【管理资料】烧结-粉末冶金原理PPT(4)汇编
粉末冶金原理简介课件
化学共沉淀法
总结词
通过化学反应使金属离子共沉淀形成均匀的金属氧化物或硫化物粉末。
详细描述
化学共沉淀法是一种制备金属粉末的方法，通过化学反应使金属离子共沉淀形成 均匀的金属氧化物或硫化物粉末。在沉淀过程中，控制溶液的pH值和浓度等条 件，使不同金属离子同时沉淀，形成成分均匀的混合物粉末。
喷雾干燥法
定义
粉末烧结是一种通过加热使粉末颗粒 间发生粘结，从而将它们转化为致由烧结和压制烧结。
烧结原理与过程
原理
烧结过程中，粉末颗粒通过表面扩散、粘性流动和塑性变形等机制相互粘结， 形成连续的固体结构。
过程
烧结过程通常包括加热、保温和冷却三个阶段，其中保温阶段是粉末颗粒粘结 的主要阶段。
能源领域
粉末冶金多孔材料可用于制造 燃料电池电极、核反应堆控制 棒等能源相关领域。
医疗器械
粉末冶金材料具有生物相容性 和耐腐蚀性，适用于医疗器械 制造，如人工关节、牙科植入
物等。
粉末冶金的发展历程
01
02
03
早期发展
粉末冶金起源于古代金属 加工技术，如青铜器时代 的铜合金制造。
20世纪发展
随着科技的发展，粉末冶 金在20世纪得到了广泛研 究和应用，涉及领域不断 扩大。
05
粉末冶金材料性能
力学性能
高强度和硬度
粉末冶金材料通过细晶强 化等手段，表现出较高的 硬度和强度，能够满足各 种复杂工况的需求。
良好的耐磨性
由于粉末冶金材料的晶粒 细小且均匀，其耐磨性优 于传统铸造和锻造材料。
抗疲劳性能
由于材料的内部结构均匀 ，可以有效抵抗疲劳裂纹 的扩展，提高零件的寿命 。
特点
粉末冶金具有能够制备传统熔炼 方法难以制备的合金、材料纯度 高、材料性能可调范围广、节能 环保等优点。
烧结-粉末冶金原理PPT(4)
2020/5/24
Part 2： 粉末烧结
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
计算机模拟
双球模型
原子迁移机构,扩散机构
组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的 反应
借助于建立物理、几何或化 学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
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Part 2： 粉末烧结
为什么能形成接触面？
➢ 范德华力:接触压力ｐ＝20-300Mpa （接触距离为0.2nm时）
➢ 静电力 ➢ 金属键合力:约为范德华力的20倍 ➢ 电子作用力 ➢ 附加应力（存在液相） ➢ 金属键合力 ➢ 电子作用力 ➢ 电子云重叠，导致电子云密度增加
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Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
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Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
• 蒸气压较高：Mn,Zn，Cd,CdO等 • 高温:接近烧结材料的熔点 • 化学活化：添加氯离子的烧结 • 纳米粉末的烧结
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Part 2： 粉末烧结
由Gibbs-Kelvin公式得到蒸气压差 P=PoγΩ/(kTR)
Po —平面的饱和蒸气压； R—曲面的曲率半径。
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Part 2： 粉末烧结
第一章 概述
§1 烧结的定义与分类 §2 烧结理论的研究范畴和目的 §3 烧结技术的发展
粉末冶金第4章单元系粉末烧结
第四章单元系粉末烧结Sintering of single component§1 烧结现象（简介）纯金属、固定化学成分的化合物和均匀固溶体的粉末烧结体系1. 烧结现象：1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解）→形成内压→若内压超过颗粒间的结合强度→膨胀,起泡或开裂等→废品2）当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大产生回复和再结晶现象由于颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。
3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙4）晶粒长大1.烧结温度与时间（自学）T=（2/3-4/5）Tm2.烧结密度与尺寸变化（自学）§2 烧结过程中的晶粒长大1 .烧结材料的晶粒尺寸细小：在粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小而在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象但与普通致密材料相比较，烧结材料的这种晶粒长大现象几乎可以忽略。
