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1、第五章 烧结理论 Theory of Sintering,付健材料科学与工程学院E-Mail:TEL：课题组网站：,本章内容5.1 概述5.2 烧结过程热力学5.3 烧结机构5.4 单元系烧结5.5 多元系固相烧结5.6 液相烧结5.7 活化烧结,School of Materials Science and Engineering,第四节 单元系烧结,定义：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。实例：纯金属：W、Mo、Cu、Fe，化合物：Al2O3、MoSi2、SiC 等,School of Material
2、s Science and Engineering,一、烧结的基本过程（烧结阶段的划分）,（1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解）形成内压 若内压超过颗粒间的结合强度 膨胀,起泡或开裂等 废品,1.烧结过程的现象,School of Materials Science and Engineering,（2）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 由于颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。（3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙（4）晶粒长大（5）烧结体强度增大，物理性能明显改善,School of Materials Sc
3、ience and Engineering,等温烧结按时间划分成界限不十分明确的三个阶段：,粘结面的形成 烧结颈（sintering neck）的形成与长大 闭孔隙的形成和球化,2.烧结阶段的划分,School of Materials Science and Engineering,在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表面附近的原子扩散，由原来的机械啮合转变为原子间的冶金结合,形成晶界。,（1）粘结面的形成,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School
4、of Materials Science and Engineering,粘结面形成导致：坯体的强度增加，表面积减小金属粉末产生烧结：导电性能提高是粉末烧结发生的标志，而非出现烧结收缩,范德华力:接触压力20-300Ma（接触距离为0.2nm时）金属键合力:约为范德华力的20倍附加应力（存在液相时）电子作用力：电子云重叠，导致电子云密度增加,为什么能形成粘结面？,School of Materials Science and Engineering,铜粉颗粒间的接触压力：F（r）=2450/r（MPa）r=3nm，接触压力为817MPar=6nm，接触压力为408MPar小于1.5nm，为排斥
5、力,School of Materials Science and Engineering,（2）烧结颈形成与长大(neck growth),前期的特征：形成连续的孔隙网络，孔隙表面光滑化；后期的特征：孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发生迁移。,School of Materials Science and Engineering,为什么会导致颗粒间的距离缩短？,原子的扩散，颗粒间的距离缩短烧结颈间形成了微孔隙微孔隙长大颗粒聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌银粉的烧结提供了相关证据,School of Materials Science and Engineering,School of Mate
6、rials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,（3）闭孔隙的形成和球化,孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发展成孤立孔隙并球化处于晶界上的闭孔有的可能消失，有的因发生晶界与孔隙间的分离现象而成为晶内孔隙（intragranular pore），并充分球化。,School of Materials Science and Engineering,Hirschhorn的烧结阶段划分：,1）颗粒间开始粘接 Interparticle bonding2）颈部长大 Neck growth3）孔道封闭
