粉末冶金烧结培训讲解
粉末冶金 课程 第五章 烧结
◆以烧结钢为例 ：
Fe粉+石墨粉烧结→γ-Fe (A) →冷却→ 机械
混合物 （F+Fe3 C— 烧结钢）
A F+A F F+Fe3C Fe C0 C%→ A+Fe3C
二、互不溶系固相烧结（P252）
• 特点：组元间互不溶解，但通过烧结可制得用
“熔铸法”不能得到的“假合金” 例：Cu-W、Ag-W、 Cu-C、Ag-CdO等
有限固溶系相图
完全不互溶系相图
3) 多元系液相烧结 T低熔组元<T烧<T高熔组元 分为:
.
(1)
烧结过程始终存在液相系统
如:
WC-Co、TiC-Ni、W-Cu-Ni、W-Cu （ 2） 烧结后期液相消失系统
如：Cu-Sn、Cu-Pb、Fe-Ni-Al
（3）熔浸
为液相烧结特例，这时多孔固相骨架的烧结和低
小表示：
.
F=mt / m∞ mt —在t时间内，通过界面的物质量。
m∞—t→∞时，通过界面的物质量。
F=0-1，F=1时，相当于完全合金化。
◆P251、表4-5列出了Cu-52%Ni混合粉烧结工艺条件
和粒度大小对烧结时合金化进程的影响
0.39
②
③
L
温 度
.
L
L+A L
L+B
α+L
α
Cu 52Ni% %Ni Ni
熔金属浸透骨架后的液相烧结同时存在。
3、烧结理论的发展（略）
• 烧结理论研究围绕两个最基本问题：
1）烧结为什么会发生？ 即烧结的原动力或热力学问题 2）烧结是怎样进行的？ 即烧结的机构和动力学问题
.
目前，烧结理论的发展滞后于粉末冶金技术本身的发 展。
烧结培训
一、烧结流程烧结是将粉状物料进行高温加热，在不完全熔化条件下烧结成块状物料的方法。
（一）配料烧结处理的原料种类多，物理化学性质差异大。
同时配料可改善烧结料透气性（预配料）。
配料方法为重量配料法，使用电子皮带秤和调速圆盘。
（二）混合制粒混合作业目的有2个，一是将混合料中的各组分进行混匀，二是加水制粒。
得到粒度适宜，具有良好透气性的混合料。
（三）烧结1、布料包含布铺底料和混合料。
铺底料厚度在20-30mm，作用（保护炉篦条；防止烧结矿粘篦条；过滤作用，减少粉尘进入烟气中，保护风机转子；防止混合料堵塞篦条，保持有效抽风面积）。
混合料布料采取圆辊+九辊装置，强化偏析效果。
给料量大小可通过调节闸门和圆辊转速实现。
圆辊下部有松料器，可提高料层透气性。
2、点火保温点火要求达到足够高的点火温度并保持一定的点火时间和点火负压。
关键要求点火均匀。
前后有保温段，防止表层烧结矿急剧冷却。
3、烧结通过下部风箱强制抽风，使台车上混合料由上自下燃烧并在高温下发生物理化学反应，最后形成烧结矿。
台车上自上而下分为五带（成品带、燃烧带、预热干燥带、水汽冷凝带、原始烧结料带）。
烧结过程为固相反应、固液反应、液相反应、液相冷凝。
烧结终点温度控制在倒数第二个风箱。
烧结矿形成后在烧结机尾部翻卸，由单辊破碎机进行破碎。
（四）冷却将800度左右烧结矿冷却至小于150度。
采用鼓风冷却，有利于废热气的余热利用。
废气部分经余热锅炉产生蒸汽，部分通往机头保温段加以利用。
二烧使用双带冷机，一、三烧使用环冷机。
（五）筛分整粒筛出—5mm粒级作为返矿，10-20mm作为铺底料，其余的为成品烧结矿。
整粒后的烧结矿粒度均匀，粉末量少。
目前都采用三段整粒流程。
二、烧结矿指标（一）化学成分指标：T Fe（废样标准±1.0，稳定率标准±0.5）R （废样标准±0.12，稳定率标准±0.08）MgO[（R+0.15）±0.1]，根据炉渣调整，技术室通知（二）物理指标：转鼓强度（事故标准≥72%）筛分指数（事故标准≤6%）小粒级（一烧22，二烧26，三烧28）（三）指标不合格主要影响因素化学指标：1、白灰成分不均匀。
粉末冶金培训资料-烧结气氛
吸热性气氛的构成
甲烷 + m(空气)
1000 C + 催化剂 m = 2.0 - 2.5
吸热性气氛
m
露点-不同温度下的碳势
吸热性气氛： H2 = 40% N2 = 40% CO = 20% CO2 < 0.3% H2O < 0.5% CH4 < 1%
C%
Cr合金材料的烧结
— — — 理论的考虑因素 实际的应用因素 现场维护指导+实际经验
Fe - FeO - Fe3O4 - H2 - H2O
氧化
还原 还原
氧化
Fe - FeO - Fe3O4 - Fe3C - CO - CO2
脱碳
氧化
还原
积碳
Fe - Fe3C - C - H2 - CH4
• T
C%
• CH4 = 0.2 % is OK for C%
0.2
烧结实践
温度和分压比对 混合气体性能的 影响
(PH O / PCO PH )
2 2
Ellingham-Richardson 图
Fe + O2 4Cr + 3O2
2FeO 2Cr2O3
1120 C
温度的影响
4/3Cr + O2 温度：
2/3Cr2O3
1120/1300℃
1120 C
1300 C
Fe和烧结气氛的平衡图
• Fe - FeO - Fe3O4 - H2 - H2O 系统 • Fe - FeO - Fe3O4 - Fe3C - CO - CO2 系统 • Fe - Fe3C - C - H2 - CH4 系统
