第10章-液相烧结

Chapter4液相烧结概念

液相烧结：液相烧结指的是在烧结过程中出现少量液相的烧结过程。少量液相的出现，加速了原子扩散过程，缩短了烧结时间，使得烧结体密度大幅度增高。液相烧结分类一、瞬时液相烧结

如烧结铁粉与铜粉的混合粉压坯时，少量铜的熔化与扩散。二、在较长时间内有较大量液相存在的烧结

如硬质合金和高比重合金的烧结过程。获得烧结过程的液相的三种方式一种是在化学组成不同的元素粉末混合粉中，有一种粉末的熔点低于烧结温度时，这部分粉末便形成液相。另一种是在粉末混合粉中，有两种成分的粉末，可在烧结温度的某一个区间发生反应形成共晶液相。这两种方法既可能是瞬时液相，也可能是长时间存在的液相。第三种方式是针对合金粉末而言的，当将烧结温度设定于合金的同相线与液相线温度之间时，就会出现固一液两相共存的烧结过程，这叫做超固相线烧结。10．1基本概念1．接触角和两面角(1)接触角10．1基本概念1．接触角和两面角(2)两面角10．1基本概念1．接触角和两面角(3)与溶解度的关系对于液相烧结系统，要获得满意的致密化效果，固相在液相中的溶解度特别重要。如果烧结的粉末互不相溶，致密化过程将进行缓慢，甚至不会达到完全致密。若希望在液相烧结时实现致密化，则液相在固相中的溶解度是有害的。另一方面，在生产具有数量可控的孔隙度的压坯时，溶解度具有重要的作用。10．1基本概念1．接触角和两面角(3)与溶解度的关系溶解度比率(S比)定义为：S比=SA/SB式中，SA表示基体在添加剂中的溶解度；SB表示添加剂在基体中的溶解度。当SA/SB值大于l时，液相烧结时形成孔隙与体积膨胀；而SA/SB值小于l时，液相烧结时发生致密化10．2液相烧结的显著致密化过程一般地，密度高于17g／cm3的合金被称为高比重合金或重合(heavyalloy)。当烧结的压坯达到高密度时，可获得高的力学与物理性能。由于对液相烧结致密化过程的认识在相当大程度上来源于重合金的实验，有时又将致密化机理叫做“重合金机理”。重合金的主要意义在于，制取该合金的生产过程比较简单，合金的密度高，强度与韧性的综合性能好。10．2液相烧结的显著致密化过程1．高比重合金烧结机理的基本特点①成分②烧结温度③粉末粒度④生坯密度⑤显微组织10．2液相烧结的显著致密化过程2．高比重合金致密化的三个阶段①液相流动或颗粒重排②溶解一再沉淀③固相烧结10．2液相烧结的显著致密化过程2．高比重合金致密化的三个阶段10．3烧结硬质合金的生产工艺1．碳化钨和碳化钛的生产金属钨粉碳化是生产碳化钨粉的最基本的方法。将金属钨粉与灯黑或炭黑粉充分混合，混合粉中碳的含量要比碳化钨中钨与碳的化学计量比稍微高一些。将混合粉轻压成团块，装于碳舟中，放人高频感应炉或电阻炉内，在氢气中加热到约1500℃，保温一定时间。将反应产物粗破碎后，再球磨成碳化钨粉末。碳化钨粉的粒度取决于原料钨粉的粒度和碳化条件。比0．5um还细的钨粉，于1350～1400℃下碳化时，制取的碳化钨粉的粒度可能小于1um。用粗的原料钨粉，比如6um的钨粉，在1600℃下碳化时，可获得粒度为l0um的粗碳化钨粉。10．3烧结硬质合金的生产工艺1．碳化钨和碳化钛的生产对于生产碳化钛，要求尽可能生产出接近化学计量组成的碳化钛粉。将氧化钛粉末与炭黑粉末湿混合，充分干燥后，压制成坯块。将坯块装在石墨坩埚中，在高频感应真空炉中于1900～2300℃下进行反应，得到碳化钛。另一种生产方法是通过金属钛粉与碳粉反应，制取碳化钛。必须将反应的产物球磨成粉末。碳化钽粉是由碳粉与氧化钽(Ta205)或金属钽粉或钽氢化合物粉末的混合粉制取的。然后，将反应产物球磨成粉末。10．3烧结硬质合金的生产工艺2．硬质合金生产(1)球磨将原料碳化钨粉和钻粉，装于球磨机或搅拌球磨机中进行混合与球磨，一般于有机介质(酒精或乙烷)中进行湿磨。除用于热压的混合料外，一般在混合料中加入石蜡作为成形剂和润滑剂。(2)干燥球磨后，必须用干燥法将有机液体除去。