7、Closure of pore channels4）孔洞圆滑 Rounding of pores 5）孔洞收缩或致密化 Pore shrinkage，densification6）孔洞粗化 Pore coarsening,School of Materials Science and Engineering,二、烧结温度和烧结时间,1.烧结温度（1）单元系烧结的起始温度,单元系烧结时，存在一最低起始温度，既使烧结体物理力学性能发生显著改变的温度。,许提：密度发生显著改变的最低塔曼温度指数：=Ts/Tm不同金属，值不同（Ts不同）：Au0.3，Cu0.35，Fe0.4，W0.4,School o
8、f Materials Science and Engineering,（2）按温度划分的烧结阶段,1）低温预烧阶段：0.25 金属回复、吸附气体、粘结剂等排除2）中温升温烧结阶段：0.45-0.55 再结晶、形成烧结颈3）高温保温完成烧结阶段：0.5-0.85 闭孔形成、烧结体密度增加,School of Materials Science and Engineering,Three stages of sinteringBurn-off:create permeability by remove lubricants or bindersHigh temperature stage:sol
9、id-state diffusion and bonding the particles with sufficient time to produce desired densityCooling period:lower temperature while retain controlled atmosphere,prevent oxidation occur or thermal shock,School of Materials Science and Engineering,（3）烧结温度 T,指最高烧结温度，即高温保温温度 一般：T烧绝=（2/3-4/5）T熔绝（）下限略高于：再结
10、晶温度，上限取决于：性能要求、技术和经济因素,School of Materials Science and Engineering,2.烧结时间t 指高温保温阶段的时间,注意：烧结时间烧结过程时间烧结曲线：T-t关系曲线,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,三、烧结体显微组织的变化,1.烧结体孔隙的变化,孔隙的形状、大小、数量、分布都发生变化,孔隙形状：连通网络封闭球
11、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,School of Materials Science and Engineering,孔隙分布：靠近晶界、表面处的孔隙易通过扩散消失，最终少量隔离孔隙远离表面和晶界。,School of Materials Science and Engineering,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。,School of Materials Science and Engineering,2.再结晶与晶粒长大,（1）单元系烧结再结晶的基本形式 颗粒内再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表
12、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。,School of Materials Science and Engineering,（2）影响烧结再结晶的因素 1）孔隙：阻碍再结晶晶粒长大 烧结再结晶晶粒长大发生于烧结后期，孔隙明显减少后！再结晶后晶粒尺寸d f d f=d/f d/d0=d/df=f=0.1 d、d0 孔隙、原始粉末颗粒尺寸 f孔隙体积分数,School of Materials Science and Engineering,School of Materials
13、 Science and Engineering,2）第二相：阻碍再结晶晶粒长大 第二相的尺寸和含量都对再结晶有影响 df=d/f第二相要发挥弥散强化作用，必须细小、弥散,School of Materials Science and Engineering,3）晶界沟：阻碍再结晶晶粒长大,Q：烧结材料再结晶与致密材料相比的特点！,School of Materials Science and Engineering,四、烧结体性能的变化,1.烧结体密度的变化,一般规律：随烧结进行，烧结体密度增加,反常现象：烧结体膨胀，密度降低。原因？,School of Materials Science
14、and Engineering,2.烧结体力学性能的变化,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,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,第五节 多元系固相烧结,在PM中，完全符合单元系的烧结并不多，而以多元系
