烧结炉厂家整理这篇文章是为了帮助自己，体系地了解粉末冶金这个L域。文章开头简述了粉末冶金的背景和工艺，然后按照常规粉末冶金的工艺流程，依次总结了粉末的生产，压制和烧结这三个部分。在压制和烧结（粉末冶金的主要环节）这两个部分，都会先做概述，接着介绍原理和工艺。大家可以通过目录一览粉末冶金学的整个知识体系。

1 简述1.1 粉末冶金一种以金属粉末为原料，经压制和烧结制成各种制品的加工方法。特点：能生产其他方法无法生产的材料（多孔材料、含油轴承、假合金、难溶金属、硬质合金、金属陶瓷、许多复合材料）；生产其他方法也能生产的材料，但材料性能更为优异：高合金钢（高速钢、不锈钢、超合金）；JN省材的先进制造技术。应用：机械结构零件（汽车零部件），工具材料（硬质合金）。1.2 粉末冶金工艺

1.2.1 常规粉末冶金工艺

粉末准备：包括粉末生产（雾化法Atomization，还原法Reduction，电解法Electrolysis，机械合金化）和粉末混合（合批Mixing或混合Blending）粉末压制Compaction：大多在机械压机、液压机或气压机上完成。模压成形

3. 烧结Sintering：烧除（预烧）阶段，高温烧结，冷却。辅助处理：致密化Densification和J整Sizing，浸渍Impregnation和熔渗Infiltration。

1.2.2 特殊粉末冶金工艺

成形方法不局限于模压：连续成形、注射成形、浆料成形、高能成形……不一定必须有三个基本工序：粉末松装烧结 ……工序可以合并：热成形 、高能成形、喷射沉积…… 新材料、新工艺：纳米材料、3D打印......其他：粉末轧制Powder Rolling， 喷射沉积Spray Deposition，粉末挤压Powder Extrusion.

1.2.3 工艺流程一览

2 粉末及其生产2.1 粉末

2.1.1 相关概念（从宏观到微观）

粉末（粉末体）：粒度小于1000µm的颗粒的集合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙）。粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒。一次颗粒（单颗粒）（single particle）：制粉过程中Z先制成的能够独立存在并相互分开的颗粒。二次颗粒（secondary particle）:二个或二个以上的一次颗粒聚集而成的有一定结合强度的颗粒聚集体。团粒：单颗粒或二次颗粒靠范德华引力粘结而成的聚合体。二次颗粒示意图：c晶粒，a2一次颗粒，b二次颗粒，a单颗粒。一次、二次颗粒内部都可能存在孔隙。

2.1.2 粉末性能

化学性能：主要指粉末的化学组成。杂质类型：与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属；原料机械夹杂；表面吸附物；制粉过程中带进的杂质。杂质O含量测定：氢损值；酸不溶物法—ISO-4496物理性能：颗粒形状及结构，粒度/粒度组成/孔隙度：费歇尔微粉粒度分析仪（F.S.S.S.），（克）比表面积：B.E.T.法，颗粒密度：比重瓶法，颗粒显微硬度，熔点，热学、 电学、 磁学、光学性质等。工艺性能松装密度Apparent Density：粉末在自然充填容器时，单位体积内自由松装粉末体的质量。振实密度Tapping Density：粉末装于容器内，在规定条件下，经过振动敲打后测得的粉末密度。流动性Flowability：一定量粉末(50g) 流经标准漏斗Tunnel所需的时间。还可采用粉末自然堆积角Natural Angle of Repose试验测定流动性。压制性Compactability：包括压缩性Compressibility（粉末被压紧的能力）和成形性Formability（压制后，粉末压坯保持形状的能力）。

