活化烧结与烧结气氛

烧结工艺技术烧结的基本工艺过程是将压坯装舟或放置在传送带上，送入连续式烧结电炉中，随着烧舟或传送带向前移动，粉末压坯经过预热，在预定的烧结温度下保温，然后经冷却出炉，得到烧结制品。

烧结工艺是根据烧结材料的化学成分及其性能要求确定的。

烧结工艺技术是否合理与实际生产时执行情况如何，直接决定了烧结件的组织结构和制品的最终性能。

因此，必须重视烧工艺的制定和执行。

第一节烧结前的准备一、烧结工艺规范的检查与核实1）待烧结的压件应符合烧结工艺卡上规定的产品名称及代号。

2）检查压件烧结所需的保护气氛的成分、压力和流量是否符合烧结工艺上的规定。

3）全面检查烧结炉的控温仪表、传动系统等是否正常，压件烧结的各段温度应调整到烧结工艺卡上的规定值。

二、压坯的检查检查的目的是把不合格压坯在装舟前剔出。

捡查的主要内容如下：1）几何尺寸及偏差；2）单重（粉重不足或超）；3）外观（掉边掉角、分层裂纹、严重拉）；上述捡查，除外观可在装舟或摆料时逐件检查外，其余各项只能按工艺规范控制要求进行抽检。

有些项目，如压坯密度的均匀性，对烧结件的质量影响很大。

由于压坯的均匀性主要与原料粉的配方、压模结构和压制方案有关，其质量检测与控制也应在这几个工艺环节来完成，所以在烧结前的检查项目中并未包括进去，因为对半成品的这些项目的检查，只是作为成形工序检验后的一种复验。

三、装舟及摆料根据压坯的形状和尺寸确定装舟方式。

装舟时既要做到适当多装，又要防止压坯过挤、烧结时粘结和变形。

对不同配方及密度的乐坯必须分开装舟。

1）压坯摆放方式由于压坯的强度较低，装舟时不能将压坯散乱倒人烧舟内，而要根据压坯形状和尺寸合理、整齐摆放，切忌过挤或过松、过慢或过浅。

高径比很小的压坯可分层摆放，高径比很大则单层摆放为佳。

直径差异较大的套类可采用套装，把直径小的压坯置于大件中间，这样做，既可提高装舟量，又能减少薄壁零件的变形。

过小零件(几克重的)如不好摆放，则应采用填料装舟烧结。

粉末冶金复习题填空:1.粉末冶金是用(金属粉末货金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料,经过(成形)和(烧结)制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。

2.从制粉过程的实质来分,现有制粉方法可归纳为(物理化学法)和(机械法)。

机械法是将原材料机械地粉碎,而(化学成分)基本上不发生变化的工艺过程;物理化学法是借助(化学的)或(物理)的作用,改变原材料的(化学成分)或(聚集状态)而获得粉末的工艺过程。

3.通常把固态物质按分散程度不同分成(致密体)、(粉末体)和(胶体)三类;〔1〕,即大小在1mm以上的称为(致密体),0.1μm 以下的称为(胶体),而介于二者的称为(粉末体)。

4.粉末冶金工艺过程包括(制粉)工序,(成形)工序和(烧结)工序。

5.粉末冶金成形前的预处理包括(粉末退火)、(筛分)、(混合)、(制粒)、和(加润滑剂)等。

6.粉末特殊成形方法有(等静压成形)、(连续成形)、(无压成形)、(注射成形)、(高能成形)等。

7.粉末的等温烧结过程,按时间大致可以划分为三个界限(1)(粘结阶段)(2)(烧结颈长大阶段)(3)(闭孔隙球化和缩小阶段)。

8.通常按烧结过程有无明显的液相出现和烧结系统的组成进行分类分为(单元系烧结)、(多元系固相烧结)、(多元系液相烧结)。

9.常用的粉末冶金锻造方法有(粉末热锻)和(粉末冷锻);而粉末热锻又分为(粉末锻造)、(烧结锻造)和(锻造烧结)三种。

10.粉末冶金复合材料的强化手段包括(弥散强化)、(颗粒强化)和(纤维强化)。

11.粉末是颗粒与颗粒间的空隙所组成的分散体系,因此研究粉末体时,应分别研究属于(单颗粒)、(粉末体)及(粉末体的孔隙)等的性质。

12.粉末在压制过程中,粉末的变形包括(弹性变形)、(塑性变形)和(脆性变形)。

13.通常等静压按其特性分成(冷等静压)和(热等静压)。

14. 烧结过程有自动发生的趋势。

从热力学的观点看,粉末烧结是(系统自由能减小)的过程,即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于(能量较低)状态。

