第四章 燒結(jié)理論-2

1、粉末冶金原理粉末冶金原理 第四章第四章 燒結(jié)理論燒結(jié)理論 Theory of Sintering 程繼貴程繼貴 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 School of Materials Science and Engineering 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 4.1 概述概述 4.2 燒結(jié)過程熱力學(xué)燒結(jié)過程熱力學(xué) 4.3 燒結(jié)機(jī)構(gòu)燒結(jié)機(jī)構(gòu) 4.4 單元系燒結(jié)單元系燒結(jié) 4.5 多元系固相燒結(jié)多元系固相燒結(jié) 4.6 液相燒結(jié)液相燒結(jié) 4.7 熱壓和活化燒結(jié)熱壓和活化燒結(jié) School of Materials Science and Engineering 第四節(jié) 單元系燒結(jié) 定義：定義：?jiǎn)蜗啵兘?/p>

2、屬、固定成分化合物或均勻固溶單相（純金屬、固定成分化合物或均勻固溶 體）粉末或壓坯在固態(tài)下燒結(jié)，燒結(jié)過程中不出現(xiàn)體）粉末或壓坯在固態(tài)下燒結(jié)，燒結(jié)過程中不出現(xiàn) 新的組成物或新相、無物質(zhì)聚集狀態(tài)的改變。新的組成物或新相、無物質(zhì)聚集狀態(tài)的改變。 實(shí)例：實(shí)例：純金屬：純金屬：W、Mo、Cu、Fe， 化合物：化合物：Al2O3、MoSi2、SiC 等等 School of Materials Science and Engineering 一、一、 燒結(jié)的基本過程（燒結(jié)階段的劃分）燒結(jié)的基本過程（燒結(jié)階段的劃分） （1）輔助添加劑的排除（蒸發(fā)與分解）輔助添加劑的排除（蒸發(fā)與分解） 形成內(nèi)壓形成內(nèi)壓 若內(nèi)

3、壓超過顆粒間的結(jié)合強(qiáng)若內(nèi)壓超過顆粒間的結(jié)合強(qiáng) 度度 膨脹膨脹, 起泡或開裂等起泡或開裂等 廢品廢品 1. 燒結(jié)過程的現(xiàn)象燒結(jié)過程的現(xiàn)象 School of Materials Science and Engineering （2）當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到退火溫度時(shí)，壓制過程的內(nèi)應(yīng)）當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到退火溫度時(shí)，壓制過程的內(nèi)應(yīng) 力釋放力釋放,并導(dǎo)致壓坯尺寸脹大并導(dǎo)致壓坯尺寸脹大, 產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn) 象象 由于顆粒接觸部位在壓制過程中承受大量變形，由于顆粒接觸部位在壓制過程中承受大量變形， 為再結(jié)晶提供了能量條件。為再結(jié)晶提供了能量條件。 （3）孔隙縮小，形成連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，封閉孔隙）孔隙縮小

4、，形成連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，封閉孔隙 （4）晶粒長(zhǎng)大）晶粒長(zhǎng)大 （5）燒結(jié)體強(qiáng)度增大，物理性能明顯改善）燒結(jié)體強(qiáng)度增大，物理性能明顯改善 School of Materials Science and Engineering 等溫?zé)Y(jié)按時(shí)間劃分成界限不十分明確的三個(gè)階段：等溫?zé)Y(jié)按時(shí)間劃分成界限不十分明確的三個(gè)階段： 粘結(jié)面的形成粘結(jié)面的形成 燒結(jié)頸（燒結(jié)頸（sintering neck）的形成與長(zhǎng)大）的形成與長(zhǎng)大 閉孔隙的形成和球化閉孔隙的形成和球化 2. 燒結(jié)階段的劃分燒結(jié)階段的劃分 School of Materials Science and Engineering 在粉末顆粒的原始接觸面，通

5、過顆粒表面附近的原在粉末顆粒的原始接觸面，通過顆粒表面附近的原 子擴(kuò)散，由原來的機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變?yōu)樵娱g的冶金結(jié)子擴(kuò)散，由原來的機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變?yōu)樵娱g的冶金結(jié) 合合,形成晶界。形成晶界。 （1） 粘結(jié)面的形成粘結(jié)面的形成 School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering 粘結(jié)面形成導(dǎo)致：粘結(jié)面形成導(dǎo)致： n坯體的強(qiáng)度增加，表面積減小坯體的強(qiáng)度增加，表面積減小 n金屬粉末產(chǎn)生燒結(jié)：金屬粉末產(chǎn)

6、生燒結(jié)：導(dǎo)電性能提高是粉末燒結(jié)發(fā)生的標(biāo)志，導(dǎo)電性能提高是粉末燒結(jié)發(fā)生的標(biāo)志， 而非出現(xiàn)燒結(jié)收縮而非出現(xiàn)燒結(jié)收縮 范德華力范德華力: 接觸壓力接觸壓力20-300Ma（接觸距離為（接觸距離為0.2nm時(shí)）時(shí)） 金屬鍵合力金屬鍵合力: 附加應(yīng)力（存在液相時(shí)）附加應(yīng)力（存在液相時(shí)） 電子作用力：電子作用力：電子云重疊，導(dǎo)致電子云密度增加電子云重疊，導(dǎo)致電子云密度增加 為什么能形成粘結(jié)面？為什么能形成粘結(jié)面？ School of Materials Science and Engineering 銅粉顆粒間的接觸壓力：銅粉顆粒間的接觸壓力： F（r）=2450/r（MPa） r=3nm，接觸壓力為，接

7、觸壓力為817MPa r=6nm，接觸壓力為，接觸壓力為408MPa r小于小于1.5nm，為排斥力，為排斥力 School of Materials Science and Engineering （2）燒結(jié)頸形成與長(zhǎng)大）燒結(jié)頸形成與長(zhǎng)大(neck growth) n前期的特征：前期的特征：形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，孔隙表面光滑化；形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，孔隙表面光滑化； n后期的特征：后期的特征：孔隙進(jìn)一步縮小，網(wǎng)絡(luò)坍塌并且晶界發(fā)生孔隙進(jìn)一步縮小，網(wǎng)絡(luò)坍塌并且晶界發(fā)生 遷移。遷移。 School of Materials Science and Engineering 為什么會(huì)導(dǎo)致顆粒間的距離縮短？

