粉末冶金原理-烧结.ppt

§3 烧结 Sintering 烧结温度，保温温度，低于粉末或粉末压坯的基体组元熔点的温度，大约是0.7～0.8T（T：绝对熔点）。 3．分类 由于粉末冶金材料既包括纯金属，也包括有几种成分组成的合金，化合物及复合材料，因此，根据组元的多少和烧结过程中有无液相出现，可将烧结分为几个基本类型： （1）单元系烧结：单相纯金属、固溶体或化合物在其熔点以下的温度进行的烧结（在熔点以下，当然是固相烧结）。如钨、钼条等纯金属的烧结，黄铜、青铜等固熔体（单－相的粉末）的烧结，Al2O3、B4C等化合物的烧结。 （2）多元系烧结：由两种或两种以上的组元构成的烧结体系（两种或两种以上粉末混合在一起。 多元系烧结根据烧结温度下有无液相出现又分成： 1）多元系固相烧结：烧结温度在其中低熔成分的熔点温度以下。根据系统的组元之间在烧结温度下有无固相溶解存在又分为： a)无限固溶系：在相图上有无限固溶区的系统，如Cu-Ni Fe-Ni、W-Mo等。 b)有限固溶系：在相图上有有限固溶区的系统，如Fe-C Fe-Cu、W-Ni等。 c)完全不互溶系：组元之间既不互相溶解又不形成化合物或其他中间相的系统，如Ag-W、Cu-W、Cu-C等所谓假合金。 2) 多元系液相烧结：烧结温度超过系统中低熔成分的熔点，在烧结过程中出现液相。 由于低熔成分的液相同难熔固相之间互相溶解或形成合金的性质不同，液相可能中途消失或始终存在于全过程，根据液相在烧结过程存在时间的长短，液相烧结又可分为： 烧结过程始终存在液相的系统，如WC-Co W-Ni-Fe等； 烧结后期液相消失的系统，如Fe-Ni-Al, Cu-Sn等； 液相烧结特例：熔浸，多孔骨架的固相烧结和低熔金属浸透骨架后的液相烧结同时存在，如W-Ag W-Cu Fe-Cu。 4．烧结理论所研究的问题 （1）烧结为什么会发生？ 烧结的原动力或热力学问题 （2）烧结是怎样进行的？ 烧结的机构和动力学问题 §3-2 烧结过程的热力学基础 一、烧结的基本过程 粉末等温烧结过程的三个阶段 1．粘结阶段 烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，即通过成核，结晶长大等原子过程形成烧结颈。在这一阶段中，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结不发生收缩，密度增加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面增大而有明显增加。 粉末等温烧结过程的三个阶段 2．烧结颈长大阶段 原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络；同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体体积收缩，密度和强度明显增加。 3.封闭孔隙球化和缩小阶段 当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙被完全分隔，闭孔数量大的增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。也就是一般不能达到完全致密。 等温烧结三个阶段的相对长短主要由烧结温度决定：温度低，可能仅出现第一阶段；在生产条件下，至少保证第二阶段接近完成；温度越高，出现第二甚至第三阶段就越早。 在连续烧结时，第一阶段可能在升温过程中就完成。 二、烧结的热力学问题 粉末有自动粘结或成团的倾向 粉末烧结使系统自由能减少的过程 烧结系统自由能降低是烧结过程的原动力。烧结后系统自由能降低包括下述几个方面： (1)由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表面平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小； (2)烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小； (3)粉末颗粒内晶格畸变部分消除。 粉末过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，在烧结过程中特别是早期阶段，作用较大的主要是表面能。 表面能是指同气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能。 晶格畸变能是指颗粒内存在过剩空位，位错及内应力。 粉末表面状态，加工状态与烧结过程有很大关系，烧结过程中，晶格畸变消失，再结晶，晶粒长大，孔隙减少 自由能，焓和熵变分别为△Z、△H、△S △Z＝△H－T△S 若反应前后物质的热变化可以忽略不计，即△S约为0 则△Z＝△H≈△U（系统内能变化） 粉末烧结的驱动力来自系统的过剩自由能的降低，其中表面能的降低在烧结过程中处于主导地位。 三、烧结的原动力 1．表面张力 库钦斯基两球模型 取ABCD使ρx形成的张角为θ 3.蒸气压差 曲面与平面的饱和蒸气压之差 （一） 内涵 烧结机构— 研究烧结的动力学问题 烧结机构：烧结过程中物质迁移的方式（transport way）和迁移速率（ transport rate） 烧结机理：烧结过程中孔隙减少、物质