粉末冶金原理第七章课件

第7章粉体材料烧结致密化原理与技术7.1概述

7.2烧结过程的热力学基础

7.3烧结理论与物质迁移第7章粉体材料烧结致密化原理与技术7.1概述

7.2烧7.1概述(1)单元系烧结纯金属(如难熔金属和纯铁软磁材料)或稳定成分化合物(Al2O3，B4C，BeO，MoSi2等)，在其熔点以下的温度进行固相烧结过程。

(2)多元系固相烧结由两种或两种以上的组分构成的烧结体系，在其低熔组分的熔点以下温度所进行的固相烧结过程。

(3)多元系液相烧结以超过系统中低熔组分熔点的温度所进行的烧结过程。7.1概述(1)单元系烧结纯金属(如难熔金属和纯铁软磁材7.2烧结过程的热力学基础7.2.1烧结的基本过程

7.2.2烧结的热力学问题

7.2.3烧结驱动力的计算7.2烧结过程的热力学基础7.2.1烧结的基本过程

7.7.2烧结过程的热力学基础图7-1烧结球之间形成烧结颈的扫描

电子显微照片7.2烧结过程的热力学基础图7-1烧结球之间形成烧结颈的7.2.1烧结的基本过程(1)黏结阶段烧结初期，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。

(2)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，颗粒间的距离缩小，形成连续的孔隙网络；同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。

(3)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，闭孔数量增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。7.2.1烧结的基本过程(1)黏结阶段烧结初期，颗粒间的7.2.1烧结的基本过程图7-2球形颗粒的烧结模型

a)烧结前颗粒的原始接触b)烧结早期的烧结颈长大c)、d)烧结后期的孔隙球化7.2.1烧结的基本过程图7-2球形颗粒的烧结模型

a)7.2.2烧结的热力学问题1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小。

2)烧结体内孔隙总体积和总表面积减小。

3)粉末颗粒内晶格畸变逐渐消除。7.2.2烧结的热力学问题1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增7.2.3烧结驱动力的计算图7-3烧结颈模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-3烧结颈模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-4两球模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-4两球模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-6颈部直径为X的两球形

颗粒的烧结剖视图7.2.3烧结驱动力的计算图7-6颈部直径为X的两球形

7.2.3烧结驱动力的计算图7-7不同温度下烧结时间对烧结颈大小、表面积减小率、

收缩率和致密化的影响7.2.3烧结驱动力的计算图7-7不同温度下烧结时间对烧7.3烧结理论与物质迁移7.3.1烧结的基本概念

7.3.2物质迁移机理7.3烧结理论与物质迁移7.3.1烧结的基本概念

7.37.3.1烧结的基本概念图7-8两球烧结模型

a)初始点接触b)早期烧结颈长大

c)后期烧结颈长大d)完成合并或球体，烧结完成7.3.1烧结的基本概念图7-8两球烧结模型

a)初始点7.3.1烧结的基本概念图7-9实际烧结行为的显微照片

a)烧结初期b)烧结中期c)烧结中后期d)烧结末期7.3.1烧结的基本概念图7-9实际烧结行为的显微照片

7.3.1烧结的基本概念图7-10根据曲面上的两个主曲率

半径点得到的曲率7.3.1烧结的基本概念图7-10根据曲面上的两个主曲率7.3.1烧结的基本概念图7-11颗粒间烧结黏结的原子级观察7.3.1烧结的基本概念图7-11颗粒间烧结黏结的原子级7.3.2物质迁移机理1.黏性流动

2.蒸发和凝聚

3.体积扩散

4.表面扩散

5.晶界扩散

6.塑性流动7.3.2物质迁移机理1.黏性流动

2.蒸发和凝聚

3.体7.3.2物质迁移机理表7-1烧结时物质迁移的各种可能过程7.3.2物质迁移机理表7-1烧结时物质迁移的各种可能过7.3.2物质迁移机理图7-12两球几何模

a)ρ≈/2ab)ρ≈/4a7.3.2物质迁移机理图7-12两球几何模

a)ρ≈/1.黏性流动图7-13弗伦克尔球—球模型1.黏性流动图7-13弗伦克尔球—球模型1.黏性流动图7-15玻璃球—平板烧结实验

1—750℃，直线斜率=2.1

2—725℃，直线斜率=2.11.黏性流动图7-15玻璃球—平板烧结实验

1—750℃，2.蒸发和凝聚图7-16氯化钠小球烧结实验

1—750℃，直线斜率=3.3

2—725℃，直线斜率=3.4

3—700℃，直线斜率=2.82.蒸发和凝聚图7-16氯化钠小球烧结实验

1—750℃，3.体积扩散图7-17烧结时空位扩散途径3.体积扩散图7-17烧结时空位扩散途径4.表面扩散图7-18烧结铜粉的自扩散系数与

温度的关系

1—40～50μm2—2～30μm

3—10～15μm4—3～5μm4.表面扩散图7-18烧结铜粉的自扩散系数与

温度的关系

5.晶界扩散图7-19空位从颗粒接触面向颗粒表面

或晶界扩散的模型

a)无晶界b)有晶界5.晶界扩散图7-19空位从颗粒接触面向颗粒表面

或晶界扩6.塑性流动表7-2＝F(T)t的不同表达式6.塑性流动表7-2＝F(T)t的不同表达式6.塑性流动图7-21运用于两球形烧结模型的

烧结机理的分类6.塑性流动图7-21运用于两球形烧结模型的

烧结机理的分7.3.3烧结初期表7-3烧结初期方程：(X/D＝Bt/7.3.3烧结初期表7-3烧结初期方程：(X/D＝Bt7.3.4烧结中期图7-22烧结中期位于晶界边缘的圆柱孔7.3.4烧结中期图7-22烧结中期位于晶界边缘的圆柱孔7.3.5烧结末期图7-23烧结末期孔隙的微观结构7.3.5烧结末期图7-23烧结末期孔隙的微观结构7.3.5烧结末期图7-25二氧化铀在1400℃烧结时，开孔

和闭孔的变化与总的孔隙率之间的关系7.3.5烧结末期图7-25二氧化铀在1400℃烧结时，7.3.5烧结末期图7-26烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒之间的关系。7.3.5烧结末期图7-26烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒7.3.6数据分析图7-27球形银粉颗粒在800℃下通过

晶格扩散主导的烧结数据7.3.6数据分析图7-27球形银粉颗粒在800℃下通过7.3.6数据分析图7-28钼粉在不同温度下烧结的收缩率的

对数与热力学温度倒数的关系7.3.6数据分析图7-28钼粉在不同温度下烧结的收缩率7.3.7烧结图图7-304μm钨粉的烧结图7.3.7烧结图图7-304μm钨粉的烧结图7.4烧结孔隙结构的变化7.4.1烧结孔隙的结构

7.4.2烧结中的压制压力效应7.4烧结孔隙结构的变化7.4.1烧结孔隙的结构

7.47.4.1烧结孔隙的结构图7-31烧结时的孔隙结构变化示意图(其变化从颗粒间的接触点开始)7.4.1烧结孔隙的结构图7-31烧结时的孔隙结构变化示7.4.1烧结孔隙的结构图7-32微结构随烧结温度不同而改变

a)774℃下烧结的微观图b)950℃下烧结的微观图c)1400℃下烧结的微观图7.4.1烧结孔隙的结构图7-32微结构随烧结温度不同而7.4.1烧结孔隙的结构图7-33烧结后阶段孔隙孤立和球状化过程图

a)孔隙在晶界呈现平衡的固-气晶界沟b)、c)随着孔隙的拖曳晶界增长

d)孔隙由于晶界的脱离而孤立7.4.1烧结孔隙的结构图7-33烧结后阶段孔隙孤立和球7.4.1烧结孔隙的结构图7-34烧结过程中两种可能的孔隙-晶粒边界结构

a)致密化后孔隙位于晶粒边界位置b)未致密化时孔隙孤立的情况7.4.1烧结孔隙的结构图7-34烧结过程中两种可能的孔7.4.1烧结孔隙的结构图7-35烧结过程中晶粒大小与孔隙大小关系图7.4.1烧结孔隙的结构图7-35烧结过程中晶粒大小与孔7.4.2烧结中的压制压力效应图7-3663μm球状铜粉在烧结中的压制压力效应7.4.2烧结中的压制压力效应图7-3663μm球状铜粉7.4.2烧结中的压制压力效应图7-37模压和等静压成形的烧结收缩效应对比7.4.2烧结中的压制压力效应图7-37模压和等静压成形7.5固相烧结7.5.1单元系粉末烧结

