烧结基础理论

1、Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结是指粉末或压坯在烧结是指粉末或压坯在低于主要组低于主要组 分熔点分熔点的温度下借助于的温度下借助于原子迁移原子迁移实现实现颗颗 粒间联结粒间联结的过程。的过程。 1 1 1 1 1 1 烧结的定义与分类烧结的定义与分类烧结的定义与分类烧结的定义与分类烧结的定义与分类烧结的定义与分类 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 含含 义义 松装烧结，制造过滤材料（不锈钢，松装烧结，制造过滤材料（不锈钢， 青铜，黄铜，钛等）和催化材料（铁，青铜，黄铜，钛等）和催化材料（铁， 镍，铂等）镍，铂等） Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 含含

2、 义义 * * 固相烧结固相烧结烧结温度低于所有组分的熔点烧结温度低于所有组分的熔点 * * 液相烧结液相烧结烧结温度低于主要组分的熔点烧结温度低于主要组分的熔点 但高于次要组分的熔点但高于次要组分的熔点 WC-CoWC-Co合金，合金， W-Cu-NiW-Cu-Ni合金合金 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 含含 义义 依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or Mechanical interlocking or physical bonging physical

3、bonging Metallurgical bonding Metallurgical bonding 烧结体的强度烧结体的强度 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 分分 类类 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 固相烧结固相烧结与与液相烧结液相烧结 不施加外压力不施加外压力 (Pressureless sintering) Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 固相烧结固相烧结 单元系固相烧结烧结单元系固相烧结烧结 单相（纯金属、化合物、固溶体粉单相（纯金属、化合物、固溶体粉 末）末） 烧结烧结单相粉末的固相烧结过程单相粉末的固相烧结过程 多元系固相烧结烧结多元系

4、固相烧结烧结 指两个或两个以上组元的粉末烧结指两个或两个以上组元的粉末烧结 过程包括反应烧结等过程包括反应烧结等 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 固相烧结固相烧结 无限固溶无限固溶系系 Cu-NiCu-Ni、Cu-AuCu-Au、Ag-AuAg-Au等等 有限固溶系有限固溶系 Fe-CFe-C、Fe-NiFe-Ni、Fe-CuFe-Cu、W-NiW-Ni等等 互不固溶互不固溶系系 组元间既不溶解，也不形成化合物组元间既不溶解，也不形成化合物 Ag-WAg-W、Cu-WCu-W、Cu-CCu-C等等 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 在烧结过程中存在烧结过程中存 在液相

5、的烧结过程。在液相的烧结过程。 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结操作的重要性烧结操作的重要性 1 1 粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一 磁粉芯和粘结磁性材料例外磁粉芯和粘结磁性材料例外 2 2 决定了决定了P/MP/M制品的性能制品的性能 4 4 热处理，过程能耗大热处理，过程能耗大降低烧结温度是有意义降低烧结温度是有意义 （降低能耗和提高烧结炉寿命）（降低能耗和提高烧结炉寿命） 5 5 纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制 3 3 烧结废品很难补救，如铁基部件的烧结废品很难补救，如铁基部件的 脱渗碳

6、和严重的烧结变形脱渗碳和严重的烧结变形 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 研究粉末压坯在烧结过程中微观结研究粉末压坯在烧结过程中微观结 构的演化构的演化(microstructural (microstructural evolution)evolution)和物质变化规律和物质变化规律 2 2 2 2 2 2 烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的烧结理论的研究范畴和目的 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 孔隙数量或体积的演化孔隙数量或体积的演化致密化致密化 晶粒尺寸的演化晶粒尺寸的演化

7、晶粒长大（纳米金属晶粒长大（纳米金属 粉末和硬质合金）粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化孔隙尺寸及其分布的演化孔隙粗化、孔隙粗化、 收缩和分布收缩和分布 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结几何学烧结几何学 双球模型双球模型 烧结物理学烧结物理学 原子迁移机构原子迁移机构, ,扩散机构扩散机构 烧结化学烧结化学 组元间的反应（溶解、形成组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的化合物）及组元与气氛间的 反应反应 计算机模拟计算机模拟 借助于建立物理、几何或化借助于建立物理、几何或化 学模型，

