第三章 粉末烧结材料合成与制备
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。
第三章 粉末成形技术-1
materials.
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（一）合批和混合的目的
1. 不同成分混合均匀；
2. 消除运输过程中产生的偏析或生产过程中不同 批号粉末之间的性能差异 3. 混入合金元素 4. 调整松装密度和流动性
5. 混e and Engineering
1.装粉要求：保证各高度（料腔）处装填系数相同！ 2. 基本方法： （1）手工装粉—重量法
要求：
☆ 保证粉料重量在允许误差范围内； ☆ 装料均匀，尤注意边角处的充填；
☆ 不能过分振动阴模，防止比重轻的组元上浮产
生偏析 ☆ 多台阶压坯，要严格控制各料腔的装填高度。
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（2）自动装粉—容量法
装于料仓中的粉末，通过送料器自动地送入阴模模腔中。
自动装料是自动压制的一个重要的工艺步骤！ 常用的装料方式有： 落入（下）法、吸入法、多余装料法、超满装料法、 零腔装料法、不满装料法 （图）
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V--制品的体积（由制品图算出），m3； d--制品要求密度，kg/m3； K--重量损失系数。
称料方法有两种： （1）重量法；（2）容量法。 （二）装料（粉） 将所称量的粉末装入模具中时，要求粉末在模腔内分布均匀、 平整，以保证压坯各部分压缩比一致。
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常用分级方法：筛分分级：
旋风分级、离心分级、沉降分级等。 粉末的粒度及粒度组成不同，影响压制和烧结工艺，且 对产品的最终性能也有重要影响！ 采用细颗粒粉末制成的产品，其强度较粗颗粒的高韧性 也好。
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。
粉末冶金材料的烧结
粉末冶金材料的烧结在粉末冶金生产过程中，为了将成型工艺制得的压坯或者松装粉末体制成有一定强度、一定密度的产品，需要在适当的条件下进行热处理，最常用的工艺是烧结。
烧结是把粉末或粉末压坯后，在适当的温度和气氛条件下加热的过程，从而使粉末颗粒相互黏结起来，改善其性能。
烧结的结果是颗粒间发生黏结，烧结体强度增加，而且多数情况下，其密度也提高。
在烧结过程中，发生一系列的物理和化学变化，粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚集体，从而获得具有所需物理、力学性能的制品或材料。
在粉末冶金生产过程中，烧结是最基本的工序之一。
从根本上说，粉末冶金生产过程一般是由粉末成型和粉末毛坯热处理这两道基本工序组成的。
虽然在某些特殊情况下（如粉末松装烧结）缺少成型工序，但是烧结工序或相当于烧结的高温工序（如热压或热锻）是不可缺少的。
另外，烧结工艺参数对产品性能起着决定性的作用，由烧结工艺产生的废品是无法通过其他的工序来挽救的。
影响烧结的两个重要因素是烧结时间和烧结气氛。
这两个因素都不同程度地影响着烧结工序的经济性，从而对整个产品成本产生影响。
因此，优化烧结工艺，改进烧结设备，减少工序的物质和能量消耗，如降低烧结温度、缩短烧结时间，对产品生产的经济性具有重大意义。
一、烧结过程的基本类型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。
烧结体按粉末原料的组成可分为由纯金属、化合物或固溶体组成的单相系，由金属，金属、金属－非金属、金属化合物组成的多相系。
为了反映烧结的主要过程和烧结机构的特点，通常按烧结过程有无明显液相出现和烧结系统的组成对烧结进行分类，如固相烧结和液相烧结，单元系烧结和多元系烧结等。
二、固相烧结粉末固相烧结是指整个烧结过程中，粉末压坯的各个组元都不发生熔化，即无液相出现和形成的烧结过程。
按其组元的多少，可分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
1.单元系固相烧结单元系固相烧结，即单一粉末成分的烧结。
例如各种纯金属的烧结、预合金化粉末的烧结、固定成分的化合物粉末的烧结等，均为单元系固相烧结。
粉末冶金工艺过程