2.1.3 粉末粒度

粒度Particle Size：以mm或μm的表示的颗粒的大小称颗粒直径，简称粒径或粒度。粒度对单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体。但是通常说的粉末粒度包含有粉末平均粒度的意义。级别平均粒径范围，μm粗粉150～500中粉40～150细粉10～40极细粉0.5～10超细粉＜0.1粒径（用直径表示的颗粒大小）基准：几何学粒径dg，当量粒径de，比表面粒径dsp，衍射粒径dsc。粒度分布Particle Size Distribution：具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量称粉末的粒度组成。粒度分布基准 ：个数/长度/面积/质量基准分布频度：Di级粉末颗粒数与总颗粒/重量/体积数之比 100%相对频度：单位尺寸(微米)上的频度数Relative Frequency平均粒度Mean Particle Size粒度测定粒径基准方法名测量范围，μm粒度分布基准几何学粒径筛分析光学显微镜电子显微镜＞40500～0.210～0.01质量分布个数分布个数分布当量粒径重力沉降离心沉降50～1.010～0.05质量分布质量分布比表面粒径气体吸附气体透过20～0.00150～0.2比表面积平均径比表面积平均径光衍射粒径光衍射X光衍射10～0.001 0.05～0.0001体积分布体积分布2.2 粉末生产按制粉过程中有无化学变化，大体上可分为：机械法：物理化学法：球磨法、锤式破碎法、旋涡研磨法、用高压水或气体雾化液体金属法、离心雾化。还原氧化物与盐类、电解水溶液、电解熔盐、热离解羰基化合物、晶间腐蚀法。工业上三大制粉方法：雾化法Atomization：直接击碎熔融金属液体形成液滴，冷凝后得到粉末颗粒的过程。颗粒内不存在成分微观偏析。有二流雾化（气体雾化、水雾化），离心雾化（旋转电极、坩埚、圆盘），真空，转辊。还原法Reduction：用还原剂（气体、固体或活泼金属）将氧化物还原制备粉末的过程，是应用Z广的制取金属粉末的方法。电解法Electrolysis：水溶液电解Liquid Electrolysis（Fe、Cu、Ag、Sn、Mo、Pb、Au等金属，Fe-Ni、Fe-Cr等合金），熔盐电解Molten Salt Electrolysis（Ti、Zr、Be、Ta、Nb、Th等）。生产规模在物理化学法制备金属粉末中仅次于还原法。3 压制3.1 概述成形Forming：将粉末密实Densify成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的坯体Green Compacts的工艺过程（Consolidation）。普通成形：将粉末装入钢制压模（阴模）中，通过模冲对粉末加压，卸压后，将压坯从阴模内脱出的过程。特殊成形：包括等静压成形，注浆成形法，粉末连续成形，热成形（成形烧结同时进行），高能率成形（爆炸成形）。压制前准备：还原退火合批（同类粉末或粉末混合物的混合）与混合（不同成分的粉末混合均匀）。机械法（干混、湿混）或者化学法（在溶液中，通过反应同时生成均匀混合的产物或前驱体，或包覆粉末）。筛分：把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用于改善粉末的流动性。包括擦筛制粒（ 传统硬质合金生产），旋转盘制粒，挤压制粒，喷雾干燥。成形剂Binder+润滑剂Lubricant：成形剂是为了提高压坏强度或为了防止粉末混合料偏析而添加的物质，也叫粘结剂，在烧结前或烧结时将该物质除掉。3.2 压制时的现象压制后粉末体的孔隙度降低，压坯相对密度明显高于粉末体的相对密度。压制使粉末体堆积高度降低，一般压缩量超过50%轴向压力（正压力）施加于粉末体，粉末体在某种程度上表现出类似流体的行为，向阴模模壁施加作用力，其反作用力—侧压力产生。随粉末体密实，压坯密度增加，压坯强度也增加。由于粉末颗粒之间摩擦，压力传递不均匀，压坯中不同部位密度存在不均匀。卸压脱模后，压坯尺寸发生膨胀—产生弹性后效（压坯发生变形、开裂的Z主要原因之一）。压制变形内因：粉末体的多孔性（一次孔隙、二次孔隙、拱桥效应产生的孔隙），粉末颗粒良好的弹塑性，粉末体较高的比表面积。拱桥效应现象：粉末在松装堆集时，由于表面不规则，彼此之间有摩擦，颗粒相互搭架而形成拱桥孔。在压制过程中，粉末体在较低压力S先发生位移，然后发生变形（弹塑脆性变形）拱桥效应3.3 压制时的力正压力模压成形时的侧压力：压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力。外摩擦力：粉末颗粒与阴模之间的摩擦力。内摩擦力：粉末颗粒之间的摩擦力。脱模压力：压制压力卸除后，使压坯由模中脱出所需的压力。弹性内应力：粉末体受压后内部产生的变形抗力（阻力）。弹性后效Springback：当压力去除，把压坯从压模中脱出，由于弹性内应力的松弛作用，粉末压坯会发生弹性膨胀，称为弹性后效。3.4 压制压力与压坯密度的关系

