粉末冶金原理烧结-完整版
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。
一烧结基本原理
一、烧结(1)、烧结基本原理烧结就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就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。
烧结就是粉末或粉末压坯,加热到低于其中基本成分的熔点温度,然后以一定的方法与速度冷却到室温的过程。
烧结的结果就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与化学的变化,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微小轴承所接触的与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与迁移密切相关。
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与水分的挥发,压坯内成形剂的分解与排除等。
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。
一烧结基本原理
一烧结基本原理集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]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。
粉末烧结原理
粉末烧结原理粉末冶金是一种重要的金属材料制备技术，而粉末烧结则是粉末冶金中的一项关键工艺。
粉末烧结是指将金属或非金属粉末在一定的温度、压力和时间条件下进行加热压制，使粉末颗粒之间发生冶金结合，从而形成致密的块状材料的工艺过程。
下面将详细介绍粉末烧结的原理。
首先，粉末烧结原理的第一步是粉末的预处理。
通常情况下，粉末材料需要经过混合、干燥和成型等工艺步骤，以确保粉末颗粒的均匀性和成型性。
在混合过程中，不同种类的粉末可以被混合在一起，以获得特定性能的材料。
然后，干燥工艺可以去除粉末中的水分，有利于后续的成型工艺。
最后，成型工艺将粉末压制成特定形状的坯料，为后续的烧结工艺做好准备。
其次，粉末烧结的第二步是烧结过程。
在烧结过程中，粉末坯料被置于高温环境中，通常伴随着一定的压力。
在高温下，粉末颗粒之间会发生扩散和结合的过程，从而形成致密的晶粒结构。
在烧结过程中，温度、压力和时间是三个重要的参数，它们将直接影响到烧结后材料的密度、晶粒大小和性能。
最后，粉末烧结的第三步是后处理工艺。
烧结后的材料通常需要进行热处理、表面处理和精加工等工艺步骤，以进一步提高材料的性能和精度。
热处理可以消除烧结过程中产生的残余应力和缺陷，提高材料的强度和韧性。
表面处理可以改善材料的耐腐蚀性能和外观质量。
精加工则可以使材料达到特定的尺寸和形状要求。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，它通过预处理、烧结和后处理三个步骤，将粉末材料转化为致密的块状材料。
粉末烧结工艺可以制备出具有特定性能和形状的材料，广泛应用于汽车、航空航天、电子、医疗器械等领域。
通过对粉末烧结原理的深入了解，可以更好地掌握这一重要工艺，为材料制备和应用提供技术支持。
一、烧结基本原理
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2、4、熔结颈长大；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 （RapidBurningOff）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。
2341、蒸气压和蒸发速率，点阵类型与结晶形态；异晶转变新生态等。
2、粉末的性质：包括颗粒大小；颗粒的形状与形貌；颗粒的结构；颗粒的化学组成。
3、压坯的物理性能：包括压制密度，压制残余应力，颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等。
4、烧结工艺参数：包括保温时间，加热及冷却速度，烧结气氛等。
2-3、烧结时压坯的尺寸与密度的变化在生产中对制品的尺寸与形状精度要求都非常高，因此，在烧结过程中控制压坯的密度和尺寸的变化是一个极为重要的问题。
影响烧结零件密度和尺寸变化的因素有：1、孔隙的收缩与清除：烧结会导致孔隙的收缩与清除，也就是使烧结体3、4、5、6、2-4、烧结前的准备工作核对烧结制品与烧结温度及网带速度是否合适，检查待烧结的制品，把不合格的压坯剔出，一般情况按工艺图纸的要求来检查，通常检查几何尺寸及偏差制品的单重即压坯的密度和压坯外观是否掉边缺角，分层裂纹，严重拉毛等。
根据压坯的形状和尺寸确定其烧结方式（如站立、平躺以及排料等）。
再用气压喷嘴吹出残留在制品表面的粉尘。
粉末冶金原理-烧结技术详解
铁制品烧结用转化气体标准成分及应用
气体
标准成分
应用举例
吸热型 放热型
40H2，20％CO，1％CH4，Fe-C，Fe-Cu-C等高强度零件；
39％N2
爆炸性极强
8％H2，6％CO，6％CO2，纯铁，Fe-Cu烧结零件；有爆
80％N2
炸性
2020/6/9
School of Materials Science and Engineerin24g
一、烧结前的准备
（一）压坯的检查 ● 目的：去除尺寸、单重不合格或有掉边、掉角、分
层、裂纹等缺陷的压坯，减少烧结废品。