7.5.2多元系粉末烧结7.5固相烧结7.5.1单元系粉末烧结

7.5.2多元7.5.1单元系粉末烧结1.烧结温度与烧结时间

2.烧结密度与尺寸的变化

3.烧结体显微组织的变化

4.影响烧结过程的因素7.5.1单元系粉末烧结1.烧结温度与烧结时间

2.烧结密1.烧结温度与烧结时间1)低温预烧阶段(α≤0.25)。

2)中温升温烧结阶段(α=0.4～0.55)。

3)高温保温完成烧结阶段(α＝0.5～0.85)。1.烧结温度与烧结时间1)低温预烧阶段(α≤0.25)。

21.烧结温度与烧结时间图7-38烧结过程接触面和孔隙形状、尺寸的变化模型1.烧结温度与烧结时间图7-38烧结过程接触面和孔隙形状、1.烧结温度与烧结时间图7-39烧结温度对电解铜粉烧结的各种性能

1—密度2—抗拉强度3—电导率1.烧结温度与烧结时间图7-39烧结温度对电解铜粉烧结的各图7-40烧结密度-时间关系示意图

1—相同压坯密度2—升高烧结温度3—提高

压坯密度4—相同烧结温度图7-40烧结密度-时间关系示意图

1—相同压坯密度2—2.烧结密度与尺寸的变化

2.烧结密度与尺寸的变化

3.烧结体显微组织的变化(1)孔隙变化尽管在某些情况下，烧结后的密度或尺寸变化不大，但是孔隙的形状、大小和数量的改变总是十分明显的。

(2)再结晶与晶粒长大粉末冷压成形后烧结，同样发生回复、再结晶及晶粒长大等组织变化。3.烧结体显微组织的变化(1)孔隙变化尽管在某些情况下，烧图7-41开孔隙度与闭孔隙度

随总孔隙度的变化

1—开孔隙度2—闭孔隙度图7-41开孔隙度与闭孔隙度

随总孔隙度的变化

1—图7-43孔隙阻止晶界移动示意图图7-43孔隙阻止晶界移动示意图图7-44晶界移动通过第二相质点图7-44晶界移动通过第二相质点图7-45晶界沟的形成

1—晶体自由表面2—晶粒界面图7-45晶界沟的形成

1—晶体自由表面2—晶粒界面4.影响烧结过程的因素(1)粉末活性粉末活性包括颗粒的表面活性与晶格活性两方面，前者取决于粉末的粒度和形状，后者由晶粒大小、晶格缺陷和内应力等决定。

(2)外来物质

(3)压制压力压制工艺影响烧结过程，主要表现为压制密度、压制残余应力、颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等的作用。4.影响烧结过程的因素(1)粉末活性粉末活性包括颗粒的表面图7-47铁粉粒度对压坯烧结收缩率的影响

1—孔隙体积分数10%，细粉(1μm)

2—孔隙体积分数25%，粗粉(50μm)图7-47铁粉粒度对压坯烧结收缩率的影响

1—孔隙体积分数图7-49铁粉压坯烧结收缩率和

粉末比面的关系图7-49铁粉压坯烧结收缩率和

粉末比面的关系(2)外来物质1)粉末表面的氧化物。

2)烧结气氛对不同粉末的影响。(2)外来物质1)粉末表面的氧化物。

2)烧结气氛对不同粉末图7-50不同压制压力下，烧结密度

随温度变化的示意曲线

1—低压力2—中等压力3—高压力图7-50不同压制压力下，烧结密度

随温度变化的示意曲线

7.5.2多元系粉末烧结1.互溶系固相烧结

2.无限互溶系

3.有限互溶系

4.互不溶系固相烧结7.5.2多元系粉末烧结1.互溶系固相烧结

2.无限互溶系7.5.2多元系粉末烧结图7-52两种铁粉混合构成烧结效应图7.5.2多元系粉末烧结图7-52两种铁粉混合构成烧结效1.互溶系固相烧结1)金属扩散的一般规律是：原子半径相差越大，或在元素周期表中相距越远的元素，互扩散速度也越大；间隙式固溶的原子扩散速度比替换式的要大得多；温度相同和浓度差别不大时，在体心立方点阵相中，原子的扩散速度比在面心立方点阵相中快几个数量级。

2)在多元系中，由于组元的互扩散系数不相等，产生柯肯德尔效应，证明是空位扩散机制起作用。

3)添加第三元素可以显著改变元素B在A中的扩散速度。

4)二元合金中，根据组元、烧结条件和阶段的不同，烧结速度同两组元单独烧结相比，可能快也可能慢。

5)烧结工艺条件(温度、时间、粉末粒度及预合金粉末的使用)的影响将在下面进一步予以说明。1.互溶系固相烧结1)金属扩散的一般规律是：原子半径相差越大表7-4元素在银中的扩散系数和溶解度表7-4元素在银中的扩散系数和溶解度表7-5元素在铁的低浓度固溶体中的扩散系数(单位：c/s)表7-5元素在铁的低浓度固溶体中的扩散系数(单位：c/s表7-6元素在α-Fe与γ-Fe中的溶解度表7-6元素在α-Fe与γ-Fe中的溶解度2.无限互溶系①所有试样中Ni的平均质量分数为52％。

②预合金粉成分为70％Cu＋30％Ni(质量分数)。

③预合金粉成分为31％Cu＋69％Ni(质量分数)。

④以Ni包Cu的复合粉末，预合金粉成分为30％Cu＋70％Ni(质量分数)。

1)烧结温度。

2)烧结时间。

3)压坯密度。

4)粉末粒度。

5)粉末原料。

6)杂质。2.无限互溶系①所有试样中Ni的平均质量分数为52％。

②2.无限互溶系图7-53Cu粉、Ni粉及Cu-Ni混合粉烧结

的收缩曲线(950℃)

1—纯Cu粉2—纯Ni粉3—41%Cu+59%Ni混合粉2.无限互溶系图7-53Cu粉、Ni粉及Cu-Ni混合粉烧2.无限互溶系图7-55X光衍射法测定Cu-Ni

烧结合金的衍射光强度分布图

1—未烧结混合粉2—烧结1h3—烧结3h2.无限互溶系图7-55X光衍射法测定Cu-Ni

烧结合金2.无限互溶系图7-56烧结合金化模型

a)同心球模型横断面b)t＝0时浓度分布c)t时刻浓度分布d)t＝∞时浓度分布2.无限互溶系图7-56烧结合金化模型

a)同心球模型横断2.无限互溶系表7-7粉末和工艺条件对Cu-Ni混合粉末在烧结时均匀化程度因数F值的影响2.无限互溶系表7-7粉末和工艺条件对Cu-Ni混合粉末在图7-57Cu-Ni合金的物理力学性能随烧结时间的变化

a)325目b)250~325目c)150~200目

1—长度变化(ΔL)2—硬度(HRC)3—抗拉强度4—伸长率5—相对电阻图7-57Cu-Ni合金的物理力学性能随烧结时间的变化

a3.有限互溶系1)Fe-C混合粉末碳的质量分数一般不超过1％，故同纯铁粉的单元系一样，烧结时主要发生颗粒间的黏结和收缩。

2)碳在铁中通过扩散形成奥氏体，扩散得很快，10～20min内就溶解完全(图7-58)。

3)烧结充分保温后冷却，奥氏体分解，形成以珠光体为主要组成物的多相结构。

4)烧结碳钢的力学性能与合金组织中化合碳的含量有关。3.有限互溶系1)Fe-C混合粉末碳的质量分数一般不超过1％图7-58Fe-C混合粉烧结钢中含碳量

与烧结时间的关系

1—=3%2—=1.5%图7-58Fe-C混合粉烧结钢中含碳量

与烧结时间的关系

图7-60烧结Fe-C合金抗拉强度及伸长率与

石墨添加量的关系(1125℃烧结1h)