3.4.1 理想的压制曲线

DⅠ阶段（位移阶段）：颗粒位移，填充孔隙，压力增加，密度快速增加。DⅡ阶段（平衡阶段）：压力继续增加，压坯密度增加不明显。DⅢ阶段（颗粒变形阶段）：压力超过一定值，压力升高，压坯密度继续增加。理想的压制曲线

3.4.2 实际粉末的压制曲线

实际粉末压制时，三个阶段相互重叠，不可截然分开，阶段之间区分不十分明显：位移阶段有变形，变形阶段有位移.粉末性质不同，某一阶段的特征可能不明显或特别突出。实际粉末的压制曲线

3.4.3 压制方程

几个有代表性的压制方程3.5 压坯密度

3.5.1 压坯密度分布不均

压坯密度分布不均匀性用**密度差、相对密度差、平均密度表示。密度差反映了模压成形的技术水平；对密度差的数值要求越小，要求压制水平就越高。

3.5.2 改善压坯密度分布不均的措施

合理选择压制方式：单向压制，双向压制，浮动阴模压制，拉下式（强动式、引下式）压制，摩擦芯杆压制（错动双向压制）。降低摩擦系数，减少压力损失：采用润滑剂，改进压模材料及表面状态，原料粉末的改性。复杂形状压坯的压制：保证粉末均匀充填模腔，各部分粉末的压缩比相等，各台阶压制压制速率相同等；使用多台阶压坯的压制。3.6 压坯强度粉末压坯反抗外力而保持其形状、尺寸不变的能力。是衡量粉末性能，压制过程和压坯质量的重要指标。

3.6.1 压坯强度的形成原因

巴尔申观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要来源于颗粒间的机械啮合力，针对成分、粒度、硬度相同，形状不同的粉末。琼斯观点：粉末压坯中颗粒之间的联结力（压坯强度）主要来源于相邻颗粒表面上的原子吸引力，针对形状、粒度相同的电解粉退火前后粉末。

3.6.2 压坯强度的表示

压坯抗弯强度表示法（ASTM B 783，GB5319-85）转鼓试验法（JSPM4-69）

3.6.3 影响因素

粉末性能：颗粒硬度、表面粗糙度、比表面积、颗粒形状、表面氧化物及杂质等。压制压力润滑剂、成形剂压制温度、保压时间提高方法：提高颗粒粗糙度（机械啮合）；增大粉末比表面积（提高颗粒不规则程度）；减少颗粒表面氧化物和其他杂质；提高压坯密度；减少阻碍机械啮合的填加剂的用量；一定条件下，提高压制温度，延长保压时间。

3.6.4 压制缺陷（废品）分析

分层：沿压坯的棱边向内部发展的裂纹称为分层（与压制方向垂直）。裂纹：在压坯的截面变化处产生。压坯单重超差压坯表面划痕同轴度超差3.7 成形工艺

3.7.1 模压成形

模压成形工序

3.7.2 等静压成形Isostatic Pressing

冷等静压CIP：在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质 主要用于粉体材料成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。热等静压HIP：在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结，传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成，而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。

