烧结总结报告

粉末冶金烧结总结报告
41331033 叶星平
一．概述
烧结是：对粉末或压坯在低于主要组分熔点（约0.7~0.8T绝对温度）温度下保温，使颗粒相互联结（粒界变为晶界），减小或除去颗粒间的缝隙和孔洞，提高烧结体密度和强度。

烧结过程中发生的物理化学变化：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；原子间发生扩散，粘性流动和塑性流动，晶粒间的接触面积增大，再结晶等；还可能有固相的溶解和重结晶。

很复杂。

二．烧结的驱动力：
粉末颗粒比一大块的烧结体的比表面积大得多，粉末表面的原子都倾向于变成内部原子来降低能量（能量越低越稳定）这些由粉末变成烧结体减少的表面能就是烧结能够进行的主要驱动力。

还有由于晶格的缺陷所贮存的能量也是驱动力。

烧结中的物质迁移方式：表面迁移和体积迁移。

表面迁移主要：表面扩散，蒸发-凝聚；体积迁移主要：体积扩散，晶界扩散，塑性流动，粘性流动。

三、烧结三个阶段：粘结阶段，烧结颈长大阶段，闭孔隙球化和缩
小阶段。

1、开始阶段（粘结和烧结颈长大阶段）
粉末颗粒间的点接触能导致烧结颈的长大，这个过程的物质迁移
机构有：
粘性流动机构：在应力的作用下，原子或空位顺着应力的方向发生流动。

颗粒中心距离不发生变化，表面物质的迁移填充到接触颈部。

体积扩散机构：由于存在空位浓度面使原子发生流动，粉末颗粒中心距离减小。

蒸发-凝聚机构：在颗粒外表面的曲率半径与接触颈部的曲率半径是不相同的，接触点以外的表面的物质更易蒸发，然后在接触点凝聚，使烧结颈长大。

对烧结后期的孔隙球化起作用。

仅发生在高蒸汽压物质的烧结过程中。

表面扩散机构：表面的原子和表面的空位相互交换位置。

粉末表面在原子尺度上来看是凹凸不平的，即使没有畸变，表面也是阶梯状而不是连续的，所以表面原子很容易发生扩散和移动，低温烧结时占主导的是表面扩散。

晶界扩散机构：颗粒内部及表面的原子通过晶界向烧结颈移动，所以颗粒中心距离会缩小。

靠近晶界的孔隙总是优先被迁移过来的原
子填充。

塑性流动机构：烧结颈长大和形成可以看做是金属粉末在表面张力作用下发生塑性变形的结果。

仅适用于金属粉末烧结的早期阶段。

烧结过程中粉末颗粒的粘结是一个十分复杂的过程，多种因素中的主导因素视具体情况而定：细粉末颗粒烧结时表面扩散机构贡献更多；高温烧结时是体积扩散机构；某些易蒸发的金属粉末时是蒸发-凝聚机构；加压烧结时起主要作用的是塑性流动机构。