优点
• 防止零件烧结后氧化（零件变黑或变蓝）。 • 使冷却过程更稳定和具有更好的再现性。 • 控制烧结件的显微结构。 (举例来说，烧结硬化)
粉末冶金原理-烧结技术详解
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 放热型
40H2，20％CO，1％CH4，Fe-C，Fe-Cu-C等高强度零件；
39％N2
爆炸性极强
8％H2，6％CO，6％CO2，纯铁，Fe-Cu烧结零件；有爆
80％N2
炸性
2020/6/9
School of Materials Science and Engineerin24g
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。
2020/6/9
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(二) 装炉（装舟及摆料） 推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料
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2. 无脱碳烧结控制原理
在CH4/H2和CO/CO2气氛中：
1） 图中两线分别为在CO2/CO气氛
2
和CH4/H2气氛中Fe与C反应平衡时
1
气相平衡组成与温度关系
1: Fe + 2CO = （Fe，C） + CO2
③
①
②
④
2020/6/9
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● 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%
粉末冶金的烧结技术
粉末冶金的烧结技术粉末冶金是一种通过将金属或非金属粉末在一定条件下，加工成具有一定形状和尺寸的零部件的方法。
烧结技术是粉末冶金中的关键步骤之一，它将粉末颗粒通过加热并施加压力使其质点之间结合得更加牢固，形成一体化的零部件。
本文将对粉末冶金的烧结技术进行深入探讨。
一、烧结技术的基本原理和过程烧结技术是将粉末颗粒通过加热至其熔点以下，但高于材料的再结晶温度，同时施加压力，使粉末颗粒发生结合，形成一体化的零部件。
其基本原理是利用了粉末颗粒与粉末颗粒之间的扩散作用和表面张力降低效应。
烧结过程中，颗粒间的间隙先得到迅速消除，然后颗粒之间产生再结晶，通过扩散使粒间结合更为牢固。
整个烧结过程可以分为初期活化期、再结晶期和液相期三个阶段。
初期活化期是指在烧结过程开始的阶段，颗粒发生活化并形成结合，此时烧结坯体变得更为致密。
再结晶期是指烧结坯体中增强再结晶的发生。
液相期是指在达到受结合的颗粒之间的最小距离后，材料产生液相，并通过液相扩散加快了颗粒间的结合。
在这个过程中，烧结坯体结构的致密度和强度会显著提高。
二、烧结技术的主要参数在进行粉末冶金的烧结过程中，有许多参数需要注意和控制，如温度、压力、时间和气氛等。
这些参数会对烧结过程和烧结产品的质量产生重要影响。
1. 温度：温度是烧结过程的关键参数之一。
合适的温度能够使粉末颗粒迅速熔结，并形成均匀的结构。
过高或过低的温度都会影响烧结效果和质量。
2. 压力：在烧结过程中，施加的压力可以使粉末颗粒更加紧密地结合在一起。
增加压力可以提高烧结物品的致密度和强度。
3. 时间：烧结时间是烧结过程中的一个重要参数。
适当的烧结时间可以使粉末颗粒充分结合并形成致密的结构。
时间过长或过短都会影响产品的质量。
4. 气氛：烧结过程中的气氛对烧结质量和产品性能有很大影响。
不同的气氛可以对不同材料产生不同的效果。
常用的烧结气氛有氢气、氮气、氧气和真空等。
三、烧结技术的应用和优点烧结技术在现代工业中有着广泛的应用，尤其是在金属材料和陶瓷材料的制备过程中。
一、烧结基本原理精讲
一、烧结（1）、烧结基本原理烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。
烧结对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的；相反，烧结前的工序中的某些缺陷，在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整，例如适当改变温度，调节升降温时间与速度等而加以纠正。
烧结是粉末或粉末压坯，加热到低于其中基本成分的熔点温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。
烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加。
在烧结过程中发生一系列物理和化学的变化，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理，机械性能的制品或材料。