3.7.3 粉末连续成形

粉末在压力作用下由松散状态经过连续变化而成为具有一定密度、强度以及所需尺寸形状压坯或制品的过程。主要包括粉末轧制、挤压、喷射成形、楔形压制等。

3.7.4 粉末注射成形

利用塑料注射成形原理，将金属粉末（陶瓷粉末等）与有机粘结剂一起制成混合料，在注射成形机上，在一定温度和压力下通过注射口注入闭合的模具中，冷却后开启模具，得到坯体。4 烧结4.1 概述烧结：粉末或粉末压坯在一定的气氛中，在低于其主要成分熔点的温度下加热而获得具有一定组织和性能的材料或制品的过程。研究内容包括：孔隙数量或体积的演化—致密化晶体尺寸的演化—晶粒的形成与长大（纳米金属粉末和硬质合金）孔隙形状的演化—孔隙的连通与封闭孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、收缩和分布烧结的分类4.2 烧结热力学

4.2.1 单元系烧结驱动力（系统的过剩自由能的降低）

总界面积和总界面能的减小。粉末颗粒晶格畸变和部分缺陷（如空位,位错等）的消除。

4.2.2 多元系烧结驱动力（整个体系的自由能降低）

此时体系自由能包括反应自由能，升高温度是降低反应自由能的重要途径。体系自由能降低的数值远大于表面能的降低，即表面能的降低处于辅助地位。

4.2.3 烧结驱动力的计算

作用在烧结颈上的原动力烧结颈Sintering neck：烧结时，两相邻颗粒间相互接触并不断长大的区域。扩散驱动力—空位浓度梯度蒸发-凝聚气相迁移动力—饱和蒸汽压差4.3 烧结动力学

4.3.1 烧结几何模型

两球相切模型（D一模型）两球相交（贯穿）模型（D二烧结模型）球-平板模型

4.3.2 烧结机构分类

表面扩散S—S：原子或空位沿颗粒表面进行迁移。蒸发-凝聚S—S：由于饱和蒸汽压差的存在，使物质由表面蒸汽压较高的颗粒表面蒸发，再在烧结颈表面冷凝沉积。体积扩散V—V：由于空位或原子浓度梯度而导致的物质迁移。粘性流动V—V：在小的应力作用下，应变速度开始随时间很快降低，但随时间延长，Z后趋于一个常数。塑性流动V—V：基于位错移动的物质迁移机构。晶界扩散V—V：原子或空位沿晶界进行迁移。4.4 单元系烧结单相（纯金属、固定成分化合物或均匀固溶体）粉末或压坯在固态下烧结，烧结过程中不出现新的组成物或新相，无物质聚集状态的改变。

4.4.1 烧结中的现象

辅助添加剂的蒸发与分解。当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大, 产生回复和再结晶现象。孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙。晶粒长大。烧结体强度增大，物理性能明显改善。

4.4.2 烧结阶段

粘结面的形成。烧结颈的形成与长大。闭孔隙的形成和球化。

4.4.3 烧结温度和时间

起始温度：单元系烧结时，存在一Z低起始温度，既使烧结体物理力学性能发生显著改变的温度。α：密度发生显著改变的Z低塔曼温度指数。低温预烧阶段：金属回复、吸附气体、粘结剂等排除，α≤0.25。中温升温烧结阶段：再结晶、形成烧结颈， α≤0.45-0.55。高温保温完成烧结阶段：闭孔形成、烧结体密度增加，α≤0.5-0.85。烧结温度：指Z高烧结温度，即高温保温温度。下限略高于再结晶温度，上限取决于性能要求、技术和经济因素，α=0.67-0.80。烧结时间：高温保温阶段的时间，并非烧结过程时间。

4.4.4 烧结体显微组织的变化

孔隙形状：连通网络→封闭→球化。孔隙大小：平均尺寸逐渐减小，烧结后期，闭孔形成后，小孔消失，少数孔隙尺寸可能增大。孔隙分布：靠近晶界、表面处的孔隙易通过扩散消失，Z终少量隔离孔隙远离表面和晶界。孔隙数量：一般烧结后密度增加，总孔隙率减少，但开、闭孔率变化趋势不同。颗粒内再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表面，向相邻颗粒内长大，晶粒边界不越过颗粒边界。颗粒间聚集再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表面，向相邻颗粒内长大，晶粒边界越过颗粒边界，颗粒合并，晶粒长大。

