烧结过程与机理
一、烧结基本原理解析
一、烧结（1）、烧结基本原理烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。
烧结对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的；相反，烧结前的工序中的某些缺陷，在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整，例如适当改变温度，调节升降温时间与速度等而加以纠正。
烧结是粉末或粉末压坯，加热到低于其中基本成分的熔点温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。
烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加。
在烧结过程中发生一系列物理和化学的变化，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理，机械性能的制品或材料。
烧结时，除了粉末颗粒联结外，还可能发生致密化，合金化，热处理，联接等作用。
人们一般还把金属粉末烧结过程分类为：1、单相粉末（纯金属、古熔体或金属化合物）烧结；2、多相粉末（金属—金属或金属—非金属）固相烧结；3、多相粉末液相烧结；4、熔浸。
通常在目前PORITE微小轴承所接触的和需要了解的为前三类烧结。
通常在烧结过程中粉末颗粒常发生有以下几个阶段的变化：1、颗粒间开始联结；2、颗粒间粘结颈长大；3、孔隙通道的封闭；4、孔隙球化；5、孔隙收缩；6、孔隙粗化。
上述烧结过程中的种种变化都与物质的运动和迁移密切相关。
理论上机理为：1、蒸发凝聚；2、体积扩散；3、表面扩散；4、晶间扩散；5、粘性流动；6、塑性流动。
（2）、烧结工艺2-1、烧结的过程粉末冶金的烧结过程大致可以分成四个温度阶段：1、低温预烧阶段，在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。
在PORITE微小铜、铁系轴承中，用R、B、O（Rapid Burning Off）来代替低温预烧阶段，且铜、铁系产品经过R、B、O 后会氧化，但在本体中可以被还原，同时还可以促进烧结。
2、中温升温烧结阶段，在此阶段开始出现再结晶，首先在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒界面形成烧结颈。
熟料烧结(一)
熟料烧结（一）
冷却带 从火焰后部到窑头的一带。高温熟料在冷却带由二次空气和窑头漏风冷却， 逐步冷却到1000以下下落到冷却机。 五、熟料窑结构示意图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
烧结温度范围和液相量控制的意义 液相量的出现和控制 在一定的烧结温度下，液相量很少，在该温度时只能使炉料体现有少许收缩，但尚 不能把粉状炉料粘结成颗粒状（叫黄料）。 提高一定温度，出现液相量较少，在凝结时，虽能把粉状炉料粘结成颗粒状，的温度，液相量达到一定的适当量时，才能出现颗粒度均匀，孔隙度大 并有一定机械强度的熟料，叫正烧结料。 又提高一定的温度，液相量较多时，产生的是致密而少孔的，机械强度很大的熟料， 叫过烧结料。 当液相量过多时，就产生坚硬无孔的，所谓熔融熟料。 生产上把产生以上近烧结熟料，正烧结熟料、过烧结熟料所对应的温度，称为近烧 结温度、正烧结温度、过烧结温度。而炉料从近烧结温度到过烧结温度所经过 的温度区间，叫烧结温度范围。一般来说，在炉料正常配方的情况下，近烧结 时液相量为5~~10%，正烧结时液相量为15~~20%，过烧结时液相量为大于 ~~20%以上。
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料生产工艺流程图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
