第4章粉末冶金原理燒結(jié)理論燒結(jié)，程繼基，jgcheng63材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，本章4.1概述4.2燒結(jié)過程熱力學(xué)4.3燒結(jié)機理4.4單元系統(tǒng)燒結(jié)4.5多組分系統(tǒng)固相燒結(jié)4.6液相燒結(jié)4.7熱壓和活化燒結(jié)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，第4節(jié)單元系統(tǒng)燒結(jié)，定義：單相(純金屬，固定組分化合物或均勻固溶體)粉末或?qū)嵗杭兘饘伲烘u、鉬、銅、鐵，化合物：氧化鋁、二硫化鉬、碳化硅等。schoolof material ssclendeengineering，1 .基本燒結(jié)過程(燒結(jié)階段的劃分)，(1)消除輔助添加劑(蒸發(fā)和分解)形成內(nèi)部壓力如果內(nèi)部壓力超過顆粒之間的結(jié)合強度膨脹、發(fā)泡或開裂等廢品，1。燒結(jié)過程現(xiàn)象，材料科學(xué)與工程學(xué)院，(2)當(dāng)燒結(jié)溫度達到退火溫度時，壓制過程中的內(nèi)應(yīng)力釋放，導(dǎo)致壓坯尺寸膨脹，導(dǎo)致回復(fù)和再結(jié)晶。由于在壓制過程中顆粒接觸部分的大變形，為再結(jié)晶提供了能量條件。(3)孔隙收縮形成連通孔隙和封閉孔隙的網(wǎng)絡(luò).(4)晶粒生長(5)燒結(jié)體強度增加，物理性能顯著改善。材料科學(xué)與工程學(xué)院將等溫?zé)Y(jié)按時間劃分為三個界限不清的階段：結(jié)合面的形成、燒結(jié)塊的形成以及長而封閉的孔隙的形成和球化。2.燒結(jié)階段的劃分，材料科學(xué)與工程學(xué)院，通過顆粒表面附近的原子擴散，在粉末顆粒的原始接觸表面形成晶界，從原始的機械接合到原子之間的冶金結(jié)合。(1)結(jié)合面的形成，導(dǎo)致：坯料強度增加；表面積減小的金屬粉末的燒結(jié)：導(dǎo)電性的提高是粉末燒結(jié)的標(biāo)志，而不是燒結(jié)收縮。范德華力：接觸壓力p=20-300 MPa(接觸距離0.2納米)金屬結(jié)合力：大約是范德華力(在液相中)電子力的附加應(yīng)力的20倍：電子云重疊，導(dǎo)致電子云密度增加，為什么會形成結(jié)合面？材料科學(xué)與工程學(xué)院，銅粉顆粒之間的接觸壓力：F(r)=2450/r(MpA)r=3納米，接觸壓力817毫帕=6納米，接觸壓力408毫帕小于1.5納米，排斥力。材料科學(xué)與工程學(xué)院，(2)燒結(jié)頸的形成和生長，早期特征：形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，孔隙表面光滑；后期特征：孔隙進一步變窄，網(wǎng)絡(luò)崩潰，晶界遷移。材料科學(xué)與工程學(xué)院，為什么粒子之間的距離可以縮短？原子的擴散、顆粒之間距離的縮短、燒結(jié)頸部之間微孔的形成、微孔的生長、導(dǎo)致燒結(jié)頸部之間孔結(jié)構(gòu)坍塌的顆粒聚合、銀粉的燒結(jié)提供了相關(guān)的證據(jù)、材料學(xué)校清潔工程、材料學(xué)校清潔工程、材料學(xué)?？茖W(xué)工程，(3)封閉孔的形成和球化?？坠鼙环殖梢幌盗行】?，這些小孔最終發(fā)展成孤立的孔，并使晶界上的封閉孔球化。它們中的一些可能消失，而另一些由于晶界和孔隙之間的分離而變成顆粒內(nèi)的，并且被完全球化。材料科學(xué)工程學(xué)院，赫什霍恩的燒結(jié)階段劃分：1)顆粒間的顆粒粘結(jié)2)顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒間的顆粒致密化6)孔隙粗化，材料科學(xué)與工程學(xué)院，2。燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間，1。燒結(jié)溫度(1)單位為燒結(jié)的起始溫度。當(dāng)單元被燒結(jié)時，即使燒結(jié)體的物理和機械性能顯著變化，也有最低的起始溫度。，徐提到：最低塔曼溫度指數(shù)隨密度變化顯著的: =Ts/TM不同金屬，值不同(Ts不同):au-0.3，Cu-0.35，F(xiàn)e-0.4，w-0.4.(2)燒結(jié)階段除以溫度，(1)低溫預(yù)燒結(jié)階段：0.25金屬回收、氣體吸附、粘結(jié)劑等。排除2)中溫加熱燒結(jié)階段：0.45-0.55再結(jié)晶，形成燒結(jié)頸3)高溫保溫完成燒結(jié)階段：0.5-0.85閉孔形成，燒結(jié)體密度增加，材料學(xué)校清潔工程，三個步驟燒結(jié)-關(guān)閉：創(chuàng)建滲透率由潤滑材料吸收在高溫下固化：固體狀態(tài)擴散到具有足夠的時間減少所需的冷卻材料科學(xué)與工程學(xué)院，2。燒結(jié)時間T是指高溫保溫階段的時間。注：燒結(jié)時間燒結(jié)過程時間燒結(jié)曲線：T-t關(guān)系曲線。材料科學(xué)與工程學(xué)院。燒結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)的變化。1.燒結(jié)體孔徑的變化，孔的形狀、大小、數(shù)量和分布的變化。孔隙形狀：連通網(wǎng)絡(luò)封閉球化孔徑：平均孔徑逐漸減小。在燒結(jié)的后期，在形成封閉的孔之后，孔消失。幾個孔徑可能會增加問：為什么孔徑越來越大？材料科學(xué)與工程學(xué)院，孔隙分布：晶界和表面附近的孔隙容易因擴散而消失，最后少量孤立孔隙遠離表面和晶界。材料科學(xué)與工程學(xué)院，孔隙數(shù)量：一般來說，燒結(jié)后，密度增加，總孔隙度降低，但開孔率和閉孔率的變化趨勢不同。材料科學(xué)與工程學(xué)院，2。再結(jié)晶和晶粒長大，(1)單位是燒結(jié)再結(jié)晶的基本形式。晶粒內(nèi)再結(jié)晶：再結(jié)晶成核發(fā)生在顆粒的接觸表面上，并生長成相鄰的顆粒，而晶界沒有越過顆粒邊界。顆粒間的聚集和再結(jié)晶：再結(jié)晶成核發(fā)生在顆粒的接觸表面，并生長成相鄰的顆粒。晶界穿過晶界。顆粒融合，顆粒生長。(2)影響燒結(jié)重結(jié)晶的因素1)氣孔：阻礙重結(jié)晶晶粒長大燒結(jié)重結(jié)晶晶粒長大發(fā)生在燒結(jié)后期，氣孔明顯減少后！為什么？再結(jié)晶后，晶粒尺寸dfdf=d/f=d/f要求晶粒生長：df d0d/d0=d/df=f=0.1d，d0-孔隙，原始晶粒(顆粒)尺寸f-在晶粒生長發(fā)生前孔隙體積分數(shù)f0.1。材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，2)第二相：阻礙再結(jié)晶晶粒生長的第二相的尺寸和含量對再結(jié)晶DF=D/F有影響。此時，D和F第二相的尺寸和含量必須很細且分散，以便第二相發(fā)揮分散強化作用。材料科學(xué)與工程學(xué)院，3)晶界槽：阻礙再結(jié)晶晶粒的生長，以及問：再結(jié)晶燒結(jié)材料與致密材料相比的特性！材料科學(xué)與工程學(xué)院，4。燒結(jié)體性能的變化，1。燒結(jié)體密度的變化，一般規(guī)律：隨著燒結(jié)的進行，燒結(jié)體密度增加，異?，F(xiàn)象：燒結(jié)體膨脹，密度降低。為什么？材料科學(xué)與工程學(xué)院，2。燒結(jié)機械性能的變化，強度：低溫?zé)Y(jié)取決于孔徑和數(shù)量；中溫?zé)Y(jié)取決于孔的形狀。高溫?zé)Y(jié)依賴于晶粒尺寸的伸長，只有在燒結(jié)后期才得到明顯改善。