2、中间阶段烧结
中间烧结阶段是决定压坯性能的最重要阶段。

表征为烧结体的
致密化和晶粒长大。

此阶段烧结速率由晶粒边界和孔隙的几何形状控制。

孔隙与晶界之间的两种作用形式：孔隙可能在晶粒长大时被运动着的晶界所平直化；晶界可能从孔隙处中断。

占据在晶粒的棱边的孔隙会使烧结块致密化，占据在晶粒内部的孔隙会成为闭孔隙，没有致密化的发生。

因此为了增大烧结块的最终密度，可采取控制温度、加入第二相杂质（氧化物颗粒）、使用更均匀的粉末颗粒等措施。

在粉末为加压烧结的致密化过程中，体积扩散和晶界扩散器主导作用，促进烧结过程需要高温来提高空位或与原子的扩散系数。

在致密化的后期要防止晶粒长大（加入少量耐高温的、细的碳化物或氧化物等添加剂）和晶界减少甚至可积极制造晶界。

3．最终烧结阶段
在体积扩散机构作用下发生孔隙的孤立、球化和收缩。

晶粒的长
大晶界的迁移被孔隙中断，然后继续迁移把孔隙包容在晶粒内部导致孔隙的孤立。

晶界被孔隙中断后，孔隙的倾向于球化。

被包容在晶粒内部后，孔隙必须由空位扩散到晶界地区以进行收缩，这是一个缓慢的过程。

孔隙的收缩和消失是致密化的主要过程，孔隙内封闭的气体会抑制其收缩和消失。

体积扩散物质迁移机构对孔隙收缩是需要的。

在烧结最终阶段，孔隙消失的速率取决于孔隙密度、孔隙半径、体积扩散、晶粒大小以及应力的作用。

4．烧结体显微组织的变化
（1）. 孔隙的变化
接触点粘结，烧结颈长大开孔隙被填满最后只剩下隔断的闭孔隙。

之后小的闭孔隙消失，大的闭孔隙长大并球化，最后球形的大的闭孔隙稳定存在。

（2）. 再结晶与晶粒粗化
在压制成型的过程中，粉末颗粒受到一定的加工变形，存在形变
储存能，因此在高温保温的过程中会发生再结晶和晶粒粗化的过程。

再结晶的核心产生于形变较大的粉末颗粒接触的地方，因此粉末越细，再结晶形核越多，再结晶和晶粒长大之后的晶粒越小。

晶粒长大需要在保温足够长的时间下消耗形变的基体，当基体全部被再结晶晶粒占据时且还有形变储存能时，大晶粒吞并小晶粒继续长大直至平衡。

孔隙第二相杂质和晶界沟对晶界的迁移起钉扎作用，抑制晶粒的长大。

因此只有在烧结后期孔隙变得非常少时才发生晶粒长大。

四．混合粉末的烧结
1. 多元系固相烧结：均匀固溶体；混合粉末；烧结过程中固溶体分解。

下面讨论混合粉末的烧结。

就是使用金属粉末的混合物代替与合金粉末进行烧结。

与合金化类似，混合粉末烧结需要保证成分的均匀化。

因此混合粉末要细来减少原子在颗粒间的扩散距离；若两种粉末成分的扩散速率差异很大，不均匀会产生孔隙；若占少量的元素熔点比主要成分熔点低很多，那么就可能在烧结过程发生烧结体的膨胀；还有可能形成脆性的金属间化合物。

（1）无限互溶的混合粉末烧结：两种及其以上的元素的液相单质能无限互溶。

粉末越细，烧结烧结越长，温度越高，则烧结快越均匀。

（2）有限互溶的混合粉末烧结
（3）互不溶解的混合粉末烧结：系统中组元的熔点相差极大，常存组元间互不溶解的情况，能否进行烧结的条件是A-B 的表面能
小于颗粒A和颗粒B 的单独存在时的表面能之和，此时首先一种组元通过表面扩散包围另一种组元，尔后类似于单相烧结。

烧结温度不能超过粘结相的熔点。

2.混合粉末的液相烧结和熔浸：烧结温度可能超过熔点低的组分的熔点，使其液化。

液相可以快速迁移加快烧结。

（1）液相烧结的条件
润湿性：如果液滴能够完全分散在固体表面，则成为完全润湿。

若由于表面张力形成一个球滴可来回滚动，则是完全不润湿。

润湿促进烧结。

溶解度：固相在液相中的溶解度。

液相数量：填满颗粒间的间隙。

（2）液相烧结的基本过程
生成液相和颗粒重新分布阶段
溶解和析出阶段：较小颗粒和较大颗粒都会在液相中溶解，但析出在较大颗粒上，所以较大颗粒长大和球化，较小颗粒消失。

固相的粘结或形成刚性骨架阶段：固-固界面比固-液界面的界面能低。

（3）液相烧结时的致密化和颗粒长大
影响致密化因素：液相数量，液相对固相的润湿性，各个界面的界固能，固相颗粒大小，固相与液相间的溶解度以及压坯密度（压坯密度越大，压得越实，阻碍液相的润湿和填充孔隙）等。

颗粒长大：小颗粒溶解，大颗粒长大；通过颗粒中晶界的移动来
进行颗粒的聚集长大，通过溶解-析出球化。

（4）熔浸
将粉末压坯与液体金属接触或埋在液体金属内，让压坯的孔隙被金属液填充，冷却下来得到致密材料。

基本不发生收缩，时间短。

液相对固相的润湿性要好。

五．强化烧结，目的是提高烧结的致密化
1、活化烧结：采用化学或物理措施，降低烧结温度，提高烧结块密度及其他性能
类型一是依靠外界因素活化烧结过程，包括在气氛中添加活化剂、还原剂，周期性改变烧结温度，施加外应力等；类型二是提高粉末的活性，包括使粉末压坯表面预氧化，使粉末颗粒产生较多晶体缺陷，添加活化元素以形成少量液相等。

2、电火花烧结：利用粉末间火花放电所产生的高温+同时受外应力作用促进烧结。

3、相稳定化：稳定铁素体相，因为体心立方的铁素体比面心立方的奥氏体体积扩散能力高330倍。

六、全致密工艺
1、热压：适用于不适合熔炼而一般压制压不实的制品。

电阻加热和感应加热，有真空热压、震动热压和均衡热压。

2、热等静压：气体为介质，带有加热体装置。

3、热锻：减少摩擦
4、热挤：粉末或压坯装入宝套内，经过抽气、密封后进行热挤压。

5、喷雾沉积：将液体金属喷雾成坯体，再在热下直接锻造。

6、大气压固结：将粉末密封在玻璃（高温下形状易改变而不破）中，抽气，在大气压下进行真空烧结。

七、烧结气氛和烧结炉
1、烧结气氛：还原性气氛，还原活性高的金属
可控碳势气氛：控制烧结体中的碳含量
真空烧结：去除空气、水蒸气、减压
烧结填料：使烧结体加热更均匀并防止烧结体直接粘
连
2、烧结炉：间歇式烧结炉和连续式烧结炉
烧结材料的性能表征：断裂韧性
静态强度：抗拉压弯剪扭的强度
塑性
动态性能：冲击韧性和疲劳强度
硬度
弹性模量
3、孔隙度，孔径和渗透性的测定
孔隙度：
孔径：压入泵法、气泡法
渗透性：
4、烧结废品：
原因：加热温度和时间；烧结气氛；粉末或压坯有问题。

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