烧结基础知识

放电等离子烧结技术

放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering，简称SPS)最早源于1930年美国科学家提出的脉冲电流烧结原理，但直到日本于1988年

研制出第一台工业型SPS装置，该技术才真正引起世人的关注。该技术集粉末成形和烧结于一体，不需要预先成形，也不需要任何添加剂和粘结剂。主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清除粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，净化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的扩散能力，再在较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密。_有关研究表明，该技术由于场活化等作用在较大程度上降低了粉体的烧结温度，缩短了烧结时间，并充分利用了粉末自身发热的作用，热效率极高，加热均匀，可通过一次成形获得高精度、均质、致密、含氧量低和晶粒组织细小的零件。

目前，SPS研究对象主要集中于陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物、复合材料、纳米材料以及功能材料等。在制备和成形非晶合金、形状记

忆合金、金刚石等材料方面也作了不少尝试，并取得了较好的结果。

CuAl合金 粉末烧结温度 烧结温度

各种材料的烧结在下图温度的范围烧结：

烧结温度，是在被烧结金属溶点的80%温度位上进行烧结.譬如，某个金属熔点（固体到液体变化的温度）在1000℃时,它的80%，即800℃位设定烧结温度。但是实际的烧结温度随着原料的不同而各种各样，其理由是使用粉末冶金单体原料的很少，使用混合2种以上的金属粉末较多，所以设定烧结温度要把所含金属的融点都要考虑进去。因此，烧结温度过低，就会发生未完全烧结，强度不够；相反，温度过高，就会发生烧结粗糙、异常收缩。所以，搞错烧结温度的话，烧结后尺寸不良，性能发生变化，故要十分注意温度管理。

粉末冶金入门之烧结炉

烧结炉从预热带、烧结带、冷却带完成着。压粉体从预热带进入，通过烧结带，在冷却带被降温后排出炉外。 预热带：通过加热放飞压粉体内的润滑剂。

烧结带：在规定的温度里保持一定的时间，使粉末之间结合起来。 冷却带：在烧结带被加热的烧结体冷却到接近室温的温度。

烧结体的种类:作为烧结零部件的量产炉，Meshbelt式烧结和Pusher式烧结炉广泛地被使用，不锈钢烧结使用真空烧结炉 Meshbelt式烧结炉

把成品体从送入到送出放在不锈钢网状的转动带上，以自动送入方式。 使用温度：最高1150℃

Pusher式烧结炉

把压粉体放入石墨框里，推进装置一个个地送入烧结炉内。 使用温度：最高1300℃

流动温压成形技术

流动温压技术(Warm Flow Compaction，简称WFC)是在粉末压制、温压成形工艺的基础上，结合了金属粉末注射成形工艺的优点而提出来

的一种新型粉末冶金零部件近净成形技术。其关键技术是提高混合粉末的流动性。它通过提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性，从而可以在8O～130~C温度下，在传统压机上精密成形具有复杂几何外形的零件，如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔等零件，而不需要其后的二次机加工。WFC技术既克服了传统粉末冶金在成形复杂几何形状方面的不足，又避免了金属注射成形技术的高成本，是一项极具潜力的新技术，具有非常广阔的应用前景。

WFC技术作为一种新型的粉末冶金零部件近净成形技术，其主要特点如下：(1)可成形具有复杂几何形状的零件；(2)压坯密度高、密度均

匀；(3)对材料的适应性较好；(4)工艺简单，成本低。

目前，WFC技术在国外还处于研究的初始阶段，其关键制造技术及其致密化机理研究尚未见报道。

温压成形技术

温压成形技术是近几年新发展起来的一次压制、一次烧结工艺，是制造高密度、高性能粉末冶金结构零件的一项经济可行的新技术。它是

在混合物中添加新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至15O。C左右进行压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新成形技术。

最近德国FRAUNHOFER研究所在温压成形技术的基础上开发了一种被称为流动温压工艺的粉末冶金新技术一。该技术以温压工艺为基础，结

合金属注射成形的优点，通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量大大提高了混合粉末的流动性、填充性和成形性。流动温压成形技术原则上可适合所有具有足够好的烧结性能的粉末体系。其主要特点是可成形几何形状复杂的零部件；产品密度高、性能均匀；工艺简单、成本低廉。

研究人员采用的是一种可拆钢模，水平孔和垂直孔的直径都是16RAM。所用粉末为纯TI粉，用150GM以下颗粒的粉末为粗粉，细粉由气雾

化法制备。样品在T一型模具中压制，于1250。C真空中烧结2H后，用密度仪测得不同部位（在零件几何草图上用1～6标出）的密度（理论密度为4.5G／CM。），得知，采用流动温压成形技术可以获得很高的密度。微细粉末的加入可以使装粉更均匀，并且具有较好的烧结性能，烧结后样品密度分布也较好，如距离零件中心轴采用常规粉末压制法，该处往往密度偏低。用传统模压工艺在压机上成形零件时，一般说来，其各个断面的密度是不同的，这主要是由于模壁摩擦造成的，也是内压力在压制的粉末中分布不均所致。而采用流动温压成形技术后，由于在压制时，混合粉末变成具有良好流动性的粘流体，因此摩擦力减小，压制压力也得到了很好的传递，从而密度分布也得到了很好的改善。