15、烧结为主：无限互溶多元系固相烧结 有限互溶多元系固相烧结 互不相溶多元系固相烧结,School of Materials Science and Engineering,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（即孔隙尺寸、形状的改变和数量变化），还可能发生组元间的合金化过程（牵涉到 溶解反应，合金化反应，固态扩散），固态扩散是一缓慢的过程，对合金化的均匀化速度起控制作用。,School of Materials Science and Engineering,一、无限互溶多元系固相烧结,无限互溶：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。简单
16、的二元互溶系：Fe-Ni、Cu-Ni、Cu-Ag、Co-Ni、Cu-Au、W-Mo 烧结的本质：遵从固相扩散的一般规律 合金化（扩散均匀化Homogenization）,School of Materials Science and Engineering,假定颗粒A表面上均匀地包覆一层合金元素B。均匀化程度因数：F=mt/m m t 时刻t通过界面的物质量 m 完成合金均匀化时通过界面的物质量,（一）合金化模型：同心球,School of Materials Science and Engineering,（二）影响烧结均匀化（合金化）的因素,烧结温度：T，原子扩散速度增加，F 烧结时间：元
17、素扩散距离大长，t，F 粉末粒度：细粉末的活性高，扩散距离短，均匀化时间缩短 粉末原料：部分预合金化粉末降低扩散活化能垒，F,School of Materials Science and Engineering,杂质元素：Si、Mn等杂质易形成稳定氧化物，阻碍元素扩散 压坯密度：在粉末颗粒形状和粒度组成相同时，压坯密度提高有利于增加颗粒间相互 接触程度，扩大物质扩散有效界面，F,School of Materials Science and Engineering,（三）多元系粉末烧结时的扩散合金化问题,与普通熔炼过程相比较，粉末烧结过程中的合金化过程的进行速度要低得多。Why：粉末烧结温度
18、比熔炼温度低，合金元素的固相扩散速度很慢，需克服一定的扩散势垒。,提高烧结温度来促进合金化过程高的烧结温度可能带来产品的变形（distortion）和烧结收缩大的问题，导致精度控制困难一般采用合金粉末或者为满足粉末的成形要求采用部分预合金化粉末,School of Materials Science and Engineering,元素混合（element mixed）粉与预合金（prealloyed）粉末工艺性能比较,School of Materials Science and Engineering,二、有限互溶多元系固相烧结,有限互溶：两种或两种以上组元在液态下无限互溶，在固态下有限互
19、溶。典型的二元系：Fe-C、Fe-Cu、W-Ni、三元系：Fe-C-Me！Fe-C系的烧结 烧结的理论基础 Fe-C二元合金相图,School of Materials Science and Engineering,（一）Fe-C系 烧结过程示意图（1）烧结分为三个阶段（2）烧结温度的划分：低温烧结：960oC 中温烧结：960-1150oC 高温烧结：1150oC（3）冷却方式：a缓冷，b快冷,T,School of Materials Science and Engineering,（二）Fe-C系烧结的致密化过程 1.原子、空位扩散导致孔隙变化，实现致密化；2.再结晶和晶粒长大实现致密
20、化 1）表面再结晶：300-400oC 2）颗粒内再结晶：450oC 3）聚集再结晶：800-980oC,School of Materials Science and Engineering,（三）烧结过程中的组织转变 1.奥氏体A的形成石墨G在A中的溶解 G在A中的溶解状况影响最终烧结体中的含C量，对产品性能有很大影响 影响G在A中溶解的因素：温度和时间 混合料的均匀程度 压坯密度 G的性质：种类、形状、粒度,School of Materials Science and Engineering,2.冷却时的组织转变（1）冷却转变产物 A中C%0.77：P+F A中C%=0.77：P A中
21、C%0.77：P+Cll（2）冷却速度对转变产物及其性能的影响 影响P的片层间距 影响A中C的析出形式：游离石墨、渗碳体,School of Materials Science and Engineering,冷却速度与P的片层间距及烧结体性能（Fe-0.8C，1100oC，2h）,School of Materials Science and Engineering,（3）石墨G在烧结过程中的行为 溶于A中，随后析出 较快冷速：以渗碳体形式析出结构零件 较慢冷速：以游离石墨形式析出-减摩件 少量未溶于A中 石墨烧损：作还原剂、与气氛反应等 石墨G在烧结过程中的行为与烧结温度密切相关，应根据要
