粉末成形与烧结.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 粉末材料的成形与烧结,粉末成形与烧结概述,粉末压制成形,粉末特殊成形技术,粉末体烧结,粉末胶凝固化（自学）,1,引言,粉末成形与烧结技术是将材料,制成粉末,(,或采用经适当加工的天然矿物,),，经加压（或无压）,成形,后，再通过,烧结,（常压或加压）得到接近理论密度的材料或孔隙可控的多孔材料的工艺方法，是粉末冶金、陶瓷工程的基本工艺。,粉末成形与烧结实践可追溯到,8000,年前的新石器时代，那时原始人类已开始用一些富含铁元素的粘土烧制一些陶器。,在,3000,多年前的商周时期，出现了原始瓷器。,约,2500,3000,年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器,;,在同期,(,春秋末期,),我国也出现了同样的技术。,2,公元,3,4,世纪，印度人用海绵铁锻打的方法制造了“德里铁柱”,(,高,7.2m,重,6.5t),和“达尔铁柱”,(,高,12.5m,重,7t),。,19,世纪出现,Pt,粉的冷压、烧结、热锻工艺。,1909,年，,W.D.Coolidge,发明电灯钨丝，标志着现代粉末冶金技术的开始。,目前，粉末成形与烧结技术已在高温材料、结构陶瓷、日用和建筑陶瓷、功能陶瓷、轴承材料、超硬耐磨材料、金属结构材料及功能材料、复合材料等领域得到了广泛应用。,3,提 要,本章,重点,是粉末压制成形的基本理论、粉末特殊成形的基本方法和特点，粉末体烧结的基本原理。,难点,是粉末压制理论、粉末位移规律，粉末烧结热力学。,通过本章学习：,要求,掌握,粉末成形与烧结的一般概念,粉末压制基本规律,粉末烧结基本原理；,了解,粉末特殊成形技术；,知道,粉末胶凝固化概念和基本方法。,4,参考文献,1,黄培云 主编,.,粉末冶金原理,.,冶金工业出版社,1997,11,2,吴成义 等编著,.,粉体成形力学原理,.,冶金工业出版社,2003,9,3,英,理查德,J.,布鲁克 主编,.,清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 译,.,材料科学与技术丛书（第,17A,卷、第,17B,卷）：,陶瓷工艺,.,科学出版社,1999,6,5,商,西周,半坡,德里铁柱,6,7,8,9,10,11,12,PTC,压敏,13,14,15,粉末冶金制品的基本过程,制粉、粉末预处理、成形、烧结、制品后处理等。,第一节 粉末成形与烧结概述,16,主要成形工艺分类,压力成形,（,1,）刚性模压制,（,2,）等静压成形,（,3,）爆炸成形,增塑成形,（,1,）粉末轧制（也可不用增塑剂）,（,2,）粉末挤压,（,3,）粉末注射成形,（,4,）车坯、滚压,浆料成形,（,1,）注浆成形,（,2,）流延成形,（,3,）电泳成形,（,4,）直接凝固成形,（,5,）凝胶注模成形,其他成形,喷射成形等,17,主要烧结方法分类,无压烧结,固相烧结、液相烧结、反应烧结等。,(,可在空气、保护气氛或真空中进行,),加压烧结,热压（固相、液相）、热等静压（固相、液相）、粉末锻造等。,可在空气、保护气氛或真空中进行。,活化烧结,物理活化烧结、化学活化烧结。,18,粉末退火,提纯，软化粉末，稳定粉末结构，粉末钝化；,混粉、合批，使成分均匀；物理法与化学法；,粉末混合,制粒,小颗粒制成大颗粒，改善流动性；,成型剂,润滑剂、粘接剂、造孔剂；,加压与脱模,压制力、压制速度；保压时间；脱模力；,第二节 粉末压制成形,19,压制前粉末要经过预处理，预处理包括：粉末退火、筛分、混合、制粒、加润滑利等。,退火,：,目的：除杂、消除加工硬化、钝化。,退火温度根据金属粉末的种类而不同，通常为该金属熔点的,0.50.6Tm,。,制粒,：,制粒是将小颗粒颗粒粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的,流动性,。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔必须先制粒。