4.4.5 烧结体性能的变化

强度：低温烧结时取决于孔隙大小与数量，中温烧结取决于孔隙形状，高温烧结取决于晶粒大小。延伸率：只有在烧结后期才明显改进。4.5 多元系固相烧结与单元系粉末烧结比较，多元系粉末固相烧结体系的烧结体不仅发生基本的微观结构演化（孔隙尺寸、形状的改变和数量变化），还可能发生组元间的合金化过程（溶解反应，合金化反应，固态扩散）。可分为：无限互溶多元系固相烧结：两种或两种以上组元在固态和液态下都能以任意成分互溶。有限互溶多元系固相烧结：两种或两种以上组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶。互不相溶多元系固相烧结：两种或两种以上组元在固态、液态下都没有互溶性。4.6 液相烧结两种或两种以上组元组成的压坯，在其中低熔成分熔点温度之上、高熔成分熔点温度之下某一温度进行的烧结。注意：低熔成分不一定是组元单质，可能是低共熔物（硬质合金）。可分为（前两种烧结为普通液相烧结）：瞬时液相烧结Transient Liquid Phase Sintering：在烧结中、初期存在液相，后期液相消失（固相烧结）。稳定液相烧结Persistent Liquid Phase Sintering：烧结过程至一定温度（时间）体系中始终存在液相。熔浸Infiltration：前期为固相烧结，后期为液相烧结。与普通液相烧结比，不依赖颗粒重排和溶解-再析出过程实现烧结体的致密化。

4.6.1 普通液相烧结的条件

润湿性条件：液相润湿固相颗粒，是液相烧结得以进行的前提。湿润角θ=0，即液相充分润湿固相颗粒，即Z理想的液相烧结条件。固相在液相中应具有一定的溶解度液相数量：一般控制在35vol%以内。

4.6.2 普通液相烧结阶段

液相形成与颗粒重排：当烧结温度高于低熔组分熔点或共晶点时，液相形成。在毛细管力的 作用下，液相发生流动并填充孔隙空间。颗粒重排和溶解是此阶段烧结致密化的主要机制。固相溶解和再析出：固相化学位高的部位将优先溶解并在附近的液相中形成浓度梯度；固相原子等在液相中扩散和宏观流动，在化学位低的部位析出。溶解-析出是此阶段烧结致密化的主要机制。固相烧结与晶粒粗化：固相颗粒的接触平直化和晶粒长大，非接触区发生球化现象。扩散是此阶段烧结致密化的主要机制。

4.6.3 普通液相烧结合金的显微组织

液相的分布：主要取决于液相数量和二面角的大小。二面角：固－固界面与液相交汇处形成的夹角。二面角Φ=0：凝固后的液相组分形成连续膜包围固相晶粒；0<Φ<120°：在固相颗粒间形成液相区，并与多个颗粒相连接；Φ>120°：形成分立的液相区，并被固相颗粒包围。固相颗粒的形貌：取决于固相颗粒的结晶学特性（晶面能）和价键形式。

4.6.4 影响普通液相烧结效果的因素

粉末粒度：细颗粒有利于提高烧结致密化速度，利于获得高的Z终烧结密度；细小晶粒的烧结组织有利于获得性能优异的烧结材料。颗粒形状：形状复杂导致颗粒重排阻力增加等。颗粒内孔隙：降低颗粒间导致颗粒重排的液相数量等。粉末的化学成分低熔点组元分布的均匀性：影响液相的分布。压坯密度：压坯密度高，固相颗粒的接触程度提高，阻碍颗粒重排，阻止致密化。加热与冷却速度：冷却速度决定析出相。烧结温度与烧结时间：过长的烧结时间会引起晶粒粗化。烧结气氛：真空烧结有利于烧结致密化。4.7 常规烧结工艺

