第三章烧结成形

1、第一节第一节 概述概述烧结（烧结（sintering） 粉状或粒状物料或压坯，在适当的温度和粉状或粒状物料或压坯，在适当的温度和气氛中受热发生物理、化学变化而固结的气氛中受热发生物理、化学变化而固结的过程，其结果是颗粒之间发生粘结，烧结过程，其结果是颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，多数情况下密度也提高。体的强度增加，多数情况下密度也提高。 通过高温处理，使坯体发生一系列物理通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的组成和显微结构，化学变化，形成预期的组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求性能的工从而达到固定外形并获得所要求性能的工序。序。 颗粒聚集体颗粒聚集体晶粒聚结体晶

2、粒聚结体 烧结的动力是表面张力造成的一种机械烧结的动力是表面张力造成的一种机械力，它垂直地作用于烧结颈曲面上，使颈力，它垂直地作用于烧结颈曲面上，使颈向外扩大。向外扩大。 烧结可加强颗粒粘合和减小孔隙。烧结可加强颗粒粘合和减小孔隙。 1、粉末冶金制品的工艺流程、粉末冶金制品的工艺流程 制粉制粉混合混合压坯压坯烧结烧结加工加工 成形成形 能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特能生产用普通熔炼方法无法生产的具有特殊性能的材料殊性能的材料 能控制制品的孔隙度，生产多孔材料（含油轴承）。能控制制品的孔隙度，生产多孔材料（含油轴承）。 能生产各种颗粒复合材料，例如：金属与非金属组成能生产各种颗粒复合材料，

3、例如：金属与非金属组成的摩擦材料；难熔化合物与金属组成的硬质合金和金属陶的摩擦材料；难熔化合物与金属组成的硬质合金和金属陶瓷。瓷。 对于易偏析或难熔金属材料用粉末冶金对于易偏析或难熔金属材料用粉末冶金 方法生产，其性能更优越。方法生产，其性能更优越。 消除区域偏析或共晶网，例如粉末高速钢。消除区域偏析或共晶网，例如粉末高速钢。 生产钨、钼难熔金属，晶粒更细、纯度更高。生产钨、钼难熔金属，晶粒更细、纯度更高。 近终形成形，减少切削加工，节约材料，近终形成形，减少切削加工，节约材料， 提高生产率。提高生产率。 生产成本高，制品大小形状受限，韧性生产成本高，制品大小形状受限，韧性 较差。较差。 一般

4、粉末冶金材料是金属和孔隙的复合体，一般粉末冶金材料是金属和孔隙的复合体， 其孔隙度范围很宽：其孔隙度范围很宽： 低于低于12残留孔隙度的为致密材料，残留孔隙度的为致密材料， 10左右孔隙度的为半致密材料，左右孔隙度的为半致密材料， 15孔隙度的为多孔材料，孔隙度的为多孔材料， 也有高达也有高达98孔隙度的泡沫材料。孔隙度的泡沫材料。 通常粉末冶金制品的致密度在通常粉末冶金制品的致密度在95左右。左右。机械法 ： 固体粉碎（球磨、研磨） 液体粉碎（雾化法）物理化学法： 还原法、电解法、化学置换法 利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将熔融利用高压气体、高压液体或高速旋转的叶片，将熔融的金属或

5、合金打散成雾状液滴，冷却后成粉末。的金属或合金打散成雾状液滴，冷却后成粉末。还原法：用还原剂还原金属氧化物或盐类。电解法：在溶液或熔盐中控制通入直流电流 密度，使金属离子重获外层电子， 形成粉末。化学置换法：用活性大的金属置换活性小的 金属还原或还原化合法气相沉积法液相沉积法电解法雾化法机械粉碎法6、1 烧结的分类：烧结的分类： 为了反映烧结的主要过程和机制的特点，通常按烧结过为了反映烧结的主要过程和机制的特点，通常按烧结过程有无液相出现和烧结系统的组成分类：程有无液相出现和烧结系统的组成分类： 单元系烧结单元系烧结 纯金属或化合物，在其熔点以下温度进行固纯金属或化合物，在其熔点以下温度进行固