粉末冶金工艺过程粉末冶金工艺过程2007-11-27 13:33粉末冶金材料是指不经熔炼和铸造，直接用几种金属粉末或金属粉末与非金属粉末，通过配制、压制成型，烧结和后处理等制成的材料。
粉末冶金是金属冶金工艺与陶瓷烧结工艺的结合，它通常要经过以下几个工艺过程：一、粉料制备与压制成型常用机械粉碎、雾化、物理化学法制取粉末。
制取的粉末经过筛分与混合，混料均匀并加入适当的增塑剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。
压力越大则制件密度越大，强度相应增加。
有时为减小压力合增加制件密度，也可采用热等静压成型的方法。
二、烧结将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。
由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合，提高了粉末冶金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。
经烧结后的制件中，仍然存在一些微小的孔隙，属于多孔性材料。
三、后处理一般情况下，烧结好的制件能够达到所需性能，可直接使用。
但有时还需进行必要的后处理。
如精压处理，可提高制件的密度和尺寸形状精度；对铁基粉末冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达到润滑或耐蚀目的而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗入制件孔隙中去的熔渗处理，可提高制件的强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。
粉末冶金工艺的优点1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。
2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。
用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。
3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。
粉末烧结工艺流程
粉末烧结工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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材料制备技术-粉末冶金
常用粉末冶金材料：
（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在 材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴 承、支承衬套或作端面密封等。
（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔 道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度 ，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高 温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔 电极、灭火装置、防冻装置等。
热模锻优势：
① 粉末冶金制件精度比精锻高；
① 可制造大型零件；
② 粉末锻造节省材料、重量控制精 ② 锻件力学性能比烧结粉
确、可无非边锻造，也能制造形状较 末冶金零件高，但与粉末
复杂制பைடு நூலகம்；
锻造件相当；
③ 粉末锻造只需一副成形模具和一 ③ 可制造形状复杂程度较
副锻模；热锻需两副以上锻模、一副 高的制品。
2．缺点 ① 粉末成本高； ② 形状、尺寸受到一定限制； ③ 成形模具较贵；一般要生产量在5000～10000个/批，才经 济。 ④ 烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。
与其他成型工艺比较（制造金属结构件）
1．和熔铸技术比较
粉末冶金优势：
铸造优势：
① 粉末冶金制件表面光洁度高； ① 形状不受限制；（粉末冶
采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自 然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后 ，以粉末锥的高度衡量流动性;粉末锥的底角称为natural angle of repos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的 流动性越差；反之则流动性越好。