,混合,：,混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。有时候，为了需要也将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，这种过程称为合批。,20,一、金属粉末的压坯强度,压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力,，是反映粉末质量优劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：,(1),粉末颗粒之间的机械啮合力,粉末的外表面呈凹凸不平的不规则形状，通过压制，粉末颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和钩住，从而形成粉末颗粒之间的机械啮合，这是使压坯具有强度的主要原因之一。,(2),粉末颗粒表面原子之间的引力,在金属粉末处于压制后期时，粉末颗粒受强大外力作用而发生位移和变形，粉末颗粒表面上的原子就彼此接近，当进入引力范围之内时，粉末颗粒便由于引力作用而联结，粉末的接触区域越大其压坯强度越高。,21,压坯强度的测定,（,1,）抗弯强度试验用压坯试样,ASTM,标准是：宽,12,7mm,，厚,6,35mm,，长,31,75mm(,中国标准,GB5319,85,：,12,6,30mm),。在标准测定装置上测出破断负荷，根据下列公式计算：,22,（,2,）压溃强度的测试方法。这种压溃强度是粉末冶金轴套类零件的特有的强度性能表示方法。,测定时，将功套试样放在两个平板之间，逐渐增加负荷直到试祥出现裂纹而负荷值不再上升为止。此时，所指的压力即为压溃负荷，按下列公式计算得的尺值即为径向压溃强度：,23,（,3,）测定边角稳定性的转鼓试验,将直径,12,7mm,厚,6,35mm,的圆柱状压坯装入,14,目的金属网制鼓筒中，以,87r,min,的转速转动,1000,转后，测定压坯的质量损失率来表征压坯强度：,在转鼓试验中，质量减少率越小，压坯的强度越好。,24,二、金属粉末压制时的位移与变形,粉末在压模内经受压力后就变得较密实且具有一定的形状和强度，在压制过程中，粉末之间的孔隙度大大降低，彼此的接触显著增加。也就是说，压制过程中出现了,位移,和,变形,。,1,粉末的位移,粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象，叫做搭桥。,当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。,25,2,粉末的变形,粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压制时不但发生了位移，且发生了变形，粉末变形可能有三种情况：,(1),弹性变形,外力卸除后粉末形状可以恢复原形。,(2),塑性变形,压力超过粉末的弹性极限，变形不能恢复原形。压缩铜粉的实验指出，发生塑性变形所需要的单位压制压力大约是该材质弹性极限的,2.8,3,倍。金属的塑性越大，塑性变形也就越大。,(3),脆性断裂,单位压制压力超过强度极限后，粉末颗粒就发生粉碎性的破坏。当压制难熔金属如,w,、,Mo,或其化合物如,WC,、,Mo2C,等脆性粉末时，除有少量塑性变形外，主要是脆性断裂。,26,三、压制压力与压坯密度关系,（一）压制曲线,压坯密度与压力的关系，称为压制曲线，也称为压制平衡图。,一定成分和性能的粉末只有一条压制曲线,，压制曲线对合理选择压制压应力具有指导作用。,27,每一条压制曲线一般可以分为三个区域。,区密度随压力急速增加。颗粒填入空隙，同时破坏“拱桥”；颗粒作相对滑动和转动。,区,密度随压力增加较慢。颗粒通过变形填充进剩余空隙中，变形过程导致加工硬化，致使密度随压力增加越来越慢。实际压应力一般选在该区。,区,密度几乎不随压力增加而变化。颗粒加工硬化严重、接触面积很大，外压力被刚性面支撑。