粉末冶金烧结

烧结机理 在烧结过程中粉末体要经历一系列的物理化学变化，如水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原，颗粒间的物质迁移、再结晶、晶粒长大等，因而使颗粒间的晶体接触面增加,孔隙收缩甚至消失。出现液相时,还会发生固相的溶解与析出。这些过程彼此间并无明显的界限，而是互相重叠，互相影响。再加上其他烧结工艺条件，使整个烧结过程的反应复杂化。1942年德国许蒂希(G.F.Hüttig)利用物理化学的研究手段测定了烧结温度对烧结体的电动势、溶解度、密度、显微组织、力学性能等的影响，发现烧结是一个十分复杂的过程。1949年美国库琴斯基 (G.C.Kuczynski)研究了金属球与金属板的烧结，认为烧结时的物质迁移主要是以扩散方式进行的（见金属中的扩散）。他们的工作把烧结理论的研究推向新的阶段。后来的许多研究工作都是围绕着烧结过程中的物质迁移机理进行的。

烧结过程中物质迁移 一般认为有下列五种机理：粘性或塑性流动,蒸发和凝聚，体积扩散，晶界扩散,表面扩散。两个相互接触的球形颗粒（图1）烧结时，接触颈部半径x 的增长与烧结时间t可能有下列关系：

烧结工艺 烧结必须在有保护气氛的烧结炉内进行，以避免烧结体氧化，或发生不利的化学反应。烧结炉的种类很多，可用天然气、煤气、油、电等作热源。电加热炉经济方便，易于调节控制。常用的保护气氛有真空，氩、氦、氮、二氧化碳等惰性气体和氢、分解氨、一氧化碳、转化天然气等还原性气体。

为了进一步提高烧结制品的使用性能以及尺寸和形状精度，往往要进行整形、精整、复压、浸油、机械加工、热处理等后续工序。

参考书目

黄培云主编,《粉末冶金原理》，冶金工业出版社,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。在烧结过程中粉末颗粒要发生相互流动、扩散、熔解、再结晶等物理化学过程，使粉末体进一步致密，消除其中的部分或全部孔隙。

烧结方法 通常有以下几类：

固相烧结 烧结温度在粉末体中各组元的熔点以下，一般是0.7～0.8Tm（Tm为绝对熔点，以K计）。

液相烧结 粉末压坯中如果有两种以上的组元，烧结有可能在某种组元的熔点以上进行，因而烧结时粉末压坯中出现少量的液相。

加压烧结 在烧结时，对粉末体施加压力，以促进其致密化过程。加压烧结有时与热压(hot pressing)为同义词，热压是把粉末的成形和烧结结合起来，直接得到制品的工艺过程。

活化烧结 在烧结过程中采用某些物理的或化学的措施，使烧结温度大大降低，烧结时间显著缩短，而烧结体的性能却得到改善和提高。

电火花烧结 粉末体在成形压制时通入直流电和脉冲电，使粉末颗粒间产生电弧而进行烧结；在烧结时逐渐地对工件施加压力，把成形和烧结两个工序合并在一起。

熔渗 又称浸透。为了提高多孔毛坯的强度等性能，在高温下把多孔毛坯与能润湿它的固态表面的液体金属或合金相接触，由于毛细管作用力，液态金属会充填毛坯中的孔隙。这种工艺适合于制造钨银、钨铜、铁铜等合金材料或制品。

粉末冶金件，即用粉末冶金方法压制成的机械零件、电器零件、磁件、硬质合金件、高温合金件、难熔金属件等的坯件，主要用控制气氛电阻炉和真空电阻炉烧结。但在烧结温度高的场合(500~2400℃)也用真空感应烧结炉烧结，特别在刀具行业 。

粉末冶金烧结炉

烧结电炉分为电阻烧结炉和感应烧结炉两大类，电阻烧结炉使用较多。电阻烧结炉是通过电热元件将电能转变为热能用来进行烧结的电炉；感应烧结炉是利用电磁感应在金属内激励出电流使其加热的电炉。

