《粉末冶金原理》 第五章 烧结技术 Sintering Technology

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1 《粉末冶金原理》 第五章 烧结技术 Sintering Technology
程继贵 材料科学与工程学院 2019/2/28

2 本章内容 §5.1 烧结工艺 §5.2 烧结气氛 §5.3 烧结炉 §5.4 特殊烧结技术和烧结新技术 2019/2/28

3 第一节 烧结工艺 烧结基本工艺过程：粉末压坯→装料（装炉、烧结前的准备）→烧结（预热、保温、冷却）→出炉→烧结体 一、烧结前的准备
（一）压坯的检查 ● 目的：去除尺寸、单重不合格或有掉边、掉角、分层、裂纹等缺陷的压坯，减少烧结废品。 ● 方法：抽检、肉眼观察、仪器检测。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

4 推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料
(二) 装炉（装舟及摆料） 推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

5 指压坯摆放的松紧程度、舟中装料的深浅、压坯摆放的方向（横放、竖放）等。 →影响烧结炉中的气氛流动、传热、烧结体的变形、表面状态等。
1. 装炉量 影响生产率; 压坯之间的接触影响烧结时的粘接和变形; 装炉量受网带高温强度的限制。 2. 装炉方式 指压坯摆放的松紧程度、舟中装料的深浅、压坯摆放的方向（横放、竖放）等。 →影响烧结炉中的气氛流动、传热、烧结体的变形、表面状态等。 →注意细长薄壁零件的装炉 →某些情况下采用填料装舟或烧舟密封 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

6 铁基制品烧结温度的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力学性能）和用途（结构件、减摩件）等来确定。
二、铁铜基粉末冶金零件烧结工艺简介 （一）烧结工艺参数对铁基零件性能的影响 烧结工艺参数：烧结温度、烧结时间、加热及冷却速度、烧结气氛等 1. 烧结温度 铁基制品烧结温度的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力学性能）和用途（结构件、减摩件）等来确定。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

7 1050-1200oC 加热 烧结保温 水冷 时间，hr 空冷 温度 ℃
2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

8 铁基制品烧结温度范围 序号 烧结温度（±10℃） 适用制品范围举例 1 1050 高碳（石墨2.5％以上）、低密度（＜6.0g/cm3 ）
1080 含油轴承、气门导管，石墨添加量1.5～2.5％的减摩零件 3 1120 铁基结构零件（Fe-C、Fe-Cu-C），石墨添加量＜1％时，一次烧结工艺 4 ＞1150 中高强度结构零件（石墨添加量＜1％，添加适量合金元素），或复压复烧工艺中的高温烧结 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

9 ● 铁基制品烧结时间的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、单重、几何尺寸、壁厚、密度、装炉方式等；
2. 烧结时间 ● 铁基制品烧结时间的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、单重、几何尺寸、壁厚、密度、装炉方式等； ● 烧结时间与烧结温度有关； ● 一般烧结时间1.5-3h。 ● 在连续炉中，保温时间： t = L/l ▪n t — 保温时间（min） L— 烧结带长度（cm） l — 烧舟或石墨板长度（cm） n — 推舟间隔（min/舟） 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

10 → 3. 升温及冷却速度 ● 升温速度影响润滑剂等的挥发速度； ● 冷却速度影响制品的微观结构和性能
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11 冷却方式对抗拉强度的影响（kgf/mm2）
铁 铜 制 品 中 的 含 铜 量 （％） 2 4 8 A 13.16 20.3 28.4 36.9 B 18.9 29.8 34.5 C 11.6 15.3 20.1 23 D 12.5 18.5 21.7 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

12 （二）铜基粉末冶金零件烧结工艺简介 纯铜Cu 青铜Cu-Sn 黄铜Cu-Zn 镍银Cu-Ni-Zn 烧结的主要特点：
6-6-3青铜 90/10青铜 黄铜Cu-Zn 纯铜Cu 镍银Cu-Ni-Zn 烧结的主要特点： ● 不同材料烧结温度相差较大 ℃ → ● (焙烘）预氧化烧结的采用（部分）→ ● 普遍采用网带式烧结炉 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

