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1、粉末烧结粉末烧结粉末冶金技术粉末冶金技术 第第十十讲讲烧结的概念烧结的概念烧结基本过程与原理烧结基本过程与原理固相烧结、液相烧结、熔浸烧结固相烧结、液相烧结、熔浸烧结烧结方式、烧结设备、工艺参数烧结方式、烧结设备、工艺参数烧结组织、烧结气氛、烧结缺陷烧结组织、烧结气氛、烧结缺陷烧结的概念烧结的概念粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度和适当粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度和适当气氛下借助于原子迁移实现颗粒间联结和一定气氛下借助于原子迁移实现颗粒间联结和一定性能的现象和过程性能的现象和过程固相烧结：烧结温度低于所有组分的熔点固相烧结：烧结温度低于所有组分的熔点液相烧结：烧结温度低于主要组分的熔点但
2、高液相烧结：烧结温度低于主要组分的熔点但高于次要组分的熔点于次要组分的熔点WC-Co合金，合金， W-Cu-Ni合金合金烧结的概念烧结的概念烧成与烧结烧成与烧结烧成包括多种物理和化学变化，如脱水、烧成包括多种物理和化学变化，如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，一般都发生在多相系统内解、烧结等，一般都发生在多相系统内烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程物理过程烧结的概念烧结的概念烧结与固相反应烧结与固相反应烧结与固相反应均在低于材料熔点或熔烧结与固相反应均在低于材料熔点或熔融温度之下进行，且自始至终都至少
3、有融温度之下进行，且自始至终都至少有一相是固态一相是固态 固相反应必须至少有两组元参加并发生固相反应必须至少有两组元参加并发生化学反应，烧结过程可以只有单组元，化学反应，烧结过程可以只有单组元，或多组元但不发生化学反应或多组元但不发生化学反应 烧结的重要性和分类烧结的重要性和分类烧结在粉末冶金生产中的重要性烧结在粉末冶金生产中的重要性烧结的分类烧结的分类是不可缺工序是不可缺工序对产品性能有决定性影响对产品性能有决定性影响产品成本的重要构成部分产品成本的重要构成部分固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结p单元系烧结单元系烧结p多元系固相烧结多元系固相烧结p多元系液相烧结多元系液相烧结无限固溶系无限固溶
4、系有限固溶系有限固溶系完全不溶系完全不溶系稳定液相烧结稳定液相烧结瞬时液相烧结瞬时液相烧结熔浸熔浸烧结理论的研究范畴烧结理论的研究范畴 研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化和物质变化规律演化和物质变化规律热力学热力学:烧结过程的驱动力（烧结过程的驱动力（Why）动力学动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移烧结过程中物质迁移方式和迁移速度（速度（How）烧结理论的发展烧结理论的发展烧结工艺始于公元前烧结工艺始于公元前3000年年烧结理论始于烧结理论始于20世纪中期世纪中期目前还没有成熟的理论目前还没有成熟的理论烧结基本过程烧结基本过程三阶段：三阶段：粘结阶段粘结
5、阶段烧结颈长大阶段烧结颈长大阶段闭孔隙球化和缩小阶段闭孔隙球化和缩小阶段(1) 颗粒之间形成接触颗粒之间形成接触(2) 烧结颈长大烧结颈长大(3) 连通孔洞闭合连通孔洞闭合(4) 孔洞固化孔洞固化(5) 孔洞收缩和致密化孔洞收缩和致密化(6) 孔洞粗化孔洞粗化(7) 晶粒长大晶粒长大水分挥发水分挥发化学反应化学反应应力消除应力消除回复和再结晶回复和再结晶粘结面和晶界的形成粘结面和晶界的形成粘结面和晶界的形成粘结面和晶界的形成烧结后的孔隙烧结后的孔隙烧结过程的热力学基础烧结过程的热力学基础烧结的热力学问题：烧结的热力学问题：烧结系统自由能降低是烧结过程的驱动力烧结系统自由能降低是烧结过程的驱动力