比较先进的干燥方法为喷雾干燥，即用热氮气流冲击碳化物浆料，将之粉碎成液滴干燥。由混合料粉末与润滑剂用喷雾干燥制得的粉状团粒流动性好，并可直接供自动压机压制成形。10．3烧结硬质合金的生产工艺2．硬质合金生产(3)成形制得的混合料通常用冷压制成形为生压坯，偶尔也采用等静压成形。需要大量同一尺寸的压坯时，例如切削刀具的刀片，可在自动压机上用硬质合金模具压制成形，一般压制压力较低，为100～200MPa。(4)预烧结成形的硬质合金坯料、压坯及挤压坯，在最终高温烧结之前必须进行预烧结。预烧结的目的是烧除润滑剂或粘结剂。预烧结一般在氢气中进行。在依据预烧结坯或压制成一给定形状的压坯来确定成形的异形件尺寸时，必须考虑到最终烧结时收缩率，这个因素非常大，线性收缩率为l8％～26％(体积收缩率为45％～60％)。10．3烧结硬质合金的生产工艺2．硬质合金生产(5)最终烧结WC～C0硬质合金的烧结是典型液相烧结过程。液相主要来源于WC一C0的共晶液相。由WC一Co平衡相图可知，于l320℃，WC与35％Co形成共晶液相。当烧结温度高于1320℃时，WC—C0压坯中就会形成一定体积分数的液相。10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺2．硬质合金生产(5)最终烧结后续处理最终烧结后，硬质合金制品的两种重要后处理工艺是热等静压与涂层。热等静压是将硬质合金制品加热到烧结温度(1380℃)的同时，通过氩气施加l00～150MPa的压力。这可消除硬质合金中残留的孔隙：已开发了一种设备，可于真空中烧结硬质合金，随后进行热等静压。对于像拉伸模或轧机的轧辊之类要求表面光洁无缺陷的硬质合金制品，热等静压处理特别重要。10．3烧结硬质合金的生产工艺2．硬质合金生产(5)最终烧结后续处理为改进使用性能，精加工及研磨的硬质合金工具表面往往要进行涂层处理。应用最多的是碳化钛化学气相沉积法，它是以氢作为气体载体，用四氯化钛与碳氢化合物蒸气进行沉积的。碳化钛涂层很薄，约5um。涂层可增高刀刃的耐磨性，减小月牙洼磨损及增强抗变形性，从而改进金属的切削率和延长工具的使用寿命。除碳化钛外，还开发了碳氮化钛、氮化钛及氧化铝涂层。涂层主要用于机卡刀片。10．3烧结硬质合金的生产工艺3．硬质合金的牌号与性能含C0量为3％～l3％的WC—Co，硬质合金仅只用于切削加工铸铁、有色金属和非金属材料，一般不用于切削加工钢材。对于非切削加工的耐磨应用，可使用含C0量高达30％的硬质合金。切削加工用硬质合金的碳化钨颗粒的平均粒度一般为l～5um，耐磨零件用的碳化钨颗粒的粒度达10um。10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10．3烧结硬质合金的生产工艺10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结液相烧结不仅用于生产高比重合金与WC—C0硬质合金，有时也利用液相烧结生产一些具有一定孔隙度的制品，如多孔性自润滑轴承和铁基结构零件。总的来说，压坯中的孔隙形成和液相在固相中的溶解度有关。如果液相在固相中有相当大的溶解度，则在烧结过程中就会生成残留孔隙。在瞬时液相烧结中，液相仅在烧结的某一阶段出现，随着烧结进行，液相扩散到固相中，最终消失成为固相烧结。10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结1.液相烧结过程中形成可控孔隙度的现象①形成液相后，液相铺展与流动，在添加剂原来的位置将会出现孔隙，但是一些颗粒重排会影响整个孔隙结构；②液相浸入固体颗粒间的间隙中，依据液相铺展的程度和两面角的变化，这可能导致压坯的体积膨胀；③由于烧结颈长大和局部液相的作用，有可能导致局部的固相颗粒重排；④产生溶解—再沉淀，由于固体颗粒较大，压坯因重排与溶解一再沉淀产生的收缩较小；⑤扩散均匀化，在瞬时液相烧结的场合，这将导致液相消失与形成刚性的固态结构。

