第三章 烧结成形

通常粉末冶金制品的致密度在95％左右。
4、制粉
机械法 ： 固体粉碎（球磨、研磨） 液体粉碎（雾化法） 物理化学法： 还原法、电解法、化学置换法
物化法
利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将熔融 的金属或合金打散成雾状液滴，冷却后成粉末。
还原法：用还原剂还原金属氧化物或盐类。 电解法：在溶液或熔盐中控制通入直流电流 密度，使金属离子重获外层电子， 形成粉末。 化学置换法：用活性大的金属置换活性小的 金属
粘结剂：
• 主要是粘土（粘土的主要成分是氧化铝和氧化硅， 但二者比例不同，其粘土的性质不同，氧化铝比 例高的为硬粘土，氧化硅比例高的为软粘土）。 除粘土以外，粘结剂还有碱金属的氧化物，如氧 化钾、氧化锂等。
• 粘结剂的作用提高烧结活性，提高烧结的致密度。 提高烧结活性实际上是可降低烧结温度，或者在 同样温度下烧结的制品更致密。
第三章
第一节
烧结成形
Βιβλιοθήκη Baidu概述
烧结（sintering） 粉状或粒状物料或压坯，在适当的温度和 气氛中受热发生物理、化学变化而固结的 过程，其结果是颗粒之间发生粘结，烧结 体的强度增加，多数情况下密度也提高。
烧结或烧成
通过高温处理，使坯体发生一系列物理 化学变化，形成预期的组成和显微结构， 从而达到固定外形并获得所要求性能的工 序。
也可按下列分类
还原或还原－化合法 气相沉积法 液相沉积法 电解法 雾化法 机械粉碎法
5、压制
连续压坯
6、烧结
6、1 烧结的分类： 为了反映烧结的主要过程和机制的特点，通常按烧结过 程有无液相出现和烧结系统的组成分类： ① 单元系烧结 纯金属或化合物，在其熔点以下温度进行固 相烧结。 ② 多元系固相烧结 由两种以上的组元构成的烧结系，在其 中低熔成分的熔点温度以下进行固相烧结。又可分为：无 限固溶系、有限固溶系、完全不互溶系。 ③ 多元系液相烧结 由两种以上的组元构成的烧结系，在其 中低熔成分的熔点温度以上进行烧结。又可分为：烧结过 程始终存在液相的系统、烧结后期液相消失的系统。
★ 体积扩散： 在颗粒接触面上，空位浓度增高，原子与 空位交换位置，不断地向接触面迁移，使 烧结颈长大。特别是在烧结颈凹面下，由 于表面张力产生垂直于曲颈向外的张应力， 其空位浓度更高。
表面扩散
由于表面原子的扩散，颗粒粘结面扩大，使颗粒 表面凹处逐渐被填平。
晶界扩散
在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界，特别是细 粉末烧结后形成许多的网状晶界与孔隙相互交错， 使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易通过 邻接的晶界进行扩散或被吸收。
• 刚玉的热电偶保护管，是用极细的氧化铝粉（粒 度在5µm，最大不能超过10µm）在1800℃以上 烧结而成的。但只有氧化铝的含量超过99％以上 的才能叫做刚玉。 • 现在的技术可生产出粒度为2µm氧化铝粉末，烧 结出的刚玉管质量更好。因为粒度小，表面活性 大，可降低烧结温度（即在同样温度下烧结的制 品更致密）。 • 一般含氧化铝95％以下的不能叫刚玉，其烧结温 度在1680℃～1700℃，这种产品叫95瓷。如果氧 化铝的含量仅为85％的，其烧结温度在1400℃～ 1500℃，这种产品叫85瓷。
● 能控制制品的孔隙度，生产多孔材料（含油轴承）。
● 能生产各种颗粒复合材料，例如：金属与非金属组成 的摩擦材料；难熔化合物与金属组成的硬质合金和金属陶 瓷。
② 对于易偏析或难熔金属材料用粉末冶金 方法生产，其性能更优越。
●消除区域偏析或共晶网，例如粉末高速钢。 ●生产钨、钼难熔金属，晶粒更细、纯度更高。
塑性流动 烧结颈形成和长大可以看成是金属粉末在 表面张力作用下发生塑性变形的结果。烧 结前期，表面张力大，塑性流变类似于蠕 变的位错机制。烧结后期，以扩散流动为 主，类似于低应力下的扩散蠕变。
• 在较低温度和极细粉末的烧结中，表面扩散可能 是主要机制。 • 等温烧结过程，表面扩散仅在早期阶段对烧结颈 的形成和长大以及在后期对孔隙的球化起明显作 用。 • 在蒸气压高的烧结以及通过气氛活化的烧结中， 蒸发与凝聚也是较重要的机制。 • 在较高的烧结温度，特别是等温烧结后期，体积 扩散总是占优势。 • 粘性流动只适用于非晶体物质，塑性流动理论是 对粘性流动理论的发展和补充。
③ 近终形成形，减少切削加工，节约材料， 提高生产率。 ④ 生产成本高，制品大小形状受限，韧性 较差。
粉末冶金材料的孔隙
