五粉末冶金汇总.ppt

表面扩散 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，然而通过颗粒表面层原子的扩散来完成物质迁移，却可以在低得多的温度下发生。事实上，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。 多数学者认为，在较低和中等烧结温度下，表面扩散的作用十分显著，而在更高温度时，逐渐被体积扩散所取代。 烧结的早期，有大量的连通孔存在，表面扩散使小孔不断缩小与消失，而大孔隙增大，其结果好似小孔被大孔所吸收，所以总的孔隙数量和体积减少，同时有明显收缩出现；然面在烧结后期，形成隔离闭孔后，表面扩散只能促进孔隙表面光滑，孔隙球化，面对孔隙的消失和烧结体的收缩不产生影响。 烧结颈表面的过剩空位浓度梯度： 假定表面扩散是在烧结颈一个原子厚的表层进行，则扩散断面积： 几何关系： 原于表面扩散系数： 得： （6.3.25） 积分： （6.3.26） 球形铜粉与铜板低于600℃进行低温烧结实验测定ln(x／a)与1nt的关系直线，求得斜率为6.51与（6.3.26）式中x的指数7接近。 表面扩散为主时，活化原子的数目大约是体积扩散时的105倍。 其它学者，如卡布雷拉(cabrera)、罗克兰(Rock—1and)、皮涅斯、喜威德(schwed)，等也从理论上分别导出表面扩散的特征方程，虽然指数关系各有差别，但多数与x7∝t关系接近。 晶界扩散 空位扩散时，晶界可作为空位“阱”： （1）烧结时，在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界，特别是细粉末烧结后形成许多的网状晶界与孔隙互相交错，使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易通过邻按的晶界进行扩散或被它吸收； （2）晶界扩散的激活能只有体积扩散的一半，且扩散系数大1000倍，且随着温度降低，这种差别增大。 靠近晶界的孔隙总是优先消失或减少 霍思斯彻拉发现，烧结材料中晶界也能发生弯曲，并且当弯曲的晶界向曲率中心方向移动时，大量的空位将被吸收。 伯克在研究Al2O3：烧结时发现，在孔隙浓度、收缩及晶界移动这三者之间存在密切的关系：分布在晶界附近的孔隙总是最先消失，而隔离闭孔却长大并可能超过原始粉末的大小，这证明在发生体积扩散时，原子是从晶界向孔隙扩散的。 氧化铝烧结时由于晶界移动所形成的无空隙区域，虚线表示原始的晶界位置 晶界对烧结颈长大和烧结体收缩所起的作用：（1）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向内表面扩散，即原子从颗粒内，向表面迁移填补烧结颈区（体积扩散和表面扩散）；（2）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，收缩发生。 晶界对收缩的作用：（a）孔隙周围的空位向晶界（空位阱)扩散并被其吸收，使孔隙缩小、烧结体收缩；（b）晶界上孔隙周围的空位沿晶界(扩散通道)向两端扩散，消失在烧结体之外，也使孔隙缩小、烧结体收缩。 库钦斯基的实验证明了晶界在空位自扩散中的作用：颗粒粘结面上有无晶界对体积扩散持征方程(x5/a2∝t)中t前面的系数影响很大，有晶界比无晶界时增大两倍。 （1）根据两球模型，假定在烧结颈边缘上的空位向接触面晶界扩散并被吸收，采用与体积扩散相似的方法可以导出晶界扩散的特征方程： （6.3.27） （2）如果用半径为a的金属线平行排列制成烧结模型，这时扩散层假定为一个原子厚度（式（6.3.27）有5个原子厚度），则晶界扩散速度方程为： （6.3.28） （3）由球—平板模型推导的晶界扩散方程为： （6.3.29） 烧结机制理论的总结 以上讨论的烧结物质迁移机制，可以用一个动力学方程通式描述： F(T)仅仅是温度的函数，但在不同烧结机构中，包含不同的物理常数，例如扩散系数(Dv、Ds、Db)、饱和蒸气压P0、粘性系数η以及许多方程共有的比表面能γ ，这些常数均与温度有关。 从模拟烧结实验作出In(x／a)对lnt的坐标图，再由直线的斜率确定方程中x的指数并不总是准确地符合体积扩散5、表面扩散7、粘性流动2、蒸发与凝聚3，而是介于某两种数字之间的小数。这说明烧结过程可能同时有两种或两种以上机构起作用。 对同一烧结机构，不同人根据相同或不同的模型导出的速度方程的指数关系也不一致，主要原因是实验的对象(粉末种类和粒度)以及条件不相同，有次要的机构干扰烧结的主要机构。 从理论上说，表面扩散机构不引起收缩，但有时在表面扩散占优势的实验条件下，如细粉末的低温烧结，仍发现有明显的收缩出现，这只能认为体积扩散或晶界扩散在上述条件下同时起作用。 由理想几何模型导出的早期烧结过程的速度方程，虽然用一定的模拟实验可以验证和判断烧结的物质迁移机构，然而在更多情况下，其应用受到限制： 不同的粉末、不同的粒度、不同的烧结温度或等温烧结的不同阶段以及不同的烧结气氛、方式(如