6、表面能表面能晶界能晶界能 表面能降低处于非主导地位表面能降低处于非主导地位烧结过程的热力学烧结过程的热力学烧结系统自由能降低途径烧结系统自由能降低途径:合金元素的扩散导致体系熵增合金元素的扩散导致体系熵增S增大增大形成化合物使形成化合物使H 0，-TS 0多元系多元系烧结过程的热力学烧结过程的热力学烧结系统自由能降低途径烧结系统自由能降低途径:由于粉末结合面由于粉末结合面(烧结颈烧结颈)的增大和颗粒表面的平的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小烧结体内部孔隙的总体积和总表面积减小烧结体内部孔隙的总体积和总表面积减小粉末颗粒内晶格畸变
7、的消除粉末颗粒内晶格畸变的消除烧结过程的动力学烧结过程的动力学 研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式及速率。及速率。早期粘结早期粘结扩散（体积扩散、表面扩散、晶界扩散、扩散（体积扩散、表面扩散、晶界扩散、晶格扩散）晶格扩散）蒸发与凝聚蒸发与凝聚流动流动回复、再结晶、聚晶长大回复、再结晶、聚晶长大烧结过程的动力学烧结过程的动力学在烧结颈表面存在张应力在烧结颈表面存在张应力,张应力大小与烧结颈曲率半径成反比张应力大小与烧结颈曲率半径成反比 烧结颈处空位浓度高于无应力作用区域的空位浓度烧结颈处空位浓度高于无应力作用区域的空位浓度物质表面的平衡蒸气压与其表面曲率半径
8、有关物质表面的平衡蒸气压与其表面曲率半径有关 烧结机理烧结机理烧结过程中物质的迁移方式烧结过程中物质的迁移方式粘性流动：粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动，在剪切应力作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移物质向颈部迁移蒸发凝聚：蒸发凝聚：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部体积扩散：体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移借助于空位运动，原子等向颈部迁移表面扩散：表面扩散：原子沿颗粒表面迁移原子沿颗粒表面迁移晶界扩散：晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向颈
9、部迁移颈部迁移位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，导致物质迁移此通道向颈部扩散，导致物质迁移烧结过程中物质的迁移方式烧结过程中物质的迁移方式扩散扩散蒸发凝聚蒸发凝聚回复再结晶和聚晶长大回复再结晶和聚晶长大回复回复再结晶再结晶聚晶长大聚晶长大组织和性能有什么变化？驱动力是什么？组织和性能有什么变化？驱动力是什么？粉末烧结材料再结晶长大的特点粉末烧结材料再结晶长大的特点与致密材料相比与致密材料相比氧化物、孔隙、杂质较多时，晶粒较细氧化物、孔隙、杂质较多时，晶粒较细晶粒显著长大的温度较高晶粒显著长大的温度较高细粉末晶粒易长大细粉末晶粒