6、相烧结。相烧结。 多元系固相烧结多元系固相烧结 由两种以上的组元构成的烧结系，在其由两种以上的组元构成的烧结系，在其中低熔成分的熔点温度以下进行固相烧结。又可分为：无中低熔成分的熔点温度以下进行固相烧结。又可分为：无限固溶系、有限固溶系、完全不互溶系。限固溶系、有限固溶系、完全不互溶系。 多元系液相烧结多元系液相烧结 由两种以上的组元构成的烧结系，在其由两种以上的组元构成的烧结系，在其中低熔成分的熔点温度以上进行烧结。又可分为：烧结过中低熔成分的熔点温度以上进行烧结。又可分为：烧结过程始终存在液相的系统、烧结后期液相消失的系统。程始终存在液相的系统、烧结后期液相消失的系统。 烧结的基本过程及驱

7、动力烧结的基本过程及驱动力 粉末有自动粘结或成团的倾向，粉末越细越明显。粉末有自动粘结或成团的倾向，粉末越细越明显。 粉末受热，颗粒之间发生粘结，即烧结现象。粉末受热，颗粒之间发生粘结，即烧结现象。 烧结前颗粒的原始接触烧结前颗粒的原始接触 烧结早期烧结颈的长大烧结早期烧结颈的长大 烧结后期孔隙的球化烧结后期孔隙的球化 烧结的驱动力：烧结的驱动力： 存在于粉末坯体内的表面能和晶格畸变能。存在于粉末坯体内的表面能和晶格畸变能。粘结阶段：粘结阶段： 颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，通颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，通过成核、晶粒长大等原子过程形成烧结颈。过成核、晶粒长大等原子过程形成烧

8、结颈。烧结颈长大阶段：烧结颈长大阶段： 原子向颗粒结合面大量迁移使烧结颈扩大，颗原子向颗粒结合面大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距缩小，形成连续的孔隙网络；晶粒长大，粒间距缩小，形成连续的孔隙网络；晶粒长大，晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体收缩，强度和密度增加。量消失。烧结体收缩，强度和密度增加。闭孔隙球化和缩小阶段：闭孔隙球化和缩小阶段： 烧结体密度达烧结体密度达90以后，多数孔隙被完全分割以后，多数孔隙被完全分割形成闭孔，此阶段烧结体收缩变缓。形成闭孔，此阶段烧结体收缩变缓。 粘性流动：粘性流动： 类似两个液滴从开始的点接触，发

9、展到互相聚类似两个液滴从开始的点接触，发展到互相聚合。烧结早期的粘结（即烧结颈长大），可看作合。烧结早期的粘结（即烧结颈长大），可看作在表面张力作用下，颗粒发生类似粘性液体的流在表面张力作用下，颗粒发生类似粘性液体的流动，结果使系统的总表面积减少。动，结果使系统的总表面积减少。 蒸发与凝聚：蒸发与凝聚： 由于烧结颈对平面饱和蒸气压差，使原由于烧结颈对平面饱和蒸气压差，使原子从颗粒表面蒸发，重新在烧结颈凹面上子从颗粒表面蒸发，重新在烧结颈凹面上凝聚下来，引起烧结颈长大。凝聚下来，引起烧结颈长大。 体积扩散：体积扩散： 在颗粒接触面上，空位浓度增高，原子与在颗粒接触面上，空位浓度增高，原子与空位交