颗粒表面和内部残存孔隙很难消除，只有通过颗粒碎裂消除残余孔隙。,三个区域并没有严格的界限，同时，三种致密化方式也并非各区独有。,28,（二）压制曲线的函数表示法,粉末压制曲线均可用下式表示：,(6.2.1),将上式两边取对数，可得,(6.2.2),ln,ln,p,作图可得出常数,a,、,b,。,式中，,为压坯密度（,g/cm,3,）；,p,压制压应力；,a,、,b,为与粉末特性有关的常数，对于一定粉末其为一定值。,b,的,物理意义,为,：,p,=100MPa,时，压坯的密度值，是表示粉末压缩性能好坏的参数之一。,29,（三）压制曲线影响因素,实测的压制曲线受以下因素影响：,压坯高径比,H,/,D,：,H,/,D,越大，压坯平均密度越低，使曲线向下偏移。一般取,H,/,D,=0.5,1,。,粉末粒度,：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上；合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。,粉末颗粒形状,：形状越复杂，曲线位置越偏低。,粉末加工硬化,：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，则偏高。,粉末氧化,：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。,30,四、压制理论,压制压力与密度间的定量数学关系。,（一）基本定义,密度（,density,）：,=,质量,/,体积（,g/cm,3,）,(6.2.3),比容,v,=1/,（,cm,3,/g,）,(6.2.4),相对密度：,(6.2.5),m,固体理论密度,31,孔隙度（,porosity,）,(6.2.6),V,m,致密固体体积,相对容比（相对体积或相对容积）,(6.2.7),孔隙度系数（孔隙相对容比）,空隙部分体积与致密体部分积之比,(6.2.8),32,（二）巴尔申压制理论,在忽略加工硬化情况下，虎克定律也可用于塑性变形，对粉末压制过程应用虎克定律，最终可得出：,(6.2.9),该式称为,巴尔申方程,。式中，,l,为压制因素，,k,为材料硬度，,h,k,为压坯达到理论密度时的高度；,P,max,为,=1,时的压制压力，称为最大极限压力。,33,巴尔申压制方程的局限性,:,此方程仅在某些情况下正确,没有普遍意义。,（,1,）把粉末作为理想弹性体处理。实际粉末是弹塑性体。,（,2,）假定粉末无加工硬化。实际粉末存在加工硬化，且粉末越软、压制压力越高，加工硬化现象越严重。,（,3,）未考虑摩擦力的影响。,（,4,）未考虑压制时间影响。,（,5,）只考虑粉末的弹性性质，未考虑粉末的流动性质。,（,6,）公式推导中，未将“变形”与“应变”严格区分开。,34,（三）川北公夫压制理论,川北在研究了一些药品粉末的压制曲线后，提出了下述方程，,(6.2.10),式中，,c,为压制过程中粉末（压坯）体积减小率；,V,0,为无压时粉末体积，,V,为压制压强,p,时压坯的体积；,a,、,b,为常数，与粉末特性有关。,35,（四）黄培云压制理论,考虑了粉末的非线性弹滞性,、,以及在压制过程中颗粒经受大幅度应变的事实。导出下述压制方程，,(6.2.11),式中，,M,为压制模量，其倒数为单位压制压强下，粉末体所发生的变形；,n,为应变硬化指数的倒数，,n,=1,无硬化；,m,为固体理论密度，,0,为未加压时粉末体密度，,为压强,p,时压坯的密度。,36,（五）几种理论的适用范围,黄培云的双对数方程对软粉末或硬粉末,都适用,；并且，与粉末实际压制过程较符合。,巴尔申方程用于,硬粉末,比软粉末效果好，尤其在压制开始阶段效果较好，但没普遍意义（未考虑加工硬化、摩擦及固体的滞弹性）。,川北方程在压制,压力不太大,时，是个较好的经验方程。,所有方程在导出过程中都没有考虑压坯的形状尺寸、模壁摩擦力，在实际应用中存在一定偏差。,37,压坯实际密度分布,38,39,影响压坯密度分布的因素：,原因,：压制时所用的总压力为净压力与压力损失之差，而这种,压力损失,就是在普通模压过程中造成压坯密度分布不均匀的主要原因。