烧结技术

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2020/3/41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2020/3/42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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/43(二)装炉(装舟及摆料)推杆式烧结炉—装舟;网带式烧结炉—-摆料SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/441.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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/45二、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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/461050-1200oC加热烧结保温水冷时间,hr空冷温度℃SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/47序号烧结温度(±10℃)适用制品范围举例11050高碳(石墨2.5%以上)、低密度(<6.0g/cm3)21080含油轴承、气门导管,石墨添加量1.5~2.5%的减摩零件31120铁基结构零件(Fe-C、Fe-Cu-C),石墨添加量<1%时,一次烧结工艺4>1150中高强度结构零件(石墨添加量<1%,添加适量合金元素),或复压复烧工艺中的高温烧结铁基制品烧结温度范围SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/482.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▪nt—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)SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/493.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→SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/410冷却方式铁铜制品中的含铜量(%)0248A13.1620.328.436.9B13.1618.929.834.5C11.615.320.123D12.518.520.121.7冷却方式对抗拉强度的影响(kgf/mm2)SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/411(二)铜基粉末冶金零件烧结工艺简介粉末冶金Cu基制品青铜Cu-Sn6-6-3青铜90/10青铜黄铜Cu-Zn纯铜Cu镍银Cu-Ni-Zn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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/412烧结材料成分(%)烧结温度范围(℃)CuZnSnNiPb6-6-3青铜其余5~75~7-2~4750~83090Cu-10Sn青铜其余-9~11--750~830纯铜100----750~100070-30黄铜67~70其余---825~900Cu-Ni-Zn合金6520~21-14~15-940~1080几种铜合金的烧结温度范围SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/413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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/414三、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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/4155.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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/416第二节烧结气氛Sinteringatmosphere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:活化气氛、渗碳气氛SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/4172.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+N2SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/4183.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、制取工艺气氛种类应用所占比例应用举例吸热型气体70%碳钢分解氨气体20%不锈钢、碳钢放热型气体5%铜基材料H2、N2、真空5%铝基材料及其它国外粉末冶金工业用烧结气氛举例SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/419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(dissociatedammonia):0.4;吸热性气氛(endothermalgas):0.2;放热性气氛(exothermalgas):0.1;真空(vaccum):昂贵(设备投资大)SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/420二、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——?SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/421●放热型气体:制备转化气时,原料气体与空气按一定比例通过转化器,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。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/422●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……SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/423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气体标准成分应用举例吸热型40H2,20%CO,1%CH4,39%N2Fe-C,Fe-Cu-C等高强度零件;爆炸性极强放热型8%H2,6%CO,6%CO2,80%N2纯铁,Fe-Cu烧结零件;有爆炸性SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/424三、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+CO22:FeO+H2=Fe+H2O①区:1、2向右;②区:1、2向左;③区:1左2右;④区:1右2左①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/425●要无氧化烧结,应在①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。①②③④SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/4262.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:Fe+2CO=(Fe,C)+CO22:Fe+CH4=(Fe,C)+2H212SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/4272)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;T<700℃,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12SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/428四、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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/429●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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/430SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/431(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SchoolofMaterialsScienceandEngineering2020/3/432五、真空烧结实质上是减压烧结,真空度一般10-1-10-5mmHg(1.3×10-1.3×10-3Pa)。(一)真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