10、换位置，不断地向接触面迁移，使空位交换位置，不断地向接触面迁移，使烧结颈长大。特别是在烧结颈凹面下，由烧结颈长大。特别是在烧结颈凹面下，由于表面张力产生垂直于曲颈向外的张应力，于表面张力产生垂直于曲颈向外的张应力，其空位浓度更高。其空位浓度更高。表面扩散表面扩散 由于表面原子的扩散，颗粒粘结面扩大，使颗粒由于表面原子的扩散，颗粒粘结面扩大，使颗粒表面凹处逐渐被填平。表面凹处逐渐被填平。晶界扩散晶界扩散 在颗粒接触面上容易形成稳定的晶界，特别是细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相互交错，粉末烧结后形成许多的网状晶界与孔隙相互交错，使烧结颈边缘和细孔隙表

11、面的过剩空位容易通过使烧结颈边缘和细孔隙表面的过剩空位容易通过邻接的晶界进行扩散或被吸收。邻接的晶界进行扩散或被吸收。塑性流动塑性流动 烧结颈形成和长大可以看成是金属粉末在烧结颈形成和长大可以看成是金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形的结果。烧表面张力作用下发生塑性变形的结果。烧结前期，表面张力大，塑性流变类似于蠕结前期，表面张力大，塑性流变类似于蠕变的位错机制。烧结后期，以扩散流动为变的位错机制。烧结后期，以扩散流动为主，类似于低应力下的扩散蠕变。主，类似于低应力下的扩散蠕变。 在较低温度和极细粉末的烧结中，表面扩散可能在较低温度和极细粉末的烧结中，表面扩散可能是主要机制。是主要机制。 等温

12、烧结过程，表面扩散仅在早期阶段对烧结颈等温烧结过程，表面扩散仅在早期阶段对烧结颈的形成和长大以及在后期对孔隙的球化起明显作的形成和长大以及在后期对孔隙的球化起明显作用。用。 在蒸气压高的烧结以及通过气氛活化的烧结中，在蒸气压高的烧结以及通过气氛活化的烧结中，蒸发与凝聚也是较重要的机制。蒸发与凝聚也是较重要的机制。 在较高的烧结温度，特别是等温烧结后期，体积在较高的烧结温度，特别是等温烧结后期，体积扩散总是占优势。扩散总是占优势。 粘性流动只适用于非晶体物质，塑性流动理论是粘性流动只适用于非晶体物质，塑性流动理论是对粘性流动理论的发展和补充。对粘性流动理论的发展和补充。 由于粉末坯体内含有大量粘

13、结剂，因此低由于粉末坯体内含有大量粘结剂，因此低温时注意脱胶和排气。温时注意脱胶和排气。 烧结体的质量：烧结体的质量： 致密度、变形（尺寸控制）致密度、变形（尺寸控制）普通粘土砖：普通粘土砖： 用粘土制成的砖坯，经干燥，用粘土制成的砖坯，经干燥， 入窑高温入窑高温 （1050）焙烧而成。）焙烧而成。粘土：粘土： 天然岩土经过长期自然风化作用后，形天然岩土经过长期自然风化作用后，形成的细小碎屑岩。成的细小碎屑岩。 粘土矿物：由高岭石（粘土矿物：由高岭石（Al2O32SiO22H2O）及其他含水硅酸铝组成的矿物。及其他含水硅酸铝组成的矿物。杂质矿物：由石英砂、云母、碳酸钙、铁质杂质矿物：由石英砂、

14、云母、碳酸钙、铁质矿物、碱以及有机质等组成。矿物、碱以及有机质等组成。一般高岭石含量愈大则塑性愈好，但砖的体一般高岭石含量愈大则塑性愈好，但砖的体积收缩也愈大；积收缩也愈大；铁质含量多，会使粘土的熔化温度降低；铁质含量多，会使粘土的熔化温度降低；石英砂含量多会降低砖的强度。石英砂含量多会降低砖的强度。 900欠火砖欠火砖 孔隙最大、色微红、孔隙最大、色微红、 强度及耐久性差。强度及耐久性差。 1200过火砖过火砖 熔融物多，无法保持原形，熔融物多，无法保持原形， 耐久性好，不怕水。耐久性好，不怕水。 最后封闭窑门，氧气不足，形成还原气氛，粘土内红色氧化铁最后封闭窑门，氧气不足，形成还原气氛，粘