8、进行烧结过程的计学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特算机模拟（蒙特- -卡洛模拟卡洛模拟） Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 外力的引入：外力的引入：HPHP、HIPHIP、 超高压烧结（纳米晶材料）超高压烧结（纳米晶材料） 3 3 3 3 3 3 烧结技术的发展烧结技术的发展烧结技术的发展烧结技术的发展烧结技术的发展烧结技术的发展 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 第第第二章二章二章二章二章二章 1 1 1 1 1 1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的

9、演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化 3 3 3 3 3 3 烧结驱动力计算烧结驱动力计算烧结驱动力计算烧结驱动力计算烧结驱动力计算烧结驱动力计算 2 2 2 2 2 2 烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学 4 4 4 4 4 4 粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介粉末烧结活性（简介） 18 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 1 1 1 1 1 1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的基本过程与孔隙结构的演化烧结的

10、基本过程与孔隙结构的演化 烧结三阶段烧结三阶段 粘结面的形成粘结面的形成 烧结颈（烧结颈（sintering necksintering neck）的形成与长大）的形成与长大 闭孔隙的形成和球化闭孔隙的形成和球化 19 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 Initial stage:Initial stage:烧结初期烧结初期 Intermediate stageIntermediate stage：烧结中期：烧结中期 Final stageFinal stage：烧结后期：烧结后期 返回返回 20 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 一、粘结面的形成一、粘结面的形成 过程

11、：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表过程：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表 面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为 原子间的冶金结合原子间的冶金结合, ,形成形成晶界晶界 21 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 由原始颗粒接触面发展形成的晶界由原始颗粒接触面发展形成的晶界由原始颗粒接触面发展形成的晶界由原始颗粒接触面发展形成的晶界由原始颗粒接触面发展形成的晶界由原始颗粒接触面发展形成的晶界 返回返回 22 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 u结果：结果： 坯体的强度增加，表面积减小坯体的强度增加，表面积减小 金属粉末烧结体：导

12、电性能提高金属粉末烧结体：导电性能提高 是粉末烧结发生的标志是粉末烧结发生的标志 而非出现烧结收缩而非出现烧结收缩 23 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？为什么能形成接触面？ 范德华力范德华力: :接触压力接触压力20-300Mpa20-300Mpa （接触距离为（接触距离为0.2nm0.2nm时）时） 静电力静电力 金属键合力金属键合力: : 电子作用力电子作用力 附加应力（存在液相）附加应力（存在液相） 金属键合力金属键合力 电子作用力电子作用力 电子云重叠，导致电子云密度增加

13、电子云重叠，导致电子云密度增加 24 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 返回返回 25 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 p前期的特征前期的特征 形成连续的形成连续的孔隙网络孔隙网络，孔隙表面光滑化，孔隙表面光滑化 p后期的特征后期的特征 孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发 生迁移生迁移 二、烧结颈（二、烧结颈（sintering necksintering neck）的形成与长大）的形成与长大 (neck growth)(neck growth) 26 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 返回返回 27 Part 2Part

14、 2： 粉末烧结粉末烧结 为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？为什么会导致颗粒间的距离缩短？ 原子的扩散，颗粒间的距离原子的扩散，颗粒间的距离缩短缩短 烧结颈间形成了微孔隙烧结颈间形成了微孔隙 微孔隙长大微孔隙长大 聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌 银粉的烧结提供了相关证据银粉的烧结提供了相关证据 28 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 返回返回 29 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 三、闭孔隙的形成和球化三、闭孔隙的形成和球化

15、三、闭孔隙的形成和球化三、闭孔隙的形成和球化三、闭孔隙的形成和球化三、闭孔隙的形成和球化 30 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结后孔隙结构烧结后孔隙结构烧结后孔隙结构 返回返回 31 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2 2 2 2 2 烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学烧结热力学 u单元系单元系 u粉末颗粒处于化学平衡态粉末颗粒处于化学平衡态 u粉末系统过剩自由能的降低是烧结粉末系统过剩自由能的降低是烧结 进行的驱动力进行的驱动力 udriving force for sinteringdriving force for sintering

