烧结基本原理

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。

3、高温保温完成烧结阶段，此阶段是烧结得主要过程，如扩散和流动充分地进行和接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使得孔隙尺寸和孔隙总数均有减少，烧结体密度明显增加4、冷却阶段：实际的烧结过程，都是连续烧结，所以从烧结温度缓慢冷却一段时间然后快冷，到出炉量达到室温的过程，也是奥氏体分解和最终组织逐步形成阶段。

通常所说的温度，是指最高烧结温度，即保温的温度，一般是绝对熔点温度的1/2~4/5温度指数a=0.67~0.80，其低限略高于再结晶温度，其上限主要从经济及技术上考虑，而且与烧结时间同时选择。

2-2、影响烧结过程的因素：1、材料的性质，包括各种界面能与自由能：扩散系数；粘性系数；临界剪切应力，蒸气压和蒸发速率，点阵类型与结晶形态；异晶转变新生态等。

2、粉末的性质：包括颗粒大小；颗粒的形状与形貌；颗粒的结构；颗粒的化学组成。

3、压坯的物理性能：包括压制密度，压制残余应力，颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等。

4、烧结工艺参数：包括保温时间，加热及冷却速度，烧结气氛等。

2-3、烧结时压坯的尺寸与密度的变化在生产中对制品的尺寸与形状精度要求都非常高，因此，在烧结过程中控制压坯的密度和尺寸的变化是一个极为重要的问题。

影响烧结零件密度和尺寸变化的因素有：1、孔隙的收缩与清除：烧结会导致孔隙的收缩与清除，也就是使烧结体体积减小。

2、包裹的气体：压制成形时，可能在压坯中形成许多封闭的孤立孔隙，加热压坯量，这些孤立孔隙中的空气会发生膨胀。

3、化学反应：压坯内和烧结气氛中某些化学元素与压坯原料中含有一定量的氧发生反应，生成气体或挥发或残留在压坯中，使得压坯收缩或胀大。

4、合金化：两种或多种元素粉末间的合金化，一元素溶解于另一元素中形成固溶体时，基本点阵可能发生胀大或收缩。

5、润滑剂：当金属粉末中混有一定量润滑剂和将其压制成压坯时，在一定的温度下，混入的润滑剂被烧除使压坯产生收缩，可是若分解产生的气体物质不能到达烧结体表面时，则可能引起压坯胀大。

6、压制方向：在烧结时，压坯的尺寸变化，在垂直或平行于压制方向上是不等的，一般说，垂直方向（径向）尺寸变化率较大，平行方向（轴向）尺寸变化率较小。

2-4、烧结前的准备工作核对烧结制品与烧结温度及网带速度是否合适，检查待烧结的制品，把不合格的压坯剔出，一般情况按工艺图纸的要求来检查，通常检查几何尺寸及偏差制品的单重即压坯的密度和压坯外观是否掉边缺角，分层裂纹，严重拉毛等。

根据压坯的形状和尺寸确定其烧结方式（如站立、平躺以及排料等）。

再用气压喷嘴吹出残留在制品表面的粉尘。

特殊情况还要排高铝板烧结。

2-5、烧结后的整理工作在烧结完成后首先要对制品进行检查，把烧结不合格的零件剔出。

然后按产品的分类浸油并堆放整齐。

特殊情况下，产品要放在共摺机（滚桶）中去毛刺和把粘在一起的零件分开。

2-6、烧结炉废次品分析烧结废次品包括工艺上无法挽救的废品和通过重新处理可以转变为合格产品的“返烧品”。

1、变化与翘曲；2、起泡与裂纹；3、麻点；4、尺寸超差；5、过烧与欠烧；6、氧化与脱膜；7、金相组织缺陷（3）烧结炉的基本结构及网带式烧结炉简介为大量生产质优价廉的粉末冶金产品，烧结时必须严格控制升温速度，烧结的温度与时间，冷却速度与时间，冷却速度及炉内气氛等因素。

因此选择合适的烧结炉是粉末冶金生产中重要的一环。

3-1、烧结炉的分类按加热方式：可分为燃料加热式与电加热式；按生产方式：可分为间歇式与连续式；按烧结产品的传送方式连续烧结炉又分为网带式、辊床式、推舟式及步进梁式。