原因有二：孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍烧结温度低于铸造温度1)对晶界的阻碍作用：烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的迁移。
粉末颗粒的原始边界随着烧结过程的进行一般发展成晶界。
烧结坯中的大量孔隙大都与晶界相连接。
孔隙对晶界迁移施加的阻力:随其中孔隙尺寸的减小而降低孔隙的数量的下降而降低当孔隙度固定时，孔隙数量愈大，这种阻碍作用也愈强相应地，晶粒长大趋势亦小在相同烧结条件下，粒度粗的粉末易得到较粗大的晶粒而粒度较细的粉末则易获得较细小的晶粒结构细粉时，孔隙数量大，对晶界的阻碍作用较强但烧结温度过高或烧结时间过长，则会发生聚集再结晶当烧结坯中的孔隙尺寸和总孔隙度下降到一定程度后，孔隙的阻碍作用迅速减弱，导致晶界与孔隙发生分离现象。
这时，晶内孔隙形成。
粉末中的夹杂物也对晶粒长大施加一定的阻碍作用。
夹杂物包括硅酸盐和稳定性高的金属氧化物对晶界迁移的阻碍作用大于孔隙因为孔隙随着烧结过程的进行可减弱或消失。
而夹杂物一般难以消除（若夹杂物在烧结过程中稳定）同时,粉末烧结温度远低于铸造温度故粉末烧结材料的晶粒一般较细小2 .晶粒长大（grain growth）的阻碍作用模型若附在晶界上的孔隙的尺寸为rP，平均晶粒尺寸为Ga，则孔隙的体积分数为fP=48(rP/Ga)3假设单位晶界面积上的孔隙个数为N，则N=24/πGa2晶界迁移的驱动力F=2kγgb(1/Ga-1/G)k=4/5(for normal grain growth)孔隙或夹杂物及溶质原子对晶界的拉力为Fd=πrPγgb(N+MP/Mb)其中：孔隙的移动性MP=An/rPnAn、rn依赖于导致孔隙迁移的物质迁移机构其中δ为表面层厚度；m为摩尔质量；αˊ为蒸发速度常数晶界移动性Mb=(αC∞+1/Mo)-1Mo：晶界本征移动性，C∞：溶质原子的平均浓度因而对晶界总的拉力为Fd=πrPγgb(N+AnαC∞/rPn+An/MorPn)产生晶界与孔隙分离或形成晶内孔隙的条件是晶界迁移驱动力F≥施加在晶界上的拉力Fd容易发现rP愈小,N↑，→Fd↑细粉末难以形成内孔隙原始晶粒尺寸分布愈均匀，晶界与孔隙分离的机率也愈小晶粒长大动力学方程为Gn -Go n =kt 2<n≤3Ga为平均晶粒尺寸孔隙等的存在导致晶粒长大速度下降§3 纳米粉末的烧结特性与烧结技术1. 纳米晶材料具有传统与微米晶材料的不同特性不透明→透明；脆性→超塑性；绝缘→导体；电子材料：很高的磁阻，超磁性（可控的能带间隙）技术困难纳米粉体的烧结是为了得到纳米晶全致密的块体材料(矛盾)2.目标：关键是在保持块体材料呈现纳米晶结构，而又能获得全致密化纳米粉末具有本征的偏离平衡态的亚稳结构纳米晶结构还导致晶体结构的改变固溶度增加物理性能改变问题是1）烧结后产生晶粒粗化→非纳米晶结构活性高:烧结驱动力用于致密化和晶粒长大2）试样细寸细小，特别是难以得到出现性能突变的可供测试的样品，无法判断对应晶粒尺寸3）工程应用也受到制约为什么纳米粉末颗粒的烧结活性很高？1）烧结热力学具有巨大的表面能，为烧结过程提供很高的烧结驱动力，使烧结过程加快2）烧结动力学由烧结动力学方程(X/a)m=F(T).t/am-n纳米粉末颗粒的a值很小达到相同的x/a值所需时间很短，烧结温度降低。
粉末冶金原理 PPT
临界转速与圆筒直径有关,其关系为:
球体发生滚动得临界条件为:
;反之发生滑动。
β为筒体转动时,球体表面发生倾斜,在一定得转速与装球
量下得倾斜角
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一、粉末制备技术
球体滚动与自由下落就是最有效得研磨方式, 并且粉末得细磨只有在滚动下才能实现,因为细小 得颗粒不会被球体得冲击所再粉碎
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一、粉末制备技术 (2)影响球磨得因素
球磨机中得研磨过程取决于众多因素: 筒内装料量、装球量、球磨筒尺寸、球磨机 转速、研磨时间、球体与被研磨物料得比例 (球料比)、研磨介质以及球体直径等。
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一、粉末制备技术
例如:球磨筒转速n＝0、7-0、75n临界时,球体发生抛 落; n＝0、6n临界时,球体发生滚动; n<0、6n临界时,球
体以滑动为主。 在一定范围内,增加装球量能提高研磨效率。但如
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一、粉末制备技术
图1-3为机械合金化装置示意图。 机械合金化与滚动球磨得区别在于:使球体运动得驱动力 不同。
图1-2 斯韦科湿式振动球磨机
图1-3 机械合金化装置示意图
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一、粉末制备技术
2、1、3 涡旋研磨 一般机械研磨只适合于粉碎脆性金属或合金,
