烧结工培训课程讲义

铁基制品的烧结温度1050~1200℃（铁 熔点1536℃）
• 1050℃：衬套类，高碳（C≥2.5%）、低密度 （d≤6.0g/cm3） ，Fe-C ；
• 1080℃：轴承类、气门导管类，Fe-C ；
• 1120℃：结构零件，Fe-Cu-C；
• ＞1200℃：中高强度零件，Fe-Cu-C-Ni-MoMn……；
理想的保护气体：
95%N2+5%H2 这种保护气体，既保持了N2保护气的特点，又具有少
量的还原性。 目前，我厂使用的就是这种气体。 安全提示：AX是易燃易爆气体，与空气混合有爆炸的
可能。 H2在空气中的爆炸限（范围）：
0% H2
空气 100%
530℃起火，因而在使用过程中， 一定要注意防范，特别是电炉升 降温时，必须按岗位规范操作！
1cm3
颗粒越少越大，松比越高 颗粒越多越小，松比越低
松比（松装比重）：松装状态下，单位体积的重量。 它与粉体颗粒大小、形状、粒度组成、物种不同有关。
D≈3.0 g/cm3 自然松散状态 拱桥效应
压力、润滑剂 相互作用
D≈7.0 g/cm3 强度：14N/mm2
烧结
改变颗粒间结合形态，大幅提高零件的 强度（~400MPa，是压坯的30倍），使其 能满足使用要求
分解氨，AX
AX是液氨（NH3）经分解得到的含 H275%,N225%的混合气，由于H2的存在，它 可作为一种还原性气体。
2NH3→3H2+N2
192℃开始分解，600~700 ℃ ，99%分解
完全用AX作烧结保护气体时，由于其H2的存 在且浓度较高，达75%，还原性过于强烈，将 使烧结产品产生明显的脱C现象。
烧结温度时间对产品尺寸、强度、密度 的影响（曲线介绍）
2.升温速度的确定（主要因素） 由于在混料时，为了改善混合粉的压制性能，加入了必
需的ZnSt，这ZnSt在温度的作用下将分解、挥发。 350℃，开始分解； 400℃， 80%分解； 800℃， 95%分解。 分解后的气体迅速从粉末压坯中逸出。
④即使预热时的少量氧化，也可在随后的高温烧结时被还原。 为尽可能减少预热时氧化（不可避免），在实际操作时，采用快速升温——闪过
氧化物形成区的办法加以预防。 所以预热段温度一般一次设为500~600℃或再稍高，但又不能太高，因为这会导
致ZnSt的猛烈分解，而使产品起泡、开裂（反向渗C）。 注意：预热段温度过低﹤500℃，产品在此温区停留时间又过长，将使产品过渡氧
℃
600
Fe3O4
400
~~38800℃ ℃
200
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
←%H2O
露点～６０℃
从该图可知： ①水平线——H2O↗易氧化（生锈、发黑等） 当Fe处于含H2O ~48%及以上的环境中，无论是何温度，都将被氧化。 ②垂直线——温度↗不易氧化。 当H2O 10%（露点~+60℃）时，温度低于~380 ℃氧化高于~380 ℃还原。 ③低温区，易氧化（即烧结的预热、冷却段）
二、烧结机理
1。基本烧结机理
“烧”造成”结”叫烧结，粘结 成一体，强度↗。
“机理”提供基础物理学解释。
两个颗粒是如何合二为一，
自然规律：势能降低→自然现象。 成为一体的？
a.扩散 b.粘性流动和塑性流动 c.原子在表面上的蒸发、冷凝
a.扩散
物质的微观迁移（内部）、浓度的变化。
扩散的速度，取决于： ①物态，气态↑、液态→、固态↓ 气态——气态，速度快，达到均匀化时间短，香味； 液态——液态，速度较慢，淹咸蛋，需1个月； 固态——固态，速度很慢，自然界很少有明显的现象。 ②温度，↗有利于扩散，茶叶蛋1天就可。 ③时间， ↗扩散越充分。 ④物种，不同物种间扩散速度差异很大。 例如：C→Fe，1120℃时，0.5hr就可均匀化 而Ni →Fe，1120℃时，需32hr才可均匀化 一般而言，熔点高的物质，不容易扩散。
润滑剂只因压制所需，工艺过程的中间添加物，不希望带到成品，所以要求它： ⓐ良好的润滑性能；ⓑ低温可挥发，不留残渣，不影响烧结及最终产品性能。 常用的有硬脂酸锌（ZnSt）和石蜡。
硬脂酸锌（ZnSt）性能简介