15、土内红色氧化铁（Fe2O3）被还原为氧化亚铁（）被还原为氧化亚铁（FeO），并在砖上沉积碳素，使砖呈），并在砖上沉积碳素，使砖呈青色，此为青砖。青砖比红砖的耐久性好。青色，此为青砖。青砖比红砖的耐久性好。 烧成制品的发展：烧成制品的发展：砂砂 陶陶 瓷瓷砂：砂： 是指不加粘结剂，直接将原料烧结成制品，不致密，孔隙是指不加粘结剂，直接将原料烧结成制品，不致密，孔隙多。如砂锅。多。如砂锅。 原始砂锅，无粘结剂，烧结温度原始砂锅，无粘结剂，烧结温度1000。 最初烧结温度较低（最初烧结温度较低（1000以下），现代发展高温烧以下），现代发展高温烧结（结（1200）例如紫砂壶。紫砂壶的原料为我国南方河

16、）例如紫砂壶。紫砂壶的原料为我国南方河底淤泥的沉积物，颗粒非常细，因此，烧成的紫砂壶硬度底淤泥的沉积物，颗粒非常细，因此，烧成的紫砂壶硬度高，不仅表面细腻，而且还有微孔，在其表面滴水可吸入。高，不仅表面细腻，而且还有微孔，在其表面滴水可吸入。 紫砂壶的原料中含有紫砂壶的原料中含有Fe，因次烧结后呈红色或红黑色。，因次烧结后呈红色或红黑色。 Fe是变价元素，在不同温度下形成不同的产物，其颜色是变价元素，在不同温度下形成不同的产物，其颜色也不同，因此原料中含也不同，因此原料中含Fe时，由于温度的影响，制品可能时，由于温度的影响，制品可能出现不同的颜色。出现不同的颜色。 特点是原料中添加粘结剂后烧结

17、，而且烧特点是原料中添加粘结剂后烧结，而且烧结温度较高。结温度较高。 陶制品的烧结温度约为陶制品的烧结温度约为1100，而瓷的烧，而瓷的烧结温度为结温度为1200以上。以上。 骨质瓷：烧结温度骨质瓷：烧结温度1150，骨质瓷制品的，骨质瓷制品的特点细腻、薄、声音清脆。特点细腻、薄、声音清脆。 一般的细瓷碗烧结温度在一般的细瓷碗烧结温度在1200以上。以上。 薄如纸、声如琴、指（摸）如玉薄如纸、声如琴、指（摸）如玉 含有2030骨质（动物的骨头），添加骨质后烧结出的产品（如玉）给人感觉非常好。 骨质实际上主要是磷灰石， 磷灰石的主要成分是氧化钙CaO和氧化磷。 主要是粘土（粘土的主要成分是氧化铝

18、和氧化硅，主要是粘土（粘土的主要成分是氧化铝和氧化硅，但二者比例不同，其粘土的性质不同，氧化铝比但二者比例不同，其粘土的性质不同，氧化铝比例高的为硬粘土，氧化硅比例高的为软粘土）。例高的为硬粘土，氧化硅比例高的为软粘土）。除粘土以外，粘结剂还有碱金属的氧化物，如氧除粘土以外，粘结剂还有碱金属的氧化物，如氧化钾、氧化锂等。化钾、氧化锂等。 粘结剂的作用提高烧结活性，提高烧结的致密度。粘结剂的作用提高烧结活性，提高烧结的致密度。提高烧结活性实际上是可降低烧结温度，或者在提高烧结活性实际上是可降低烧结温度，或者在同样温度下烧结的制品更致密。同样温度下烧结的制品更致密。 Al2O3，三方晶系，密度，三方晶系，密度3.954.10，透明，透明晶体有各种颜色，晶体有各种颜色，