8、為什么會(huì)導(dǎo)致顆粒間的距離縮短？ n原子的擴(kuò)散，顆粒間的距離縮短原子的擴(kuò)散，顆粒間的距離縮短 n燒結(jié)頸間形成了微孔隙燒結(jié)頸間形成了微孔隙 n微孔隙長(zhǎng)大微孔隙長(zhǎng)大 n顆粒聚合導(dǎo)致燒結(jié)頸間的孔隙結(jié)構(gòu)坍塌顆粒聚合導(dǎo)致燒結(jié)頸間的孔隙結(jié)構(gòu)坍塌 n銀粉的燒結(jié)提供了相關(guān)證據(jù)銀粉的燒結(jié)提供了相關(guān)證據(jù) School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering （3） 閉孔隙的形成和球化閉孔隙的形成和球化 n孔隙

9、管道被分隔成一系列的小孔隙，最后發(fā)展成孤立孔隙并孔隙管道被分隔成一系列的小孔隙，最后發(fā)展成孤立孔隙并 球化球化 n處于晶界上的閉孔有的可能消失，有的因發(fā)生晶界與孔隙間處于晶界上的閉孔有的可能消失，有的因發(fā)生晶界與孔隙間 的分離現(xiàn)象而成為晶內(nèi)孔隙（的分離現(xiàn)象而成為晶內(nèi)孔隙（intragranular pore），并充分），并充分 球化。球化。 School of Materials Science and Engineering Hirschhorn的燒的燒結(jié)階段劃分：結(jié)階段劃分： 1）顆粒間開始粘接）顆粒間開始粘接 Interparticle bonding 2）頸部長(zhǎng)大）頸部長(zhǎng)大 Neck

10、growth 3）孔道封閉）孔道封閉 Closure of pore channels 4）孔洞圓滑）孔洞圓滑 Rounding of pores 5）孔洞收縮或致密化）孔洞收縮或致密化 Pore shrinkage，densification 6）孔洞粗化）孔洞粗化 Pore coarsening School of Materials Science and Engineering 二、二、 燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間 1. 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 （1）單元系燒結(jié)的起始溫度）單元系燒結(jié)的起始溫度 單元系燒結(jié)時(shí)，存在一最低起始溫度，既使燒結(jié)體物理單元系燒結(jié)時(shí)，存在一最低起始溫度，既使燒

11、結(jié)體物理 力學(xué)性能發(fā)生顯著改變的溫度。力學(xué)性能發(fā)生顯著改變的溫度。 許提：密度發(fā)生顯著改變的最低塔曼溫度指數(shù)許提：密度發(fā)生顯著改變的最低塔曼溫度指數(shù)： = Ts/Tm 不同金屬，不同金屬，值不同（值不同（Ts不同）：不同）：Au0.3，Cu0.35， Fe0.4， W0.4 School of Materials Science and Engineering （2） 按溫度劃分的燒結(jié)階段按溫度劃分的燒結(jié)階段 1）低溫預(yù)燒階段：）低溫預(yù)燒階段：0.25 金屬回復(fù)、吸附氣體、粘結(jié)劑等排除金屬回復(fù)、吸附氣體、粘結(jié)劑等排除 2）中溫升溫?zé)Y(jié)階段：）中溫升溫?zé)Y(jié)階段： 0.45-0.55 再結(jié)晶、形成

12、燒結(jié)頸再結(jié)晶、形成燒結(jié)頸 3）高溫保溫完成燒結(jié)階段：）高溫保溫完成燒結(jié)階段：0.5-0.85 閉孔形成、燒結(jié)體密度增加閉孔形成、燒結(jié)體密度增加 School of Materials Science and Engineering Three stages of sintering nBurn-off: create permeability by remove lubricants or binders nHigh temperature stage: solid-state diffusion and bonding the particles with sufficient time t

13、o produce desired density nCooling period: lower temperature while retain controlled atmosphere, prevent oxidation occur or thermal shock School of Materials Science and Engineering （3） 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 T 指最高燒結(jié)溫度，即高溫保溫溫度指最高燒結(jié)溫度，即高溫保溫溫度 一般：一般：T燒絕 燒絕 =（ （2/3-4/5） T熔絕 熔絕 （=0.67-0.80） 下限略高于：下限略高于：再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度， 上限

14、取決于：上限取決于：性能要求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素性能要求、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素 School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering 2. 燒結(jié)時(shí)間燒結(jié)時(shí)間t 指高溫保溫階段的時(shí)間指高溫保溫階段的時(shí)間 注意：燒結(jié)時(shí)間注意：燒結(jié)時(shí)間燒結(jié)過程時(shí)間燒結(jié)過程時(shí)間 燒結(jié)曲線：燒結(jié)曲線：T-tT-t關(guān)系曲線關(guān)系曲線 T t School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering

15、 三、三、 燒結(jié)體顯微組織的變化燒結(jié)體顯微組織的變化 1. 燒結(jié)體孔隙的變化燒結(jié)體孔隙的變化 孔隙的孔隙的形狀、大小、數(shù)量、分布形狀、大小、數(shù)量、分布都發(fā)生變化都發(fā)生變化 孔隙形狀：孔隙形狀：連通網(wǎng)絡(luò)連通網(wǎng)絡(luò)封閉封閉球化球化 孔隙大?。嚎紫洞笮。浩骄叽缰饾u減小，燒結(jié)后期，閉孔平均尺寸逐漸減小，燒結(jié)后期，閉孔 形成后，小孔消失，少數(shù)孔隙尺寸可能增大形成后，小孔消失，少數(shù)孔隙尺寸可能增大 Q Q：為什么為什么小孔更小，大孔更大？小孔更小，大孔更大？ School of Materials Science and Engineering 孔隙分布：孔隙分布：靠近晶界、表面處的孔隙易通過擴(kuò)散靠近晶界

16、、表面處的孔隙易通過擴(kuò)散 消失，最終少量隔離孔隙遠(yuǎn)離表面和晶界。消失，最終少量隔離孔隙遠(yuǎn)離表面和晶界。 School of Materials Science and Engineering 孔隙數(shù)量：孔隙數(shù)量：一般燒結(jié)后密度增加，總孔隙率減少，一般燒結(jié)后密度增加，總孔隙率減少， 但開、閉孔率變化趨勢(shì)不同。但開、閉孔率變化趨勢(shì)不同。 School of Materials Science and Engineering t 2. 再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大 （1） 單元系燒結(jié)再結(jié)晶的基本形式單元系燒結(jié)再結(jié)晶的基本形式 顆粒內(nèi)再結(jié)晶：顆粒內(nèi)再結(jié)晶：再結(jié)晶形核發(fā)生于顆粒接觸表面，再結(jié)晶形核發(fā)