它是粉末冶金工业中应用极其广泛的、良好 的固体润滑剂。 它于350℃开始分解：
～350℃
[(C17H35COO)2Zn]
Mo
♨
↜↝
物质空间迁移
补充说明
三种机理构成了烧结强化机理。它们在不同的温度下， 各自有不同的表现，有时共同存在，有时仅有一种。 对于Fe基粉末件烧结来讲，低温时以扩散为主（在 910℃以下，Fe在相中的自扩散系数比相中快300倍）， 而高温时，则以粘性流动为主，其它两种机理要逊色 很多。
三种机理，都是研究物质的迁移，有了物质的迁移， 才能合二为一，是为“结”。
A
A B
B
物质内部迁移
B A
“扩散”是粉末冶金烧结的主要机理，由于它是在认为的、特定的温度下进行，因而粉末 冶金烧结中的“扩散”远比我们在自然界中看到的一些扩散现象来的充分、完全、彻 底。
b.粘性流动和塑性流动
高温软化→熔化，伴随着大量物质的表面迁移。
物质表面迁移
c.原子在表面上的蒸发、冷凝
Mo丝老化，借助空间，达到物质 迁移的目的
化，这氧化又在随后的烧结过程中因还原而是产品表面脱C。 总之，预热段对露点有一定的要求，但不严格，也没法严格，它是通过快速升温
N2 H2
O2 N2 H2O
Fe
N2
wenku.baidu.com
为了不使产品氧化，就必需避免产品与H2O、O2接触，用其它 惰性气体、还原性气体将产品“保护”起来，从而达到产品不 被氧化的目的——保护产品不被氧化的气体。 对保护气体而言，除了上述的不氧化，还要求不脱C、不渗C， 并可使铁粉表面的氧化物得到还原。
↟
氮气，N2
N2是一种非常稳定的惰性气体，它既不氧化，也不 还原，既不渗C，也不脱C。它除能保证产品不氧化 外，还可使含C产品的C含量处于一稳定线上。这样， 可使含C量高低不同的产品，同时同炉烧结而不致 于互相干扰。这点，对于生产而言，相当重要。
我厂使用的N2气，有液氮和空分氮两种，露点达60℃以下，完全可以满足产品烧结的需要。
因此，升温速度不宜过快，否则，压坯可能由于气体逸 出过猛而起泡变形。通常选择在600℃，左右保温一段 时间，以保证ZnSt充分分解脱除。
这就要求在烧结升温曲线中，有一段预热平台。
3。冷却速度确定
可以采用①②③三种冷却速度，具体采用哪种， 要根据不同的材料来确定。
对铁基材料而言，冷却速度越快越好，FeC,Fe-Cu，为了适应冷却过程中的一些化学变 化，最好在850℃以上至高温区这段，增加缓 冷。
FeO+Fe3C→CO↑; 〔C〕+H2→CH4↑;
预热段:由于压坯表面在常温下处于空气中(N2\O2\CO2\H2O…),它孔隙中同样含有这 些气体，这些气体在压坯受热及保护气（N2+H2）的冲刷下，将逐步脱附 （100~600℃），这样在预热段就不可避免地有H2O、O2气体的存在，露点自然 很高。
烧结工培训
版本 20100107
粉末冶金典型工艺流程概述
配料混合
压制成型 烧结 整形
后加工
配料混合 ①根据产品性能要求，将所需粉末按一定的比例混合均匀。
Fe
Cu
基粉
C
Ni
Mo
Fe-C-Cu-Ni-Mo -ZnSt
ZnSt
②需加润滑剂，减小粉末颗粒与模壁间以及粉末颗粒间的摩擦力，改善混合粉 的压制性。
缓冷： ①有复C作用；②有增加冷却速度的作 用。
为什么铁基制品需要快速冷却？ 不加C，一般来讲无所谓（Cu\Cr合金时，也需组织冷冻）。 但有C，情况就不一样。我们知道绝大多数的金属热处理（淬火、高频淬火、渗C
淬火等）都与C在Fe中的分布形态有关，而影响C的分布形态的关键因素，即冷却 速度。 在高温烧结时，C→Fe中扩散，并很快完成均匀化（1120℃，0.5hr），从而形成 了稳定的Ƴ-A氏体组织，并达到热力学所需的平衡。 随着温度的降低（冷却开始），该A氏体平衡被打破，它将发生分解，即C将有序 地析出并重新分布。随冷却速度不同，依次为： 冷却速度很慢，渗C体，硬而脆，不好； 冷却速度较慢，很粗的珠光体，强度低，不理想； 冷却速度较快，中等或很细的珠光体，强韧性好，理想； 冷却速度很快（淬火），马氏体，硬，有时需要。 一般烧结电炉，是不可能达到淬火态的冷却速度，故不会有马氏体组织出现。 从动轮：烧结合金化， C→Fe中扩散→冷却→ →珠光体→高频淬火C→Fe中重新 溶解A氏体化→快冷，得到马氏体。
