粉体成形与烧结
粉末冶金常用烧结方法
粉末冶金常用烧结方法第一篇：粉末冶金常用烧结方法粉末冶金常用烧结方法《often-used teehnigues in powder metallurgy sintering》摘要：粉末冶金是一门重要的零件成形技术。
粉末冶金新技术、新工艺的不断出现，必将促进高技术产业的快速发展，也必将带给材料工程和制造技术光明的前景。
目前，我国粉末冶金行业整体技术水平低下、工艺装备落后，与国外先进技术水平相比存在较大差距。
因此，大力发展粉末冶金新技术的研究，对提高我国粉末冶金产品的档次和技术水平，缩短与国外先进水平的差距具有非常重要的意义。
粉末冶金烧结就是将粉末或粉末压坯经过加热而得到强化和致密化制品的方法和技术。
烧结是粉末冶金过程中最重要的工序。
在烧结过程中，由于温度的变化粉末坯块颗粒之间发生粘结等物理化学变化，从而增加了烧结制品的电阻率、强度、硬度和密度，减小了孔隙度并使晶粒结构致密化。
Abstract：Powder metallurgy forming technology is an important part。
New technology of powder metallurgy technologies, emerging, will promote the rapid development of high-tech industry, will bring brighter prospects of material engineering and manufacturing technology.At present, the low overall level of powder metallurgy industry in China, process and equipment behind, compared with foreign advanced technical level there is a large gap.Therefore, development of study on the new technology of powder metallurgy, on improving the grade of powder metallurgical products and technology, reduced the gap with foreign advanced level has very important significance.Powder metallurgy sintering powder or powderCompact is strengthening and densification of products by the heating method and technology.Sintering is the most important process of powder metallurgy process.During the sintering process, due to changes in temperature of the Compact of powder particles bond between physical and chemical changes, thus increasing the resistivity of sintered products, strength, hardness and density, reduces the porosity of densification and grain structure.关键词：粉末冶金（Powder metallurgy），烧结（Sintering），技术（technology），粉末冶金烧结是使压坯或松装粉末体进一步结合起来，以提高强度及其他性能的一种高温处理工艺。
粉末成形与烧结讲义-第三部分
等静压基本原理 等静压制是借助高压泵的作用把流体介质(气体或液体)压入耐高压的和流体加压泵组成。辅助设备有流 体储罐、压力表、输送流体的高压管道和高压阀门等。
等静压力机按照工作室尺寸、压力及轴向受力状态可分成三种基本类型， 即拉杆式、螺纹式及框架式。
冷静压制按粉料装模及其受压形式可分为湿袋模具和干袋模具压制。
6.4.2.3 冷等静压压制工艺过程：
密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，使粉末体 在同一时间内各方向均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。
1. 美国人马登在1913年获得了用冷等静压方法成型钨、铂坯条的专利权；
2. 库利奇和弗期蒂尔分别于1917和1919年，取得了用等静压方法压制钨铜 管材的专利。菲斯于1928年撰文论述了湿袋式等静压制钨管的工艺，使难 熔金属粉末的等静压技术有了一定的发展；
6.4.2.1 等静压压制特点：
1. 等静压制流体介质传递压力是各向相等的，弹性模套本身受压缩的变形与 粉末颗粒受的压缩大体一致，弹性模套与接触粉末之间不会产生明显的相 对运动，故外摩擦小。
2. 由于各方压力相等，静摩擦力在压件的纵断面上任一点都应相等，故压坯 的密度分布沿纵断面均匀。但是沿压坯同一横向断面上，内于粉末颗粒间 的内摩擦的影响，压坯的密度从外往内逐渐降低，但密度差不大。
模具材料的选择及模具的制作-粉末料的准备以及将粉料装入模袋 -密封、压制-脱模。
1、模具材料的选择及模具的制作
粉末成形与烧结讲义-第二部分
烧结为什么会发生？烧结是怎么样进行的？
一、烧结的基本过程
