粉末冶金燒結總結報告
41331033 葉星平
一． 概述
燒結是：對粉末或壓坯在低於主要組分熔點（約0.7~0.8t絕對溫度）溫度下保溫，使顆粒相互聯結（粒界變為晶界），減小或除去顆粒間的縫隙和孔洞，提高燒結體密度和強度。
燒結過程中發生的物理化學變化：水分或有機物的蒸發或揮發，吸附氣體的排除，應力的消除，粉末顆粒表面氧化物的還原；原子間發生擴散，粘性流動和塑性流動，晶粒間的接觸面積增大，再結晶等；還可能有固相的溶解和重結晶。很複雜。
二． 燒結的驅動力：
粉末顆粒比一大塊的燒結體的比表面積大得多，粉末表面的原子都傾向於變成內部原子來降低能量（能量越低越穩定）這些由粉末變成燒結體減少的表面能就是燒結能夠進行的主要驅動力。還有由於晶格的缺陷所貯存的能量也是驅動力。
燒結中的物質遷移方式：表面遷移和體積遷移。表面遷移主要：表面擴散，蒸發-凝聚；體積遷移主要：體積擴散，晶界擴散，塑性流動，粘性流動。
三、 燒結三個階段：粘結階段，燒結頸長大階段，閉孔隙球化和縮小階段。
1、開始階段（粘結和燒結頸長大階段）
粉末顆粒間的點接觸能導致燒結頸的長大，這個過程的物質遷移機構有：
粘性流動機構：在應力的作用下，原子或空位順著應力的方向發生流動。顆粒中心距離不發生變化，表面物質的遷移填充到接觸頸部。
體積擴散機構：由於存在空位濃度面使原子發生流動，粉末顆粒中心距離減小。
蒸發-凝聚機構：在顆粒外表面的曲率半徑與接觸頸部的曲率半徑是不相同的，接觸點以外的表面的物質更易蒸發，然後在接觸點凝聚，使燒結頸長大。對燒結後期的孔隙球化起作用。
僅發生在高蒸汽壓物質的燒結過程中。
表面擴散機構：表面的原子和表面的空位相互交換位置。粉末表面在原子尺度上來看是凹凸不平的，即使沒有畸變，表面也是階梯狀而不是連續的，所以表面原子很容易發生擴散和移動，低溫燒結時佔主導的是表面擴散。
晶界擴散機構：顆粒內部及表面的原子通過晶界向燒結頸移動，所以顆粒中心距離會縮小。靠近晶界的孔隙總是優先被遷移過來的原子填充。
塑性流動機構：燒結頸長大和形成可以看做是金屬粉末在表面張力作用下發生塑性變形的結果。僅適用於金屬粉末燒結的早期階段。
燒結過程中粉末顆粒的粘結是乙個十分複雜的過程，多種因素中的主導因素視具體情況而定：細粉末顆粒燒結時表面擴散機構貢獻更多；高溫燒結時是體積擴散機構；某些易蒸發的金屬粉末時是蒸發-凝聚機構；加壓燒結時起主要作用的是塑性流動機構。
2、中間階段燒結
中間燒結階段是決定壓坯效能的最重要階段。表徵為燒結體的
緻密化和晶粒長大。此階段燒結速率由晶粒邊界和孔隙的幾何形狀控制。孔隙與晶界之間的兩種作用形式：
孔隙可能在晶粒長大時被運動著的晶界所平直化；晶界可能從孔隙處中斷。佔據在晶粒的稜邊的孔隙會使燒結塊緻密化，佔據在晶粒內部的孔隙會成為閉孔隙，沒有緻密化的發生。
因此為了增大燒結塊的最終密度，可採取控制溫度、加入第二相雜質（氧化物顆粒）、使用更均勻的粉末顆粒等措施。
在粉末為加壓燒結的緻密化過程中，體積擴散和晶界擴散器主導作用，促進燒結過程需要高溫來提高空位或與原子的擴散係數。在緻密化的後期要防止晶粒長大（加入少量耐高溫的、細的碳化物或氧化物等新增劑）和晶界減少甚至可積極製造晶界。
3．最終燒結階段
在體積擴散機構作用下發生孔隙的孤立、球化和收縮。晶粒的長大晶界的遷移被孔隙中斷，然後繼續遷移把孔隙包容在晶粒內部導致孔隙的孤立。晶界被孔隙中斷後，孔隙的傾向於球化。
被包容在晶粒內部後，孔隙必須由空位擴散到晶界地區以進行收縮，這是乙個緩慢的過程。孔隙的收縮和消失是緻密化的主要過程，孔隙內封閉的氣體會抑制其收縮和消失。體積擴散物質遷移機構對孔隙收縮是需要的。
在燒結最終階段，孔隙消失的速率取決於孔隙密度、孔隙半徑、體積擴散、晶粒大小以及應力的作用。
4．燒結體顯微組織的變化
（1）. 孔隙的變化
接觸點粘結，燒結頸長大開孔隙被填滿最後只剩下隔斷的閉孔隙。之後小的閉孔隙消失，大的閉孔隙長大並球化，最後球形的大的閉孔隙穩定存在。
（2）. 再結晶與晶粒粗化
在壓制成型的過程中，粉末顆粒受到一定的加工變形，存在形變儲存能，因此在高溫保溫的過程中會發生再結晶和晶粒粗化的過程。再結晶的核心產生於形變較大的粉末顆粒接觸的地方，因此粉末越細，再結晶形核越多，再結晶和晶粒長大之後的晶粒越小。晶粒長大需要在保溫足夠長的時間下消耗形變的基體，當基體全部被再結晶晶粒佔據時且還有形變儲存能時，大晶粒吞併小晶粒繼續長大直至平衡。
