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1、粉末烧结,粉末冶金技术 第十讲,烧结的概念烧结基本过程与原理固相烧结、液相烧结、熔浸烧结烧结方式、烧结设备、工艺参数烧结组织、烧结气氛、烧结缺陷,烧结的概念,粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度和适当气氛下借助于原子迁移实现颗粒间联结和一定性能的现象和过程固相烧结：烧结温度低于所有组分的熔点液相烧结：烧结温度低于主要组分的熔点但高于次要组分的熔点,WC-Co合金， W-Cu-Ni合金,烧结的概念,烧成与烧结烧成包括多种物理和化学变化，如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，一般都发生在多相系统内烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程,烧结的概念,烧结与固相反应烧结与固相反应均在
2、低于材料熔点或熔融温度之下进行，且自始至终都至少有一相是固态 固相反应必须至少有两组元参加并发生化学反应，烧结过程可以只有单组元，或多组元但不发生化学反应,烧结的重要性和分类,烧结在粉末冶金生产中的重要性烧结的分类,是不可缺工序对产品性能有决定性影响产品成本的重要构成部分,固相烧结液相烧结,单元系烧结多元系固相烧结多元系液相烧结,无限固溶系有限固溶系完全不溶系,稳定液相烧结瞬时液相烧结熔浸,烧结理论的研究范畴,研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化和物质变化规律热力学:烧结过程的驱动力（Why）动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移速度（How）,烧结理论的发展,烧结工艺始于公元前3000年烧结
3、理论始于20世纪中期目前还没有成熟的理论,烧结基本过程,三阶段：粘结阶段烧结颈长大阶段闭孔隙球化和缩小阶段,(1) 颗粒之间形成接触(2) 烧结颈长大(3) 连通孔洞闭合(4) 孔洞固化(5) 孔洞收缩和致密化(6) 孔洞粗化(7) 晶粒长大,水分挥发化学反应应力消除回复和再结晶,粘结面和晶界的形成,粘结面和晶界的形成,烧结后的孔隙,烧结过程的热力学基础,烧结的热力学问题：烧结系统自由能降低是烧结过程的驱动力表面能晶界能 表面能降低处于非主导地位,烧结过程的热力学,烧结系统自由能降低途径:合金元素的扩散导致体系熵增S增大形成化合物使H 0，-TS 0,多元系,烧结过程的热力学,烧结系统自由能降
4、低途径:由于粉末结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小烧结体内部孔隙的总体积和总表面积减小粉末颗粒内晶格畸变的消除,烧结过程的动力学,研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式及速率。早期粘结扩散（体积扩散、表面扩散、晶界扩散、晶格扩散）蒸发与凝聚流动回复、再结晶、聚晶长大,烧结过程的动力学,在烧结颈表面存在张应力,张应力大小与烧结颈曲率半径成反比 烧结颈处空位浓度高于无应力作用区域的空位浓度物质表面的平衡蒸气压与其表面曲率半径有关,烧结机理,烧结过程中物质的迁移方式,粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移蒸发凝聚：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽
5、压差通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移表面扩散：原子沿颗粒表面迁移晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向颈部迁移位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，导致物质迁移,烧结过程中物质的迁移方式,扩散,蒸发凝聚,回复再结晶和聚晶长大,回复再结晶聚晶长大组织和性能有什么变化？驱动力是什么？,粉末烧结材料再结晶长大的特点,与致密材料相比氧化物、孔隙、杂质较多时，晶粒较细晶粒显著长大的温度较高细粉末晶粒易长大在临界变形程度下长大和取向性不明显,单元系固相烧结,三个阶段低温阶段中温阶段高温阶段,多元系固相烧结,定义：材料或制品由几种组分的粉