几个概念： 烘窑 烘窑的目的是什么？ 耐火砖砌好后，在点火开窑前必须烘窑， 使胶泥和耐火砖的水分缓慢的蒸发出来，以加强耐火砖和胶泥之间的结合，同 时可避免耐火砖温度急剧上升和水分剧烈蒸发而引起耐火砖表面爆裂，也防止 机械设备（领圈）因温度急剧升高而涨裂。 挂窑皮 窑皮是物料煅烧后粘附在烧成带耐火砖表面形成的保护层（过烧熟料层）。 它可以防止高温区物料对耐火砖的化学侵蚀和机械磨损，从而可以延长耐火砖 的使用寿命，提高回转窑的运转周期，同时可以增强传热效率，稳定窑的热工 制度，减少散热损失，所以挂好和维护好窑皮是保证优质高产的前提，而挂好 第一层高温窑皮尤为重要。 窑皮形成的机理： ；炉料在回转窑中由窑尾向窑头移动，当进入到分解带前沿时， 在一定温度下开始出现液相，随着温度升高液相量也相应增加，当增加到一定 数量时，炉料有黏结性，物料和耐火砖接触时，由于耐火砖向外散热，液相和 部分炉料就黏结在耐火砖表面而形成第一层窑皮，由于炉料推进，同时形成第 二层窑皮，第二层窑皮黏结后，第一层窑皮因为温度下降而凝固，这个过程继 续下去窑皮愈厚，当厚到一定程度时，由于窑皮的热负荷增加，窑皮表面温度 升高，液相黏度逐渐减小，由于向外冷却困难，液相过热，粘性不足，此时窑 皮就会停止生成。 结圈 炉料烧结过程中，由于液相的出现和凝结，在烧结带前后两端形成了致密而 高于窑皮的结圈称前结圈和后结圈。
铁矿石烧结过程的热工分析
固相反应
不同矿物颗粒在高温下 发生化学反应，生成新
的矿物相。
液相形成
部分易熔组分熔化，促 进颗粒粘结，形成块状
烧结矿。
气体逸出
分解反应和固相反应过 程中产生的气体逸出， 影响烧结矿的孔隙率和
气孔形状。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
03
铁矿石烧结过程的热工分析方法
意义
烧结是钢铁工业中的重要环节， 通过烧结可以大规模地生产高质 量的铁块，满足钢铁生产的需求 。
铁矿石烧结的基本流程
配料与混合
将铁矿石、燃料和溶剂等原料 按照一定比例混合，加入适量
的水搅拌成料浆。
造球
将料浆注入造球机中，通过滚 动和压缩作用形成一定粒度的 球形颗粒。
烧结
将球形颗粒送入烧结机中，在 高温下进行燃烧和熔融，使铁 矿石中的氧化物还原并熔化成 液态。
01
铁矿石烧结过程简介
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
铁矿石烧结的定义
• 铁矿石烧结：将铁矿石、燃料和溶剂等原料按照一定比例混合 ，在高温下进行燃烧和熔融，使铁矿石中的氧化物还原并熔化 成液态，最终冷却凝固成块状铁的过程。
铁矿石烧结的目的和意义
目的
将铁矿石中的氧化物还原成铁， 并去除其中的杂质，提高铁的纯 度和质量。
在新产品开发中的应用
1 2
开发新型烧结矿
通过对铁矿石烧结过程中的热工分析，可以了解 铁矿石的烧结特性，开发新型烧结矿。
优化新产品配方
通过对铁矿石烧结过程中的热工分析，可以了解 不同原料的烧结特性，优化新产品的配方。
3
提高新产品质量
粉末冶金原理-烧结
按烧结过程有无液相出现分类
■ 固相烧结： 单元系固相烧结：单相（纯金属、 化合物、固溶体）粉末的烧结： 烧结过程无化学反应、无新相形 成、无物质聚集状态的改变。 多元系固相烧结：两种或两种以 上组元粉末的烧结过程，包括反 应烧结等。 元限因溶系：Cu-Ni、Cu-Au、 Ag-Au等。 有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、FeCu、W-Ni等。 互不固溶系：Ag-W、Cu-W、 Cu-C等。
低包括下述几个方面： （1）由于颗粒结合面（烧结颈〉的增大和颗粒表面平直化，粉末体 的总比表面积和总表面自由能减小； （2）烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小； （3）粉末颗粒内晶格畸变部分消除。
二、烧结的热力学问题
■ 粉末过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，在烧结过程中特 别是早期阶段，作用较大的主要是表面能。