16、32 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括：系统的过剩自由能包括： 33 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 多元系多元系多元系多元系多元系多元系 烧结驱动力则主要来自体系的自由烧结驱动力则主要来自体系的自由 能降低能降低 G=G=H-TH-TS S G0 G0 且且0 0 自由能降低的数值远大于表面能的自由能降低的数值远大于表面能的 降低降低 表面能的降低则属于辅助地位表面能的降低则属于辅助地位 34 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 扩散合金化扩散合金

17、化 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 S增大增大 G=-T G=-T S S 0 0 形成化合物形成化合物 H H 0 0 -T-TS S 0 0 G G 0,0,且且绝对值很大绝对值很大 35 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 例如：例如：例如：例如：例如：例如： 36 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 一、作用在烧结颈上的原动力一、作用在烧结颈上的原动力(driving (driving force for neck growth)force for neck growth) 二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力(driving force (

18、driving force atom diffusion)atom diffusion) 三、蒸发三、蒸发- -凝聚物质迁移动力凝聚物质迁移动力蒸汽压差蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）- -宏观烧结应力宏观烧结应力 37 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 一、作用在烧结颈上的拉应力一、作用在烧结颈上的拉应力一、作用在烧结颈上的拉应力一、作用在烧结颈上的拉应力一、作用在烧结颈上的拉应力一、作用在烧结颈上的拉应力 38 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 返回返回 39 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2 2 2 2 2、中期、中期、中

19、期、中期、中期、中期 孔隙网络形成，烧结颈长大。有效孔隙网络形成，烧结颈长大。有效 烧结应力烧结应力PsPs为为 Ps =PPs =Pv v-/-/（P Pv v为烧结气氛为烧结气氛 的压力，若在真空中，为的压力，若在真空中，为0 0） 40 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 3 3 3 3 3 3、后期、后期、后期、后期、后期、后期 孔隙网络坍塌，形成孤立孔隙孔隙网络坍塌，形成孤立孔隙 封闭的孔隙中的气氛压力随孔隙半径封闭的孔隙中的气氛压力随孔隙半径r r收缩而增收缩而增 大。大。 由气态方程由气态方程P Pv v.V.Vp p=nRT=nRT 气氛压力气氛压力P Pv v=6n

20、RT/(D=6nRT/(D3 3) ) 此时的烧结驱动力此时的烧结驱动力=-4/D =-4/D 令令Ps=0Ps=0，即封闭在孔隙中的气氛压力与烧结应力达，即封闭在孔隙中的气氛压力与烧结应力达 到平衡到平衡 孔隙收缩停止孔隙收缩停止 最小孔径为最小孔径为D Dmin min=(P =(Po o/4)/4)1/2 1/2.D .Do o3/ 3/ 41 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 减小残留孔径的措施减小残留孔径的措施 减小气氛压力（如真空）减小气氛压力（如真空） 较小的较小的D Do o（细粉末与粒度组成，较高的（细粉末与粒度组成，较高的 压制压力）压制压力） 提高提高（活化）

21、（活化） 42 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力二、烧结扩散驱动力(driving force for (driving force for (driving force for (driving force for (driving force for (driving force for atom diffusion)atom diffusion)atom diffusion)atom diffusion)atom diffusion)atom diffusion)空位浓度梯度空位浓度梯

22、度空位浓度梯度空位浓度梯度空位浓度梯度空位浓度梯度 处于平衡状态时，平衡空位浓度处于平衡状态时，平衡空位浓度 C Cv vo o=exp(S=exp(Sf f/k).exp(-E/k).exp(-Ef fo o/kT)/kT) exp(Sexp(Sf f/k)/k)振动熵项，振动熵项，S Sf f为生成一个空位造为生成一个空位造 成系统熵值的变化成系统熵值的变化 exp(-Eexp(-Ef fo o/kT)/kT)空位形成能项空位形成能项 43 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 44 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 45 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结