● 方法：抽检、肉眼观察、仪器检测。
2020/6/9
School of Materials Science and Engineerin3g
(二) 装炉（装舟及摆料） 推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料
School of Materials Science and Engineerin26g
2. 无脱碳烧结控制原理
在CH4/H2和CO/CO2气氛中：
1） 图中两线分别为在CO2/CO气氛
2
和CH4/H2气氛中Fe与C反应平衡时
1
气相平衡组成与温度关系
1: Fe + 2CO = （Fe，C） + CO2
③
①
②
④
2020/6/9
School of Materials Science and Engineerin25g
● 要无氧化烧结 ，应在①区；
● ＞800℃ H2还原区域更大；
● 随温度升高，欲保持CO/CO2 气氛的还原性，需降低CO2%
一、烧结基本原理精讲
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。
粉末冶金新技术-烧结
用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是: 先将由非 晶薄带经球磨制成的50～150μｍ非晶粉末装入WC/Co合金 模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度1×10-2Pa以下、升温 速度0.09~1.7K/s、温度673～873Ｋ、压力590MPa), 再把所 得的烧结体在1×10-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923Ｋ、 保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、 100Ｈｚ下的动态磁导率3430, 矫顽力12Ａ/ｍ。
3
双频微波烧结炉 生产用大型微波烧结炉 已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另 外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功 地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。
4
2.爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺
方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用, 爆炸压 制时,只是在颗粒的表面产生瞬时的高温,作用时间 短,升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得 压制的材料密度可以达到理论密度的90%以上,甚至 达到99%。
3）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位, 都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。
11
与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10~1/20。
17
SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非 晶合金,在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数10ｎｍ，具有 体心立方结构，高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目 前只能是带材或粉末, 制作成品还需要将带材重叠和用树脂固 结, 这使得成品的密度和Bs均变低。近年, 日本采用SPS工艺研 究FeMeＢ块材的成形条件及磁性能。
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
粉末冶金原理 烧结
按Kingery-Berge方程：ρ=x2/4a
x5/a2 = 80DvγΩ/kT• t
（2）
（1）、（2）式即为体积扩散的动力学方程
● 孔隙收缩动力学方程的推导：
孔隙表面的过剩空位浓度： Cv = Cvo γΩ/（k T r）
若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于同一数量级，
则空位浓度梯度： ▽C v=C v o γΩ/（kTr2）
m=△P(M/2πRT)1/2（M为原子量）
颈长大速度： dV / dt = A (m / d)
A—颈表面积；d—物质密度
经几何计算、变换和积分，得： x3/a=3Mγ(M/2πRT)1/2P a /(d2RT)▪t
注意：M=NΩ d 及k=KN x3/a = k▪t
玻璃球 平板烧结实验
氯化钠小球烧结实验
5.2 烧结过程的热力学基础 一烧结的基本过程
粉末的等温烧结过程，按时间大致可以划分为三个 界限不十分明显的阶段：
（1）粘结阶段---烧结初期，颗粒间的原始接触点或面 转变成晶体结合，即通过成核、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，整个烧结体不发生收缩，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；
动力学方程