如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；
第三章 粉末冶金
第一节 概述 第二节 粉体制备技术 第三节 成型技术
粉末材料的合成与加工
常用的烧结设备包括电炉、燃气炉、微波烧结炉和热压烧结炉等， 选择合适的设备可以提高烧结效率和材料质量。
03 粉末材料的应用
粉末冶金
粉末冶金是一种通过将金属粉末或金属粉末与非金属粉末混合，经过压制和烧结， 制成金属材料或复合材料的技术。
粉末冶金可以生产出具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀等优异性能的金属材料， 广泛应用于汽车、航空航天、能源、电子等领域。
电池材料是电池制造的关键，直接影 响电池的性能和安全性。
04 粉末材料的未来发展
新材料的研究与开发
高性能复合材料
01
利用粉末冶金技术制备具有优异性能的复合材料，如碳纤维增
强金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
新型功能材料
02
研究开发具有特殊功能的新型粉末材料，如超导材料、磁性材
料、光学材料等，以满足高新技术领域的需求。
混合设备
常用的混合设备包括球磨机、搅拌 机、捏合机和气流混合机等，选择 合适的设备可以提高混合效率和均 匀性。
粉末的造粒
造粒原理
粉末的造粒是通过物理或化学方 法将粉末颗粒聚集成具有一定形 状和大小的颗粒，以提高其流动
性和可加工性。
造粒方法
常用的造粒方法包括喷雾干燥、 喷雾凝结、滚筒造粒和挤出造粒 等，选择合适的造粒方法取决于 粉末的性质和所需的颗粒形状与
化学法Leabharlann 沉淀法通过化学反应使溶液中的 离子或分子形成沉淀，然 后经过滤、洗涤、干燥等 步骤得到粉末。
气相法
将气态原材料在一定条件 下进行化学反应，生成固 态粉末。
水热法
在高温高压的水环境中进 行化学反应，生成粉末材 料。
机械法
球磨
将原材料放入球磨机中，通过球磨球 之间的碰撞和摩擦将原材料破碎成粉 末。
第三章 粉末烧结材料合成与制备
满足式2γ/r=Pg(T), 即保持平衡 凡是小于22um的孔洞, 由于满足式2γ/r>Pg(T)孔洞的本征Laplace应力大于 孔洞气体膨胀应力而收缩; 而大于22um的孔洞将膨胀 (b) 溶解度失配
自由能的降低主要是通过孔洞的收缩来实现的 烧结开始时, 孔洞的形状并不是球形, 而是由尖角形 圆滑菱形 近球形逐渐向球形过渡, 如下图所示
此时, 孔洞的收缩必然伴随着颗粒接触区的扩展 这个接触区最先被称作金属颗粒之间的 桥 , 或定义 为颈
颗粒之间接触的直接结果是颈部出现了曲率半径 Laplace和Young以弯曲液体表面为例, 给出了表面 的曲率半径 表面张力和表面所受的应力差值
一般金属粉末的Dv比陶瓷粉末的Dv大, 因而金属粉末的粒度可以粗些, 而陶瓷则须细粉末才能获得好 的烧结结果, 这与烧结经验是完全吻合的
(b) 本征Laplace应力 除了松散烧结(也称重力烧结)之外, 粉末总是在被压制成某种形状的压坯后再进行烧结的 这样的颗粒
系统就有另外两个本征的特点 颗粒之间的接触和颗粒之间存在着 空隙 或称孔洞 系统表面的减少
1.1 颗粒的烧结活性 (a) 扩散性
理论上, 单个颗粒作为一种晶体物质, 它的烧结性取决于其原子扩散的难易程度 扩散理论给出了原子 扩散能力的表征, 其中包括自扩散系数D, 即晶体内无化学位梯度时原子扩散的能力 对于实际晶体, 如 金属体系中, 原子的自扩散系数又通常可以用三个扩散系数表示
(1)体积扩散系数Dv 原子在晶体内部或晶格内的扩散能力, 亦称为晶格扩散系数; (2)晶界扩散系数Dgb: 原子沿晶界的扩散能力;
第三章 粉末烧结材料合成与制备 第一节 烧结过程
对于不同的粉末系统 应用不同的烧结技术, 烧结过程也就各有不同 下图给出典型的烧结过程类型 一般地讲, 烧结过程可以分为两大类, 不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结, 简称不加(无)压烧结和 加压烧结
粉末材料的合成与加工
工业界对超微细粉制备工艺的要求主要包括：
产品粒度细而且均匀稳定、粒度分布要窄 产品纯度高，无污染 能耗低、产量高、产出率高、生产成本低 工艺简单连续，自动化程度高，生产安全可靠
