什么是粉末冶金烧结?

[拼音]：fenmo yejin shaojie

[外文]：powder metallurgy sintering

烧结是使压坯或松装粉末体进一步结合起来，以提高强度及其他性能的一种高温处理工艺。它是粉末冶金的重要工序之一。在烧结过程中粉末颗粒要发生相互流动、扩散、熔解、再结晶等物理化学过程，使粉末体进一步致密，消除其中的部分或全部孔隙。

通常有以下几类：

烧结温度在粉末体中各组元的熔点以下，一般是0.7～0.8Tm（Tm为绝对熔点，以K计）。

粉末压坯中如果有两种以上的组元，烧结有可能在某种组元的熔点以上进行，因而烧结时粉末压坯中出现少量的液相。

在烧结时，对粉末体施加压力，以促进其致密化过程。加压烧结有时与热压(hot pressing)为同义词，热压是把粉末的成形和烧结结合起来，直接得到制品的工艺过程。

在烧结过程中采用某些物理的或化学的措施，使烧结温度大大降低，烧结时间显著缩短，而烧结体的性能却得到改善和提高。

粉末体在成形压制时通入直流电和脉冲电，使粉末颗粒间产生电弧而进行烧结；在烧结时逐渐地对工件施加压力，把成形和烧结两个工序合并在一起。

又称浸透。为了提高多孔毛坯的强度等性能，在高温下把多孔毛坯与能润湿它的固态表面的液体金属或合金相接触，由于毛细管作用力，液态金属会充填毛坯中的孔隙。这种工艺适合于制造钨银、钨铜、铁铜等合金材料或制品。

在烧结过程中粉末体要经历一系列的物理化学变化，如水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原，颗粒间的物质迁移、再结晶、晶粒长大等，因而使颗粒间的晶体接触面增加，孔隙收缩甚至消失。出现液相时，还会发生固相的溶解与析出。这些过程彼此间并无明显的界限，而是互相重叠，互相影响。再加上其他烧结工艺条件，使整个烧结过程的反应复杂化。1942年德国许蒂希(G.F.Hüttig)利用物理化学的研究手段测定了烧结温度对烧结体的电动势、溶解度、密度、显微组织、力学性能等的影响，发现烧结是一个十分复杂的过程。1949年美国库琴斯基 (G.C.Kuczynski)研究了金属球与金属板的烧结，认为烧结时的物质迁移主要是以扩散方式进行的（见金属中的扩散）。他们的工作把烧结理论的研究推向新的阶段。后来的许多研究工作都是围绕着烧结过程中的物质迁移机理进行的。

一般认为有下列五种机理：粘性或塑性流动，蒸发和凝聚，体积扩散，晶界扩散，表面扩散。两个相互接触的球形颗粒（图1）烧结时，接触颈部半径x 的增长与烧结时间t可能有下列关系：

粘性或塑性流动 x2∝t

蒸发和凝聚 x3∝t

体积扩散 x5∝t

晶界扩散 x6∝t

表面扩散 x7∝t

烧结过程中，烧结体的组织结构会发生复杂的变化。首先粉末颗粒间的接触点和接触面随时间的延长逐渐扩大，同时孔隙要发生收缩，渐呈球形。有些孔隙与外界连通成为开口孔，有些孔隙则成为孤立的闭口孔。粉末颗粒由于在压制过程中发生了变形，因此在烧结时要发生再结晶和晶粒长大。西泽龙(G.Cizeron)和拉孔布(P.Lacombe)报道过羰基铁粉的试验情况，在890℃氢气中烧结时，随着烧结时间的延长，可以看到晶粒的长大，而孔隙则从微细分散的孔隙变成较粗大集中的孔隙，而数量越来越少，最后趋向消失。多组元的压坯在烧结时还要发生扩散均匀化，形成固溶体或化合物。粉末颗粒的大小、形貌和成形、烧结工艺等对压坯的再结晶、晶粒大小、均匀化等均有影响。在烧结过程中粉末体的性能随组织结构的变化而发生变化（图2）。

不同烧结温度和烧结时间对绕结体强度的影响见图3。在较高的温度T3或T4条件下烧结时，开始烧结体的强度随时间的延长而增加，而后下降。这是由于烧结的后期发生了晶粒长大。

烧结体的硬度与致密程度有关，大体上与烧结体的密度成比例增加。测量硬度时如压痕包含一些孔隙则硬度值偏低，如用显微硬度计测定，可避开孔隙，因而得到金属材料本身的固有硬度，不受密度的影响（图4）。

烧结必须在有保护气氛的烧结炉内进行，以避免烧结体氧化，或发生不利的化学反应。烧结炉的种类很多，可用天然气、煤气、油、电等作热源。电加热炉经济方便，易于调节控制。常用的保护气氛有真空，氩、氦、氮、二氧化碳等惰性气体和氢、分解氨、一氧化碳、转化天然气等还原性气体。

为了进一步提高烧结制品的使用性能以及尺寸和形状精度，往往要进行整形、精整、复压、浸油、机械加工、热处理等后续工序。

参考书目

黄培云主编，《粉末冶金原理》，冶金工业出版社，北京，1982。Joel S. Hirschhorn，Introduction to Powder metallurgy，APMI，New York，1969.F. V. Lenel，Powder metallurgy Principles and Applications，MPIF，Princeton，New Jersey，1980.