10、易长大在临界变形程度下长大和取向性不明显在临界变形程度下长大和取向性不明显单元系固相烧结单元系固相烧结三个阶段三个阶段低温阶段低温阶段中温阶段中温阶段高温阶段高温阶段多元系固相烧结多元系固相烧结定义：材料或制品由几种组分的粉末烧结而成，定义：材料或制品由几种组分的粉末烧结而成，烧结过程不出现液相。包括组分间互溶和不互烧结过程不出现液相。包括组分间互溶和不互溶两类。溶两类。过程：同组元和异组元间的粘结，异组元间反应、过程：同组元和异组元间的粘结，异组元间反应、溶解、均匀化溶解、均匀化机构：扩散和流动机构：扩散和流动多元系固相烧结多元系固相烧结互溶系固相烧结：互溶系固相烧结：均匀（单相）固溶体粉末
11、烧结均匀（单相）固溶体粉末烧结混合粉末烧结混合粉末烧结烧结过程固溶体分解烧结过程固溶体分解无限互溶系无限互溶系 Cu-Ni有限互溶系有限互溶系 Fe-C互不溶系固相烧结：互不溶系固相烧结： Cu-C多元系固相烧结多元系固相烧结影响合金化的因素影响合金化的因素烧结温度烧结温度烧结时间烧结时间粉末粒度粉末粒度压坯密度压坯密度粉末原料粉末原料杂质杂质液相烧结液相烧结定义：烧结温度下，低熔点组元熔化或定义：烧结温度下，低熔点组元熔化或形成低溶点共晶物，即存在液相形成低溶点共晶物，即存在液相特点：物质迁移速度快；制品密度高，特点：物质迁移速度快；制品密度高，性能好性能好分类：互不溶系液相烧结；固相与液相
12、分类：互不溶系液相烧结；固相与液相有一定溶解度系液相烧结；瞬时液相烧有一定溶解度系液相烧结；瞬时液相烧结结液相烧结液相烧结液相烧结条件：液相烧结条件：润湿性润湿性溶解度溶解度液相数量液相数量液相烧结液相烧结液相烧结过程：液相烧结过程：液相流动与颗粒重排液相流动与颗粒重排固相溶解和再析出固相溶解和再析出固相烧结固相烧结熔浸烧结熔浸烧结原理：将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体原理：将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体金属中，让坯体内孔隙为金属液填充，冷却后金属中，让坯体内孔隙为金属液填充，冷却后得到致密材料或零件。得到致密材料或零件。特点：致密化主要靠易熔成分从外面去填满孔特点：致密化主要靠易熔成分
13、从外面去填满孔隙，基本不产生收缩，烧结时间短隙，基本不产生收缩，烧结时间短主要应用：电触头材料、主要应用：电触头材料、Fe-Cu机械零件、金机械零件、金属陶瓷、复合材料属陶瓷、复合材料熔浸烧结熔浸烧结基本条件：基本条件：骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大熔浸金属能很好润湿骨架材料熔浸金属能很好润湿骨架材料骨架与熔浸金属之间不互溶或溶解度不大骨架与熔浸金属之间不互溶或溶解度不大熔浸金属的量应以填满孔隙为限度熔浸金属的量应以填满孔隙为限度熔浸烧结熔浸烧结熔浸方法熔浸方法部分浸入部分浸入全部浸入全部浸入接触熔渗接触熔渗重力重力-注入注入外部加压浸渍外部加压浸渍真空熔渗真
14、空熔渗烧结方式烧结方式无压烧结无压烧结加压烧结加压烧结（1）热压（）热压（Hot-Pressing-HP）（2）热等静压（）热等静压（Hot Isostatic Pressing-HIP）（3）烧结）烧结热等静压（热等静压（Sintering-HIP）自蔓延烧结自蔓延烧结微波烧结微波烧结爆炸烧结爆炸烧结电火花烧结电火花烧结放电等离子烧结放电等离子烧结烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结设备烧结设备电炉：电阻炉、感应电炉电炉：电阻炉、感应电炉燃料炉燃料炉：固体、液体和气体燃料炉：固体、液体和气体燃料炉连续作业炉连续作业炉间歇式作业炉间歇式作业炉低温炉低温炉中温炉中