6、末烧结而成，烧结过程不出现液相。包括组分间互溶和不互溶两类。过程：同组元和异组元间的粘结，异组元间反应、溶解、均匀化机构：扩散和流动,多元系固相烧结,互溶系固相烧结：均匀（单相）固溶体粉末烧结混合粉末烧结烧结过程固溶体分解,无限互溶系 Cu-Ni有限互溶系 Fe-C,互不溶系固相烧结： Cu-C,多元系固相烧结,影响合金化的因素烧结温度烧结时间粉末粒度压坯密度粉末原料杂质,液相烧结,定义：烧结温度下，低熔点组元熔化或形成低溶点共晶物，即存在液相特点：物质迁移速度快；制品密度高，性能好分类：互不溶系液相烧结；固相与液相有一定溶解度系液相烧结；瞬时液相烧结,液相烧结,液相烧结条件：润湿性溶解度液相
7、数量,液相烧结,液相烧结过程：液相流动与颗粒重排固相溶解和再析出固相烧结,熔浸烧结,原理：将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体金属中，让坯体内孔隙为金属液填充，冷却后得到致密材料或零件。特点：致密化主要靠易熔成分从外面去填满孔隙，基本不产生收缩，烧结时间短主要应用：电触头材料、Fe-Cu机械零件、金属陶瓷、复合材料,熔浸烧结,基本条件：骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大熔浸金属能很好润湿骨架材料骨架与熔浸金属之间不互溶或溶解度不大熔浸金属的量应以填满孔隙为限度,熔浸烧结,熔浸方法部分浸入全部浸入接触熔渗重力-注入外部加压浸渍真空熔渗,烧结方式,无压烧结加压烧结（1）热压（Hot-Pressing-
8、HP）（2）热等静压（Hot Isostatic Pressing-HIP）（3）烧结热等静压（Sintering-HIP）,自蔓延烧结微波烧结爆炸烧结电火花烧结放电等离子烧结,烧结方式,烧结方式,烧结方式,烧结方式,烧结设备,电炉：电阻炉、感应电炉燃料炉：固体、液体和气体燃料炉连续作业炉间歇式作业炉低温炉中温炉高温炉,管式炉箱式炉钟罩炉隧道窑,烧结设备,烧结炉结构：炉膛冷却系统炉体加热元件,烧结设备,烧结设备,真空烧结炉,网带式连续烧结炉,钟罩式烧结炉,烧结工艺过程,工艺参数,气孔率（1）、密度（2）、电阻（3）、强度（4）、晶粒尺寸（5）,工艺参数,烧结温度：最低的起始烧结温度，即烧结体的
9、某种物理或力学性质出现明显变化的温度最低塔曼温度指数 Au-0.3， Cu-0.35， Ni-0.4， Fe-0.4，Mn-0.45， W-0.4,工艺参数,烧结温度：低温预烧阶段中温升温阶段高温保温阶段,工艺参数,烧结时间：烧结时间越长，烧结体性能越高影响不如温度大,工艺参数,升温速度冷却速度,宏观组织,烧结密度与尺寸的变化：多数情况下总是收缩和密度变大有时膨胀，密度降低低温烧结时压制内应力的消除抵消一部分收缩，当压力过高时，烧结后会膨胀气体与润滑剂的挥发阻碍收缩，升温过快使产品鼓泡胀大与气氛反应生成气体妨碍收缩，产品收缩时闭孔中气体压力增大与孔隙收缩表面张应力抗衡，孔隙收缩停止聚晶长大使密
10、度略降低同素异晶转变引起比容改变而导致体积胀大,宏观组织,烧结密度与尺寸的变化：垂直与平行于压制方向上的收缩不等收缩比=径向收缩值R/轴向（平行压制方向）收缩值A影响收缩比的因素有压制压力、粉末形状、压件高径比等,影响因素,结晶构造与异晶转变粉末活性：表面活性、晶格活性外来物质：表面氧化物、气氛压制压力,烧结气氛,作用：防止和减少周围环境对产品的有害影响排除有害杂质，避免夹杂维持或改变有用成分（生成合金或活化烧结）,烧结气氛,分类：氧化气氛：纯氧、空气、水蒸气还原气氛：氢气、分解氨、煤气、碳氢化物转化气惰性或中性气氛：氮气、氩气、氦气、真空渗碳气氛：二氧化碳、甲烷氮化气氛：氮气、氨气,吸热型气氛放热型气氛,烧结气氛,烧结缺陷,裂纹分层翘曲与变形起泡和起皮过烧,欠烧孔洞麻点尺寸超差氧化,思考题,烧结温度升高，收缩率( 升高 )烧结时间延长，收缩率(升高 )粉末粒度越细，收缩率(升高)压制压力越高，烧结体密度( 升高 )压制压力越高，烧结体密度增大的幅度( 减小)粉末越细，致密化速率(增加),