1，2—抗拉强度3，4—伸长率图7-60烧结Fe-C合金抗拉强度及伸长率与

石墨添加量的4.互不溶系固相烧结(1)烧结热力学不互溶的两种粉末能否烧结取决于系统的热力学条件，而且同单元系或互溶多元系烧结一样，也与表面自由能的减小有关。

(2)性能-成分的关系皮涅斯和古狄逊的研究表明，互不溶系固相烧结合金的性能与组元体积含量之间存在着二次方函数关系；在烧结体系内，相同组元颗粒间的接触(A-A、B-B)同A-B接触的相对大小决定了系统的性质。

(3)烧结过程的特点4.互不溶系固相烧结(1)烧结热力学不互溶的两种粉末能否烧图7-62Cu-W(或Mo)假合金的抗拉

强度与成分、孔隙度的关系

1—纯Cu2—Cu+5%W(或Mo)

3—Cu+20%W(或Mo)

4—Cu+46%W(或Mo)，含钨或钼量均为体积分数图7-62Cu-W(或Mo)假合金的抗拉

强度与成分、孔隙(3)烧结过程的特点1)互不溶系固相烧结几乎包括了用粉末冶金方法制造的一切典型的复合材料——基体强化(弥散强化或纤维强化)材料和利用组合效果的金属陶瓷材料(电触头合金，合金-塑料)。

2)互不溶系的烧结温度由黏结相的熔点决定。

3)复合材料及假合金通常要求在接近致密状态下使用，因此在固相烧结后，一般采用复压、热压、烧结锻造等补充致密化或热成形工艺，或采用烧结-冷挤、烧结-熔浸以及热等静压、热轧、热挤等复合工艺以进一步提高密度和性能。

4)当复合材料接近完全致密时，有许多性能同组分的体积分数之间存在线性关系，称为“加加”规律。

5)当难熔组分含量很高，粉末混合均匀有困难时，可以采用复合粉或化学混料法。(3)烧结过程的特点1)互不溶系固相烧结几乎包括了用粉末冶金(3)烧结过程的特点6)互不溶系内不同组分颗粒之间的结合界面，对材料的烧结性及强度影响很大。(3)烧结过程的特点6)互不溶系内不同组分颗粒之间的结合界面图7-63材料性能与组元体积关系图7-63材料性能与组元体积关系图7-64铜和锡的混合粉末烧结过程中的显微组织

a)加热到280℃(锡熔化后)b)加热到600℃的烧结产品c)加热到810℃后的烧结产品图7-64铜和锡的混合粉末烧结过程中的显微组织

a)加热到图7-65具有平均成分的单元

二相系混合粉末的均质化图7-65具有平均成分的单元

二相系混合粉末的均质化7.6液相烧结7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构

7.6.2晶粒粗化

7.6.3液相烧结举例

7.6.4熔渗7.6液相烧结7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构

7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构1.液相烧结的基本条件

2.液相烧结过程和机构7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构1.液相烧结的基本1.液相烧结的基本条件(1)润湿性液相对固相颗粒的表面润湿性好是液相烧结的重要条件之一，对致密化合金组织与性能的影响极大。

(2)溶解度

(3)液相数量液相烧结应以液相填满固相颗粒的间隙为限度。1.液相烧结的基本条件(1)润湿性液相对固相颗粒的表面润湿1.液相烧结的基本条件图7-67液相润湿固相平衡图1.液相烧结的基本条件图7-67液相润湿固相平衡图(1)润湿性1)温度与时间的影响。

2)表面活性物质的影响。

3)粉末表面状态的影响。

4)气氛的影响。(1)润湿性1)温度与时间的影响。

2)表面活性物质的影响(1)润湿性图7-68与液相接触的二面角形成(1)润湿性图7-68与液相接触的二面角形成(1)润湿性图7-69润湿角与温度的关系

1—W-Ag2—W-Cu(1)润湿性图7-69润湿角与温度的关系

1—W-Ag1)温度与时间的影响。1)温度与时间的影响。表7-8铜中含镍对ZrC润湿性的影响表7-8铜中含镍对ZrC润湿性的影响3)粉末表面状态的影响。图7-70吸附膜对润湿的影响3)粉末表面状态的影响。图7-70吸附膜对润湿的影响4)气氛的影响。表7-9液体金属对某些化合物的润湿性4)气氛的影响。表7-9液体金属对某些化合物的润湿性2.液相烧结过程和机构(1)烧结过程

(2)烧结机构主要有颗粒重排机构、溶解-再析出机构和骨架烧结机构。

(3)烧结合金的组织液相烧结合金的组织，即固相颗粒的形状以及分布状态，取决于固相物质的结晶学特征、液相的润湿性或二面角的大小。

(4)致密化规律液相烧结的典型致密化过程如图7-74所示，由液相流动、溶解和析出、固相烧结三个阶段组成，它们相继并彼此重叠地出现。

(5)影响液相烧结过程的因素前面讨论液相烧结的三个基本条件，实际上也是基本影响因素，此外，压坯密度、颗粒大小、粉末混合的均匀程度、烧结温度、时间和气氛等也是基本因素。2.液相烧结过程和机构(1)烧结过程

(2)烧结机构主要有(1)烧结过程1)液相流动与颗粒重排阶段。

2)固相熔解和再析出阶段。(1)烧结过程1)液相流动与颗粒重排阶段。

2)固相熔解和再(2)烧结机构1)颗粒重排机构。

2)溶解-再析出机构。

3)骨架烧结机构。(2)烧结机构1)颗粒重排机构。

2)溶解-再析出机构。

(2)烧结机构图7-71液相烧结颗粒靠拢机构(2)烧结机构图7-71液相烧结颗粒靠拢机构(3)烧结合金的组织图7-72液相在固相界面上的分布状态

a)ψ＜60°b)ψ=135°(3)烧结合金的组织图7-72液相在固相界面上的分布状态

(4)致密化规律图7-74液相烧结的典型致密化过程

1—液相流动2—溶解-析出3—固相烧结(4)致密化规律图7-74液相烧结的典型致密化过程

1—(4)致密化规律图7-75不同成分和粒度的Fe-Cu混合粉末

压坯液相烧结时的致密化动力学曲线

1—=43%,9.4μm2—=22%，3μm

3—=22%，9.4μm4—=22%，15.8μm

5—=11.3%，9.4μm6—=22%，33.1μm(4)致密化规律图7-75不同成分和粒度的Fe-Cu混合粉(5)影响液相烧结过程的因素图7-76W-Cu合金烧结时间、

成形压力和气氛对致密化的影响

1—=10%，78MPa，真空2—=15%，78MPa，

3—=10%，78MPa，4—=10%，156MPa，真空(5)影响液相烧结过程的因素图7-76W-Cu合金烧结时间(5)影响液相烧结过程的因素图7-77Fe-Cu系烧结收缩与Cu浓度的关系曲线

1—烧结15min2—烧结60min3—烧结180min(5)影响液相烧结过程的因素图7-77Fe-Cu系烧结收(5)影响液相烧结过程的因素图7-78液相烧结中的致密化示意图(5)影响液相烧结过程的因素图7-78液相烧结中的致密化(5)影响液相烧结过程的因素图7-79通过较小晶粒溶解后在较大晶粒上析出的晶粒生长的溶解-再析出过程(5)影响液相烧结过程的因素图7-79通过较小晶粒溶解后(5)影响液相烧结过程的因素图7-80重合金(=95%，=3.5%，

=1.5%)在液相烧结后的微观结构(5)影响液相烧结过程的因素图7-80重合金(=95%(5)影响液相烧结过程的因素图7-82致密度与液体体积分数之间的关系图(5)影响液相烧结过程的因素图7-82致密度与液体体积分(5)影响液相烧结过程的因素图7-83液相烧结过程中，溶解