烧结钢烧结过程中的气氛控制及其对性能的影响摘要：烧结气氛的正确选择及其控制对烧结后部件的性能至关重要，这里所谓的控制主要是指对气氛中氧及碳浓度（含量）的控制，因为两者均对烧结的质量及其后部件的力学性能、烧结表面质量等具有决定性的作用。

本文综述了PM 钢烧结过程中所用的不同的烧结气氛，阐述不同气氛的作用及其影响，着重分析不同气氛中碳势及氧浓度的控制，并举例说明。

关键词：烧结钢烧结气氛碳势氧分压烧结气氛及其选择如果仅考虑含碳钢的烧结，粉末冶金工业中所使用的烧结气氛为氢气、氮气、氮气+氢气（有碳势或无碳势）、分解氨、吸热煤气、吸热煤气+氮气、合成煤气以及真空等，正确选择烧结气氛，需了解各种烧结气氛的特点及其性能，按照保证质量，降低成本的原则进行选取。

氢气是一种很强的还原性气氛，很多人认为氢气具有一定的脱碳作用，但这在很大程度上取决于所使用的氢气的纯度而不是氢气本身。

一般经过电解或催化转化的氢气都含有一定量的杂质气体，如H2O，O2，CO及CH4等，有时总量可达0.5%左右。

因此，使用前最好能对其进行干燥及纯化处理，使其含氧量及露点降低，但是因氢气的价格较高，除非有特殊理由，一般情况下很少使用纯氢作烧结气氛。

氮气是一种安全而廉价的惰性气体，但因纯氮气在烧结温度下不具备还原性，所以在传统粉末冶金钢的生产中很少用纯氮气作烧结气氛。

近年来随着氮气纯化成本的降低及烧结炉密闭性的提高，氮气亦开始被用作烧结气氛烧结含碳钢。

氮氢混合气近年来被越来越多地用于含碳钢的烧结中，氮/氢通常用在95/5-50/50之间，这种混合气具有一定的还原性，露点可以达到-60℃以下，一般来说，使用这种气体在1050-1150℃时需要加入一定量的CH4或C3H8以保持一定的碳势，而在1250℃以上烧结含碳钢，无需控制碳势，这种混合气可以用来在1120℃以下烧结含铬的铁基合金而不发生氧化。

分解氨是使氨气通过加热的催化剂分解而成的，包括75%H2和25%N2。

名词解释机械研磨时，使球磨筒内小球沿筒壁运动能够正好经过顶点位置而不发生抛落时，筒体的转动速度单位质量或单位体积粉末具有的表面积（一克质量或一定体积的粉末所具有的表面积与其质量或体积的比值称为比表面积）由多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒每种金属氧化物都有离解的趋势，而且随温度提高，氧离解的趋势越大，离解后的氧形成氧分压越大，离解压即是此氧分压。

这是表述电解过程输入电量与粉末产出的定量关系，表达为每 96500库仑应该有一克当量的物质经电解析出细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程颗粒质量用除去开孔和闭孔的颗粒体积除得的商值。