涡旋研磨则可以有效地研磨软得塑性金属或合金。 由于在涡旋研磨中,研磨一方面依靠冲击作用,另一 方面还依靠颗粒间、颗粒与工作室内壁以及颗粒与 回转打击子相碰时得磨损作用。
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绪论
粉末冶金工艺得基本工序 1、原料粉末得制备。现有得制粉方法大体可分为两类:机
械法与物理化学法。其中机械法又可分为:机械粉碎与雾 化法;物理化学法又分为:电化腐蚀法、还原法、化合法、 还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其 中应用最为广泛得就是还原法、雾化法与电解法。
粉末冶金原理简介PPT课件
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一、粉末制备技术
1. 在不同状态下制备粉末的方法 1.1 在固态下制备粉末的方法 1.2 在液态下制备粉末的方法 1.3 在气态下制备粉末的方法 2.常用的粉末制备方法 2.1 机械粉碎法 2.2 雾化法 2.3 还原法 2.4 气相沉积法 2.5 液相沉淀法 2.6 电解法 3. 本章小结
3.现代粉末冶金技术的发展中共有三个重要标志： 1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。1909 年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923年粉末冶金硬质 合金的出现被誉为机械加工中的工业革命。
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4
绪论
2）20世纪三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶 金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金制品少切削 甚至无切削的优点。
从金属熔盐电解制取金属和金属化合物粉末的
有熔盐电解法。
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一、粉末制备技术
1.3 在气态下制备粉末的方法 （1）从金属蒸气中冷凝制取金属粉末的有蒸
气冷凝法；
（2) 从气态金属羰基物中离解制取金属、合 金粉末以及包覆粉末的有羰基物热离解法；
（3）从气态金属卤化物中气相还原制取金属、 合金粉末以及金属、合金涂层的有气相氢还原法；
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。
4、粉末冶金能保证材料成分配比的正确性和
均匀性。Βιβλιοθήκη 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的
产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶
金法制造能大大降低生产成本。
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绪论
➢ 粉末冶金材料和制品的发展方向
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一、粉末制备技术
粉末冶金概论PPT课件
机械合金化制备的合金粉末具有优异的综合性能，如高硬度、良好的耐磨性和耐腐 蚀性等，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
化学共沉淀法
化学共沉淀法是一种制备金属或金属氧化物粉末的常用方法。
电子工业
粉末冶金材料可用于制造电子元件和 集成电路的封装外壳、散热器等。
国防工业
粉末冶金技术对于国防工业至关重要， 用于制造高性能的武器装备和军事器 材。
05
04
航空航天
粉末冶金材料具有高强度、轻量化的 特点，在航空航天领域中广泛应用于 制造飞机和火箭的结构件。
粉末冶金的发展历程
20世纪初
粉末冶金技术开始发展，主要用于制造含油轴承 和硬质合金。
粉末冶金在新能源领域的应用 主要包括风能、太阳能等领域
。
粉末冶金零件如粉末冶金轴承 、粉末冶金齿轮等在风力发电 机组中广泛应用，提高了风能
利用率。
粉末冶金材料在太阳能光伏电 池的制造过程中也发挥了重要 作用，提高了光电转换效率。
随着新能源技术的不断发展， 粉末冶金在高效储能、绿色能 源转换等方面的应用将具有广 阔前景。
在喷雾干燥法中，首先将原料溶液或悬浮液送入雾化器， 在雾化器中经压力或旋转作用形成细小液滴，然后在热空 气中迅速蒸发干燥，得到固体粉末。
喷雾干燥法制备的粉末具有粒度均匀、形状规则、流动性 好等优点，广泛应用于陶瓷、涂料、医药等领域。
热分解法
1
热分解法是一种通过加热分解含有目标产物的化 合物来制备金属或非金属粉末的方法。
05 粉末冶金材料
硬质合金
硬质合金是由硬质相和粘结剂 组成的粉末冶金材料，具有高 硬度、高耐磨性和良好的化学 稳定性。
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。
粉末冶金简介全版.ppt
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2、从保证压坯质量的角度来考虑
