燒結理論 冉冉

1、粉末冶金原理粉末冶金原理 第四章第四章 燒結理論燒結理論 Theory of Sintering材料科學與工程學院材料科學與工程學院 本章內(nèi)容本章內(nèi)容4.1 概述概述4.2 燒結過程熱力學燒結過程熱力學4.3 燒結機構燒結機構4.4 單元系燒結單元系燒結4.5 多元系固相燒結多元系固相燒結4.6 液相燒結液相燒結4.7 熱壓和活化燒結熱壓和活化燒結一、基本概念（一）（一） 燒結的定義燒結的定義 簡單描述：簡單描述：燒結燒結（Sintering）指粉末或粉末壓坯在適當溫指粉末或粉末壓坯在適當溫度、氣氛下受熱，借助于原子遷移實現(xiàn)顆粒間聯(lián)結的過程。度、氣氛下受熱，借助于原子遷移實現(xiàn)顆粒間聯(lián)結的過程。

2、 定義：定義：粉末或粉末壓坯在一定的氣氛中，在低于其主要粉末或粉末壓坯在一定的氣氛中，在低于其主要成分熔點的溫度下加熱而獲得具有一定組織和性能的材料成分熔點的溫度下加熱而獲得具有一定組織和性能的材料或制品的過程?；蛑破返倪^程。 比較：比較：燒結、燒成、煅燒、固相反應的概念燒結、燒成、煅燒、固相反應的概念 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 粉末也可以燒結（不一定要成形）粉末也可以燒結（不一定要成形） 松裝燒結，制造過濾材料（不銹鋼，青銅，黃銅，松裝燒結，制造過濾材料（不銹鋼，青銅，黃銅，鈦等）和催化材料（鐵，鎳，鉑等）等。鈦等）和催化材料（鐵，鎳，鉑等）等。對燒結定義的理解對燒結定義的理解-1： 燒結的目

3、的燒結的目的 依靠熱激活作用，使原子發(fā)生遷移，粉末顆依靠熱激活作用，使原子發(fā)生遷移，粉末顆粒形成冶金結合。粒形成冶金結合。Mechanical interlocking or physical bonging Metallurgical bonding 改善燒結體組織改善燒結體組織 提高燒結體強度提高燒結體強度 等性能等性能對燒結定義的理解對燒結定義的理解-2： 低于主要組分熔點的溫度低于主要組分熔點的溫度* * 固相燒結固相燒結 燒結溫度低于所有組分的熔點燒結溫度低于所有組分的熔點* * 液相燒結液相燒結 燒結溫度低于主要組分的熔點，燒結溫度低于主要組分的熔點， 但可能高于次要組分的熔點：但

4、可能高于次要組分的熔點： WC-CoWC-Co合金，合金， W-Cu-NiW-Cu-Ni合金合金對燒結定義的理解對燒結定義的理解-3：燒結的重要性燒結的重要性1 1）粉末冶金生產(chǎn)中）粉末冶金生產(chǎn)中不可缺少不可缺少的基本工序之一的基本工序之一 （磁粉芯和粘結磁性材料例外（磁粉芯和粘結磁性材料例外）2）對）對PM制品的性能有制品的性能有決定決定性性的的影響（燒結廢品很難補影響（燒結廢品很難補救，救， 如鐵基部件的脫滲碳和嚴重的燒結變形）如鐵基部件的脫滲碳和嚴重的燒結變形）3 3）燒結消耗是構成粉末冶金）燒結消耗是構成粉末冶金產(chǎn)品成本的重要組成部分產(chǎn)品成本的重要組成部分 （設備、高溫、長時間、保護氣

5、氛）。（設備、高溫、長時間、保護氣氛）。4 4）納米塊體材料的獲得依）納米塊體材料的獲得依 賴賴燒結過程的控制燒結過程的控制（二）（二） 燒結的重要性燒結的重要性（三）（三） 燒結的分類燒結的分類熱等靜壓熱等靜壓粉末體燒結類型粉末體燒結類型不施加外壓力不施加外壓力液相燒結液相燒結固相燒結固相燒結單相粉末單相粉末多相粉末多相粉末長存液相長存液相瞬時液相瞬時液相超固相線燒結超固相線燒結反應燒結反應燒結活化燒結活化燒結強化燒結強化燒結施加外壓力施加外壓力熱壓熱壓 熱鍛熱鍛液相熱壓液相熱壓反應熱壓反應熱壓反應熱等靜壓反應熱等靜壓2021-10-319第第二二節(jié)節(jié) 燒結過程及推動力燒結過程及推動力（一）