5. 1938年，Price、Smithells相Williams首先研究了液相烧结的溶解析出现 象，提出相烧结过程是以小颗粒溶解和溶质在大颗粒上析出沉积而实现致 密化的。
6. 1945年费仑克尔发表粘性流动烧结理论的著名论文，这标志着烧结 理论进入一个新的发展时期。
7. 1949年，Kucsynskl（库钦斯基）发表了题为“金属颗粒烧结过程 中的自扩散”的论文，运用球—板模型，建立了烧结初期烧结颈长 大过程中体积扩散、表面扩散、晶界扩散、蒸发凝聚的微观物质迁 移机制，奠定了第一个层面上的烧结扩散理论的基础。
(2)烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小；
•表面能比晶格畸变能小，如极细粉末的表面能为几百J／mol，而晶格畸变能 高达几千J／mol，但是，实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体， 因此，烧结过程中品格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要 的，烧结体内总保留一定数量的热平衡空位、空位团相位错网。
2. 孔隙体积和空隙总数的减少以及孔隙的形状变化。由于烧结颈，颗粒 间原来相互连通的孔隙逐渐收缩成闭孔，然后逐渐变圆。在孔隙性质 和形状发生变化的同时，孔隙的大小和数量也在改变，即孔隙个数减 少，而平均孔隙尺寸增大，此时小孔隙比大孔隙更容易缩小和消失。
(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；
粉末冶金新技术-烧结
用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是: 先将由非 晶薄带经球磨制成的50～150μｍ非晶粉末装入WC/Co合金 模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度1×10-2Pa以下、升温 速度0.09~1.7K/s、温度673～873Ｋ、压力590MPa), 再把所 得的烧结体在1×10-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923Ｋ、 保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、 100Ｈｚ下的动态磁导率3430, 矫顽力12Ａ/ｍ。
3
双频微波烧结炉 生产用大型微波烧结炉 已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另 外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功 地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。
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2.爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺
方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用, 爆炸压 制时,只是在颗粒的表面产生瞬时的高温,作用时间 短,升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得 压制的材料密度可以达到理论密度的90%以上,甚至 达到99%。
3）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位, 都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。
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与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10~1/20。
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SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非 晶合金,在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数10ｎｍ，具有 体心立方结构，高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目 前只能是带材或粉末, 制作成品还需要将带材重叠和用树脂固 结, 这使得成品的密度和Bs均变低。近年, 日本采用SPS工艺研 究FeMeＢ块材的成形条件及磁性能。
粉体成型工艺课件
整、尺寸精确的成型件。
烧成与冷却
烧成
化，形成所需的结构和性能。
冷却
烧成后对成型件进行快速冷却，以获得良好的组 织和性能。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包括烧成温度、时间、气 氛等参数，以确保烧成过程顺利进行。
04
粉体成型工艺参数
Chapter
资源循环利用
对废弃粉体材料进行回 收再利用，实现资源循 环利用。
未来市场前景与挑战
市场前景广阔
随着科技的发展和产业升级，粉体成型工艺在新能源、新 材料、高端制造等领域有广泛应用。
技术创新是关键
持续推动粉体成型工艺的技术创新，以满足不断变化的市 场需求。
跨领域合作与协同创新
加强与相关领域的合作与交流，共同推动粉体成型工艺的 发展。
成型过程中的驱动力包括粉体颗 粒间的黏结力、外部施加的压力 等，驱动力的大小和作用方式决
