什么是烧结工艺？

什么是烧结技术？

烧结是压制和形成固体材料的过程，其中对材料施加热量和压力，但温度低于材料的熔点。陶瓷的生产都会经过烧结过程，将金属粉末烧结成制品的过程称为粉末冶金。

粉末成型后，经烧结得到的致密体是一种多晶材料，其微观结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微组织中的晶粒尺寸、孔隙大小和晶界形状及分布，进而影响材料的性能。

烧结过程可以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，粒子融合形成整体固体。由于烧结的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。

粉末冶金工艺由于增加了一道制作金属粉末的工序，成本高，但对于熔点高、组成元素熔点相差大、铸造性差等合金，或熔铸工艺不能用，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，因此除了价格因素外，还是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具有前瞻性的工艺技术和机器设备。为了提高烧结效果，添加了电流以辅助传统的烧结过程。

烧结技术的生产过程：

• 烧结：在低于组分熔点的温度下对粉末或压块进行热处理，以通过颗粒之间的冶金结合来提高其强度。
• 包装材料：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。
• 压力：在烧结的同时施加单轴压力的烧结过程。
• 散粉烧结、重力烧结：粉末不加压直接烧结。
• 液相烧结：具有至少两种组分的粉末或压块在形成液相的状态下被烧结。
• 过烧：烧结温度过高、烧结时间过长，导致制品最终性能变差的烧结。
• 欠烧：烧结温度太低，烧结时间太短，使产品达不到要求的性能。
• 熔渗：用熔点低于熔融状态产品的金属或合金填充未烧结或烧结产品中孔隙的加工方法。
• 脱蜡、烧尽：利用加热使压坯中的有机添加剂（粘合剂或润滑剂）排出。
• 网带炉：一般由马弗保护的网带在炉内连续输送零件的烧结炉。
• 步进梁式炉：放置在烧结盘中的零件通过步进梁系统在炉内输送的一种烧结炉。
• 推进炉：将零件装入燃烧舟，通过推进系统在炉内运送零件的烧结炉。
• 颈部形成：在烧结过程中颗粒之间形成颈部状连接。
• 起泡：烧结件表面因气体剧烈放电而形成的起泡现象。
• 渗出：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性能与制品内部不同的表面层。
• 相对密度：多孔体的密度与同组分材料在无孔状态下的密度之比，以百分数表示。
• 径向压碎强度：烧结圆柱形样品的断裂强度是通过施加径向压力来测量的。
• 孔隙率：多孔体中所有孔隙的体积与总体积之比。
• 扩散孔隙率：由于柯肯达尔效应，一种组分物质扩散到另一种组分中而形成的孔隙。
• 孔径分布：材料中各级孔径的百分比，按数量或体积计算。
• 表观硬度：烧结材料在规定条件下测得的硬度，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，不包括气孔的影响。
• 泡点压力：迫使气体通过液体浸渍制品以产生第一个气泡所需的最小压力。
• 流体渗透率：在规定条件下测得的单位时间内液体或气体通过多孔体的量。

一般烧结工艺：

烧结可以有效降低气孔率，提高强度、导电性、透明度、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能力可能是有用的，例如在过滤器或催化剂中。在烧成过程中，原子的扩散会带动粉末颗粒间的界面消失。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到最终消除小孔。

致密化的驱动力是由于表面积的减少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降低。它形成了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，材料转移受到压力变化和表面自由能差异的影响。如果粒子的尺寸小，则这些效果的影响变大。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晶粒材料的主要原因之一。对于强度和导电性等特性，与粒径相关的结合面积是决定因素。

固态过程的能源是颈部和颗粒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。如果从颗粒体积或颗粒之间的晶界发生转移，则会导致颗粒减少和空隙损失。

对于具有许多均匀尺寸和更高孔隙率的样品，孔隙消除发生得更快，其中边界扩散距离更小。对于该过程的后期部分，边界扩散和晶界的晶格扩散变得很重要。温度控制对烧结过程很重要，因为晶界扩散和体积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。有些陶瓷原料对水的亲和力低，塑性指数低于粘土，在预烧阶段需要加入有机添加剂。

通过烧结粉末制造陶瓷制品的一般程序包括：

• 将水、粘合剂、抗絮凝剂和未烧制的陶瓷粉末均匀混合以形成浆料。
• 喷雾干燥浆料。
• 将喷雾干燥的粉末放入模具中并压制以形成生坯。
• 坯体在低温下加热以烧掉粘合剂。
• 在高温下烧结以熔化陶瓷颗粒。

通过光学膨胀仪热分析观察膨胀温度曲线，可以很容易地获得特定陶瓷配方在烧结循环中发生的所有特征温度（包括相变温度、玻璃化转变温度、熔点等）。烧结与材料的显着收缩有关，因为玻璃相一旦达到其转变温度就会流动并开始结合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。

另外，可以使用第二和第三外力。第二种常用的外力是压力。因此，仅使用温度的烧结通常被称为无压烧结。采用渐变金属陶瓷复合材料，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并防止零件粘在一起，许多制造商使用陶瓷粉末分离层来分离产品。这些隔板可以使用氧化铝、氧化锆、氧化镁等各种材料。它们按粒度分为不同类别，如细、中、粗等。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。在大气压力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，可以产生范围广泛的材料特性。

密度、合金化和热处理的变化会改变各种产品的物理特性。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、合金化或原始粉末的颗粒尺寸仍然有些不敏感，但取决于最终产品的密度。其中D是材料的密度，E是铁的理论杨氏模量，d是铁的理论密度。烧结是静态的，而金属粉末在某些外部条件下可能表现出聚结，并且当这些条件被移除时仍会恢复其正常行为。

在大多数情况下，随着材料流入空隙，颗粒聚集体的密度增加，导致总体积减小。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率，随后由于蒸发和扩散凝结而发生材料传输。在最后阶段，金属原子沿着晶体边界移动到内孔壁，重新分配物体内部的质量并平滑孔壁。表面张力是这种运动的驱动力。并且在这些条件被移除后仍会恢复其正常行为。

火花等离子烧结工艺：

SPS工艺是利用脉冲直流电，以瞬时大电流反复给材料通电，使粒子间发生放电。由于颗粒间接触面小，可产生局部高温，等离子体，颗粒间隙减小，有利于表面扩散和边界缺陷扩散，使粉末颗粒界面熔化并相互结合，完成粉末冶金烧结过程。由于烧结能量高，可大大缩短保温时间，且高温只发生在颗粒表面积，因此颗粒内部晶粒不会长大，可有效控制烧结体晶粒尺寸，有利于烧结体的微观结构。高密度材料烧结。

此外，烧结后影响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、电流模式、升温速率、保温时间和烧结压力。因此，放电等离子烧结的低温、短时间可大大降低工艺能耗，提高材料加工速度。

通常，通过冶炼工艺生产的碲化铋材料的冶炼温度约为550℃或更高。处理时间超过1小时，材料中无法形成纳米结构。由于采用放电等离子烧结技术，通过高能球磨将混合材料纳米化，因此烧结材料的均匀性优于熔炼工艺材料。