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Intensity
100
相对强度
积分 强度
80
60
40
20
0
100
20世纪中后期：超细粉碎技术及超细粉末制备技术发展 机械粉碎设备及相关技术：气流粉碎机、高效搅拌球磨机、
旋转碾碎机、冷冻粉碎机，一般仅能获得微米或亚微米粉末（物理的） 通过化学的或物理化学的制备技术：蒸发凝聚、湿化学法、喷雾法、
气相法等，可获得微米、亚微米和纳米粉末
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2．与粉末制备技术相关的技术的发展
3.1 微米及亚微米粉末的特性
与块体和颗粒材料相比，主要性能变化表现在： 比表面积增大，表面能大，表面活性高 当两种微米或亚微米粉末材料复合时可产生熔点 下降或功能强化效应
3.2 纳米粉末材料的特性
纳米材料与块体材料的物理化学性质有明显的差异 从结构上看：纳米颗粒不同于原子又不同于结晶体，它可以
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表面改性
C纳米管表面的Pt改性
Pt纳米粒子在碳纳米管(CNT) 表面分布均匀
Pt纳米粒子和CNT之间结合强 度高 引入偶联剂
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聚苯胺：CNT =5:1
粉末材料的分类、特性及应用
1．粉末材料的分类 粉末材料：具有一定粒度的颗粒材料统称为粉末材料。 按粒度大小可分为：粗粉、细粉、微粉、超微粉、纳米粉
粉末材料的合成与加工
黄端平
duanpinghuang@ 15871372591
1部分粉末冶金化学法制备
二、典型还原制粉类型
碳还原法
Fe3O4 4CO 3Fe 4CO2
氢还原法
WO3 3H 2 W 3H 2O
还原化合法
2 Al2O3 3C 2N2 4 AlN 3CO2 WO3 C 3H 2 WC 3H 2O
二、电 解法
1、电解制粉原理
3.电流效率与电能效率
举例:电解法生产铜粉
1、水溶液电解法生产铜粉的工艺 电解质:硫酸铜水溶液 阳极，主要是铜失去电子变成铜离子进 入 溶液Cu→Cu2++2e 阴极，主要是铜离子放电而析出金属铜 Cu2++2e→ Cu 2、影响因素 电解液组成 电解条件
(1)电解液组成 a、金属离子浓度： [Cu2+]浓度越低，粉末颗粒越细。因为， 在其它条件不变时，[Cu2+]越低，扩散速度慢，即向阴极扩散 的金属离子数量越少，形核速度远大于晶核长大速度。 [Cu2+] 浓度增加，电流效率也增大。因为Cu2+浓度增加， 有利于提高阴极的扩散电流，从而有利于铜的沉积，提高电流 效率。但是，提高电流效率，则使粉末变粗。 b、酸度（H+浓度）：一般在阴极上氧化与铜同时析出，则有 利于得到松散粉末。但形成粉末时并不都有氢析出。 提高酸度有利于氢的析出，电流效率降低。但当金属离子 浓度转高时，则随着酸度的提高，电流效率也提高。 c、添加剂：电解质添加剂主要是提高电解质溶液的导电性或 控制PH值在一定范围内。 非电解质添加剂（有动物胶，植物胶、尿素、葡萄糖等） 可吸附在晶粒表面上阻止晶粒长大，金属离子被迫建立新核， 促进得到细的粉末。 （2）电解条件
电解铜粉的防氧化处理——钝化处理
• 铜粉的钝化处理是使成品铜粉在低温、低湿度及洁净的空 气中进行自身氧化而形成一层完整致密的原始氧化膜。实 践表明，铜粉在一定的温度、湿度及洁净的空气中，其颗 粒表面会形成一层100~400Å的致密氧化亚铜（Cu2O）膜， 即原始氧化膜，它能阻止外来介质（如O2、SO2、H2O等） 进入铜的基体，同时，也能有效地阻止铜离子穿过膜向着 膜的表面迁移。 • 钝化处理的工艺条件： 钝化处理的最大相对湿度不超过48%； 钝化处理的最高室温不超过17℃； 钝化处理时间最短不少于10~15天； 铜粉本身必须干燥，含水率在0.05%以下； 钝化处理必须在洁净的空气中进行，严防各种活性气体介 质进入； 在钝化处理期间内，粉末不宜密封包装，而应让其暴露。
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
硬质合金生产技术之压制和烧结
硬质合金生产技术之压制和烧结-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII第三章压制第一节压制机理一，压制过程：粉末压制成型是粉末冶金生产的基本成型方法；在压摸中填装粉末，然后在压力机下加压，脱模后得到所需形状和尺寸的压坯制品，，粗略分三阶段：1，压块密度随压力增加而迅速增大；孔隙急剧减少。