烧结时，除了粉末颗粒联结外，还可能发生致密化，合金化，热处理，联接等作用。
人们一般还把金属粉末烧结过程分类为：1、单相粉末（纯金属、古熔体或金属化合物）烧结；2、多相粉末（金属—金属或金属—非金属）固相烧结；3、多相粉末液相烧结；4、熔浸。
通常在目前PORITE微小轴承所接触的和需要了解的为前三类烧结。
通常在烧结过程中粉末颗粒常发生有以下几个阶段的变化：1、颗粒间开始联结；2、颗粒间粘结颈长大；3、孔隙通道的封闭；4、孔隙球化；5、孔隙收缩；6、孔隙粗化。
上述烧结过程中的种种变化都与物质的运动和迁移密切相关。
理论上机理为：1、蒸发凝聚；2、体积扩散；3、表面扩散；4、晶间扩散；5、粘性流动；6、塑性流动。
（2）、烧结工艺2-1、烧结的过程粉末冶金的烧结过程大致可以分成四个温度阶段：1、低温预烧阶段，在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。
在PORITE微小铜、铁系轴承中，用R、B、O（Rapid Burning Off）来代替低温预烧阶段，且铜、铁系产品经过R、B、O 后会氧化，但在本体中可以被还原，同时还可以促进烧结。
2、中温升温烧结阶段，在此阶段开始出现再结晶，首先在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒界面形成烧结颈。
烧结工艺基础知识培训讲座
水分在烧结过程中的行为和作用 烧结料中的水分主要来源于矿石、熔剂、燃料带入的水、混合 料混匀制粒时添加的水、空气中带入的水、燃料中碳氢化合物 燃烧时产生的水以及混合料中矿物分解的化合水。
一、水分的蒸发过程
? 水分在烧结过程中的蒸发可以分为以下几个阶段： ? 预热阶段
当热气体与湿料接触时，在一段很短时间内，蒸发过程进行得 较为缓慢，物料含水量没有多大变化，但物料温度却有了明显 的升高，在这段期间内，热量主要消耗于预热混合料，直至传 给物料的热量与用于汽化的热量之间达到平衡为止，这段时期 通常称为“预热阶段”。
? 常用的配料方法：容积配料法（基于物料具有一定的堆密度， 借助给料设备对添加料的容积进行控制）、重量配料法（按原 料的重量进行配料的一种方法，借助于电子皮带秤和定量给料 自动调节系统来实现自动配料。化学成分配料（借助于X射线 荧光仪分析混合料化学组成，通过电子计算机控制混合料化学 成分波动）
? 影响配料作业的因素
? 起源于资本主义发展较早的英国、瑞典和德国。
? 土烧（平地吹） ----箱式烧结机----环式烧结机 ---带式烧结机
? 1910年第一台带式烧结机在美国投产
? 1949年以前，鞍山建有 10台烧结机，总面积 330 ㎡，但工艺设备落后，生产能力低，最高产量仅 十几万吨。
? 截止2009年，全国钢铁企业拥有烧结机 210台， 总面积3690㎡，年产烧结矿 1.5亿吨。
? 当前世界最大的烧结机为 648㎡(前苏联）。
? 烧结方法的分类
? 按照设备和供风方法的不同可分为以下几种 1、鼓风烧结：平地吹（土烧结） 2、抽风烧结： （1）连续式：带式烧结机和环式烧结机 （2）间歇式：盘式烧结机 3、在烟气中烧结：回转窑烧结和悬浮烧结。
粉末冶金原理烧结
(3)粉末颗粒内晶格畸变得消除。
对烧结过程,特别就是早期阶段,作用较大得主要就是表 面能。
烧结后颗粒得界面转变为晶界面,由于晶界能更低,故总 得能量仍就是降低得。随着烧结得进行,烧结颈处得晶 界可以向两边得颗粒内移动,而且颗粒内原来得晶界也 可能通过再结晶或聚晶长大发生移动并减少。因此晶界 能进一步降低就成为烧结颈形成与长大后烧结继续进行 得主要动力
散 ● 细粉末得表面扩散作用大 ● 烧结早期孔隙连通,表面扩散得结果导致小孔隙得缩小与
消失,大孔隙长大 ● 烧结后期表面扩散导致孔隙球化 ● 金属粉末表面氧化物得还原,提高表面扩散活性
表面扩散与体积扩散得扩散激活能差别不大,
但 D v o>D so,故D v>Ds 烧结动力学方程: Kuczynski: x7/a3=(56Dsγδ4/k T)▪t Rocland: x7/a3=(34Dsγδ4/k T )▪t
1)稳定液相烧结系统如:
2)瞬时液相烧结系统如:
合金等。
对烧结过程得分类,目前并不统一。盖彻尔(就是把金属 粉得烧结分为1)单相粉末(纯金属、固溶体或金属化合 物)烧结;2) 金属或金属非金属)固相烧结; 3)多相粉末液 相烧结;4) 熔浸。她把固溶体与金属化合物这类合金粉 末得烧结瞧为单相烧结,认为在烧结时组分之间无再溶 解,故不同于组元间有溶解反应得一般多元系固相烧结。
√Cabrera:x6/a2 = k/▪t
δ为表面层厚度,采用强烈机械活化可提高有效表面活性 得厚度,从而加快烧结速度。
烧结铜粉得自扩散系 数与温度得关系
(五)晶界扩散(GB diffusion)
晶界扩散:原子或空位沿晶界进行迁移 晶界就是空位得“阱”(Sink),对烧结得贡献体现在: ● 晶界与孔隙连接,易使孔隙消失 ● 晶界扩散激活能仅为体积扩散得一半,D gb》Dv ● 细粉烧结时,在低温起主导作用,并引起体积收缩
