第五章 粉末的烧结
陶瓷工艺学第五章全解
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。
粉末烧结原理
粉末烧结原理
粉末烧结是一种常见的金属材料制备工艺，通过高温加热和压力作用，将金属粉末颗粒相互结合，形成致密的块状材料。
这种制备方法被广泛应用于粉末冶金、陶瓷制备、复合材料制备等领域。
下面将介绍粉末烧结的原理及其在材料制备中的应用。
首先，粉末烧结的原理是基于固态扩散和颗粒间的结合作用。
在烧结过程中，粉末颗粒表面发生固态扩散，使得颗粒间的空隙逐渐减小，最终形成致密的结构。
同时，高温和压力的作用使得颗粒间发生结合，形成坚固的结构。
这种固态扩散和颗粒结合作用是粉末烧结的基本原理。
其次，粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值。
首先，粉末烧结可以制备高性能的工程材料。
通过粉末烧结，可以制备出具有良好力学性能、耐磨性、耐腐蚀性的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。
其次，粉末烧结还可以制备具有特殊功能的材料。
例如，通过粉末烧结可以制备出具有磁性、导电性、导热性等特殊功能的材料，用于电子器件、磁性材料等领域。
因此，粉末烧结在材料制备中具有广泛的应用前景。
总之，粉末烧结是一种重要的材料制备工艺，其原理是基于固态扩散和颗粒结合作用。
粉末烧结在材料制备中具有重要的应用价值，可以制备高性能的工程材料和具有特殊功能的材料。
随着材料科学的发展，粉末烧结技术将会得到进一步的发展和应用，为各个领域提供更加优质的材料产品。
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。
第五章 烧结-1
2. 中温阶段（300～950℃）
• 任务：脱水、分解、氧化、晶型转变
• 结构水排除（高岭土） Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O
Al2O3 . 2SiO2＋2H2O
• 碳酸盐分解
✓由原料中带入
✓分解反应
500～850℃
MgCO3
MgO＋CO2
CaCO3 850～1050℃CaO＋CO2
MgCO3 . CaCO3 730～950℃ CaO＋MgO＋2CO2
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作 时的止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结 晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总 体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能 变差。
颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。 ③ 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。
2）烧结后期阶段 ① 孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处， 使孔隙逐渐消除。 ② 晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
➢ 烧结的分类：
烧结
固相烧结（只有固相传质） 液相烧结（出现液相） 气相烧结（蒸汽压较高）
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状 的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学 过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
烧结动力学
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔
第5章 粉末的烧结
经几何变换和微分处理，得特征方程： 经几何变换和微分处理，得特征方程：