2，压块密度增加缓慢，因孔隙在1阶段中大量消除，继续加压只是让颗粒发生弹性屈服变形。
3，压力的增大可能达到粉末材料的屈服极限和强度极限，粉末颗粒在此压力下产生塑性变形或脆性断裂。
因颗粒的脆性断裂形成碎块填入孔隙，压块密度随之增大。
二，压制压力：压制压力分二部分；一是没有摩擦的条件下，使粉末压实到一定程度所需的压力为“静压力”（P1）；二是克服粉末颗粒和压模之间摩擦的压力为“侧压力”（P2）。
压制压力P=P1+P2侧压系数=侧压力P2÷压制压力P=粉末的泊松系数u÷（1-u）=tg2（45º-自然坡度角Φ÷2）侧压力越大，脱模压力就越大，硬质合金粉末的泊松系数一般为之间。
三，压制过程中的压力分布：引起压力分布不匀的主要原因是粉末颗粒之间以及粉末与模壁之间的摩擦力。
压块高度越高，压力分布越不均匀。
实行双向加压或增大压坯直径，能减少压力分布的不均匀性。
四，压块密度分布：越是复杂的压块，密度分布越不均匀；除压力分布的不均匀（压力降）外，装粉方式不正确，使压块不同部位压缩程度不一致，也会造成压块密度不均匀。
1，填充系数：是指压块密度Y压与料粒的松装密度Y松的比值；压缩比：是指粉末料粒填装高度h粉与压块高度h压之比；在数值上填充系数和压缩比是相等的。
K=Y压÷Y松=h粉÷h压2，为了减少压块密度分布的不均匀性：（1）提高模具的表面光洁度；（2）减少摩擦阻力；（3）提高料粒的流动性；（4）采用合理的压制方式；3，粉末粒度对压制的影响；（1）粉末分散度越大（松装越小），压力越大。
第三章 烧结生产工艺ppt课件
③低负压小风量操作：ΔP=9.8～11.8KPa Q＝50～ 60m3/(m2·min)，其意义为：低能耗，低产量，钢铁生 产不景气时，采用此法提高产品质量。
⑵烧结终点的控制及判断 烧结终点：控制料层厚度、垂直烧结速度与机速，使烧
结终点正好位于最后(或前一个)风箱处。中小型烧结机 一般控制在倒数第二个风箱上。
护箅条，延长使用寿命，提高作业率； ②铺底料组成过滤层，可防止粉料从炉箅缝隙被抽走，减少烟
气含尘量，延长抽风机转子的使用寿命； ③防止细粒料堵塞和粘结箅条，保持有效抽风面积不变，使气
流分布均匀，减小抽风阻力，提高烧结机产量，降低返矿率； ④改善烧结机操作条件，便于实现烧结过程的自动控制。
13
⑵布料要求： ①沿台车宽度方向上，粒度及化学成分均匀确保透气性一致。 ②料层厚度符合要求，保证料面平整，并有一定松散性，防止
第三章 烧结生产工艺 3.1烧结生产工艺流程
1
包钢1烧：210m2，有效长60米，宽3.15米，风箱23个， 台车108块，上下各54块。
2
3
烧结机台车外侧 烧结机\烧结机.mp4 烧结机\烧结机1.m4p4
3.2 烧结原料 原料：含铁矿粉；熔剂；燃料 要求：
1）铁矿粉： 品位高，成分稳定，杂质少，粒度8-10mm 以下。
整理，烧结矿处理\底料运输.mp4 整理，烧结矿处理\返矿运输.mp4 整理，烧结矿处理\烧结矿运输.mp4 整理，烧结矿处理\缓慢移动的环冷机.mp4
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3.6强化烧结生产的技术措施
一、加强烧结原料准备，改善料层透气性
⑴改进原料粒度和粒度组成 ⑵强化混料作业，提高制粒效果
适宜粒度组成：3-0mm <15%,3-5mm40-50%, 5-10mm<30%;>10mm<10%.
粉体材料的合成与制备
《材料合成与制备》课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料的合成与制备所属专业：材料化学课程性质：专业必修课学分：2学分（36学时）（二）课程简介、目标与任务、先修课与后续相关课程；课程简介：材料的合成与制备课程是介绍现代材料制备技术的原理、方法与技能的课程，是材料化学专业一门重要的专业必修课程。
目标与任务：通过本课程的学习，使学生掌握材料制备过程中涉及的材料显微组织演化的基本概念和基本规律；掌握材料合成与制备的基本途径、方法和技能；掌握目前几种常见新材料制备方法的发展、原理、及制备工艺；培养学生树立以获取特定材料组成与结构为目的材料科学研究核心思想，培养学生发现、分析和解决问题的基本能力，培养创新意识，为今后的材料科学相关生产实践和科学研究打下坚实的基础。
先修相关课程:无机化学、有机化学、物理化学、材料科学基础（三）教材与主要参考书教材：自编讲义主要参考书：1. 朱世富，材料制备科学与技术，高等教育出版社，20062. 许春香，材料制备新技术，化学工业出版社，20103. 李爱东，先进材料合成与制备技术，科学出版社，2013二、课程内容与安排第一章引言1.1 材料科学的内涵1.2 材料科学各组元的关系（一）教学方法与学时分配讲授，2学时。
