粉末冶金概论-烧结新工艺

1、1粉末冶金概论粉末冶金概论 张修庆张修庆 E-mail: E-mail: 联系方式：联系方式：642526016425260113817045736 机械与动力工程学院机械与动力工程学院粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术1.1.微波烧结技术微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。它热效率高，可热而烧结的方法。它热效率高，可急速升温缩短烧结时间，加上微波急速升温缩短烧结时间，加上微波与粒子间的交互作用，降低了

2、粒子与粒子间的交互作用，降低了粒子间的活化能，加速材料的致密化。间的活化能，加速材料的致密化。它比传统电炉以热传导、热对流和它比传统电炉以热传导、热对流和热辐射的外部加热方式有更高的效热辐射的外部加热方式有更高的效率。避免了外部加热由于内外温度率。避免了外部加热由于内外温度梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变梯度而造成烧结体裂痕或大幅度变形等缺陷。形等缺陷。 双频微波烧结炉双频微波烧结炉粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术1.1.微波烧结技术微波烧结技术生产用大型微波烧结炉生产用大型微波烧结炉 已烧结成多种材料：已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。如陶瓷和铁氧体等材料。另外，在日本又开发出另外，

3、在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，相似的毫米波烧结技术，并成功地在并成功地在2023K下保下保温温1h烧结成全致密的烧结成全致密的AlN材料。材料。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） 放电等离子烧结是将金放电等离子烧结是将金属等粉末装入由石墨等材质属等粉末装入由石墨等材质制成的模具内，利用上、下制成的模具内，利用上、下模冲和通电电极将特定烧结模冲和通电电极将特定烧结电源和压制压力施加在烧结电源和压制压力施加在烧结粉末。经放电活化、热塑变粉末。经放电活化、热塑变形和冷却阶段完成制取高性形和冷却阶段完成制取高性能材料或制件的一种方法。能材料或制件的一

4、种方法。它是粉末冶金的一种新的烧它是粉末冶金的一种新的烧结技术，是将电能和机械能结技术，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新同时赋于烧结粉末的一种新工艺。工艺。SPS烧结原理示意图烧结原理示意图粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） SPS原理是利用强脉冲电流加在粉末颗粒上产生的诸多原理是利用强脉冲电流加在粉末颗粒上产生的诸多有利于快速烧结的效应：有利于快速烧结的效应：1）由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场）由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场 中反方向的高速流动中反方向的高速流动, 可使粉末吸附的气体逸散可使粉末吸附的气

5、体逸散, 粉末表粉末表 面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿面的起始氧化膜在一定程度上可被击穿, 使粉末得以净使粉末得以净 化、活化化、活化;粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）2）由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生）由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生, 在粉末颗粒未接触在粉末颗粒未接触 部位产生的放电热部位产生的放电热, 以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热, 都大大促进了粉末颗粒原子的扩散都大大促进了粉末颗粒原子的扩散, 其扩散系数比通常热其扩散系数比通常热 压条件下的要大得多压条件下的要大得多,而达到粉末烧结的快速化而达到

6、粉末烧结的快速化;3）快速脉冲电流的加入）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位发热部位, 都会快速移动都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。使粉末的烧结能够均匀化。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）与传统的粉末冶金工艺相比，与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：工艺的特点是： 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是活性大的各种粒度粉末都可以用作粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。烧结原科。 成形压力低：成形压力低：

7、SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表面处于向度活性化状态为此，其成形压力只需要冷压烧结的性化状态为此，其成形压力只需要冷压烧结的l/101/20。 烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度烧结时间短：烧结小型制件时一般只需要数秒至数分钟，其加热速度可以高达可以高达106/s，自动化生产小型制件时的生产率可达，自动化生产小型制件时的生产率可达400件件/h。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） 采用石墨模具，成本低，加工方便。采用石墨模具，成本低，加工方便。 大气下烧结：电火花烧结时