度在致密化的作用(5)影响液相烧结过程的因素图7-83液相烧结过程中，溶7.6.2晶粒粗化图7-84W-Ni-Fe合金晶粒颗粒

大小与烧结时间对数值关系7.6.2晶粒粗化图7-84W-Ni-Fe合金晶粒颗粒

7.6.3液相烧结举例1.WC-Co硬质合金

2.W-Cu-Ni合金

3.Cu-Sn合金7.6.3液相烧结举例1.WC-Co硬质合金

2.W-1.WC-Co硬质合金(1)预烧及升温阶段此阶段为低于共晶温度的固相烧结。

(2)达到共晶温度γ相与WC发生共晶反应，生成液相，如充分保温达到完全平衡，γ相应完全进入液相，但是仍有大量WC固相存在。

(3)继续升温到烧结阶段超过共晶温度继续升温，有更多WC溶解到液相中，液相数量剧增，而液相的成分将沿Ec线变化，达到c点即烧结温度后，系统才又趋于平衡。

(4)烧结保温阶段WC继续溶解到液相中，使液相平均成分由b点向c点变化，这时一直未溶解完的WC颗粒才与c点的液相达到真正的平衡。

(5)保温完成后冷却从液相中析出WC(沿cE线)，液相数量减少，至共晶温度时，液相成分又回到E点，开始析出γ相(a′点成分)，同时结晶处共晶。1.WC-Co硬质合金(1)预烧及升温阶段此阶段为低于共1.WC-Co硬质合金(6)低于共晶温度冷却共晶中γ相的成分由a′向a″变化，不断析出二次WC晶体，有些附在原来的WC初晶颗粒上。1.WC-Co硬质合金(6)低于共晶温度冷却共晶中γ相的1.WC-Co硬质合金图7-86W-Co-C相图沿WC-Co线的垂直截面1.WC-Co硬质合金图7-86W-Co-C相图沿WC-3.Cu-Sn合金图7-87Cu-Sn相图3.Cu-Sn合金图7-87Cu-Sn相图7.6.4熔渗图7-88熔渗方式

a)部分熔渗法b)全部熔渗法c)接触法

1、5—多孔体2—熔融金属3—加热体

4—固体金属6—加热炉7—烧结体7.6.4熔渗图7-88熔渗方式

a)部分熔渗法b)全7.6.4熔渗图7-89在毛细压力的作用下，熔融金属进入烧结压坯开孔的熔渗序列示意图7.6.4熔渗图7-89在毛细压力的作用下，熔融金属进入7.6.4熔渗图7-90当对多孔Fe-Ni合金进行熔渗

处理时，其顶上部的微观结构剖面图7.6.4熔渗图7-90当对多孔Fe-Ni合金进行熔渗

7.7活化烧结7.7.1活化烧结的概念与条件

7.7.2烧结活化能

7.7.3钨的活化烧结

7.7.4电火花烧结7.7活化烧结7.7.1活化烧结的概念与条件

7.7.27.7.1活化烧结的概念与条件图7-920.6μm钨粉和不同剂量、不同

种类的活化剂作用的烧结收缩率7.7.1活化烧结的概念与条件图7-920.6μm钨粉和7.7.2烧结活化能1)降低烧结活化能Q，使式(7-80)中exp(-Q/RT)值增大，从而使K值增大。

2)升高烧结温度T，也能使K值增大，但是对一般的烧结过程都适用，所以不算活化烧结。

3)在Q与T均不变的情况下增大A值，也能使K值增加，从而加快烧结过程。7.7.2烧结活化能1)降低烧结活化能Q，使式(7-80)7.7.3钨的活化烧结1)将WO3粉与Ni(NO3）2水溶液混合，在150℃下干燥或煅烧，再于600～800℃的氢气中共还原得到W-Ni复合粉。

2)采用气相沉积法使Ni(NO3）2直接包覆在W粉颗粒表面，然后在氢气中还原得到W-Ni包覆粉。

3)将WO3或W粉与镍盐的含铵溶液混合，用高压氢还原直接获得W-Ni包覆粉。

4)将NiCl2·6H2O溶于酒精或丙酮，再用预烧结钨粉压坯浸渍上述溶液，然后在低于130℃的温度中干燥，使溶剂挥发，再于600℃氢气中还原。7.7.3钨的活化烧结1)将WO3粉与Ni(NO3）2水溶7.7.3钨的活化烧结图7-94镍添加量对钨粉压

坯烧结密度的影响

1—1100℃2—1200℃

3—1300℃7.7.3钨的活化烧结图7-94镍添加量对钨粉压

坯烧结7.7.4电火花烧结图7-95电火花烧结机的原理

1、6—电极板2、5—模冲3—压模4—粉末7.7.4电火花烧结图7-95电火花烧结机的原理

1、67.8强化烧结图7-96热致密化工艺与传统的先压制后烧结工艺的不同之处7.8强化烧结图7-96热致密化工艺与传统的先压制后烧结7.8强化烧结图7-97晶粒大小为10μm的镍基压坯的变形示意图7.8强化烧结图7-97晶粒大小为10μm的镍基压坯的变7.8强化烧结图7-99粒径为50μm的工具钢粉末在热等静压过程中的致密化图7.8强化烧结图7-99粒径为50μm的工具钢粉末在热等7.8强化烧结图7-100两种不同密度的工具

钢粉末的致密化过程7.8强化烧结图7-100两种不同密度的工具

钢粉末的致7.9烧结气氛7.9.1气氛的作用与分类

7.9.2还原性气氛

7.9.3真空烧结

7.9.4烧结气氛的选择

7.9.5烧结设备7.9烧结气氛7.9.1气氛的作用与分类

7.9.2还7.9.1气氛的作用与分类1)防止和减少周围环境对烧结产品的有害反应，如氧化、脱碳等，从而保证烧结顺利进行和产品质量稳定。

2)排除有害杂质，如吸附气体、表面氧化物或内部夹杂。

3)维持或改变烧结材料中的有用成分，这些成分常常能与烧结金属生成合金或活化烧结过程，例如烧结钢的碳控制、渗碳和预氧化烧结等。

1)氧化气氛。

2)还原气氛。

3)惰性或中性气氛。

4)渗碳气氛。

5)氮化气氛。7.9.1气氛的作用与分类1)防止和减少周围环境对烧结产品表7-10粉末冶金烧结气氛表7-10粉末冶金烧结气氛表7-11普通烧结气氛的成分表7-11普通烧结气氛的成分7.9.2还原性气氛烧结最常采用含有氢气、一氧化碳成分的还原性或保护性气体，它们对大多数金属在高温下均具有还原性。还原能力由金属的氧化-还原反应的热力学决定。当使用纯氢时，其还原平衡反应为MeO+H2Me+H2O7.9.2还原性气氛烧结最常采用含有氢气、一氧化碳成分的还7.9.3真空烧结1)减少气氛中的有害成分(水蒸气、氧气、氮气)对产品的玷污，例如电解氢的含水量要求降到-40℃露点极为困难，而真空度只要达到13Pa就相当于含水量为-40℃露点，而获得这样的真空度并不困难。

2)真空是最理想的惰性气氛，当不适于用其他还原性或惰性气体时(如活性金属的烧结)，或者对容易出现脱碳、渗碳的材料均可以采用真空烧结。

3)真空可以改善液相烧结的润湿性，有利于收缩和改善合金的组织。

4)真空有利于Si、Al、Mg、Ca等杂质或其氧化物的排除，起到提纯金属的作用。

5)真空有利于排除吸附气体(孔隙中残留气体以及反应气体产物)，显著促进烧结后期的收缩作用。7.9.3真空烧结1)减少气氛中的有害成分(水蒸气、氧气、7.9.4烧结气氛的选择图7-102在还原性气氛中金属和氧含量的平衡条件7.9.4烧结气氛的选择图7-102在还原性气氛中金属和7.9.4烧结气氛的选择图7-103烧结过程中典型

的露点和温度的曲线7.9.4烧结气氛的选择图7-103烧结过程中典型

的露7.9.4烧结气氛的选择图7-104露点和温度之间的交互作用

对烧结钢中碳水平控制的影响7.9.4烧结气氛的选择图7-104露点和温度之间的交互7.9.4烧结气氛的选择表7-12烧结气氛中的组分表7-13HCl对在氢气中烧结铁性能的影响7.9.4烧结气氛的选择表7-12烧结气氛中的组分表7-7.9.5烧结设备图7-105通过控制烧结气氛和冷却过程

