[科普中国]-加压烧结

简介

粉末冶金摩擦材料中含有非金属组分，如石墨、氧化物、碳化物、硫化物、矿物质等达30%~50%，有时高达80%，大大降低粉料的压制性能，压制压力太大压件易出现分层和裂纹，在室温下压制不可能得孔隙度小于15%~20%的压件，在许多情况下不能制得隙度小于30%的压件。在无压烧结过程中，铜—锡及铜—铝合金发生体积胀大；铁基摩擦材料，由于铁与碳或其他组分间发生扩散，也会发生体积的胀大。二组元系合金的体积胀大随着不与合金组元起反应的组分量的增加而增大，含有大量不起反应组元的摩擦材料的体积胀大值显著地大于铜·锡和铜—铝之类二元合金的体积胀大值。压件在烧结过程中的体积胀大导致最终孔隙的增大。

为了制得需要密度的摩擦制品，使摩擦制品具有一定的强度和耐磨性能，一般摩擦制品以加压烧结为主。加压烧结是使被烧结体同时接受高温和压力，由热能和应力去促进粉末颗粒的结合和材料的致密化。

致密化机理加压烧结材料致密化机理有3种，即粉末颗粒屈服变形、位移和扩散。但在某种温度和压力之下，其中一种机理起主要作用。如下图所示：

当制品在高温下受到极大的压力P3时，制品粉末颗粒会发生屈服变形由压制密度达到100%的致密度，但此种加压烧结在实际上应用很少。

如果加压压力小一些，介于P2和P3之间，那么粉末材料首先屈服变形，使粉末颗粒间的接触颈缩面积增大而引起材料的部分致密化。当接触颈缩面积增大至该局部区域所承受的应力小于材料的屈服强度时，屈服变形所引起的致密机理即停止活动。但此时粉末材料并没达到100%的理论密度。接下来的材料致密化在此温度和压力的情况下便发生位移。

材料的位移主要是晶界的滑动。晶界的滑动会造成材料的变形，并依此致使材料致密化达到100%。如果压力在P1至P2之间，压件要达到100%的理论密度，则必须先靠屈服变形，继之为位移，最后为扩散3种致密机理才能使粉末材料达到100%的理论密度。

在这里的原子扩散现象与材料在不受到外加压力时相同，只是加压烧结时粉末颗粒间受到的压力作用增加。原子扩散又可分为晶界扩散和体积扩散。此两种物质扩散的效应综合起来共同造成材料的致密化。如果加压烧结的外加压力小于P1，那么因压力过小不足以使材料发生屈服变形，则此时材料的致密化要完全依靠位移和扩散两种机理。1

加压烧结意义在一般的加压烧结中，烧结温度均在主要材料的液相线温度以下，压力则在P1以上。铜基摩擦材料的加压烧结温度为800℃左右，铁基摩擦材料的加压烧结温度为1120℃左右，所施加的压力大约在1~3MPa。

加压烧结不但比无压烧结材料更致密，而且如果粉末摩擦层放在支承钢板上进行烧结的话，摩擦层会粘结在钢板上，也能防止烧结制品发生翘曲变形。