固结工艺
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第346页（5911字）
6．3．2．1 烧结
烧结就是使松装粉末颗粒的组合体或由粉末颗粒压制的压坯在高温下冶金地结合成凝固体的过程，在粉末冶金零件的制造过程中，烧结工序就是使脆弱的生坯在保护气氛中加热，使粉末颗粒形成凝固结合体和使混入的任一元素合金化，因而得到所希望的力学性能，所使用的烧结温度通常均低于主要组分的熔点．
烧结通常包括6个不同的阶段：①颗粒开始粘结；②颈部长大；③连通孔隙封闭；④孔隙球整化；⑤致密化或孔隙收缩；⑥孔隙粗化．
有关物质迁移机理有表面扩散、体积扩散、蒸发与凝聚以及晶界扩散，影响烧结的因素很多，其中最重要的是时间和温度，特别是温度．同时，颗粒大小、压坯的孔隙度和预合金化也会影响烧结过程．
表6-28～表6-36简单介绍各种不同的铁基、有色金属以及金属碳化物材料的生产烧结实践．
表6-28 铁基材料的烧结
表6-29 不锈钢的烧结
表6-30 高速钢和工具钢的烧结
表6-31 铜基材料的烧结
图6-3 高速钢完全致密化烧结的烧结工艺循环
(a)英国专利1562788；(b)美国专利4063940
表6-32 铝和铝合金的烧结
①烧结周期见图6-4．
图6-4 烧结粉末冶金铝零件的加热周期
(a)间歇式烧结零件；(b)连续式烧结零件；(c)真空烧结零件
表6-33 硬质合金的烧结
表6-34 难熔金属的烧结
表6-35 钛的烧结
表6-36 镍和镍合金的烧结
烧结炉的保护气氛是决定烧结压坯材质性能的最重要的因素，表6-37列出常见的烧结保护气氛及其特点．
表6-37 烧结保护气氛
在保护气氛气体中进行烧结作业时，可将整个烧结过程划分为3个阶段，即预热与脱蜡、烧结及冷却，故烧结炉一般也是由这三部分组成的，脱蜡有的在烧结炉的前部进行，也有用其他炉子的，在间歇炉的场合，一般都没有冷却部分，表6-38列出烧结炉的类型及各自特点．
表6-38 烧结炉的类型及特点
6．3．2．2 轧制
粉末轧制是指用轧机连续压制金属粉末，以制成连续的生带坯或生板坯，这些生带(板)坯经烧结和再轧制等进一步加工，可制成完全密实的或具有所要求的孔隙度与孔隙大小的带材．
轧制用粉末要求良好的流动性、柔软性和粉末颗粒形状的不规则性，对其颗粒大小及粒度分布亦有要求，适于辊压用的金属粉末包括单种金属粉末及其混合物、单种金属粉末与合金化粉末混合物、预合金粉末等．
粉末轧制的生产过程包括轧辊配置、供粉、烧结、热轧、冷却及卷带等工序(如图6-5所示)，表6-39简单介绍各工序要点，表6-40列出工业生产的粉末轧制典型产品及其特点．
图6-5 粉末轧制的工艺过程
表6-39 粉末轨制的工艺过程
表6-40 粉末轧制典型产品及其性能
①压制轧辊直径560mm，轧辊速度2．2r／miin，辊缝(生带坯)3．5mm．
②压制轧辊直径254mm，轧辊速度6．0r／min，辊缝(生带坯)1．5mm；磁性能来自未加工的高纯钴粉轧制的钴带材．
6．3．2．3 锻造
粉末锻造是将用常规的压制-烧绕工艺制造的预成形坯锻造成密实的最终形状，它可以用于制造密度较高的高强度粉末冶金零件，这些零件的孔隙度可减小到最低限度甚至完全被消除掉，经过锻造的粉末冶金零件，其力学性能特别是动力学性能将得到提高，工业粉末冶金锻造一般包括预成形坯的压制、预成形坯的烧结以及预成形坯的锻造等工序，如表6-41所示．
表6-41 工业铁基粉末冶金锻造工艺
表6-42 锻造方法及其产品特点
粉末冶金预成形坯锻造可以生产出接近或等于最终形状的零件，材料利用率高，大大削减机加工费用，有效地节约能源，因此制造成本较低，同时，合金选择的灵活性、锻造零件较小的各向异性和成分均匀性以及易于自动化等优点，使之成为一种在经济上很有吸引力的工艺．
现在工业上生产和使用的一些粉末冶金锻造零件主要用于汽车上，如汽车发动机的连杆、阀座，变速器的定子凸轮、汽车上的各种齿轮等．
由于粉末冶金工艺的经济性以及可有效地利用预合金化粉末，因此粉末冶金零件的应用将进一步扩大．
6．3．2．4 热等静压