一般粉末冶金材料是金属和孔隙的复合体， 其孔隙度范围很宽： 低于1～2％残留孔隙度的为致密材料， 10％左右孔隙度的为半致密材料， >15％孔隙度的为多孔材料， 也有高达98％孔隙度的泡沫材料。
砖一般在1050℃左右烧成：
900℃──欠火砖 ──孔隙最大、色微红、 强度及耐久性差。 1200℃──过火砖 ──熔融物多，无法保持原形， 耐久性好，不怕水。
最后封闭窑门，氧气不足，形成还原气氛，粘土内红色氧化铁 （Fe2O3）被还原为氧化亚铁（FeO），并在砖上沉积碳素，使砖呈 青色，此为青砖。青砖比红砖的耐久性好。
② 烧结机制
★ 粘性流动： 类似两个液滴从开始的点接触，发展到互相聚 合。烧结早期的粘结（即烧结颈长大），可看作 在表面张力作用下，颗粒发生类似粘性液体的流 动，结果使系统的总表面积减少。
★ 蒸发与凝聚： 由于烧结颈对平面饱和蒸气压差，使原 子从颗粒表面蒸发，重新在烧结颈凹面上 凝聚下来，引起烧结颈长大。
刚玉
• Al2O3，三方晶系，密度3.95～4.10，透明 晶体有各种颜色， • 无色透明的叫白玉；蓝色透明的叫蓝宝石 （含Ti）； • 红色透明的叫红宝石（含Cr）。 • 工业上常用电熔法处理铝矾土或工业氧化 铝制成人造刚玉，也叫“电熔刚玉”。 • 氧化铝经电熔后的结晶产物（即刚玉）， 再破碎制成磨料。
6、2 烧结的基本过程和机制
① 烧结的基本过程及驱动力
粉末有自动粘结或成团的倾向，粉末越细越明显。 粉末受热，颗粒之间发生粘结，即烧结现象。 烧结前颗粒的原始接触 烧结早期烧结颈的长大 烧结后期孔隙的球化 烧结的驱动力： 存在于粉末坯体内的表面能和晶格畸变能。
粘结阶段： 颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，通 过成核、晶粒长大等原子过程形成烧结颈。 烧结颈长大阶段： 原子向颗粒结合面大量迁移使烧结颈扩大，颗 粒间距缩小，形成连续的孔隙网络；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。烧结体收缩，强度和密度增加。 闭孔隙球化和缩小阶段： 烧结体密度达90％以后，多数孔隙被完全分割 形成闭孔，此阶段烧结体收缩变缓。
由于粉末坯体内含有大量粘结剂，因此低 温时注意脱胶和排气。 烧结体的质量： 致密度、变形（尺寸控制）
第三节
制砖
普通粘土砖： 用粘土制成的砖坯，经干燥， 入窑高温 （1050℃）焙烧而成。 粘土： 天然岩土经过长期自然风化作用后，形 成的细小碎屑岩。
粘土的组成分两部分：
粘土矿物：由高岭石（Al2O3· 2SiO2· 2H2O） 及其他含水硅酸铝组成的矿物。 杂质矿物：由石英砂、云母、碳酸钙、铁质 矿物、碱以及有机质等组成。 一般高岭石含量愈大则塑性愈好，但砖的体 积收缩也愈大； 铁质含量多，会使粘土的熔化温度降低； 石英砂含量多会降低砖的强度。
第四节
陶瓷的烧成
烧成制品的发展：
砂→陶→瓷
砂：
是指不加粘结剂，直接将原料烧结成制品，不致密，孔隙 多。如砂锅。 原始砂锅，无粘结剂，烧结温度1000℃。 最初烧结温度较低（1000℃以下），现代发展高温烧 结（1200℃）例如紫砂壶。紫砂壶的原料为我国南方河 底淤泥的沉积物，颗粒非常细，因此，烧成的紫砂壶硬度 高，不仅表面细腻，而且还有微孔，在其表面滴水可吸入。 紫砂壶的原料中含有Fe，因次烧结后呈红色或红黑色。 Fe是变价元素，在不同温度下形成不同的产物，其颜色 也不同，因此原料中含Fe时，由于温度的影响，制品可 能出现不同的颜色。
烧结过程： 颗粒聚集体→晶粒聚结体
烧结的动力是表面张力造成的一种机械 力，它垂直地作用于烧结颈曲面上，使颈 向外扩大。 烧结可加强颗粒粘合和减小孔隙。
第二节 粉末冶金制品
1、粉末冶金制品的工艺流程
制粉→混合→压坯→烧结→加工 成形
2、粉末冶金制品
3、粉末冶金的特点
① 能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特 殊性能的材料
陶和瓷：
• 特点是原料中添加粘结剂后烧结，而且烧 结温度较高。 • 陶制品的烧结温度约为1100℃，而瓷的烧 结温度为1200℃以上。 • 骨质瓷：烧结温度1150℃，骨质瓷制品的 特点细腻、薄、声音清脆。 • 一般的细瓷碗烧结温度在1200℃以上。
骨质瓷
薄如纸、声如琴、指（摸）如玉
含有20％～30％骨质（动物的骨头），添加骨质 后烧结出的产品（如玉）给人感觉非常好。 骨质实际上主要是磷灰石， 磷灰石的主要成分是氧化钙CaO和氧化磷。
鞍山市德康磁性材料有限责任公司 新厂区连续烧结炉