6、燒結過程（一）燒結過程1. 燒結溫度對燒結體性質的影響燒結溫度對燒結體性質的影響當密度達到理論密度的當密度達到理論密度的90909595后，其增加速度顯后，其增加速度顯著減小，且常規(guī)條件下很難達到完全致密。說明坯體中著減小，且常規(guī)條件下很難達到完全致密。說明坯體中的空隙的空隙( (氣孔氣孔) )完全排除是很難的。完全排除是很難的。1 1）隨）隨 TT，電阻，電阻（電導率（電導率）、強度）、強度，表明：，表明：在顆?？障侗惶畛渲霸陬w粒空隙被填充之前( (即氣孔率顯著下降以前即氣孔率顯著下降以前) )，顆，顆粒接觸處就已產(chǎn)生某種鍵合，使得電子可以沿著鍵合的粒接觸處就已產(chǎn)生某種鍵合，使得電子可以沿

7、著鍵合的地方傳遞，故電導率和強度增大地方傳遞，故電導率和強度增大2 2）隨）隨 T T 繼續(xù)繼續(xù)，物質開始向空隙傳遞，密度，物質開始向空隙傳遞，密度2021-10-31102021-10-3111燒結初期：燒結初期：坯體中顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮坯體中顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮?。创髿饪紫В?，固小（即大氣孔消失），固-氣總表面積沒有變化。氣總表面積沒有變化。燒結中期：燒結中期：傳質開始，粒界增大，空隙進一步變形、縮小，但傳質開始，粒界增大，空隙進一步變形、縮小，但仍然連通，形如隧道。仍然連通，形如隧道。燒結后期：燒結后期：傳質繼續(xù)進行，粒子長大，氣孔變成孤立閉氣孔

8、，傳質繼續(xù)進行，粒子長大，氣孔變成孤立閉氣孔，密度達到密度達到95%以上，制品強度提高。以上，制品強度提高。燒結過程可以分為三個階段：燒結初期、中期和后期。燒結過程可以分為三個階段：燒結初期、中期和后期。2. 燒結過程的模型示意圖燒結過程的模型示意圖2021-10-3112（二）燒結推動力（二）燒結推動力 近代燒結理論認為：粉狀物料的表面能大于多晶粉狀物料的表面能大于多晶燒結體的晶界能，這就是燒的推動力。燒結體的晶界能，這就是燒的推動力。燒結的推動力與相變、固相反應相比，還是極小的燒結的推動力與相變、固相反應相比，還是極小的如：如：粒度為1m的材料燒結后，G8.3J/g； -石英與-石英之間的

9、多晶轉變時，G1.7KJ/mol； 一般化學反應前后能量變化超過200KJ/mol. 燒結不能自發(fā)進行，必須對粉體加以高溫，才能促使粉燒結不能自發(fā)進行，必須對粉體加以高溫，才能促使粉末體轉變?yōu)闊Y體末體轉變?yōu)闊Y體燒結的難易以燒結的難易以GBGB晶界能晶界能/SVSV表面能表面能 比值來衡量：比值來衡量：GBGB/SVSV，燒結越困難，燒結越困難例例：Al2O3 : 兩者差別較大，易燒結；兩者差別較大，易燒結； 共價化合物如共價化合物如Si3N4、SiC、AlN 難燒結。難燒結。2021-10-3113*推動力與顆粒細度的關系：推動力與顆粒細度的關系：顆粒堆積后，有很多細小氣孔彎曲表面由于表面

10、張力而產(chǎn)顆粒堆積后，有很多細小氣孔彎曲表面由于表面張力而產(chǎn)生壓力差，生壓力差， P P2 2/ /r r當當為為等等徑徑球球形形：)1r1(P 21r 當當非非球球形形： 結論結論：粉料愈細，由曲率而引起的燒結推動力愈大：粉料愈細，由曲率而引起的燒結推動力愈大!快速燒結技術快速燒結技術 1 1 電固結工藝電固結工藝 2 2 快速熱等靜壓快速熱等靜壓(quick-HIP)(quick-HIP) 3 3 微波燒結技術微波燒結技術 4 4 激光燒結激光燒結 5 5 等離子體燒結等離子體燒結 6 6 電火花燒結電火花燒結三、燒結技術的發(fā)展 外力的引入（加壓同時燒結）：外力的引入（加壓同時燒結）：HP、HIP、超高壓燒結（納米晶材料）等、超高壓燒結（納米晶材料）等氣壓燒結氣壓燒結（四）（四） 燒結幾何模型燒結幾何模型燒結幾何模型的引入為燒結機構的研究奠定了基礎燒結幾何模型的引入為燒結機構的研究奠定了基礎1. 雙球幾何模型雙球幾何模型 兩球相切模型（第一模型）兩球相切模型（第一模型）兩球相切，兩球中心距不變。兩球相切，兩球中心距不變。幾何關系：幾何關系： = x2/2a A =x3/a V = x4/a兩球相切兩球相切a-a-顆粒半徑顆粒半徑 x-x-燒結頸半徑燒結頸半徑 燒結頸曲燒結頸曲率半徑率半徑 兩球相交（貫穿