a）压坯密度均匀性：如下图（a）由于减小了压坯的长细比，从而可以提高压 坯的密度均匀性；图（b）采用凹坑向下的方向压制，可以部分地减少凹坑的装 粉，有助于改善密度分布，凹坑越深改善越明显；图（c）凸脐朝上，因上模冲 下行，压坯上部密度提高以免因凸脐部分少装粉所带来的密度偏低的不足。
1、等高压坯密度均匀设计
a）细长类零件：如图所示的衬套类零件压坯，在采用单向压制时，其上下密度 差达0.46g/cm3，硬度差达25HB，其压溃值低于200MPa；如采用双向压制，其 上、下与中间的密度差小于0.13g/cm3，硬度差可以控制在5HB范围内
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b）薄壁类零件：如下图所示，二个零件的外径与高度相同，但内径不同，壁厚 不同，采用双向压制后，左侧零件整体密度为6.55g/cm3，上端密度为 6.62g/cm3，中间密度为6.44g/cm3，下端密度为6.61g/cm3；右侧零件整体密度 为6.47g/cm3，上端密度为6.64g/cm3，中间密度为6.33g/cm3，下端密度为 6.61g/cm3。可以看出壁厚越小，整体密度越低，上、中、下密度差也越大，这 是阴模内壁与芯棒表面对粉末的摩擦阻力增大所致。
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3、Ⅲ型压坯
指上、下端面都有两个台面的一类压坯。
通常由：阴模、两个上模冲、两个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所 示。
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4、Ⅳ型压坯
指下端面都有三个台面的一类压坯，包括两个外台阶面类和凹槽类。
通常由：阴模、一个上模冲、三个下模冲及芯棒所组成的模具成型，如下图所 示。
粉末冶金原理 烧结 PPT
实验验证：
以ln(x/a)作纵坐标、 ln t作横坐标 绘制实验测定值直线，若其斜率为1/2 则粘性流动为烧结的物质迁移机构
Kaczynski处理：
d t成正比
∴有：γ/ρ=Kˊη▪d x/(d t)
所以垂直作用于
＋）
曲面上的合力为
而作用在面积
上的应力为
负号表示作用在曲颈面 上的应力是张力， 方向朝颈外，其效果是使烧结颈扩大。 随着烧结颈 ）的扩大，负曲率半径的 绝对值亦增大，说明烧结的动力也减小。
对于形成隔离孔隙的情况，烧结收缩的动力可用下述 方程描述：
孔隙的半径
5.3烧结机构
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。
由Fick第一定律： d r/d t= —D v’▽C v = —D v γΩ/（kTr2）
分离变量并积分： ro3-r3 = 3γΩ/（k T）•D v t
线收缩率动力学方程： 由第二烧结几何模型：△a/a=1-Cosθ =2Sin2(θ /2)
=2(θ /2)2 θ =x/a很小 =x2/2a2 = △L/L
第五章烧结
1概述 2烧结过程的热力学基础 3烧结机构
1 概述
一、烧结在粉末冶金生产过程中的重要性 1、烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之
一。粉末冶金从根本上说，是由粉末成形和粉 末毛坯热处理（烧结）这两道基本工序组成的， 在特殊情况下（如粉末松装烧结），成形工序 并不需要，但是烧结工序，或相当于烧结的高 温工序（如热压或热锻）却是不可缺少的。
为了反映烧结的主要过程和机构的特点，通常按烧结过程
有无明显的液相出现和烧结系统的组成进行分类：
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
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Part 2： 粉末烧结
一、作用在烧结颈上的拉应力
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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
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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
四、烧结.ppt
1第四章烧结4.1 4.1 概述概述烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。
烧结是粉末和粉末压坯烧结是粉末和粉末压坯，，在适当温度和气氛下加热所发生的现象或过程所发生的现象或过程。
2按烧结过程有无明显的液相出现和烧结系统的组成分为和烧结系统的组成分为：：1）单元系烧结2）多元系固相烧结3) 3) 多元系液相烧结多元系液相烧结3粘结阶段颗粒的原始接触点或面转变成晶体结合颗粒的原始接触点或面转变成晶体结合，，即通过成核即通过成核、、结晶长大等原子过程形成烧结颈等原子过程形成烧结颈。