x2/a = (3/2)γ/η.t 或： (x/a)2 = (3/2)γ/(ηa).t x2 与 t成线性关系 成线性关系 → 2ln(x/a) = A + ln t
Kuczynski得到： 得到： 得到 x2/a = kγ/η▪t （与Frenkle结论相同） 结论相同） ▪ 结论相同
当球径比烧结颈半径大很多时， 当球径比烧结颈半径大很多时，球表面与平面 的蒸汽压差Pˊ=P 可以忽略不计。 的蒸汽压差Pˊ=Pa-P o可以忽略不计。
故烧结颈与球表面的蒸汽压差为： 故烧结颈与球表面的蒸汽压差为： P= - P a γΩ/(KTρ) （P o用Pa代替） 代替） 单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由Langmuir公式计算： 公式计算： 单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由 公式计算 m=△P(M/2πRT)1/2（M为原子量） △ 为原子量） 为原子量 颈长大速度： dV / dt = A (m / d) 长大速度：
§5.3 烧结热力学
• 烧结前存在于粉末或粉末坯块内的过剩自 烧结前存在于粉末或粉末坯块内的过剩自 由能包括表面能和晶格畸变能， 由能包括表面能和晶格畸变能，前者指同 气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能， 气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能，后 者指颗粒内由于存在过剩空位、 者指颗粒内由于存在过剩空位、位错及内 应力所造成的能量增高。 应力所造成的能量增高。 • 表面能比晶格畸变能小，但是，对烧结过 表面能比晶格畸变能小，但是， 特别是早期阶段， 程，特别是早期阶段，作用较大的主要是 表面能。 表面能。
一、粉末烧结的扩散理论
1.粉末烧结时的扩散
Q ) D = D0 exp(− RT
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。
粉末烧结原理
粉末烧结原理
粉末烧结是一种常用的金属粉末加工技术，用于将细粉末颗粒通过加热和压制的方式，形成致密的固体材料。
其工作原理可简述如下：
1. 粉末制备：首先需要选择合适的金属粉末或其混合物，这些粉末通常具有较小的粒径和均匀的颗粒大小。
粉末制备过程可以包括球磨、气雾化、水热合成等手段，以获得所需的粉末。
2. 粉末混合：将所选的金属粉末混合均匀，以确保最终烧结体具有均一的组织结构和化学成分。
3. 压制成型：将混合的金属粉末置于模具中，并施加高压力以压制粉末。
压制的目的是使粉末颗粒之间发生变形，并使颗粒间的物理接触增加，促进后续烧结过程中的颗粒结合。
4. 烧结：将已压制成型的粉末坯体置于高温环境中进行加热处理。
在加热过程中，金属粉末颗粒之间发生扩散和结合，生成新的结晶颗粒，并形成致密的固体结构。
具体的烧结温度和时间取决于所使用的粉末和目标材料。
5. 冷却处理：完成烧结过程后，将烧结体从高温环境中取出，并进行冷却处理，使其达到室温。
冷却过程有助于固化和稳定烧结体的结构，并提高其力学性能。
总的来说，粉末烧结通过压制和加热金属粉末，使其颗粒结合并形成坚固的体材料。
这种方法可用于制备各种金属材料，具
有较高的加工效率和良好的成型能力，广泛应用于金属制造和材料工程领域。
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%
粉末烧结的基本过程
粉末烧结的基本过程嘿，朋友们！今天咱来聊聊粉末烧结这神奇的过程呀！你看啊，粉末烧结就好像是一群小小的粉末颗粒在开一场特别的聚会。
这些粉末颗粒呀，就像是一群小伙伴，各自有着自己的个性和特点。
一开始呢，它们被放在一起，就像是小伙伴们初次见面，还有点陌生和拘谨呢。
但是随着温度慢慢升高，这场聚会就开始热闹起来啦！粉末颗粒们开始互相靠近，你碰碰我，我碰碰你，就像小伙伴们开始熟悉起来，互相打闹玩耍。
然后呢，它们之间的接触越来越紧密，就好像小伙伴们的关系越来越好，手牵手、肩并肩啦。