H2O+CO2+ZnO+CmHn
蒸汽 气体 蒸汽 气体
分解产物为：气体或蒸汽 当温度达到800℃时，分解量可达95% 基本满足了低温挥发及润滑的性能要求。
分解量与温度曲线图
压制成型
将混合粉末密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。 也就是通常所说的成型→其本质在于密度的提高。
密度（比重）：单位体积的重量，g/cm3 水（H2O)，单位体积1cm3 时，重量为1g，密度为1 g/cm3； 铁（Fe)，1cm3为7.868g，密度为7.868 g/cm3； 同理，铜（Cu)，8.95g/cm3；石墨（C)，2.24g/cm3；镍（Ni)，8.9g/cm3； 硬脂酸锌（ZnSt)，1 g/cm3；金（Au）， g/cm3。 密度对某一特定的物种而言，应是不变的，何以“密度的提高”？
网带烧结电炉结构示意图
预热段
高温段
N2
冷却段
N2 N2+AX
N2
ZnSt\O2\H2O\C
CO\CH4
N2\H2
N2
O\CH4
N2、H2
N2\H2
N2 N2
这种状态对烧结件有何不良影响？让我们借助于FeFeO-Fe3O4-H2-H2O平衡图来作一下分析：
何谓平衡图？
温度一定，时间足够长：
①全部H2O或H2
整形 进一步提高零件的尺寸精度
后加工 车、磨、钻孔、去毛刺、清洗、浸油、包装等，无法压制成型的结构进行必要 的加工
烧结
一、概述
1。什么是烧结 烧结是将粉末压坯在低于其主要成分熔点的
温度下进行加热，从而提高压坯强度和各 种物理机械性能的一种过程。 在烧结过程中，粉末颗粒通过扩散和其它原 子迁移机理而结合在一起，得到具有一定 强度的多孔体。 2。烧结的意义 烧结是粉末冶金的关键工序，对产品最终性 能起着决定性作用，使产品由生变熟。
三种机理，都与温度、时间有关。温度越高、时间越 长，物质迁移量越大，粘结越充分。温度提高能将需 很长时间的“迁移”大幅缩短，达到“可现”程度， 而提高温度就是“烧”。
2.烧结模型 R
R↘
a.双球:
L↘
L
X↗
X
( _X )n~ t
R
R
b.三球:
高能↘ 尖角钝化 体积不变 孔隙变小 球化
三、铁基粉末压坯的烧结行为
a.Fe-Fe系，均质固相 Fe 自扩散烧结
b.Fe-C、Fe-Ni系，异质固相 C、Ni→Fe扩散合金化
c.Fe-Cu系，液相烧结、活化烧结 Cu：1083℃（熔点）
四、烧结参数及条件
1。温度及时间确定 从烧结机理可知，烧结取决于物质的迁移，
而物质的迁移与温度时间有关。从经济学 角度来讲，应选择合适的温度及时间。 T烧≈（0.7～0.8）T熔 烧结时间：0.5～3小时 最终参数的确定，需根据产品的使用条件及 要求，多孔润滑、结构强度、无孔韧性等
②一半H2O和H2
H2
H2O
③极少量的H2O和大量的H2
Fe
它们的氧化情况区别
温度变化，时间足够长：
。。。。。。
Fe-FeO-Fe3O4-H2-H2O平衡图 %H2→ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1200
γFe
烧结温区
1000 温
FeO
度
， 800
αFe
金相组织：就是分析、检查烧结后的组 织形态，珠光体、渗C体、马氏体、孔隙、 合金化程度、表面脱C等。
4.保护气氛
有些材料的烧结，在空气中就可进行， 无需保护气氛，例如：陶瓷、氧化铝、 氧化锆等。铁基制品的烧结则必需有 保护气。因为Fe是比较容易氧化的， 如果我们任其氧化，是无法获得需要 的结果的。
100% 75% 危险！ 4%
五、废品分析
1。氧化 电炉结构简图 专为粉末冶金设计，全面符合工艺特点和条件（预热、烧结、冷却水套、保护气
流量）。 设问：保护气为什么从后面引入？ 分析气流方向、各段露点的差异； 设想：保护气是非常纯净的N2和H2，且炉膛内是密不漏气的。 冷却段： N2+H2； 高温段： N2+H2（暂不讲）；