真密度实际上就是粉末的固体密度g/cm3 将粉末颗粒面积因子与体积因子之比称为比形状因子d=ρ/ρ理）的倒数称为相对体积，用β＝1/d表示粉末样品总质量（总颗粒数量、总粉末体积）的百分数对粒径作图，即为粒度分布；（一定体积或一定重量（一定数量）粉末中各种粒径粉末体积（重量、数量）占粉末总量的百分数的表达称为粒度分布）变形困难的现象称为加工硬化(其它物质流)击碎制造粉末的方法由雾化介质流体与金属液流构成的雾化体系称为二流雾化将金属或合金的熔液快速冷却（冷却速度>105℃/s），保持高温相、获得性能奇异性能的粉末和合金（如非晶、准晶、微晶）的技术，是传统雾化技术的重要发展两种或两种以上金属元素因不是根据相图规律、不经形成固溶体或化合物而构成的合金体系，假合金实际是混合物为防止粉末或压坯在高温处理过程发生氧化而向体系加入还原性气体或真空条件称为保护气氛克粉末流经标准漏斗所需要的时间称为粉末流动性。

2 ）制备的金属网筛密度的区域具有相同化学成分，不同批次生产过程得到的粉末的混合工序称为合批雾化制粉时，用来冲击破碎金属流柱的高压液体或高压气体称为雾化介质发生物理或化学反应时，形成中间络合物所需要的能量称为活化能在某一温度、某一压力下，反应达到平衡时，生成物气体分压与反应物气体分压之比称为平衡常数细小金属氧化物粉末颗粒由于较大的蒸气压，在高温经挥发进入气相，被还原后沉降在大颗粒上，导致颗粒长大的过程物质通过固溶性质，固相物质经由固溶进入液相，形成饱和固溶体后继而析出，进行物质迁移的过程在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结的温度，是其中水蒸汽与氢分压比的量度烧结是指粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程。

烧结钢烧结过程中的气氛控制烧结钢是一种常用的金属材料，在烧结过程中，气氛控制是非常重要的一步，它直接影响烧结钢的质量和性能。

以下是关于烧结过程中气氛控制的详细介绍。

烧结过程中的气氛控制是指控制热处理过程中烧结炉内的气氛组成和热处理温度，以达到所需的烧结效果。

烧结气氛控制一般包括两个方面，一是气氛的稀薄度或气体成分，二是气氛的流动。

首先讨论气氛的稀薄度或气体成分。

在烧结过程中，气氛的稀薄度对烧结效果有着直接的影响。

一般来说，气氛过于稠密会导致烧结钢中的杂质氧化不充分，影响烧结的成熟度，而气氛过于稀薄则会造成烧结钢的烧损。

因此，根据不同的烧结工艺和所需的烧结效果，需要合理调节烧结炉内的气氛稀薄度。

同时，气氛的气体成分也是气氛控制的一个重要方面。

烧结钢的烧结过程中，一般会加入一些气体，如氮气、氢气等。

这些气体的选择和含量的设置，直接影响烧结钢的质量和性能。

以氨气为例，氨气可以与热处理钢表面的氧化皮发生反应，去除氧化皮，从而提高烧结的效果。

其次是气氛的流动。

在烧结过程中，气氛的流动对烧结钢的质量和性能也有着重要的影响。

气氛的流动可以让热处理钢材均匀地受热，在烧结过程中排出产生的气体和杂质，从而提高烧结钢的品质。

烧结炉内的气氛流动可以通过设计合理的烧结炉结构和设置适当的风冷设备来实现。

为了实现气氛的控制，一般采用两种气氛控制方式，一种是正压控制，一种是负压控制。

正压控制是在烧结过程中，向烧结炉内输入适量的气体，以保持烧结炉内气氛的稳定。

负压控制则是在烧结过程中，让烧结炉内的气体排出，以保持气氛的流动和烧结钢的质量。

总结来说，烧结过程中的气氛控制对烧结钢的质量和性能具有重要的影响。

合理调节气氛的稀薄度、气体成分和流动，可以提高烧结钢的成熟度，减少烧损，保证烧结钢的品质。

在烧结工艺中，需要根据具体的要求和条件，采用适当的气氛控制方式，以实现最佳的烧结效果。

烧结这章思考题1.烧结理论研究的两个基本问题是什么？为什么说粉体表面自由能降低是烧结体系自由能降低的主要来源或部分？答：研究的两个基本问题：①烧结为什么会发生？也就是烧结驱动力或热力学的问题。

②烧结是怎样进行的？烧结的机构和动力学问题。

原因：首先体系自由能的降低包含表面自由能的降低和晶格畸变能的降低。

因为理论上，烧结后的低能位状态至多是对应单晶体的平衡缺陷浓度，而实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体，因此烧结过程中晶格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要的。