核，结晶长大等原子过程形成烧结颈。在这一阶段中，颗粒内的 晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结不发生收缩， 密度增加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面增 大而有明显增加。
粉末等温烧结过程的三个阶段
等温烧结过程按时间大致可分为三个界限不十分明显的阶段： 1、烧结颈长大阶段 ■ 原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，
（二）烧结机构的分类
2、宏观迁移：V-V ■ 体积扩散（volumeorlatticediffusion）：借助于空位运动，原子
等向颈部迁移。 ■ 粘性流动（viscousflow）：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。 ■ 塑性流动（plasticflow）：烧结温度接近物质熔点，当颈部的拉
对烧结定义的理解1
■ 粉末也可以烧结（不一定要成形） 松装烧结，制造过滤材料（不锈钢，青铜，黄铜，铁等）和催化材料 （铁，镍，铂等）等。
第四章-固相反应与烧结
VR
d(Cdt
x)
Kn (C x)n
x d(Cx)
t
0 (Cx)n 0 Kndt
n 1 1[(C 1 x)n 1C 1 n 1]K n t
讨论：
当n＝0 ，x＝K0t；
x d(Cx) t
n1,
0
(Cx)
K1dt
0
lnCC xK1t
n＝2 ,
x C(Cx) K2t
2） 非均相固相反应系统
F 2(R 0 x )l 2R 0 l(1 G )2
N
1
R02l
F F.N
2
1
(1G)2
R0
1
ddG tKnF(1G)n
n0时F ， 0(G)1(1G)2 K0t n1时F ， 1(G)(1G)1 21K1t
(4) 、 设颗粒为立方体时，
a 3 (a x )3
1
G
a x a (1 G )3
AB
设经dt通过AB层单位截面的A的量为dm
A
B
x dx
由Fick第一定律得
dm dC dtD.(dx)|x
CA=C0 0
设反应产物AB密度为，分子量为dm dx
且为稳定扩散
dC (dx)|x
＝C0 x
dxDC0 dt x
x22D0C tKt
_______抛物线速度方程
而实际通常以粉状物料为原料，因而又作下列假设：
3、 固相反应的分类
纯固相反应
( 1) 按物质状态分 有液相参加的反应 有气体参加的反 应
加成反应 置换反应 (2) 按反应性质分 热分解反应 还原反应
(3) 按反应机理
化学反应速率控制过程 晶体长大控制过程 扩散控制过程
粉末烧结技术
加压烧结—加压和加热同时并用，以达到消除孔
隙的目的，从而大幅度提高粉末制品的性能。常用
的加压烧结工艺有热压、热等静压及烧结-热等静压。
热压—将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到熔
点以下，使之加速烧结成比较均匀致密的制品。
热等静压—把粉末压坯或把装入特制容器内的粉末置于热
等静压机高压容器内，使其烧结成致密的材料或零件的过 程。
烧结-热等静压—把压坯放入烧结-热等静压设备的高压容
器内，先进行脱蜡、烧结，再充入高压气体进行热等静压。
反应烧结—先将原材料（如制备Si3N4时使用Si粉）
粉末以适当方式成形后，在一定气氛中（如氮气）
加热发生原位反应合成所需的材料并同时发生烧结。
微波烧结—材料内部整体地吸收微波能并被加热，
使得在微波场中试样内部的热梯度和热流方向与常规 烧结的试样相反。
电火花等离子烧结—也叫等离子活化烧结或电火
花等离子烧结，是利用粉末间火花放电多产生的等
离子活化颗粒，同时在外力作用下进行的一种特殊
烧结方法。
真空热压烧结炉图
微波生物陶瓷烧结炉图
微波烧结炉图
热等静压烧结炉图
放电等离子烧结炉图
物理 化学变化
烧结后期还可能出现二次再结还可能发生固相的溶解与析出。
烧结驱动力
烧结的驱动力----一般为体系的表面能和缺陷能。烧
结实际上是体系表面能和缺陷能降低的过程。通常体