8、一般是在大气下进行，甚至高大气下烧结：电火花烧结时一般是在大气下进行，甚至高 活性铍制件也可以在大气下烧结。活性铍制件也可以在大气下烧结。 脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。脉动电源，通常采用的足直流与交流叠加的脉动电源。 节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的节约能源，热效率高，耗电量只相当于电阻烧结的1/10。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPSSPS可可加加工工材材料料粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS技术制备梯度功能材料技术制备梯度功能材料 通过通过SPS技术可以制

9、造陶瓷技术可以制造陶瓷/金属、聚合物金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多多层。层。 美国国立标准技术研究所和机械工程实验室与日本国际贸易工业部门美国国立标准技术研究所和机械工程实验室与日本国际贸易工业部门合作合作, 共同开发了高效发动机用的大尺寸耐热、高强梯度材料。现已能批共同开发了高效发动机用的大尺寸耐热、高强梯度材料。现已能批量生产量生产 150, 厚厚15, 11层的层的ZrO2 梯度材料。采用的梯度材料。采用的SPS工艺参数工艺参数是是: 压力

10、压力2040MPa, 温度温度12431293, 升温速率升温速率50K/Min, 真空度真空度10Pa。 采用采用SPS烧结得到了两头分别是烧结得到了两头分别是100%的玻璃与的玻璃与100%的的304不锈钢不锈钢, 而而中间呈中间呈4层的梯度材料。烧结温度层的梯度材料。烧结温度1073,保持时间保持时间15Min, 真空下进行。真空下进行。 粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS技术制备电磁材料技术制备电磁材料 通过通过SPS技术可以制造技术可以制造SiGe/PbTe/BiTe/FeSi/CoSb3系热电转系热电转换元件换元件,以及广泛用于电

11、子领域的各种功能材料以及广泛用于电子领域的各种功能材料, 如超导材料、磁如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。材料、光学材料等。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS制备软磁材料制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)的非晶合金的非晶合金,在稍高于晶化温度处理后在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数可得到晶粒数10，具有体心立方结构，具有体心立方结构，高高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶

12、合金目前只能是带材或粉末、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目前只能是带材或粉末, 制制作成品还需要将带材重叠和用树脂固结作成品还需要将带材重叠和用树脂固结, 这使得成品的密度和这使得成品的密度和Bs均变低。均变低。近年近年, 日本采用日本采用SPS工艺研究工艺研究FeMe块材的成形条件及磁性能。块材的成形条件及磁性能。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） 用用SPS制取块状纳米晶制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是软磁的过程是: 先将由非晶薄先将由非晶薄带经球磨制成的带经球磨制成的50150非晶粉末装入非晶粉末装入WC/Co合金模具内合金模具内

13、,并并在在SPS烧结机上烧结烧结机上烧结(真空度真空度110-2Pa以下、升温速度以下、升温速度0.091.7K/s、温度温度673873、压力、压力590MPa), 再把所得的烧结体在再把所得的烧结体在110-2Pa真空下、以真空下、以3 7K/s速度加热到速度加热到923、保温后而制成。材料显示较、保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率好的磁性能：最大磁导率29800、100下的动态磁导率下的动态磁导率3430, 矫顽力矫顽力12/。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） SPS制备块状纳米晶制备块状纳米晶FeMeB系永磁材料系永磁材料 日

14、本开展了用日本开展了用SPS 制备制备Fe66Co20Nd2Pr7B5异向性永磁的研究。将急异向性永磁的研究。将急冷制作的非晶薄带球磨成冷制作的非晶薄带球磨成37105的粉末的粉末, 装入装入WC/Co合金模具内合金模具内, 在在SPS烧结机上烧结烧结机上烧结(压力压力374636MPa, 温度温度673873), 然后将烧结然后将烧结体在真空体在真空110-2Pa下、于下、于973进行进行180s处理。结果表明处理。结果表明: 烧结温度烧结温度873、压力、压力636MPa时时, 烧结体的相对密度达烧结体的相对密度达97 6%98 4%。经磁性测定。经磁性测定表明表明, 烧结加压方向的最大磁