2.粉末等温烧结的三个阶段是怎样划分的？实际烧结过程还包括哪些现象？答：①粘结阶段：颗粒间接触再通过成核，结晶长大等形成烧结颈。

特点：颗粒内晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，烧结体不收缩，密度增加极微，强度和导电性有明显增加（因颗粒结合面增大）②烧结颈长大阶段：烧结颈长大，颗粒间形成连续空隙网络。

晶粒长大使晶界扫过的地方空隙大量消失。

特点：烧结体收缩，密度和强度增加。

③闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔量大增，孔隙球化并缩小。

特点：烧结体缓慢收缩（但主要靠小孔消失和孔隙数量的减少来实现），持续时间可以很长，仍会残留少量隔离小孔隙。

还有可能出现的现象：①粉末表面气体或水分的蒸发。

②氧化物的还原的离解。

③颗粒内应力的消除。

④金属的回复和再结晶以及聚晶长大等。

3.用机械力表示烧结驱动力的表达式是怎样？式中的负号代表什么含义？简述空位扩散驱动力公式推导的基本思路和原理。

答：①机械力表示的烧结驱动力表达式：。

（参考书上模型）：作用在烧结颈上的应力。

：表面张力。

：曲率半径。

式中负号表示作用在曲颈面上的应力是张力，方向朝颈外。

②空位扩散驱动力公式推导思路：2ov v c c kT热力学本质：在烧结颈上产生的张应力减小了烧结球内空位生成能。

（意味空位在张力作用下更容易生成。

）具体推导公式见书。

过剩空位浓度：由于空位生成能的减小，烧结颈处比烧结体内更容易生成大量空位，由此产生了空位浓度差，即过剩空位浓度（梯度）v c 。

名词解释露点：在标准大气压下，气氛中水蒸汽开始凝结的温度，是其中水蒸汽与氢分压比的量度。

碳势：某一含碳量的材料在某种气氛中烧结时既不渗碳也不脱碳，以材料中的碳含量表示气氛的碳势。

CIP：冷等静压，借助于高压泵的作用将流体介质压入耐高压钢质密闭容器，高压流体的静压力直接作用于弹性模套内的粉末体，依照帕斯卡原理使粉末体受到各个方向上大致相等的压力作用。

消除了粉末与模套之间的外摩擦。

密度分布均匀，同一密度所需压力较模压降低。

HIP：包套置于一具有发热元件的高压容器内，抽出缸内空气。

压入30—60Mpa 的氩气，加热至100Mpa左右，借助于高温、高压的联合作用使粉末体发生充分致密化，获得全致密、高性能P/M制品。

弹性后效：指压坯脱出模腔后由于内应力的作用尺寸胀大的现象。

合批：相同成分不同粒度的粉末的混合拱桥效应：颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象内摩擦：粉末颗粒之间的摩擦烧结：烧结是指粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程。

液相烧结：烧结温度高于烧结体系低熔组分的熔点或共晶温度的多元系烧结过程，即烧结过程中出现液相的粉末烧结过程统称为液相烧结。

瞬时液相烧结：在烧结中、初期存在液相，后期液相消失。

烧结中初期为液相烧结，后期为固相烧结。

活化烧结：系指能降低烧结活化能，使体系的烧结在较低的温度下以较快的速度进行、烧结体性能得以提高的烧结方法。

溶解-在析出阶段：对于固相在液相中具有一定溶解度的LPS体系由于化学位的差异，化学位高的部位将发生优先溶解并在附近的液相中形成浓度梯度，发生扩散并在化学位低的部位析出。