22、求加以控制,School of Materials Science and Engineering,三、互不相溶多元系固相烧结,互不互溶：两种或两种以上组元在固态、液态下都没有互溶性。典型体系：Cu-C（CF）、Ag-C（CF）、W-Cu、Mo-Cu、Ag-CdO 假合金、复合材料等，是仅能通过粉末冶金工艺生产材料的典型代表！,School of Materials Science and Engineering,（一）烧结的热力学条件 A-B系 必要条件：AB|A-B|，界面能大于两组份单独存在时能量 之差，可以实现烧结，但不太理想 AB|A-B|，烧结比较理想，因为，若AB，则B有可能附在
23、A上，均匀地形成B包裹层，烧结效果最好,School of Materials Science and Engineering,1.一般规律 二次方关系（皮涅斯-古狄逊）烧结收缩率：=ACA2+BCB2+2ABCACB CA+CB=1 强度、物理性能：也符合上述规律,（二）烧结体的性能-成分关系,School of Materials Science and Engineering,2.性能-成分加和规律 互不相溶组元组成的烧结体（复合材料），当密度趋于理论密度时，性能与组成的体积含量间成线性关系：P=P1V1+P2V2+P1、P2、P1、2、组分和复合材料性能 V1、V21、2组分体积分数，
24、V1+V2+=1例：求含5wt%石墨的Cu-G材料的密度（Cu、G的密度分别为8.9和2.2g/cm3）,School of Materials Science and Engineering,（三）互不相容多元系固相烧结的特点 1.粉末冶金工艺的固有优点：多种假合金，颗粒增纤维增强复合材料 2.烧结温度的选择存在很宽的范围固相、液相 3.为提高密度，需补充致密化 工艺或热成形工艺；4.存在性能-成分加和规律，可用于复合材料设计：根据性能需要设计组成 由组成预测性能,School of Materials Science and Engineering,5.有时需采用特殊的混料方法；6.颗粒间
25、的结合界面对材料性 能影响明显。7.注意非活性相问题,School of Materials Science and Engineering,第六节 多元系液相烧结,一、概述（一）定义 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）,School of Materials Science and Engineering,（二）液相烧结的特点（优、缺点）,优点：1.加快烧结速度：a.液相的形成加快了原子迁移速度 b.在无外压的情况下，毛细管力的作用加快坯体的收缩 c.液相的存在降低颗粒
26、间的摩擦，有利于颗粒重排列,School of Materials Science and Engineering,2.晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制，便于优化显微结构和性能3.可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高 Why：新的烧结机构、液相充填孔隙4.粉末颗粒的尖角处优先溶于液相，易于获得有效的颗粒间填充,School of Materials Science and Engineering,不足之处：a.变形（distortion）：当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度、混合不均匀时，易出现变形 b.收缩大，尺寸精度控制困难,School of Materials Sci
27、ence and Engineering,（三）液相烧结的分类,1.瞬时液相烧结(transient liquid phase sintering)在烧结中、初期存在液相，后期液相消失的烧结过程特点：烧结中初期为液相烧结，后期为固相烧结体系：Cu-Sn，Cu-Pb，Ag-Hg，Ag-Ni，Fe-Fe3P，Fe-Cu3P，Fe-Ni-Al，Fe-Cu(10%)等液相数量取决于成分（低熔点组分的含量）、升温速度、粉末颗粒的粒度,School of Materials Science and Engineering,提高瞬时液相烧结过程中液相数量的途径：提高低熔点组分含量 升温速度快 高熔点组分颗粒
28、粗（与液相接触面积小，减小扩散面积）,School of Materials Science and Engineering,2.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的烧结过程Insoluble:W-Cu,Ag-W,Cu-WC,Cu-TiB2Soluble:WC-Co,W-Cu(Fe)-Ni,TiC-Ni,Pb-Sn,Fe-Cu(10%)等,School of Materials Science and Engineering,3.熔浸(infiltration)多孔骨架的固相烧结和低熔点金属渗入骨架后的