23、对应空位浓度为对应空位浓度为 颈部：颈部： C Cv v=exp(S=exp(Sf f/k).exp-/k).exp-（E Ef fo o+)/kT+)/kT 由于由于kTkT，/kT0/kT0，即，即exp(-x)=1-xexp(-x)=1-x C Cv v=exp(S=exp(Sf f/k).exp/k).exp（-E-Ef fo o/kT/kT）. .（1-/kT1-/kT） C Cv v = C = Cv vo o（1-/kT1-/kT） = C= Cv vo o -C -Cv vo o/kT/kT 又又=-/=-/，故颈部与非颈区域之间的空位浓，故颈部与非颈区域之间的空位浓 度差度差

24、 C Cv v=C=Cv vo o/（kTkT） 46 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 考虑在烧结颈部与附近区域（线度考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为为 ）空位浓度的差异）空位浓度的差异 空位浓度梯度空位浓度梯度Cv= CvCv= Cv o o / （kTkT2 2） 可以发现可以发现 （活化）（活化） （细粉）（细粉） 均有利于提高浓度梯度均有利于提高浓度梯度 47 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 三、蒸发三、蒸发三、蒸发三、蒸发三、蒸发三、蒸发- - - - - -凝聚气相迁移动力凝聚气相迁移动力凝聚气相迁移动力凝聚气相迁移动力凝聚气相迁移动力凝聚气相迁移动力

25、蒸汽压差蒸汽压差蒸汽压差蒸汽压差蒸汽压差蒸汽压差 (driving force for mass transportation (driving force for mass transportation (driving force for mass transportation (driving force for mass transportation (driving force for mass transportation (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)by evaporatio

26、n-condensation)by evaporation-condensation)by evaporation-condensation)by evaporation-condensation)by evaporation-condensation) 48 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 49 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 50 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）四、烧结收缩应力（补）- - - - - -宏观烧结应力宏观烧结应力宏观烧结应

27、力宏观烧结应力宏观烧结应力宏观烧结应力 烧结系统总的过剩自由能烧结系统总的过剩自由能 E=E=s s.A.As s+gb gb.A .Agb gb/2 /2 p s s.A.As s表面能项表面能项 p gb gb.A .Agb gb/2 /2晶界能项晶界能项 51 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 引入自由表面积分数引入自由表面积分数A=AA=As s/ /（A As s+A+Agb gb） ） 定义定义/G=(A/G=(As s+A+Agb gb)/V )/Vm m V Vm m- -晶粒体积晶粒体积 -形状因子形状因子 G-G-晶粒尺寸，晶粒尺寸， 取取6 6 E=6E=6s

28、 sA+A+gb gb(1-A)/2V (1-A)/2Vm m/G/G 52 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 对于具体的粉末烧结体系，能量平衡，对于具体的粉末烧结体系，能量平衡，对于具体的粉末烧结体系，能量平衡，对于具体的粉末烧结体系，能量平衡，对于具体的粉末烧结体系，能量平衡，对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则则则则则则: : : : : : K=COS(/2)=K=COS(/2)=gb gb/2 /2s s E=6E=6s sVVb bK+A(1-K)/G K+A(1-K)/G 为烧结进行过程中的密度为烧结进行过程中的密度 对对V Vb b微分，得致密化压力微分，得致密化

29、压力 P Pd d=6=6s s(1-)(1-)2 2(1-K)/G(1-(1-K)/G(1-o o) )2 2 o o为坯块的起始密度为坯块的起始密度 53 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 54 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 4 4 4 4 4 4 粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性（简介）粉末烧结活性（简介） 粉末烧结活性可由体扩散系数粉末烧结活性可由体扩散系数DvDv与与 粉末粒度粉末粒度2a2a共同表征共同表征 若要在适当的烧结时间内获得充若要在适当的烧结时间内获得充 分的致密化，必须满足分的致密化

30、，必须满足 Dv/(2a)Dv/(2a)3 311 55 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 例如例如 金属的金属的 DvDv为为1010-12 -12cm cm2 2/s,/s,粉末粒度粉末粒度 为为1 1微米微米 共价键晶体共价键晶体DvDv为为1010-14 -14cm cm2 2/s/s，粒度，粒度 在在0.50.5微米微米 56 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 第三章第三章第三章第三章第三章第三章 烧结机构烧结机构烧结机构烧结机构烧结机构烧结机构 Sintering mechanismsSintering mechanismsSintering mechani