（二）内容及基本要求主要内容：材料科学学科的产生、发展、内涵；材料科学与工程学科的四个基本组元：材料的合成与制备、材料的组成与结构、材料的性质与性能、材料的使用效能；材料科学四组元的相互关系。
【掌握】：材料科学学科的内涵、材料科学学科的四组元、四组元间的相互关系。
【了解】：几个材料合成与制备导致不同组成与结构并最终决定性质与性能的科研实例。
【难点】：树立以获取特定材料组成与结构为核心的学科思想。
第二章材料合成与制备主要途径概述2.1 基于液相-固相转变的材料制备2.3 基于固相-固相转变的材料制备2.4 基于气相-固相转变的材料制备（一）教学方法与学时分配讲授，2学时。
粉末冶金原理-烧结 [兼容模式]
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Cv = Cvo ⋅ (1 + σΩ / KT ) ∆Cv = Cv − Cvo = CvoσΩ / KT = −Cvo ⋅ γΩ / KT ρ
空位浓度梯度： ∆Cv / ρ = −Cvo ⋅ γΩ / KTρ 2 过 剩空位浓度梯度引起烧结颈表面下微小区域内的空位向球体扩 散， 原 子朝相反方向迁移，烧结颈长大
1 1 1 = − r x ρ ρ << x 1 1 ≈ − r ρ
E f = E f '±σ ⋅ Ω
Cv = Cvo ⋅ exp(σΩ / KT )
QσΩ << 1
exp(σΩ / KT ) ≈ 1 + σΩ / KT
∆P颈 = − P0 γΩ / KT ρ
对于球表面，1/r=2/a (a为球半径）
p
粉末有自动粘结或成团的倾向 粉末烧结使系统自由能减少的过程 p 烧结系统自由能降低是烧结过程的原动力。烧结 后系统自由能降低包括下述几个方面： p (1)由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表 面平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能 减小。 p (2)烧结 体内孔隙的总体积和总表面积减小； p (3)粉末 颗粒内晶格畸变部分消除。
2. 定义
p
p p p
3．分类 由于粉末冶金材料既包括纯金属，也包括有几种成分组 成的合金，化合物及复合材料，因此，根据组元的多少和烧 结过程中有无液相出现，可将烧结分为几个基本类型： （ 1）单元系烧结：单相纯金属、固溶体或化合物在其熔点以 下的温度进行的烧结（在熔点以下，当然是固相烧结） 。 如钨、钼条等纯金属的烧结，黄铜、青铜等固熔体（单－相 的粉末）的烧结，Al2O3、B4C等化合物的烧结。 （ 2）多元系烧结：由两种或两种以上的组元构成的烧结体系 （两种或两种以上粉末混合在一起。
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这时, 处理问题的基本模型
dr 2γ = − K (r ) − Pg (r2T ) + Pe dt r
式中, r 闭孔洞的半径 K(r) 某一函数关系与孔洞半径有关, 并取决于孔洞胀大机制 Pg(r,T) 闭孔内 气体压强 Pe 施加的外压强; 2γ/r 使孔洞收缩的本征Laplace应力 一般金属粉末在空气中压制, 比如电解Cu粉在空气中压制, 压坯的某些封闭孔隙之内会有氮气存在 烧结时还会由于氢还原氧化物而产生水汽 氮气与水汽都不溶于金属Cu 下图是该压坯于900C在氢气中
1 1 ∆σ = γ ( − ) x ρ
式中负号表示ρ从孔洞内计算, 正号表示x在颗粒内计算半径值 同时可注意到, 颈部凹表面拉伸应力σ的 存在, 相当于有压应力P作用在两球接触面的中心线上, 使两球靠近
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应当强调指出, 影响颈部Laplace应力的主要因素是颈部的曲率半径 而不是表面张力 比如纯固体 的表面张力γ在低于熔点的烧结温度下, 其值变化不大, 如铜, 熔点下为1.65N/m 室温下为1.37N/m, 可视 为常数 而x和ρ与颗粒半径有关, 对不同粒度粉末颗粒变化是相当大的, 由亚微米到几十微米之间至少变 化三个数量级 1.3 反致密化 烧结过程中, 烧结体膨胀而不是收缩是一种反致密化现象 典型的例子如 金属Cu粉压坯在氢气中于 800 1000 烧结l0h以上, K-Si-Al掺杂的W的电直热烧结的末期 Mo-O-C-H系统的烧结 Bi系高温超导 体2212相转变为2223相的烧结, 高比重W-Ni-Fe合金在氢气中于1450 接近8h的烧结, Fe-10%Cu的液相 烧结, 甚至在ZnO的热压过程中也会发生这种反致密化现象 其诱发因素, 反致密化的机制可以包括 (l)烧结末期闭孔中气体压强的作用 (2)液相存在时, 固-液与液一固溶解度失配 (3)相变引起的晶粒形 状的改变; (4)不等量互扩散 (a) 封闭孔洞中的气体 首先考虑气体在固相粉末颗粒内溶解度为零的情况, 即不溶性气体问题 是
