第四章烧结理论

第4章粉末冶金原理烧结理论烧结，程继基，jgcheng63材料科学与工程学院，材料科学与工程学院，本章4.1概述4.2烧结过程热力学4.3烧结机理4.4单元系统烧结4.5多组分系统固相烧结4.6液相烧结4.7热压和活化烧结，材料科学与工程学院，第4节单元系统烧结，定义：单相(纯金属，固定组分化合物或均匀固溶体)粉末或实例：纯金属：钨、钼、铜、铁，化合物：氧化铝、二硫化钼、碳化硅等。schoolof material ssclendeengineering，1 .基本烧结过程(烧结阶段的划分)，(1)消除辅助添加剂(蒸发和分解)形成内部压力如果内部压力超过颗粒之间的结合强度膨胀、发泡或开裂等废品，1。烧结过程现象，材料科学与工程学院，(2)当烧结温度达到退火温度时，压制过程中的内应力释放，导致压坯尺寸膨胀，导致回复和再结晶。由于在压制过程中颗粒接触部分的大变形，为再结晶提供了能量条件。(3)孔隙收缩形成连通孔隙和封闭孔隙的网络.(4)晶粒生长(5)烧结体强度增加，物理性能显著改善。材料科学与工程学院将等温烧结按时间划分为三个界限不清的阶段：结合面的形成、烧结块的形成以及长而封闭的孔隙的形成和球化。2.烧结阶段的划分，材料科学与工程学院，通过颗粒表面附近的原子扩散，在粉末颗粒的原始接触表面形成晶界，从原始的机械接合到原子之间的冶金结合。(1)结合面的形成，导致：坯料强度增加；表面积减小的金属粉末的烧结：导电性的提高是粉末烧结的标志，而不是烧结收缩。范德华力：接触压力p=20-300 MPa(接触距离0.2纳米)金属结合力：大约是范德华力(在液相中)电子力的附加应力的20倍：电子云重叠，导致电子云密度增加，为什么会形成结合面？材料科学与工程学院，铜粉颗粒之间的接触压力：F(r)=2450/r(MpA)r=3纳米，接触压力817毫帕=6纳米，接触压力408毫帕小于1.5纳米，排斥力。材料科学与工程学院，(2)烧结颈的形成和生长，早期特征：形成连续的孔隙网络，孔隙表面光滑；后期特征：孔隙进一步变窄，网络崩溃，晶界迁移。材料科学与工程学院，为什么粒子之间的距离可以缩短？原子的扩散、颗粒之间距离的缩短、烧结颈部之间微孔的形成、微孔的生长、导致烧结颈部之间孔结构坍塌的颗粒聚合、银粉的烧结提供了相关的证据、材料学校清洁工程、材料学校清洁工程、材料学校科学工程，(3)封闭孔的形成和球化。孔管被分成一系列小孔，这些小孔最终发展成孤立的孔，并使晶界上的封闭孔球化。它们中的一些可能消失，而另一些由于晶界和孔隙之间的分离而变成颗粒内的，并且被完全球化。材料科学工程学院，赫什霍恩的烧结阶段划分：1)颗粒间的颗粒粘结2)颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒间的颗粒致密化6)孔隙粗化，材料科学与工程学院，2。烧结温度和烧结时间，1。烧结温度(1)单位为烧结的起始温度。当单元被烧结时，即使烧结体的物理和机械性能显著变化，也有最低的起始温度。，徐提到：最低塔曼温度指数随密度变化显著的: =Ts/TM不同金属，值不同(Ts不同):au-0.3，Cu-0.35，Fe-0.4，w-0.4.(2)烧结阶段除以温度，(1)低温预烧结阶段：0.25金属回收、气体吸附、粘结剂等。排除2)中温加热烧结阶段：0.45-0.55再结晶，形成烧结颈3)高温保温完成烧结阶段：0.5-0.85闭孔形成，烧结体密度增加，材料学校清洁工程，三个步骤烧结-关闭：创建渗透率由润滑材料吸收在高温下固化：固体状态扩散到具有足够的时间减少所需的冷却材料科学与工程学院，2。烧结时间T是指高温保温阶段的时间。注：烧结时间烧结过程时间烧结曲线：T-t关系曲线。材料科学与工程学院。烧结体微观结构的变化。1.烧结体孔径的变化，孔的形状、大小、数量和分布的变化。孔隙形状：连通网络封闭球化孔径：平均孔径逐渐减小。在烧结的后期，在形成封闭的孔之后，孔消失。几个孔径可能会增加问：为什么孔径越来越大？材料科学与工程学院，孔隙分布：晶界和表面附近的孔隙容易因扩散而消失，最后少量孤立孔隙远离表面和晶界。材料科学与工程学院，孔隙数量：一般来说，烧结后，密度增加，总孔隙度降低，但开孔率和闭孔率的变化趋势不同。材料科学与工程学院，2。