第五章烧结技术.ppt

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1、2019/7/12,1,程继贵 材料科学与工程学院,粉末冶金原理 第五章 烧结技术 Sintering Technology,2019/7/12,2,本章内容 5.1 烧结工艺 5.2 烧结气氛 5.3 烧结炉 5.4 特殊烧结技术和烧结新技术,2019/7/12,3,第一节 烧结工艺,烧结基本工艺过程：粉末压坯装料（装炉、烧结前的准备）烧结（预热、保温、冷却）出炉烧结体,一、烧结前的准备,（一）压坯的检查, 目的：去除尺寸、单重不合格或有掉边、掉角、分层、裂纹等缺陷的压坯，减少烧结废品。, 方法：抽检、肉眼观察、仪器检测。,School of Materials Science and E

2、ngineering,2019/7/12,4,(二) 装炉（装舟及摆料）,推杆式烧结炉装舟；网带式烧结炉-摆料,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,5,1. 装炉量 影响生产率; 压坯之间的接触影响烧结时的粘接和变形; 装炉量受网带高温强度的限制。,2. 装炉方式 指压坯摆放的松紧程度、舟中装料的深浅、压坯摆放的方向（横放、竖放）等。 影响烧结炉中的气氛流动、传热、烧结体的变形、表面状态等。 注意细长薄壁零件的装炉 某些情况下采用填料装舟或烧舟密封,School of Materials Science and Engin

3、eering,2019/7/12,6,二、铁铜基粉末冶金零件烧结工艺简介,（一）烧结工艺参数对铁基零件性能的影响,烧结工艺参数：烧结温度、烧结时间、加热及冷却速度、烧结气氛等,1. 烧结温度 铁基制品烧结温度的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力学性能）和用途（结构件、减摩件）等来确定。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,7,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,8,铁基制品烧结温度范围,School of Materials Sci

4、ence and Engineering,2019/7/12,9,2. 烧结时间 铁基制品烧结时间的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、单重、几何尺寸、壁厚、密度、装炉方式等； 烧结时间与烧结温度有关； 一般烧结时间1.5-3h。, 在连续炉中，保温时间： t = L/l n t 保温时间（min） L 烧结带长度（cm） l 烧舟或石墨板长度（cm） n 推舟间隔（min/舟）,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,10,3. 升温及冷却速度 升温速度影响润滑剂等的挥发速度； 冷却速度影响制品的微观结构和性能,Sch

5、ool of Materials Science and Engineering,2019/7/12,11,冷却方式对抗拉强度的影响（kgf/mm2）,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,12,（二）铜基粉末冶金零件烧结工艺简介,烧结的主要特点： 不同材料烧结温度相差较大700-1000 (焙烘）预氧化烧结的采用（部分） 普遍采用网带式烧结炉,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,13,几种铜合金的烧结温度范围,School of Materials S

6、cience and Engineering,2019/7/12,14,焙烘的目的（常用于Cu、青铜）： 充分挥发并烧除硬脂酸锌润滑剂； 使粉末颗粒表面氧化，得到薄层氧化物，实现活化烧 结，温度380-500，氧化物层厚500A。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,15,三、烧结缺陷分析,1. 形状与尺寸缺陷： 变形与翘曲 尺寸超差,2. 分层与开裂 3. 鼓泡与麻点 鼓泡：圆滑凸起 麻点：黑麻点、白亮麻点 4. 过烧与欠烧 过烧：粘接、局部熔化 欠烧：未烧好,School of Materials Science an

7、d Engineering,2019/7/12,16,5. 氧化与脱碳 氧化：多出现于烧结降温阶段 脱碳：氧化的另一种形式，多发生于高温烧结阶段 6. 金相组织缺陷 二次网状渗碳体缺陷 大块渗碳体聚集 连通孔隙缺陷,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,17,第二节 烧结气氛 Sintering atmosphere,一、概述,1. 烧结气氛的作用 控制烧结体与环境之间的化学反应 1）保护作用：减少环境对制品的影响，如防氧化、脱碳 2）净化作用：及时带走烧结坯体中润滑剂和成形剂的分解产物等 3）维持或改变烧结材料中的有用成分

