粉末冶金技术-第十讲-粉末烧结

粉末烧结粉末冶金技术第十讲烧结的概念烧结基本过程与原理固相烧结、液相烧结、熔浸烧结烧结方式、烧结设备、工艺参数烧结组织、烧结气氛、烧结缺陷烧结的概念粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度和适当气氛下借助于原子迁移实现颗粒间联结和一定性能的现象和过程固相烧结：烧结温度低于所有组分的熔点液相烧结：烧结温度低于主要组分的熔点但高于次要组分的熔点WC-Co合金，W-Cu-Ni合金烧结的概念烧成与烧结烧成包括多种物理和化学变化，如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，一般都发生在多相系统内烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程烧结的概念烧结与固相反应烧结与固相反应均在低于材料熔点或熔融温度之下进行，且自始至终都至少有一相是固态固相反应必须至少有两组元参加并发生化学反应，烧结过程可以只有单组元，或多组元但不发生化学反应烧结的重要性和分类烧结在粉末冶金生产中的重要性烧结的分类是不可缺工序对产品性能有决定性影响产品成本的重要构成部分固相烧结液相烧结单元系烧结多元系固相烧结多元系液相烧结◊无限固溶系◊有限固溶系◊完全不溶系◊稳定液相烧结◊瞬时液相烧结◊熔浸烧结理论的研究范畴研究粉末压坯在烧结过程中微观结构的演化和物质变化规律热力学:烧结过程的驱动力（Why）动力学:烧结过程中物质迁移方式和迁移速度（How）烧结理论的发展烧结工艺始于公元前3000年烧结理论始于20世纪中期目前还没有成熟的理论烧结基本过程三阶段：粘结阶段烧结颈长大阶段闭孔隙球化和缩小阶段(1)颗粒之间形成接触(2)烧结颈长大(3)连通孔洞闭合(4)孔洞固化(5)孔洞收缩和致密化(6)孔洞粗化(7)晶粒长大水分挥发化学反应应力消除回复和再结晶粘结面和晶界的形成粘结面和晶界的形成烧结后的孔隙烧结过程的热力学基础烧结的热力学问题：烧结系统自由能降低是烧结过程的驱动力表面能晶界能表面能降低处于非主导地位STHG烧结过程的热力学烧结系统自由能降低途径:合金元素的扩散导致体系熵增△S增大形成化合物使△H＜0，-T△S＜0STHG多元系烧结过程的热力学烧结系统自由能降低途径:由于粉末结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小烧结体内部孔隙的总体积和总表面积减小粉末颗粒内晶格畸变的消除烧结过程的动力学研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式及速率。早期粘结扩散（体积扩散、表面扩散、晶界扩散、晶格扩散）蒸发与凝聚流动回复、再结晶、聚晶长大烧结过程的动力学在烧结颈表面存在张应力,张应力大小与烧结颈曲率半径成反比烧结颈处空位浓度高于无应力作用区域的空位浓度物质表面的平衡蒸气压与其表面曲率半径有关烧结机理烧结过程中物质的迁移方式粘性流动：在剪切应力作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移蒸发凝聚：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散，沉积在颈部体积扩散：借助于空位运动，原子等向颈部迁移表面扩散：原子沿颗粒表面迁移晶界扩散：晶界为快速扩散通道，原子沿晶界向颈部迁移位错管道扩散：位错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，导致物质迁移烧结过程中物质的迁移方式扩散蒸发凝聚回复再结晶和聚晶长大回复再结晶聚晶长大组织和性能有什么变化？驱动力是什么？粉末烧结材料再结晶长大的特点与致密材料相比氧化物、孔隙、杂质较多时，晶粒较细晶粒显著长大的温度较高细粉末晶粒易长大在临界变形程度下长大和取向性不明显单元系固相烧结三个阶段低温阶段中温阶段高温阶段熔烧TT25.0熔烧TT85.0~5.0熔烧TT55.0~4.0多元系固相烧结定义：材料或制品由几种组分的粉末烧结而成，烧结过程不出现液相。