29、液相烧结过程前期为固相烧结，后期为液相烧结可生产全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等复合材料,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,4.超固相线液相烧结(supersolidius liquid phase sintering)：液相在粉末颗粒内形成，是一种在微区范围内较普通液相烧结更为均匀的烧结过程高碳铁合金，工具钢，粉末超合金，纳米晶复合WC-Co粉末等的烧结,School of Materials Science and Engineering,（
30、四）液相烧结技术的发展1.由陶瓷领域发展而来最早在7000年前，古人用粘土矿物烧制建筑用砖块、瓷器、耐火材料目前，高技术陶瓷广泛采用液相烧结技术制造：耐磨陶瓷，压电陶瓷，铁氧体，电子基板及高温结构陶瓷,School of Materials Science and Engineering,2.液相烧结在金属加工技术中的应用大约在400年前：古英克斯人加工昂贵的金铂首饰和工艺品现代液相烧结技术的发展：开发液相烧结技术是由爱迪生发明的电灯丝（W）所驱动,School of Materials Science and Engineering,液相烧结的主要发展阶段：a.起初采用铸造WC，由于在冷却过
31、程中存在分解成脆性W2C，WC和石墨相；b.采用WC粉末压制在低于2600烧结，制品仍表现为本质脆性，无工业应用价值；c.一战前夕，德国化学家KARL，1922年发明了粘结碳化物拉丝模，并于1923年申请了发明专利，标志着现代液相烧结技术成功地应用金属工业中,School of Materials Science and Engineering,二十世纪二十年代初硬质合金工具材料及稍后的青铜含油轴承的成功的开发；三十年代初期（二战前奏），高比重合金的开发与应用为液相烧结奠定了理论基础；随后，液相烧结技术发展迅速，用以制造高性能的P/M材料，如电接触材料、轴瓦材料（Al-Pb）、工具钢、超合金、
32、金刚石-金属复合材料、磁性材料、汽车零部件、航天材料、高温结构陶瓷、电子焊料；（soldering paste）等。,School of Materials Science and Engineering,二、液相烧结的条件,（一）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。否则，产生反烧结现象！杨氏方程：S=SL+LCOS 润湿角,School of Materials Science and Engineering,当=0，液相充分润湿固相颗粒 最理想的液相烧结条件当90o，液相被推出烧结体，发生反烧结现象 在烧结气氛与固相或液相组分间形成稳定氧化物体系易出现，如Al-Pb,Cu
33、-Al,Cu-Sn等当090o，普通的液相烧结情况，烧结效果一般，可加入合金元素改善液相对固相颗粒的润湿性，促进液相烧结过程,School of Materials Science and Engineering,影响润湿角的因素：1）烧结温度，主要降低SL2）润湿是一动态平衡过程，烧结时间适当延长，；3）合适的添加剂：导致 添加剂能促进固相与液相间的物理溶解和轻微的化学反应：TiC-Ni,添加Mo W-Cu,添加Ni,Co,Fe,School of Materials Science and Engineering,4）固相颗粒的表面状态 固相颗粒的粗糙度，固-气界面能 液固润湿过程易于进行
34、，5）烧结气氛 液相或固相氧化膜的形成导致润湿性下降 成形剂分解后的残碳，,School of Materials Science and Engineering,有限的溶解可改善润湿性；增加液相的数量即体积分数，促进致密化；颗粒表面突出部位的化学位较高产生优先溶解，通过扩散和液相流动在颗粒凹陷处析出，改善固相晶粒的形貌和减小颗粒重排的阻力。增加了固相物质迁移通道，加速烧结,（二）固相在液相中应具有一定的溶解度,School of Materials Science and Engineering,但是（不足政之处）：过高的溶解度导致烧结体的变形，甚至解体；过高的溶解度导致晶粒异常长大 过度溶
35、解可能导致液相粘度增加，降低液相的流动性 液相在固相中固溶，造成液相数量减小 溶解还可能导致液相冷却后烧结体性能变差（脆）,School of Materials Science and Engineering,（三）液相数量,液相数量的增加：有利于液相充分而均匀地包覆固相颗粒，减小固相颗粒间的接触机会 为颗粒重排列提供足够的空间和降低重排列阻力，对致密化有利但，过大的液相数量造成烧结体的刚度降低 形状保持性（shape retention）下降 一般液相数量控制在35vol%以内,School of Materials Science and Engineering,注意：对于那些在液相冷却