8、：活化气氛、渗碳气氛,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,18,2. 烧结气氛的分类 氧化性气氛：如纯Ag或Ag-氧化物复合材料及氧化物陶 瓷的烧结：空气 还原性气氛：含有H2或CO组份的烧结气氛： 硬质合金烧结用氢气氛，铁基、铜基粉末冶金零件的含氢气氛（氨分解气） 惰性或中性气氛：Ar、He、N2、真空 渗碳气氛：含有较高的导致烧结体渗碳的组元，如 CO，CH4，碳氢化合物气体 氮基气氛：含氮量很高的烧结气氛： 10% H2 +N2,School of Materials Science and Engineering,

9、2019/7/12,19,3. 烧结气氛的选用原则 保持烧结体成分基本不变（特殊除外）； 一定的还原性（许多情况下需要）； 腐蚀性小； 对人无害，生产、使用安全 成本来源、制取工艺,国外粉末冶金工业用烧结气氛举例,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,20,不同烧结气氛的成本比较： 以电解氢的成本为参考： H2：1.0； 氮基（nitrogen-based）气氛： 0.6； 分解氨（dissociated ammonia）： 0.4； 吸热性气氛(endothermal gas)： 0.2； 放热性气氛(exothermal

10、 gas)： 0.1； 真空(vaccum)：昂贵（设备投资大）,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,21,二、吸热型气氛和放热型气氛, 转化气的概念：以碳氢化合物气体（天然气、石油气、焦炉煤气）为原料，采用空气或水蒸气在高温下进行反应，而得到的以H2、CO、CO2、N2为主，并含有少量CH4和H2O的混合气体。 由天然气转化 称为转化天然气 由煤气转化 ？,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,22, 放热型气体：制备转化气时，原料气体与空气按一定比例

11、通过转化器，若空气与原料气体比例较高，反应过程中放出的热量足够维持转化器的反应温度，不需外部向反应器供热，由此得到的转化气。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,23, 吸热型气体：制备转化气时，若空气与原料气体比例较低，反应过程中放出的热量不足以维持转化器的反应温度，需外部向反应器供热，由此得到的转化气称,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,24,铁制品烧结用转化气体标准成分及应用, 吸热、放热型气体比较, 放热型气氛制备时空气比例较高，燃料气完全燃

12、烧，而吸热型气氛制备时空气比例较低，燃料气不完全燃烧； 放热型气氛中CO2含量较高，而吸热型气氛中中可能有少量未燃烧的燃料（CH4）； 吸热、放热型气体的标准成分！表5-14,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,25,三、铁基制品无氧化无脱碳烧结控制原理,1. 无氧化烧结控制原理 在含有H2/H2O、CO/CO2气氛中：,1、2两线分别为CO和H2还原FeO平衡时的气相平衡组成与温度关系，线左还原，线右氧化。 1: FeO + CO = Fe + CO2 2: FeO + H2 = Fe + H2O 区: 1、2向右； 区

13、: 1、2向左； 区：1左2右； 区：1右2左,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,26, 要无氧化烧结 ，应在区； 800 H2还原区域更大； 随温度升高，欲保持CO/CO2气氛的还原性，需降低CO2% CO和H2的还原能力随温度变化规律相反。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,27,2. 无脱碳烧结控制原理 在CH4/H2和CO/CO2气氛中：,1） 图中两线分别为在CO2/CO气氛和CH4/H2气氛中Fe与C反应平衡时气相平衡组成与温度关系 1

14、: Fe + 2CO = （Fe，C） + CO2 2: Fe + CH4 = （Fe，C） + 2H2,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,28,2） CO2/CO中，T，发生脱碳的 CO2平衡浓度很低，说明高温在CO2/CO中易脱碳；T700，脱碳趋势降低； 3） CH4/H2气氛中，通常烧结温度下，气氛中少量CH4（1%）的存在，可能导致渗碳； 4） 一般转化气中，脱碳、渗碳还与气氛露点有关。气氛碳势控制,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,29