,压坯实际密度分布规律：,H/D,高径比；,润滑；,压制工艺；,与模冲相接触的压坯上层，密度和硬度都是从中心向边缘逐步增大的，顶部的边缘部分密度和硬度最大；,压坯中下部，由于外摩擦的作用，轴向压力的降低比压坯中心大得多，以致在压坯底部的边缘密度比中心的密度低。,40,五、压制过程中压坯受力计算,（一）压坯受力情况,粉末在封闭压模内压缩时，其传力情况如右图,:,图中,p,上,为上冲头传给粉末的正压强；,F,为模壁和压坯间的摩擦力；,p,下,是模具底部对压坯的作用力所产生的压强；,p,侧,为压制过程中粉末给模壁的侧压强。,F,的存在消耗了一部分正压力，使其不能无损耗地传到下冲头；这样使实际的压坯密度，不能用压制理论公式直接计算，并且在压坯内密度呈不均匀分布。,侧压强,p,侧,与模具强度计算有直接关系，也和压坯的脱模压强确定有关。,粉末的传力情况,压制过程中压坯的受力情况,41,（二）侧压力计算,压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力。单位面积的侧压力称为侧压强,p,侧,。,对于一个单元立方体压坯,(,侧面积为,1),，在,z,轴方向的正压强,p,作用下，压坯将产生沿水平方向的膨胀，现考虑,y,方向（忽略压坯的塑性变形、也不考虑压模的变形、以及具体粉末的特性）。,p,使压坯沿,y,方向的弹性变形量为,(6.2.12),式中，,为材料的泊松比；,E,为弹性模量,.,单元压坯所受正压强和侧压强,42,x,方向的侧压力也力图使压坯在,y,轴方向产生弹性膨胀，,(6.2.13),y,轴方向的侧压力使压坯产生弹性压缩，,(6.2.14),压坯在压模内受到,y,轴方向的侧压力约束不能产生,y,向的实际膨胀，因而应该有：,(6.2.15),43,将（,6.2.12,）（,6.2.14,）代入（,6.2.15,）有：,(6.2.16),(6.2.17),由于未考虑,压坯塑性变形,、,模具变形,、,粉末特性,等因素，上述公式的计算只是一个估计值。且（,6.2.17,）式计算的侧压力是,平均值,，单向压制情况下，实际压坯上的侧压力随离模冲的距离增加而,减小,，大致呈线性特性，且直线倾斜角随压制压力的增加而增大。,式中，,称为侧压系数，它与粉末内摩擦角、粉末与模壁摩擦系数、压制压强、粉末硬度等因素有关。,44,侧压力是制订压制工艺和设计压模所需的基本参数之一。,侧压系数与压坯孔隙度有关，随着压坯相对密度增加，侧压系数增大。在一定范围内，侧压系数与压坯密度有如下近似经验关系：,(6.2.18),为达到理论密度的侧压系数；,d,为压坯相对密度。,45,(,三,),粉末与模壁的摩擦力计算,1,模壁摩擦力的一般计算公式,(6.2.19),式中，,为压坯与模壁间的静摩擦系数；,S,侧,为摩擦面积，等于压坯侧面积。,46,实际粉末的侧压系数,不是常数，它和压坯不同高度上的压制压应力,p,正,一样，是随压坯高度不同而改变的。在压坯上取一微分单元薄片，其高度为,d,H,、周长为,L,，则薄片侧面积：,S,f,=,L,d,H,(6.2.20),作用于薄片侧面上的侧压应力：,p,s,=,p,(6.2.21),式中，,为薄片区域侧压系数；,p,为该区域正压强。,计算摩擦力的微分单元示意图，,H,0,为压坯高度。,47,故，薄片单元侧面与模壁之间的摩擦力为，,d,F,=,p,s,S,f,=,pS,f,=,pL,d,H,(6.2.22),整个压坯侧面与模壁间的摩擦力为，,(6.2.23),严格上，仅,L,是常数；,、,、,p,都是,H,的函数，且它们都与压制压应力（压坯致密化程度）有关。,48,实际计算中，一般计算压制压应力最大时（压制终了时）的最大摩擦力。此时，尽管压坯密度不均匀，但压坯最大密度处所对应的,、,、,p,可,近似看作常数,，且是最大值。因此，计算最大摩擦力时，可假设（,6.2.23,）式中的,、,、,p,均为常数，则有,F,=,pLH,0,=,p,正,S,侧,=,p,上,S,侧,(6.2.24),上式为压制终了时，压坯摩擦力的计算公式。