15、能积比平行方向的要大烧结加压方向的最大磁能积比平行方向的要大,并且随着并且随着SPS烧结烧结温度和压力的升高温度和压力的升高, 异向性增加。异向性增加。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） 日本还研究了用作交换弹簧永磁日本还研究了用作交换弹簧永磁Fe76Nd9Co8V1B6块状纳块状纳米晶材料的研究。采用米晶材料的研究。采用SPS工艺工艺, 将急冷制取的薄带烧结成将急冷制取的薄带烧结成块材。试验结果表明块材。试验结果表明: 采用压力采用压力940MPa、温度、温度948K、保温、保温1Min的的SPS工艺可得到很好的磁性工艺可得到很好的磁性: Br=

16、1.02T, Hcj=461kA/, (BH)=122kJ/m3, Hk/Hcj=30%,=7.67g/cm3。在。在3731加热条件下加热条件下, 材料的不可逆磁损只有材料的不可逆磁损只有4%, 与与MQP-B粘粘结磁体大致相同。结磁体大致相同。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS） SPS制备制备BaTiO3高介电材料高介电材料 日本报道了将日本报道了将BaTiO3粉末装入石墨模具内粉末装入石墨模具内,采用采用SPS工艺工艺(加压加压39MPa, 通入电流通入电流4000, 温度温度1373, 时间时间3Min)制成的烧结体制成的烧结体, 其其密度

17、可达密度可达5.82g/cm3, 达到理论密度的达到理论密度的97%, 而采用传统烧结方法只而采用传统烧结方法只能达到能达到88%; SPS烧结体的晶粒尺寸基本上为烧结体的晶粒尺寸基本上为0.5, 而传统烧结时而传统烧结时为为11.5。SPS烧结体的介电系数达到烧结体的介电系数达到6200, 而传统烧结仅能达而传统烧结仅能达到到2400。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS技术生产硬质合金技术生产硬质合金 在日本在日本SPS首先投入批量生产的是硬质合金。首先投入批量生产的是硬质合金。 住友石炭矿业株式住友石炭矿业株式会社已在北海道建立了会社已在

18、北海道建立了SPS生产超级硬质合金的示范工厂生产超级硬质合金的示范工厂, 并形成并形成TC系列产品。下表列出系列产品。下表列出TC10、TC20以及无钴以及无钴TC00合金的性能。合金的性能。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS技术生产精细陶瓷技术生产精细陶瓷 由于由于SPS脉冲放电特有的烧结效应脉冲放电特有的烧结效应, 可广泛烧结各种氧化物、氮化可广泛烧结各种氧化物、氮化物、硅化物、碳化物、硼化物等。物、硅化物、碳化物、硼化物等。SPS烧结的烧结的Si3N4+Al2O3精细陶瓷精细陶瓷(环环形、圆筒形、圆柱、圆饼等形、圆筒形、圆柱、圆饼等)

19、作为耐热耐磨材料已被广泛应用。作为耐热耐磨材料已被广泛应用。SPS烧烧结可抑制晶粒长大、消除微孔和烧结不均匀性结可抑制晶粒长大、消除微孔和烧结不均匀性, 相对密度达到相对密度达到99%100%, HV达到达到20GPa以上。以上。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）高纯、高密度高纯、高密度SiC的烧结的烧结 采用采用SPS可使不含结合剂的可使不含结合剂的SiC烧结到烧结到99%以上的理论密度以上的理论密度,而采用传统烧结法只能达到而采用传统烧结法只能达到92%93%。SPS的烧结工艺为的烧结工艺为:温度温度2673、升温和保温时间、升温和保温时间7Min。下表列出在两种烧结方法下。下表列出在两种烧结方法下SiC陶瓷性能的比较。陶瓷性能的比较。粉末冶金烧结新技术粉末冶金烧结新技术2.放电等离子烧结（放电等离子烧结（SPS）SPS技术制备多孔材料技术制备多孔材料 SPS不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化, 而且通而且通过选择合适的工艺参数过选择合适的工艺参数(主要是压力主要是压力)，还可制取理想的多，还可制取理想的多孔材料。近年日本用金红石、切削铸铁粉、