在这个过程中呀，一些奇妙的事情发生了。
它们开始连接在一起，形成了一些小小的团体，这就像是小伙伴们组成了一个个小团队。
随着温度继续升高，这些小团队变得越来越强大，它们相互融合，就如同小团队合并成了大团队一样。
这时候，一个全新的整体就慢慢出现啦！这不就跟我们大家一起努力完成一件大事一样嘛。
这当中还有个关键的地方呢，就好比我们做事要有合适的方法和条件。
温度呀、压力呀这些因素都得恰到好处，不然这个聚会可就搞不好啦！温度太高或太低，都可能让事情变得不那么顺利呢。
你说粉末烧结神奇不神奇？原本一堆小小的粉末，通过这样一个过程，竟然能变成一个坚固的整体。
这多像我们的生活呀，每个人都是小小的一份子，但当我们团结在一起，共同努力，就能创造出大大的奇迹！所以呀，可别小看了粉末烧结这看似简单的过程哦，它里面蕴含的道理可多着呢！它让我们明白，团结就是力量，只要大家齐心协力，就能创造出意想不到的美好。
而且呀，做任何事情都要把握好条件和时机，就像控制好粉末烧结的温度和压力一样，这样才能让事情顺利进行，达到我们想要的结果。
这就是粉末烧结的基本过程啦，是不是很有趣呀？是不是让你对这些小小的粉末有了新的认识和感受呢？嘿嘿，我就知道！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
粉末烧结原理
粉末烧结原理粉末冶金是一种利用粉末作为原料，通过成型和烧结工艺制备金属、陶瓷和复合材料的工艺方法。
其中，粉末烧结是粉末冶金中最为重要的一环，它通过高温烧结使粉末颗粒互相结合，形成致密的块体材料。
本文将介绍粉末烧结的原理及其在工业生产中的应用。
首先，粉末烧结的原理是基于固相烧结的物理化学过程。
在烧结过程中，粉末颗粒之间发生扩散、溶解、再结晶等过程，最终形成致密的块体材料。
这一过程主要受温度、压力、时间等因素的影响。
在高温下，粉末颗粒表面发生扩散，原子间的结合能降低，颗粒之间出现结合，形成颗粒间的颈部，最终形成致密的结构。
其次，粉末烧结的原理还与粉末颗粒的形状、大小和分布有关。
通常情况下，形状不规则、尺寸均匀的粉末颗粒更有利于烧结过程中的颗粒间结合。
此外，粉末颗粒的分布均匀性也对烧结效果有着重要影响。
分布不均匀会导致烧结过程中局部温度过高或过低，影响颗粒间的结合质量。
再者，粉末烧结的原理还与烧结助剂的选择和添加有关。
烧结助剂可以改善粉末颗粒间的结合情况，促进烧结过程中的颗粒间扩散和溶解。
常用的烧结助剂有氧化铝、氧化锆等，它们能够形成液相，填充颗粒间的空隙，促进颗粒间的结合。
最后，粉末烧结在工业生产中有着广泛的应用。
在制备金属材料方面，粉末烧结可以制备具有特殊功能的工程材料，如高温合金、硬质合金等。
在制备陶瓷材料方面，粉末烧结可以制备高性能的陶瓷材料，如氧化铝、氮化硅等。
此外，粉末烧结还可以制备具有复合功能的粉末冶金材料，如金属陶瓷复合材料、金属基复合材料等。
总之，粉末烧结作为粉末冶金中的重要工艺环节，其原理是基于固相烧结的物理化学过程，受到温度、压力、时间等因素的影响。
在工业生产中，粉末烧结已经得到了广泛的应用，为制备高性能的材料提供了重要的技术手段。
粉末的烧结讲解
第一个阶段，类似两个液润从开始的点接触， 发展到互相“聚合”，形成一个半径为x的 圆面接触。假定液滴仍保持球形，其半径为 a。
勒尼尔和安；塞尔认为： 烧结的早期，表面张力较大，塑性流动可以靠位 错的运动来实现，类似蠕变的位错机构。
烧结后期，以扩散流动为主，类似低应力下的扩 散蠕变，或称纳巴罗—赫仑(Nabbar ro—Herrin) 微蠕变。
微蠕变是靠空位自扩散来实现的，蠕变速度与应 力成正比；而高温下发生的蠕变是以位错的滑移 或攀移来完成的。
勒尼尔和安塞尔推导塑性流动烧结方程，计算表 面张力造成作用于烧结颈上的压应力，找出压应 力与应变率间的关系。
假定两球烧结后，烧结颈带 的大小等于两球贯穿形成透 镜状部分的体积。烧结过程 中，两球总表面自由能的改 变应等于总表面积的变化与 比表面能的乘积。
用动力学方程通式描述为
七、综合作用烧结理论
蒸发与凝聚对烧结后期孔隙的球化也 起作用
三、体积扩散
扩散学说在烧
结理论的发展
史上长时间处 于领先地位
弗仑克尔：把粘性流动的宏观过程归结为原子在应力作用下
