什么是烧结工艺?

烧结技术是什么?

烧结是压制和成型固体材料的过程，对材料施加热量和压力，但温度要低于材料的熔点。陶器的生产要经过烧结过程，将金属粉末烧结成产品的过程叫做粉末冶金。粉末形成后，烧结得到的致密体是一种多晶材料，其微观结构由晶体、玻璃体和孔隙组成。烧结过程直接影响晶粒尺寸、孔隙大小以及微观组织中晶界的形状和分布，进而影响材料的性能。

烧结过程可以在自然环境中发生，如形成矿床，并可用于制造各种材料，如金属、塑料、陶瓷等。材料中的原子扩散越过粒子的边界，粒子融合形成整体固体。由于烧结的温度没有达到材料的熔点，对于熔点极高的材料，通常选择烧结作为成型方法。

由于增加了制造金属粉末的工序，粉末冶金工艺成本较高，但对于合金如熔点高、组成元素熔点差大、浇注性差等，或熔铸工艺不能使用，但有高附加值材料。使用粉末冶金烧结具有工艺温度低、烧结密实度高、烧结时间短等优点，因此除价格因素外，仍具有相当高的竞争力。利用粉末烧结技术开发先进材料，日本和欧美国家积极投资前瞻性的工艺技术和机器设备。为了提高烧结效果，在传统的烧结过程中加入电流以辅助烧结。

烧结工艺生产过程:

• 烧结:在低于部件熔点的温度下对粉末或压坯进行热处理，通过颗粒之间的冶金结合来增加其强度。
• 包装材料:在预烧结或烧结过程中，为了分离和保护压坯而嵌入其中的材料。
• 预压:在比最终烧结温度低的温度下对压坯进行的热处理。
• 压力:在烧结的同时施加单轴压力的一种烧结过程。
• 松粉烧结、重力烧结:粉末直接烧结，不加压。
• 液相烧结:至少有两种成分的粉末或压坯在形成液相的状态下进行烧结。
• 超烧结:烧结温度过高，烧结时间过长，导致产品最终性能恶化的烧结。
• 欠烧:烧结温度过低，烧结时间过短，导致产品达不到要求的性能。
• 渗入:用熔点低于熔融状态下产品熔点的金属或合金填充未烧结或烧结产品气孔的一种加工方法。
• 脱蜡、烧掉:加热排出粉盒内的有机添加剂(粘合剂或润滑剂)。
• 网带炉:用网带在炉内连续传送零件的烧结炉，网带一般有消声器保护。
• 步进梁炉:一种烧结炉，放在烧结盘上的零件通过步进梁系统输送到炉内。
• 推炉:一种烧结炉，零件被装入燃烧的船上，零件通过推进系统在炉内运输。
• 颈状连接:烧结过程中颗粒之间形成颈状连接。
• 起泡:烧结件表面由于气体的猛烈排放而形成的起泡现象。
• 出汗:在压坯热处理过程中，液相渗出的现象。
• 烧结皮:在烧结过程中，烧结件表面形成一层与产品内部性质不同的面层。
• 相对密度:多孔体的密度与非多孔状态下相同组分材料的密度之比，用百分数表示。
• 径向破碎强度:通过施加径向压力来测定烧结圆柱试样的破碎强度。
• 孔隙率:多孔体中所有气孔的体积与总体积之比。
• 扩散孔隙:一种组分物质扩散到另一组分中，由于科肯达尔效应而形成的孔隙。
• 孔隙大小分布:材料中各层次孔隙大小的百分比由数量或体积计算。
• 表观硬度:烧结材料在规定条件下所测得的硬度，包括气孔的影响。
• 固体硬度:在规定条件下测定的烧结材料的某一相、颗粒或某一区域的硬度，不包括气孔的影响。
• 气泡点压力:迫使气体通过浸渍液体的物品产生第一个气泡所需的最小压力。
• 流体渗透率:在规定条件下测量的单位时间内通过多孔体的液体或气体的量。

一般烧结工艺:

烧结可以有效降低孔隙率，提高强度、导电性、透明度和导热性等性能。然而，在其他情况下，它可能是有用的，增加其强度，但保持其气体吸收，如在过滤器或催化剂。在烧制过程中，原子的扩散会使粉末颗粒之间的界面消失。这个过程将被分为不同的阶段。初期阶段将从粉末之间的颈部连接形成，直到最后消除小毛孔。

致密化的驱动力是固-固界面被固-固取代后，由于表面积减小而产生的总自由能的变化和表面自由能的降低。它形成了一个新的但能量较低的固体-固体界面，总自由能降低。在微观尺度上，材料的转移受到压力变化和表面自由能差的影响。如果粒子的尺寸很小，这些效应的影响就会变大。当曲率半径小于几微米时，能量的变化要高得多，这是许多陶瓷技术基于使用细粒材料的主要原因之一。对于强度和导电性等性质，与颗粒大小相关的结合面积是决定因素。对于任何给定的材料，可以控制的变量是温度和初始晶粒尺寸，因为蒸气压与温度有关。

