第七章热压烧结1

烧结材料性质结构化学组成、矿物组成显微结构晶粒尺寸分布气孔尺寸分布晶界体积分数改变目的：粉状物料变成致密体。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料……现代无机材料如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性。结构瓷：耐磨、弯曲、湿度、韧性……应用1概述

一、烧结的定义及分类

1.定义宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，成为坚硬的烧结体，这个过程称为烧结。微观定义：固体中分子（原子）间存在相互吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程，称为烧结。——粉末成型体在低于熔点的高温作用下，产生颗粒间的粘附，通过物质传递迁移，使成型坯体变成具有一定几何形状和性能，即有一定强度的致密体的过程，称为烧结。常规烧结（是否出现液相）

2.分类固相烧结：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，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现，<45%。反应烧结热压烧结电火花烧结等静压烧结活化烧结微波烧结非常规烧结（特种烧结）二、与烧结有关的概念烧成：包括多种物理、化学变化，如：脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，其包括范围宽。烧结：仅质粉料经加热而致密化的简单过程，是烧成过程的一个重要部分。1.烧结与烧成2.烧结与熔融相同点：都是由原子热振动而引起的不同点：熔融时全部组元都转变为液相烧结时至少有一组元是处于固态烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。

3.烧结与固相反应相同点：均在低于材料熔点或熔融温度之下进行的；过程自始至终都至少有一相始固态不同点：固相反应至少有两组元参加，并发生化学反应。烧结可只有单组元或两组元参加，但并不发生化学反应烧结工艺烧结基本工艺过程：粉末压坯→装料（装炉、烧结前的准备）→烧结（预热、保温、冷却）→出炉→烧结体一、烧结前的准备（一）压坯的检查●目的：去除尺寸、单重不合格或有掉边、掉角、分层、裂纹等缺陷的压坯，减少烧结废品。●方法：抽检、肉眼观察、仪器检测。SchoolofMaterialsScienceandEngineering(二)装炉（装舟及摆料）

推杆式烧结炉—装舟；网带式烧结炉—-摆料SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.装炉量

影响生产率;

压坯之间的接触影响烧结时的粘接和变形;

装炉量受网带高温强度的限制。2.装炉方式

指压坯摆放的松紧程度、舟中装料的深浅、压坯摆放的方向（横放、竖放）等。

→影响烧结炉中的气氛流动、传热、烧结体的变形、表面状态等。→某些情况下采用填料装舟或烧舟密封SchoolofMaterialsScienceandEngineering烧结工艺参数：烧结温度、烧结时间、加热及冷却速度、烧结气氛等1.烧结温度

SchoolofMaterialsScienceandEngineering1050-1200oC加热烧结保温水冷时间，hr空冷温度℃2.烧结时间

●烧结时间的选择主要依据制品成分

●烧结时间与烧结温度有关；

●在连续炉中，保温时间：

t=L/l▪n

t—保温时间（min）

L—烧结带长度（cm）

l—烧舟或石墨板长度（cm）

n—推舟间隔（min/舟）SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.升温及冷却速度

●升温速度影响易挥发组分的挥发速度；

●冷却速度影响制品的微观结构和性能

→SchoolofMaterialsScienceandEngineering冷却方式铁铜制品中的含铜量（％）0248A13.1620.328.436.9B13.1618.929.834.5C11.615.320.123D12.518.520.121.7冷却方式对抗拉强度的影响（kgf/mm2）2.烧结气氛的分类

●氧化性气氛：如纯Ag或Ag-氧化物复合材料及氧化物陶瓷的烧结：空气

●还原性气氛：含有H2或CO组份的烧结气氛：硬质合金烧结用氢气氛，铁基、铜基粉末冶金零件的含氢气氛（氨分解气）

●惰性或中性气氛：Ar、He、N2、真空

●渗碳气氛：含有较高的导致烧结体渗碳的组元，如

CO，CH4，碳氢化合物气体

●氮基气氛：含氮量很高的烧结气氛：

10%H2+N2三、烧结过程及推动力（一）烧结过程1.烧结温度对烧结体性质的影响当密度达到理论密度的90～95％后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。1）随T↑，电阻↓（电导率↑）、强度↑，表明：在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故电导率和强度增大2）随T继续↑，物质开始向空隙传递，密度↑烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。烧结过程可以分为三个阶段：烧结初期、中期和后期。2.烧结过程的模型示意图（二）烧结推动力近代烧结理论认为：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧的推动力。烧结的推动力与相变、固相反应相比，还是极小的如：粒度为1μm的材料烧结后，△G↓8.3J/g；

α-石英与β-石英之间的多晶转变时，△G1.7KJ/mol；一般化学反应前后能量变化超过200KJ/mol.∴烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体烧结的难易以γGB晶界能/γSV表面能比值来衡量：γGB/γSV↑，烧结越困难例：Al2O3:两者差别较大，易烧结；共价化合物如Si3N4、SiC、AlN难烧结。*推动力与颗粒细度的关系：

颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，

结论：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大!!晶界移动：∵凸面界面能>凹面界面能∴晶界向凸面曲率中心移动则，小于6条边的晶粒缩小（或消失），大于6条边的晶粒长大

影响烧结的因素一、烧结温度和时间的影响

1、烧结温度2、烧结时间T↑，P蒸↑，D扩↑，η↓，促进烧结T过高：1）浪费燃料，不经济；2）促使二次再结晶，使制品性能恶化；3）液相量增多，η急剧下降，使制品变形。延长t↑，会不同程度的促进烧结的完成；但是，在烧结后期，不合理的延长t↑↑，会加剧二次再结晶的作用，得不到致密的制品。3、烧结温度与保温时间的关系烧结高T阶段：以体积扩散为主，导致坯体致密化烧结低T阶段：以表面扩散为主，只改变气孔形状，不致密化如在低温阶段保温t过长，不仅不引起致密化，反而因表面扩散改变气孔形状而给制品性能带来危害。刚玉坯体烧结程度与细度的关系：二、原始粉料粒度的影响

1、物料粒度r↓，总表面能，则：

1）烧结推动力↑；2）原子扩散距离↓；3）液相中的溶解度↑。使烧结过程加速粒度r由2μm→0.5μm，烧结速率，↑64倍，相当于烧结温度降低了150～300℃。例如：2、物料原始粒径细且均匀，可防止二次再结晶粉末最适宜粒度：0.05～0.5μm3、物料粒度不同，烧结机理不同粗颗粒→按体积扩散机理烧结细颗