,49,2,摩擦力对正压力的消耗以及对粉末传力极限高度的影响,由压坯在加压方向的,受力平衡,可得，,(6.2.25),达到传力极限高度时，,p,下,=0,，则,(6.2.26),摩擦力的存在，使压制压应力向下传递过程中,被逐渐消耗,，导致下部粉末的成形压力越来越低。当压力降为零时，粉末将不能被压缩。,传力极限高度,是指一定截面尺寸下，粉末能够传递压力的,最大高度,。即是冲头通过粉末所能传递压力的最大高度。,50,将（,6.2.24,）式代入（,6.2.26,）式，则有,(6.2.27),上式说明，只有压坯满足 才能压制。,1/(,),称为,传力极限系数,或传力极限值。,圆柱形压坯单向压制，有,圆柱形压坯双向压制，有,51,（四）正压力的损耗对压坯密度的影响,定义压力损失率为：,F,/,P,上,。则有,(6.2.28),将,(6.2.1),式 代入,(6.2.28),式，有,(6.2.29),式中，,P,上,为上模冲施加的总压力；,上,、,下,分别为压坯上端和下端密度；,a,、,b,为与粉末特性有关的常数。,52,将,(6.2.24),式,F,=,p,上,S,侧,代入,(6.2.29),式，则有,(6.2.30),上式说明对于一定粉末，,、,为定值,，,若,S,侧,、,S,正,一定,(,即，几何尺寸一定,),，则压坯上下端的密度差也就确定。,53,（五）弹性后效现象,弹性后效：在去除,P,压,后，压坯所产生的胀大现象。,(6.2.31),式中，,为沿压坯高度或直径的弹性后效；,l,0,为压坯卸压前的高度或直径；,l,为压坯卸压后的高度或直径。,弹性膨胀产生原因：,压制中，颗粒产生弹塑性变形，聚集了很大的内应力（弹性内应力），其方向与颗粒所受外力方向相反，力图阻止颗粒变形；卸压后，弹性内应力要松弛，改变颗粒的外形和颗粒间接触状态，产生膨胀。,54,轴向弹性后效大于径向，往往差,2,3,倍；,颗粒硬度越大，则后效越大；,颗粒形状越规则，则后效越大；,加入润滑剂可降低后效；,与模具材料有关；,通过适当的保压可以有效减少弹性后效作用；,弹性后效危害：,压坯及压模的弹性应变是产生压坯裂纹、分层的主要原因之一，由于压坯内部弹性后效不均匀，脱模时在薄弱部位或应力集中部位就会出现裂纹。,弹性后效的规律：,55,56,复习：,1,、侧压力（侧压系数）的概念；,2,、传力极限高度；,3,、模具几何因素对压坯密度的影响，原因；,4,、弹性后效；,预习：粉末运动规律（位移、速度）,57,六、压制过程中粉末的运动规律,（一）等高制品中粉末的运动规律,等高制品：产品沿压制方向的任何位置的高度都相等。,压制过程中，压坯处于三向受力状态。侧压力垂直于粉末运动方向，且相互平衡，故对粉末不起作用；摩擦力与粉末运动方向相反，对粉末运动起阻碍作用，造成粉末运动的不平衡；动力只有沿压制方向的压制压力,p,。,等高制品压制时粉末运动特征,等高制品压制过程中，粉末运动最大特征：,沿压制方向（冲头表面法线方向）作直线运动。即等高制品的压缩特征是单方向的直线压缩。,58,1,粉末体压缩比,定义：,粉末的压缩比,(,K,),是指粉末压缩前的高度,(,H,),与压缩后的高度,(,h,),的比值，也等于压坯密度,(,),与粉末松装密度,(,0,),的比值。,(6.2.32),59,2,理想均匀压缩下任意粉末颗粒层堆积方式的假定,假设：,粉末体由一层层含有孔隙的按等距离堆积的粉末颗粒层所组成；粉末体压缩后层间距仍彼此相等。则,(6.2.33),(6.2.34),(6.2.35),(6.2.36),式中，为压缩前第,n,层和第,n,-1,层的层间距；为压缩后第,n,层和第,n,-1,层的层间距。,颗粒层的压缩与位移情况,(,a,:,粉末体内颗粒层情况,;,b,:,压坯内颗粒层情况,),60,在理想均匀压缩情况下，没有模壁摩擦力，各层压缩量也相等。则,相邻两层间的压缩量,为,(6.2.37),61,3,理想均匀压缩情况下粉末的位移规律,考虑如图所示,5,个粉末颗粒层堆积的情况，设,1,、,2,、,3,、,4,、,5,层的总位移量分别为,d,H,1,、,d,H,2,、,d,H,3,、,d,H,4,、,d,H,5,。