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典型粉末的本征驱动力∆E及计算参考数值 比表面积 固体密度 摩尔质量 粉末 粒度 /cm2.g-l /g.cm-3 /g.mol-1 /µm 2 8.9 63.55 Cu l50 5 l0 8.9 58.69 Ni 10 4 103 W 0.3 104 19.3 183.85 Al2O3 0.2 1 05 4.0 12.0
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(3)表面扩散系数Ds: 原子沿各种表面, 主要是自由表面的扩散能力 对于离子晶体, 物质的扩散能力还可由阴 阳离子在化学位梯度下的化学扩散系数 以晶体本身热运 动产生的点缺陷作为迁移载体的本征扩散系数 以掺杂引起的点缺陷作为迁移载体的非本征扩散系数来 表征 晶体内原子从一个位置跳到另一个位置的运动必然要受到某种 阻力 从自由能的角度考虑, 这个 阻力 就是原子扩散所需要克服的势垒 实验表明, 温度升高, 能够克服这个势垒的原子数目增加 因 此, 原子自扩散系数可表示为
Dv ≈1 ( 2a ) 3
式中 Dv 体积扩散系数(cm2/s) 2a 粉末粒度(µm) 例如, Dv的数量级为10-12cm2/s, 则粉末粒度要在lµm左右 如果Dv太低, 则某些共价键材料(如Si的Dv为 -14 l0 cm2/s)若要充分地烧结致密化就要求使用粒度为0.5µm左右的粉末 一般金属粉末的Dv比陶瓷粉末的Dv大, 因而金属粉末的粒度可以粗些, 而陶瓷则须细粉末才能获得好 的烧结结果, 这与烧结经验是完全吻合的 (b) 本征Laplace应力 除了松散烧结(也称重力烧结)之外, 粉末总是在被压制成某种形状的压坯后再进行烧结的 这样的颗粒 系统就有另外两个本征的特点 颗粒之间的接触和颗粒之间存在着 空隙 或称孔洞 系统表面的减少
自由能的降低主要是通过孔洞的收缩来实现的 烧结开始时, 孔洞的形状并不是球形, 而是由尖角形 圆滑菱形 近球形逐渐向球形过渡, 如下图所示 此时, 孔洞的收缩必然伴随着颗粒接触区的扩展 这个接触区最先被称作金属颗粒之间的 桥 , 或定义 为颈 颗粒之间接触的直接结果是颈部出现了曲率半径 Laplace和Young以弯曲液体表面为例, 给出了表面 的曲率半径 表面张力和表面所受的应力差值
2/3 Wm ∆E = γ sv Wm S p − 6 d
由于, Wm S p
∆E = γsvWmSp 由此式可大致给出1摩尔质量分数粉末的过剩表面能 下表列出几种典型粉末的相应数据及计算的∆E
∆σ = γ (
1 1 + ) R1 R2
式中 R1与R2表示表面上相互垂直的两个曲线的曲率半径, 称为主曲率半径 对于不加压固相烧结的颗粒系统, 由颗粒接触形成的曲率半径对Laplace应力有重要影响 颗粒接触形 成的颈如下图所示 图中, x表示接触面积的半径, ρp表示颈部的曲率半径, 即上式中R1与R2, 则颗粒接 触的本征Laplace应力为
的饶结密度随烧结时间变化的实验曲线 可以发现超过6h的长时间烧结, 烧结密度明显降低 因此 根 据上述典型可认为其原因是由于封闭孔洞中的氮气与水汽的压力造成了压坯体积膨胀 作为理论估计, 由上式右边, 令括号内两项之和等于0, 不加外压, 即Pe=0, 则有下列判据判断孔洞膨胀或收缩 2γ/r=Pg(T) 孔洞尺寸不变 2γ/r>Pg(T) 孔洞收缩 2γ/r<Pg(T) 孔洞膨胀 很容易计算出封闭孔洞内气压 用理想气体PV=nRT关系 可计算出由室温300K升至烧结温度l200K时 压力约增加(1200/300 0.1) 0.1=0.3MPa, 取表面张力γ=1.65N/m 那么, 22µm(r=1.1 10-6m)的孔洞刚好
γsv /J.m-2 1.6 1.9 2.9 1.5
本征驱动力 ∆E/J.mol-l 5.1 4.5 10 5.3 102 1.5 103