固态过程的能量来源是颈部和粒子表面之间的自由能或化学势能的变化。这种能量以最快的方式产生物质转移。如果转移发生在颗粒体积或颗粒之间的晶界，它会导致颗粒减少和孔隙损失。对于许多均匀尺寸和较高孔隙率的样品，孔隙消除速度更快，在这些样品中边界扩散距离较小。在之后的过程中，晶界的边界扩散和晶格扩散变得非常重要。温度控制对烧结过程非常重要，因为晶界扩散和体扩散严重依赖于温度、尺寸、材料颗粒的分布、材料成分和烧结环境。

陶瓷烧结工艺:

烧结是陶器和其他陶瓷制品烧制过程的一部分。这些物体是由诸如玻璃、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、石灰、氧化铍和氧化铁等物质制成的。有些陶瓷原料对水的亲合力较低，塑性指数低于粘土，在预烧结阶段需要有机添加剂。

用烧结粉末制作陶瓷物体的一般程序包括:

• 将水、粘结剂、絮凝剂和未烧制的陶瓷粉均匀混合形成浆料。
• 将浆液喷干。
• 将喷雾干燥的粉末放入模具中并压成绿色的物体。
• 青坯在低温下加热，以烧掉粘结剂。
• 在高温下烧结，使陶瓷颗粒熔合。

通过光学膨胀计热分析观察膨胀-温度曲线，可以很容易地得到特定陶瓷配方在烧结循环过程中发生的所有特征温度(包括相变温度、玻璃化温度、熔点等)。烧结与材料的显著收缩有关，因为玻璃相一旦达到转变温度就会流动，并开始与粉末结构结合，并显著降低材料的孔隙率。烧结通常在高温下进行。此外，还可以使用第二和第三外力。第二种常用的外力是压力。因此，只利用温度的烧结常被称为无压烧结。采用梯度金属陶瓷复合材料、纳米颗粒烧结助剂和整体成型技术，可以实现无压烧结。3D形状的一种变体称为热等静压。

为了在烧结过程中有效地将产品堆叠在炉内，防止零件粘在一起，许多制造商使用陶瓷粉末分离器层来分离产品。各种材料，如氧化铝，氧化锆和氧化镁可用于这些分离器。按粒度分为细、中、粗等不同类别。通过将分离层的材料和粒度与被烧结的产品相匹配，可以减少表面损伤和污染，同时最大限度地提高熔炉负荷。

金属粉末烧结工艺:

大多数金属都可以烧结。这尤其适用于在真空中生产的纯金属，它们不会受到表面污染。在常压下烧结需要使用保护气体，通常是吸热气体。烧结，然后再加工，可以产生广泛的材料性能。密度、合金化和热处理的变化可以改变各种产品的物理性能。例如，在较低的烧结温度下，烧结铁粉的杨氏模量En对烧结时间、合金化或原粉中的颗粒大小不敏感，而取决于最终产品的密度。其中D为材料的密度，E为铁的理论杨氏模量，D为铁的理论密度。烧结是静态的，而金属粉末在一定的外部条件下会发生聚结，在除去这些条件后仍会恢复到其正常行为。在大多数情况下，当物质流入空隙时，粒子组合的密度增加，导致整体体积减小。在烧结过程中发生的质量运动包括通过重新包装减少总孔隙率，其次是由于蒸发和扩散凝结造成的材料运输。 In the final stage, the metal atoms move along the crystal boundaries to the walls of the inner pores, redistributing mass from the inner body of the object and smoothing the pore walls. Surface tension is the driving force for this movement.

火花等离子烧结工艺:

SPS工艺采用脉冲直流，以瞬时大电流对材料反复通电，使粒子之间产生放电。由于颗粒之间的接触面小，可以产生局部高温，而等离子体，颗粒间隙减小有利于表面扩散和边界缺陷扩散，因此粉末颗粒界面熔化并相互粘结，完成粉末冶金烧结过程。由于烧结能高，保温时间可以大大缩短，高温只发生在颗粒的表面积上，所以颗粒内部的晶粒不会生长，可以有效控制烧结体的晶粒尺寸，有利于烧结体的微观结构。高密度材料烧结。此外，该技术将粉末成型和烧结在单一工艺中结合起来，不需要预成型，也不需要任何添加剂和粘合剂。

影响烧结后材料性能的参数有温度梯度、电流密度、材料电导率、模具壁厚、电流形态、加热速率、保温时间和烧结压力。因此，火花等离子烧结温度低、时间短，可以大大降低工艺能耗，提高材料加工速度。一般来说，熔炼过程产生的碲化铋材料熔炼温度在550°C左右或更高。处理时间超过1小时，无法在材料中形成纳米结构。由于采用火花等离子烧结技术，混合材料通过高能球磨达到纳米级，因此烧结材料的均匀性优于熔炼过程材料，可以大大减少材料损耗，从而降低开发成本。