则,d,H,5,d,H,4,d,H,3,d,H,2,d,H,1,(6.2.38),62,各层位移量,d,H,n,与其层数代码,n,和相邻两层之间位移量,之间的关系如下：,第,1,层,d,H,1,=0,第,2,层,第,3,层,第,4,层,第,5,层,第,n,层,所以有，,(6.2.39),63,实际粉末颗粒层数取决于粉末体高度和粉末的平均粒度。设粉末平均粒度为 ，粉末体高度为,H,，则粉末体内颗粒,层数的极限值,为，,(6.2.40),又,n,1,n,1,n,则,(6.2.41),64,将,(6.2.41),代入,(6.2.39),式，得,(6.2.42),再将,(6.2.40),、,(6.2.32),式代入,(6.2.42),式，有,(6.2.43),65,在分析实际问题时，需将任意粉末层代号,n,用直角坐标系的变量,(,y,),表示，即,(6.2.44),(6.2.44),式代入,(6.2.43),式，有,(6.2.45),式中，为第,n,层粉末颗粒位移量，或为,y,点坐标的位移；,y,为压模内粉末松装时的任意高度坐标；,K,为压缩比。,66,由,(6.2.32),可得,(6.2.46),该式表示任意高度处的粉末位移量与压坯密度的关系。,67,将,(6.2.45),式两边同时除以,压制时间,t,，则得到任一颗粒层的平均位移速度。,(6.2.47),由上式可看出，压制过程中各颗粒层的平均位移速度是,y,的函数。,最上层颗粒速度最大，其余各层速度依次下降。,同样，对于两个不同高度的压坯，若压制时间相同，则较高者最上层颗粒的位移量和平均位移速度都比较矮者大。,68,4,压制时实际粉末的位移情况,实际压制过程中，一方面，模壁摩擦力会阻止边缘颗粒向下运动；另一方面，同一层颗粒不同直径的区域位移量都不相等，所以，,粉末各颗粒层间的压缩量不等，同一层也不能得到均匀压缩。,各层粉末实际位移情况示意,69,（二）不等高制品中粉末的运动规律,1,台阶制品中粉末的运动规律,等高制品中粉末运动规律也适用于不等高制品,;,高度不等，各区粉末位移量不同；,实际中往往采用同时压制（压制时间相等），相邻两区粉末位移速度不等，使分界面两侧压力不平衡；,分界面两侧压力不平衡，导致出现粉末侧向运动；,粉末侧向运动使密度难于控制，且使分界面上出现很大的内应力。,不等高制品中粉末的侧向运动,70,目标：,找到不等高制品粉末不发生侧向运动的条件，即保证各区密度相等的条件。,本质上：,找出各区压制速度或压制压应力之间的关系。,71,2,不等高制品不发生侧向运动的基本条件,（,1,）压应力变化率平衡方程,若将不等高制品沿分界面（隔离面）分割成两个等高制品，则有,(6.2.48),(6.2.49),不等高制品分割成两个等高制品,72,压制过程中，若粉末不发生侧向运动，则需隔离面两边,受力平衡,，即,(6.2.50),该式两边对时间,t,微分，得,(6.2.51),不等高制品分割成两个等高制品,73,对于同种粉末在相同压制条件下,有,.,再由,(6.2.48),、,(6.2.49),式,可得到,(6.2.52),上式表明，要使不等高制品各高度区粉末在压制的任何时刻内都不发生侧向运动，则必须满足,压应力变化率相等,的条件。,74,（,2,）速度平衡方程,不等高制品若不发生粉末侧向运动，则必然是密度相等。,设,:,a,区粉末高度为,y,a,最高层 粉末运动的平均速度为,v,a,；,b,区粉末高度为,y,b,，最高层 粉末运动平均速度为,v,b,。,不等高制品的压制速度与粉末高度的关系,75,若两区在任何压制时间,t,内都有,相同密度,，则任何时刻它们的,压缩比都应相等,。则,两式相除，可得,(6.2.53),不等高制品的压制速度与粉末高度的关系,76,因此，,(6.2.54),该式为不等高制品压制过程中不发生侧向运动的,速度平衡方程,。,方程,(6.2.52),、,(6.2.54),是判断不等高制品的压制工作、压坯质量、以及模具设计等的重要方程。