31、smsSintering mechanismsSintering mechanismsSintering mechanisms 1 1 1 1 1 1 烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类 2 2 2 2 2 2 烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤 3 3 3 3 3 3 烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型 4 4 4 4 4 4 烧结动力学方程烧结动力学方程烧结动

32、力学方程烧结动力学方程烧结动力学方程烧结动力学方程 5 5 5 5 5 5 烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程 6 6 6 6 6 6 烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献 57 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 物质迁移方式（物质迁移方式（mass transport pathmass transport path） 迁移速率迁移速率 烧结动力学烧结动力学 1 1

33、1 1 1 1 烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类烧结机构的内涵及分类 58 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2 2 2 2 2 烧结机构的分类烧结机构的分类烧结机构的分类烧结机构的分类烧结机构的分类烧结机构的分类 描述物质迁移通道和过程进行速度描述物质迁移通道和过程进行速度 59 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结机构示意图烧结机构示意图烧结机构示意图烧结机构示意图烧结机构示意图烧结机构示意图 60 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 SSSS 球表面层原子向颈球表面层原子向颈 部扩

34、散。部扩散。 表面层原表面层原 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。散，沉积在颈部。 VVVV 借助于借助于 空位运动，原子等向颈部迁移。空位运动，原子等向颈部迁移。 61 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 非晶材料，在剪切应力非晶材料，在剪切应力 作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移。作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移。 烧结温度接近物质熔点，烧结温度接近物质熔点， 当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑 性变形，导致物质向颈部迁移。性变形，导致物质向颈部迁移

35、。 晶界为快晶界为快 速扩散通道。原子沿晶界向颈部迁移。速扩散通道。原子沿晶界向颈部迁移。 位位 错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，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。导致物质迁移。 62 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 l 建立简单的几何模型，如烧结球模型；建立简单的几何模型，如烧结球模型； l 选定表征烧结过程的可测的几何参数，如烧结颈选定表征烧结过程的可测的几何参数，如烧结颈 尺寸，中心距；尺寸，中心距； l 假定某一物质迁移方式，建立物质流的微分方程；假定某一物质迁移方式，建立物质流的微分方程； l 根据具体边界条件求解微分方程根据具体边

36、界条件求解微分方程解析式（可测解析式（可测 参数与时间关系）；参数与时间关系）； l 模拟烧结实验，由实验数据验证所得涵数关系模拟烧结实验，由实验数据验证所得涵数关系 确定该物质迁移机构是具体烧结体系的烧结机构确定该物质迁移机构是具体烧结体系的烧结机构. . 2 2 2 2 2 2 烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤烧结机构的研究方法与步骤 63 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 相切模型相切模型 3 3 3 3 3 3 烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型烧结几何模型 l

37、双球体几何模型双球体几何模型 相切模型相切模型 两球中心距不变两球中心距不变 两球相切两球相切 几何关系：几何关系： (a+)2=(x+)2+a2(a+)2=(x+)2+a2 =x2/2a =x2/2a（近似）（近似） 64 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 l贯穿模型贯穿模型 中心距缩短中心距缩短 烧结初期发生大量物质迁移烧结初期发生大量物质迁移 几何关系：几何关系： (a-2)(a-2)2 2+x+x2 2=a=a2 2 =x =x2 2/4a /4a （近似）（近似） 65 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 4 4 4 4 4 4 烧结动力学方程烧结动力学方程烧结

38、动力学方程烧结动力学方程烧结动力学方程烧结动力学方程 1 1粘性流动粘性流动 由由FrenkleFrenkle、KuczynskiKuczynski分别提出分别提出 FrenkleFrenkle两个假设两个假设 . .烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体 . .流体流动的驱动力是表面能对它做功，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并以摩擦功形式散失 66 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 单位时间内，单位体积内散失的能量为单位时间内，单位体积内散失的能量为，表，表 面降低对粘性流动做的体积功为面降低对粘性流动做的体积功为.d A/d t.d

