超硬材料网

       一、烧结概述

       烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一，也是最后一道主要工序，对最终产品的性能起着决定性作用，烧结是金刚石刀头锯片生产的“关口”。　　

       烧结过程是在热压作用下，被压实的金属胎体粉末之间发生扩散、熔融、流动、收缩和再结晶等一系列复杂的物理化学过程，使胎体颗粒之间产生强固的联结力，使制品变得坚固，具备一定的硬度和强度。

       烧结工艺主要指烧结制度，按温度随时间的变化关系绘制曲线，因此首先要根据锯片胎体成分及配比，锯片的尺寸规格等确定烧结温度，其次确定升温方式及达到烧结温度后的保温时间。

       1、烧结温度的确定

       对于某一锯片制品来说，由于其胎体成分已确定，所以它的烧结温度是一个固定的温度范围，这个范围一般规定在最佳温度烧结点正负10℃，而烧结温度一般为成分主要组元熔点的2/3左右，即T烧结>2/3T熔，实际烧结温度的确定是通过试烧试块，第一组试块按上述温度确定，试烧后观察试块的色泽，表面状况，结晶等判断是过烧或欠烧，再给定第二组试块的烧结温度，同样方法进行第三第四组试块的试烧，直到获得合适的烧结温度为止。

       2、烧结时间  

       烧结时间和烧结温度是一对关联的参数，因为适当的提高烧结温度时，可相对缩短烧结点的保温时间，但控制不当，制品将会发生变形，晶粒长大，甚至偏析等，影响产品质量。当烧结温度较低时，必须延长烧结的保温时间，否则会造成产品欠烧。烧结温差不能过大，一般在20oC左右。

       二、烧结过程的理论分析

       胎体粉末烧结后，烧结体的强度增加，首先是粉末颗粒间的联结强度增高。烧结时，在粉末体内，由于高温的作用，原子的运动加剧，使更多的原子进入颗粒间的接触面，形成粘结面。并且，随着粘结面的扩大，烧结体的强度也提高。粘结面扩大形成烧结颈，使原来的颗粒界面形成晶粒界面，并且随着烧结的继续进行，晶界可以向颗粒内部移动，导致晶粒的长大。

       烧结体的强度增高还反映在孔隙体积和孔隙总量的减少，以及孔隙形状的变化方面。由于烧结颈长大，颗粒间原来相互连通的孔隙逐渐收缩成闭孔，然后变圆。孔隙的大小和数量也在改变，即孔隙的个数减少，而平均孔隙尺寸增大。

       颗粒粘结面的形成，通常不会导致烧结体的收缩。因而，致密化并不标志烧结过程的开始，而只有烧结体的强度增高才是烧结发生的明显标志。随着烧结颈的长大，总孔隙体积的减少，颗粒间距离的缩短，烧结体的致密化过程才真正开始。如上所述除了烧结颈在烧结过程中长大之外，压坯可以致密化、收缩；表面积会减小；强度能升高，以及导电性增加。这些参数提供了叙述烧结过程的可能性。在大多数情况下，烧结过程伴随着烧结体尺寸减小。其致密化参数Φ可以表达为：

Φ=（ρ_s–ρ_g）/(ρ_t-ρ_g)

式中   ρ_s——烧结体密度；

     ρ_t——理论密度；

      ρ_g——压坯密度。

       下图为在两个温度下进行等温烧结（T2›T1）时，一些参数的变化，反映了时间和温度对烧结过程的主要影响。

烧结时间的影响

       粉末的等温烧结过程大致可分为三个界限不十分明显的阶段（示意图如下）。

烧结阶段示意图

       （1）开始阶段—烧结的初期，或称粘结阶段。颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核、长大等原子迁移过程形成烧结颈。这阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。

       （2）中间阶段—烧结颈长大阶段。原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的空隙网络。同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方孔隙大量消失。密度和强度增高是这一阶段的主要特征。

       （3）最终阶段—闭孔隙球化和缩小阶段。多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球形而且不断缩小。这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。但仍有少量残留的隔离小孔隙不能被消除。

       节选自《金属基金刚石复合材料的粉末冶金烧结工艺》刘晓慧