烧结体密度烧结体密度、、烧结体强度烧结体强度、、导电性等的变化烧结颈长大阶段原子向颗粒结合面迁移原子向颗粒结合面迁移，，烧结颈扩大烧结颈扩大，，颗粒间距缩小颗粒间距缩小，，晶粒长大，晶界越过孔隙移动晶界越过孔隙移动。
烧结体密度烧结体密度、、烧结体强度等的变化闭孔隙球化和缩小阶段烧结体致密度达到烧结体致密度达到90%90%90%以上以上以上，，孔隙闭合后孔隙闭合后，，孔隙形状趋于球形并缩小缩小。
4.2 4.2 烧结的基本过程烧结的基本过程41）烧结为什么会发生烧结为什么会发生？？2）烧结是怎样进行的烧结是怎样进行的？？4.34.3 烧结理论的两个最基本的问题51）烧结为什么会发生烧结为什么会发生？？烧结是系统自由能减低的过程。
•由于颗粒结合面的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小•粉末体内孔隙的总体积和总表面积减小•粉末内晶格畸变的消除62）烧结是怎样进行的烧结是怎样进行的？？烧结的机构和动力学问题，研究烧结过程中各种物质迁移方式以及速率。
7单元系烧结是指:纯金属或有固定成分的化合物的粉末在固态下的烧结，不会出现新组成物或者新相，也不会出现凝聚状态的改变。
4.4 4.4 单元系烧结单元系烧结8一、烧结温度和时间•单元系的烧结主要机构是扩散和流动构是扩散和流动。
粉末冶金培训资料-烧结理论
粉末冶金钢的烧结
• 为什么烧结 ? • • • • • • 烧结工艺 影响烧结的参数 烧结过程中发生了什么？ 烧结机理 烧结粉末冶金钢 烧结的类型
为什么烧结？
生坯状态 (冷焊)Leabharlann 烧结状态 (颗粒间的粘接)
金属粉末压坯
多孔金属
生坯和烧结状态
压制后
烧结后
烧结工艺
温度
1 室温
2
3
4
时间 1 脱蜡 (300 - 700℃) 2 C 分解 (800 - 950℃) 3 烧结 (1100 - 1300℃) 4 冷却 (冷却速率)
• 相变： F, P, B, M, γ • 碳化物析出
烧结的不同类型
• 温度 (< 1150 ℃, >1150 ℃) • 烧结炉 (批次炉, 推杆炉, 网带炉, 步进梁炉) • 气氛 (真空, 吸热性气氛, N2/H2) • 状态 (液相, 固相) • 压力 (常压, 增压) • 活化能 (颗粒尺寸, 形状，合金系统)
Fe - Cu 体系烧结膨胀机理
90%Fe 10%Cu 1150 ℃
烧结收缩机理
Fe-Cu 和 Fe-Cu-C 体系的尺寸变化
Cu
Cu + 1%C
影响尺寸变化的因素
• • • • • • • • 颗粒尺寸 合金元素 充填和压制不均匀 零件中合金元素分布不均匀 形成液相 烧结温度和时间 烧结炉的温度分布不均匀 烧结炉内气体流动不好
Ni 在 Fe-基的均质化
影响均质化的因素
Ni 颗粒尺寸: 5 um, 10 um 温度: 1000 - 1300C 时间: 0.5 -500 h
重要因素:
• 温度 • Ni 颗粒尺寸 • 时间
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。
粉末冶金工艺简介及问题点展示PPT课件
粉末冶金工艺能够生产传统熔铸工艺无法生产的具有特殊结 构和性能的材料和制品，如多孔、半致密或全致密材料和制 品，具有节材、省能、性能优异、产品精度高且稳定性好等 一系列优点。
粉末冶金工艺流程简介
制粉
将原料制成所需粉末，制粉方法包括 机械法（如球磨法）和物理化学法 （如还原法、雾化法、电解法）。
包括力学性能、物理性能、化学性能等，确保产品各项性能指标符 合标准要求。
检测方法
采用先进的检测设备和方法，如光谱分析、金相检验、力学性能测 试等，确保检测结果的准确性和可靠性。
评价标准
根据国家和行业标准，结合产品实际应用情况，制定合理的性能评价 标准，为产品质量判定提供依据。
06 问题点展示与解决方案探 讨
注射成型技术特点及应用范围
注射成型技术特点
将金属粉末与粘结剂混合后制成喂料 ，通过注射机将喂料注入模具型腔中 成型，具有成型精度高、生产效率高 、可成型复杂形状等优点。
应用范围
注射成型技术广泛应用于汽车、电子 、医疗器械等领域，如制造发动机零 件、齿轮、轴承、结构件等。
其他成型方法概述
轧制成型
将金属粉末通过轧辊压制成连续带材或板 材的方法，适用于制造薄板、带材等。
烧结过程中组织性能变化规律
致密化过程
随着烧结温度的升高和时间的延 长，粉末颗粒之间逐渐靠近、结 合，孔隙率逐渐降低，材料逐渐
致密化。
晶粒长大
在烧结过程中，粉末颗粒之间的 界面逐渐消失，晶粒逐渐长大。 过高的烧结温度或过长的烧结时 间会导致晶粒异常长大，影响材
料的力学性能。
相变与化学反应
在烧结过程中，可能会发生相变 或化学反应，如固溶、脱溶、氧 化、还原等。这些反应会改变材
粉末冶金原理烧结ppt课件
二、烧结的热力学问题
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 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： (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； (2)烧结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部分消除。
