粉末冶金 第4章 单元系粉末烧结.docVIP

第四章 单元系粉末烧结 Sintering of single component §1 烧结现象（简介） 纯金属、固定化学成分的化合物和均匀固溶体的粉末烧结体系 1. 烧结现象： 1）辅助添加剂的排除（蒸发与分解） →形成内压 →若内压超过颗粒间的结合强度 →膨胀,起泡或开裂等 →废品 2）当烧结温度达到退火温度时，压制过程的内应力释放,并导致压坯尺寸胀大 产生回复和再结晶现象 由于颗粒接触部位在压制过程中承受大量变形，为再结晶提供了能量条件。 3）孔隙缩小，形成连通孔隙网络，封闭孔隙 4）晶粒长大 1.烧结温度与时间（自学） T=（2/3-4/5）Tm 2.烧结密度与尺寸变化（自学） §2 烧结过程中的晶粒长大 1 .烧结材料的晶粒尺寸细小： 在粉末烧结初、中期，晶粒长大的趋势较小 而在烧结后期才会发生可观察到的晶粒长大现象 但与普通致密材料相比较，烧结材料的这种晶粒长大现象几乎可以忽略。 原因有二： 孔隙、夹杂物对晶界迁移的阻碍 烧结温度低于铸造温度 1)对晶界的阻碍作用： 烧结坯中孔隙对晶界迁移施加了阻碍作用，即孔隙的存在阻止晶界的迁移。 粉末颗粒的原始边界随着烧结过程的进行一般发展成晶界。 烧结坯中的大量孔隙大都与晶界相连接。 孔隙对晶界迁移施加的阻力: 随其中孔隙尺寸的减小而降低 孔隙的数量的下降而降低 当孔隙度固定时，孔隙数量愈大，这种阻碍作用也愈强 相应地，晶粒长大趋势亦小 在相同烧结条件下，粒度粗的粉末易得到较粗大的晶粒 而粒度较细的粉末则易获得较细小的晶粒结构 细粉时，孔隙数量大，对晶界的阻碍作用较强 但烧结温度过高或烧结时间过长，则会发生聚集再结晶 当烧结坯中的孔隙尺寸和总孔隙度下降到一定程度后，孔隙的阻碍作用迅速减弱，导致晶界与孔隙发生分离现象。这时，晶内孔隙形成。 粉末中的夹杂物也对晶粒长大施加一定的阻碍作用。 夹杂物包括硅酸盐和稳定性高的金属氧化物 对晶界迁移的阻碍作用大于孔隙 因为孔隙随着烧结过程的进行可减弱或消失。而夹杂物一般难以消除（若夹杂物在烧结过程中稳定） 同时,粉末烧结温度远低于铸造温度 故粉末烧结材料的晶粒一般较细小 2 .晶粒长大（grain growth）的阻碍作用模型 若附在晶界上的孔隙的尺寸为rP，平均晶粒尺寸为Ga，则孔隙的体积分数为 fP=48(rP/Ga)3 假设单位晶界面积上的孔隙个数为N，则 N=24/πGa2 晶界迁移的驱动力 F=2kγgb(1/Ga-1/G) k=4/5(for normal grain growth) 孔隙或夹杂物及溶质原子对晶界的拉力为 Fd=πrPγgb(N+MP/Mb) 其中： 孔隙的移动性 MP=An/rPn An、rn依赖于导致孔隙迁移的物质迁移机构 其中δ为表面层厚度；m为摩尔质量；αˊ为蒸发速度常数 晶界移动性 Mb=(αC∞+1/Mo)-1 Mo：晶界本征移动性， C∞：溶质原子的平均浓度 因而对晶界总的拉力为 Fd=πrPγgb(N+AnαC∞/rPn+An/MorPn) 产生晶界与孔隙分离或形成晶内孔隙的条件是 晶界迁移驱动力F≥施加在晶界上的拉力Fd 容易发现 rP愈小,N↑，→Fd↑ 细粉末难以形成内孔隙 原始晶粒尺寸分布愈均匀，晶界与孔隙分离的机率也愈小 晶粒长大动力学方程为 Gn -Go n =kt 2n≤3 Ga为平均晶粒尺寸 孔隙等的存在导致晶粒长大速度下降 §3 纳米粉末的烧结特性与烧结技术 1. 纳米晶材料具有传统与微米晶材料的不同特性 不透明→透明； 脆性→超塑性；绝缘→导体； 电子材料：很高的磁阻，超磁性（可控的能带间隙） 技术困难 纳米粉体的烧结是为了得到纳米晶全致密的块体材料(矛盾) 2.目标： 关键是在保持块体材料呈现纳米晶结构，而又能获得全致密化 纳米粉末具有本征的偏离平衡态的亚稳结构 纳米晶结构还导致晶体结构的改变 固溶度增加 物理性能改变 问题是 1）烧结后产生晶粒粗化→非纳米晶结构 活性高:烧结驱动力用于致密化和晶粒长大 2）试样细寸细小，特别是难以得到出现性能突变的可供测试的样品，无法判断对应晶粒尺寸 3）工程应用也受到制约 为什么纳米粉末颗粒的烧结活性很高？ 1）烧结热力学 具有巨大的表面能，为烧结过程提供很高的烧结驱动力，使烧结过程加快 2）烧结动力学 由烧结动力学方程(X/a)m=F(T).t/am-n 纳米粉末颗粒的a值很小 达到相同的x/a值所需时间很短，烧结温度降低。 纳米粉末烧结活性很高 3. 纳米粉末的烧结特性 1）低的烧结活化能 40nm W粉：134kJ/mol。 传统W powder :VD-580kJ/mol;SD-3