,77,78,思考题：,试述压制曲线的解析表达式，系数,b,的物理意义是什么？,影响压制曲线的因素是什么？,侧压力的定义？表达式？意义？,传力极限系数的表达式？其意义是什么？,简述正压力损耗及侧正面积比对压坯密度的影响。,什么是弹性后效？它有什么危害？,试论述等高制品理想均匀压缩情况下粉末的运动规律。,粉末压缩比是什么？,试论述不等高制品不发生粉末侧向运动的基本条件。,79,粉末有自动粘结或成团的倾向，特别是极细的粉末，即使在室温下，经过相当长的时间也会逐渐聚结。在高温下，结块更是十分明显。粉末受热，颗粒之间发生粘结，就是我们常说的烧结现象。,第三节 粉末烧结原理,压坯或松装粉末体的强度和密度很低，为了提高压坯或松装粉末体的强度，需要在适当的条件下进行热处理，从而使粉末颗粒相互结合起来，改善其性能，这种热处理就叫烧结。因此，烧结可以定义为：在低于主要成分熔点的某一温度下，为了提高压坯强度的热处理。,烧结体系按粉末原料的组成可分为：由纯金属、化合物或固溶体组成的单相系；由金属,-,金属、金属,-,非金属、金属,-,化合物组成的多相系。对于烧结过程来说，则可分为不加压烧结和加压烧结。,80,典型粉末烧结过程分类,81,烧结理论发展历史,最早的烧结理论仅研究氧化物陶瓷的烧结现象，以后才涉及到金属和化合物粉末的固相烧结；,在粉末冶金学科内，烧结理论大致在,20,年代产生，同陶瓷烧结的理论研究紧密联系在一起；,粉末冶金烧结理论研究的先驱是绍尔瓦德,(Sauerwald),，他从,1922,年起，发表了一系列研究报告或论文，提出了,绍尔瓦德温度原理,（,0.660.8Tm,），,并在,1943,年对烧结理论作了总结性的评述。,30,年代初,(1931-1934,年,),，,Trzebiatowski,提出了烧,结的一般定义，即烧结可以被认为是,颗,粒粘结和长大的过程。,1938,年，,Price,、,Smithells,相,Williams,首先研究了液相烧结的溶解析出现象，提出相烧结过程是以小颗粒溶解和溶质在大颗粒上析出沉积而实现致密化的。,82,1945,年费仑克尔发表,粘性流动,烧结理论的著名论文，这标志着烧结理论进入一个新的发展时期。,1949,年，,Kucsynskl,（库钦斯基）发表了题为“金属颗粒烧结过程中的自扩散”的论文，运用球,板模型，建立了烧结初期烧结颈长大过程中,体积扩散,、,表面扩散,、,晶界扩散,、,蒸发凝聚,的微观物质迁移机制，奠定了第一个层面上的烧结扩散理论的基础。,1971,年左右，是烧结理论的扩展及其第二个层面的纵向理论研究的深入，,Samsonov,以他的价,电子稳定组态模型,解释活化烧结现象；,Lenel,提出,塑性流动,物质迁移机制的新概念；,Rhines,提出了,烧结的拓扑理论,；库钦斯基等人给出烧结的,统计理论,等。,烧结为什么会发生？烧结是怎么样进行的？,83,一、烧结的基本过程,粉末烧结后，烧结体的强度增加，原因在于：,颗粒间的联结强度增大，即联结面上原子间的引力增大,。在粉末或粉末压坯内，颗粒间接触面上能达到原子引力作用范围的原子数目有限。但是在高温下，由于原子振动的振幅加大，发生扩散，接触面上更多的原子进入原子作用力的范围，形成粘结面，随着粘结面的扩大，烧结体的强度也增加；粘结面扩大进而形成烧结颈，使原来的颗粒界面形成晶粒界面。,孔隙体积和空隙总数的减少以及孔隙的形状变化,。由于烧结颈，颗粒间原来相互连通的孔隙逐渐收缩成闭孔，然后逐渐变圆。在孔隙性质和形状发生变化的同时，孔隙的大小和数量也在改变，即孔隙个数减少，而平均孔隙尺寸增大，此时小孔隙比大孔隙更容易缩小和消失。,84,(1),粘结阶段,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,原子向颗粒结合面的大量,迁移,使烧结颈扩大，粒间距离缩小，烧结体体积收缩，致密度颗大幅度增加，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，闭孔数量大为增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。