包括组分间互溶和不互溶两类。过程：同组元和异组元间的粘结，异组元间反应、溶解、均匀化机构：扩散和流动多元系固相烧结互溶系固相烧结：均匀（单相）固溶体粉末烧结混合粉末烧结烧结过程固溶体分解无限互溶系Cu-Ni有限互溶系Fe-C互不溶系固相烧结：Cu-C多元系固相烧结影响合金化的因素烧结温度烧结时间粉末粒度压坯密度粉末原料杂质液相烧结定义：烧结温度下，低熔点组元熔化或形成低溶点共晶物，即存在液相特点：物质迁移速度快；制品密度高，性能好分类：互不溶系液相烧结；固相与液相有一定溶解度系液相烧结；瞬时液相烧结液相烧结液相烧结条件：润湿性溶解度液相数量液相烧结液相烧结过程：液相流动与颗粒重排固相溶解和再析出固相烧结熔浸烧结原理：将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体金属中，让坯体内孔隙为金属液填充，冷却后得到致密材料或零件。特点：致密化主要靠易熔成分从外面去填满孔隙，基本不产生收缩，烧结时间短主要应用：电触头材料、Fe-Cu机械零件、金属陶瓷、复合材料熔浸烧结基本条件：骨架材料与熔浸金属的熔点相差较大熔浸金属能很好润湿骨架材料骨架与熔浸金属之间不互溶或溶解度不大熔浸金属的量应以填满孔隙为限度熔浸烧结熔浸方法部分浸入全部浸入接触熔渗重力-注入外部加压浸渍真空熔渗烧结方式无压烧结加压烧结（1）热压（Hot-Pressing----HP）（2）热等静压（HotIsostaticPressing----HIP）（3）烧结—热等静压（Sintering-HIP）自蔓延烧结微波烧结爆炸烧结电火花烧结放电等离子烧结烧结方式烧结方式烧结方式烧结方式烧结设备电炉：电阻炉、感应电炉燃料炉：固体、液体和气体燃料炉连续作业炉间歇式作业炉低温炉中温炉高温炉管式炉箱式炉钟罩炉隧道窑烧结设备烧结炉结构：炉膛冷却系统炉体加热元件烧结设备烧结设备真空烧结炉网带式连续烧结炉钟罩式烧结炉烧结工艺过程烧结前准备压坯检查装舟及摆料烧结升温保温降温烧结后处理精整机加工热处理浸油电镀蒸汽处理工艺参数气孔率（1）、密度（2）、电阻（3）、强度（4）、晶粒尺寸（5）工艺参数烧结温度：最低的起始烧结温度，即烧结体的某种物理或力学性质出现明显变化的温度最低塔曼温度指数Au-0.3，Cu-0.35，Ni-0.4，Fe-0.4，Mn-0.45，W-0.4材料熔点烧结绝对温度α工艺参数烧结温度：低温预烧阶段中温升温阶段高温保温阶段25.055.0~4.085.0~5.0工艺参数烧结时间：烧结时间越长，烧结体性能越高影响不如温度大工艺参数升温速度冷却速度宏观组织烧结密度与尺寸的变化：多数情况下总是收缩和密度变大有时膨胀，密度降低低温烧结时压制内应力的消除抵消一部分收缩，当压力过高时，烧结后会膨胀气体与润滑剂的挥发阻碍收缩，升温过快使产品鼓泡胀大与气氛反应生成气体妨碍收缩，产品收缩时闭孔中气体压力增大与孔隙收缩表面张应力抗衡，孔隙收缩停止聚晶长大使密度略降低同素异晶转变引起比容改变而导致体积胀大宏观组织烧结密度与尺寸的变化：垂直与平行于压制方向上的收缩不等收缩比=径向收缩值R/轴向（平行压制方向）收缩值A影响收缩比的因素有压制压力、粉末形状、压件高径比等影响因素结晶构造与异晶转变粉末活性：表面活性、晶格活性外来物质：表面氧化物、气氛压制压力烧结气氛作用：防止和减少周围环境对产品的有害影响排除有害杂质，避免夹杂维持或改变有用成分（生成合金或活化烧结）烧结气氛分类：氧化气氛：纯氧、空气、水蒸气还原气氛：氢气、分解氨、煤气、碳氢化物转化气惰性或中性气氛：氮气、氩气、氦气、真空渗碳气氛：二氧化碳、甲烷氮化气氛：氮气、氨气吸热型气氛放热型气氛烧结气氛烧结缺陷裂纹分层翘曲与变形起泡和起皮过烧欠烧孔洞麻点尺寸超差氧化思考题烧结温度升高，收缩率(升高)烧结时间延长，收缩率(升高)粉末粒度越细，收缩率(升高)压制压力越高，烧结体密度(升高)压制压力越高，烧结体密度增大的幅度(减小)粉末越细，致密化速率(增加)