13 几种铜合金的烧结温度范围 烧结材料 成 分 （％） 烧结温度范围（℃） Cu Zn Sn Ni Pb 6-6-3青铜 其余 5～7 －
成 分 （％） 烧结温度范围（℃） Cu Zn Sn Ni Pb 6-6-3青铜 其余 5～7 － 2～4 750～830 90Cu-10Sn青铜 9～11 纯铜 100 750～1000 70-30黄铜 67～70 825～900 Cu-Ni-Zn合金 65 20～21 14～15 940～1080 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

14 焙烘的目的（常用于Cu、青铜）： ● 充分挥发并烧除硬脂酸锌润滑剂； ● 使粉末颗粒表面氧化，得到薄层氧化物，实现活化烧
结，温度 ℃，氧化物层厚＜500A。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

15 三、烧结缺陷分析 ● 鼓泡：圆滑凸起 1. 形状与尺寸缺陷： ● 变形与翘曲 ● 尺寸超差 2. 分层与开裂 3. 鼓泡与麻点
● 变形与翘曲 ● 尺寸超差 2. 分层与开裂 3. 鼓泡与麻点 ● 鼓泡：圆滑凸起 ● 麻点：黑麻点、白亮麻点 4. 过烧与欠烧 ● 过烧：粘接、局部熔化 ● 欠烧：未烧好 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

16 ● 氧化：多出现于烧结降温阶段 5. 氧化与脱碳 ● 脱碳：氧化的另一种形式，多发生于高温烧结阶段 6. 金相组织缺陷 ● 大块渗碳体聚集
● 二次网状渗碳体缺陷 ● 大块渗碳体聚集 ● 连通孔隙缺陷 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

17 第二节 烧结气氛 Sintering atmosphere
一、概述 1. 烧结气氛的作用 控制烧结体与环境之间的化学反应 …… 1）保护作用：减少环境对制品的影响，如防氧化、脱碳 2）净化作用：及时带走烧结坯体中润滑剂和成形剂的分解产物等 3）维持或改变烧结材料中的有用成分：活化气氛、渗碳气氛 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

18 2. 烧结气氛的分类 瓷的烧结：空气 ● 还原性气氛：含有H2或CO组份的烧结气氛：
● 氧化性气氛：如纯Ag或Ag-氧化物复合材料及氧化物陶 瓷的烧结：空气 ● 还原性气氛：含有H2或CO组份的烧结气氛： 硬质合金烧结用氢气氛，铁基、铜基粉末冶金零件的含氢气氛（氨分解气） ● 惰性或中性气氛：Ar、He、N2、真空 ● 渗碳气氛：含有较高的导致烧结体渗碳的组元，如 CO，CH4，碳氢化合物气体 ● 氮基气氛：含氮量很高的烧结气氛： 10% H2 +N2 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

19 3. 烧结气氛的选用原则 ● 保持烧结体成分基本不变（特殊除外）； ● 一定的还原性（许多情况下需要）； ● 腐蚀性小；
● 保持烧结体成分基本不变（特殊除外）； ● 一定的还原性（许多情况下需要）； ● 腐蚀性小； ● 对人无害，生产、使用安全 ● 成本—来源、制取工艺 国外粉末冶金工业用烧结气氛举例 气氛种类 应用所占比例 应用举例 吸热型气体 70％ 碳钢 分解氨气体 20％ 不锈钢、碳钢 放热型气体 5％ 铜基材料 H2、N2、真空 铝基材料及其它 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

20 不同烧结气氛的成本比较： 以电解氢的成本为参考： H2：1.0； 氮基（nitrogen-based）气氛： 0.6；
分解氨（dissociated ammonia）： 0.4； 吸热性气氛(endothermal gas)： ； 放热性气氛(exothermal gas)： ； 真空(vaccum)：昂贵（设备投资大） 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

21 二、吸热型气氛和放热型气氛 ● 转化气的概念：以碳氢化合物气体（天然气、石油气、焦炉煤气）为原料，采用空气或水蒸气在高温下进行反应，而得到的以H2、CO、CO2、N2为主，并含有少量CH4和H2O的混合气体。 由天然气转化—— 称为转化天然气…… 由煤气转化 ——？ 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