17、生于顆粒接觸表面， 向相鄰顆粒內(nèi)長(zhǎng)大，向相鄰顆粒內(nèi)長(zhǎng)大，晶粒邊界不越過顆粒邊界。晶粒邊界不越過顆粒邊界。 顆粒間聚集再結(jié)晶：顆粒間聚集再結(jié)晶：再結(jié)晶形核發(fā)生于顆粒接觸再結(jié)晶形核發(fā)生于顆粒接觸 表面，向相鄰顆粒內(nèi)長(zhǎng)大，表面，向相鄰顆粒內(nèi)長(zhǎng)大，晶粒邊界越過顆粒邊界，晶粒邊界越過顆粒邊界， 顆粒合并，晶粒長(zhǎng)大。顆粒合并，晶粒長(zhǎng)大。 School of Materials Science and Engineering （2）影響燒結(jié)再結(jié)晶的因素）影響燒結(jié)再結(jié)晶的因素 1）孔隙：）孔隙：阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大 燒結(jié)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大發(fā)生于燒結(jié)后期，孔隙燒結(jié)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大發(fā)生于燒結(jié)后期，孔隙

18、明顯減少后！明顯減少后！Why?Why? 再結(jié)晶后晶粒尺寸再結(jié)晶后晶粒尺寸d d f f d f = d / f 要發(fā)生晶粒長(zhǎng)大要發(fā)生晶粒長(zhǎng)大: d f d0 d/d0 =d/df =f =0.1 d、d0 孔隙、原始晶粒孔隙、原始晶粒(顆粒顆粒)尺寸尺寸 f孔隙體積分?jǐn)?shù)孔隙體積分?jǐn)?shù) f0.1才發(fā)生晶粒長(zhǎng)大才發(fā)生晶粒長(zhǎng)大 School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering 2）第二相：阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大）第二相：阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大 第二相的尺寸和含量都第二相的尺寸和含量都

19、 對(duì)再結(jié)晶有影響對(duì)再結(jié)晶有影響 df = d/f 此時(shí)，此時(shí)，d、f第二相尺寸與含量第二相尺寸與含量 第二相要發(fā)揮彌散強(qiáng)化作用，第二相要發(fā)揮彌散強(qiáng)化作用， 必須細(xì)小、彌散必須細(xì)小、彌散 School of Materials Science and Engineering 3）晶界溝：）晶界溝：阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大 Q：燒結(jié)材料再結(jié)晶與致密材料相比的特點(diǎn)?。簾Y(jié)材料再結(jié)晶與致密材料相比的特點(diǎn)！ School of Materials Science and Engineering 四、燒結(jié)體性能的變化四、燒結(jié)體性能的變化 1. 燒結(jié)體密度的變化燒結(jié)體密度的變化 一般規(guī)律：一般規(guī)

20、律：隨燒結(jié)進(jìn)行，隨燒結(jié)進(jìn)行， 燒結(jié)體密度增加燒結(jié)體密度增加 反反常現(xiàn)象：常現(xiàn)象：燒結(jié)體膨脹，燒結(jié)體膨脹， 密度降低。密度降低。 原因？ School of Materials Science and Engineering 2. 燒結(jié)體力學(xué)性能的變化燒結(jié)體力學(xué)性能的變化 強(qiáng)度：強(qiáng)度：低溫?zé)Y(jié)時(shí)取決于低溫?zé)Y(jié)時(shí)取決于 孔隙大小與數(shù)量；中溫?zé)紫洞笮∨c數(shù)量；中溫?zé)?結(jié)取決于孔隙形狀；高溫結(jié)取決于孔隙形狀；高溫 燒結(jié)取決于晶粒大小燒結(jié)取決于晶粒大小 延伸率：延伸率：只有在燒結(jié)后期只有在燒結(jié)后期 才明顯改進(jìn)才明顯改進(jìn) School of Materials Science and Engineerin

21、g School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering 第五節(jié) 多元系固相燒結(jié) 在在PM中，完全符合單元系的燒結(jié)并不多，中，完全符合單元系的燒結(jié)并不多， 而以而以多元系燒結(jié)多元系燒結(jié)為主：為主： 無限互溶多元系固相燒結(jié)無限互溶多元系固相燒結(jié) 有限互溶多元系固相燒結(jié)有限互溶多元系固相燒結(jié) 互不相溶多元系固相燒結(jié)互不相溶多元系固相燒結(jié) School of Materials Science

22、 and Engineering 與單元系粉末燒結(jié)比較，多元系粉末固相燒結(jié)體系與單元系粉末燒結(jié)比較，多元系粉末固相燒結(jié)體系 的燒結(jié)體不僅發(fā)生基本的微觀結(jié)構(gòu)演化（即孔隙尺寸、的燒結(jié)體不僅發(fā)生基本的微觀結(jié)構(gòu)演化（即孔隙尺寸、 形狀的改變和數(shù)量變化），形狀的改變和數(shù)量變化），還可能發(fā)生組元間的合金化還可能發(fā)生組元間的合金化 過程過程（牽涉到（牽涉到 溶解反應(yīng)，合金化反應(yīng)，固態(tài)擴(kuò)散），溶解反應(yīng)，合金化反應(yīng)，固態(tài)擴(kuò)散）， 固態(tài)擴(kuò)散固態(tài)擴(kuò)散是一緩慢的過程，對(duì)合金化的均勻化速度是一緩慢的過程，對(duì)合金化的均勻化速度 起控制作用。起控制作用。 School of Materials Science and En

23、gineering 一、無限互溶多元系固相燒結(jié)一、無限互溶多元系固相燒結(jié) 無限互溶：無限互溶：兩種或兩種以上組元在固態(tài)和液態(tài)下都能以兩種或兩種以上組元在固態(tài)和液態(tài)下都能以 任意成分互溶。任意成分互溶。 簡(jiǎn)單的二元互溶系：簡(jiǎn)單的二元互溶系：Fe-Ni、Cu-Ni、Cu-Ag、 Co-Ni、Cu-Au、W-Mo 燒結(jié)的本質(zhì)：燒結(jié)的本質(zhì)：合金化（擴(kuò)散均勻化合金化（擴(kuò)散均勻化Homogenization） 遵從固相擴(kuò)散的一般規(guī)律遵從固相擴(kuò)散的一般規(guī)律 School of Materials Science and Engineering 假定顆粒假定顆粒A表面上均勻地包覆一層表面上均勻地包覆一層 合金

24、元素合金元素B。 均勻化程度因數(shù)：均勻化程度因數(shù)： F = mt / m m t 時(shí)刻時(shí)刻t通過界面的物質(zhì)量通過界面的物質(zhì)量 m 完成合金均勻化時(shí)通過界面完成合金均勻化時(shí)通過界面 的物質(zhì)量的物質(zhì)量 （一）合金化模型：同心球一）合金化模型：同心球 School of Materials Science and Engineering （二）影響燒結(jié)均勻化（合金化）的因素（二）影響燒結(jié)均勻化（合金化）的因素 燒結(jié)溫度：燒結(jié)溫度：T，原子擴(kuò)散速度增加，原子擴(kuò)散速度增加，F(xiàn) 燒結(jié)時(shí)間：燒結(jié)時(shí)間：元素?cái)U(kuò)散距離大長(zhǎng)，元素?cái)U(kuò)散距離大長(zhǎng)，t， F 粉末粒度：粉末粒度：細(xì)粉末的活性高，擴(kuò)散距離短，細(xì)粉末的活性高