粉末冶金原理第四部分 粉末烧结技术
52
Part 2： 粉末烧结
对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则:
• • • • K=COS(θ /2)=γ gb/2γ s E=6γ sρ Vb[K+A(1-K)]/G ρ 为烧结进行过程中的密度 对Vb微分，得致密化压力 Pd=6γ s(1-ρ )ρ 2(1-K)/[G(1-ρ o)2] ρ o为坯块的起始密度
一、作用在烧结颈上的原动力(driving force for neck growth) 二 、 烧 结 扩 散 驱 动 力 (driving force atom diffusion) 三、蒸发-凝聚物质迁移动力—蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力
37
Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
46
Part 2： 粉末烧结
• 考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为 ρ ）空位浓度的差异 空 位 浓 度 梯 度 ▽ Cv= Cvoγ Ω / （kTρ 2） • 可以发现 • ↑γ （活化） • ↓ρ （细粉） • 均有利于提高浓度梯度
47
Part 2： 粉末烧结
三、蒸发-凝聚气相迁移动力—蒸汽压差 (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)
Part 2： 粉末烧结
含 义
2 低于主要组分熔点的温度
* 固相烧结—烧结温度低于所有组分的熔点 * 液相烧结—烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
Part 2： 粉末烧结
含 义
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging →Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
粉末冶金培训资料-烧结理论
粉末冶金钢的烧结
• 为什么烧结 ? • • • • • • 烧结工艺 影响烧结的参数 烧结过程中发生了什么？ 烧结机理 烧结粉末冶金钢 烧结的类型
为什么烧结？
生坯状态 (冷焊)Leabharlann 烧结状态 (颗粒间的粘接)
金属粉末压坯
多孔金属
生坯和烧结状态
压制后
烧结后
烧结工艺
温度
1 室温
2
3
4
时间 1 脱蜡 (300 - 700℃) 2 C 分解 (800 - 950℃) 3 烧结 (1100 - 1300℃) 4 冷却 (冷却速率)
• 相变： F, P, B, M, γ • 碳化物析出
烧结的不同类型
• 温度 (< 1150 ℃, >1150 ℃) • 烧结炉 (批次炉, 推杆炉, 网带炉, 步进梁炉) • 气氛 (真空, 吸热性气氛, N2/H2) • 状态 (液相, 固相) • 压力 (常压, 增压) • 活化能 (颗粒尺寸, 形状，合金系统)
Fe - Cu 体系烧结膨胀机理
90%Fe 10%Cu 1150 ℃
烧结收缩机理
Fe-Cu 和 Fe-Cu-C 体系的尺寸变化
Cu
Cu + 1%C
影响尺寸变化的因素
• • • • • • • • 颗粒尺寸 合金元素 充填和压制不均匀 零件中合金元素分布不均匀 形成液相 烧结温度和时间 烧结炉的温度分布不均匀 烧结炉内气体流动不好
Ni 在 Fe-基的均质化
影响均质化的因素
Ni 颗粒尺寸: 5 um, 10 um 温度: 1000 - 1300C 时间: 0.5 -500 h
重要因素:
• 温度 • Ni 颗粒尺寸 • 时间
粉末冶金原理-烧结解析
按烧结过程有无液相出现
固相烧结：
单元系固相烧结：单相（纯金属、化合物、固溶体）粉末 的烧结：烧结过程无化学反应、无新相形成、无物质聚集 状态的改变。 多元系固相烧结：
烧结的机构和动力学问题
§3-2 烧结过程的热力学基础
一、烧结的基本过程
原始接触 孔隙球化
烧结颈长大
粉末等温烧结过程的三个阶段
等温烧结过程按时间大致可分为三个界限不十分明显的阶段： 1．粘结阶段 烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题
物质迁移方式Leabharlann 烧结动力学—烧结机构，即解决How的问题， 即物质迁移方式和迁移速度
上述理论在典型烧结体系中的应用
研究方法：
烧结几何学 烧结物理学
烧结化学
计算机模拟
烧结模型：两球模型、球-板模型
物质迁移机构：扩散、流动
组元间的反应（溶解、形成化合物） 及与气氛间的反应
但可能高于次要组分的熔点： WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
（二） 烧结的重要性
1）粉末冶金生产中不可缺少的基本工序之一
（磁粉芯和粘结磁性材料例外）
烧 结 的
