烧结

烧结
sintering
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一、基本概念
• （一）烧结的定义极其目的 • 1定义：在一定的温度下，通过烧结体内原 子的扩散使粉末颗粒之间由机械啮合转变 成原子之间的晶界结合。
烧结
颗粒界面
晶界面 烧结结合状态转变示意图
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2.目的
• 使压坯成为冶金意义上的材料，赋予粉末 冶金零件所需要的机械性能和物理性能。
• 烧结颈的形成和长大，是通过原子由颗粒 表面和内部向烧结颈迁移而进行的。这种 迁移方式称为体积扩散。这种扩散的结果 是，在烧结颈形成和长大的同时，两颗粒 之间中心距离随之而缩短 .
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a
a
ρ x x
ρ
收缩型模型
不收缩型模型
x 2a
2
x 4a
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2
（三）烧结热力学问题
• 1烧结驱动力
X3/a = 3Mγ (M/2πRT)1/2 pa/d2RT· t
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• 4.体积扩散 • x5/a=(20Dvγ Ω/kT)t
烧结颈表明 （空位源） 晶界 （空位阱）
颗粒表面 （空位阱） 体积扩散， 晶界扩散，
晶粒内和位错攀 移 （空位源或阱） 表面扩散
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• 4.表面扩散 • x7/a3 = (56Dsγ δ 4/kT) · t • 5. 晶界扩散 • X6/a2 = (12 γ δ 4Db/kT) · t • 6.塑性流动 x2/a = K﹒ζy/η﹒ t
T再 0.25 0.35T熔
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• 粒间聚集再结晶
a
b
c
聚集再结晶示意图 a 晶界形成，b 晶界迁移，c 晶粒长大
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• （2）孔隙的变化 • 孔隙的球化发生在烧结后期。即当孔隙被 隔离，成为孤立的孔隙以后进行的。
a 孔隙的空位扩散球化
b 小孔隙向大孔扩散
孔隙的球化和长大示意图
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5.影响烧结过程的因素
• 系统自由能降低使烧结的驱动力： • Z H TS 如烧结前后物质状态不变，
Z H U
高能状态（压坯）U压
U U 烧 U 压
U
低能状态（烧结体）U烧
能量状态变化示意图
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• U 值来自以下几个方面： • （1）粉末颗粒的表面能 • 粉末压坯具有很大的表面能。这种表面能随粉末 颗粒的细化而增加，例如粒度为1um的金粉，其 表面能为37卡/克分子，而粒度为0.1um，其表面 能可达370卡/克分子。 • （2）粉末颗粒内的畸变能和内能 • 粉末压坯内具有很大的内能，并随粉末粒径的细 化和畸变量的增加而增加
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 烧结温度，K
导电率，Sm/mm
24将烧结划分为三个阶段： • 1) 低温预烧阶段 这一阶段的温度α≤0.25，还没有达到最 低烧结温度，在这一阶段主要发生金属的回复、吸附气体 和水分的挥发、成型剂的分解和排除。 • 2）中温烧结阶段 这一阶段的温度α≤0.4～0.55，已经超 过了起始烧结温度，颗粒之间开始烧结，形成烧结颈，同 时还发生颗粒表面氧化物的还原和粉末颗粒内的再结晶。 • 3) 高温烧结阶段 这一阶段的温度为α≤0.5～0.85。在这一 阶段将发生烧结颈的长大、晶界迁移、颗粒合并、烧结体 收缩、孔隙封闭和球化等过程。
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（二）、多元系固相烧结
• 这是指两种以上单一粉末的混合粉末或混合粉末
压坯的烧结.多元系固相烧结比单元系烧结要复杂。 根据合金化反应，这类烧结又可分为：无限互溶 系固相烧结，有限互溶系固相烧结和互不相溶系 固相烧结
A a B A b B A B c A d B
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1.无限互溶系烧结
• 无限互溶系烧结，即在合金相图中是无限 可以互溶的体系烧结，如Fe－Ni、Cu－Ni 系的烧结。无限互溶的意思是任一比例的 两种或两种以上的粉末，在烧结中可以溶 合在一起。这类烧结在烧结后将产生单一 的相组织。如任一比例的铁粉和镍粉烧结， 将会有： • Fe + Ni Fe（Ni） • 烧结后纯铁和纯镍完全消失，而得到的是 Fe（Ni）固溶体相组织 .
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• 这类体系的烧结，除了单元系所要求的密 度、孔隙度外，还有合金均匀化的要求， 即AB两个元素完全合金化 . • 合金均匀化程度，可采用均匀化程度因素 mt 表示： F
m
F－均匀化因素，mt－在时间t内，通过界面的物质迁移差， m∞－时间无限长，所通过界面的迁移差。由此可见，当F＝ 1时，则可达到完全均匀化程度
0 cv exp( S f / k ) exp( E f / k T ) 0 cv cv exp( / k T ) 0 cv cv exp( / k T )
1, exp( / k T ) 1 / k T 0 cv cv (1 / k T ) 0 cv cv (1 / k T ) 0 0 0 cv cv cv cv / k T cv / k T 0 cv / cv / k T 2
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3.烧结时间
• 烧结时间是指高温烧结阶段的保温时间。 显然烧结时间愈长，烧结愈充分。
烧 结 密 度 1 2 3
烧结时间 （曲线1和3压坯密度相同，但1的烧结温度高于3；曲线2的压坯 密度高于3，但烧结温度相同）
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4.烧结零件显微组织变化
• 单元系没有相成分和相组织的变化，所以 烧结中只发生颗粒的烧结、颗粒界面的消 失、晶界的迁移和晶粒长大以及孔隙形状 和孔隙连通状态的变化。 • （1）再结晶与晶粒长大 • 晶内再结晶 最低的结晶温度为：

