烧结原理

烧结原理

所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定温度（烧结温度）并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下来，从而得到所需性能的材料，这种热处理工艺叫做烧结。

烧结使多孔的粉末压坯变为具有一定组织和性能的制品，尽管制品性能与烧结前的许多工艺因素有关，但是在许多情况下，烧结工艺对最终制品组织和性能有着重大的甚至是决定性的影响。

硬质合金的烧结过程是比较复杂的，但是这些基本知识又是必须掌握的。

4.1 烧结过程的分类

烧结过程的分类方法很多，按烧结制品组元的多少可以分为单元系烧结和多元系烧结，如钨、钼条烧结属于单元系烧结，硬质合金绕结则属于多元系烧结。

按烧结时组元中相的状态分为固相烧结和液相烧结，如钨钼的烧结过程中不出现液相，属于固相烧结，硬质合金制品在烧结过程中会出现液相，属于液相烧结。按工艺特征来分，可分为氢气烧结、真空烧结、活化烧结、热等静压烧结等。许多烧结方法都能用于硬质合金的烧结。此外，还可以依烧结材料的名称来分，如硬质合金烧结，钼顶头烧结。

从学习烧结过程的实质来说，将烧结过程分为固相烧结和液相烧结两大类是比较合理的，但在生产中多按烧结工艺特点来进行分类。

4.2 烧结过程的基本变化

硬质合金压坯经过烧结后，最容易观察到的变化是压块体积收缩变小，强度急剧增大，压块孔隙度一般为50%，而烧结后制品已接近理论密度，其孔隙一般应小于0.2%，压块强度的变化就更大了，烧结前压坯强度低到无法用一般方法来测定，压坯只承受生产过程中转移时所必备的强度，而烧结后制品却能达到满足各种苛刻工作条件所需要的强度值,显然制品强度提高的幅度较之密度的提高要大得多。

制品强度及其他物理机械能的突变说明在烧结过程中压块发生了质的变化。在压制过程中，虽然由于外力的作用能增加粉末体的接触面,而颗粒中表面原子和分子还是杂乱无章的，甚至还存在有内应力，颗粒间的联结力是很弱的，但烧结后颗粒表面接触状态发生了质的变化，这是由于粉末接触表面原子﹑分子进行化学反应，以及扩散、流动、晶粒长大等物理化学变化，使颗粒间接触紧密，内应力消除，制品形成了一个强的整体，从而使其性能大大提高。

4.3 烧结过程的基本阶段

硬质合金烧结过程可以分为四个基本阶段：

１．脱除成形剂及预烧阶段，在这个阶段烧结体发生如下变化：

1）成型剂的脱除，烧结初期随着温度的升高，成型剂逐渐分解或汽化，排除出烧结体，与此同时，成型剂

或多或少给烧结体增碳，增碳量将随成型剂的种类、数量以及烧结工艺的不同而改变。

2）粉末表面氧化物被还原，在烧结温度下，氢可以还原钴和钨的氧化物，若在真空脱除成型剂和烧结时，碳氧反应还不强烈。

3）粉末颗粒间的接触应力逐渐消除，粘结金属粉末开始产生回复和再结晶，表面扩散开始发生，压块强度有所提高。

2．固相烧结阶段（800℃--共晶温度）

在出现液相以前的温度下，除了继续进行上一阶段所发生的过程外，固相反应和扩散加剧，塑性流动增强，烧结体出现明显的收缩。

3．液相烧结阶段（共晶温度--烧结温度）

当烧结体出现液相以后，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形成合金的基本组织和结构。

4．冷却阶段（烧结温度--室温）

在这一阶段，合金的组织和相成分随冷却条件的不同而产生某些变化，可以利用这一特点，对硬质合金进行热处理以提高其物理机械性能。

4.4 润湿性

硬质合金的烧结属于液相烧结，而润湿性在液相烧结过程中有重要意义。

润湿性是指液体浸润固体的能力，一滴液体滴到固体平面上，如果液体能够完全分散覆盖在固体的表面上，则称该液体能完全润湿该固体，反之则称该液体不能润湿固体，如果介于两者之间，则可说是部分润湿。

液相烧结时，若液态金属能完全润湿固体颗粒表面，则能得到孔隙非常小的烧结体，如果润湿性不良，将使烧结体出现各种缺陷。

4.5 收缩过程

烧结过程中硬质合金压块会产生明显的收缩。

一）收缩的几个阶段：不同钴含量的烧结体，在烧结过程中的收缩致可以分为三个基本阶段：

1．第一阶段：在1150℃以下作为第一阶段，在这阶段中烧结体发生了某些收缩现象，如果烧结体的完全收缩为100%的话，则此阶段的收缩只占百分之几左右。

第二阶段：在1150℃以上至液相出现之前可作为第二阶段。在这一阶段烧结体产生了剧烈的收缩，其收缩量大致占整个收缩量的80%以上。

第三阶段：液相出现以后产生的收缩量约为百分之几，烧结体成为完全致密状态。

二）影响收缩的因素

影响收缩的因素很多，常遇到的是：

1．升温速度

在正常的加热速度（每分钟几度）下，烧结体的收缩过程按照上述三个收缩阶段产生正常收缩，如果加热速度太快，则最高收缩速度阶段会移向更高的温度范围，甚至移向烧结体出现液相的温度，已发现，在较大的加速度下烧结的合金中有大量的粗孔和气泡，通常由于液相出现以后封闭了气体的排出通道所致，因此过大的加热速度对获得完全致密的烧结体是不利的。

2．压块的原始孔隙

在惰性气氛中烧结不同密度压块表明，收缩速度随压块密度降低而提高，具有不同密度的压块的相对收缩量和相对收缩速度都一样，合金的最终密度与压块的原始孔隙无关。但在活性气氛中烧结时，孔隙度大的压块很难获得完全致密的烧结体，因此，在实际工作中总是尽量提高压块的密度。

3．磨碎程度和混合料的粒度

碳化物颗粒越细，绕结体内单个孔的尺寸越小，而液体的毛细管压力与孔的半径成反比，同时两个碳化物颗粒的中心距随其颗粒的减少而缩短，因而细颗粒的粉末烧结时，彼此易于靠拢，此外，比表面越大的粉末，其固相扩散速度和液相出现以后的重排列和溶解析出速度越大，因此，经过磨碎的混合料和原始晶粒较细的混合料就有不同于一般混合料的收缩特性，它显著地降低开始出现收缩的温度，同时还提高出现液相以前的温度范围的收缩速度。

4．混合料钴含量

无疑，钴含量对出现液相以后的收缩有影响，钴量越高（液相越多）收缩速度越大，实验表明，压块中钴含量增加，不但不促进反而阻碍第一阶段的收缩，但却大大促进第二阶段的收缩，因为第二阶段的收缩机理——塑性流动，显然，钴含量的增加会促进塑性流动。

5．碳含量

烧结体碳含量的高低，影响出现液相的温度和液相的数量，因此，含碳量必然要影响整个烧结过程的收缩，从理论上讲，混合料碳量过剩，既促进第三阶段的收缩，也促进第二阶段的收缩（因为共晶点降低，有利于塑性流动），同样，对于缺碳的混合物，会降低其收缩速度。

4.6 WC---Co合金的晶粒长大

一）WC晶粒长大机理

烧结后合金的平均晶粒尺寸（1~2u）大于混合料碳化物平均晶粒尺寸（0.5~1u或0.01~1u）的现象,叫晶粒长大。WC-Co合金中WC晶粒长大通过两个阶段进行。

1．聚集再结晶