25、，擴(kuò)散距離短， 均勻化時(shí)間縮短均勻化時(shí)間縮短 粉末原料：粉末原料：部分預(yù)合金化粉末降低擴(kuò)散活化能壘，部分預(yù)合金化粉末降低擴(kuò)散活化能壘， F School of Materials Science and Engineering 雜質(zhì)元素：雜質(zhì)元素：Si、Mn等雜質(zhì)易形成穩(wěn)定氧化物，等雜質(zhì)易形成穩(wěn)定氧化物， 阻礙元素?cái)U(kuò)散阻礙元素?cái)U(kuò)散 壓坯密度：壓坯密度： 在粉末顆粒形狀和粒度組成相同時(shí)，在粉末顆粒形狀和粒度組成相同時(shí)， 壓坯密度提高有利于增加顆粒間相互壓坯密度提高有利于增加顆粒間相互 接觸程度，接觸程度， 擴(kuò)大物質(zhì)擴(kuò)散有效界面，擴(kuò)大物質(zhì)擴(kuò)散有效界面， F School of Materials

26、Science and Engineering （三）（三） 多元系粉末燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散合金化問題多元系粉末燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散合金化問題 與普通熔煉過程相比較，粉末燒結(jié)過程中的合金化過程的與普通熔煉過程相比較，粉末燒結(jié)過程中的合金化過程的 進(jìn)行速度要低得多。進(jìn)行速度要低得多。 Why：粉末燒結(jié)溫度比熔煉溫度低，合金元素的固相擴(kuò)散速粉末燒結(jié)溫度比熔煉溫度低，合金元素的固相擴(kuò)散速 度很慢，需克服一定的擴(kuò)散勢(shì)壘。度很慢，需克服一定的擴(kuò)散勢(shì)壘。 n提高燒結(jié)溫度來促進(jìn)合金化過程提高燒結(jié)溫度來促進(jìn)合金化過程 n高的燒結(jié)溫度可能帶來產(chǎn)品的變形（高的燒結(jié)溫度可能帶來產(chǎn)品的變形（distortion）和燒）和燒 結(jié)收縮大

27、的問題，結(jié)收縮大的問題， 導(dǎo)致精度控制困難導(dǎo)致精度控制困難 n一般采用合金粉末或者為滿足粉末的成形要求采用部分一般采用合金粉末或者為滿足粉末的成形要求采用部分 預(yù)合金化粉末預(yù)合金化粉末 School of Materials Science and Engineering ProcessingMixed powderPrealloyed powder Sintering cyclesLonger timeShorter time Uniform composition PoorBest CostLowHigher Flexibility in compositions BestPoor com

28、pactabilitybestPoor 元素混合（元素混合（element mixed）粉與預(yù)合金（）粉與預(yù)合金（prealloyed）粉末）粉末 工藝性能比較工藝性能比較 School of Materials Science and Engineering 二、有限互溶多元系固相燒結(jié)二、有限互溶多元系固相燒結(jié) 有限互溶：有限互溶：兩種或兩種以上組元在液態(tài)下無限互溶，兩種或兩種以上組元在液態(tài)下無限互溶， 在固態(tài)下有限互溶。在固態(tài)下有限互溶。 典型的二元系：典型的二元系：Fe-C、Fe-Cu、W-Ni、 三元系：三元系： Fe-C-Me ！Fe-C系的燒結(jié)系的燒結(jié) 燒結(jié)的理論基礎(chǔ)燒結(jié)的理論基礎(chǔ)

29、 Fe-C二元合金相圖二元合金相圖 School of Materials Science and Engineering （一）（一）Fe-CFe-C系系 燒結(jié)過程示意圖燒結(jié)過程示意圖 （1）燒結(jié)分為三個(gè)階段）燒結(jié)分為三個(gè)階段 （2）燒結(jié)溫度的劃分：）燒結(jié)溫度的劃分： 低溫?zé)Y(jié)：低溫?zé)Y(jié)：960oC 中溫?zé)Y(jié)：中溫?zé)Y(jié)：960-1150oC 高溫?zé)Y(jié)：高溫?zé)Y(jié)：1150oC （3）冷卻方式：）冷卻方式： a緩冷，緩冷，b快冷快冷 T t 1150oC 1020oC b a 600-650oC 加熱加熱保溫保溫冷卻冷卻 School of Materials Science and Engin

30、eering （二）（二） Fe-CFe-C系燒結(jié)的致密化過程系燒結(jié)的致密化過程 1. 原子、空位擴(kuò)散導(dǎo)致孔隙變化，實(shí)現(xiàn)致密化；原子、空位擴(kuò)散導(dǎo)致孔隙變化，實(shí)現(xiàn)致密化； 2. 再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大實(shí)現(xiàn)致密化再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大實(shí)現(xiàn)致密化 1）表面再結(jié)晶：）表面再結(jié)晶：300-400oC 2）顆粒內(nèi)再結(jié)晶：）顆粒內(nèi)再結(jié)晶： 450oC 3） 聚集再結(jié)晶：聚集再結(jié)晶：800-980oC School of Materials Science and Engineering （三）（三）燒結(jié)過程中的組織轉(zhuǎn)變燒結(jié)過程中的組織轉(zhuǎn)變 1. 奧氏體奧氏體A的形成的形成石墨石墨G在在A中的溶解中的溶解 G在在A中的溶

31、解狀況影響最終燒結(jié)體中的含中的溶解狀況影響最終燒結(jié)體中的含C量，對(duì)量，對(duì) 產(chǎn)品性能有很大影響產(chǎn)品性能有很大影響 影響影響G在在A中溶解的因素：中溶解的因素： 溫度和時(shí)間溫度和時(shí)間 混合料的均勻程度混合料的均勻程度 壓坯密度壓坯密度 G G的性質(zhì)：種類、形狀、粒度的性質(zhì)：種類、形狀、粒度 School of Materials Science and Engineering 2. 冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 （1）冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物）冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 A中中C%0.77：P + F A中中C%= 0.77：P A中中C% 0.77：P + Cll （ （2）冷卻速度對(duì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能的影響）冷卻速度

