粉末冶金 课程 第五章 烧结

◆以烧结钢为例 ：
Fe粉+石墨粉烧结→γ-Fe (A) →冷却→ 机械
混合物 （F+Fe3 C— 烧结钢）
A F+A F F+Fe3C Fe C0 C%→ A+Fe3C
二、互不溶系固相烧结（P252）
• 特点：组元间互不溶解，但通过烧结可制得用
“熔铸法”不能得到的“假合金” 例：Cu-W、Ag-W、 Cu-C、Ag-CdO等
有限固溶系相图
完全不互溶系相图
3) 多元系液相烧结 T低熔组元<T烧<T高熔组元 分为:
.
(1)
烧结过程始终存在液相系统
如:
WC-Co、TiC-Ni、W-Cu-Ni、W-Cu （ 2） 烧结后期液相消失系统
如：Cu-Sn、Cu-Pb、Fe-Ni-Al
（3）熔浸
为液相烧结特例，这时多孔固相骨架的烧结和低
小表示：
.
F=mt / m∞ mt —在t时间内，通过界面的物质量。
m∞—t→∞时，通过界面的物质量。
F=0-1，F=1时，相当于完全合金化。
◆P251、表4-5列出了Cu-52%Ni混合粉烧结工艺条件
和粒度大小对烧结时合金化进程的影响
0.39
②
③
L
温 度
.
L
L+A L
L+B
α+L
α
Cu 52Ni% %Ni Ni
熔金属浸透骨架后的液相烧结同时存在。
3、烧结理论的发展（略）
• 烧结理论研究围绕两个最基本问题：
1）烧结为什么会发生？ 即烧结的原动力或热力学问题 2）烧结是怎样进行的？ 即烧结的机构和动力学问题
.
目前，烧结理论的发展滞后于粉末冶金技术本身的发 展。
§5-2
烧结的基本过程（P218）
• 粉末有自动粘结或成团的倾向，尤其细粉，即使在
仅可在A-A、
B-B间发 .
• 如果：1） γAB ＞γA –γB
则在颗粒A和B间形成
“烧结颈”，且接触面有凸起，突出方向朝向表面
能低的组元。例： γB ＞ γA
B A
2） γAB ＜
γ A –γ B
则烧结分两阶段进行:
.
B A A 扩散 A B
B
B-B间烧结
A
γA ＞γB
(1)
(2)
2、烧结过程的特点（P253）
这些过程并无明显的界限，是穿插进行的，互相重 叠、互相影响的。加上一些其它烧结条件，使得整 个烧结过程变得很复杂。
2、烧结的分类
通常按烧结过程中有无明显的液相出现和烧结系
统的组成将烧结分为三大类： 1）单元系固相烧结 纯金属（难熔金属及纯铁软磁材料）或 化合物（ Al2O3 、 B4C 、 BeO 、 MoSi2 ）在其熔点以下
显变化.
◆ 随烧结时间的延长，Cu粉孔隙大小、形状及数量间
的关系如P229图4-17所示
（图4-14）
◆
P230,图4-18为羰基铁粉试样,显微组织与烧结时 .
间的关系. 随烧结时间的延长 , 细小的孔隙消失 , 稍大的孔隙 长大(小孔隙合并),形状渐近球形.
2、再结晶与晶粒长大
◆ P230,图4-18,（图5-60）随烧结时间的延长,晶
◆ 该阶段，烧结体仍可缓慢收缩，但主要靠小孔
的消失和孔隙数量的减少来实现
◆ 该阶段可延续很长时间，但仍残留少量的隔离
小孔不能消除。
• 三阶段的能否发生主要取决于烧结温度： 1）温度低，可能仅出现第一阶段，在生产中至少 应保证第二阶段接近完成
.
2）温度越高，出现第二、第三阶段就愈早，且第
一阶段可能在升温过程中就已完成。 • 三阶段的划分并未包括粉末表面气体或水分的挥 发；氧化物还原和离解；颗粒内应力消除、回复、
烧结体的强度、密度、导电性等性能参数均大大
提高。
• 烧结过程中压坯要经历一系列的物理、化学变化： . 开始是水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的 排除，应力消除，粉末颗粒表面氧化物的还原; • 继之原子间发生扩散、颗粒间的接触面积增加、
再结晶、晶粒长大等等。
. • 出现液相时，还可能有固相的溶解与重结晶。以上
.
如：
1）符合金属扩散的一般规律
● 组元间原子半径差越大，互扩散速度也越大； ● 间隙式固溶的原子，其扩散速度大于置换式；
●条件（温度、浓度）相同时，体心立方点阵中原
子扩散速度大于面心立方。 ● 在金属中溶解度较小的组元扩散速度较大。
2 ）组元间互扩散系数不等时，产生柯肯达尔效应。 . 具有较大互扩散系数原子的区域内形成过剩空位。 然后聚集成微孔隙，使烧结合金产生膨胀。
• 为制备典型复合材料的方法，
.