按炉内使用气氛和真空度，电阻烧结炉分为普通气氛电阻烧结炉和真空电阻烧结炉，感应烧结炉亦可分为普通气氛感应烧结炉和真空感应烧结炉；按炉子结构型式，电阻烧结炉分为竖式电阻烧结炉和卧式电阻烧结炉，感应烧结炉亦可分为竖式感应烧结炉和卧式感应烧结炉；按作业性质，电阻烧结炉分为间断式电阻烧结炉和连续式电阻烧结炉，感应烧结炉亦可分为间断式感应烧结炉和连续式感应烧结炉。此外，感应烧结炉按使用的频率，可分为中频感应烧结炉(500Hz-10kHz)和高频感应烧结炉(70～200kHz)。

按加热方式，电阻烧结炉又分为间接加热式电阻烧结炉和直接加热式电阻烧结炉。间接加热式电阻烧结炉是指电流通过电热元件发出热量，借辐射传热使炉膛温度升高从而将制品加热；直接加热式电阻烧结炉是指电流由电源通过接头直接流过被加热制品使其加热，例如，用于钨、钼、钽和铌等难熔金属高温烧结的高温垂熔炉便是一种典型的直接加热式电阻烧结炉。

烧结时需要使用压力而有加压烧结炉，这种炉子主要用于薄层制品如粉末冶金摩擦片的烧结，钟罩炉便是一种典型的加压烧结炉。

电热元件电阻烧结炉的电热元件分为金属电热元件和非金属电热元件两大类。金属电热元件有纯金属和合金两种。纯金属电热元件有：铂(最高使用温度1400℃)、钼(最高使用温度1600℃)、钨(最高使用温度21()()～2500℃)、钽(最高使用温度2500℃等）；合金电热元件有：镍铬系(最高使用温度1050～1100℃)、铁铬铝系(最高使用温度1300～1400℃)。非金属电热元件有：碳化硅(最高使用温度1450℃)、硅化钼(最高使用温度1700℃)、石墨(最高使用温度：3000℃)等。

利用金属和合金作电热元件的电阻烧结炉，根据电热元件的材质和形状，可分为钼丝炉、钨丝炉、钨棒炉、钼片炉、钽片炉、镍铬丝炉和铁铬铝丝炉等。其中最有代表性的是钼丝炉，应用也较广泛。钼丝烧结炉的结构示意图如图1所示，工作温度1500℃，常用来烧结粉末冶金材料和制品，特别是烧结硬质合金。如果需要使用真空，便可制成真空钼丝炉、真空钨棒炉等。

图1 卧式连续钼丝烧结炉结构示意图一冷却水进口；2氢气进口；3冷却水出口；4一钼丝；5一炉壳；6高温测温计；7一热电偶8镍铬片；9氢气出口；10 点火装置}11一推舟装置；1 2 电动机；1 3减速器；14 炉架

利用非金属作电热元件的电阻烧结炉，根据电热元件的材质和形状，可分为碳化硅棒炉、碳管炉、炭布炉等。碳化硅棒炉的工作温度为13001℃，常用来烧结粉末冶金铁基制吊；炭布炉的工作温度为1300～1600℃，常用来烧结硬质台金；碳管炉的工作温度为1200～1800℃，主要用作碳化，有时也可用作烧结炉。碳管炉的结构示意图如图2所示。如果需要使用真空，则可制成真空碳管炉。

发展为了提高生产效率和保证产品质量，在粉末冶金铁基制品的烧结中，发展了金属网带传送式烧结炉和步进梁式烧结炉。金属网带传送式烧结炉的电热元件，低温段用镍铬丝，高温段用碳化硅棒，工作温度可达1300℃。在高温段也有用高温铁铬铝钴合金丝作电热元件的，步进梁式烧结炉的电热元件，低温段用0Cr25Al5铁铬铝丝，高温段用钼丝或高温铁铬铝钴合金丝，也有用碳化硅棒的。

为了提高硬质合金的性能，在硬质合金烧结中，20世纪80年代发展了低压热等静压真空烧结装置，把脱蜡、烧结、热等静压(低压)集中于一套设备内。对于钛、铌、钽、锆和反应堆用金属材料的热处理以及对于需要在洁净环境中进行金属材料的退火者，需要在高真空中进行。20世纪70年代发展了一种连续式电子束退火炉。

图2碳管炉结构示意图1 石墨管；2一炭黑；3一石墨套；4一导电钢套；5一辐射高温计孔 6推舟装置；7压缩空气；8一冷却水入口；9冷却水出口2100433B