2）对PM制品的性能有决定的影响（烧结废品很难补救， 如铁基部件的脱渗碳和严重的烧结变形）
重 要 性
3）烧结消耗是构成粉末冶金产品成本的重要组成部分 （设备、高温、长时间、保护气氛）。
借助于建立物理、几何或化学模型， 进行烧结过程的计算机模拟（蒙特-卡 洛模拟）
烧结工艺知识培训材料
烧结工艺知识培训材料在炼铁过程中铁矿石中主要以铁氧化物和脉石组成，脉石成分绝大多数为酸性，SiO2含量较高，要能使渣铁分离，必须使炉渣有一定的R，需要加入一定量的碱性熔剂，熔剂的分解需要消耗大量的热，成本增加，且粉矿入炉炉子的透气性很差，不利于高炉冶炼。
终和这些问题的弊端，给炼铁带来的不利，就发展到了粉矿造块，粉矿造块分为：烧结法（R性烧结矿）和球团法（酸性球团）。
烧结也就是将粉矿通过加热，矿粉熔化，结成块，并加入炼铁必须的碱性熔剂，使得烧结矿熔剂化。
烧结的意义：）通过烧结可为高炉提供化学成分稳定，粒度均匀、还原性好，冶金性能好的优质人造矿矿，为高炉优质、高产、低耗、长寿创造了良好的条件；2）可去除有害杂质，如硫、锌等；3）可利用工业生产的废弃物；如高炉灰、除尘灰、轧钢皮、钢渣烧结矿的化学成分稳定就考虑到原料成分的均匀稳定，并需要储存，发展到了料场：经过筛选后的矿粉到厂，也就是码头上料后的堆场称为一次料场，对原料初混有一定的作用一次料场的堆料有：定点堆料、鳞行堆料、行走堆料、条形堆料；我们使用鳞行堆料，其作用就是粒度偏析比较小定点堆料鳞行堆料行走堆料条形堆料取料：分层分段取料，这样可以保证送料量稳定、均匀、也可以提高设备的作业能力混匀的作用：使不同成分、粒度、烧结性能的各种矿粉按一定比例均匀混合，使其得到化学成分稳定、粒度均匀，烧结性能稳定，而且供料稳定长期的烧结原料矿粉混匀采用人字行行走堆料方式进行平铺留头留尾，再通过过滚式滚匀取料机进行全端面截取。
二、烧结烧结就是将各种粉状含铁原料，配入适量的熔剂，加入适量的水，经混合和造球后将混合料均匀的铺到烧结台车上，经点火、抽风烧结，在过程中借助燃料燃烧产生的一定高温，使物料发生一系列物理化学反应变化，产生一定数量的液相，经冷却后形成烧结饼，称为烧结矿，经破碎、筛分后送炼铁烧结对原辅材料的要求：1、铁矿石（矿粉）：自然界中金属铁很少见，根据其组成通常分为四大类：①磁铁矿Fe3O4，其结构致密，晶粒极小，黑色条纹，具有强磁性，S、P含量高，还原性差；②赤铁矿Fe2O3，，条纹为樱红色，具有弱磁性。
粉末冶金加工设备培训课件
粉末冶金加工设备培训课件1. 简介粉末冶金是一种重要的金属加工方法，利用粉末冶金加工设备可以制造出高强度和高性能的零部件。
本课程将介绍粉末冶金加工设备的种类、工作原理以及操作方法。
2. 粉末冶金加工设备的种类2.1 粉末制备设备粉末冶金加工的第一步是粉末的制备。
常见的粉末制备设备包括：•球磨机：通过球磨机可以将金属块料或粉末进行研磨、混合，得到所需的细粉末。
•高能球磨机：通过高能球磨机可以获得更细的粉末，提高粉末的反应活性。
2.2 加工设备粉末冶金加工的第二步是使用粉末冶金加工设备对粉末进行成形和烧结。
常见的粉末冶金加工设备包括：•压制机：通过压制机可以将金属粉末紧密地压制成所需的形状，制作出原始坯体。
•烧结炉：通过烧结炉可以将压制成型的坯体进行烧结，使得金属颗粒之间发生结合，形成致密的结构。
3. 粉末冶金加工设备的工作原理3.1 球磨机的工作原理球磨机由转筒和磨体组成，磨体在转筒内随机移动，与金属粉末发生碰撞和摩擦，从而达到研磨和混合的目的。
球磨机的工作原理如下：1.将金属块料或粉末放入球磨机转筒内。
2.启动球磨机，转筒开始旋转，磨体开始运动。
3.磨体与金属粉末发生碰撞和摩擦，金属粉末逐渐研磨成细粉末。
4.完成球磨后，取出所需的粉末。
3.2 压制机的工作原理压制机通过将金属粉末置于模具中，在模具受到高压的作用下，将粉末压制成所需的形状。
压制机的工作原理如下：1.将金属粉末置于模具中。
2.启动压制机，使模具受到高压的作用。
3.金属粉末在高压作用下形成致密的坯体。
4.取出压制好的坯体，进行后续的烧结处理。
3.3 烧结炉的工作原理烧结炉通过加热和热处理，使得金属粉末颗粒之间发生结合，形成致密的结构。
烧结炉的工作原理如下：1.将压制好的金属粉末坯体放入烧结炉中。
2.启动烧结炉，加热炉膛中的坯体。
3.坯体在高温下发生表面扩散、颗粒迁移和焊合，形成致密的结构。
4.完成烧结后，取出烧结好的零部件。
4. 粉末冶金加工设备的操作方法4.1 球磨机的操作方法使用球磨机进行粉末制备的操作方法如下：1.将金属块料或粉末放入球磨机转筒内。
粉末冶金知识讲座(2)
与传统的可锻致密材料相比，粉末冶金 材料塑性变形的规律是不同的。烧结材 料断裂时没有发现明显的宏观塑性变形 的痕迹，只有在孔隙附近的烧结颈局部 才发生明显的屈服。（CSS曲线比较）
从烧结材料的断裂现象看，一方面，孔 隙减小材料的真实断面，是应力的集中 剂，这将降低材料的临界断裂应力；另 一方面，孔隙是应力的松驰剂，在裂纹 进入孔隙时可松驰裂纹尖端的应力，即 减小应力集中因子，从而提高断裂应力 的水平。