如：纤维强化、弥散强化材料、电接触材料等
• 组元均以低熔点、塑性（韧性）好、导热（电）性
强、烧结性好的金属或合金为粘结相（ A） +高硬度、
高熔点、高温性能好的难熔金属或化合物（B）组成
一种机械混合物——同时具有两种组元的性质。
• 烧结产品可进行后处理，如：复压、热压、烧结 .
粒长大. ◆ 形核、再结晶与晶粒长大示意图P231,图4-19
W
§5-4 多元系固相烧结（P复杂得多 , 除了同组元或异组
元颗粒间的粘结外,还要发生异组元间的反应 ,即溶 解和均匀化过程 , 而这些都是靠组元在固态下的互
扩散来实现的，所以，通过烧结不仅要达到致密化， 而且还要获得所要求的相或组织组成物。 • 扩散、合金均匀化是缓慢的过程，通常比完成致密 化需要更长的烧结时间。
.
室温下，经过相当长的时间，也会逐渐聚结；在高
温下，结块十分明显。颗粒之间发生粘结，即为烧
结现象。
• 粉末烧结后，烧结体的强度增加，首先是颗粒间的 连接强度增大，主要为进入原子间引力作用范围的 原子数增多，形成“粘结面”，并且随着粘结面的 增大，烧结体强度增加。
• 粘结面的扩大进而形成“烧结颈”，使原来的颗粒
一、互溶系固相烧结（P249）
1、无限互溶系
◆
.
特点：烧结过程中，A、B组元可以任一比例完全互
溶，通过原子的互扩散，形成单相固溶体。 即：A+B →α
◆ 例：Cu-Ni、Co-Ni、Cu-Au、Ag-Au、W-Mo、Fe-Ni
等。P250、图4-50，P251,图4-51
◆ 一般规律（P249）
颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络（P228、
图4-14c），同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动 ，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失（图5-15）
烧结体收缩，密度、强度增加为此阶段的主要特征
3、闭孔隙球化和缩小阶段：
◆当烧结体密度达到90%时，多数孔隙被完全分
隔，闭孔隙的数量大为增加，孔隙趋于球形并不断 缩小（P228、图4-14d)
.
烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体 结合，既通过形核、长大等原子过程形成“烧结颈” 该阶段颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本 不变，烧结体不发生收缩，密度增加缓慢，但其强 度和导电性由于颗粒结合面的增大而明显增加
2、 “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，
.
再结晶、聚集长大等过程。
§5-3
单元系烧结（P224）
.
一、烧结过程中压坯的致密化
◆通常压坯孔隙度为10-30%，烧结时压坯体积收缩， 孔隙体积减少，密度增加，但很难达到理论密度。 ◆下列因素影响烧结时，压坯的致密化 1、粉末粒度 进程：
如P224、图4-5所示粉末越细，
同一烧结温度下，压坯收缩越大，
扩散系数 A→B＞B→A A B
3）添加第三种元素可显著改变B在A中的扩散速度。
例：Cu-Zn （黄铜）中添加 2% 的 Sn，可使 Zn的扩 散系数增大9倍；添加3.5%的Pb时，增大14倍。 4）受烧结工艺条件影响（温度、时间、粒度等）
◆均匀化程度因数F
烧结时合金化程度，可用均匀化程度因数F值大
结体内孔隙,可获得高密度、高性能产品. • 液相烧结广泛用于制造各种合金零件、电接触材料、 硬质合金及金属陶瓷材料 • 液相烧结一般得到具有多相组织的合金或复合材料。
• 液相烧结分为： 1）液固互不溶系 如: “假合金”、氧化物-金属陶瓷材料
.
2）固相在液相中有一定的溶解度
如: Cu-Pb、W-Cu-Ni、WC-Co、TiC-Ni 且烧 结过程中始终存在液相。
.
界面变为晶粒界面，而且随着烧结的进行，晶界可 以向颗粒内部移动，导致晶粒长大（图5-3） • 烧结体的强度增加还反映在孔隙体积和孔隙总数的 减少，以及孔隙形状的变化。 • P219、图4-1以球形颗粒为例表示孔隙的变化 • 同时孔隙的大小和数量也在改变，即孔隙个数减少， 但孔隙平均尺寸增大。
• 粉末等温烧结过程按时间大致可分为三阶段 （P228、图4-14） 1、粘结阶段
（2）有限固溶系
在合金相图中有有限固溶区的系统
如: Fe-C、Fe-Cu等
.
