烧结-粉末冶金原理
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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
精品课件
2021/3/13
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
精品课件
2021/3/13
研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
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
组元间既不溶解，也不形成化合物
Ag-W、Cu-W、Cu-C等 精品课件
2021/3/13
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。
精品课件
2021/3/13
Part 2： 粉末烧结
后期的特征 孔隙进一步缩小，网络坍塌并且晶界发 生迁移
26
精品课件
2021/3/13
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
28
精品课件
2021/3/13
固相烧结与液相烧结
精品课件
2021/3/13
Leabharlann Baidu
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—单相粉末的固相烧结过程 多元系固相烧结烧结
指两个或两个以上组元的粉末烧结过程 包括反应烧结等
精品课件
2021/3/13
固相烧结
Part 2： 粉末烧结
无限固溶系
精品课件
2021/3/13
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
19
精品课件
2021/3/13
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
2021/3/13
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
精品课件
2021/3/13
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）
精品课件
2021/3/13
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
精品课件
2021/3/13
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)
精品课件
2021/3/13
Part 2： 粉末烧结
无压烧结
不施加外压力 (Pressureless sintering)
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
精品课件
2021/3/13
Part 2： 粉末烧结
§1 烧结的定义与分类
烧结是指粉末或压坯在低于主要组分 熔点的温度下借助于原子迁移实现颗粒 间联结的过程。
精品课件
2021/3/13
含义
精品课件
2021/3/13
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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2021/3/13
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）
➢ 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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2021/3/13
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
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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2021/3/13
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
但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
原子间的冶金结合,形成晶界
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2021/3/13
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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2021/3/13
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）
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
结 2 决定了P/M制品的性能 操 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 4 热处理，过程能耗大→降低烧结温度是有意义
要 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
精品课件
计算机模拟
Part 2： 粉末烧结
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
§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）
Part 2： 粉末烧结
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
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
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研究方法:
烧结几何学 烧结物理学 烧结化学
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
组元间既不溶解，也不形成化合物
Ag-W、Cu-W、Cu-C等 精品课件
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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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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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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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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—单相粉末的固相烧结过程 多元系固相烧结烧结
指两个或两个以上组元的粉末烧结过程 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
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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
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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
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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）
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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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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)
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
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Part 2： 粉末烧结
§1 烧结的定义与分类
烧结是指粉末或压坯在低于主要组分 熔点的温度下借助于原子迁移实现颗粒 间联结的过程。
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含义
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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）
➢ 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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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
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
但高于次要组分的熔点 WC-Co合金， W-Cu-Ni合金
原子间的冶金结合,形成晶界
21
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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）
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
结 2 决定了P/M制品的性能 操 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 4 热处理，过程能耗大→降低烧结温度是有意义
要 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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计算机模拟
Part 2： 粉末烧结
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
§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）
Part 2： 粉末烧结
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