制得Fe-Ni-C钢的显微组织7.9.5烧结设备图7-105通过控制烧结气氛和冷却过程7.9.5烧结设备图7-106烧结处理的时间-温度循环过程7.9.5烧结设备图7-106烧结处理的时间-温度循环过7.9.5烧结设备表7-14烧结加热元件及使用条件7.9.5烧结设备表7-14烧结加热元件及使用条件7.9.5烧结设备图7-107烧结温度对烧结件性能的影响7.9.5烧结设备图7-107烧结温度对烧结件性能的影响7.10烧结后处理7.10.1表面处理

7.10.2浸渍处理

7.10.3阳极化处理

7.10.4喷砂与摩擦抛光处理

7.10.5探伤检查7.10烧结后处理7.10.1表面处理

7.10.2浸7.10.1表面处理图7-108P/M零件与研磨剂及液体一起

在滚筒中滚动去除尖角和飞边7.10.1表面处理图7-108P/M零件与研磨剂及液体7.10.2浸渍处理图7-109气、液、固三相间的界面平衡7.10.2浸渍处理图7-109气、液、固三相间的界面平7.10.3阳极化处理阳极化处理是在零件表面形成稳定的氧化物，例如氧化铝、氧化钛、氧化锌和氧化铬。阳极化处理的目的是上色，起到改善部件外观的作用。阳极化处理后的表面由于氧化层中的着色剂而呈现出颜色。目前，氧化处理后形成的氧化钛的颜色是广泛应用的颜色。7.10.3阳极化处理阳极化处理是在零件表面形成稳定的氧化7.10.4喷砂与摩擦抛光处理图7-110喷丸处理的过程7.10.4喷砂与摩擦抛光处理图7-110喷丸处理的过程7.10.5探伤检查问题与习题

1.由于表面曲率，Ni粉在1300℃时具有比平衡态更高的挥发压，计算如果粒径为1mm时，不同温度下的挥发压与平衡态之间的差别。

2.应用空位体积扩散的学说解释烧结后期孔隙尺寸和形状的变化规律。

3.一铁粉压坯在890℃烧结1h后，性能高于930℃时同种压坯烧结性能(其他条件相同)，试解释在较低烧结温度时为什么会有较高的性能。

4.成分相同的两批粉末，在相同压力、烧结条件下却获得了不同的烧结性能，简述造成这种结果的三个因素。

5.一相对密度为68%的压坯，烧结后相对密度提高到89%，问什么是致密化参数，并计算线收缩率。7.10.5探伤检查问题与习题

1.由于表面曲率，Ni粉在7.10.5探伤检查6.在烧结初期，位错被认为是有利于烧结，请设计一实验证明这种推测。

7.一半径为r的球形孔洞位于晶界中央，面积为L2，假定γSS为单位面积晶界能，γSV为单位面积孔隙表面能，试比较这种状态下的能量值(无孔存在和有孔存在)。

8.在铁基结构件粉末冶金中，希望产品烧结后没有变形，采取什么步骤可以减少收缩和变形？

9.在半径为r的残余孔隙中充有惰性气体，残余孔隙分散分布在组织中，孔隙度约为1%，延长烧结时间后孔隙尺寸(直径)增加了一倍，假设孔隙中惰性气体的质量没有设定，并且压力处于平衡状态，此时烧结密度为多少？

10.W-Ag电触头材料烧结时，W并不能在液体Ag中溶解，为形成液相烧结需加入何种物质，为什么？7.10.5探伤检查6.在烧结初期，位错被认为是有利于烧结7.10.5探伤检查11.半径为r，长度为l的圆柱形孔隙分布于(非连续地)晶界上，孔之间的间距为2h，晶界能为γSS，表面能为γSV试推导出能够使孔隙继续收缩引起能量减少的γSS/γSV的最大比值，假设处于烧结中期，无晶粒长大。

12.一高度氧化的钢粉在1000℃纯氢中烧结，烧结后化学分析发现有脱碳发生，应用精确的化学反应过程解释为什么会发生脱碳。

13.试求边长为40μm或晶粒尺寸为113μm的四方晶系晶粒的体积和面积各是多少？假定各边长度都相同。

14.由烧结线收缩率ΔL/L0和压坯密度ρg计算烧结坯密度ρs的公式为ρs=ρg/(1-ΔL/L0)，试推导此公式。

15.互不溶系固相烧结的热力学条件是什么？为获得理想的烧结组织，还应满足什么样的充分条件？7.10.5探伤检查11.半径为r，长度为l的圆柱形孔隙分7.10.5探伤检查16.简述液相烧结的溶解-再析出机构对烧结后合金组织的影响。

17.分析影响熔渗过程的影响因素，并指出提高润湿性的工艺措施有哪些？为什么？

18.随着烧结温度的上升，固液表面能γSL通常会减少，假设其他界面能维持不变，二面角和接触角将如何改变？

19.一烧结产品直径为10mm，相对密度为85%，试计算压坯相对密度为83%时，模具尺寸的大小。

20.因导电性能需要采用双向压制，一直径为1cm、长度6cm的铜棒压坯，烧结后铜棒何处的直径最小，为什么？

21.烧结球形粉末，用接触电阻变化表示烧结初始过程，试以球形颗粒的点接触电导率变化模型表现烧结过程，假设电导率是由颗粒间的接触面积所控制。7.10.5探伤检查16.简述液相烧结的溶解-再析出机构对7.10.5探伤检查22.物件熔渗200mm厚度需用2min，如果孔隙尺寸相同，熔渗30mm厚度需多少时间？

23.两种不同黏度的熔体用于渗熔多孔P/M物件，一种黏度为10-2Pa·s，另一种为3×10-2Pa·s，当熔渗深度相同时，第一种熔体单独熔渗需要多长时间(与第二种熔体相比)。

24.可控碳势气氛的制取原理是什么？如何控制该气氛的各种气体成分的比例？指出其中的还原性和渗碳性气体成分。

25.何为碳势？用天然气的热离解气作烧结气氛，其渗碳反应式是怎样的？随着温度升高，哪一种反应使碳势升高？为什么？

26.活化烧结与强化烧结的准确含义有什么不同？简单说明用Ni等过渡金属活化烧结钨的基本原理和烧结机构。

参考文献7.10.5探伤检查22.物件熔渗200mm厚度需用2mi7.10.5探伤检查图7-111统计控制过程图(SPC)7.10.5探伤检查图7-111统计控制过程图(SPC)7.10.5探伤检查图7-112强度与超声波速度间的关系图7.10.5探伤检查图7-112强度与超声波速度间的关系第7章粉体材料烧结致密化原理与技术7.1概述

7.2烧结过程的热力学基础

7.3烧结理论与物质迁移第7章粉体材料烧结致密化原理与技术7.1概述

7.2烧7.1概述(1)单元系烧结纯金属(如难熔金属和纯铁软磁材料)或稳定成分化合物(Al2O3，B4C，BeO，MoSi2等)，在其熔点以下的温度进行固相烧结过程。

(2)多元系固相烧结由两种或两种以上的组分构成的烧结体系，在其低熔组分的熔点以下温度所进行的固相烧结过程。

(3)多元系液相烧结以超过系统中低熔组分熔点的温度所进行的烧结过程。7.1概述(1)单元系烧结纯金属(如难熔金属和纯铁软磁材7.2烧结过程的热力学基础7.2.1烧结的基本过程

7.2.2烧结的热力学问题

7.2.3烧结驱动力的计算7.2烧结过程的热力学基础7.2.1烧结的基本过程

7.7.2烧结过程的热力学基础图7-1烧结球之间形成烧结颈的扫描

电子显微照片7.2烧结过程的热力学基础图7-1烧结球之间形成烧结颈的7.2.1烧结的基本过程(1)黏结阶段烧结初期，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。

(2)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，颗粒间的距离缩小，形成连续的孔隙网络；同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。