与非烧结钢不同与非烧结钢不同烧结钢对合金烧结钢对合金元素的选择不但要考虑其对最终元素的选择不但要考虑其对最终材料性能的影响材料性能的影响还要考虑烧结还要考虑烧结时坯料尺寸的变化以及烧结后材时坯料尺寸的变化以及烧结后材料内部孔隙形貌的影响等料内部孔隙形貌的影响等
粉末冶金知识讲座（2）
浙江省冶金研究院有限公司 方宁象
从图2.1还表明，实验数据的离散性不大， 这说明弹性模量对烧结时间、原始粉末 粒度及合金化程度等不敏感。 借改变孔隙度来控制材料的弹性模量， 是粉末冶金材料的一个重要优点。
硬度 Salak半经验方程： HS=H0θk1exθp(-K2θ) 对于具体的烧结铁 HBs=831θ0.127exp(-0.049θ) 式中，HS，HBS――烧结体硬度； H0――相应可锻致密材料的硬度； K1,K2――常数。
粉末冶金烧结钢渗碳体组织
2.1.2成分特点
2.1.2.1几种铁基粉末冶金结构材料的成分 及其在电动工具中的应用： 2.1.2.2常见合金元素及其与非烧结钢的比 较
2.1.2.1几种铁基粉末冶金结构 材料的成分及其在电动工具中 的应用：
a.Fe-C 在普通碳钢中，化合碳含量与抗拉强度 密切相关。抗拉强度因化合碳含量增加 而迅速增高，一直到化合碳含量达到 1.0%；之后，随着化合碳含量增高到 1.6%缓慢地增加到最大值。
粉末冶金 第十讲 粉末烧结
液相烧结
液相烧结条件： ➢ 润湿性 ➢ 溶解度 ➢ 液相数量
液相烧结
液相烧结过程： ➢ 液相流动与颗粒重排 ➢ 固相溶解和再析出 ➢ 固相烧结
熔浸烧结
➢ 原理：将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体 金属中，让坯体内孔隙为金属液填充，冷却后 得到致密材料或零件。
粉末冶金技术 第十讲
粉末烧结
烧结的概念
➢ 粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度和适当 气氛下借助于原子迁移实现颗粒间联结和一定 性能的现象和过程
✓ 固相烧结：烧结温度低于所有组分的熔点
✓ 液相烧结：烧结温度低于主要组分的熔点但高
于次要组分的熔点
WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
烧结的概念
烧成与烧结 ➢ 烧成包括多种物理和化学变化，如脱水、
✓精整 ✓机加工 ✓热处理 ✓浸油 ✓电镀 ✓蒸汽处理
工艺参数
气孔率（1）、密度（2）、电阻（3）、强度（4）、晶粒尺寸（5）
工艺参数
烧结温度： ➢ 最低的起始烧结温度，即烧结体的某种物理或
力学性质出现明显变化的温度 ➢ 最低塔曼温度指数
烧结绝对温度 α 材料熔点
Au-0.3， Cu-0.35， Ni-0.4， Fe-0.4， Mn-0.45， W-0.4
烧结方式
➢ 无压烧结 ➢ 加压烧结 （1）热压（Hot-Pressing----HP） （2）热等静压（Hot Isostatic Pressing----HIP） （3）烧结—热等静压（Sintering-HIP）
➢自蔓延烧结 ➢微波烧结 ➢爆炸烧结 ➢电火花烧结 ➢放电等离子烧结
烧结设备
➢ 电炉：电阻炉、感应电炉 ➢ 燃料炉：固体、液体和气体燃料炉
粉末冶金烧结
粉末冶金烧结烧结一、烧结过程热力学1烧结的热力学1）金属粉末具有较大的表面积，表面能较高，粉末表面原子都力图成为内部原子，使其本身处于低能位置。
因此，粉末粒度越细，表面越不规则，表面能越大，所贮存的能量越高，烧结也易于进行。
2）晶格畸变和处于活性状态的原子，在烧结过程中也要释放一定的能量，力图恢复其正常位置。
3）ΔA = ΔU - TΔS，ΔU为粉末说具有的全部过剩能量，ΔA为其自发进行烧结的能量，T为绝对温度，ΔS为粉末状态和烧结状态的熵差，一般来说，ΔA总是小于ΔU，但是一般认为这种能量使发生烧结的原动力。
2烧结的基本过程等温烧结大致可分为三个界限不十分明显的阶段图1 烧结过程示意图1）开始阶段（粘结阶段，烧结颈形成）颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。
在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变。
但是烧结体的强度和导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显增加。
这阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。
2）中间阶段—烧结颈长大原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。
同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。
烧结颈的长大使两个颗粒合并成一个颗粒，颗粒界面成为晶界面，继续烧结，晶界迁移，在原先颗粒接触面的晶界消失，形成晶粒的组织结构。
密度和强度增高使这个阶段的主要特征。