32、對(duì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及其性能的影響 影響影響P的片層間距的片層間距 影響影響A中中C的析出形式：游離石墨、滲碳體的析出形式：游離石墨、滲碳體 School of Materials Science and Engineering V冷 冷（ （oC/min）P狀態(tài)狀態(tài)b（MPa）HB 1.7很粗很粗45037 46中等中等57050 107細(xì)細(xì)61057 冷卻速度與冷卻速度與P的片層間距及燒結(jié)體性能的片層間距及燒結(jié)體性能 （Fe-0.8C，1100oC，2h） School of Materials Science and Engineering （3）石墨）石墨G在燒結(jié)過程中的行為在燒結(jié)過程中的行為

33、溶于溶于A A中，隨后析出中，隨后析出 較快冷速：較快冷速：以以滲碳體形式析出滲碳體形式析出結(jié)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)零件 較慢冷速：較慢冷速：以以游離石墨形式析出游離石墨形式析出-減摩件減摩件 少量未溶于少量未溶于A A中中 石墨燒損：作還原劑、與氣氛反應(yīng)等石墨燒損：作還原劑、與氣氛反應(yīng)等 石墨石墨G在燒結(jié)過程中的行為與燒結(jié)溫度密切相關(guān)，在燒結(jié)過程中的行為與燒結(jié)溫度密切相關(guān)， 應(yīng)根據(jù)要求加以控制應(yīng)根據(jù)要求加以控制 School of Materials Science and Engineering 三、互不相溶多元系固相燒結(jié)三、互不相溶多元系固相燒結(jié) 互不互溶：互不互溶：兩種或兩種以上組元在固態(tài)、液態(tài)下

34、都沒有互兩種或兩種以上組元在固態(tài)、液態(tài)下都沒有互 溶性。溶性。 典型體系：典型體系：Cu-C（CF）、）、Ag-C（CF）、）、 W-Cu、Mo-Cu、Ag-CdO 假合金、復(fù)合材料等，是僅能通過粉末冶金工藝生產(chǎn)材料 的典型代表！ School of Materials Science and Engineering （一）（一） 燒結(jié)的熱力學(xué)條件燒結(jié)的熱力學(xué)條件 A-B系系 必要條件：必要條件： AB |A-B| ，界面能大于兩組份單獨(dú)存在時(shí)能量，界面能大于兩組份單獨(dú)存在時(shí)能量 之差，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，但不太理想之差，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，但不太理想 AB|A-B|，燒結(jié)比較理想，燒結(jié)比較理想， 因?yàn)椋?/p>

35、因?yàn)椋羧鬉B ，則，則B有有 可能附在可能附在A上，均勻地形成上，均勻地形成B包裹層，燒結(jié)效果最好包裹層，燒結(jié)效果最好 School of Materials Science and Engineering 1. 一般規(guī)律一般規(guī)律 二次方關(guān)系（皮涅斯二次方關(guān)系（皮涅斯-古狄遜）古狄遜） 燒結(jié)收縮率：燒結(jié)收縮率：=ACA2+BCB2+2ABCACB CA+CB=1 強(qiáng)度、物理性能：強(qiáng)度、物理性能： 也符合上述規(guī)律也符合上述規(guī)律 （二）燒結(jié)體的性能（二）燒結(jié)體的性能- -成分關(guān)系成分關(guān)系 AB=1/2（A+B） AB 1/2（A+ B） hAB1/2（A+B） School of Materia

36、ls Science and Engineering 2. 性能性能-成分加和規(guī)律成分加和規(guī)律 互不相溶組元組成的燒結(jié)體（復(fù)合材料），當(dāng)互不相溶組元組成的燒結(jié)體（復(fù)合材料），當(dāng)密度趨密度趨 于理論密度時(shí)，于理論密度時(shí)，性能與組成的體積含量間成線性關(guān)系：性能與組成的體積含量間成線性關(guān)系： P = P1v1 +P2v2 + P1、P2、P1、2、組分和復(fù)合材料性能組分和復(fù)合材料性能 v1、v21、2組分體積分?jǐn)?shù)，組分體積分?jǐn)?shù)，V1+V2+ =1 例：求含例：求含5wt%石墨的石墨的Cu-G材料的密度（材料的密度（Cu、G的密度分別的密度分別 為為8.9和和2.2g/cm3） School of M

37、aterials Science and Engineering （三）互不相容多元系固相燒結(jié)的特點(diǎn)（三）互不相容多元系固相燒結(jié)的特點(diǎn) 1. 粉末冶金工藝的固有優(yōu)點(diǎn)：粉末冶金工藝的固有優(yōu)點(diǎn)： 多種假合金，顆粒增纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多種假合金，顆粒增纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 2. 存在性能存在性能-成分加和規(guī)律，可用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)：成分加和規(guī)律，可用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)： 根據(jù)性能需要設(shè)計(jì)組成根據(jù)性能需要設(shè)計(jì)組成 由組成預(yù)測(cè)性能由組成預(yù)測(cè)性能 3. 燒結(jié)溫度的選擇存在很寬的范圍燒結(jié)溫度的選擇存在很寬的范圍固相、液相固相、液相 School of Materials Science and Engineering

38、4. 有時(shí)需采用特殊的混料方法；有時(shí)需采用特殊的混料方法； 5. 為提高密度，需補(bǔ)充致密化為提高密度，需補(bǔ)充致密化 工藝或熱成形工藝；工藝或熱成形工藝； 6. 顆粒間的結(jié)合界面對(duì)材料性顆粒間的結(jié)合界面對(duì)材料性 能影響明顯。能影響明顯。 7. 注意非活性相問題注意非活性相問題 School of Materials Science and Engineering 第六節(jié) 多元系液相燒結(jié) 一、概述一、概述 （一）定義（一）定義 兩種或兩種以上組元組成的壓坯，在其中低熔成分熔兩種或兩種以上組元組成的壓坯，在其中低熔成分熔 點(diǎn)溫度之上、高熔成分熔點(diǎn)溫度之下某一溫度進(jìn)行的燒結(jié)。點(diǎn)溫度之上、高熔成分熔點(diǎn)溫

39、度之下某一溫度進(jìn)行的燒結(jié)。 注意：注意：低熔成分不一定是組元單質(zhì)，可能是低共熔物。低熔成分不一定是組元單質(zhì)，可能是低共熔物。 （硬質(zhì)合金）硬質(zhì)合金） School of Materials Science and Engineering （二）液相燒結(jié)的特點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)）（二）液相燒結(jié)的特點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1. 加快燒結(jié)速度：加快燒結(jié)速度： a. 液相的形成加快了原子遷移速度液相的形成加快了原子遷移速度 b. 在無外壓的情況下，毛細(xì)管力的作用加快坯體的收縮在無外壓的情況下，毛細(xì)管力的作用加快坯體的收縮 c. 液相的存在降低顆粒間的摩擦，有利于顆粒重排列液相的存在降低顆粒間的摩擦，有利