的自扩散。其基本观点是，晶体内存在超过该温度下平衡浓 度的过剩空位，空位浓度梯度就是导致空位或原子定向移动 的动力。
皮涅斯认为：在颗粒接触面上，空位浓度增高，原子与空
一、烧结的基本过程 粉末烧结后，烧结体的强度增加，首先是颗粒 间的联结强度增大，即联结面上原子间的引力 增大。
在高温下，由于原子振动的振幅加大，发生扩 散，接触面上有更多的原子进入原子作用力的 范围，形成粘结面。
粉末烧结工艺
粉末烧结工艺嘿，朋友们！今天咱来聊聊粉末烧结工艺呀！这可真是个神奇又有趣的玩意儿呢！你想想看啊，一堆细细的粉末，就好像是一群小小的精灵，它们原本各自为政，但是通过烧结工艺，就能紧紧地团结在一起，变成一个坚固的整体，这多有意思呀！粉末烧结工艺就像是一场粉末们的盛大聚会。
在高温的环境下，这些粉末们欢快地跳动着、融合着。
它们不再是孤立的个体，而是相互拥抱、相互渗透，逐渐形成了一个全新的物体。
这就好比是一群小伙伴，一开始互不相识，但经过一段时间的相处和磨合，就成为了亲密无间的好朋友。
在这个过程中，温度可是个关键因素呢！就像做饭一样，火候掌握得好，做出来的饭菜才美味可口。
温度太高了，粉末可能会被“烤焦”；温度太低了，它们又没法很好地融合在一起。
所以呀，找到那个恰到好处的温度，可真是一门大学问。
而且哦，不同的粉末材料，就像是不同性格的人。
有的材料活泼开朗，容易烧结；有的材料则比较内向害羞，需要更多的耐心和技巧才能让它们乖乖“合作”。
这就需要我们这些“工艺大师”去了解它们的脾气，找到最适合它们的烧结方法。
你说粉末烧结工艺难不难？其实也不难啦，只要我们用心去钻研，去尝试，总能掌握其中的奥秘。
就像学骑自行车一样，一开始可能会摔倒，但只要坚持不懈，总会骑得稳稳当当的。
粉末烧结工艺在我们的生活中可有着广泛的应用呢！从小小的零件到大大的机械，都有它的功劳。
它让我们的世界变得更加丰富多彩，更加坚固耐用。
比如说，我们每天使用的手机，里面就有很多通过粉末烧结工艺制造出来的零部件。
没有这些零部件的紧密配合，我们的手机怎么能正常工作呢？还有那些汽车呀、飞机呀，它们的制造也都离不开粉末烧结工艺呢！所以呀，可别小看了这看似普通的粉末烧结工艺哦！它可是现代工业的重要基石之一呢！朋友们，让我们一起好好探索粉末烧结工艺的奇妙世界吧！让我们一起用双手和智慧，创造出更多更美好的东西！这难道不是一件超级棒的事情吗？难道你不想去深入了解它吗？。
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结原理
粉末冶金烧结是一种常用的制备金属和陶瓷材料的工艺。
其原理基于粉末颗粒在高温下通过表面扩散和颗粒间的相互作用力而实现的固相结合。
首先，通过研磨和混合的方式将所需的金属或陶瓷粉末混合均匀。
混合的目的是使不同粉末颗粒在烧结过程中能够更好地接触和相互结合。
接下来，将混合后的粉末填充到模具中，并施加一定的压力。
压力的作用是使粉末颗粒之间产生一定的接触力，这样可以促进烧结过程中的颗粒扩散。
然后，将填充好的模具放入烧结炉中，进行高温处理。
在高温下，粉末颗粒表面会发生表面扩散，即颗粒表面的原子或离子会向颗粒内部扩散。
同时，由于高温下颗粒间的相互作用力增强，颗粒之间产生局部的结合。
经过一段时间的高温处理，粉末颗粒表面扩散和颗粒间的结合逐渐扩展到整个颗粒，形成了一个密实的整体。
这个过程称为固相烧结，通过这种方式，粉末的体积会明显减小。
最后，将烧结后的样品冷却并取出，进行进一步的加工和处理。
根据需要，可以对烧结样品进行后续的热处理、机加工等工艺步骤。
总之，粉末冶金烧结是一种通过高温和压力作用下，将粉末颗
粒固相结合的制备材料的方法。
通过控制烧结过程中的温度、压力和时间等参数，可以获得具有预期性能的金属和陶瓷材料。
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；
粉末冶金的工艺流程-粉末的烧结
粉末的烧结定义烧结：压坯置于基体金属熔点以下温度（约0.7~0.8T，单位K）加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化，这一过程称为烧结。