2
F s in

2
) 2 ( x )
2 ( x ) 1 1 ( ) x 2 x 2 x
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(2)空位浓度差
cv exp( S f / k ) exp( E 'f / kT)
E 'f E f cv exp( S f / k ) exp{( E f ) / kT} exp( S f / k ) exp( E f / kT) exp( / kT)
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A A A B B A A B B A A B B B
A
B 4
1
2
3
互不相溶系的4种烧结状况 性能与成分的关系 1）收缩率
2 Ac A 2 B cB 2 AB c AB
c A cB 1
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• η A、η B-分别为相同条件下单独烧结是的收缩率， 分别为cA、cB的平方； • η AB -为A-B接触时的收缩率 • cA、cB –A、B的体积浓度 • 如果：
• 单元系的烧结性能主要由密度、强度、延性、和导电性来 衡量。影响这些性能的因素可以归纳为如下几个方面： • （1）材料的性质，如材料的表面能、扩散系数、粘性系 数、临界剪切应力、蒸气压和蒸发速率，这些因素都会影 响到烧结驱动力和烧结颈长大速度。 • （2）粉末性质 粉末颗粒大小、表面活性（表面活性与表 面是否存在氧化膜以及表面的结构完善程度有关，表层氧 化膜、表面晶体存在大量位错、空位则活性很高），晶格 活性（晶格缺陷和晶格畸变），外来物质（杂质、氧化物、 吸附气体和烧结气氛）。
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三、固相烧结
• （一）、单元系烧结 • 1.定义：单元系烧结是指单一成分的粉末或者单 一成分粉末压坯的烧结。所谓单一成分有如下几 种情况： • 纯金属粉末，如纯铁、纯铜、纯钼粉， • （2）合金粉末，如不锈钢粉、青铜粉、黄铜 粉， • （3）化合物粉末，如WC、MoSi、Al2O3。 • 单元系烧结的特点是在烧结中只发生颗粒之间的 冶金结合，没有化学成分和相组织的变化，这类 烧结通常是在其熔点的2/3～4/5温度下烧结。
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• 2.烧结颈的长大 • 烧结颈由点向面发展即发生了烧结颈的长 大，烧结颈的长大使两个颗粒合并成一个 颗粒，颗粒界面成为晶界面。继续进行烧 结，晶界迁移，在原先颗粒接触面的晶界 消失，合并为一个晶粒，烧结即告结束.
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• 3.孔隙球化阶段
隔离的孔隙在最小表面能的驱动下将会自发地发 生球化
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（二）烧结是如何进行的
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3.互不相溶系烧结
• 互不相溶系，即在合金相图中相互之间无溶解度 的体系. • 如W-Cu、Cu-C、Ag-CdO等 • 这类烧结如同单元系烧结，只发生颗粒之间的烧 结，烧结前后的相组织不发生变化 • 依据热力学，A、B组元之间的烧结有如下几种情 况： • 1）γAB<γA+γ B • 2）γAB>γA+γ B • 3）γAB>γA－γ B • 4）γAB<γA－γ B
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2.烧结温度
• （ 1）起始烧结温度 • 起始烧结温度是指颗粒之间形成冶金结合 的最低温度。起始烧结温度通常以烧结绝 对温度与材料熔点的绝对温度之比α表示。 通过测定一些金属的α分别为：Au为0.3， Cu为0.35，Ni为0.4，Fe为0.4，Mn为0.45， W为0.4。
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起始烧结温度的测定 导电率随烧结温度的变化
1 2 不发生物质迁移 发生物质迁移，并且 原子移动较长距离 粘结 表明扩散 晶格扩散（空位） 晶格扩散（间隙） 晶界扩散 蒸发凝聚 塑性流动 晶界滑移 回复或再结晶
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3
发生物质流动，但原 子移动较小距离
• 2.粘性流动
ζ
X a
ρ
x2/a = K﹒γ /η ﹒ t
3. 蒸发凝聚
m = △p(M/2πRT)1/2 m—凝聚物质量 M—烧结物质的原子量
AB
1 ( A B ) 2
总体积收缩服从线形关系
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• 如果
AB
1 ( A B ) 2
ηAB
是凹向上抛物线关系，如果