x6/a2 = (960Dgbγδ4/k T) • t （δ=晶界宽度）
（a）代表孔隙周围的空位 向晶界（空位阱）扩散并被 其吸收，使孔隙缩小、烧结 体收缩；
晶界、空位与收缩的关系模型
(b)代表晶界上孔隙周围的空 位沿晶界（扩散通道）向两 端扩散，消失在烧结体之外， 也使孔隙缩小、烧结体收缩。
（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，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙 网络；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。烧结体收缩，密度 和强度增加是这个阶段的主要特征；
一、烧结基本原理
⼀、烧结基本原理⼀、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。
一、烧结基本原理
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，2、4、熔浸。
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。
34段。
2-21、2、粉末的性质：包括颗粒大小；颗粒的形状与形貌；颗粒的结构；颗粒的化学组成。
3、压坯的物理性能：包括压制密度，压制残余应力，颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等。
4、烧结工艺参数：包括保温时间，加热及冷却速度，烧结气氛等。
2-3、烧结时压坯的尺寸与密度的变化在生产中对制品的尺寸与形状精度要求都非常高，因此，在烧结过程中控制压坯的密度和尺寸的变化是一个极为重要的问题。
影响烧结零件密度和尺寸变化的因素有：1、孔隙的收缩与清除：烧结会导致孔隙的收缩与清除，也就是使烧结体体积减小。
23、4、5、6、2-4、烧结前的准备工作核对烧结制品与烧结温度及网带速度是否合适，检查待烧结的制品，把不合格的压坯剔出，一般情况按工艺图纸的要求来检查，通常检查几何尺寸及偏差制品的单重即压坯的密度和压坯外观是否掉边缺角，分层裂纹，严重拉毛等。
粉末冶金原理第四部分 粉末烧结技术
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Part 2： 粉末烧结
对于具体的粉末烧结体系，能量平衡， 则:
• • • • K=COS(θ /2)=γ gb/2γ s E=6γ sρ Vb[K+A(1-K)]/G ρ 为烧结进行过程中的密度 对Vb微分，得致密化压力 Pd=6γ s(1-ρ )ρ 2(1-K)/[G(1-ρ o)2] ρ o为坯块的起始密度
一、作用在烧结颈上的原动力(driving force for neck growth) 二 、 烧 结 扩 散 驱 动 力 (driving force atom diffusion) 三、蒸发-凝聚物质迁移动力—蒸汽压差 四、烧结收缩应力（补）-宏观烧结应力
37
Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
46
Part 2： 粉末烧结
• 考虑在烧结颈部与附近区域（线度 为 ρ ）空位浓度的差异 空 位 浓 度 梯 度 ▽ Cv= Cvoγ Ω / （kTρ 2） • 可以发现 • ↑γ （活化） • ↓ρ （细粉） • 均有利于提高浓度梯度
47
Part 2： 粉末烧结
三、蒸发-凝聚气相迁移动力—蒸汽压差 (driving force for mass transportation by evaporation-condensation)
Part 2： 粉末烧结
含 义
2 低于主要组分熔点的温度
* 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
Part 2： 粉末烧结
含 义
3 烧结的目的
依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末 颗粒形成冶金结合 Mechanical interlocking or physical bonging →Metallurgical bonding ↑烧结体的强度
粉末冶金：粉末烧结
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
◊无限固溶系 ◊有限固溶系 ◊完全不溶系
液相烧结 多元系液相烧结
◊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：
(1) 颗粒之间形成接触 (2) 烧结颈长大
➢ 粘结阶段
(3) 连通孔洞闭合 (4) 孔洞固化
➢ 烧结颈长大阶段
(5) 孔洞收缩和致密化 (6) 孔洞粗化
(7) 晶粒长大
➢ 闭孔隙球化和缩小阶段
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
粉末冶金原理-烧结
(microstructure evolution)和物质传递规律，包括 —— 孔隙数量或体积的演化—致密化 晶体尺寸的演化—晶粒的形成与长大 （纳米金属粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化—孔隙的连通与封闭 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、收缩和分布
研究范畴：
粉末烧结的驱动力来自系统的过剩自由能的降低， 其中表面能的降低在烧结过程中处于主导地位。