烧结对粉末冶金材料和制品的性能有着决定性的影响。
烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘接，烧结体的强度增加，密度提高。
在烧结过程中，压坯要经过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，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原；继之是原子间发生扩散，粘性流动和塑性流动，颗粒间的接触面增大，发生再结晶和晶粒长大等。
出现液相时，还可能有固相的溶解和重结晶。
这些过程彼此之间并无明显的界限，而是穿插进行，互相重叠，互相影响。
加之一些其它烧结条件，使整个烧结过程变得很复杂。
用粉末烧结的方法可以制得各种纯金属、合金、化合物以及复合材料。
在烧结过程中，固体颗粒表面能的减小是烧结的“推动力”，也即热力学条件。
烧结是一个自发的不可逆过程。
粉末烧结用填料(packing material for powder sintering)粉末烧结时在烧舟内充填于产品间的，起均热、保护作用和防止成分挥发的粉状或粒状材料。
将粉末压坯埋入惰性粉末或者装入密封盒内进行烧结是一种极简单的烧结技术，从生产粉末冶金零件的早期起，它就得到了广泛的应用。
采用装有填料的密封盒，则在烧结时可以不必使用还原气氛。
含于填料内的空气中的氧，在烧结开始阶段会与压坯表面起反应，如果填料中含有还原剂，则不足以引起严重的氧化。
适合于用作填料材料的有Al2O3粉、ZrO2粉以及石墨粉、炭黑、木炭粉、铸铁屑等以及它们的混合物。
对铁粉压坯的烧结，为了防止脱碳，填料中含有少量的碳是必不可少的。
在有色金属粉末冶金中，黄铜压坯的烧结总与一定程度的锌的挥发联系在一起，如果黄铜压坯放入密封盒内进行烧结，则盒内气氛很快充满锌的蒸气而可防止合金的进一步脱锌。
在氢气中烧结硬质合金时，为减少和防止硬质合金压坯脱碳而使合金性能下降，通常使用Al2O3粉并在其中加入少量炭黑作填料等等。
粉末的预烧结名词解释
粉末的预烧结名词解释粉末冶金是一种重要的金属材料制备方法，该方法利用粉末作为原料，通过压制成型和烧结等工艺，制得形状复杂、性能优越的金属制品。
而预烧结是粉末冶金过程中的一个重要环节，它在最终烧结之前对粉末进行预处理，以提高材料的成型性、密度和力学性能。
预烧结是指将金属粉末在高温下经过一段时间的加热和冷却过程，在烧结之前先进行部分烧结的过程。
预烧结的主要目的是通过热处理改善粉末表面的一些性能，提高烧结过程中的烧结活性和成品的力学性能。
首先，预烧结可以去除粉末表面的氧化层。
在粉末制备的过程中，由于金属粉末容易与空气中的氧发生反应而形成氧化物，这些氧化物会对烧结过程产生一定的不利影响。
通过预烧结，可以在高温下使氧化物发生还原反应，将其还原为金属。
这样可以减少氧化物的含量，改善粉末的可烧结性，提高材料的致密性和力学性能。
其次，预烧结还能改善粉末的形状和流动性。
在粉末制备过程中，由于加工条件的限制或其他原因，粉末的颗粒形状往往不规则，流动性较差。
经过预烧结后，金属粉末颗粒会发生一定程度的形状改变和粒子聚合，使粉末表面变得更加平整光滑，颗粒之间的间隙减少，从而提高了粉末的成型性和流动性。
此外，预烧结还可以提高粉末的烧结活性。
在烧结过程中，金属粉末需要通过原子间的扩散来实现颗粒间的结合。
而经过预烧结后，金属颗粒表面的活化能得到降低，扩散速率增加，有利于烧结过程的进行。
这样可以缩短烧结时间，提高烧结的效率。
总的来说，预烧结是粉末冶金过程中的一项关键工艺，通过对金属粉末进行一定时间的高温处理，能够改善粉末的表面性能、成型性能和力学性能。
预烧结的主要作用包括去除氧化物、改善粉末的形状和流动性，以及提高粉末的烧结活性。
通过合理控制预烧结的温度、时间和气氛等参数，可以实现对粉末性能的调控和优化，为后续烧结工艺提供良好的基础。
粉末冶金技术在诸多领域中得到广泛应用，如汽车制造、航空航天、机械制造等。
预烧结技术的研究和应用，能够提高金属材料的综合性能，拓展材料的应用范围，推动工程材料的进步和创新。
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
