烧结基本理论与类型介绍

10
ຫໍສະໝຸດ Baidu
铜粉颗粒间的接触压力： F（r）=2450/r（MPa）
r=3nm，接触压力为817MPa r=6nm，接触压力为408MPa r小于1.5nm，为排斥力
11
（2）烧结颈形成与长大(neck growth)
前期的特征：形成连续的孔隙网络，孔隙表面光滑化； 后期的特征：孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发生
7
8
9
粘结面形成导致：
坯体的强度增加，表面积减小 金属粉末产生烧结：导电性能提高是粉末烧结发生的标志
，而非出现烧结收缩 为什么能形成粘结面？
范德华力: 接触压力ｐ＝20-300MＰa（接触距离为0.2nm时） 金属键合力: 约为范德华力的20倍 附加应力（存在液相时） 电子作用力：电子云重叠，导致电子云密度增加
17
二、 烧结温度和烧结时间 1. 烧结温度
（1）单元系烧结的起始温度 单元系烧结时，存在一最低起始温度，既使烧结体物理
力学性能发生显著改变的温度。 许提：密度发生显著改变的最低塔曼温度指数α：
α= Ts/Tm 不同金属，α值不同（Ts不同）：Au—0.3，Cu—0.35，
Fe—0.4， W—0.4……
化合物：Al2O3、MoSi2、SiC 等
3
一、 烧结的基本过程（烧结阶段的划分） 1. 烧结过程的现象 （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
4
（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。
烧结基本理论和类型介绍
Theory of Sintering
本章内容
§5.1 概述 §5.2 烧结过程热力学 §5.3 烧结机构 §5.4 单元系烧结 §5.5 多元系固相烧结 §5.6 液相烧结 §5.7 活化烧结
2
第四节 单元系烧结
定义：单相（纯金属、固定成分化合物或均匀固溶 体）粉末或压坯在固态下烧结，烧结过程中不出现 新的组成物或新相、无物质聚集状态的改变。 实例：纯金属：W、Mo、Cu、Fe，
23
24
三、 烧结体显微组织的变化 1. 烧结体孔隙的变化 孔隙的形状、大小、数量、分布都发生变化
孔隙形状：连通网络→封闭→球化 孔隙大小：平均尺寸逐渐减小，烧结后期，闭孔
形成后，小孔消失，少数孔隙尺寸可能增大
25
孔隙分布：靠近晶界、表面处的孔隙易通过扩散 消失，最终少量隔离孔隙远离表面和晶界。
20
（3） 烧结温度 T 指最高烧结温度，即高温保温温度 一般：T烧绝 =（2/3-4/5） T熔绝 （α=0.67-0.80） 下限略高于：再结晶温度， 上限取决于：性能要求、技术和经济因素
21
2. 烧结时间t
指高温保温阶段的时间 注意：烧结时间≠烧结过程时间 烧结曲线：T-t关系曲线
T
t
22
26
孔隙数量：一般烧结后密度增加，总孔隙率减少， 但开、闭孔率变化趋势不同。
27
2. 再结晶与晶粒长大 （1） 单元系烧结再结晶的基本形式
颗粒内再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触表面， 向相邻颗粒内长大，晶粒边界不越过颗粒边界。
颗粒间聚集再结晶：再结晶形核发生于颗粒接触 表面，向相邻颗粒内长大，晶粒边界越过颗粒边界， 颗粒合并，晶粒长大。
（3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙…… （4）晶粒长大 （5）烧结体强度增大，物理性能明显改善
5
2. 烧结阶段的划分 等温烧结按时间划分成界限不十分明确的三个阶段：
➢ 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
6
（1） 粘结面的形成
在粉末颗粒的原始接触面，通过颗粒表面附近的原 子扩散，由原来的机械啮合转变为原子间的冶金结 合, 形成晶界。
18
（2） 按温度划分的烧结阶段
1）低温预烧阶段：α≤0.25 金属回复、吸附气体、粘结剂等排除
2）中温升温烧结阶段： α≤0.45-0.55 再结晶、形成烧结颈
3）高温保温完成烧结阶段：α≤0.5-0.85 闭孔形成、烧结体密度增加
19
Three stages of sintering
Burn-off: create permeability by remove lubricants or binders
16
Hirschhorn的烧结阶段划分：
1）颗粒间开始粘接 Interparticle bonding 2）颈部长大 Neck growth 3）孔道封闭 Closure of pore channels 4）孔洞圆滑 Rounding of pores 5）孔洞收缩或致密化 Pore shrinkage，densification 6）孔洞粗化 Pore coarsening
28
（2）影响烧结再结晶的因素 1）孔隙：阻碍再结晶晶粒长大 → 烧结再结晶晶粒长大发生于烧结后期，孔隙
明显减少后！
再结晶后晶粒尺寸d f df=d/f d/d0 =d/df =f =0.1
d、d0 —孔隙、原始粉末颗粒尺寸 f—孔隙体积分数
High temperature stage: solid-state diffusion and bonding the particles with sufficient time to produce desired density
Cooling period: lower temperature while retain controlled atmosphere, prevent oxidation occur or thermal shock
迁移。
12
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 颗粒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
13
14
15
（3） 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 处于晶界上的闭孔有的可能消失，有的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。