第5章粉末的烧结.ppt

第五章 粉末的烧结 粉末烧结后的变化 烧结过程 烧结热力学 烧结动力学 烧结理论模型 烧结方法 §5.1 烧结后粉末坯的变化 §5.2 烧结过程 烧结是粉末冶金制品制备的第三个阶段。它是一种使成形的粉末坯件达到强化和致密化的高温处理工艺。 在烧结过程中，粉末体经历了一系列的物理变化。 粉末的等温烧结过程大致可以划分为①粘结阶段、 ②烧结颈长大阶段、 ③闭孔隙球化和缩小阶段三个阶段。 一、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、结晶长大等原子迁移过程形成烧结颈。 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，整个烧结体不发生收缩，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。 二、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。 烧结体收缩，密度和强度增加是这个阶段的主要特点。 三、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，闭孔数量大为增加，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。 §5.3 烧结热力学 从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小的过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能量较低的状态。烧结系统自由能的降低，是烧结过程的原动力，包括以下几个方面： （1）由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小。 （2）粉末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的消除。 §5.3 烧结热力学 烧结前存在于粉末或粉末坯块内的过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，前者指同气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能，后者指颗粒内由于存在过剩空位、位错及内应力所造成的能量增高。 表面能比晶格畸变能小，但是，对烧结过程，特别是早期阶段，作用较大的主要是表面能。 二、烧结驱动力 §5.4 烧结动力学 烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前提的。 烧结机构就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式及速率的。 烧结时物质迁移的各种可能的过程如下：①表面扩散 、②体积扩散 、③晶界扩散 、④粘性流动 、⑤塑性流动 、⑥蒸发与凝聚 。 一、表面扩散 通过颗粒表面层原子的扩散来完成物质迁移，可以在较低的温度下发生。 烧结过程中颗粒的相互联结，首先是在颗粒表面上进行的，由于表面原子的扩散，颗粒粘结面扩大，颗粒表面的凹处逐渐被填平。 粉末极大的表面积和高的表面能，是粉末烧结的一切表面现象的热力学本质。 粉末愈细，比表面愈大，表面的活性原子数愈多，表面扩散就愈容易进行。 二、体积扩散 烧结颈与颗粒内部的空位浓度梯度是导致空位和原子定向移动的动力，空位由烧结颈表面向邻近的球表面发生体积扩散，即物质沿相反方向向烧结颈迁移。 三、晶界扩散 如果颗粒接触面上未形成晶界，空位只能从烧结颈通过颗粒内向表面扩散，即原子由颗粒表面填补烧结颈区。 如果有晶界存在，烧结颈边缘的过剩空位将扩散到晶界上消失，结果是颗粒间距缩短，发生收缩。 四、粘性流动 晶体粉末烧结早期的粘结，即烧结颈长大，可看作在表面张力的作用下，颗粒发生类似粘性液体的流动，结果使系统的总表面积减小，表面张力所做的功转换成粘性流动对外散失的能量。 五、塑性流动 烧结颈的形成和长大的过程也可以看成是金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形的结果。 粉末在表面张力作用下产生缓慢的流动，类似于金属在高温下的蠕变，所不同的只是表面张力随着烧结的进行逐渐减小，因此烧结速度逐渐变慢。 六、蒸发与凝聚 蒸发与凝聚机构要以粉末在高温时具有较大饱和蒸气压为先决条件，蒸气压差使原子从球的表面蒸发，重新在烧结颈凹面上凝聚下来，由此引起烧结颈长大。 §5.5 烧结动力学方程 （一）粘性流动烧结机构 粘性流动：在小的应力作用下，应变速度开始随时间变化（降低）很快，但随时间延长，最后趋于一个常数。 粘性流动机构由Freckle、Kuczynski分别提出Frenkle所作的两个假设：a. 烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体b. 流体流动的驱动力是表面能对它做功，并以摩擦功形式散失 颈长大速度： dV / dt = A (m / d) A—颈表面积；d—物质密度 经几何计算、变换和积分，得： x3/a=3Mγ(M/2πRT)1/2P a /(d2RT)?t注意：M=NΩ d