15、,四、可控碳势气氛和气氛碳势控制原理, 气氛碳势：气氛的相对含碳量，相当于一定温度下气氛与一定含碳量的烧结材料达到反应平衡时（不渗碳、不脱碳），该材料中的碳含量。 可控碳势气氛：为控制或调整烧结钢的含碳量，而向烧结体系中引入的经过制备的气体介质的总称。,（一）气氛碳势和可控碳势气氛,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,30, 可控碳势气氛的分类 吸热型气氛 放热型气氛 分解氨气氛 H2气氛 N2基气氛 真空气氛,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,31

16、,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,32,（二）气氛碳势控制原理,关键是控制气氛中CO2、H2O的量 H2O量的控制露点 露点：在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结成雾的温度，气氛中含水量愈多，露点愈高。 露点可采用露点仪测量：利用LiCl的吸水导电性测量 CO2的量的控制红外吸收分析仪测定,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,33,五、真空烧结,实质上是减压烧结，真空度一般10-1-10-5mmHg （1.310-1.3 10-3Pa）。 （一）真

17、空烧结的特点 减少气氛中有害成分对产品的脏化； 是较为理想的中性气氛 可改善液相烧结时的润湿角； 有利于Si、Al、Mg、Ca等杂质及其氧化物的排除净化； 有利于排除吸附气体，对后期收缩作用明显； 设备投资大，单炉产量低。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,34,（二）真空烧结技术难点（关键）及控制 1. 真空的获得真空泵： 机械真空泵、扩散真空泵、分子泵 2. 粘接金属等的挥发 影响合金的最终组成，阻碍烧结 影响因素： 金属本身的蒸气压、真空度、烧结温度 解决：控制真空度（绝对压力）高于烧结温度下的蒸气压,School

18、 of Materials Science and Engineering,2019/7/12,35,3. 含碳材料烧结时的脱碳 主要发生于烧结升温阶段,（三）真空烧结工艺参数 真空烧结易于排除杂质和吸附气体，促进烧结，达到与气氛烧结相同的致密化程度，烧结温度可以降低50-150。 在与气氛烧结相同的烧结温度下，可以缩短烧结时间。,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,36,第三节 烧结炉 Sintering furnaces, 粉末冶金烧结炉与其他冶金炉不同，必须带有保护 气氛或为真空炉。 烧结炉的温度控制非常重要，对升温

19、和冷却速率 都有要求。 大多数烧结炉有三个温度带（区）： 预热带、高温带、冷却带,一、概述,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,37,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,38, 粉末冶金烧结炉的分类,其他分类：按烧结温度、按送料机构,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,39,二、带有保护气氛的连续式烧结炉,（一） 炉子结构,School of Materials Science a

20、nd Engineering,2019/7/12,40,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,41,（二） 压坯传输方式,1. 网带式传输,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,42,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,43,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,44,Examples of Sintering Pr

21、oduction Lines,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,45,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,46,2. 辊底式传输,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,47,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,48,3. 推杆式传输,School of Materials Science and Enginee

22、ring,2019/7/12,49,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,50,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,51,4. 步进梁式传输,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,52,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,53,三、真空烧结炉,School of Materials Science and Engi

23、neering,2019/7/12,54,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,55,第四节 特殊烧结技术和烧结新技术,一、活化烧结 二、熔渗烧结 三、热压烧结 四、组合烧结法 五、烧结后处理 六、电火花烧结 七、微波烧结,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,56,四、组合烧结法,作用：通过烧结把不同形状、不同材质的压坯结合，获得复杂形状或各部位具有不同性能的制品。,（一）过盈烧结法,School of Materials Science and Eng

24、ineering,2019/7/12,57,（二） 熔渗烧结法,（三） 钎焊烧结法,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,58,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,59,五、烧结后处理, 机械加工 热处理 孔隙的存在影响导热性，对加热、冷却速度、淬火介质提出特殊要求 水蒸汽处理 提高硬度、耐磨性、气密性等的重要后处理,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,60,六、电火花烧结 （自学）

25、,School of Materials Science and Engineering,七、微波烧结 （略）,2019/7/12,61,思考题 教材第五章：13、14、15、16,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,62,The End of Chapter 5,School of Materials Science and Engineering,2019/7/12,63,School of Materials Science and Engineering,Thanks a lot for your attention,2019/7/12,64,致谢 课件制作参考了 部分网上教学资源及内部交流资料 特此感谢！,School of Materials Science and Engineering,