39、 A/d t 则则 经一系列几何和微分处理后，得烧结特征方程经一系列几何和微分处理后，得烧结特征方程 或或 简单处理过程：简单处理过程：简单处理过程：简单处理过程：简单处理过程：简单处理过程： 67 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 以以l n(x/a)l n(x/a)作纵坐标、时间作横坐作纵坐标、时间作横坐 标标 绘制实验测定值直线绘制实验测定值直线 其斜率为其斜率为1/21/2 则粘性流动为烧结的物质迁移机构则粘性流动为烧结的物质迁移机构 实验验证实验验证 68 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 KuczynskiKuczynski处理：处理： =d/d t=d/d

40、 t且且与与成正比，成正比，d/d td/d t与与d d x/(x.d t)x/(x.d t)成正比成正比 /=K.d x/(x.d t)/=K.d x/(x.d t) 考虑到考虑到=x=x2 2/2a/2a x x2 2/a=K/.t/a=K/.t 由粘性流动造成球形孔隙收缩为由粘性流动造成球形孔隙收缩为 d r/d t=-3/(4)d r/d t=-3/(4) （均匀收缩）（均匀收缩） 69 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 70 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2 2 2 2 2 蒸发蒸发蒸发蒸发蒸发蒸发- - - - - -凝聚凝聚凝聚凝聚凝聚凝聚 71

41、 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 P P o o可由可由P Pa a代替代替 P=- P P=- P a a /(KT) /(KT) 单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由 LangmuirLangmuir公式计算公式计算 m=m=P(M/2RT)P(M/2RT)1/2 1/2 M M为原子量为原子量 72 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 颈长大速度颈长大速度 d V/d t=A(m/d)d V/d t=A(m/d) A=A=颈表面积；颈表面积；d=d=物质密度物质密度 经几何计算、变换和积分后经几何计算、变换和积分后 x x3 3

42、/a=3M(M/2RT)/a=3M(M/2RT)1/2 1/2P Pa a/(d /(d2 2RT).tRT).t 注意：注意：M=N d M=N d 及及k=KNk=KN 73 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 l 烧结动力学方程烧结动力学方程 烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散 球内部原子向颈部迁移的结果球内部原子向颈部迁移的结果 颈长大的连续方程颈长大的连续方程 3 3 3 3 3 3 体积扩散体积扩散体积扩散体积扩散体积扩散体积扩散 volume diffusionvolume diffusionvolume diffusion

43、volume diffusionvolume diffusionvolume diffusion 74 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 J J v v= =单位时间内通过颈的单位面积空位个数单位时间内通过颈的单位面积空位个数 即空位流速率即空位流速率 由由FickFick第一定律第一定律 J J v v=D v.=D v.C v= D v.C v= D v.C v/C v/ D D v v= =空位扩散系数（个数）空位扩散系数（个数） 75 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 若用体积表示原子扩散系数，若用体积表示原子扩散系数， 即即 D D v v=D =D v v

44、C C v v o o=D =D v v o o.e x p(-Q/RT) .e x p(-Q/RT) d v/d t=A D d v/d t=A D v v . .C v/C v/ 其中其中A=(2X).(2)A=(2X).(2) V=X V=X2 2.2.2 =X =X2 2/2a/2a xx5 5/a/a2 2=20D=20Dv v/KT.t/KT.t 76 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 p Kingery-Berge Kingery-Berge方程：方程：=X=X2 2/4a/4a x x5 5/a/a2 2=80D=80Dv v/KT.t/KT.t 孔隙收缩动力学方程

45、孔隙收缩动力学方程 孔隙表面的过剩空位浓度孔隙表面的过剩空位浓度 C C v v=C =C v v o o / /（k T rk T r） 77 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于 同一数量级，则空位浓度梯度同一数量级，则空位浓度梯度 C C v v=C =C v v o o / /（kTrkTr2 2） 由由FickFick第一定律第一定律 d r/d t=-D d r/d t=-D v vC C v v =-D v / =-D v /（kTrkTr2 2） 78 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结

46、 分离变量并积分分离变量并积分 r ro o3 3-r-r3 3=3=3/（k Tk T）.D .D v v t t . .线收缩率动力学方程：线收缩率动力学方程： 由第二烧结几何模型由第二烧结几何模型 a/a=1-Cos =2Sina/a=1-Cos =2Sin2 2(/2)(/2) =2(/2) =2(/2)2 2 =x/a =x/a很小很小 =x=x2 2/2a/2a2 2 = =L/LL/L 79 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 与与Kingery-BergeKingery-Berge烧结动力学方程联立烧结动力学方程联立 L/L L/L o o = =(20Dv/21/2