扬州PORITE轴承烧结炉是电加热、连续网带式。

3-2、连续式烧结炉的结构粉末冶金工艺对烧结炉的结构有如下要求：1、有密封的炉壳或马弗套的保持炉内的还原气氛，并防止空气进入；2、有平稳可靠的物料传送机构；3、有预热带，用以排除压坯内润滑剂及吸附的气体；4、有足够功率的高温烧结带，使制品有充分的烧结保温过程；5、有防止氧化和形成最终金相组织的水套冷却带；6、有调节控制加热速度，烧结温度和保温时间，冷却速度等的装置；7、有严格的温度控制系统；8、炉腔截面的温度分布均匀；9、加热元件需满足烧结温度条件的要求；10、电炉的开启和关闭，进料和出料时，不发生空气倒流入炉，炉内不应有水蒸气附着。

粉末冶金烧结电炉一般由预热带、烧结带、冷却带三个部份组成。

整个炉体结构纵向通常用马弗套将其贯通连成一个整体，炉管内通以保护气体(如图所示)。

烧结炉中三个带的作用如下：1、预热带：预热粉末压坯与烧除润滑剂；2、烧结带：以使压坯在规定温度下保温足够长的时间，从而获得烧结零件所需的物理-机械性能；3、冷却带：包括预冷带和水套冷却带。

以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。

3-4、网带式烧结炉简介网带式烧结炉是烧结铁基与铜基制品最常用的烧结炉。

网带是用耐热合金制成，一般情况最高烧结温度＜1150℃，网带的宽度和炉膛的尺寸按照产品的大小和多少来选择，网带由传动装置使环状网带在炉膛内作连续的循环运动来达到物料传送的目的。

产品可装在铁网中也可直接放在网带上，随网带移动，使压坯进行预热、烧结、冷却最后由出口处出炉。

其具体操作过程如《300MM烧结炉操作作业标准》新近应用的R.B.O.装置，就是用煤气或液化石油气直接燃烧加速脱腊的方法，采用RBO方式可缩短预热带的长度，节省了设备占地面积，而且有利于排出润滑剂蒸汽，大量节约保护气，同时大幅度提高炉子的产量。

其具体操作过程如《R.B.O操作程序标准》。

（4）烧结气氛4-1、烧结气氛的作用使用烧气氛的目的在于防止烧结制品氧化，控制碳势，排除杂质，净化炉气。

选择制品烧结气氛的原则是：1、烧结后制品的组分不蜕变。

即不氧化不脱碳。

2、能还原粉末颗粒表面氧化膜。

3、对烧结炉的加热元件、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。

4-2、烧结气氛的种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。

1、还原性气氛：这是最普通的烧结气氛。

工业使用的有H2、75%H2+25%N2（分解氨），煤气放热型转化气氛和吸热型转化气氛。

2、真空及中性（惰性）气氛：这类烧结气氛多用于原料对气氛有一定的溶解度或气氛可能发生有害的化学反应情况时。

真空烧结时，压坯中有有效成份的蒸汽压都必须很低。

3、氧化性气氛：包括空气、氧气或氧气中掺有空气的弱氧化性气氛。

适用于烧结那些不活泼金属或以金属氧化物为原料的铁氧体、金属陶瓷等。

铁、铜基零件在空气中预氧化烧结也是采用氧化性气氛。

4、氮基气氛：纯氮基气氛不能还原粉末表面氧化薄膜，容易造成烧结制品的氧化脱碳。

因此工业上采用的氮基气氛中常为N2>90%；碳氢化合物气体0.25~5%；H 25%；CO0.5~5%。

分解氨气氛：分解氨是由液氨气化在催化剂作用下加热，分解得到的含氢气75%，氮气25%的混合气。

其化学反应为：2NH 3→3H 2+N 2＿22千卡液氨分解工艺流程为：分解氨具有可燃性与爆炸危险性，当与空气混合时，有爆炸的可能。

因此，使用分解氨气氛时，电炉在送电升温前必须先向炉内通入保护气氛，将炉内空气完全排除。

具体操作过程如《20、40、70 m/Hr 分解炉操作作业标准》以及《AX 分解炉露点、残氨测定标准》。

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