解讀燒結(jié)的原理及工藝

　　燒結(jié)是一種高溫?zé)崽幚?，將壓坯或松裝粉末體置于適當(dāng)?shù)臍夥罩?，在低于其主要成分熔點(diǎn)的溫度下保溫一定時(shí)間，以獲得具有所需密度、強(qiáng)度和各種物理及力學(xué)性能的材料或制品的工序。它是粉末冶金生產(chǎn)過程關(guān)鍵的、基本的工序之一，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。用粉末燒結(jié)的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復(fù)合材料。

1、燒結(jié)基本原理

　　燒結(jié)過程與燒結(jié)爐、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)條件的選擇和控制等方面有關(guān)，因此，燒結(jié)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。燒結(jié)前壓坯中粉末的接觸狀態(tài)為顆粒的界面，可以區(qū)分并可分離，只是機(jī)械結(jié)合。燒結(jié)狀態(tài)時(shí)，粉末顆粒接觸點(diǎn)的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為冶金結(jié)合，顆粒界面為晶界面。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，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)過程示意圖

　　燒結(jié)的機(jī)理：粉末壓坯具有很大的表面能和畸變能，并隨粉末粒徑的細(xì)化和畸變量的增加而增加，結(jié)構(gòu)缺陷多，因此處于活性狀態(tài)的原子增多，粉末壓坯處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，并力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫，為粉末原子所儲(chǔ)存的能量釋放創(chuàng)造了條件，由此引起粉末物質(zhì)的遷移，使粉末體的接觸面積增大，導(dǎo)致孔隙減小，密度增大，強(qiáng)度增加，形成了燒結(jié)。

　　按燒結(jié)過程中有無液相出現(xiàn)和燒結(jié)系統(tǒng)的組成，燒結(jié)可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。如果燒結(jié)發(fā)生在低于其組成成分熔點(diǎn)的溫度，粉末或壓坯無液相形成，則產(chǎn)生固相燒結(jié)；如果燒結(jié)發(fā)生在兩種組成成分熔點(diǎn)之間，至少有兩種組分的粉末或壓坯在液相狀態(tài)下，則產(chǎn)生液相燒結(jié)。固相燒結(jié)用于結(jié)構(gòu)件，液相燒結(jié)用于特殊的產(chǎn)品。液相燒結(jié)時(shí)，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結(jié)速度快，制品強(qiáng)度高。普通鐵基粉末冶金軸承燒結(jié)時(shí)不出現(xiàn)液相，屬于固相燒結(jié)；而硬質(zhì)合金與金屬陶瓷制品燒結(jié)過程將出現(xiàn)液相，屬于液相燒結(jié)。

2、燒結(jié)工藝

　　粉末冶金零件燒結(jié)工藝根據(jù)零件的材料、密度、性能等要求，確定工藝條件及各項(xiàng)參數(shù)。燒結(jié)工藝參數(shù)包括兩個(gè)方面，一為燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度；二為合適的燒結(jié)氣氛及控制氣氛中各成分的比例。

　　粉末冶金零件壓坯完成一次燒結(jié)需要不同的溫度和時(shí)間。通常燒結(jié)分三個(gè)階段，分別是預(yù)燒、燒結(jié)和冷卻。

　　為了保證潤(rùn)滑劑的充分排除以及氧化膜的徹底還原，預(yù)燒應(yīng)有一定時(shí)間，且時(shí)間長(zhǎng)短與潤(rùn)滑劑添加量和壓坯大小有關(guān)。預(yù)燒之后，將燒結(jié)零件送入高溫區(qū)燒結(jié)，燒結(jié)溫度可根據(jù)燒結(jié)組元熔點(diǎn)、粉末的燒結(jié)性能及零件的要求有關(guān)。通常對(duì)于固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度為主要組元熔點(diǎn)溫度的0.7~0.8倍。燒結(jié)結(jié)束后，燒結(jié)零件進(jìn)入冷卻區(qū)，冷卻至規(guī)定溫度或室溫，然后出爐。零件從高溫冷卻至室溫會(huì)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)和相溶解度的變化，將會(huì)影響產(chǎn)品的最終性能，冷卻速度對(duì)其有決定作用，因此，需要控制冷卻速度。

　　燒結(jié)時(shí)最主要的因素是燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和大氣環(huán)境，此外，燒結(jié)制品的性能也受粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等因素的影響。燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間必須嚴(yán)格控制。燒結(jié)溫度過高或燒結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，都會(huì)使壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產(chǎn)生所謂“過燒”的廢品；如燒結(jié)溫度過低或燒結(jié)時(shí)間過短，則產(chǎn)品的結(jié)合強(qiáng)度等性能達(dá)不到要求，產(chǎn)生所謂“欠燒”的廢品。