定了制品的结构和性能。
填充与致密化
粉体颗粒在模具内通过流动、重排 、压缩等方式达到填充完全和致密 化。
冷却与脱模
成型后的制品需要经过冷却定型， 然后从模具中脱出。
03
粉体成型工艺流程
Chapter
原料准备与处理
THANKS
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粉体成型工艺的应用领域
粉体成型工艺广泛应用于汽车、航空航天、电子、能源等领域。
在汽车领域，粉体成型工艺主要用于生产发动机零件、变速器零件等；在航空航天领域，粉体成型工 艺主要用于制造高性能的轻质材料和结构件；在电子领域，粉体成型工艺主要用于制造电子元件和传 感器等；在能源领域，粉体成型工艺主要用于生产电池电极和燃料电池等。
原料性质的影响
原料的粒度
原料的粒度大小直接影响粉体的流动性、填充性以及成型时的致密度。较细的粒度可以提高粉体的流动性，但过细的 粒度可能导致成型时开裂。
粉末成形与烧结讲义第四部分课件
（3）继续升温到烧结温度及保温阶段 超过共晶温度继续升温，有更多WC 溶解列液相中，液相数量剧增；保温过程中， WC继续溶解到液相中，继续保 温只发生WC通过液相的溶解和再析出过程，WC晶粒逐渐长大，而两相的成分 和比例都维持不变。
热压致密化理论是在粘性或塑性流动烧结理论的基础上建立，并主 要沿着两个方向发展：(1)热压的动力学即致密比方程式，分为理论的 和经验的两类，前者由塑性流动理论和扩散蠕变理论寻出；(2)热压的 致密化机构，包括颗粒相互滑过、颗粒的破碎、塑性变形以及体积扩散 等。
热压烧结的特点：
1. 所需的成型压力仅为冷压法的1/10； 2. 降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了
液相烧结的机构表明，当固相的原子溶解于液相(粘 结相)时致密化速度增加，烧结所需时间缩短，从这个 意义上讲，能在烧结温度下形成液相的就可用作活化 烧结的添加元素。
但是，对于W—Cu—Ni重合金，当Cu与Ni比为1 ／2．5时，合金在低于Cu-Ni熔点的温度1050℃烧 结，烧结后可以看到钨颗粒形成明显的卵形结构，并 有明显的体积收缩。
液相烧结过程
液相烧结不同阶段的示意图(O:熔化;Ⅰ:重排;Ⅱ:溶解-沉淀;及Ⅲ:固相烧结)
（1）颗粒重排（Particles Re-arrangement） 在液相烧结过程中，颗粒间的液相膜起润滑作用。颗粒重排向减 少气孔的方向进行，同时减小系统的表面自由能。当坯体的密度 增加时，由于周围颗粒的紧密接触，颗粒进一步重排的阻力增加， 直至形成紧密堆积结构。
四、热压烧结
热压烧结（hot pressing）是在烧结过程中同时对坯料施加压力， 加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。
粉体成形与烧结
液相
溶解-沉淀传质 C f
烧结
它们都是以表面张力作为动力的。
（一）蒸发-凝聚传质
1、概念
固体颗粒表面的曲率不同，高温时在系统 的不同部位有不同的蒸气压，质点通过蒸发， 再凝聚实现质点的迁移，促进烧结。
模型
2、颈部生长速率关系式
根据开尔文公式、朗格缪尔公式，可以推导出球形颗粒 接触面积颈部生长速率关系式：
（3）化学成分 粉末的化学成分应包括主要金属 或合金组元的含量及杂质的含量。
粉末的杂质对后续工艺过程及最终制品质量都会 有较显著的影响。因而必须严格控制。如铁粉要 求酸不溶物在0.2%以下，氢还原减重在0.2%以下。
粉末混合
粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合 均匀的过程。混合的质量不仅影响成形过程和压 坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终 制品的质量。
烧结是是将坯体在适当的气氛条件下，加热到低于其 中基本成分的熔点的温度，保温适当时间，然后以一 定的方法和速度冷却到室温的过程。
烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度 增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从 而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。烧结体 强度大，密度大。
二.烧结过程
系在烧结温度下常有液相出现，<45%。
2）非常规烧结（特种烧结） 反应烧结 等静压烧结 热压烧结 活化烧结 电火花烧结 微波烧结
三、烧结机理
(一) 颗粒的粘附作用（烧结中期） (二) 物质的传递（烧结中后期）
(一) 颗粒的粘附作用
例1：
把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在 一起，然后沿纤维长度方向轻轻地相互 拉过，即可发现其运动是粘滞的，两根 玻璃纤维会互相粘附一段时间，直到玻 璃纤维弯曲时才被拉开，这说明两根玻 璃粘附纤力维的在大小接直触接处取决产于生物了质的粘表附面作能用和接。触面积，
粉体材料工艺学
粉体材料工艺学全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：粉体材料工艺学是研究粉末冶金、陶瓷、涂料等领域中粉末加工的工艺过程和技术的学科。
粉末材料广泛应用于各种工业和科学领域，具有许多优点，如高表面积、较高的强度、耐腐蚀性和耐磨损性等。
粉体材料工艺学在现代工业中具有重要的地位。
一、粉末冶金粉末冶金是利用金属、合金或其他材料的微细粉末作为原料，通过成形、烧结和热处理等工艺形成制品的一种制造方法。