36、后形成粗大针状组织的合金体系（如Fe-Al），一般不采用液相烧结；若必须采用液相烧结，则严格控制液相的数量及其分布。,School of Materials Science and Engineering,根据液相数量、溶解度和润湿性的不同，可以将液相烧结分成三种情况：,润湿角；C溶解度；Kingery模型液相量少时，颗粒接触处、小曲率处溶解，LSW模型小颗粒溶解，在大颗粒上沉积,School of Materials Science and Engineering,三、液相烧结过程（阶段）和烧结机构,School of Materials Science and Engineering,（一
37、）液相形成与颗粒重排(liquid formation and particle rearrangement),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,School of Materials Science and Engineering,同时，毛细力作用也导致固相颗粒受力不平衡 颗粒产生移动和转动，调整位置 使压制状态的固相颗粒的相对位置发生变化,达到最佳的填充状态（紧密堆积），烧结坯发生充分致密化 流动（液相流动）与颗粒重排是此阶段液相烧结的主导致密化机制,School of Materials Science and Enginee
38、ring,液相的数量主要取决于合金成分和烧结温度（尤其是有限互溶体系）对于组元间存在固态下互扩散现象的液相烧结体系（如Fe-Cu），液相数量与升温速度有关 速度愈快，低熔组分来不及向固相扩散，液相数量相对增加,School of Materials Science and Engineering,d(L/Lo)/dt=Pw/(2Rc.)P毛细压力；P=2LCOS/d W液膜厚度；液相的粘度；Rc有效毛细管半径，与颗粒尺寸成正比，细的固相颗粒有利于提高致密化速度,此阶段致密化速度可下述方程表示：,School of Materials Science and Engineering,（二）固相溶
39、解和再析出（Solid dissolution-reprecipitation）,固相在液相中具有一定溶解度的体系中存在化学位差异：化学位高的部位将发生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,School of Materials Science and Engineering,化学位高的区域：颗粒突起或尖角处、细颗粒 细颗粒和颗粒尖角处的优先溶解！化学位较低的部位：颗粒的凹陷处、大颗粒表面 溶解在液相中固相组分的原子在这些部位析出,结果：固相颗粒表面光滑化和球化；降低颗粒重排列阻力，有利于颗粒间的重排；进一步实现致密化；溶解-析出是此阶段
40、烧结致密化的主要机制,School of Materials Science and Engineering,dr/dt=2DCLV(R-r)/(kTr2R)R、r分别为大小晶粒的半径 固相组分的原子体积 D 固相组分在液相中的扩散系数 C 固相组分在液相中的平衡溶解度,颗粒的溶解速度：,School of Materials Science and Engineering,(L/Lo)3=C1t（扩散控制过程）(L/Lo)2=C2t（溶解控制过程）C1，C2为与烧结体系有关的常数,此阶段的致密化速度：,由溶解-再析出过程造成的晶粒长大现象Ostwald粗化扩散控制的晶粒长大方程：G3-Go3
41、=K1t 界面反应控制的晶粒长大方程：G2-Go2=K2t(Go初始晶粒尺寸）,School of Materials Science and Engineering,（三）固相烧结与晶粒粗化,与前两阶段相比，本阶段进行速度较慢主要发生固相颗粒的接触平直化和晶粒长大现象（刚性骨架的形成阻碍致密化）非接触区发生球化现象（液相数量较少）,此阶段烧结致密化的主要机制为：扩散,School of Materials Science and Engineering,小结：液相烧结致密化的三个阶段：液相形成与颗粒重排固相溶解再析出（沉淀）固相烧结 主要致密化机制：液相流动颗粒重排溶解析出扩散,School
42、 of Materials Science and Engineering,四、液相烧结合金的显微组织,（一）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,School of Materials Science and Engineering,二面角=0 凝固后的液相组分形成连续膜包围固相晶粒 0120o 形成分立的液相区，并被固相颗粒包围,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials
43、Science and Engineering,取决于固相颗粒的结晶学特性（晶面能）和价键形式 Fe-Cu系：Cu大于30%Fe为金属晶体，晶面能接近各向同性，固相在各个方向上的析出机率几乎相同 近球形-Ni-Fe高比重合金类似,（二）固相颗粒的形貌,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,WC-Co合金：WC晶体以共价键和离子键结合，固相具有极强的方向性，析出在特定的晶面进行，多边形,School of Materials Science and Engin