10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结2．烧结具有可控孔隙度压坯时的尺寸变化控制尺寸变化的几个主要因素如下：①粉末的粒度和粒度分布。若想使生坯在烧结前后的尺寸不发生大的变化，应当使用较粗的粉末作为基体粉末，其粒度分布位于20～150um之间。如果希望胀大较小和收缩较大，就应选用较细的粉末。②压制压力。压制压力决定生坯密度：生坯密度较高时，颗粒重排就比较困难，在烧结过程中，压坯体积趋向胀大而不是收缩。③烧结时的升温速度。快速升温到烧结温度，会使产生的液相量增加，特别在瞬时液相壳结时，会产生较大量的液相，导致压坯体积胀大。10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结例l自润滑轴承的液相烧结具有可控孔隙度的液相烧结的主要应用是自润滑轴承，即烧结金属含油轴承。加入或不加入石墨粉的铜粉和锡粉的混合粉是制造青铜轴承的原料。在烧结过程中，铜粉为固相，即图l0—18中的B组元，锡粉为A组元。锡粉在铜粉中有相当高的溶解度。烧结过程中锡熔化时，在锡粉颗粒原位就形成孔隙。孔隙的长大与収缩取决于铜粉与锡粉的粒度、压制压力及将压坯加热到烧结温度的速度。形成的液相是瞬时的。在烧结过程中形成的青铜轴承基体是单相的铜一锡固溶体。典型的显微组织如第l章图l一16所示。10.4具有可控孔隙度压坯的液相烧结例2结构零件的液相烧结将铁粉、铜粉及石墨粉的混合粉压制成形和烧结制成结构零件。烧结温度高于铜的熔点(1083℃)时，铜粉熔化，铜在铁中有较高的溶解度，形成铁—铜固溶体。烧结时，影响压坯尺寸变化的因素，除粉末粒度与压制压力外，还有铁粉和添加于混合粉中的石墨粉的特性。如果使用的铁粉是多孔性的还原铁粉，则烧结时尺寸变化小；如果使用的是水雾化铁粉，由于铁粉颗粒是致密的，压坯的尺寸增大。加入的石墨粉减小压坯的尺寸长大，因为铜与纯铁间的两面角比液态铜与奥氏体Fe—C固溶体问的两面角小，结构零件和一些软磁零件是由铁粉与Fe—P合金粉的混合粉制造的。在这种场合，液相是由于在1050℃下铁粉与Fe—P合金粉间的共晶反应形成的。10．5超固相线烧结超固相线烧结是另外一种特殊的瞬时液相烧结。在超固相线烧结中，使用的原料粉不是元素粉末混合粉，而是水雾化预合金化粉末，每个粉末颗粒的化学成分相同。将预合金化粉末压制成形，经烧结制成零件。烧结温度设定左合金的液相线和固相线之间。这时，每个颗粒内部都有液相形成。液相出现时，液相的铺展将导致颗粒破碎、重排，致使液相均匀分布，压制成形的压坯中的颗粒间孔隙消失，达到了致密化。10．5超固相线烧结10．6熔渗熔渗又称为浸渗，指的是往固相骨架的孔隙中渗入熔化的第二种金属或合金熔体。一般分两步进行。第一步用压制成形与固相烧结制成骨架或刚性的多孔性压坯。第二步是熔渗过程。将由熔渗剂制成的预成形坯置于骨架上面。当加热的温度超过溶渗剂的熔点时，溶渗剂熔化形成液相，在溶渗剂与基体颗粒问的毛细管力的作用下，液相渗入并充填连通孔隙。这需要液体与骨架固体之间的接触角小。10．5超固相线烧结10．6熔渗要想成功地进行溶渗，必须注意以下几点：①固态骨架与熔渗液体之间不得发生反应形成化合物，或在熔渗完