在粉末冶金中，粉末颗粒的尺寸通常控制在几微米至几十微米之间，同时也可以通过合金化、添加增强相等手段改善产品的性能。
粉末冶金具有原料利用率高、能耗低、成形精确等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域。
1.1 粉末制备粉末制备是粉末冶金的第一步，其质量直接影响到后续工艺的成品质量。
粉末制备方法主要有机械研磨、化学法和高能球磨等。
高能球磨是一种通过金属球和容器之间的摩擦来实现粉末制备的方法，能够获得粒径更小、形貌更均匀的粉末。
1.2 成形和烧结在粉末冶金中，成形和烧结是关键的工艺步骤。
成形可以通过压制、注射成形等方式实现，烧结是将密实和连续的粉末颗粒通过加热使之结合成坚硬的形体。
烧结是粉末冶金中最重要的工艺步骤之一，影响着成品的密度、力学性能等。
1.3 热处理热处理是粉末冶金中的最后一步工艺，通过控制加热和冷却过程，调整制品的组织结构和性能。
常见的热处理工艺包括固溶处理、淬火和回火等。
热处理可以提高制品的硬度、强度和韧性，使其具有更好的性能。
二、陶瓷陶瓷是一种非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、绝缘等特性，在电子、航空航天、建筑等领域有广泛应用。
陶瓷材料制品的主要成形方法包括挤压、成型和注射成型等。
瓷粉是陶瓷制品的主要原料，其质量和成形性能对产品的质量起着关键作用。
瓷粉的制备方式有干法和湿法两种，其中湿法制备是通过将原料与溶剂混合成浆料，再经过干燥形成瓷粉。
陶瓷的成形和烧结工艺相对于金属材料更为复杂，因为陶瓷材料具有较高的烧结温度和较大的收缩率。
2024年粉末冶金的烧结技术(三篇)
2024年粉末冶金的烧结技术⑴按原料组成不同分类。
可以将烧结分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结。
单元系烧结是纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材料）或化合物(Al2O3、B4C、BeO、MoSi2等)熔点以下的温度进行固相烧结。
多元系固相烧结是由两种或两种以上的组元构成的烧结体系，在其中低熔成分的熔点温度以下进行的固相烧结。
粉末烧结合金多属于这一类。
如Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au、W-Mo、Ag-Au、Fe-Cu、W-Ni、Fe-C、Cu-C、Cu-W、Ag-W等。
多元系液相烧结以超过系统中低熔成分熔点的温度进行的烧结。
如W-Cu-Ni、W-Cu、WC-Co、TiC-Ni、Fe-Cu(Cu10%、Fe-Ni-Al、Cu-Pb、Cu-Sn、Fe-Cu(Cu10%)等⑵按进料方式不同分类。
分为为连续烧结和间歇烧结。
连续烧结烧结炉具有脱蜡、预烧、烧结、制冷各功能区段，烧结时烧结材料连续地或平稳、分段地完成各阶段的烧结。
连续烧结生产效率高，适用于大批量生产。
常用的进料方式有推杆式、辊道式和网带传送式等。
间歇烧结零件置于炉内静止不动，通过控温设备，对烧结炉进行需要的预热、加热及冷却循环操作，完成烧结材料的烧结过程。
间歇烧结可依据炉内烧结材料的性能确定合适的烧结制度，但生产效率低，适用于单件、小批量生产，常用的烧结炉有钟罩式炉、箱式炉等。
除上述分类方法外。
按烧结温度下是否有液相分为固相烧结和液相烧结；按烧结温度分为中温烧结和高温烧结（1100～1700℃），按烧结气氛的不同分为空气烧结，氢气保护烧结（如钼丝炉、不锈钢管和氢气炉等）和真空烧结。
另外还有超高压烧结、活化热压烧结等新的烧结技术。
2.影响粉末制品烧结质量的因素影响烧结体性能的因素很多，主要是粉末体的性状、成形条件和烧结的条件。
烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加压状况等。
⑴烧结温度和时间烧结温度的高低和时间的长短影响到烧结体的孔隙率、致密度、强度和硬度等。
粉末成形与烧结讲义-第四部分
WC—Co硬质合金的液相烧结
WC—Co硬质合金是液相烧结的典型例子： (1)Co对Wc完全润湿(θ→0)； (2)WC在Co中部分溶解； (3)烧结温度超过Co的熔点，而液相在WC中不溶解，故保温阶段始终存在液 相。
工业合金含Co量为3％一25％(重量)， 在过共晶相区。烧结温度随合金物含量增高 而降低，一般在1350~1480℃范围内。
第五节 粉末烧结工艺
按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类： 固相烧结和液相烧结。
固相烧结是指烧结温度下基本上无液相出现的 烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。
液相烧结是指有液相参与下的烧结，如多组分 物系在烧结温度下常有液相出现。
一、液相烧结
粉末压坯仅通过固相烧结难以获得很高的密度，如果在烧结温度下，低熔 组元熔化或形成低熔共晶物，那么由液相引起的物质迁移比固相扩散快，而 且最终液相将填满烧结体内的孔隙，因此可提高得密度、增强烧结产品机械 性能。
熔浸过程依靠外部金属液润湿粉末多孔体，在毛细作 用下，液体金属沿着颗粒间孔隙或颗粒内孔隙流动，直 到完全填充孔隙为止。因此，从本质上来说，它是液相 烧结的一种特殊情况；所不同的，只是致密化主要靠易 熔成分从外面去填满孔隙，而不是靠压坯本身的收缩。 因此，熔浸的零件，基本上不产生收缩，烧结所需时间 也短。
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种 粉末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧结 过程中而出现液相的烧结过程。