粉末冶金原理-烧结烧结是粉末冶金中一种常用的加工方法，它通过高温和压力的作用，将金属粉末粒子相互结合成致密的块状体，从而获取所需的材料性能和形状。
本文将介绍烧结的原理、方法以及应用。
1. 烧结原理粉末冶金烧结的原理基于固相扩散和短程扩散的作用。
在烧结过程中，金属粉末颗粒之间的接触面发生原子间的扩散，使得粒子之间形成更强的结合力，从而实现粉末的聚结。
烧结过程中，首先是金属粉末颗粒之间的接触，原子开始扩散。
随着温度的升高，扩散速率也随之增加。
当粉末颗粒之间的接触点扩散到一定程度后，开始形成颗粒之间的原子键合。
键合的形成使得颗粒间的结合力增强，同时形成新的晶体结构或弥散态结构。
2. 烧结方法2.1 传统烧结传统烧结是指采用外加热源和压力来实现烧结过程。
该方法通常包括以下几个步骤：1.装料：将金属粉末和所需添加剂按照一定比例混合，并形成一定的装料形状，如坯料或颗粒。
2.预压：将装料放入模具中，并施加一定的压力，使装料初步固结成形。
3.高温烧结：将装料放入烧结炉中，在一定的温度下暴露一段时间，使装料中的金属粉末颗粒扩散、晶粒长大并结合。
4.冷却：烧结完成后，将烧结块从炉中取出，经过冷却以稳定材料结构。
5.表面处理：根据需求，对烧结块进行加工、修整和处理，以得到最终所需的形状和表面特性。
2.2 反应烧结反应烧结是指在烧结过程中引入化学反应，利用固相反应进行金属粉末的结合。
相较于传统烧结，反应烧结可以实现更高的烧结温度，加快晶粒生长和结合的速度。
反应烧结的具体步骤包括：1.装料：将金属粉末和反应剂按照一定比例混合，并形成装料。
2.高温烧结：将装料放入烧结炉中，在一定的温度下暴露一段时间。
在高温下，反应剂与金属粉末发生固相反应，生成新的物质并结合金属粉末颗粒。
3.冷却：烧结完成后，将烧结块从炉中取出，经过冷却以稳定材料结构。
4.表面处理：根据需求，对烧结块进行加工、修整和处理，以得到最终所需的形状和表面特性。
3. 烧结应用烧结方法在粉末冶金中具有广泛的应用。
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烧结温度及时间对W合金密度的影响
无压烧结
• 是将预压成形粉末在大气压力下或在较低的气体 压力下进行烧结的方法。这种方法具有制作复杂 形状制品、生产组织容易等优点，但制品气孔率 高、收缩率大、机械强度低。常压烧结时，烧结 体中有相当多的液相存在，也可归属于液相烧结 方法。在粉末冶金中，液相烧结的要求源于致力 于获得高密度、低气孔率的烧结材料，因为有液 相参与的烧结，在烧结收缩压力作用下，液相将 渗入孔隙，使气孔率得到降低。
热压烧结（简称热压）
• 是利用耐高温模具，在加热的同时加压的烧结方法。这 种方法可以将常压下难以烧结的粉末进行烧结；可以在 较低的温度下烧结出接近理论密度的烧结体；可以在短 时间内达到致密化，烧结体的强度也较高。热压烧结时， 驱动力除表面张力外，又加上了外压的作用。在外压下， 粉粒间接触部位产生塑性流动或蠕变，使颗粒间距缩短， 缩颈长大的动力学过程进行得更为方便。在热压烧结的 基础上，又发展出了热等静压方法。该法是以气体为压 力介质，将粉料一边进行各向同性压缩，一边加热的烧 结方法。目前，采用热等静压法，工业上已进入烧结超 硬合金和氧化铝系工具的阶段。
烧结热力学
• 从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小 的过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处 于能量较低的状态。烧结系统自由能的降低，是 烧结过程的原动力，包括以下几个方面： • （1）由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表 面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由 能减小。 • （2）粉末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的消除。
蒸发与凝聚