这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。
3）最终阶段—闭孔隙球化和缩小阶段。
此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球形而且不断缩小。
这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。
但是仍有少量残留的隔离小孔不能被消除。
3烧结原动力1）根据库钦斯基的简化烧结模型，作用于烧结颈的应力为：烧结颈的曲率半径表面张力，::,ργργσ-= 孔隙网形成后对烧结起推动作用的有效力：ργ-=v s P P 当P v 增大到超过表面张应力时，隔离孔隙就停止收缩，所以再烧结最终阶段，烧结体内总会残留少部分的闭孔隙。
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缺点：网带是由耐热合金制成，一般情况最高温度 ＜1150℃，网带受耐热温度的限制，网带反复加热 和冷却，寿命较短，热损失比较大
5. 网带式连续烧结炉的基本构造介绍
预热阶段型式 高温保温阶段型式 冷却段
5.1预热阶段型式①
5.1.1 RBO（Rapid Burn Off） 原理：就是用液化石油气直接燃烧加速脱蜡
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2.3 Ni、Mo
A Ni粉在烧结时不能完全扩散，烧结状态下其组织 为浅色富Ni奥氏体区，针状马氏体或贝氏体围绕在 该区边缘。热处理状态下富Ni区为浅色，芯部为奥 氏体，周围为针状马氏体。 B 富含Cu 和 Mo的颗粒边界，形成马氏体和下贝氏 体。
预热速度比较慢，相对预热时间长，增加了预 热带的炉体长度，设备占地面积大
b “爆米花”形成原因
压坯在预热阶段，由于压坯内润滑剂（硬脂酸 锌）的分解，分解后的气体产物从粉末压坯中迅速逸 出，随炉内气氛排向炉口燃烧。如果在此阶段升温速 度过快，由于分解气体从压坯中逸出过猛，会形成压 坯表面气泡和变形
脱蜡不当所致：
（1）增高预热带气氛
（1）预热带气氛气体露点太 气体的露点
低
（2）减低网带的负载
（2）预热带长度太短
与速度
（3）烧结件密度太高
（3）加长预热带
（4）预热带温度不适合
（4）安装快速烧除装
（5）网带负载太大
置（RBO）
（6）炉子温度曲线不正确
润滑剂蒸气热分解所致：
（1）加大气氛气体的总
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2.2 C
C 碳在铁中通过扩散形成奥氏体，扩散得很快，10-20分钟内就溶解 完全。 D 当铁粉全部转变为奥氏体后，碳在其中的浓度分布仍不均匀。温 度低，烧结后将残留大量游离石墨，甚至不发生碳向奥氏体的溶解； E 烧结充分保温后冷却，奥氏体分解，形成以珠光体为主要组织组 成物的多相结构。珠光体的数量和形态取决于冷却速度，冷却愈快， 珠光体弥散度愈大，硬度与强度也愈高。如果缓慢冷却，由于孔隙 与残留石墨的作用，有可能加速石墨化过程。
a 空气/瓦斯
C3H8+5（O2+4N2） 1 ： 25
3CO2+4H2O+20N2
空气量太多，表面脱碳无金属光泽
空气量太少，燃烧不完全表面积碳不干净
b 使用温度650 ~ 750℃
温度高：去除材质内润滑剂效果好，表面燃烧脱碳 的倾向增加
预热阶段型式②
5.1.2 炉芯管的预热带 a 特点
表面脱碳的倾向相对小，主要问题是比较会有 爆米花现象
推舟式和步进梁式 c.高温烧结的目的
提高粉末冶金零件的力学性能
6.高温烧结炉简单介绍 ②
d.高温烧结Fe-Mo-Cr-Cu合金零件的优点
① 金成分更均匀 ② 高的密度 ③ 内部空隙更小 ④ 更高的屈服强度 ⑤ 极限抗拉强度提高 ⑥ 硬度提高
7.烧结气氛
一、烧结气氛的作用
①防止烧结制品氧化 ②控制碳势 ③排除炉内杂质 ④净化炉气
因为烧结温度较高，铁粉和铜粉虽然在固态下有合金化反应，但烧结体此 时组成大体和生坯相同状态 C 1083以上到1150
烧结温度高于1083度，烧结产品内的Cu颗粒进行融化，形成液相，流入铁 粉颗粒间。当铜粉颗粒融化和流出后在原颗粒的位置形成流出孔隙。这就是 含油轴承孔隙组织中的“储油孔隙”。随着温度的升高。液相Cu逐步扩散到γ 铁中形成铁铜合金，致使烧结品体积膨胀和总孔隙度再次增大。在此阶段可 认为基本形成了由“毛细状孔隙”与由Cu粉流出的储油孔隙组成含油轴承所 需要的孔隙结构 D 1150度保温0-120min
四、氨分解气氛① 1。原理
氨分解气氛是以液氨为原料，在催化剂的作用下 分解反应温度850~900℃获得的气氛、分解氨含氢量高、 含氧量极微，少量水气容易干燥除去，是一种高纯度 的还原性气氛。
2NH3
3H2+N2
四、氨分解气氛②
2。制备分解氨的流程 液氨瓶（槽） 冷却器
气化
分解炉
干燥净化系统
入炉
3。氨分解气氛管理指标 残NH3量 露点DP值
此温度下保温时间增长，孔隙逐步减小，产品产生收缩，强度徐徐增高。