三、烧结的原动力
1．表面张力
表面张力的角度
库钦斯基两球模型
取ABCD使ρx形成的张角为θ
Fx
B Fρ
xA xθ
Fx D
ρ
C
θ ρ
Fρ
F xAD BC －表面张力
FAB CD
ADsin
很s 小 in
烧结颈长大
3.封闭孔隙球化和缩小阶段 当烧结体密度达到90%以后， 多数孔隙被完全分隔，闭
孔数量大的增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个 阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失 和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间， 但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。也就是一般不能 达到完全致密。
§3 烧结
Sintering
第一节 概述
一、基本概念
（一） 烧结的定义
● 简单描述：烧结（Sintering）指粉末或粉末压坯在适当温 度、气氛下受热，借助于原子迁移实现颗粒间联结的过程。
● 定义：粉末或粉末压坯在一定的气氛中，在低于其主要 成分熔点的温度下加热而获得具有一定组织和性能的材料 或制品的过程。
烧结的机构和动力学问题
§3-2 烧结过程的热力学基础
一、烧结的基本过程
原始接触 孔隙球化
粉末冶金原理与工艺 烧结原理
固态烧结模型
?烧结初期
?——双球模型
?烧结中期
?——coble多面体模型（圆柱形孔隙）
?烧结后期
?——coble多面体模型（球形孔隙）
LOGO
45
固态烧结模型
烧结初期模型
双球模型
中
中
心
心
距
距
不
缩
变
短
LOGO
? ? x 2 / 2r
A ? ? 2x3 /r
V ? ?x 4 / 2r
? ? x 2 / 4r A ? ? 2 x 3 / 2r V ? ? x 4 / 4r
LOGO C v=C v o γ Ω /（k T r）
53
若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于 同一数量级，则空位浓度梯度 ▽C v=C v o γ Ω /（kTr2） 由Fick第一定律 LdOGrO/d t=-D v'▽C v
=-D v γ Ω /分 ro3-r3=3γ Ω /（k T）.D v t
10
烧结的特点 低于主要组分熔点的温度 ?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
LOGO
11
烧结类型
?无压烧结
?固相烧结 ?液相烧结
?加压烧结
LOGO
12
无压烧结
?固相烧结
?单元系固相烧结烧结 ? 单相（纯金属、化合物、固溶体粉末）粉末的固
? △G=△H-T△S ? △G≠0 且＜0
?自由能降低的数值远大于表面能的降低 ?表面能的降低则属于辅助地位
LOGO
29
?颗粒尺寸10μm的粉末的界面能降低为110J/mol
粉末冶金烧结
粉末冶金烧结第一篇：粉末冶金烧结烧结一、烧结过程热力学1烧结的热力学1）金属粉末具有较大的表面积，表面能较高，粉末表面原子都力图成为内部原子，使其本身处于低能位置。
因此，粉末粒度越细，表面越不规则，表面能越大，所贮存的能量越高，烧结也易于进行。
2）晶格畸变和处于活性状态的原子，在烧结过程中也要释放一定的能量，力图恢复其正常位置。
3）ΔA = ΔU-TΔS，ΔU为粉末说具有的全部过剩能量，ΔA为其自发进行烧结的能量，T为绝对温度，ΔS为粉末状态和烧结状态的熵差，一般来说，ΔA总是小于ΔU，但是一般认为这种能量使发生烧结的原动力。
2烧结的基本过程等温烧结大致可分为三个界限不十分明显的阶段图1 烧结过程示意图1）开始阶段（粘结阶段，烧结颈形成）颗粒间的原始接触点或接触面转变成晶粒结合，即通过形核，长大等原子迁移过程形成烧结颈。
在这一阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变。
但是烧结体的强度和导电性却由于颗粒结合面的增大而有明显增加。
这阶段主要发生金属的回复，吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除。
2）中间阶段—烧结颈长大原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。
同时，由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。
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，继续烧结，晶界迁移，在原先颗粒接触面的晶界消失，形成晶粒的组织结构。
密度和强度增高使这个阶段的主要特征。
这一阶段中，开始出现再结晶，同时颗粒的表面氧化物可能被完全还原。
3）最终阶段—闭孔隙球化和缩小阶段。
此时，多数孔隙被完全分离，闭孔隙数量大为增加，孔隙形状趋于球形而且不断缩小。
这个阶段中，整个烧结体仍可缓慢收缩，但这是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现的。
但是仍有少量残留的隔离小孔不能被消除。
3烧结原动力1）根据库钦斯基的简化烧结模型，作用于烧结颈的应力为：σ=-γ,γ:表面张力，ρ:烧结颈的曲率半径ρ孔隙网形成后对烧结起推动作用的有效力：Ps=Pv-γρ当Pv增大到超过表面张应力时，隔离孔隙就停止收缩，所以再烧结最终阶段，烧结体内总会残留少部分的闭孔隙。