15、温炉高温炉高温炉管式炉管式炉箱式炉箱式炉钟罩炉钟罩炉隧道窑隧道窑烧结设备烧结设备烧结炉结构：烧结炉结构：炉膛炉膛冷却系统冷却系统炉体炉体加热元件加热元件烧结设备烧结设备烧结设备烧结设备真空烧结炉真空烧结炉网带式连续烧结炉网带式连续烧结炉 钟罩式烧结炉钟罩式烧结炉 烧结工艺过程烧结工艺过程烧结前准备烧结前准备压坯检查压坯检查装舟及摆料装舟及摆料烧结烧结升温升温保温保温降温降温烧结后处理烧结后处理精整精整机加工机加工热处理热处理浸油浸油电镀电镀蒸汽处理蒸汽处理工艺参数工艺参数气孔率（气孔率（1）、密度（）、密度（2）、电阻（）、电阻（3）、强度（）、强度（4）、晶粒尺寸（）、晶粒尺寸（5）工艺参数
16、工艺参数烧结温度：烧结温度：最低的起始烧结温度，即烧结体的某种物理或最低的起始烧结温度，即烧结体的某种物理或力学性质出现明显变化的温度力学性质出现明显变化的温度最低塔曼温度指数最低塔曼温度指数 Au-0.3， Cu-0.35， Ni-0.4， Fe-0.4，Mn-0.45， W-0.4工艺参数工艺参数烧结温度：烧结温度：低温预烧阶段低温预烧阶段中温升温阶段中温升温阶段高温保温阶段高温保温阶段工艺参数工艺参数烧结时间：烧结时间：烧结时间越长，烧结体性能越高烧结时间越长，烧结体性能越高影响不如温度大影响不如温度大工艺参数工艺参数升温速度升温速度冷却速度冷却速度宏观组织宏观组织烧结密度与尺寸的变化：
17、烧结密度与尺寸的变化：多数情况下总是收缩和密度变大多数情况下总是收缩和密度变大有时膨胀，密度降低有时膨胀，密度降低低温烧结时压制内应力的消除抵消一部分收缩，当压低温烧结时压制内应力的消除抵消一部分收缩，当压力过高时，烧结后会膨胀力过高时，烧结后会膨胀气体与润滑剂的挥发阻碍收缩，升温过快使产品鼓泡气体与润滑剂的挥发阻碍收缩，升温过快使产品鼓泡胀大胀大与气氛反应生成气体妨碍收缩，产品收缩时闭孔中气与气氛反应生成气体妨碍收缩，产品收缩时闭孔中气体压力增大与孔隙收缩表面张应力抗衡，孔隙收缩停体压力增大与孔隙收缩表面张应力抗衡，孔隙收缩停止止聚晶长大使密度略降低聚晶长大使密度略降低同素异晶转变引起比容改
18、变而导致体积胀大同素异晶转变引起比容改变而导致体积胀大宏观组织宏观组织烧结密度与尺寸的变化：烧结密度与尺寸的变化：垂直与平行于压制方向上的收缩不等垂直与平行于压制方向上的收缩不等收缩比收缩比=径向收缩值径向收缩值R/轴向轴向（平行压制方向）（平行压制方向）收缩值收缩值A影响收缩比的因素有压制压力、粉末形状、压影响收缩比的因素有压制压力、粉末形状、压件高径比等件高径比等影响因素影响因素结晶构造与异晶转变结晶构造与异晶转变粉末活性：表面活性、晶格活性粉末活性：表面活性、晶格活性外来物质：表面氧化物、气氛外来物质：表面氧化物、气氛压制压力压制压力烧结气氛烧结气氛作用：作用：防止和减少周围环境对产品的
19、有害影响防止和减少周围环境对产品的有害影响排除有害杂质，避免夹杂排除有害杂质，避免夹杂维持或改变有用成分（生成合金或活化维持或改变有用成分（生成合金或活化烧结）烧结）烧结气氛烧结气氛分类：分类：氧化气氛：纯氧、空气、水蒸气氧化气氛：纯氧、空气、水蒸气还原气氛：氢气、分解氨、煤气、碳氢化物转还原气氛：氢气、分解氨、煤气、碳氢化物转化气化气惰性或中性气氛：氮气、氩气、氦气、惰性或中性气氛：氮气、氩气、氦气、真空真空渗碳气氛：二氧化碳、甲烷渗碳气氛：二氧化碳、甲烷氮化气氛：氮气、氨气氮化气氛：氮气、氨气吸热型气氛吸热型气氛放热型气氛放热型气氛烧结气氛烧结气氛烧结缺陷烧结缺陷裂纹裂纹分层分层翘曲与变形翘曲与变形起泡和起皮起泡和起皮过烧过烧欠烧欠烧孔洞孔洞麻点麻点尺寸超差尺寸超差氧化氧化思考题思考题烧结温度升高，收缩率烧结温度升高，收缩率( 升高升高 )烧结时间延长，收缩率烧结时间延长，收缩率(升高升高 )粉末粒度越细，收缩率粉末粒度越细，收缩率(升高升高)压制压力越高，烧结体密度压制压力越高，烧结体密度( 升高升高 )压制压力越高，烧结体密度增大的幅度压制压力越高，烧结体密度增大的幅度( 减小减小)粉末越细，致密化速率粉末越细，致密化速率(增加增加)