(3)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，闭孔数量增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。7.2.1烧结的基本过程(1)黏结阶段烧结初期，颗粒间的7.2.1烧结的基本过程图7-2球形颗粒的烧结模型

a)烧结前颗粒的原始接触b)烧结早期的烧结颈长大c)、d)烧结后期的孔隙球化7.2.1烧结的基本过程图7-2球形颗粒的烧结模型

a)7.2.2烧结的热力学问题1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小。

2)烧结体内孔隙总体积和总表面积减小。

3)粉末颗粒内晶格畸变逐渐消除。7.2.2烧结的热力学问题1)由于颗粒结合面(烧结颈)的增7.2.3烧结驱动力的计算图7-3烧结颈模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-3烧结颈模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-4两球模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-4两球模型7.2.3烧结驱动力的计算图7-6颈部直径为X的两球形

颗粒的烧结剖视图7.2.3烧结驱动力的计算图7-6颈部直径为X的两球形

7.2.3烧结驱动力的计算图7-7不同温度下烧结时间对烧结颈大小、表面积减小率、

收缩率和致密化的影响7.2.3烧结驱动力的计算图7-7不同温度下烧结时间对烧7.3烧结理论与物质迁移7.3.1烧结的基本概念

7.3.2物质迁移机理7.3烧结理论与物质迁移7.3.1烧结的基本概念

7.37.3.1烧结的基本概念图7-8两球烧结模型

a)初始点接触b)早期烧结颈长大

c)后期烧结颈长大d)完成合并或球体，烧结完成7.3.1烧结的基本概念图7-8两球烧结模型

a)初始点7.3.1烧结的基本概念图7-9实际烧结行为的显微照片

a)烧结初期b)烧结中期c)烧结中后期d)烧结末期7.3.1烧结的基本概念图7-9实际烧结行为的显微照片

7.3.1烧结的基本概念图7-10根据曲面上的两个主曲率

半径点得到的曲率7.3.1烧结的基本概念图7-10根据曲面上的两个主曲率7.3.1烧结的基本概念图7-11颗粒间烧结黏结的原子级观察7.3.1烧结的基本概念图7-11颗粒间烧结黏结的原子级7.3.2物质迁移机理1.黏性流动

2.蒸发和凝聚

3.体积扩散

4.表面扩散

5.晶界扩散

6.塑性流动7.3.2物质迁移机理1.黏性流动

2.蒸发和凝聚

3.体7.3.2物质迁移机理表7-1烧结时物质迁移的各种可能过程7.3.2物质迁移机理表7-1烧结时物质迁移的各种可能过7.3.2物质迁移机理图7-12两球几何模

a)ρ≈/2ab)ρ≈/4a7.3.2物质迁移机理图7-12两球几何模

a)ρ≈/1.黏性流动图7-13弗伦克尔球—球模型1.黏性流动图7-13弗伦克尔球—球模型1.黏性流动图7-15玻璃球—平板烧结实验

1—750℃，直线斜率=2.1

2—725℃，直线斜率=2.11.黏性流动图7-15玻璃球—平板烧结实验

1—750℃，2.蒸发和凝聚图7-16氯化钠小球烧结实验

1—750℃，直线斜率=3.3

2—725℃，直线斜率=3.4

3—700℃，直线斜率=2.82.蒸发和凝聚图7-16氯化钠小球烧结实验

1—750℃，3.体积扩散图7-17烧结时空位扩散途径3.体积扩散图7-17烧结时空位扩散途径4.表面扩散图7-18烧结铜粉的自扩散系数与

温度的关系

1—40～50μm2—2～30μm

3—10～15μm4—3～5μm4.表面扩散图7-18烧结铜粉的自扩散系数与

温度的关系

5.晶界扩散图7-19空位从颗粒接触面向颗粒表面

或晶界扩散的模型

a)无晶界b)有晶界5.晶界扩散图7-19空位从颗粒接触面向颗粒表面

或晶界扩6.塑性流动表7-2＝F(T)t的不同表达式6.塑性流动表7-2＝F(T)t的不同表达式6.塑性流动图7-21运用于两球形烧结模型的

烧结机理的分类6.塑性流动图7-21运用于两球形烧结模型的

烧结机理的分7.3.3烧结初期表7-3烧结初期方程：(X/D＝Bt/7.3.3烧结初期表7-3烧结初期方程：(X/D＝Bt7.3.4烧结中期图7-22烧结中期位于晶界边缘的圆柱孔7.3.4烧结中期图7-22烧结中期位于晶界边缘的圆柱孔7.3.5烧结末期图7-23烧结末期孔隙的微观结构7.3.5烧结末期图7-23烧结末期孔隙的微观结构7.3.5烧结末期图7-25二氧化铀在1400℃烧结时，开孔

和闭孔的变化与总的孔隙率之间的关系7.3.5烧结末期图7-25二氧化铀在1400℃烧结时，7.3.5烧结末期图7-26烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒之间的关系。7.3.5烧结末期图7-26烧结时间与孔隙率、孔径、晶粒7.3.6数据分析图7-27球形银粉颗粒在800℃下通过

晶格扩散主导的烧结数据7.3.6数据分析图7-27球形银粉颗粒在800℃下通过7.3.6数据分析图7-28钼粉在不同温度下烧结的收缩率的

对数与热力学温度倒数的关系7.3.6数据分析图7-28钼粉在不同温度下烧结的收缩率7.3.7烧结图图7-304μm钨粉的烧结图7.3.7烧结图图7-304μm钨粉的烧结图7.4烧结孔隙结构的变化7.4.1烧结孔隙的结构

7.4.2烧结中的压制压力效应7.4烧结孔隙结构的变化7.4.1烧结孔隙的结构

7.47.4.1烧结孔隙的结构图7-31烧结时的孔隙结构变化示意图(其变化从颗粒间的接触点开始)7.4.1烧结孔隙的结构图7-31烧结时的孔隙结构变化示7.4.1烧结孔隙的结构图7-32微结构随烧结温度不同而改变

a)774℃下烧结的微观图b)950℃下烧结的微观图c)1400℃下烧结的微观图7.4.1烧结孔隙的结构图7-32微结构随烧结温度不同而7.4.1烧结孔隙的结构图7-33烧结后阶段孔隙孤立和球状化过程图

a)孔隙在晶界呈现平衡的固-气晶界沟b)、c)随着孔隙的拖曳晶界增长

d)孔隙由于晶界的脱离而孤立7.4.1烧结孔隙的结构图7-33烧结后阶段孔隙孤立和球7.4.1烧结孔隙的结构图7-34烧结过程中两种可能的孔隙-晶粒边界结构

a)致密化后孔隙位于晶粒边界位置b)未致密化时孔隙孤立的情况7.4.1烧结孔隙的结构图7-34烧结过程中两种可能的孔7.4.1烧结孔隙的结构图7-35烧结过程中晶粒大小与孔隙大小关系图7.4.1烧结孔隙的结构图7-35烧结过程中晶粒大小与孔7.4.2烧结中的压制压力效应图7-3663μm球状铜粉在烧结中的压制压力效应7.4.2烧结中的压制压力效应图7-3663μm球状铜粉7.4.2烧结中的压制压力效应图7-37模压和等静压成形的烧结收缩效应对比7.4.2烧结中的压制压力效应图7-37模压和等静压成形7.5固相烧结7.5.1单元系粉末烧结

7.5.2多元系粉末烧结7.5固相烧结7.5.1单元系粉末烧结

7.5.2多元7.5.1单元系粉末烧结1.烧结温度与烧结时间

2.烧结密度与尺寸的变化

3.烧结体显微组织的变化

4.影响烧结过程的因素7.5.1单元系粉末烧结1.烧结温度与烧结时间

2.烧结密1.烧结温度与烧结时间1)低温预烧阶段(α≤0.25)。

2)中温升温烧结阶段(α=0.4～0.55)。

3)高温保温完成烧结阶段(α＝0.5～0.85)。1.烧结温度与烧结时间1)低温预烧阶段(α≤0.25)。

21.烧结温度与烧结时间图7-38烧结过程接触面和孔隙形状、尺寸的变化模型1.烧结温度与烧结时间图7-38烧结过程接触面和孔隙形状、1.烧结温度与烧结时间图7-39烧结温度对电解铜粉烧结的各种性能