44、eering,互不溶体系：烧结后期，接触后的颗粒间发生晶粒聚合非接触区则基本保持原外形，存在残留孔隙,School of Materials Science and Engineering,五、影响液相烧结效果的因素,（一）粉末粒度1.细颗粒有利于提高烧结致密化速度，利于获得高的最终烧结密度 在颗粒重排阶段：提高毛细管力，便于固相颗粒在液相中移动，(尽管会增加颗粒之间的摩擦力和固相颗粒之间的接触机会)在溶解-再析出阶段：强化固相颗粒之间和固相/液相间的物质迁移，加快烧结速度2.细小晶粒的烧结组织有利于获得性能优异的烧结材料,School of Materials Science and Eng
45、ineering,颗粒重排阶段初期：颗粒形状影响毛细管力大小 形状复杂导致颗粒重排阻力增加 球形颗粒有利于颗粒重排 形状复杂的固相颗粒降低烧结组织的均匀 性，综合力学性能较低 溶解-再析出阶段：颗粒形状也有影响,（二）颗粒形状,School of Materials Science and Engineering,降低颗粒间导致颗粒重排的液相数量 减小固相颗粒之间的液膜厚度 增加固相颗粒之间的接触机会 增加颗粒重排阻力,（三）颗粒内孔隙,School of Materials Science and Engineering,主要是化合物粉末烧结体系，WC-Co合金缺碳：形成相，化合了部分Co，
46、降低液相数量，降低烧结致密化效果 导致WC晶粒的不连续长大增碳：降低共晶点，相对地提高液相数量，有利于烧结致密化,（四）粉末的化学计量（组成）,School of Materials Science and Engineering,影响液相的分布 聚集区域：液相数量大，收缩快 贫化区域：液相数量少，降低总体收缩 提高分布均匀性措施：减小低熔组元的粉末粒度 提高分散度,（五）低熔点组元分布的均匀性,School of Materials Science and Engineering,直接影响液相数量（体积分数）液相体积分数对烧结致密化起着重要的作用,（六）低熔点组元分布的均匀性,压坯密度高，固
47、相颗粒的接触程度提高 阻碍颗粒重排，阻止致密化 对于烧结部件的精度控制，则希望较高的压坯密度,（七）压坯密度,School of Materials Science and Engineering,冷却速度决定析出相，影响显微结构和力学性能 液相经快速冷却后，形成过饱和固溶体，需进行烧结后热处理,（八）加热与冷却速度,School of Materials Science and Engineering,1.温度 主要与液相数量、物质扩散速度、润湿性、溶解度、液相粘度等相关联 对致密化和晶粒粗化具有显著的影响2.时间 对于在烧结过程中出现的液相，其体积分数大于15%，20分钟就可以实现充分的致
48、密化 过长的烧结时间会引起晶粒粗化,（九）烧结温度与烧结时间,School of Materials Science and Engineering,可能引起润湿性的改善（氧化物还原）或劣化（形成氧化膜）封闭气孔阻碍烧结体的致密化 真空烧结有利于烧结致密化,（十）烧结气氛,School of Materials Science and Engineering,阻止WC晶粒在烧结过程中的粗化：WC晶粒长大机制（出现液相后）溶解-再析出抑制WC晶粒的溶解和干扰液态钴相中的W,C原子在WC晶粒上的析出：晶粒长大抑制剂 碳化物,实例：超细晶粒或纳米晶YG合金WC晶粒尺寸的控制,School of Ma
49、terials Science and Engineering,晶粒长大抑制剂 碳化物：作用：A.在液态钴相中溶解度大 B.降低体系的共晶温度 C.抑制剂组元偏聚WC/Co界面常用：VC、TaC、Cr3C2、NbC等 VC和Cr3C2作晶粒长大复合抑制剂,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,School of Materials Science and Engineering,六、熔渗 Infiltration,（一）熔浸的定义及特点 定义：采用熔点比压坯
50、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。,School of Materials Science and Engineering,与普通液相烧结相比较：熔浸靠液相从外部直接填充孔隙而实现致密化，不依赖颗粒重排和溶解-再析出过程实现烧结体的致密化。特点：烧结初期发生固相烧结，中后期则发生液相烧结。可获得高密度材料。组织欠均匀，液相量难以准确控制。,School of Materials Science and Engineering,1.坯体形状保持性要求骨架金属的熔点与熔浸剂间的熔点差别要足够大2.坯体孔