填空题1．对于存在溶解析出的液相烧结体系，化学位较高的部位是颗粒尖角处与细颗粒，而大颗粒表面和颗粒凹陷处是化学位较低的部分。

2．在粉末压制过程中，通过颗粒的滑动和转动实现粉末颗粒的位移。

3．在熔浸过程中，前期发生固相烧结，而后期发生液相烧结。

4．粉末压坯的强度受控于颗粒之间的结合强度、颗粒之间的接触面积和残余应力的大小。

一、名词解释1、拱桥效应：粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。

这种现象称为拱桥效应。

2、氢损测定：把金属粉末的的试样在纯氢气流中煅烧足够长的时间，（铁粉为1000-1050℃，1h；铜粉为875℃，0.5h），粉末中的氧被还原成水蒸气，某些元素与氢挥发性化合物，与挥发性金属一同排除，测得金属粉末的损失量成为氢损。

3、粉末注射成型：利用塑料的可挤压性和可模塑性，将松散的粒料或粉状成型物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为黏流态熔体，在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段保压冷却定型时间后，开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制件。

4、烧结：把压坯或松装粉末体加热到其基本组员熔点以下的温度，并在此温度下保温，从而使粉末颗粒相互结合起来，改善其性能。

这种热处理称作烧结。

5、活化烧结：采用化学或物理措施，使烧结温度降低，烧结过程加快，或使烧结体密度和其他性能得到提高的方法，称为活化烧结。

6、烧结颈：通过烧结，颗粒之间由于原子的扩散，彼此之间的间隙逐渐球化，且颗粒间形成颈状的联结，形成烧结颈。

7、无压烧结：8、热等静压：在高温高压密封容器中，以高压氩气为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料(或零件)施加各向均等静压力，形成高致密度坯料(或零件)的方法。

9、融浸：用熔点比压坯或烧结体低的金属或合金熔化后填充压坯或烧结体孔隙的方法。

10、成型：将松散的粉末体加工成具有一定尺寸、形状，以及一定密度和强度的坯块。

11、侧压力：粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力就是侧压力。

12、弹性后效：弹性后效指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象。

粉磨冶金材料的烧结气氛与烧结炉一、烧结气氛烧结气氛用来控制压坯与环境之间的化学反应和清除润滑剂的分解产物，基本要求是保证制品加热时不受氧化。

此外还要求制品与气氛相互作用时不至于形成会使烧结体性能恶化的化合物。

具体地，烧结气氛产生的作用有：（1）防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应，如氧化、脱碳等。

（2）排除有害杂质，如吸附气体、表面氧化物或内部夹杂，以提高烧结的动力，加快烧结速度，改善制品的性能。

（3）维持或改变烧结材料中的有用成分，这些成分常常能与烧结金属生成合金或活化烧结过程，例如烧结钢的碳控制、渗氮和预氧化烧结等。

目前，工业使用的烧结气氛主要有氢气、分解氨气、吸热或放热型气体以及真空。

近20年来，氮气和氮基气体的使用日渐广泛，它们适用于大多数粉末零件的烧结，如Fe，Cu，Ni和Al基材料等。

纯氮中的氧极低，水分可减少至露点－73℃，是一种安全而价廉的惰性气体，而且可根据需要添加少量氢及有渗碳或脱碳作用的其他成分，使其适用范围更加广泛。

二、烧结炉烧结炉按加热方式可分为气体加热式和电加热式。

电加热式有用电阻丝加热的间接加热、直接通电加热、碳管电阻加热与高频感应加热等形式。

一般认为气体加热是经济的，但电加热式更容易调节，可控性好。

另外，根据粉末压坯进行烧结的要求和烧结炉的工作原理，可以把烧结炉分为间歇式烧结炉和连续式烧结炉两大类，这也是最常用的分类方法。

图4.12所示为两种不同类型的烧结炉。

图4.12 烧结炉1.间歇式烧结炉间歇式烧结炉有坩埚炉、钟罩式炉、箱形炉、半马弗炉、碳管电阻炉、各种高频感应炉等，下面以钟罩式炉、半马弗炉以及真空烧结炉为例介绍典型的间歇式烧结炉。

钟罩式烧结炉由底座、工件支承器、内罩和圆筒形外罩组成。

圆形外罩实际上是一个在内表面上装加热元件的炉壳。

钟罩与底盘的密封联结可以依靠专门的砂封来实现。

钢制钟罩的凸边放在砂封装置中。

在钟罩内的炉底上放置烧结制品。

保护气体经过炉底的中心通入，通过烧结室底部的套管逸出。