1—密度2—抗拉强度3—电导率1.烧结温度与烧结时间图7-39烧结温度对电解铜粉烧结的各图7-40烧结密度-时间关系示意图

1—相同压坯密度2—升高烧结温度3—提高

压坯密度4—相同烧结温度图7-40烧结密度-时间关系示意图

1—相同压坯密度2—2.烧结密度与尺寸的变化

2.烧结密度与尺寸的变化

3.烧结体显微组织的变化(1)孔隙变化尽管在某些情况下，烧结后的密度或尺寸变化不大，但是孔隙的形状、大小和数量的改变总是十分明显的。

(2)再结晶与晶粒长大粉末冷压成形后烧结，同样发生回复、再结晶及晶粒长大等组织变化。3.烧结体显微组织的变化(1)孔隙变化尽管在某些情况下，烧图7-41开孔隙度与闭孔隙度

随总孔隙度的变化

1—开孔隙度2—闭孔隙度图7-41开孔隙度与闭孔隙度

随总孔隙度的变化

1—图7-43孔隙阻止晶界移动示意图图7-43孔隙阻止晶界移动示意图图7-44晶界移动通过第二相质点图7-44晶界移动通过第二相质点图7-45晶界沟的形成

1—晶体自由表面2—晶粒界面图7-45晶界沟的形成

1—晶体自由表面2—晶粒界面4.影响烧结过程的因素(1)粉末活性粉末活性包括颗粒的表面活性与晶格活性两方面，前者取决于粉末的粒度和形状，后者由晶粒大小、晶格缺陷和内应力等决定。

(2)外来物质

(3)压制压力压制工艺影响烧结过程，主要表现为压制密度、压制残余应力、颗粒表面氧化膜的变形或破坏以及压坯孔隙中气体等的作用。4.影响烧结过程的因素(1)粉末活性粉末活性包括颗粒的表面图7-47铁粉粒度对压坯烧结收缩率的影响

1—孔隙体积分数10%，细粉(1μm)

2—孔隙体积分数25%，粗粉(50μm)图7-47铁粉粒度对压坯烧结收缩率的影响

1—孔隙体积分数图7-49铁粉压坯烧结收缩率和

粉末比面的关系图7-49铁粉压坯烧结收缩率和

粉末比面的关系(2)外来物质1)粉末表面的氧化物。

2)烧结气氛对不同粉末的影响。(2)外来物质1)粉末表面的氧化物。

2)烧结气氛对不同粉末图7-50不同压制压力下，烧结密度

随温度变化的示意曲线

1—低压力2—中等压力3—高压力图7-50不同压制压力下，烧结密度

随温度变化的示意曲线

7.5.2多元系粉末烧结1.互溶系固相烧结

2.无限互溶系

3.有限互溶系

4.互不溶系固相烧结7.5.2多元系粉末烧结1.互溶系固相烧结

2.无限互溶系7.5.2多元系粉末烧结图7-52两种铁粉混合构成烧结效应图7.5.2多元系粉末烧结图7-52两种铁粉混合构成烧结效1.互溶系固相烧结1)金属扩散的一般规律是：原子半径相差越大，或在元素周期表中相距越远的元素，互扩散速度也越大；间隙式固溶的原子扩散速度比替换式的要大得多；温度相同和浓度差别不大时，在体心立方点阵相中，原子的扩散速度比在面心立方点阵相中快几个数量级。

2)在多元系中，由于组元的互扩散系数不相等，产生柯肯德尔效应，证明是空位扩散机制起作用。

3)添加第三元素可以显著改变元素B在A中的扩散速度。

4)二元合金中，根据组元、烧结条件和阶段的不同，烧结速度同两组元单独烧结相比，可能快也可能慢。

5)烧结工艺条件(温度、时间、粉末粒度及预合金粉末的使用)的影响将在下面进一步予以说明。1.互溶系固相烧结1)金属扩散的一般规律是：原子半径相差越大表7-4元素在银中的扩散系数和溶解度表7-4元素在银中的扩散系数和溶解度表7-5元素在铁的低浓度固溶体中的扩散系数(单位：c/s)表7-5元素在铁的低浓度固溶体中的扩散系数(单位：c/s表7-6元素在α-Fe与γ-Fe中的溶解度表7-6元素在α-Fe与γ-Fe中的溶解度2.无限互溶系①所有试样中Ni的平均质量分数为52％。

②预合金粉成分为70％Cu＋30％Ni(质量分数)。

③预合金粉成分为31％Cu＋69％Ni(质量分数)。

④以Ni包Cu的复合粉末，预合金粉成分为30％Cu＋70％Ni(质量分数)。

1)烧结温度。

2)烧结时间。

3)压坯密度。

4)粉末粒度。

5)粉末原料。

6)杂质。2.无限互溶系①所有试样中Ni的平均质量分数为52％。

②2.无限互溶系图7-53Cu粉、Ni粉及Cu-Ni混合粉烧结

的收缩曲线(950℃)

1—纯Cu粉2—纯Ni粉3—41%Cu+59%Ni混合粉2.无限互溶系图7-53Cu粉、Ni粉及Cu-Ni混合粉烧2.无限互溶系图7-55X光衍射法测定Cu-Ni

烧结合金的衍射光强度分布图

1—未烧结混合粉2—烧结1h3—烧结3h2.无限互溶系图7-55X光衍射法测定Cu-Ni

烧结合金2.无限互溶系图7-56烧结合金化模型

a)同心球模型横断面b)t＝0时浓度分布c)t时刻浓度分布d)t＝∞时浓度分布2.无限互溶系图7-56烧结合金化模型

a)同心球模型横断2.无限互溶系表7-7粉末和工艺条件对Cu-Ni混合粉末在烧结时均匀化程度因数F值的影响2.无限互溶系表7-7粉末和工艺条件对Cu-Ni混合粉末在图7-57Cu-Ni合金的物理力学性能随烧结时间的变化

a)325目b)250~325目c)150~200目

1—长度变化(ΔL)2—硬度(HRC)3—抗拉强度4—伸长率5—相对电阻图7-57Cu-Ni合金的物理力学性能随烧结时间的变化

a3.有限互溶系1)Fe-C混合粉末碳的质量分数一般不超过1％，故同纯铁粉的单元系一样，烧结时主要发生颗粒间的黏结和收缩。

2)碳在铁中通过扩散形成奥氏体，扩散得很快，10～20min内就溶解完全(图7-58)。

3)烧结充分保温后冷却，奥氏体分解，形成以珠光体为主要组成物的多相结构。

4)烧结碳钢的力学性能与合金组织中化合碳的含量有关。3.有限互溶系1)Fe-C混合粉末碳的质量分数一般不超过1％图7-58Fe-C混合粉烧结钢中含碳量

与烧结时间的关系

1—=3%2—=1.5%图7-58Fe-C混合粉烧结钢中含碳量

与烧结时间的关系

图7-60烧结Fe-C合金抗拉强度及伸长率与

石墨添加量的关系(1125℃烧结1h)

1，2—抗拉强度3，4—伸长率图7-60烧结Fe-C合金抗拉强度及伸长率与

石墨添加量的4.互不溶系固相烧结(1)烧结热力学不互溶的两种粉末能否烧结取决于系统的热力学条件，而且同单元系或互溶多元系烧结一样，也与表面自由能的减小有关。

(2)性能-成分的关系皮涅斯和古狄逊的研究表明，互不溶系固相烧结合金的性能与组元体积含量之间存在着二次方函数关系；在烧结体系内，相同组元颗粒间的接触(A-A、B-B)同A-B接触的相对大小决定了系统的性质。

(3)烧结过程的特点4.互不溶系固相烧结(1)烧结热力学不互溶的两种粉末能否烧图7-62Cu-W(或Mo)假合金的抗拉

强度与成分、孔隙度的关系

1—纯Cu2—Cu+5%W(或Mo)

3—Cu+20%W(或Mo)

4—Cu+46%W(或Mo)，含钨或钼量均为体积分数图7-62Cu-W(或Mo)假合金的抗拉

强度与成分、孔隙(3)烧结过程的特点1)互不溶系固相烧结几乎包括了用粉末冶金方法制造的一切典型的复合材料——基体强化(弥散强化或纤维强化)材料和利用组合效果的金属陶瓷材料(电触头合金，合金-塑料)。