4.7.1 基本工艺过程

粉末(压坯)→装料（装炉、烧结前的准备）→烧结（预热、保温、冷却）→出炉→烧结体

4.7.2 工艺参数对铁基零件性能的影响

烧结温度：铁基制品烧结温度的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、性能要求（力学性能）和用途（结构件、减摩件）等来确定。烧结时间：铁基制品烧结时间的选择主要依据制品成分（含碳量、合金元素）、单重、几何尺寸、壁厚、密度、装炉方式等。升温及冷却速度：升温速度影响润滑剂等的挥发速度；冷却速度影响制品的微观结构和性能。

4.7.3 烧结缺陷

形状与尺寸缺陷：变形与翘曲，尺寸超差。分层与开裂鼓泡（圆滑凸起）与麻点（黑麻点、白亮麻点） 过烧（粘接、局部熔化）与欠烧（未烧好）氧化（多出现于烧结降温阶段）与脱碳（氧化的另一种形式，多发生于高温烧结阶段）金相组织缺陷：二次网状渗碳体缺陷，大块渗碳体聚集，连通孔隙缺陷。

4.7.4 烧结气氛

作用：减少环境对制品的影响，及时带走烧结坯体中润滑剂和成形剂的分解产物，维持或改变烧结材料中的有用成分。分类：氧化性，还原性，惰性或中性，渗碳，氮基。放热型气体：制备转化气时，原料气体与空气按一定比例通过转化器，反应过程中放出的热量足够维持转化器的反应温度，不需外部向反应器供热，由此得到的转化气为放热型气体。吸热型气体：制备转化气时，若空气与原料气体比例较低，反应过程中放出的热量不足以维持转化器的反应温度，需外部向反应器供热，由此得到的转化气为吸热型气体。气氛碳势：气氛的相对含碳量，相当于一定温度下气氛与一定含碳量的烧结材料达到反应平衡时（不渗碳、不脱碳），该材料中的碳含量。可控碳势气氛：为控制或调整烧结钢的含碳量，而向烧结体系中引入的经过制备的气体介质的总称。真空烧结：实质上是减压烧结，真空度一般1.3 ×10-3Pa，易于排除杂质和吸附气体，促进烧结，达到与气氛烧结相同的致密化程度，烧结温度可以降低50-150℃。与气氛烧结相同的烧结温度下，可以缩短烧结时间。

4.7.5 常规烧结炉

粉末冶金烧结炉与其他冶金炉不同，必须带有保护气氛或为真空炉。烧结炉的温度控制非常重要，对升温和冷却速率都有要求。大多数烧结炉（压坯传输式）有三个温度带：预热带、高温带、冷却带.真空烧结炉4.8 非常规烧结工艺

4.8.1 特殊烧结工艺

热压烧结：将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到熔点以下，使之加速烧结成比较均匀致密的制品，即压制成形和烧结同时进行的一种工艺方法。 活化烧结：能降低烧结活化能，使体系的烧结在较低的温度下以较快的速度进行、烧结体性能得以提高的烧结方法。 化学活化：添加烧结添加剂，如钨，钼的活化烧结中添加Ni、Pd、Pt；氧化物陶瓷材料添加烧结助剂以形成点缺陷（电子，空穴，空位，电荷化空位等）。 物理活化：如电火花烧结，SPS，中子辐射等。强化烧结（与活化烧结区分）：是泛指能够增加烧结速率，或能够强化烧结体性能（合金化或抑制晶粒长大）的所有烧结过程，包括位错激活烧结、高温烧结、活化烧结、液相烧结、自蔓燃反应烧结。熔浸烧结：采用熔点比压坯或烧结坯组分低的金属或合金，在低熔点组分熔点或合金共晶点以上的温度，在毛细管力的作用下，借熔体的流动性填充其中孔隙空间的烧结方法。

4.8.2 烧结新技术

外力的引入（加压同时烧结）快速烧结技术1. HP、HIP、超高压烧结（纳米晶材料）等2. 气压烧结1. 电固结工艺2. 快速热等静压(quick-HIP)3. 微波烧结技术4. 激光烧结5. 等离子体烧结6. 电火花烧结