总之 粉末粒度越粗, 比表面越小, 本征表面能驱动力就越小, 而粒度越细, 比表面越大, 本征表面能驱 动力就越大 这也是实际烧结中细粉比粗粉易于烧结的原因 在不同种粉末之间比较颗粒系统的烧结活性时 , 不要忘记单个颗粒的烧结活住即粉末晶体的自扩散 性 综合考虑这两个因素来确定烧结活性, 有一个判据是值得注意的 要想在适当的烧结时间内获得饶结体的充分致密化, 粉末颗粒系统应当满足下示关系
∆G D = D0 exp − RT
式中 D 对于纯固体为自扩散系数 D0 指前因子; ∆G 自扩散激活能; R 气体常数; T 热力学温度 上式中指数项表示的是能够克服势垒而跃迁的原子的几率 由此可知, 烧结温度越高, 颗粒内原子扩散 系数越大 而且按指数规律迅速增大, 烧结进行得越迅速, 扩散系数越大的物质, 在给定的烧结温度下, 原子扩散的能力越强 所以, 在给定烧结温度的晶体粉末的扩散系数值 可以代表粉末本征的烧结活性 (b)晶体缺陷 若一原子邻近有一个空位, 这个原子移动到空位上, 则原来的位置就成了空位 原子与空位的这种交 换, 可以认为是原子向空位位置运动, 也可以认为是空位向原子位置运动 不论哪种说法, 都是说同时出 现了原子扩散和方向相反的空位扩散 这样, 在平衡状态下, 原子的自扩散系数就可以与空位扩散系数及 空位平衡浓度联系起来
第三章 粉末烧结材料合成与制备 第一节 烧结过程 对于不同的粉末系统 应用不同的烧结技术, 烧结过程也就各有不同 下图给出典型的烧结过程类型 一般地讲, 烧结过程可以分为两大类, 不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结, 简称不加(无)压烧结和 加压烧结
固相烧结是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中在一定 的气氛保护下, 保温一段时间的操作过程 所设定的温度称为烧结温度, 所用的气氛称为烧结气氛, 所用 的保温时间称为烧结时间 固相多元系反应烧结 一般是以形成被期望的化合物为目的的烧结 化合物可以是金属间化合物, 也 可以是陶瓷 烧结过程中颗粒或粉末之间发生的化学反应可以是吸热的, 也可以是放热的 活化烧结是指固相多元系, 一般是二元系粉末固相烧结 常常通过将微量第二相粉末(常称之为添加 剂 活化剂 烧结助剂)加入到主相粉末中去的方法, 以达到降低主相粉末烧结温度, 增加烧结速率或抑 制晶粒长大和提高烧结材料性能的目的 液相烧结也是二元系或多元系粉末烧结过程, 但烧结温度超过某一组元的熔点, 因而形成液相 液相可 能在烧结的一个较长时间内存在, 称为长存液相烧结, 也可能在一个相对较短的时间内存在, 称之为瞬 时液相烧结 比如, 存在着共晶成分的二元粉末系统, 当烧结温度稍高于共晶温度时出现共晶液相, 是一 种典型的瞬时液相烧结过程 值得指出的是, 活化烧结和液相烧结可以大大提高原子的扩散速率, 加速烧结过程, 因而出现了把它 们统称为强化烧结的趋势 对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压, 则是所谓的加压烧结 热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧 结过程 热等静压是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加答向同性的等静压力的烧结过程 粉末热锻, 又称烧结锻造, 一般是先对压坯预烧结, 然后在适当的高温下再实施锻造 更复杂一点的烧结是将上述典型烧结过程进行 排列组合 , 形成一系列的液相热压 反应热压和反 应热等静压等复杂的烧结过程 烧结过程一般可以被分解为下述7个阶段 (l)颗粒之间形成接触; (2)烧结颈长大(颈长); (3)连通孔洞闭 合; (4)孔洞圆化; (5)孔洞收缩和致密化; (6)孔洞粗化 (7)晶粒长大 一般讲烧结初期指的是颗粒之间形成接触和烧结颈长大阶段, 烧结中期包括了连通孔洞闭合 孔洞圆 滑和孔洞收缩与致密化阶段 烧结后期是指孔洞粗化和晶粒长大阶段 1.1 颗粒的烧结活性 (a) 扩散性 理论上, 单个颗粒作为一种晶体物质, 它的烧结性取决于其原子扩散的难易程度 扩散理论给出了原子 扩散能力的表征, 其中包括自扩散系数D, 即晶体内无化学位梯度时原子扩散的能力 对于实际晶体, 如 金属体系中, 原子的自扩散系数又通常可以用三个扩散系数表示 (1)体积扩散系数Dv 原子在晶体内部或晶格内的扩散能力, 亦称为晶格扩散系数; (2)晶界扩散系数Dgb: 原子沿晶界的扩散能力;