解讀燒結的原理及工藝

　　燒結是一種高溫熱處理，將壓坯或松裝粉末體置于適當的氣氛中，在低于其主要成分熔點的溫度下保溫一定時間，以獲得具有所需密度、強度和各種物理及力學性能的材料或制品的工序。它是粉末冶金生產過程關鍵的、基本的工序之一，目的是使粉末顆粒間產生冶金結合，即：使粉末顆粒之間由機械嚙合轉變成原子之間的晶界結合。用粉末燒結的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復合材料。

1、燒結基本原理

　　燒結過程與燒結爐、燒結氣氛、燒結條件的選擇和控制等方面有關，因此，燒結是一個非常復雜的過程。燒結前壓坯中粉末的接觸狀態(tài)為顆粒的界面，可以區(qū)分并可分離，只是機械結合。燒結狀態(tài)時，粉末顆粒接觸點的結合狀態(tài)發(fā)生了轉變，為冶金結合，顆粒界面為晶界面。隨著燒結的進行，結合面增加，直至顆粒界面完全轉變成晶界面，顆粒之間的孔隙由不規(guī)則的形狀轉變成球形的孔隙。

　　　　　　　　　　　　　燒結過程示意圖

　　燒結的機理：粉末壓坯具有很大的表面能和畸變能，并隨粉末粒徑的細化和畸變量的增加而增加，結構缺陷多，因此處于活性狀態(tài)的原子增多，粉末壓坯處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，并力圖把本身的能量降低。將壓坯加熱到高溫，為粉末原子所儲存的能量釋放創(chuàng)造了條件，由此引起粉末物質的遷移，使粉末體的接觸面積增大，導致孔隙減小，密度增大，強度增加，形成了燒結。

　　按燒結過程中有無液相出現和燒結系統的組成，燒結可分為固相燒結和液相燒結。如果燒結發(fā)生在低于其組成成分熔點的溫度，粉末或壓坯無液相形成，則產生固相燒結；如果燒結發(fā)生在兩種組成成分熔點之間，至少有兩種組分的粉末或壓坯在液相狀態(tài)下，則產生液相燒結。固相燒結用于結構件，液相燒結用于特殊的產品。液相燒結時，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結速度快，制品強度高。普通鐵基粉末冶金軸承燒結時不出現液相，屬于固相燒結；而硬質合金與金屬陶瓷制品燒結過程將出現液相，屬于液相燒結。

2、燒結工藝

　　粉末冶金零件燒結工藝根據零件的材料、密度、性能等要求，確定工藝條件及各項參數。燒結工藝參數包括兩個方面，一為燒結溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度；二為合適的燒結氣氛及控制氣氛中各成分的比例。

　　粉末冶金零件壓坯完成一次燒結需要不同的溫度和時間。通常燒結分三個階段，分別是預燒、燒結和冷卻。

　　為了保證潤滑劑的充分排除以及氧化膜的徹底還原，預燒應有一定時間，且時間長短與潤滑劑添加量和壓坯大小有關。預燒之后，將燒結零件送入高溫區(qū)燒結，燒結溫度可根據燒結組元熔點、粉末的燒結性能及零件的要求有關。通常對于固相燒結，燒結溫度為主要組元熔點溫度的0.7~0.8倍。燒結結束后，燒結零件進入冷卻區(qū)，冷卻至規(guī)定溫度或室溫，然后出爐。零件從高溫冷卻至室溫會發(fā)生組織結構和相溶解度的變化，將會影響產品的最終性能，冷卻速度對其有決定作用，因此，需要控制冷卻速度。

　　燒結時最主要的因素是燒結溫度、燒結時間和大氣環(huán)境，此外，燒結制品的性能也受粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等因素的影響。燒結過程中，燒結溫度和燒結時間必須嚴格控制。燒結溫度過高或燒結時間過長，都會使壓坯歪曲和變形，其晶粒亦大，產生所謂“過燒”的廢品；如燒結溫度過低或燒結時間過短，則產品的結合強度等性能達不到要求，產生所謂“欠燒”的廢品。