40、于顆粒重排列 School of Materials Science and Engineering 2. 晶粒尺寸可以通過調(diào)節(jié)液相燒結(jié)工藝參數(shù)加以控制，便晶粒尺寸可以通過調(diào)節(jié)液相燒結(jié)工藝參數(shù)加以控制，便 于優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)和性能于優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)和性能; 3. 可制得全致密的可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高材料或制品，延伸率高; Why：新的燒結(jié)機(jī)構(gòu)、液相充填孔隙新的燒結(jié)機(jī)構(gòu)、液相充填孔隙 4. 粉末顆粒的尖角處優(yōu)先溶于液相，易于獲得有效的顆粒粉末顆粒的尖角處優(yōu)先溶于液相，易于獲得有效的顆粒 間填充間填充. School of Materials Science and Engineerin

41、g 不足之處：不足之處： a. 變形（變形（distortion）：）： 當(dāng)燒結(jié)坯體液相數(shù)量過大或混合粉的粒度、混當(dāng)燒結(jié)坯體液相數(shù)量過大或混合粉的粒度、混 合不均勻時(shí)，易出現(xiàn)變形合不均勻時(shí)，易出現(xiàn)變形 b. 收縮大，尺寸精度控制困難收縮大，尺寸精度控制困難 School of Materials Science and Engineering （三）液相燒結(jié)的分類（三）液相燒結(jié)的分類 1. 瞬時(shí)液相燒結(jié)瞬時(shí)液相燒結(jié)(transient liquid phase sintering) 在燒結(jié)中、初期存在液相，后期液相消失的燒結(jié)過程在燒結(jié)中、初期存在液相，后期液相消失的燒結(jié)過程 n特點(diǎn)：特點(diǎn)：燒結(jié)

42、中初期為液相燒結(jié)，后期為固相燒結(jié)燒結(jié)中初期為液相燒結(jié)，后期為固相燒結(jié) n體系：體系：Cu-Sn，Cu-Pb，Ag-Hg，Ag-Ni，F(xiàn)e-Fe3P，F(xiàn)e- Cu3P，F(xiàn)e-Ni-Al，F(xiàn)e-Cu(10%)等等 School of Materials Science and Engineering 3. 熔浸熔浸(infiltration) n多孔骨架的固相燒結(jié)和低熔點(diǎn)金屬滲入骨架多孔骨架的固相燒結(jié)和低熔點(diǎn)金屬滲入骨架 后的液相燒結(jié)過程后的液相燒結(jié)過程 n前期為固相燒結(jié)，后期為液相燒結(jié)前期為固相燒結(jié)，后期為液相燒結(jié) n可生產(chǎn)全致密假合金如可生產(chǎn)全致密假合金如W(Mo)-Cu（Ag）等）等 復(fù)合材

43、料復(fù)合材料 School of Materials Science and Engineering School of Materials Science and Engineering 4. 超固相線液相燒結(jié)超固相線液相燒結(jié) (supersolidius liquid phase sintering)： n液相在粉末顆粒內(nèi)形成，是一種在微區(qū)范圍內(nèi)液相在粉末顆粒內(nèi)形成，是一種在微區(qū)范圍內(nèi) 較普通液相燒結(jié)更為均勻的燒結(jié)過程較普通液相燒結(jié)更為均勻的燒結(jié)過程 n高碳鐵合金，工具鋼，粉末超合金，納米晶復(fù)高碳鐵合金，工具鋼，粉末超合金，納米晶復(fù) 合合WC-Co粉末等的燒結(jié)粉末等的燒結(jié) School of

44、 Materials Science and Engineering （四）（四） 液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展 1. 由陶瓷領(lǐng)域發(fā)展而來由陶瓷領(lǐng)域發(fā)展而來 n最早在最早在7000年前，古人用粘土礦物燒制建筑用磚塊、年前，古人用粘土礦物燒制建筑用磚塊、 瓷器、耐火材料瓷器、耐火材料 n目前，高技術(shù)陶瓷廣泛采用液相燒結(jié)技術(shù)制造：耐磨目前，高技術(shù)陶瓷廣泛采用液相燒結(jié)技術(shù)制造：耐磨 陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體，電子基板及高溫結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體，電子基板及高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 School of Materials Science and Engineering 2. 液相燒結(jié)在金屬加工技術(shù)中

45、的應(yīng)用液相燒結(jié)在金屬加工技術(shù)中的應(yīng)用 n大約在大約在400年前：古英克斯人加工昂貴的金鉑首飾和工年前：古英克斯人加工昂貴的金鉑首飾和工 藝品藝品 n現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展：開發(fā)液相燒結(jié)技術(shù)是由愛現(xiàn)代液相燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展：開發(fā)液相燒結(jié)技術(shù)是由愛 迪生發(fā)明的電燈絲（迪生發(fā)明的電燈絲（W）所驅(qū)動(dòng)）所驅(qū)動(dòng) School of Materials Science and Engineering 液相燒結(jié)的主要發(fā)展階段：液相燒結(jié)的主要發(fā)展階段： a. 起初采用鑄造起初采用鑄造WC，由于在冷卻過程中存在分解成脆性，由于在冷卻過程中存在分解成脆性 W2C，WC和石墨相；和石墨相； b. 采用采用WC粉末壓制在低

46、于粉末壓制在低于2600燒結(jié)，制品仍表現(xiàn)為本質(zhì)燒結(jié)，制品仍表現(xiàn)為本質(zhì) 脆性，無工業(yè)應(yīng)用價(jià)值；脆性，無工業(yè)應(yīng)用價(jià)值； c. 一戰(zhàn)前夕，德國(guó)化學(xué)家一戰(zhàn)前夕，德國(guó)化學(xué)家KARL，1922年發(fā)明了粘結(jié)碳化物年發(fā)明了粘結(jié)碳化物 拉絲模，并于拉絲模，并于1923年申請(qǐng)了發(fā)明專利，年申請(qǐng)了發(fā)明專利， 標(biāo)志著標(biāo)志著現(xiàn)代液相現(xiàn)代液相 燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)技術(shù)成功地應(yīng)用金屬工業(yè)中成功地應(yīng)用金屬工業(yè)中 School of Materials Science and Engineering n二十世紀(jì)二十年代初硬質(zhì)合金工具材料及稍后的青銅二十世紀(jì)二十年代初硬質(zhì)合金工具材料及稍后的青銅 含油軸承的成功的開發(fā)；含油軸承的成功的開