孔隙第二相雜質和晶界溝對晶界的遷移起釘扎作用，抑制晶粒的長大。因此只有在燒結後期孔隙變得非常少時才發生晶粒長大。
四．混合粉末的燒結
1. 多元繫固相燒結：均勻固溶體；混合粉末；燒結過程中固溶體分解。下面討論混合粉末的燒結。就是使用金屬粉末的混合物代替與合金粉末進行燒結。
與合金化類似，混合粉末燒結需要保證成分的均勻化。因此混合粉末要細來減少原子在顆粒間的擴散距離；若兩種粉末成分的擴散速率差異很大，不均勻會產生孔隙；若佔少量的元素熔點比主要成分熔點低很多，那麼就可能在燒結過程發生燒結體的膨脹；還有可能形成脆性的金屬間化合物。
（1） 無限互溶的混合粉末燒結：兩種及其以上的元素的液相單質能無限互溶。
粉末越細，燒結燒結越長，溫度越高，則燒結快越均勻。
（2） 有限互溶的混合粉末燒結
（3） 互不溶解的混合粉末燒結：系統中組元的熔點相差極大，常存組元間互不溶解的情況，能否進行燒結的條件是a-b 的表面能小於顆粒a和顆粒b 的單獨存在時的表面能之和，此時首先一種組元通過表面擴散包圍另一種組元，爾後類似於單相燒結。燒結溫度不能超過粘結相的熔點。
2.混合粉末的液相燒結和熔浸：燒結溫度可能超過熔點低的組分的熔點，使其液化。液相可以快速遷移加快燒結。
（1）液相燒結的條件
潤濕性：如果液滴能夠完全分散在固體表面，則成為完全潤濕。若由於表面張力形成乙個球滴可來回滾動，則是完全不潤濕。潤濕促進燒結。
溶解度：固相在液相中的溶解度。
液相數量：填滿顆粒間的間隙。
（2）液相燒結的基本過程
生成液相和顆粒重新分布階段
溶解和析出階段：較小顆粒和較大顆粒都會在液相中溶解，但析出在較大顆粒上，所以較大顆粒長大和球化，較小顆粒消失。
固相的粘結或形成剛性骨架階段：固-固介面比固-液介面的介面能低。
（3）液相燒結時的緻密化和顆粒長大
影響緻密化因素：液相數量，液相對固相的潤濕性，各個介面的界固能，固相顆粒大小，固相與液相間的溶解度以及壓坯密度（壓坯密度越大，壓得越實，阻礙液相的潤濕和填充孔隙）等。
顆粒長大：小顆粒溶解，大顆粒長大；通過顆粒中晶界的移動來進行顆粒的聚集長大，通過溶解-析出球化。
（4） 熔浸
將粉末壓坯與液體金屬接觸或埋在液體金屬內，讓壓坯的孔隙被金屬液填充，冷卻下來得到緻密材料。基本不發生收縮，時間短。液相對固相的潤濕性要好。
五．強化燒結，目的是提高燒結的緻密化
1、活化燒結：採用化學或物理措施，降低燒結溫度，提高燒結塊密度及其他效能
型別一是依靠外界因素活化燒結過程，包括在氣氛中新增活化劑、還原劑，週期性改變燒結溫度，施加外應力等；型別二是提高粉末的活性，包括使粉末壓坯表面預氧化，使粉末顆粒產生較多晶體缺陷，新增活化元素以形成少量液相等。
2、電火花燒結：利用粉末間火花放電所產生的高溫+同時受外應力作用促進燒結。
3、相穩定化：穩定鐵素體相，因為體心立方的鐵素體比麵心立方的奧氏體體積擴散能力高330倍。
六、全緻密工藝
1、熱壓：適用於不適合熔煉而一般壓制壓不實的製品。電阻加熱和感應加熱，有真空熱壓、震動熱壓和均衡熱壓。
2、熱等靜壓：氣體為介質，帶有加熱體裝置。
3、熱鍛：減少摩擦
4、熱擠：粉末或壓坯裝入寶套內，經過抽氣、密封後進行熱擠壓。
5、噴霧沉積：將液體金屬噴霧成坯體，再在熱下直接鍛造。
6、大氣壓固結：將粉末密封在玻璃（高溫下形狀易改變而不破）中，抽氣，在大氣壓下進行真空燒結。
七、燒結氣氛和燒結爐
1、燒結氣氛：還原性氣氛，還原活性高的金屬
可控碳勢氣氛：控制燒結體中的碳含量
真空燒結：去除空氣、水蒸氣、減壓
燒結填料：使燒結體加熱更均勻並防止燒結體直接粘連
2、燒結爐：間歇式燒結爐和連續式燒結爐
燒結材料的效能表徵：斷裂韌性
靜態強度：抗拉壓彎剪扭的強度
塑性動態效能：衝擊韌性和疲勞強度
硬度彈性模量
3、孔隙度，孔徑和滲透性的測定
孔隙度：
孔徑：壓入幫浦法、氣泡法
滲透性：
4、燒結廢品：
原因：加熱溫度和時間；燒結氣氛；粉末或壓坯有問題。
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