优点： １）提高烧结驱动力。 ２）可制备具有控制的微观结构和优化性能的陶瓷及金属复合材料；
液相烧结能否顺利完成(致密化进行彻底)，取决于同 液相性质有关的三个基本条件: 1．润湿性
粉体特性PPT
SM
N AVm Am Vmol M s
NA：阿伏伽德罗常数；Am：一个吸附分子所 占面积（16.2*10-20m2for N2)；Vmol：气体摩尔 体积；Ms试样质量
3 r
3
• 比表面积与粒径成反比 • 若颗粒表面不光滑，表面会急剧增大。 • 比表面大，活性高
比表面积测试方法
• BET测试法：是依据著名的多分子层吸附BET
（三位科学家：Brunauer、Emmett和Teller）理
论为基础而得名。
P Ps
1 P Ps C 1
Va 1 P Ps VmC
VmC
Da
W3
W1 W0
W0 W2
W1
DL
如果粉体足够细，不含闭孔气孔， 则Da=Du
孔隙率与孔径分布
• 压汞法(mercury intrusion porosimetry)
R 2 LV cos P
R:孔半径；P：压力；γLV：气液表面 能；θ：固液接触角
测量汞液面随压力下降量，可测的各 孔径的气孔量的分布
1
r0kBT
F2
N
i
Z
2 i
1/ 2
– 离子型分散剂（高分子电解质）
• 溶液中离子强度越大双电层越薄
– 离子浓度
– 离子电价
颗粒相互作用与浆料状态
• 分散状态（a，斥力） 浆料稳定，沉积体堆 积密度高；
• 凝聚状态（b，引力） 浆料不稳定，沉积快， 沉积体结构疏松。
陶瓷的制备过程
• 粉体——成型——烧结 • 薄膜
第三章 烧结成形
6、2 烧结的基本过程和机制
① 烧结的基本过程及驱动力
粉末有自动粘结或成团的倾向，粉末越细越明显。 粉末受热，颗粒之间发生粘结，即烧结现象。 烧结前颗粒的原始接触 烧结早期烧结颈的长大 烧结后期孔隙的球化 烧结的驱动力： 存在于粉末坯体内的表面能和晶格畸变能。
粘结阶段： 颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，通 过成核、晶粒长大等原子过程形成烧结颈。 烧结颈长大阶段： 原子向颗粒结合面大量迁移使烧结颈扩大，颗 粒间距缩小，形成连续的孔隙网络；晶粒长大， 晶界越过孔隙移动，被晶界扫过的地方，孔隙大 量消失。烧结体收缩，强度和密度增加。 闭孔隙球化和缩小阶段： 烧结体密度达90％以后，多数孔隙被完全分割 形成闭孔，此阶段烧结体收缩变缓。
第三章
第一节
烧结成形
概述
烧结（sintering） 粉状或粒状物料或压坯，在适当的温度和 气氛中受热发生物理、化学变化而固结的 过程，其结果是颗粒之间发生粘结，烧结 体的强度增加，多数情况下密度也提高。
烧结或烧成
通过高温处理，使坯体发生一系列物理 化学变化，形成预期的组成和显微结构， 从而达到固定外形并获得所要求性能的工 序。
第四节
陶瓷的烧成
烧成制品的发展：
砂→陶→瓷
砂：
是指不加粘结剂，直接将原料烧结成制品，不致密，孔隙 多。如砂锅。 原始砂锅，无粘结剂，烧结温度1000℃。 最初烧结温度较低（1000℃以下），现代发展高温烧 结（1200℃）例如紫砂壶。紫砂壶的原料为我国南方河 底淤泥的沉积物，颗粒非常细，因此，烧成的紫砂壶硬度 高，不仅表面细腻，而且还有微孔，在其表面滴水可吸入。 紫砂壶的原料中含有Fe，因次烧结后呈红色或红黑色。 Fe是变价元素，在不同温度下形成不同的产物，其颜色 也不同，因此原料中含Fe时，由于温度的影响，制品可 能出现不同的颜色。
粉末成形与烧结讲义-第一部分
[2]吴成义 等编著. 《粉体成形力学原理》. 冶金工业出 版社,2003,9
[3] [英] 理查德 J. 布鲁克 主编. 清华大学新型陶瓷与精 细工艺国家重点实验室 译. 材料科学与技术丛书（第17A 卷、第17B卷）：《陶瓷工艺》. 科学出版社,1999,6
浆料成形 （1）注浆成形 （2）流延成形 （3）电泳成形 （4）直接凝固成形 （5）凝胶注模成形 其他成形 喷射成形等
❖主要烧结方法分类 无压烧结 固相烧结、液相烧结、反应烧结等。 (可在空气、保护气氛或真空中进行) 加压烧结 热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。 可在空气、保护气氛或真空中进行。 活化烧结 物理活化烧结、化学活化烧结。
退火： 目的：除杂、消除加工硬化、钝化。 退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的0.5~0.6Tm。
制粒： 制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动 性。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔必须先 制粒。
混合： 混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时候， 为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程称为合批。
在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。
二、金属粉末压制时的位移与变形
粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强度，在压 制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触显著增加。也就是 说，压制过程中出现了位移和变形。
1．粉末的位移
粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象， 叫做搭桥。 当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充 孔隙，重新排列位置，增加接触。
粉末压制及烧结方法
粉末压制及烧结方法一、成形技术1、金属粉末注射成形技术( MIM)粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法，首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混练，经制粒后在加热塑化状态下(约150℃)用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。
被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。
由于在流动状态下，均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，密度一致，消除了传统粉末冶金压制成形不可避免的沿压制方向的密度梯度，可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件，并且产品的制造成本可以降低到传统工艺的20％～30％。
适合于大批量生产小型、复杂以及具有特殊要求的金属零件。
缺点：去除粘结剂可能会产生气孔问题。
2、激光成型技术激光成型原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层、每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体、粉末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层积累形成实体模型。
同传统的制造方法相比较，激光成型显示出诸多的优点：（1）制造速度快、成本低、节省时间和节约成本，为传统制造方法注入新的活力，而且可实现自由制造，产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关。
（2）采用非接触加工的方式，没有传统加工的残余应力的问题，没有工具更换和磨损之类的问题，无切割、噪音和振动等，有利于环保。
（3）可实现快速铸造、快速模具制造，特别适合于新产品开发和单间零件生产。
3、温压成形技术它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至150℃左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸。
该技术主要有以下几个方面的特点：能以较低的成本制造出高性能的铁基等粉末冶金零部件；提高零部件生坯密度；产品具有高强度；便于制造形状复杂以及要求精密的零部件；密度均匀等该技术目前主要用于生产铁基合金零件，同时人们正在研究用这种技术制备铜基合金、钛合金等其它材料零件。
粉体陶瓷成形技术
2.粉体的成形方法及设备
2.2粉体的制备 液体金属雾化法
许多雾化法部是采用双液流：一为液态金属流，—为 液体或气体流。后者冲击液态金属流，将之破碎成金属 液滴，随后凝固成粉末颗粒。对于制取铁、钢粉末，一 般用水或油作为冲击流体；对于某些特殊金属，则采用 空气、水蒸气或惰件气体作为冲击流体；对于其他金属， 用惰性气体氮、氩或氮作为雾化介质；在某些场合．采 用水蒸气。
2.粉体的成形方法及设备
2.4 粉体的成形
通过一定的方法，将粉体原料制成具有一 定形状、尺寸、密度和强度坯体的过程称 为成形 （1）压制成形 （2）塑性成形 （3）浇注成形
2.粉体的成形方法及设备
2.4 粉体的成形
压制成形——是粉 末陶瓷成形的常用 方法之一。将松散 的粉状原料放入模 具中，并施加一定 的压力后便获得块 状坯体。
粉末陶瓷成型技术
梁珠宝 201242056
粉末陶瓷成型技术 1 粉末陶瓷成型的基本原理 2 粉体的成形方法及设备
3 粉末陶瓷成形新技术
粉末陶瓷成型技术
1 粉末陶瓷成型的基本原理
概述
粉末陶瓷材料以粉体（粉末）为原材料， 经过成形和烧结工艺制备而成。
1.粉末陶瓷成型的基本原理
陶瓷材料的成形过程与粉末冶金相似，所不同的是两者采 用不同的原材料。 一般情况下，陶瓷材料的组织结构包括晶相、玻璃相和气 相三个部分，其中的晶相是陶瓷材料的主要组成相。
2.粉体的成形方法及设备
2.6后处理
粉末陶瓷制品在烧结中通常产生收缩、变形 以及一些表面缺陷，烧结后的表面粗糙度差， 一般情况下，不能作为最终产品直接使用。 浸渍：用油、石蜡、树脂填充烧结制品的空 隙。 精整：烧结后再模具中再压一次以获得所需 的尺寸精度和表面粗糙度。 精压：获得特定的表面形状和适当改善密度 的工艺。 复压：提高制品密度、提高强度的工艺。
材料科学基础14章烧结
气孔率、吸水率或烧结体密度与理论密度之比
（相对密度）等指标来表示。同时，粉末压块 的性质也随这些物理过程的进展而出现坯体收 缩，气孔率下降、致密、强度增加、电阻率下 降等变化。随；晶粒尺寸增
大。
三、相关概念
烧成：在多相系统内产生一系列物理和化学变化。例如 脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结 等。顾名思义，是在一定的温度范围内烧制成致密体的 过程。 烧结：指粉料经加热而致密化的简单物理过程，不包括 化学变化。烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。烧结 是在低于固态物质的熔融温度下进行的。 烧成常常是一个工艺术语，烧结常常指一个物理化 学的名词。
者之差可以由下式描述：
3 C Co RT