材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，第5節(jié)多組分系統(tǒng)的固相燒結(jié)。在粉末冶金中，完全符合單元體系的燒結(jié)不多，但主要是多組分體系燒結(jié)：無限混溶多組分體系固相燒結(jié)有限混溶多組分體系固相燒結(jié)不相容混溶多組分體系固相燒結(jié)。材料科學(xué)與工程學(xué)院指出，與單位體系粉末燒結(jié)相比，多組分體系粉末固相燒結(jié)體系的燒結(jié)體不僅經(jīng)歷了基本的微觀結(jié)構(gòu)演變(即孔徑、形狀和數(shù)量的變化)，而且還可能經(jīng)歷組分間的合金化過程(包括溶解反應(yīng)、合金化反應(yīng)和固體擴散)。固體擴散是一個緩慢的過程，控制著合金化的均勻化速度。材料科學(xué)與工程學(xué)院，1。無限互溶性多系統(tǒng)固相燒結(jié)，無限互溶性：兩種或兩種以上的組分可以互溶于固體和液體的任何組合物中。簡單二元混溶體系：鐵鎳、銅鎳、銅銀、鈷鎳、銅金、鎢鉬.燒結(jié)的本質(zhì)：合金化(擴散均勻化)遵循固相擴散的一般規(guī)律，材料學(xué)校工程假定顆粒a均勻地涂有一層合金元素b。均勻化程度因子：f=mt/m mt-在時間T時通過界面的物質(zhì)質(zhì)量m當(dāng)合金均勻化完成時通過界面的物質(zhì)質(zhì)量，(1)合金化模型：同心球體，材料學(xué)校工程，(2)影響燒結(jié)均勻化(合金化)的因素，燒結(jié)溫度：9t，增加原子擴散速率， f燒結(jié)時間：元素擴散距離長，t和f粉末粒度：細粉活性高，擴散距離短，均勻化時間短粉末原料：部分預(yù)合金粉降低擴散活化能壘，f材料學(xué)校清潔工程雜質(zhì)元素：硅、錳等雜質(zhì)易形成穩(wěn)定的氧化物。 阻擋元素擴散生坯密度：當(dāng)粉末顆粒的形狀和粒度組成相同時，生坯密度的增加有利于增加顆粒間的相互接觸程度，擴大材料擴散的有效界面。f ，材料學(xué)校清潔工程，(iii)多組分粉末燒結(jié)過程中的擴散合金化。與普通熔煉工藝相比，粉末燒結(jié)過程中的合金化過程要慢得多。原因：粉末的燒結(jié)溫度低于熔化溫度，合金元素的固相擴散速度很慢，需要克服一定的擴散障礙。提高燒結(jié)溫度以促進合金化過程。燒結(jié)溫度高會導(dǎo)致產(chǎn)品變形和燒結(jié)收縮大，導(dǎo)致精度控制困難。通常，使用合金粉末或部分預(yù)合金粉末來滿足粉末的成形要求。材料科學(xué)與工程學(xué)院，元素混合粉末和預(yù)合金粉末之間的技術(shù)性能比較，材料科學(xué)與工程學(xué)院，ii。有限混溶性多組分固相燒結(jié)，有限混溶性：兩種或多種組分在液態(tài)下無限混溶性，在固態(tài)下有限混溶性。典型的二元體系：鐵-碳，鐵-銅，鎢-鎳，三元體系：鐵-碳-鎂！燒結(jié)的理論基礎(chǔ)和燒結(jié)的鐵碳系統(tǒng)鐵碳二元合金相圖，材料科學(xué)與工程學(xué)院，(1)鐵碳系統(tǒng)燒結(jié)工藝示意圖，(1)燒結(jié)分為三個階段，(2)燒結(jié)溫度劃分：低溫?zé)Y(jié)： 1150(3)冷卻方法：a-慢冷，b-快冷，t，材料工程學(xué)院，(2)致密化原子和空位擴散引起的孔隙變化，實現(xiàn)致密化；2.再結(jié)晶和晶粒生長以實現(xiàn)致密化1)表面再結(jié)晶：300-400oC2)晶粒內(nèi)再結(jié)晶： 450oC3)聚集再結(jié)晶：800-980 oc，材料工程學(xué)院，(3)燒結(jié)過程1中的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。奧氏體的形成石墨的溶解影響最終燒結(jié)體中的碳含量，這對產(chǎn)品性能有很大影