系能量的降低靠的是高温热能激活下的物质传递过程。
烧结原动力----烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存 在化学位差。
扩散机制将发生孔隙的孤立、球化及收缩。
氧化铝陶瓷典 型的不同烧结 阶段显微结构
烧结动力学模型及其机理
第九章烧结动力学模型及其机理烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料和金属陶瓷等生产进程的一个重要工序。
任何粉体经成型后必需烧结才能给予材料各类特殊的性能。
陶瓷烧结体是一种多晶材料。
材料性能不仅与材料组成有关，而且还与材料的显微结构有紧密关系。
当配方、原料粒度、成型等工序完成以后，烧结是使材料取得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。
因此了解粉末烧结进程及机理，了解烧结进程动力学对操纵和改良材料性能有着十分重要的意义。
烧结的概念烧结一般是指在高温作用下粉体颗粒集合体表面积减少、气孔率降低、颗粒间接触面加大和机械强度提高的进程。
烧结是一复杂的物理化学进程，除物理转变外，有的还伴随有化学转变，如固相反映。
这种由固相反映增进的烧结，又称反映烧结。
高纯物质通常在烧结温度下大体上无液相显现；而多组分物系在烧结温度下常有液相存在。
有无液相参加其烧结机理有原那么区别，因此将烧结分为无液相参加的烧结（或称纯固相烧结），及有液相参加的烧结（或称液相烧结）两类。
另外还有一些烧结进程，如热压烧结等，其烧结机理有其特殊性。
陶瓷粉料成型后变成具有必然外形的坯体，坯体内一样包括着百分之几十的气孔（约25-60%），而颗粒之间只有点接触，如图(a)所示。
在高温下所发生的要紧转变是：颗粒间接触界面扩大，慢慢形成晶界；气孔的形状转变，如图(b)，体积缩小，从连通的气孔变成各自孤立的气孔并慢慢缩小，如图(c)，以致最后大部份乃至全数气孔从坯体中排除。
这确实是烧结所包括的要紧物理进程。
图气孔形状及尺寸的转变示用意烧结必需在高温下进行，但烧结温度及烧结温度范围，因原料种类、制品要求及工艺条件不同而异。
纯物质的烧结温度与其熔点间有一近似关系，如金属的开始烧结温度约为（熔点），无机盐类约为，硅酸盐类约为。
由此可见，开始烧结温度都低于其熔融温度。
实验证明，物料开始烧结温度，常与其质点开始迁移的温度一致。
在烧结进程中也可能显现液相，这一般是由于物料中显现低共熔物之故。
银浆 烧结机理
银浆烧结机理银浆是一种常用的导电材料，广泛应用于电子产品制造和电气线路连接中。
在制备银浆时，需要将银质粉末和一定比例的有机溶剂混合，并通过烧结工艺使其成为一种致密、坚硬且良好导电的材料。
但烧结过程中，银浆的物理结构和化学性质都会发生一定的变化，这是因为烧结机理的存在。
银浆烧结机理的基本过程是：首先，银质粉末与有机溶剂混合形成均质颗粒，并通过物理或化学的方法使粒子之间发生相互作用，从而形成更大的聚集体。
其次，当银浆置于高温下热处理时，由于金属银的熔点较低，银粉开始熔化并形成一种液态金属。
在这种状态下，由于表面张力的作用，液态银会不断减小表面积和能量，进而形成致密的金属纽带。
随着温度的持续升高，这些金属纽带会不断增加，使得整个银浆体系变得更加致密。
最终，当烧结温度达到一定程度时，银浆中的有机溶剂会完全挥发，银粉之间形成的金属纽带也会呈现出更加坚硬的状态，以此实现银浆的烧结。
总的来说，银浆烧结机理的基本过程是从颗粒到水平熔化再到垂直熔化，而实现这些过程的重要手段就是高温和相互作用。
在实际应用中，陶瓷基板和金属导线之间的粘结作用是一个重要的考虑因素，因为这决定了银浆和电路之间的粘接质量。
因此，需要在烧结过程中更加注重温度和烧结条件的控制，以制备出更加致密、坚固且导电性良好的银浆，以满足电子产品的要求。
综上所述，银浆烧结机理是指在高温条件下，由于金属银的熔点较低，银粉开始熔化并形成一种液态金属，这些液态银通过表面张力的作用使得形成致密的金属纽带，从而实现银浆的烧结。
烧结过程中需要注意温度和烧结条件的控制，以满足电子产品的性能和要求。