(jié)的高溫垂熔爐便是一種典型的直接加熱式電阻燒結(jié)爐。

燒結(jié)時(shí)需要使用壓力而有加壓燒結(jié)爐，這種爐子主要用于薄層制品如粉末冶金摩擦片的燒結(jié)，鐘罩爐便是一種典型的加壓燒結(jié)爐。

電熱元件電阻燒結(jié)爐的電熱元件分為金屬電熱元件和非金屬電熱元件兩大類。金屬電熱元件有純金屬和合金兩種。純金屬電熱元件有：鉑(最高使用溫度1400℃)、鉬(最高使用溫度1600℃)、鎢(最高使用溫度21()()～2500℃)、鉭(最高使用溫度2500℃等）；合金電熱元件有：鎳鉻系(最高使用溫度1050～1100℃)、鐵鉻鋁系(最高使用溫度1300～1400℃)。非金屬電熱元件有：碳化硅(最高使用溫度1450℃)、硅化鉬(最高使用溫度1700℃)、石墨(最高使用溫度：3000℃)等。

利用金屬和合金作電熱元件的電阻燒結(jié)爐，根據(jù)電熱元件的材質(zhì)和形狀，可分為鉬絲爐、鎢絲爐、鎢棒爐、鉬片爐、鉭片爐、鎳鉻絲爐和鐵鉻鋁絲爐等。其中最有代表性的是鉬絲爐，應(yīng)用也較廣泛。鉬絲燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，工作溫度1500℃，常用來燒結(jié)粉末冶金材料和制品，特別是燒結(jié)硬質(zhì)合金。如果需要使用真空，便可制成真空鉬絲爐、真空鎢棒爐等。

圖1 臥式連續(xù)鉬絲燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)示意圖一冷卻水進(jìn)口；2氫氣進(jìn)口；3冷卻水出口；4一鉬絲；5一爐殼；6高溫測(cè)溫計(jì)；7一熱電偶8鎳鉻片；9氫氣出口；10 點(diǎn)火裝置}11一推舟裝置；1 2 電動(dòng)機(jī)；1 3減速器；14 爐架

利用非金屬作電熱元件的電阻燒結(jié)爐，根據(jù)電熱元件的材質(zhì)和形狀，可分為碳化硅棒爐、碳管爐、炭布爐等。碳化硅棒爐的工作溫度為13001℃，常用來燒結(jié)粉末冶金鐵基制吊；炭布爐的工作溫度為1300～1600℃，常用來燒結(jié)硬質(zhì)臺(tái)金；碳管爐的工作溫度為1200～1800℃，主要用作碳化，有時(shí)也可用作燒結(jié)爐。碳管爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。如果需要使用真空，則可制成真空碳管爐。

發(fā)展為了提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，在粉末冶金鐵基制品的燒結(jié)中，發(fā)展了金屬網(wǎng)帶傳送式燒結(jié)爐和步進(jìn)梁式燒結(jié)爐。金屬網(wǎng)帶傳送式燒結(jié)爐的電熱元件，低溫段用鎳鉻絲，高溫段用碳化硅棒，工作溫度可達(dá)1300℃。在高溫段也有用高溫鐵鉻鋁鈷合金絲作電熱元件的，步進(jìn)梁式燒結(jié)爐的電熱元件，低溫段用0Cr25Al5鐵鉻鋁絲，高溫段用鉬絲或高溫鐵鉻鋁鈷合金絲，也有用碳化硅棒的。

為了提高硬質(zhì)合金的性能，在硬質(zhì)合金燒結(jié)中，20世紀(jì)80年代發(fā)展了低壓熱等靜壓真空燒結(jié)裝置，把脫蠟、燒結(jié)、熱等靜壓(低壓)集中于一套設(shè)備內(nèi)。對(duì)于鈦、鈮、鉭、鋯和反應(yīng)堆用金屬材料的熱處理以及對(duì)于需要在潔凈環(huán)境中進(jìn)行金屬材料的退火者，需要在高真空中進(jìn)行。20世紀(jì)70年代發(fā)展了一種連續(xù)式電子束退火爐。

圖2碳管爐結(jié)構(gòu)示意圖1 石墨管；2一炭黑；3一石墨套；4一導(dǎo)電鋼套；5一輻射高溫計(jì)孔 6推舟裝置；7壓縮空氣；8一冷卻水入口；9冷卻水出口2100433B