• 蒸发与凝聚机构要以粉末在高温时具有较 大饱和蒸气压为先决条件，蒸气压差使原 子从球的表面蒸发，重新在烧结颈凹面上 凝聚下来，由此引起烧结颈长大。
各种烧结理论模型简介
烧结动力学方程通式
• 以上讨论了烧结的各种理论模型，可以得出一个 烧结动力学方程通式： xm / an = F（T）· t 式中 x——烧结颈半径； a——粉末颗粒半径； F（T）——烧结温度的函数； t——烧结时间； m、n——指数。
体积扩散
• 烧结颈与颗粒内部的空位浓度梯度是导致 空位和原子定向移动的动力，空位由烧结 颈表面向邻近的球表面发生体积扩散，即 物质沿相反方向向烧结颈迁移。
晶界扩散
• 如果颗粒接触面上未形成晶界，空位只能 从烧结颈通过颗粒内向表面扩散，即原子 由颗粒表面填补烧结颈区。如果有晶界存 在，烧结颈边缘的过剩空位将扩散到晶界 上消失，结果是颗粒间距缩短，发生收缩。
F（T）虽是温度的函数，但在不同的烧结机构中 包含不同的物理常数，例如扩散系数（包括体积扩散系数 Dv、表面扩散系数Ds、晶界扩散系数Db），比表面能γ， 粘性系数η，以及饱和蒸气压P0，这些常数均与温度有关。 各种烧结机构特征方程的区别主要反映在指数m与n的不同 搭配上。 从动力学方程式中可以看出，烧结颈的长大最终 主要取决于烧结温度T和烧结时间t，也与粉末颗粒尺寸a 有关，粉末颗粒越细小，烧结颈长大越快。
表面扩散
• 通过颗粒表面层原子的扩散来完成物质迁 移，可以在较低的温度下发生。事实上， 烧结过程中颗粒的相互联结，首先是在颗 粒表面上进行的，由于表面原子的扩散， 颗粒粘结面扩大，颗粒表面的凹处逐渐被 填平。粉末极大的表面积和高的表面能， 是粉末烧结的一切表面现象的热力学本质。 粉末愈细，比表面愈大，表面的活性原子 数愈多，表面扩散就愈容易进行。
整形与复压
• 为了提高零件的尺寸精度和表面质量， 可采用整形；为了提高零件的密度， 可采用复压；为了改变零件的形状或 表面形状，可采用精压。
浸渍
• 是利用烧结件的多孔性的毛细现象，浸入 各种液体。如为了润滑目的，可浸润滑油、 聚四氟乙烯溶液、铅溶液等；为了提高强 度和防腐能力，可浸铜溶液；为了表面保 护可浸树脂或清漆等。
液相 烧结
烧结温度对W-Cu相对密度的影响
保温时间对W-Cu相对密度的影响
烧结温度对W合金组织的影响
(b)
(c)
30μm
不同烧结温度时I 号试样扫描电镜照片 (a) 1445℃ (b)1465℃ (c) 1480℃
烧结与真空热处理后W合金组织
(a) (b)
a) I号试样
(b) II号试样
第五章
• • • • • •
粉末的烧结
粉末烧结后的变化 烧结过程 烧结热力学 烧结动力学 烧结理论模型 烧结方法
烧结后粉末坯的变化
烧结过程
• 烧结是粉末冶金制品制备的第三个阶段。 它是一种使成形的粉末坯件达到强化和致 密化的高温处理工艺。在烧结过程中，粉 末体经历了一系列的物理变化。图6-3-11 给出了松散的球形铜粉粒在烧结过程中的 行为。粉末的等温烧结过程大致可以划分 为①粘结阶段、 ②烧结颈长大阶段、 ③ 闭孔隙球化和缩小阶段三个阶段。
〇
▼
◆
〇 〇
〇
▲ ▼
〇Ti Al ▲Al3Ti ▼TiAl ◆Ti3Al
t=0h
▼
t=0.5h t=1h t=3h t=4h t=10h 20 40 60 80 100
2,
图9
球磨不同时间粉末在450℃保温1h后的XRD图
(b) (a)
图7 不同烧结条件下烧结后的TiAl基合金组织的扫描电镜照片 （a）1250℃保温2h烧结 （b）1300℃保温2.5h烧结
粘性流动
• 晶体粉末烧结早期的粘结，即烧结颈长大， 可看作在表面张力的作用下，颗粒发生类 似粘性液体的流动，结果使系统的总表面 积减小，表面张力所做的功转换成粘性流 动对外散失的能量。
塑性流动
• 烧结颈的形成和长大的过程也可以看成是 金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形 的结果。粉末在表面张力作用下产生缓慢 的流动，类似于金属在高温下的蠕变，所 不同的只是表面张力随着烧结的进行逐渐 减小，因此烧结速度逐渐变慢。
(d) (c)
图7 不同烧结条件下烧结后的TiAl基合金组织的扫描电镜照片 （c）1300℃保温6h烧结 （d）1300℃保温8.5h烧结