式中：ΔC为颗粒内部与表面的空位差；γ为表面能；δ3空 位体积；ρ曲率半径；Co为平表面的空位浓度。 这一浓度差导致内部质点向表面扩散，推动质点迁移，可
以加速烧结。
五.烧结过程的动力学描述方法
a.坯体收缩率或颈部变化：dv/dt，ΔV/V， 颈部半径x/原始粒径r； b.气孔率和吸水率： dPc/dt； c.体积密度与理论密度之比θ：θ=烧结体 体积密度/真密度，dθ/dt。
6 2 r 5t 5
2 5
Ω为一个空位体积，D* 为自扩散系数，x为颈部半径，r为原始粒径， γ表面张力， R气体常数， T为绝对温度，t为烧结时间。
讨论：a. x/r∝t1/5， ΔL/L∝t2/5 ，保温时间不宜过长； b.x/r∝r-3/5，r↓→x/r↑，ΔL/L↑；c.T↑→烧结↑。 扩散传质时，扩散可以沿颗粒表面进行，也可以沿 着两颗粒之间的界面进行或在晶粒内部进行，分别称为 表面扩散、界面扩散和体积扩散。不论扩散途径如何， 扩散的终点是颈部。随着颈部填充和颗粒接触点处结构 基元的迁移出现了气孔的缩小和颗粒中心距逼近、表现 在宏观上则气孔率下降和坯体的收缩。
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烧结
一.烧结概述 二.烧结过程 三.烧结机理 四.晶粒生长与二次再结晶 五.影响烧结的因素
一.烧结概述
烧结的目的：是把粉状材料转变为致密体。
6/1
12/2
a)烧结前
b)烧结后 铁粉烧结的SEM照片
烧结概念
x r
3 M 2 3P0
2R3 2T 3 2d 2
1
3
r
2
3
• t1 3
式中：
x/r —— 颈部生长速率；x —— 颈部半径； r —— 颗粒半径；γ —— 颗粒表面能； M —— 相对分子量；P0 —— 球形颗粒表面蒸气压； R —— 气体常数；T —— 温度； t —— 时间
3、影响因素 r、P0、t、T
三.化学沉积法
电化学法 化学还原法
化学还原法
典型还原制粉的类型：
电化学法
电化学反应
阳极反应：
Cu 2e Cu2
阴极反应：
Cu 2 2e Cu(粉末)
粉末性能
粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大 影响，因而对粉末的性能必须加以了解。粉末的性能可分 为物理性能、化学性能和工艺性能。
1、颈部应力分析
应力分布： 无应力区：球体内部 压应力区：量球接触的中
心部位的σ2 张应力区：颈部的σρ
颈表面张应力区空位浓度大于晶体内部； 受压应力的颗粒接触中心空位浓度最低。
由晶界（接触点）向颈部扩散比晶体内部向颈部扩散能力强。
热力学认为，由于 表面张应力的存在， 使空位的生成能减 小。故在张应力区 存在着过剩的空位， 其数量与该微区的 曲率和表面张力成 正比。
2.3.烧结分类
1）常规烧结（是否出现液 相）固相烧结：在烧结温度下基本上无液相出现的
烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程 液相烧结：有液相参与下的烧结，如多组分物
烧结是是将坯体在适当的气氛条件下，加热到低于其 中基本成分的熔点的温度，保温适当时间，然后以一 定的方法和速度冷却到室温的过程。
烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度 增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从 而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。烧结体 强度大，密度大。
二.烧结过程
（3）化学成分 粉末的化学成分应包括主要金属 或合金组元的含量及杂质的含量。
粉末的杂质对后续工艺过程及最终制品质量都会 有较显著的影响。因而必须严格控制。如铁粉要 求酸不溶物在0.2%以下，氢还原减重在0.2%以下。
粉末混合
粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合 均匀的过程。混合的质量不仅影响成形过程和压 坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终 制品的质量。
用粉末冶金法制造机械零件与仪表零件的经济效益对比
第一节 粉末的制取
烧结制品基本工艺流程包括： 粉末制备、压制成形、烧结 粉末制备： 机械法
物理法 化学法
高质量的原料粉末，应该具备粒度分布范围合理、平均粒 径小、颗粒外形圆整、颗粒聚集和抱团倾向小，凝聚强度 低、化学纯度和化学组成均匀性易于控制等特性。
物理性能有颗粒形状、粒度及粒度组成、密度、硬度、加 工硬化性、塑性变形能力以及显微组织等；
化学性能有化学成分；工艺性能有粉末的松装密度、流动 性和压制性等。通常用下述几个主要性能来评价粉末的性 能。
1）颗粒形状、粒度及粒度组成
a．颗粒形状 颗粒形状是决定粉末工艺性能的主要因素。 用不同方法制造的粉末形状不同，
气流研磨的两个基本准则： 1.动能准则：
提高粉末颗粒的动能 2.碰撞几率准则：
提高粉末颗粒的有效碰撞几率 由于粉末颗粒的动能是从气流中获得的，因此
必须提高载流气体的速度。
夹带粉料的高 压气体通过拉 瓦尔型喷嘴后， 气体压力机具 下降。
高压气体压力下降后： 加速效应：气体可超过音速 冷却效应：气粉混和物的温度降到零度以下
一.机械法
机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎，而化学 成分基本不发生变化的工艺过程。
机械法分为机械破碎法与气流研磨。
a.机械粉碎法