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2.2 C
A 碳含量影响材料的显微组织中各相的含量，从而 严重影响材料的力学性能。 B 随着碳含量的增加，抗拉强度先增后减。在0.8% 时候最高，而延展率随碳含量的增加而呈下降趋势。 轴向膨胀率随碳含量的增加而减少。
碳势越低 ，氨分解气氛露点一般控制在-40-50 为佳
3.5 炉气检测
①CO2
红外线气体分析仪
②露点、碳势
测量用的传感器——氧探头
8.常见不良分析与对策①
故障名称
一、积炭 1、粘附性积炭
2、颗粒状积炭
现象特征
可能起因
改进对策
在烧结件的表面、底面 及侧面出现黑色污斑， 且不易擦掉
烧结件上表面覆盖一层 沉积的黑色碳粉，易擦 掉
NH3%要求0.1%以下 一般使用要求-35℃以下
四、氨分解气氛②
露点温度 ℃ 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -60 -70
表1、露点与水分含有量的对应关系
水分含有量 mg/l 51.0 39.7 30.5 23.1 17.3 12.9 9.46 6.83 4.88 3.41 2.35 1.61 1.08 0.708 0.455 0.287 0.177 0.106 0.0625 0.0197 0.0057
2.1 烧结的过程
生坯
912度
1083度
1120度
烧结颈
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2.1 Cu
A 从生坯到910度以下 此状态下，生坯为铁粉+Cu粉及粉末颗粒间的缝隙构成。600度附近开始发
生烧结现象。开始有微量收缩。温度越高烧结越大。但此时未发生合金化。 B 在910度到Cu的熔点1083以下
2.2 各元素在烧结过程的作用
2.2.3 Ni、Mo
珠光体
富Ni区形 成奥氏体
铁素体
富含Cu 和 Mo的颗粒边界，形成马氏体 和下贝氏体
3. 烧结炉的分类
按加热丝方式：分为燃料加热和电加热 按生产方式：间歇式和连续式 按传递方式：网带式、推舟式及步进梁
4. 连续烧结炉的特征和用途
网带式烧结炉是在直通式炉膛中装输送带，连续地 将放在其上的工件送入炉内，工件相对静止，平稳地通 过炉膛加热，加热时间由无级调整网带来控制工件在炉 内进行预热、烧结、冷却，最后由出炉口出炉。
预热阶段型式③
c、预热阶段作用 预热粉末压坏和烧除润滑剂
5.2 高温保温阶段型式 ①
5.2.1 有炉芯管的高温区（muffle马弗） 优点：炉子密封性好，耗气量少，电热元件及炉衬 不受炉气气氛的影响，炉内露点易维持
缺点：炉芯管的成本高，寿命不长
高温保温阶段型式 ②
5.2.2 SIC砌砖型式的高温区（brickwork） 优点：炉芯使用周期长，成本低 缺点：炉内干燥时间长，停炉砖容易吸收 水份，对炉子密封性要求高
丙烷
空气
6CO+8H2+3×3.76N2 23% 31% 46%
六、吸热式气氛②
2。吸热式气氛的制备方法 ①炉外裂解装置（例如：RX烧结炉） ②炉内裂解装置（例如：意得渗碳炉） ③内置式发生装置（例如：扬保渗碳炉）
3。吸热式气氛的制备流程
六、吸热式气氛③
4。制备可控气氛燃料要求
燃料要求：
①价格低廉 ②裂解转化完全，不易积碳黑 ③硫含量低（＜180mg/m3 ④便于运输和储存 ⑤成分稳定
二、选择烧结气氛的原则
①烧结后产品的组分不变即不氧化不脱碳 ②能还原粉末颗粒表面氧化 ③对烧结炉的加热文件、传送带、耐火材料腐蚀性小 ④使用安全 ⑤原料丰富、容易制取、成本低廉
三、烧结气氛的分类
烧结气氛可分为还原性、真空及中性（惰性）、 氧化性、渗碳性（或脱碳性）、氮化性等类型
根据制备气氛的原样不同分类： a.放热式气氛 b.吸热式气氛 c.防热—吸热式气氛 d.有机液体裂解气氛 e.氨分解气氛 f.氮基气氛 g.木炭制备气氛 h.氢气
冷热交换器将气体冷却下来，冷却后的气体喷向料 舟和产品，通过前后风门的开度调节，从而控制循 环气流量，这样就可以在一定的范围以内控制冷却 速率和产品组织转变，以形成不同特定微观结构。
冷却阶段作用 使压坯从高温缓慢冷却到再结晶温度，然后快
速冷却以得到产品的最终组织结构
6.高温烧结炉简单介绍 ①
a.温度使用范围0—1350℃ b. 高温烧结炉常见型式：
增碳与脱碳：CO2+C H2O+C 2H2+C
FeO+H2 FeO+CO
2CO CO+H2 CH4
七、炉气碳势控制原理③
3.2 炉体碳势控制 就是控制上述这些炉体成分的相对量
3.3 CO2和H2O之间的关系
CO+H2O
CO2+H2
3.4 露点、碳势（CP）、CO2三者之间的关系 在一定的烧结温度下，露点越高，CO2含量越多，
六、吸热式气氛④
国内外燃料要求对比
国别 成分 C3H8或C4H10 稀烃量
C5以上重烃
S%
中国
＞95% ＜5% ＜3% ＜0.187g/m3
日本（液化石油气标准 JISK2240）
＞98% ---
＜0.01%
七、炉气碳势控制原理①
1 碳势 就是在工艺要求温度下把炉气调整到与某种钢