22 ● 放热型气体：制备转化气时，原料气体与空气按一定比例通过转化器，若空气与原料气体比例较高，反应过程中放出的热量足够维持转化器的反应温度，不需外部向反应器供热，由此得到的转化气。
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23 ● 吸热型气体：制备转化气时，若空气与原料气体比例较低，反应过程中放出的热量不足以维持转化器的反应温度，需外部向反应器供热，由此得到的转化气称……
2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

24 ▲ 吸热、放热型气体比较 ● 放热型气氛制备时空气比例较高，燃料气完全燃烧，而吸热型气氛制备时空气比例较低，燃料气不完全燃烧；
● 放热型气氛制备时空气比例较高，燃料气完全燃烧，而吸热型气氛制备时空气比例较低，燃料气不完全燃烧； ● 放热型气氛中CO2含量较高，而吸热型气氛中中可能有少量未燃烧的燃料（CH4）； ●吸热、放热型气体的标准成分！表5-14 铁制品烧结用转化气体标准成分及应用 气体 标准成分 应用举例 吸热型 40H2，20％CO，1％CH4，39％N2 Fe-C，Fe-Cu-C等高强度零件；爆炸性极强 放热型 8％H2，6％CO，6％CO2，80％N2 纯铁，Fe-Cu烧结零件；有爆炸性 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

25 ①区: 1、2向右； ②区: 1、2向左； 三、铁基制品无氧化无脱碳烧结控制原理 1. 无氧化烧结控制原理
在含有H2/H2O、CO/CO2气氛中： ① ② ③ ④ 1、2两线分别为CO和H2还原FeO平衡时的气相平衡组成与温度关系，线左还原，线右氧化。 1: FeO + CO = Fe + CO2 2: FeO + H2 = Fe + H2O ①区: 1、2向右； ②区: 1、2向左； ③区：1左2右； ④区：1右2左 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

26 ● 随温度升高，欲保持CO/CO2气氛的还原性，需降低CO2%
① ② ③ ④ ● 要无氧化烧结 ，应在①区； ● ＞800℃ H2还原区域更大； ● 随温度升高，欲保持CO/CO2气氛的还原性，需降低CO2% ● CO和H2的还原能力随温度变化规律相反。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

27 2. 无脱碳烧结控制原理 在CH4/H2和CO/CO2气氛中：
1 2 1） 图中两线分别为在CO2/CO气氛和CH4/H2气氛中Fe与C反应平衡时气相平衡组成与温度关系 1: Fe + 2CO = （Fe，C） + CO2 2: Fe + CH4 = （Fe，C） + 2H2 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

28 2） CO2/CO中，T↑，发生脱碳的 CO2平衡浓度很低，说明高温在CO2/CO中易脱碳；T＜700℃，脱碳趋势降低；
3） CH4/H2气氛中，通常烧结温度下，气氛中少量CH4（＞1%）的存在，可能导致渗碳； 4） 一般转化气中，脱碳、渗碳还与气氛露点有关。→气氛碳势控制 1 2 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

29 ● 气氛碳势：气氛的相对含碳量，相当于一定温度下气氛与一定含碳量的烧结材料达到反应平衡时（不渗碳、不脱碳），该材料中的碳含量。
四、可控碳势气氛和气氛碳势控制原理 （一）气氛碳势和可控碳势气氛 ● 气氛碳势：气氛的相对含碳量，相当于一定温度下气氛与一定含碳量的烧结材料达到反应平衡时（不渗碳、不脱碳），该材料中的碳含量。 ● 可控碳势气氛：为控制或调整烧结钢的含碳量，而向烧结体系中引入的经过制备的气体介质的总称。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

30 ▲ 吸热型气氛 ● 可控碳势气氛的分类 ▲ 放热型气氛 ▲ 分解氨气氛→ ▲ H2气氛 ▲ N2基气氛 ▲ 真空气氛
● 可控碳势气氛的分类 ▲ 吸热型气氛 ▲ 放热型气氛 ▲ 分解氨气氛→ ▲ H2气氛 ▲ N2基气氛 ▲ 真空气氛 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

31 School of Materials Science and Engineering
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32 关键是控制气氛中CO2、H2O的量 （二）气氛碳势控制原理 ▲ H2O量的控制—露点
露点：在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结成雾的温度，气氛中含水量愈多，露点愈高。 露点可采用露点仪测量：利用LiCl的吸水导电性测量 ▲ CO2的量的控制—红外吸收分析仪测定 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