热等静压是在高温下将高的等静压力施加于粉末零件或压坯上，从而使粉末颗粒达到连接．压制时，压坯从各个方向受到的压力相同，这种材料加工技术通常用于制造全密实体．
用热等静压制造粉末冶金零件的流程如图6-6所示．
图6-6 用热等静压制造粉末冶金零件的流程图
热等静压法可生产质量为1～1000g的小型零件，也可生产质量大于100kg的大直径(直径大于0．5m)零件，其中圆柱形是最经济可行的产品形状．
影响热等静压效果的粉末性能包括颗粒形状、平均颗粒直径、粒度分布、化学成分及杂质含量等，为了装包套，通常要将粉末进行混合、过筛、压制及烧结等预处理，使其达到封闭孔隙的状态，以利于用热等静压进行最后密实．
粉末包套要求：(1)在加工之前与加工过程中能控制其形状与尺寸；(2)在排气、密封及密实过程中，对低压和高压(高达150MPa)都能够保持密封，而当收缩时包套能产生相当大的弹性和塑性变形；(3)可磨蚀的非金属材料，不会污染粉末；(4)在热等静压循环中，可将扩散过程中粉末间的相互作用减小到最低限度；(5)包套必须能用机加工、磨削加工或化学腐蚀除掉．
常用来制造粉末包套的材料有1010、1018及1020低碳钢，超低碳镇静钢，304型奥氏体不锈钢，工业纯钛及Ti-6Al-4V合金，也可以用镍和铜．
热等静压设备通常由压力容器、加热炉、供气系统、冷却系统、动力供应、控制及辅助操作系统等组成，见图6-7，我国已研制出多种型号的热等静压机，其技术性能数据如表6-43所示，表6-44列出了瑞典ABB公司的热等静压机的技术规格．
表6-43 国产热等静压机的技术性能数据
表6-44 瑞典ABB公司的热等静压机的技术规格
图6-7 热等静压设备简图
热等静压的典型工艺参数包括温度、压力及保温保压时间．表6-45列出几种材料的典型工艺参数．
表6-45 几种材料热等静压的典型工艺参数
6．3．2．5 冷等静压
冷等静压是一种在室温下对粉末体施加以高的流体压力，将之压制成预定形状的材料加工工艺，以及将粉末体固结成部分密实的压坯，通常用水或油作为压力介质，压制压力的范围为210～410MPa，也曾采用过高达760MPa的压力，压制是在室温下进行的，一般可将粉末零件密实到其理论密度的60%～80%．
冷压制工艺主要有两种，如图6-8，它们都是将粉末装于预成形的合成橡胶模中进行压制，若将合成橡胶模固定于压力容器上，则该工艺叫做“干袋”等静压，若橡胶模可以从容器中取出，则该工艺称为“湿袋”等静压．
图6-8 湿袋工艺和干袋工艺的示意图
冷等静压以后，要对零件压坯进行烧结，以提高其密度和改善其力学性能，还可用锻造、挤压或轧制将零件进一步变形达到完全密实，若零件已制成最终形状，则可用热等静压完全密实，以改善其性能，这种方法的一个好处是，冷等静压与烧结的零件往往可以进行无包套热等静压制．
粉末颗粒的大小、形状、密度及力学性能都会影响粉末流入模型中的能力(流速)以及其在模型中的充填密度．另外，颗粒的硬度、磨蚀性、形状和大小还会影响模型的磨损．冷等静压设备由高压容器(承压筒体)、承力框架、高压供液系统、低压液压系统、供电和控制系统组成，如图6-9．
图6-9 冷等静压设备示意图
1—低压液压系统；2—减压装置；3—高压泵；4—压力介质处理室；5—高压容器；6—框架；7—工作台；8—供电柜
我国各生产厂家生产的冷等静压设备的技术性能数据见表6-46，表6-47为瑞典ABB公司生产的冷等静压机的技术性能数据．
表6-46 国产冷等静压机的技术性能数据
注：A：四川雅安川西机器厂；B：冶金部钢铁冶金总院；C：上海大隆机器厂．
表6-47 瑞典ABB公司的冷等静压机的技术性能数据
冷等静压的主要工艺参数包括保压压力、保压时间及减压速率等，一般来说，冷等静压成形的粉末压坯只有烧结后才能具有必要的物理和力学性能，表6-48列出应用冷等静压的典型材料及其工艺参数．
表6-48 典型冷等静压粉末材料及其工艺参数
冷等静压主要用于陶瓷、硬质合金、粉末高速钢、金属过滤器和钛及其合金等．另外，干袋式冷等静压工艺已用于生产汽车发动机的薄壁缸套，用冷等静压可制造形状复杂的零件，并可制造不需要进一步机加工的带螺纹的钢带，用铁基粉末材料还可压制梯形螺纹．