借助于建立物理、几何或化学模型， 进行烧结过程的计算机模拟（蒙特-卡 洛模拟）
粉末烧结过程模拟
多相粉末烧结
液相烧结
三、烧结技术的发展
● 外力的引入（加压同时烧结）： ➢ HP、HIP、超高压烧结（纳米晶材料）等 ➢ 气压烧结
●快速烧结技术
1 电固结工艺 2 快速热等静压(quick-HIP) 3 微波烧结技术 4 激光烧结 5 等离子体烧结 6 电火花烧结
按烧结过程有无液相出现
固相烧结：
单元系固相烧结：单相（纯金属、化合物、固溶体）粉末 的烧结：烧结过程无化学反应、无新相形成、无物质聚集 状态的改变。 多元系固相烧结：
两种或两种以上组元粉末的烧结过程，包括反应烧结等。
无限固溶系：Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等 有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等 互不固溶系：Ag-W、Cu-W、Cu-C等
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。
对烧结定义的理解-1：
● 粉末也可以烧结（不一定要成形） 松装烧结，制造过滤材料（不锈钢，青铜，黄铜，钛等）
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Part 2： 粉末烧结
§1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化
烧结三阶段
➢ 粘结面的形成 ➢ 烧结颈（sintering neck）的形成与长大 ➢ 闭孔隙的形成和球化
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一、粘结面的形成
Part 2： 粉末烧结
过程：在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表 面附近的原子扩散，由原来的机械嚙合转变为
三、闭孔隙的形成和球化
• 孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后发 展成孤立孔隙并球化
• 处于晶界上的闭孔则有可能消失 • 有的则因发生晶界与孔隙间的分离现象而成
为晶内孔隙（intragranular pore），并 充分球化 • 孔隙结构演化
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§2
Part 2： 粉末烧结
烧结热力学
结 操
2 决定了P/M制品的性能
作 3 烧结废品很难补救，如铁基部件的
的
脱渗碳和严重的烧结变形
重 要
4 热处理，过程能耗大→降低烧结温度是有意义
性
（降低能耗和提高烧结炉寿命）
5 纳米块体材料的获得必须依赖烧结过程的控制
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Part 2： 粉末烧结
§2 烧结理论的研究范畴和目的
烧结理论的研究目的： 研究粉末压坯在烧结过程中微观结 构的演化(microstructural evolution)和物质变化规律
Part 2： 粉末烧结
烧结-粉末冶金原理PPT(4)
1
含义
Part 2： 粉末烧结
1 粉末
松装烧结，制造过滤材料（不锈钢， 青铜，黄铜，钛等）和催化材料（铁， 镍，铂等）
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含义
Part 2： 粉末烧结
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
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Part 2： 粉末烧结
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
计算机模拟
双球模型
原子迁移机构,扩散机构
组元间的反应（溶解、形成 化合物）及组元与气氛间的 反应
借助于建立物理、几何或化 学模型，进行烧结过程的计 算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
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Part 2： 粉末烧结
单元系 粉末颗粒处于化学平衡态 粉末系统过剩自由能的降低是烧结
进行的驱动力
driving force for sintering
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Part 2： 粉末烧结
系统的过剩自由能包括：
• 总界面积和总界面能的减小
• E=γs.As+γgb.Agb/2。（主要） As为自由表面积,Agb为晶界面积 单晶时Agb=0，则为总表面能减小
有限固溶系
Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等