烧结后处理
• 为进一步提高烧结制品的使用性能、尺寸 和形状精度，烧结后还需对制品进行整形、 机械加工、热处理等后续工序。金属粉末 压坯烧结后进行的处理，叫做后处理。后 处理种类很多，由产品要求来决定。
反应烧结
• Ti、Al扩散反应机理
Al Ti a) TiAl3 TiAl2 TiAl Ti3Al Ti b) TiAl Ti3Al
Al TiAl3 Ti
c)
d)
图8 Ti/Al层片扩散反应过程示意图 a) 反应前 b) 反应初期 c) 反应中期 d) 反应后期
〇 ◆ 〇 ◆ 〇 ▲ ▼ ▼ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ 〇
粉末颗粒的接触和颈长
烧结温度对烧结体性能的影响示意图
烧结时间对烧结体密度的影响
烧结坯达到相同密度时 烧结时间与温度的关系
烧结方法
• 烧结方法大致可以分成两类。在烧结过程中有明显液相 出现的方法被称为液相烧结；而烧结过程中无明显液相 出现的方法被称为固相烧结。在固相烧结中，按烧结体 系组元的多少，可进一步分为单元系烧结和多元系固相 烧结。单元系烧结是指纯金属或化合物在其熔点以下进 行的固相烧结过程，在整个过程中不出现新的组成物和 新相，也不发生凝聚态的改变。而多元系固相烧结则是 指由两种或两种以上组元构成的烧结体系，在低熔点组 分熔点以下进行的固相烧结过程。 • 若根据烧结时有无化学反应，所施加压力高低来分类， 烧结过程还可分为反应烧结、常压烧结、热压烧结和热 等静压烧结等。
烧结热力学
• 总之，烧结前存在于粉末或粉末坯块内的 过剩自由能包括表面能和晶格畸变能，前 者指同气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由 能，后者指颗粒内由于存在过剩空位、位 错及内应力所造成的能量增高。表面能比 晶格畸变能小，但是，对烧结过程，特别 是早期阶段，作用较大的主要是表面能。
粉末烧结的扩散理论
合金粉的 固相烧结
100
sintering time 2h sintering time 1h
95
Relative density (%)
90
85
80 750
800
850
900
950
1000
sintering temperature (℃ )
烧结温度和烧结时间对球磨3 h的Cu-Cr复合粉末烧结致密度的影响
图6-3-11 三个球形颗粒烧结模型的示意 a）初始点接触 b）烧结颈长大 c）孔隙球化
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 子迁移过程形成烧结颈。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。
1.粉末烧结性与驱动力
Q D D0 exp( ) RT
2.颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力
G GP Gd
G SV[WmSP 6(Wm / )
2/ 3
]
G SVWm SP
DV (2d )
3
1烧结驱动力ຫໍສະໝຸດ 烧结动力学• 烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质 的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等 过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机 构就是研究烧结过程中各种可能的物质迁 移方式及速率的。烧结时物质迁移的各种 可能的过程如下：①表面扩散 、②体积扩 散 、③晶界扩散 、④粘性流动 、⑤塑性 流动 、⑥蒸发与凝聚 。
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 的主要特点。
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，闭孔数量大为增加，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。