47、kT)(20Dv/21/2kT)2/5 2/5t t2/52/5 L/L L/L o o可用膨胀法测定可用膨胀法测定 实验验证：实验验证： lnlnL/LL/Lo olntlnt作曲线作曲线 其斜率为其斜率为2/52/5 80 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 低温时，表面扩散起主导作用低温时，表面扩散起主导作用 而在高温下，让位于体积扩散而在高温下，让位于体积扩散 细粉末的表面扩散作用大细粉末的表面扩散作用大 4 4 4 4 4 4 表面扩散表面扩散表面扩散表面扩散表面扩散表面扩散 81 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 烧结早期孔隙连通，表面扩散的结烧结早期孔隙连通

48、，表面扩散的结 果导致小孔隙的缩小与消失，大孔果导致小孔隙的缩小与消失，大孔 隙长大隙长大 烧结后期表面扩散导致孔隙球化烧结后期表面扩散导致孔隙球化 金属粉末表面氧化物的还原，提高金属粉末表面氧化物的还原，提高 表面扩散活性表面扩散活性 82 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 两者的扩散激活能差别不大，两者的扩散激活能差别不大， 但但D D v v o oD D s so o，故，故D D v vDDs s 烧结动力学方程烧结动力学方程 Kuczynski: xKuczynski: x7 7/a/a3 3=(56D=(56Ds s4 4/k T).t/k T).t Rocland:

49、 xRocland: x7 7/a/a3 3=(34D=(34Ds s4 4/k T).t/k T).t 为表面层厚度，采用强烈机械活化可提高有效为表面层厚度，采用强烈机械活化可提高有效 表面活性的厚度，从而加快烧结速度。表面活性的厚度，从而加快烧结速度。 83 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 晶界是空位的晶界是空位的“阱阱”（SinkSink），对烧结的贡献体现在：），对烧结的贡献体现在： . .晶界与孔隙连接，易使孔隙消失晶界与孔隙连接，易使孔隙消失 . .晶界的扩散激活能仅体积扩散的一半，晶界的扩散激活能仅体积扩散的一半，Dg bDg bD vD v 细粉烧结时，在低温起主

50、导作用，并引起体积收缩细粉烧结时，在低温起主导作用，并引起体积收缩 . .烧结动力学方程烧结动力学方程 x x6 6/a/a2 2=(960D=(960Dgb gb 4 4/k T).t/k T).t （=晶界宽度）晶界宽度） 84 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 5 5 5 5 5 5 烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程烧结机构的动力学特征方程 通式：通式：X Xm m/a/an n=F(T).t=F(T).t MechanismMechanism Transport pathTranspor

51、t path： sourcesinksourcesinkGeometric assumptionsGeometric assumptions m m n n Viscous flowViscous flowinterior of the sphere to neck interior of the sphere to neck =x=x2 2/2a/2a 2 2 1 1 Surface diffusionSurface diffusionSphere surface near the neck Sphere surface near the neck to neck to neck =x=x2

52、 2/2a/2a 5 5 2 2 Evaporation-condensationEvaporation-condensationSphere surface to neckSphere surface to neck =x=x2 2/2a/2a 3 3 1 1 Volume diffusionVolume diffusion.GB to neck.GB to neck .near neck sphere surface to neck.near neck sphere surface to neck =x=x2 2/4a/4a =x=x2 2/2a/2a 5 5 2 2 Grain boun

53、dary diffusionGrain boundary diffusionGrain boundary(GB) to Grain boundary(GB) to neckneck =x=x2 2/4a/4a 6 6 2 2 85 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 在某一烧结期间，很可能有几种机构同时在某一烧结期间，很可能有几种机构同时 起作用起作用 u 具体的主导烧结机构取决于粉末材质，粉具体的主导烧结机构取决于粉末材质，粉 末粒度，粉末颗粒的致密程度，表面状态，末粒度，粉末颗粒的致密程度，表面状态， 活化与否，烧结温度和烧结气氛活化与否，烧结温度和烧结气氛 6 6 6 6 6