机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合 金或化合物机械地粉碎成粉末。依据物料粉碎的最终程度， 可以分为粗碎和细碎（研磨）两类。
球磨制粉
球磨制粉包括四个基本要素： 球磨桶 磨球 研磨物料 研磨介质
粉体成形与烧结
简介
粉体→成形→烧结→零件制品
制粉
粉末物料 在压模中 加压成形， 得到一定 形状和尺 寸的压坯
压坯在一 定的温度 下加热烧 结，使制 品获得最 终的物理 力学性能。
材料分类：
按化学组成（或基本组成）分类： 1. 金属材料—粉末冶金 2. 无机非金属材料
玻璃，陶瓷，水泥，耐火材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
在此阶段主要发生金属的
烧结初期
回复及吸附气体和水分的
烧
挥发，压坯内成形剂的分
结
解和排除等。
过
程
此阶段开始出现再结晶，在颗
的
烧结中期
粒内，变形的晶粒得以恢复， 改组为新晶粒，同时表面的氧
三
化物被还原，颗粒界面形成烧
个
结颈。
阶
段
传质继续进行，粒子长大，
烧结后期
气孔变成孤立闭气孔，密
度达到95%以上，制品强
（2）松装密度、流动性和压制性
a．松装密度 松装密度亦称松装比，是指单位容 积自由松装粉末的质量，常用g/cm3表示。松装 密度用粉末流动仪进行测量。
b．流动性 粉末流动性是指单位质量的粉末自由 下落到流完的时间，常用s/50g表示。流动性也 用粉末流动仪进行测量。
c．压制性 粉末压制性包括压缩性和成形性。粉 末压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力。粉 末的成形性主要与颗粒形状、粒度及粒度组成等 物理性质有关。
球磨制粉的两个基本准则： 1.动能准则：
提高磨球的动能 2.碰撞几率准则：
提高磨球的有效碰撞几率
球磨制粉的基本方式：
滚筒式 行星式 振动式 搅动式
球磨效率有限
球磨制粉的两个基 本准则： 1.动能准则：
提高磨球的动能 2.碰撞几率准则：
提高磨球的有效 碰撞几率
b.气流研磨
气流研磨是通过气体传输粉料的一种研磨方法。 研磨腔内是气体与粉末的混合体。
2.工具材料是粉末冶金工业另一类重要产品，
其中特别重要的是硬质合金。
目前制造业的发展朝着3A方向，即敏捷性（Agility）、 适应性（Adaptivity）和可预测性（Anticipativity）。
3.信息行业的发展也为粉末冶金工业提供了 新的契机。
日本电子行业用的粉末冶金产品中热沉材料占 23%，发光与点极材料占30%。
故粉状物料间的粘附作用特别显著。
例2：水膜
因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产 生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。
（二）、物质的传递——传质过程
气相传质 —— 蒸发-凝聚传质 P 固
扩散传质 C
相 烧
流动传质 塑性流动
f
dv
dx
结
粘性流动
F dv
S dx
粉末冶金发展史
粉末冶金方法起源于公元前三千多年。制造铁的第一个方 法实质上采用的就是粉末冶金方法。
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革命。
2、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少切削甚至无切削 的优点。
度提高。
2.3.烧结推动力
1.表面能的降低：烧结是一个自发 的不可逆过程，减小表面积，使系 统表面能降低是推动烧结进行的基 本动力。
作用于烧结颈的应力：
66//11
1122//22
2.破碎制粉过程中，颗粒内部产生了大量的各种 晶格缺陷，他们储藏的能量，也成为烧结的推动 力。
3.空位差：按照近代缺陷理论，物质扩散是由空 位浓度梯度造成化学位的差别引起的。
a.球形
b.钝角形
c.杆状或尖角形
d.不规则形
e.多边形或立方体
f.海绵形
b．粒度及粒度分布 粉末粒度是指颗粒的大小，可用当量直径 表示。对粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。 粒度大小直接影响制品的性能，如硬质合金、陶瓷材料等，要 求粒度越细越好。 而对常用的粉末冶金制品生产，不仅要测定粉末体平均颗粒的 大小，更重要的是测定大小不同的颗粒的含量，简称为粒度分 布。 粉末的粒度分布对成形、烧结有一定的影响。如粉末粒度分布 得当，粉末颗粒间的孔隙就小，成形密度高，烧结容易进行。
二.物理制粉法
雾化法和蒸发凝聚法
(1).雾化法
雾化法是一种典型的物理制粉方法 将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流，用高压气
体（如压缩空气）或液体（如水）喷射，通过机 械力与急冷作用使金属熔液雾化。结果获得颗粒 大小不同的金属粉末。 根据雾化介质的不同： 水雾化和气雾化
增大气（液）体压力，能够增加气（液）体的喷 射速度，因而有利于金属液体雾化率的提高。
粉体工程涉及的领域：
矿物晶体
➢陶瓷材料：氧化铝、氧化锆陶瓷 ➢冶金工业：粉末冶金材料、耐火材料 ➢电子材料：集成电路基板 ➢机械工业：硬质刀具
氧化铝陶瓷 高导热性BeO陶瓷
航 天 飞 机
东风21洲际导弹－ 两级固体推进
铁基粉末冶金制品 双面孔Al2O3基板
高温电路基板
金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用
雾化机理
雾化 聚并 凝固
超声波冲击
（2）物理蒸发凝聚法
采用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再 在冷凝壁上沉积，从而获得金属粉末。