温压成形技术特点

温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度，具有非常广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用特

制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130～150℃，并将温度波动控制在±2．5℃以内，然后和传统粉末冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零件的技术。其技术关键：一是温压粉末制备，二是温压系统。

与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0.15～0.30g／cm3的增幅，其密度可达7.45g／cm3。在相同的压制压力下，温压材料的屈服

强度比传统工艺平均高11％，极限拉伸强度平均高13．5％，冲击韧性可提高33％。另外，温压零件的生坯强度高，可达2O～30MPa，比传统方法提高50—100％，不仅降低生坯搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好。此外，温压工艺的压制压力低和脱模力小，同时零件性能均一，产品精度高，材料利用率高。

温压工艺还有一个特点是工艺简单，成本低廉。研究表明，假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1.0，则粉末锻造的相对成

本为2.0，复压复烧的相对成本为1.5，渗铜的相对成本为1.4，而温压技术的相对成本为1．25。目前，采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多种，零件重量在5—1200g。例如，德国SinterstahlGmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同步齿环，在美国新奥尔兰举行的PM2TEC2001国际会议上获奖。该零件的齿部密度超过7.3g／cm，环体密度超过7.1g／cm，生坯强度达到28MPa。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末，最低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件，使得综合成本降低了38％。

模壁润滑技术

传统粉末零件成形时，为了减少粉末颗粒之问和粉末颗粒与模壁之间的摩擦，在粉末混合料中需添加一定量的润滑剂，但混进的润滑剂因

密度低不利于获得高密度的粉末冶金零件；而且润滑剂的烧结会染环境，甚至会降低烧结炉的寿命和产品的性能。模壁润滑技术的应用则很好地解决了这一难题。近年来，采用模壁润滑取代粉末润滑技术已成为粉末成形研究和开发的又一热点。

目前，实现模壁润滑的主要途径有两个：一是利用下模冲复位时与阴模及芯杆之间的配合间隙所产生的毛细作用，将液相润滑剂带到阴模

及芯杆表面。二是用喷枪将带有静电的固态润滑剂粉末喷射到压模的型腔表面上，即在装粉靴的前部装一个附加的润滑剂靴装置。成形开始时，润滑剂靴推开压坯，压缩空气将带有静电的润滑剂从靴内喷射到模腔内，因为润滑剂粉末所带的极性与阴模相反，粉末在电场牵引下撞击并粘附在模壁上，然后装靴粉装粉，进行常规压制成形。

采用模壁润滑技术明显提高粉末材料的生坯密度，密度可达到7.4g／cm3，且模壁润滑与粉间润滑相比，铁粉的生坯强度可分别提高

128—217％。日本丰田汽车中心研究人员利用温压、模壁润滑与高压制压力使铁基粉末压坯几乎达到全致密。

压力烧结粉末冶金

压力烧结粉末冶金（Press Sinter）

在高温下，陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具

有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。烧结的术语： 1、烧结 sintering

粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。 2、填料 packing material

在预烧或烧结过程中为了起分隔和保护作用而将压坯埋入其中的一种材料。 3、预烧 presintering

在低于最终烧结温度的温度下对压坯的加热处理。 4、加压烧结 pressure

在烧结同时施加单轴向压力的烧结工艺。

5、松装烧结 loose-powder sintering,gravity sintering 粉末未经压制直接进行的烧结。 6、液相烧结 liquid-phase sintering

至少具有两种组分的粉末或压坯在形成一种液相的状态下烧结。 7、过烧 oversintering

烧结温度过高和（或）烧结时间过长致使产品最终性能恶化的烧结。 8、欠烧 undersintering

烧结温度过低和（或）烧结时间过短致使产品未达到所需性能的烧结。 9、熔渗 infiltration

用熔点比制品熔点低的金属或合金在熔融状态下充填未烧结的或烧结的制品内的孔隙的工艺方法。 10、脱蜡 dewaxing,burn-off

用加热排出压坯中的有机添加剂（粘结剂或润滑剂）。 11、网带炉 mesh belt furnace

一般由马弗保护的网带将零件实现炉内连续输送的烧结炉。 12、步进梁式炉 walking-beam furnace

通过步进梁系统将放置于烧结盘中的零件在炉内进行传送的烧结炉。 13、推杆式炉 pusher furnace

将零件装入烧舟中，通过推进系统将零件在炉内进行传送的烧结炉。 14、烧结颈形成 neck formation 烧结时在颗粒间形成颈状的联结。 15、起泡 blistering

由于气体剧烈排出，在烧结件表面形成鼓泡的现象。 16、发汗 sweating

压坯加热处理时液相渗出的现象。 17、烧结壳 sinter skin

烧结时，烧结件上形成的一种表面层，其性能不同于产品内部。 18、相对密度 relative density

多孔体的密度与无孔状态下同一成分材料的密度之比，以百分率表示。 19、径向压溃密度 radial crushing strength 通过施加径向压力测定的烧结圆筒试样的破裂强度。 20、孔隙度 porosity

多孔体中所有孔隙的体积与总体积之比。 21、扩散孔隙 diffusion porosity

由于柯肯达尔效应导致的一种组元物质扩散到另一组元中形成的孔隙。 22、孔径分布 pore size distribution