33 五、真空烧结 （一）真空烧结的特点 实质上是减压烧结，真空度一般10-1-10-5mmHg （1.3×10-1.3 ×10-3Pa）。
● 减少气氛中有害成分对产品的脏化； ● 是较为理想的中性气氛 ● 可改善液相烧结时的润湿角； ● 有利于Si、Al、Mg、Ca等杂质及其氧化物的排除→净化； ● 有利于排除吸附气体，对后期收缩作用明显； ● 设备投资大，单炉产量低。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

34 （二）真空烧结技术难点（关键）及控制 1. 真空的获得→真空泵： 机械真空泵、扩散真空泵、分子泵 2. 粘接金属等的挥发
1. 真空的获得→真空泵： 机械真空泵、扩散真空泵、分子泵 2. 粘接金属等的挥发 ▲ 影响合金的最终组成，阻碍烧结 ▲ 影响因素： 金属本身的蒸气压、真空度、烧结温度 ▲解决：控制真空度（绝对压力）高于烧结温度下的蒸气压 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

35 真空烧结易于排除杂质和吸附气体，促进烧结，达到与气氛烧结相同的致密化程度，烧结温度可以降低50-150℃。
3. 含碳材料烧结时的脱碳 主要发生于烧结升温阶段 （三）真空烧结工艺参数 真空烧结易于排除杂质和吸附气体，促进烧结，达到与气氛烧结相同的致密化程度，烧结温度可以降低50-150℃。 在与气氛烧结相同的烧结温度下，可以缩短烧结时间。 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

36 第三节 烧结炉 Sintering furnaces
一、概述 ● 粉末冶金烧结炉与其他冶金炉不同，必须带有保护 气氛或为真空炉。 ● 烧结炉的温度控制非常重要，对升温和冷却速率 都有要求。 ● 大多数烧结炉有三个温度带（区）： 预热带、高温带、冷却带 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

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38 ● 粉末冶金烧结炉的分类 按装炉的 连续性 烧结炉 按加热方式 按气氛 其他分类：按烧结温度、按送料机构…… 连续式烧结炉 间歇式烧结炉
燃料加热烧结炉…… 电加热烧结炉…… 其他烧结炉 按气氛 气氛烧结炉…… 真空烧结炉 其他分类：按烧结温度、按送料机构…… 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

39 二、带有保护气氛的连续式烧结炉 （一） 炉子结构 School of Materials Science and Engineering
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41 （二） 压坯传输方式 1. 网带式传输 School of Materials Science and Engineering
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42 School of Materials Science and Engineering
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43 School of Materials Science and Engineering
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44 Examples of Sintering Production Lines
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45 School of Materials Science and Engineering
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46 2. 辊底式传输 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

47 School of Materials Science and Engineering
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48 3. 推杆式传输 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

49 School of Materials Science and Engineering
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50 School of Materials Science and Engineering
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51 4. 步进梁式传输 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

52 School of Materials Science and Engineering
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53 三、真空烧结炉 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

54 School of Materials Science and Engineering
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55 第四节 特殊烧结技术和烧结新技术 一、活化烧结√ 二、熔渗烧结√ 三、热压烧结√ 四、组合烧结法 五、烧结后处理 六、电火花烧结
七、微波烧结 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

56 （一）过盈烧结法 四、组合烧结法 作用：通过烧结把不同形状、不同材质的压坯结合，获得复杂形状或各部位具有不同性能的制品。
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57 （二） 熔渗烧结法 （三） 钎焊烧结法 School of Materials Science and Engineering
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59 ● 机械加工 五、烧结后处理 ● 热处理 孔隙的存在影响导热性，对加热、冷却速度、淬火介质提出特殊要求 ● 水蒸汽处理
提高硬度、耐磨性、气密性等的重要后处理 2019/2/28 School of Materials Science and Engineering

60 六、电火花烧结 （自学） 七、微波烧结 （略） School of Materials Science and Engineering
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61 思考题 教材第五章：13、14、15、16 School of Materials Science and Engineering
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62 The End of Chapter 5 School of Materials Science and Engineering
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63 Thanks a lot for your attention
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64 致谢 特此感谢！ 课件制作参考了 部分网上教学资源及内部交流资料
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