互不固溶系
组元间既不溶解，也不形成化合物
Ag-W、Cu-W、Cu-C等
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Part 2： 粉末烧结
液相烧结 在烧结过程中存 在液相的烧结过程。
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Part 2： 粉末烧结
1 粉末冶金工艺两个基本加工步骤之一
烧
磁粉芯和粘结磁性材料例外
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分类
Part 2： 粉末烧结
粉末烧结类型：
加压烧结 施加外压力(Applied pressure or pressure-assisted sintering) 热等静压 (hot isostatic pressing HIP)
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Part 2： 粉末烧结
无压烧结
不施加外压力 (Pressureless sintering)
后期的特征 孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发 生迁移
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Part 2： 粉末烧结
为什么会导致颗粒间的距离缩短？
• 原子的扩散，颗粒间的距离缩短 • 烧结颈间形成了微孔隙 • 微孔隙长大 • 聚合导致烧结颈间的孔隙结构坍塌 • 银粉的烧结提供了相关证据
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Part 2： 粉末烧结
固相烧结与液相烧结
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固相烧结
Part 2： 粉末烧结
单元系固相烧结烧结
单相（纯金属、化合物、固溶体粉 末）
烧结—单相烧结 过程包括反应烧结等
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固相烧结
Part 2： 粉末烧结
无限固溶系
Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等
§3 烧结技术的发展
外力的引入：HP、HIP、 超高压烧结（纳米晶材料）
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Part 2： 粉末烧结
快速烧结技术
1 电固结工艺
2 快速热等静压(quick-HIP)
3 微波烧结技术
4 激光烧结
5 等离子体烧结
6 电火花烧结
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第二章 烧结热力学基础
§1 烧结的基本过程与孔隙结构的演化 §2 烧结热力学 §3 烧结驱动力计算 §4 粉末烧结活性（简介）
但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
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含义
Part 2： 粉末烧结
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
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Part 2： 粉末烧结
孔隙数量或体积的演化—致密化 晶粒尺寸的演化—晶粒长大（纳米金属
粉末和硬质合金） 孔隙形状的演化 孔隙尺寸及其分布的演化—孔隙粗化、 收缩和分布
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Part 2： 粉末烧结
研究范畴:
烧结过程的驱动力
烧结热力学，即解决Why的问题 物质迁移方式
烧结机构，即解决How的问题， 也就是说物质迁移方式和迁移速度
原子间的冶金结合,形成晶界
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Part 2： 粉末烧结
结果： 坯体的强度增加，表面积减小 金属粉末烧结体：导电性能提高 是粉末烧结发生的标志 而非出现烧结收缩
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Part 2： 粉末烧结
为什么能形成接触面？
➢ 范德华力:接触压力ｐ＝20-300Mpa （接触距离为0.2nm时）
➢ 静电力 ➢ 金属键合力:约为范德华力的20倍 ➢ 电子作用力 ➢ 附加应力（存在液相） ➢ 金属键合力 ➢ 电子作用力 ➢ 电子云重叠，导致电子云密度增加
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Part 2： 粉末烧结
二、烧结颈（sintering neck）的形成与长大 (neck growth)
前期的特征 形成连续的孔隙网络，孔隙表面光滑化