什么是烧结工艺?

什么是烧结技术?

烧结是一种压制和成型固体材料的过程，对材料施加热量和压力，但温度低于材料的熔点。陶器的制作要经过烧结过程，将金属粉末烧结成制品的过程称为粉末冶金。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。烧结过程直接影响微观组织中的晶粒尺寸、孔径、晶界形状和分布，进而影响材料的性能。

烧结过程可发生在矿床形成等自然环境中，可用于制造各种材料，如金属、塑料、陶瓷等。材料中的原子扩散穿过粒子的边界，粒子融合形成一个整体固体。由于烧结温度达不到材料的熔点，对于熔点极高的材料，通常选择烧结作为成型方法。

由于增加了制作金属粉末的一道工序，粉末冶金工艺的成本较高，但对于熔点高、组成元素熔点差异大、浇注性差等合金，或不能采用熔铸工艺，但有高附加值的材料。采用粉末冶金烧结具有工艺温度低、烧结致密度高、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。日本和欧美国家利用粉末烧结技术开发先进材料，积极投资具有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。

烧结技术的生产过程:

• 烧结:在低于组件熔点的温度下对粉末或压块进行热处理，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，嵌入压块以隔离和保护压块的材料。
• 预烧结:在低于最终烧结温度的温度下对压坯进行热处理。
• 加压:在烧结的同时施加单轴压力的一种烧结过程。
• 散粉烧结、重力烧结:粉末直接烧结，不需加压。
• 液相烧结:含有至少两种成分的粉末或压坯在形成液相的状态下烧结。
• 过度烧结: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。
• 欠烧结:烧结温度过低，烧结时间过短，使产品未达到要求的性能。
• 渗透:用熔点低于熔点的金属或合金填充未烧结或烧结产品的孔隙的一种加工方法。
• 脱蜡，燃烧:使用加热排出有机添加剂(粘合剂或润滑剂)在紧凑。
• 网带炉:一种烧结炉，零件在炉内由网带连续输送，通常有罩罩保护。
• 步进梁式炉:一种烧结炉，其中放置在烧结盘中的零件通过步进梁系统在炉内运输。
• 推炉:一种烧结炉，零件被装入燃烧的船，零件通过推进系统在炉内运输。
• 颈状连接:在烧结过程中，颗粒之间形成颈状连接。
• 起泡:由于气体的猛烈排放，在烧结件表面形成起泡。
• 发汗: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，在烧结件上形成一层与产品内部性能不同的表面层。
• 相对密度:多孔体的密度与相同组份材料在非多孔状态下的密度之比，以百分数表示。
• 径向破碎强度:通过施加径向压力来测量烧结圆柱形试样的断裂强度。
• 孔隙率:多孔体中所有孔隙的体积与总体积之比。
• 扩散孔隙:由于Kirkendall效应，一种成分物质向另一种成分扩散而形成的孔隙。
• 孔径分布:按数量或体积计算物料中各级孔径的百分比。
• 表观硬度:在规定条件下测定的烧结材料的硬度，其中包括气孔的影响。
• 固体硬度:在规定条件下测量的烧结材料的相或颗粒或区域的硬度，不包括孔隙的影响。
• 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。
• 流体渗透性:在规定条件下单位时间内通过多孔体的液体或气体的量。

一般烧结工艺:

烧结可以有效地减少孔隙率，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，增加其强度但保持其气体吸收性可能是有用的，例如在过滤器或催化剂中。在烧结过程中，原子的扩散会使粉末颗粒之间的界面消失。这个过程将分为不同的阶段。初始阶段将从粉末之间的颈部连接形成，直到最终消除小毛孔。

致密化的驱动力是由于表面积的减小而引起的总自由能的变化，以及固-气界面被固-固取代后表面自由能的减少。形成一个新的但能量较低的固-固界面，总自由能降低。在微观尺度上，材料传递受表面压力变化和自由能差的影响。如果颗粒的尺寸很小，这些影响就会变得很大。当曲率半径小于几微米时，能量的变化要大得多，这也是许多陶瓷技术基于使用细粒度材料的主要原因之一。对于强度和导电性等性能，与粒度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，因为蒸汽压依赖于温度。

固态过程的能量来源是颈部和粒子表面之间自由能或化学势能的变化。这种能量使物质以最快的方式转移。如果转移发生在颗粒体积或颗粒之间的晶界上，则会导致颗粒减少和空隙损失。具有许多均匀尺寸和较高孔隙率的样品，其边界扩散距离较小，孔隙消除速度更快。在过程的后期，晶界的边界扩散和晶格扩散变得很重要。温度控制对烧结过程很重要，因为晶界扩散和体扩散在很大程度上取决于温度、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和力较低，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制品的一般程序包括:

• 将水、粘结剂、防絮凝剂和未烧制的陶瓷粉均匀混合，形成浆料。
• 喷雾干燥浆料。
• 将喷雾干燥的粉末放入模具中压成绿色体。
• 坯体在低温下加热以烧掉粘结剂。
• 高温烧结使陶瓷颗粒熔合。

通过光学膨胀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周期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其转变温度并开始合并粉末结构并显着降低材料的孔隙率。烧结通常在高温下进行。此外，可以使用第二和第三外力。第二种常用的外力是压力。因此，仅使用温度烧结通常被称为无压烧结。利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形状的一种变体被称为热等静压。

为了在烧结过程中有效地将产品堆积在炉中，防止零件粘在一起，许多制造商使用陶瓷粉末分离层来分离产品。各种材料，如氧化铝，氧化锆，氧化镁可用于这些分离器。它们按粒度分为细、中、粗等不同的类别。通过将分离层的材料和粒度与烧结产品相匹配，可以减少表面损伤和污染，同时最大限度地提高炉膛负荷。

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，它不受表面污染的影响。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，对于较低的烧结温度，烧结铁粉的杨氏模量En对烧结时间、合金化或原始粉末中的粒度有些不敏感，但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可能表现出聚结，当这些条件消除后，仍然恢复其正常行为。在大多数情况下，当材料流入空隙时，粒子组合的密度增加，导致整体体积减小。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度，随后由于蒸发和扩散冷凝而进行物质运输。 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工艺使用脉冲直流电以瞬时大电流反复激励材料，因此颗粒之间发生放电。由于颗粒之间的接触面小，可产生局部高温，而等离子体，缩小的颗粒间隙有利于表面扩散和边界缺陷扩散，因此粉末颗粒界面被熔化并相互结合，完成粉末冶金烧结过程。由于烧结能量高，保温时间可大大缩短，高温只发生在颗粒的表面区域，因此颗粒内部的晶粒不会长大，可以有效控制烧结体的晶粒尺寸，有利于烧结体的微观组织。高密度材料烧结。此外，该技术将粉末成型和烧结在一个过程中结合在一起，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、模壁厚度、电流模式、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。一般采用熔炼工艺生产的碲化铋材料，熔炼温度约为550℃或更高。加工时间超过1小时，材料内部无法形成纳米结构。由于采用了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工艺材料，可以大大减少材料损耗，从而降低开发成本。