47、發(fā)； n三十年代初期（二戰(zhàn)前奏），高比重合金的開發(fā)與應(yīng)三十年代初期（二戰(zhàn)前奏），高比重合金的開發(fā)與應(yīng) 用為液相燒結(jié)奠定了理論基礎(chǔ)；用為液相燒結(jié)奠定了理論基礎(chǔ)； n隨后，液相燒結(jié)技術(shù)發(fā)展迅速，用以制造高性能的隨后，液相燒結(jié)技術(shù)發(fā)展迅速，用以制造高性能的 P/M材料，如電接觸材料、軸瓦材料（材料，如電接觸材料、軸瓦材料（Al-Pb）、工具）、工具 鋼、超合金、金剛石鋼、超合金、金剛石-金屬復(fù)合材料、磁性材料、汽車金屬復(fù)合材料、磁性材料、汽車 零部件、航天材料、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電子焊料；零部件、航天材料、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電子焊料； （soldering paste）等。）等。 School of Mat

48、erials Science and Engineering 二、液相燒結(jié)的條件二、液相燒結(jié)的條件 （一）潤(rùn)濕性條件（一）潤(rùn)濕性條件 液相潤(rùn)濕固相顆粒，是液相燒結(jié)得以進(jìn)行的前提。液相潤(rùn)濕固相顆粒，是液相燒結(jié)得以進(jìn)行的前提。 否則，產(chǎn)生反燒結(jié)現(xiàn)象！否則，產(chǎn)生反燒結(jié)現(xiàn)象！ 楊氏方程：楊氏方程： S=SL+L COS 潤(rùn)濕角潤(rùn)濕角 School of Materials Science and Engineering n當(dāng)當(dāng)=0，液相充分潤(rùn)濕固相顆粒，液相充分潤(rùn)濕固相顆粒 最理想的液相燒結(jié)條件最理想的液相燒結(jié)條件 n當(dāng)當(dāng)90o，液相被推出燒結(jié)體，發(fā)生反燒結(jié)現(xiàn)象，液相被推出燒結(jié)體，發(fā)生反燒結(jié)現(xiàn)象 在燒

49、結(jié)氣氛與固相或液相組分間形成穩(wěn)定氧化物體在燒結(jié)氣氛與固相或液相組分間形成穩(wěn)定氧化物體 系易出現(xiàn)，如系易出現(xiàn)，如Al-Pb,Cu-Al,Cu-Sn等等 n當(dāng)當(dāng)090o，普通的液相燒結(jié)情況，普通的液相燒結(jié)情況， 燒結(jié)效果一般，可加入合金元素改善液相對(duì)固相顆燒結(jié)效果一般，可加入合金元素改善液相對(duì)固相顆 粒的潤(rùn)濕性，促進(jìn)液相燒結(jié)過程粒的潤(rùn)濕性，促進(jìn)液相燒結(jié)過程 School of Materials Science and Engineering 1）燒結(jié)溫度）燒結(jié)溫度， 主要降低主要降低SL 2）潤(rùn)濕是一動(dòng)態(tài)平衡過程，燒結(jié)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，）潤(rùn)濕是一動(dòng)態(tài)平衡過程，燒結(jié)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)， ； 3）合適的添加劑

50、：導(dǎo)致）合適的添加劑：導(dǎo)致 添加劑能促進(jìn)固相與液相間的物理溶解和輕微添加劑能促進(jìn)固相與液相間的物理溶解和輕微 的化學(xué)反應(yīng)：的化學(xué)反應(yīng)：TiC-Ni,添加添加Mo W-Cu,添加添加Ni,Co,Fe School of Materials Science and Engineering 4）固相顆粒的表面狀態(tài)）固相顆粒的表面狀態(tài) 固相顆粒的粗糙度固相顆粒的粗糙度，固，固-氣界面能氣界面能 液固潤(rùn)濕過程易于進(jìn)行，液固潤(rùn)濕過程易于進(jìn)行， 5）燒結(jié)氣氛）燒結(jié)氣氛 n 液相或固相氧化膜的形成導(dǎo)致潤(rùn)濕性下降液相或固相氧化膜的形成導(dǎo)致潤(rùn)濕性下降 n 成形劑分解后的殘?zhí)?，成形劑分解后的殘?zhí)迹?School o

51、f Materials Science and Engineering 1.有限的溶解可改善潤(rùn)濕性；有限的溶解可改善潤(rùn)濕性； 2.增加液相的數(shù)量即體積分?jǐn)?shù)，促進(jìn)致密化；增加液相的數(shù)量即體積分?jǐn)?shù)，促進(jìn)致密化； 3.顆粒表面突出部位的化學(xué)位較高產(chǎn)生優(yōu)先溶解，顆粒表面突出部位的化學(xué)位較高產(chǎn)生優(yōu)先溶解， 通過擴(kuò)散和液相流動(dòng)在顆粒凹陷處析出，改善固通過擴(kuò)散和液相流動(dòng)在顆粒凹陷處析出，改善固 相晶粒的形貌和減小顆粒重排的阻力。相晶粒的形貌和減小顆粒重排的阻力。 4.增加了固相物質(zhì)遷移通道，加速燒結(jié)增加了固相物質(zhì)遷移通道，加速燒結(jié) （二）固相在液相中應(yīng)具有（二）固相在液相中應(yīng)具有的溶解度的溶解度 Schoo

52、l of Materials Science and Engineering 但是（不足之處）：但是（不足之處）： 過高的溶解度導(dǎo)致燒結(jié)體的變形，甚至解體；過高的溶解度導(dǎo)致燒結(jié)體的變形，甚至解體； 過高的溶解度導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大過高的溶解度導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大 過度溶解可能導(dǎo)致液相粘度增加，降低液相的流動(dòng)性過度溶解可能導(dǎo)致液相粘度增加，降低液相的流動(dòng)性 液相在固相中固溶，造成液相數(shù)量減小液相在固相中固溶，造成液相數(shù)量減小 溶解還可能導(dǎo)致液相冷卻后燒結(jié)體性能變差（脆）溶解還可能導(dǎo)致液相冷卻后燒結(jié)體性能變差（脆） School of Materials Science and Engineering （

53、三）液相數(shù)量（三）液相數(shù)量 液相數(shù)量的增加：液相數(shù)量的增加： 有利于液相充分而均勻地包覆固相顆粒，有利于液相充分而均勻地包覆固相顆粒， 減小固相顆粒間的接觸機(jī)會(huì)減小固相顆粒間的接觸機(jī)會(huì) 為顆粒重排列提供足夠的空間和降低重排列阻力，為顆粒重排列提供足夠的空間和降低重排列阻力， 對(duì)致密化有利對(duì)致密化有利 但，但，過大的液相數(shù)量造成燒結(jié)體的剛度降低過大的液相數(shù)量造成燒結(jié)體的剛度降低 形狀保持性（形狀保持性（shape retention）下降）下降 一般液相數(shù)量控制在一般液相數(shù)量控制在35vol%35vol%以內(nèi)以內(nèi) School of Materials Science and Engineeri