54、6 烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献烧结机构对烧结过程的贡献 86 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 具有模糊性具有模糊性 难以提供准确的评价信息难以提供准确的评价信息 1 1）指数法）指数法 实际结果不是整数，而是小数实际结果不是整数，而是小数 87 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 描述粉末的烧结行为的十分有效的工具描述粉末的烧结行为的十分有效的工具 以烧结颈尺寸为纵坐标，烧结时间作横坐标以烧结颈尺寸为纵坐标，烧结时间作横坐标 研究两者间的对应关系和烧结阶段研究两者间的对应关系和

55、烧结阶段 88 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 89 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 90 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 第四章第四章第四章第四章第四章第四章 单元系粉末烧结单元系粉末烧结单元系粉末烧结单元系粉末烧结单元系粉末烧结单元系粉末烧结 Sintering of single componentSintering of single componentSintering of single componentSintering of single componentSintering of single componentSintering

56、of single component 1 1 1 1 1 1 烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介） 2 2 2 2 2 2 烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大 3 3 3 3 3 3 纳米粉末的烧结特性与烧结技术纳米粉末的烧结特性与烧结技术纳米粉末的烧结特性与烧结技术纳米粉末的烧结特性与烧结技术纳米粉末的烧结特性与烧结技术纳米粉末的烧结特性与烧结技术 91 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 1 1 1 1 1 1 烧结现象（简介）烧结现

57、象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介）烧结现象（简介） p纯金属、固定化学成分的化合物纯金属、固定化学成分的化合物 和均匀固溶体的粉末烧结体系和均匀固溶体的粉末烧结体系 92 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 1. 1. 1. 1. 1. 1. 烧结现象：烧结现象：烧结现象：烧结现象：烧结现象：烧结现象： 1 1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解）辅助添加剂的排除（蒸发与分解） 形成内压形成内压 若内压超过颗粒间的结合强度若内压超过颗粒间的结合强度 膨胀膨胀, ,起泡或开裂等起泡或开裂等 废品废品 93 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2）当烧结温

58、度达到退火温度时，压当烧结温度达到退火温度时，压 制过程的内应力释放制过程的内应力释放, ,并导致压坯并导致压坯 尺寸胀大尺寸胀大 产生回复和再结晶现象产生回复和再结晶现象 由于颗粒接触部位在压制过程中承由于颗粒接触部位在压制过程中承 受大量变形，为再结晶提供了能量受大量变形，为再结晶提供了能量 条件。条件。 94 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 3 3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，孔隙缩小，形成连通孔隙网络， 封闭孔隙封闭孔隙 4 4）晶粒长大晶粒长大 95 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 1.1.烧结温度与时间（自学）烧结温度与时间（自学） T=T=（2/3-4

59、/52/3-4/5）TmTm 2.2.烧结密度与尺寸变化（自学）烧结密度与尺寸变化（自学） 96 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 2 2 2 2 2 2 烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大烧结过程中的晶粒长大 1 1 . .烧结材料的晶粒尺寸细小：烧结材料的晶粒尺寸细小： 在粉末烧结初、中期，晶粒长大的在粉末烧结初、中期，晶粒长大的 趋势较小趋势较小 而在烧结后期才会发生可观察到的而在烧结后期才会发生可观察到的 晶粒长大现象晶粒长大现象 但与普通致密材料相比较，烧结材但与普通致密材料相比较，烧结材 料的这种晶粒长大

60、现象几乎可以忽料的这种晶粒长大现象几乎可以忽 略。略。 97 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 原因有二：原因有二： 孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍 烧结温度低于铸造温度烧结温度低于铸造温度 98 Part 2Part 2： 粉末烧结粉末烧结 1)1)1)1)1)1)对晶界的阻碍作用：对晶界的阻碍作用：对晶界的阻碍作用：对晶界的阻碍作用：对晶界的阻碍作用：对晶界的阻碍作用： 烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻 碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的 迁移。迁移。 粉末颗粒的原始边界随着烧结过程粉末颗粒的原始边