2)互不溶系的烧结温度由黏结相的熔点决定。

3)复合材料及假合金通常要求在接近致密状态下使用，因此在固相烧结后，一般采用复压、热压、烧结锻造等补充致密化或热成形工艺，或采用烧结-冷挤、烧结-熔浸以及热等静压、热轧、热挤等复合工艺以进一步提高密度和性能。

4)当复合材料接近完全致密时，有许多性能同组分的体积分数之间存在线性关系，称为“加加”规律。

5)当难熔组分含量很高，粉末混合均匀有困难时，可以采用复合粉或化学混料法。(3)烧结过程的特点1)互不溶系固相烧结几乎包括了用粉末冶金(3)烧结过程的特点6)互不溶系内不同组分颗粒之间的结合界面，对材料的烧结性及强度影响很大。(3)烧结过程的特点6)互不溶系内不同组分颗粒之间的结合界面图7-63材料性能与组元体积关系图7-63材料性能与组元体积关系图7-64铜和锡的混合粉末烧结过程中的显微组织

a)加热到280℃(锡熔化后)b)加热到600℃的烧结产品c)加热到810℃后的烧结产品图7-64铜和锡的混合粉末烧结过程中的显微组织

a)加热到图7-65具有平均成分的单元

二相系混合粉末的均质化图7-65具有平均成分的单元

二相系混合粉末的均质化7.6液相烧结7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构

7.6.2晶粒粗化

7.6.3液相烧结举例

7.6.4熔渗7.6液相烧结7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构

7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构1.液相烧结的基本条件

2.液相烧结过程和机构7.6.1液相烧结的基本条件、过程和机构1.液相烧结的基本1.液相烧结的基本条件(1)润湿性液相对固相颗粒的表面润湿性好是液相烧结的重要条件之一，对致密化合金组织与性能的影响极大。

(2)溶解度

(3)液相数量液相烧结应以液相填满固相颗粒的间隙为限度。1.液相烧结的基本条件(1)润湿性液相对固相颗粒的表面润湿1.液相烧结的基本条件图7-67液相润湿固相平衡图1.液相烧结的基本条件图7-67液相润湿固相平衡图(1)润湿性1)温度与时间的影响。

2)表面活性物质的影响。

3)粉末表面状态的影响。

4)气氛的影响。(1)润湿性1)温度与时间的影响。

2)表面活性物质的影响(1)润湿性图7-68与液相接触的二面角形成(1)润湿性图7-68与液相接触的二面角形成(1)润湿性图7-69润湿角与温度的关系

1—W-Ag2—W-Cu(1)润湿性图7-69润湿角与温度的关系

1—W-Ag1)温度与时间的影响。1)温度与时间的影响。表7-8铜中含镍对ZrC润湿性的影响表7-8铜中含镍对ZrC润湿性的影响3)粉末表面状态的影响。图7-70吸附膜对润湿的影响3)粉末表面状态的影响。图7-70吸附膜对润湿的影响4)气氛的影响。表7-9液体金属对某些化合物的润湿性4)气氛的影响。表7-9液体金属对某些化合物的润湿性2.液相烧结过程和机构(1)烧结过程

(2)烧结机构主要有颗粒重排机构、溶解-再析出机构和骨架烧结机构。

(3)烧结合金的组织液相烧结合金的组织，即固相颗粒的形状以及分布状态，取决于固相物质的结晶学特征、液相的润湿性或二面角的大小。

(4)致密化规律液相烧结的典型致密化过程如图7-74所示，由液相流动、溶解和析出、固相烧结三个阶段组成，它们相继并彼此重叠地出现。

(5)影响液相烧结过程的因素前面讨论液相烧结的三个基本条件，实际上也是基本影响因素，此外，压坯密度、颗粒大小、粉末混合的均匀程度、烧结温度、时间和气氛等也是基本因素。2.液相烧结过程和机构(1)烧结过程

(2)烧结机构主要有(1)烧结过程1)液相流动与颗粒重排阶段。

2)固相熔解和再析出阶段。(1)烧结过程1)液相流动与颗粒重排阶段。

2)固相熔解和再(2)烧结机构1)颗粒重排机构。

2)溶解-再析出机构。

3)骨架烧结机构。(2)烧结机构1)颗粒重排机构。

2)溶解-再析出机构。

(2)烧结机构图7-71液相烧结颗粒靠拢机构(2)烧结机构图7-71液相烧结颗粒靠拢机构(3)烧结合金的组织图7-72液相在固相界面上的分布状态

a)ψ＜60°b)ψ=135°(3)烧结合金的组织图7-72液相在固相界面上的分布状态

(4)致密化规律图7-74液相烧结的典型致密化过程

1—液相流动2—溶解-析出3—固相烧结(4)致密化规律图7-74液相烧结的典型致密化过程

1—(4)致密化规律图7-75不同成分和粒度的Fe-Cu混合粉末

压坯液相烧结时的致密化动力学曲线

1—=43%,9.4μm2—=22%，3μm

3—=22%，9.4μm4—=22%，15.8μm

5—=11.3%，9.4μm6—=22%，33.1μm(4)致密化规律图7-75不同成分和粒度的Fe-Cu混合粉(5)影响液相烧结过程的因素图7-76W-Cu合金烧结时间、

成形压力和气氛对致密化的影响

1—=10%，78MPa，真空2—=15%，78MPa，

3—=10%，78MPa，4—=10%，156MPa，真空(5)影响液相烧结过程的因素图7-76W-Cu合金烧结时间(5)影响液相烧结过程的因素图7-77Fe-Cu系烧结收缩与Cu浓度的关系曲线

1—烧结15min2—烧结60min3—烧结180min(5)影响液相烧结过程的因素图7-77Fe-Cu系烧结收(5)影响液相烧结过程的因素图7-78液相烧结中的致密化示意图(5)影响液相烧结过程的因素图7-78液相烧结中的致密化(5)影响液相烧结过程的因素图7-79通过较小晶粒溶解后在较大晶粒上析出的晶粒生长的溶解-再析出过程(5)影响液相烧结过程的因素图7-79通过较小晶粒溶解后(5)影响液相烧结过程的因素图7-80重合金(=95%，=3.5%，

=1.5%)在液相烧结后的微观结构(5)影响液相烧结过程的因素图7-80重合金(=95%(5)影响液相烧结过程的因素图7-82致密度与液体体积分数之间的关系图(5)影响液相烧结过程的因素图7-82致密度与液体体积分(5)影响液相烧结过程的因素图7-83液相烧结过程中，溶解

度在致密化的作用(5)影响液相烧结过程的因素图7-83液相烧结过程中，溶7.6.2晶粒粗化图7-84W-Ni-Fe合金晶粒颗粒

大小与烧结时间对数值关系7.6.2晶粒粗化图7-84W-Ni-Fe合金晶粒颗粒

7.6.3液相烧结举例1.WC-Co硬质合金

2.W-Cu-Ni合金

3.Cu-Sn合金7.6.3液相烧结举例1.WC-Co硬质合金

2.W-1.WC-Co硬质合金(1)预烧及升温阶段此阶段为低于共晶温度的固相烧结。

(2)达到共晶温度γ相与WC发生共晶反应，生成液相，如充分保温达到完全平衡，γ相应完全进入液相，但是仍有大量WC固相存在。

(3)继续升温到烧结阶段超过共晶温度继续升温，有更多WC溶解到液相中，液相数量剧增，而液相的成分将沿Ec线变化，达到c点即烧结温度后，系统才又趋于平衡。

(4)烧结保温阶段WC继续溶解到液相中，使液相平均成分由b点向c点变化，这时一直未溶解完的WC颗粒才与c点的液相达到真正的平衡。

(5)保温完成后冷却从液相中析出WC(沿cE线)，液相数量减少，至共晶温度时，液相成分又回到E点，开始析出γ相(a′点成分)，同时结晶处共晶。1.WC-Co硬质合金(1)预烧及升温阶段此阶段为低于共1.WC-Co硬质合金(6)低于共晶温度冷却共晶中γ相的成分由a′向a″变化，不断析出二次WC晶体，有些附在原来的WC初晶颗粒上。1.WC-Co硬质合金(6)低于共晶温度冷却共晶中γ相的1.WC-Co硬质合金图7-86W-Co-C相图沿W