再结晶和晶粒长大，(1)单位是烧结再结晶的基本形式。晶粒内再结晶：再结晶成核发生在颗粒的接触表面上，并生长成相邻的颗粒，而晶界没有越过颗粒边界。颗粒间的聚集和再结晶：再结晶成核发生在颗粒的接触表面，并生长成相邻的颗粒。晶界穿过晶界。颗粒融合，颗粒生长。(2)影响烧结重结晶的因素1)气孔：阻碍重结晶晶粒长大烧结重结晶晶粒长大发生在烧结后期，气孔明显减少后！为什么？再结晶后，晶粒尺寸dfdf=d/f=d/f要求晶粒生长：df d0d/d0=d/df=f=0.1d，d0-孔隙，原始晶粒(颗粒)尺寸f-在晶粒生长发生前孔隙体积分数f0.1。材料科学与工程学院，材料科学与工程学院，2)第二相：阻碍再结晶晶粒生长的第二相的尺寸和含量对再结晶DF=D/F有影响。此时，D和F第二相的尺寸和含量必须很细且分散，以便第二相发挥分散强化作用。材料科学与工程学院，3)晶界槽：阻碍再结晶晶粒的生长，以及问：再结晶烧结材料与致密材料相比的特性！材料科学与工程学院，4。烧结体性能的变化，1。烧结体密度的变化，一般规律：随着烧结的进行，烧结体密度增加，异常现象：烧结体膨胀，密度降低。为什么？材料科学与工程学院，2。烧结机械性能的变化，强度：低温烧结取决于孔径和数量；中温烧结取决于孔的形状。高温烧结依赖于晶粒尺寸的伸长，只有在烧结后期才得到明显改善。材料科学与工程学院，材料科学与工程学院，材料科学与工程学院，材料科学与工程学院，第5节多组分系统的固相烧结。在粉末冶金中，完全符合单元体系的烧结不多，但主要是多组分体系烧结：无限混溶多组分体系固相烧结有限混溶多组分体系固相烧结不相容混溶多组分体系固相烧结。材料科学与工程学院指出，与单位体系粉末烧结相比，多组分体系粉末固相烧结体系的烧结体不仅经历了基本的微观结构演变(即孔径、形状和数量的变化)，而且还可能经历组分间的合金化过程(包括溶解反应、合金化反应和固体扩散)。固体扩散是一个缓慢的过程，控制着合金化的均匀化速度。材料科学与工程学院，1。无限互溶性多系统固相烧结，无限互溶性：两种或两种以上的组分可以互溶于固体和液体的任何组合物中。简单二元混溶体系：铁镍、铜镍、铜银、钴镍、铜金、钨钼.烧结的本质：合金化(扩散均匀化)遵循固相扩散的一般规律，材料学校工程假定颗粒a均匀地涂有一层合金元素b。均匀化程度因子：f=mt/m mt-在时间T时通过界面的物质质量m当合金均匀化完成时通过界面的物质质量，(1)合金化模型：同心球体，材料学校工程，(2)影响烧结均匀化(合金化)的因素，烧结温度：9t，增加原子扩散速率， f烧结时间：元素扩散距离长，t和f粉末粒度：细粉活性高，扩散距离短，均匀化时间短粉末原料：部分预合金粉降低扩散活化能垒，f材料学校清洁工程杂质元素：硅、锰等杂质易形成稳定的氧化物。 阻挡元素扩散生坯密度：当粉末颗粒的形状和粒度组成相同时，生坯密度的增加有利于增加颗粒间的相互接触程度，扩大材料扩散的有效界面。f ，材料学校清洁工程，(iii)多组分粉末烧结过程中的扩散合金化。与普通熔炼工艺相比，粉末烧结过程中的合金化过程要慢得多。原因：粉末的烧结温度低于熔化温度，合金元素的固相扩散速度很慢，需要克服一定的扩散障碍。提高烧结温度以促进合金化过程。烧结温度高会导致产品变形和烧结收缩大，导致精度控制困难。通常，使用合金粉末或部分预合金粉末来满足粉末的成形要求。材料科学与工程学院，元素混合粉末和预合金粉末之间的技术性能比较，材料科学与工程学院，ii。有限混溶性多组分固相烧结，有限混溶性：两种或多种组分在液态下无限混溶性，在固态下有限混溶性。典型的二元体系：铁-碳，铁-铜，钨-镍，三元体系：铁-碳-镁！烧结的理论基础和烧结的铁碳系统铁碳二元合金相图，材料科学与工程学院，(1)铁碳系统烧结工艺示意图，(1)烧结分为三个阶段，(2)烧结温度划分：低温烧结： 1150(3)冷却方法：a-慢冷，b-快冷，t，材料工程学院，(2)致密化原子和空位扩散引起的孔隙变化，实现致密化；2.再结晶和晶粒生长以实现致密化1)表面再结晶：300-400oC2)晶粒内再结晶： 450oC3)聚集再结晶：800-980 oc，材料工程学院，(3)烧结过程1中的微观结构转变。奥氏体的形成石墨的溶解影响最终烧结体中的碳含量，这对产品性能有很大影