（3）完全不固溶系
组元间即不互溶又不形成化合物或其它中
间相的系统
如：Ag-W、Cu-W、Cu-C等所谓“假合金”
L
温 度
.
L
L+A L
L+B
α+ L
α
Cu %Ni Ni
α
α+
A
β β
B A
A+B
%B→ B
%B→
无限固溶系相图
.
的温度进行的固相烧结过程。即：T烧＜T熔
T熔—组元的熔点
2) 多元系固相烧结
由两种或两种以上的组元构成的烧结体系,在其
.
中低熔点组元熔点温度以下所进行的烧结过程.
即：T烧< T低熔组元 由烧结时组元间有无固相溶解又可分为： （1）无限固溶系 在合金相图中有无限固溶区的系统。 如 Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、Ag-Au、W-Mo等
第五章 烧结 (P216)
§5-1
• 烧结
概述
1、烧结的概念
将压坯或松装粉末体加热到其基体组元熔点
以下的温度，约 0.7-0.8T 熔点 , 并在此温度下保温，
使粉末颗粒以晶粒形式相互结合起来，从而
改善其性能，将这种热处理工艺称为烧结。
• 陶瓷工业、耐火材料制备等均有烧结工序
.
• 烧结是粉末冶金中非常重要的工艺,它对粉末冶金 制品和材料的最终性能有着决定性的影响. • 烧结的结果是颗粒间发生粘结并形成晶体结合，
锻造等补充致密化工艺；或热等静压、热轧、热 挤等工艺进一步提高密度和性能。 • 性能和成分含量间符合线性关系。P253、图4-53 • 粉末混料困难时，可采用复合粉或化学混料法，
如共沉淀法、置换法等.
§5-5
多元系液相烧结 (P254)
• 压坯仅通过固相烧结难以获得很高的密度.
.
• 由液相引起的物质迁移比固相快,最终液相将填满烧
3）液相全部溶于固相，形成单相固溶体或化合物， 且烧结后期液相消失 如：Fe-Cu（<10%)、Cu-Sn、Ag-Ni、Fe-Ni-Al等.
一、可进行液相烧结的条件
条件：(1、湿润性；２、溶解度；３、液相数量）
1、组元间可进行烧结的热力学条件
γAB ＜γA +γB
.
γA 、γB —组元A、B单独存在时的比表面能（J/m2） γAB—A、B颗粒间的比界面能（J/m2） • 即A、B颗粒可进行烧结的热力学条件是： A、B颗粒 间的比界面能必须小于A、B颗粒单独存在时的比表
面能之和。
A
B
• 如果：γAB ＞γA +γB 生烧结，A-B间不可。
烧结体 密度越高，孔隙越少.
2、压制压力
◆压制压力↑ →压制密度↑ →烧结时收缩↓
.
3、烧结气氛
◆ 烧结气氛不同，密度发生复杂变化
同一烧结时间Ar2的孔隙度>H2的。 原因：烧结时，被封闭在闭孔隙中的气体，只有通
过金属内部的扩才能逸出，而 H2 的扩散速度大于 Ar2
的。
4、烧结时间
◆ 一般规律：烧结时间↑→压坯体积↓、密度↑
.
P225，图4-8、9
5、烧结温度
◆ 烧结时间一定时，烧结温度↑→密度、强度、
导电率↑。P226，图4-10，（图5-21）
二、烧结过程中烧结体显微组织的变化
1、孔隙的变化
如P228、图4-14所示
.
◆ 随烧结时间的延长,细小的孔隙消失,稍大的孔隙长
大(小孔隙合并),形状渐近球形.
◆ 较大的球形孔隙非常稳定,长时间烧结也不会有明
5. 粉末原料 预合金粉、复合粉→ F ↑ 6. 粉末纯度 纯度↓→杂质↑→阻碍颗粒间的扩散→F ↓
2、有限互溶系
.
◆ 特点：烧结过程中， A 、 B 组元仅可以以有限的比 例互溶，通过原子的互扩散，形成两相或多相机械 混合物。
即：A+B →（α+β）
◆ 例：Fe-C、Fe-Cu等烧结钢；W-Ni、 Ag-Ni等。
α
α+
A
β β
B A
A+B
%B→ B
%B→
无限固溶系相图
有限固溶系相图
完全不互溶系相图
• 影响F值的因素
1. 烧结温度
2. 烧结时间 3. 粉末粒度
T烧↑ →原子扩散↑ → F ↑
t烧↑ →原子扩散充分 → F↑
.
粒度↓→原子扩散界面↑,扩散距离↓ →F ↑
4. 压坯密度 压制压力↑ →压坯密度↑→颗粒间接触面积↑ →扩散界面↑ → F ↑