54、ng 注意：注意： n對(duì)于那些在液相冷卻后形成粗大針狀組織的合對(duì)于那些在液相冷卻后形成粗大針狀組織的合 金體系（如金體系（如Fe-Al），一般不采用液相燒結(jié)；），一般不采用液相燒結(jié)； n若必須采用液相燒結(jié)，則嚴(yán)格控制液相的數(shù)量若必須采用液相燒結(jié)，則嚴(yán)格控制液相的數(shù)量 及其分布。及其分布。 School of Materials Science and Engineering 根據(jù)液相數(shù)量、溶解度和潤(rùn)濕性的不同，可根據(jù)液相數(shù)量、溶解度和潤(rùn)濕性的不同，可 以將液相燒結(jié)分成三種情況：以將液相燒結(jié)分成三種情況： 類型類型條件條件液相數(shù)量液相數(shù)量燒結(jié)模型燒結(jié)模型傳質(zhì)方式傳質(zhì)方式 900 C=0 0.01

55、-0.05 mol% 雙球雙球 擴(kuò)散擴(kuò)散 900 C0 少少 Kingery溶解溶解-析出（沉析出（沉 淀）淀） 900 C0 多多 LSW溶解溶解-析出（沉析出（沉 淀）淀） 潤(rùn)濕角；潤(rùn)濕角；C溶解度；溶解度； Kingery模型模型液相量少時(shí)，顆粒接觸處、小曲率處溶解，液相量少時(shí)，顆粒接觸處、小曲率處溶解， LSW模型模型小顆粒溶解，在大顆粒上沉積小顆粒溶解，在大顆粒上沉積 School of Materials Science and Engineering 三、液相燒結(jié)過程（階段）和燒結(jié)機(jī)構(gòu)三、液相燒結(jié)過程（階段）和燒結(jié)機(jī)構(gòu) School of Materials Science an

56、d Engineering （一）液相形成與顆粒重排（一）液相形成與顆粒重排 (liquid formation and particle rearrangement) n當(dāng)燒結(jié)溫度高于低熔組分熔當(dāng)燒結(jié)溫度高于低熔組分熔 點(diǎn)或共晶點(diǎn)時(shí)，液相形成點(diǎn)或共晶點(diǎn)時(shí)，液相形成 n在毛細(xì)管力的在毛細(xì)管力的 作用下，液作用下，液 相發(fā)生流動(dòng)并填充孔隙空間相發(fā)生流動(dòng)并填充孔隙空間 School of Materials Science and Engineering 同時(shí)，同時(shí)，毛細(xì)力作用也導(dǎo)致固相顆粒受力不平衡毛細(xì)力作用也導(dǎo)致固相顆粒受力不平衡 顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整位置顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整位置 使壓

57、制狀態(tài)的固相顆粒的相對(duì)位置發(fā)生變化使壓制狀態(tài)的固相顆粒的相對(duì)位置發(fā)生變化,達(dá)達(dá) 到最佳的填充狀態(tài)（緊密堆積），到最佳的填充狀態(tài)（緊密堆積），燒結(jié)坯發(fā)生充分致燒結(jié)坯發(fā)生充分致 密化密化 流動(dòng)（液相流動(dòng)）與顆粒重排是此階段液相燒結(jié)的 主導(dǎo)致密化機(jī)制 School of Materials Science and Engineering n液相的數(shù)量主要取決于合金成分和燒結(jié)溫度液相的數(shù)量主要取決于合金成分和燒結(jié)溫度 （尤其是有限互溶體系）（尤其是有限互溶體系） n對(duì)于組元間存在固態(tài)下互擴(kuò)散現(xiàn)象的液相燒結(jié)對(duì)于組元間存在固態(tài)下互擴(kuò)散現(xiàn)象的液相燒結(jié) 體系（如體系（如Fe-Cu），液相數(shù)量與升溫速度有關(guān)），

58、液相數(shù)量與升溫速度有關(guān) 速度愈快，低熔組分來不及向固相擴(kuò)散，液相速度愈快，低熔組分來不及向固相擴(kuò)散，液相 數(shù)量相對(duì)增加數(shù)量相對(duì)增加 School of Materials Science and Engineering d(L/Lo)/dt = P w/(2Rc.) P毛細(xì)壓力；毛細(xì)壓力；P=2LCOS/d W液膜厚度；液膜厚度； 液相的粘度；液相的粘度； Rc有效毛細(xì)管半徑，與顆粒尺寸成正比，有效毛細(xì)管半徑，與顆粒尺寸成正比， 細(xì)的固相顆粒有利于提高致密化速度細(xì)的固相顆粒有利于提高致密化速度 此階段致密化速度可下述方程表示：此階段致密化速度可下述方程表示： School of Materia

59、ls Science and Engineering （二）（二） 固相溶解和再析出固相溶解和再析出 （Solid dissolution-reprecipitation） 固相在液相中具有一定溶解度的體系中存在固相在液相中具有一定溶解度的體系中存在 化學(xué)位差異：化學(xué)位差異： 將發(fā)生優(yōu)先溶解并在附近的將發(fā)生優(yōu)先溶解并在附近的 液相中形成濃度梯度；固相原子等在液相中擴(kuò)散液相中形成濃度梯度；固相原子等在液相中擴(kuò)散 和宏觀流動(dòng)，在和宏觀流動(dòng)，在析出析出 School of Materials Science and Engineering 化學(xué)位高的區(qū)域：化學(xué)位高的區(qū)域：顆粒突起或尖角處、細(xì)顆粒顆粒

60、突起或尖角處、細(xì)顆粒 細(xì)顆粒和顆粒尖角處的優(yōu)先溶解！細(xì)顆粒和顆粒尖角處的優(yōu)先溶解！ 化學(xué)位較低的部位：化學(xué)位較低的部位：顆粒的凹陷處、大顆粒表面顆粒的凹陷處、大顆粒表面 溶解在液相中固相組分的原子在這些部位析出溶解在液相中固相組分的原子在這些部位析出 結(jié)果：結(jié)果： n固相顆粒表面光滑化和球化；固相顆粒表面光滑化和球化； n降低顆粒重排列阻力，有利于顆粒間的重排；降低顆粒重排列阻力，有利于顆粒間的重排； n進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)致密化；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)致密化； 溶解溶解-析出是此階段燒結(jié)致密化的主要機(jī)制析出是此階段燒結(jié)致密化的主要機(jī)制 School of Materials Science and Enginee