,85,86,从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小的过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能量较低的状态。,二、烧结驱动力,烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力,。,固相烧结组织示意：,(a),为粉末颗粒烧结前有两个相邻的表面；,(b),为烧结之后颗粒表面成为晶界，使得总表面积减少，从而降低了系统的自由能。,烧结前,烧结后,87,由于烧结过程的复杂性，,欲从热力学计算原动力的具体数值几乎是不可能的,。热力学条件只能定性地说明这种原动力的存在。,烧结的原动力可由三个方面构成，即由表面张力造成的一种,机械力,(,它垂直作用于烧结颈曲面上,),、烧结体内,空位浓度差,以及各处的,蒸气压之差,。对不同的烧结系统，起主要作用的原动力可能不同。,机械力,：表面张力垂直作用于烧结颈，并使烧结颈向外扩张；,空位浓度,：孔隙间空位浓度差导致基体原子向空位迁移；,蒸气压之差,：颗粒表面与内部的蒸气压之差使内部物质向外表面迁移。,88,表面张力包括以下几方面内容：,(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),烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小；,表面能比晶格畸变能小，如极细粉末的表面能为几百,J,mol,，而晶格畸变能高达几千,J,mol,，但是，实际上烧结体总是具有更多热平衡缺陷的多晶体，因此，烧结过程中品格畸变能减少的绝对值，相对于表面能的降低仍然是次要的，烧结体内总保留一定数量的热平衡空位、空位团相位错网。,内能的变化可以估计烧结的驱动力。用电化学方法测定电动势或测定比表面均可计算自由能的变化，例如粒度为,lum,和,0.1um,的金粉的表面能，分别为,155J,mol,和,1550J,mol,，即粉末愈细，表面能愈高。,烧结后颗粒的界面转变为晶界面，由于晶界能更低，故总的能量仍是降低的。,1,、表面张力的计算,89,表面张力的计算,曲面表面张力对曲面产生的应力是曲率的函数,拉普拉斯应力：,表面张力；,r1,，,r2,正交曲线曲率；,建立两个球形颗粒的形成烧结颈的模型：,由于烧结颈半径,x,比曲率半径,大得多，故：,90,负号表示作用在曲颈面上的应力,是张力，方向朝颈外，其效果是使烧结颈扩大，随着烧结颈,(2x),的扩大，负曲率半径,(-),的绝对值亦增大，说明烧结的动力也减小。,为估计表面应力,的大小，假定颗粒半径,d,2um,，颈半径,=,0.2um,，则,将不超过,10,-8,10,-9,m,；已知表面张力,的数量级为,J,m,2,（对表面张力不大的非金属的估计值），那么烧结动力的数量级约为,10MPa,。,91,烧结动力是表面张力造成的一种机械力，它垂直地作用于烧结颈曲面上，使颈向外扩大，而最终形成孔隙网。这时孔隙中的气体会阻止孔隙收缩和烧结颈进一步长大，因此孔隙中气体的压力久与表面张应力之差才是孔隙网生成后对烧结起推动作用的有效力；,孔隙的影响：,显然,Ps,仅是表面张应力,(-,),中的一部分，因为气体压力与表面张应力,的符号相反。,当孔隙与颗粒表面连通即开孔时,，可取为,1atm(0.1MPa),，这样，只有当烧结颈增大，表面张应力减小到与平衡时，烧结的收缩过程才停止。,P,s,烧结颈有效扩张驱动力；,P,v,孔隙压力；,（,6.3.4,）,92,对于形成隔离孔隙的情况，烧结收缩的动力可用下述方程描述：,-2/,代表作用在孔隙表面使孔隙缩小的张应力。如果张应力大于气体压力，孔隙就能继续收下去；当孔隙收缩时，气体如果来不及扩散出去，达到或超过表面张应力，隔离孔隙就停止收缩。,所以在烧结第三阶段烧结体内总会残留少部分隔离的闭孔，仅靠延长烧结时间是不能加以消除的。,（,6.3.5,）,93,2,、空位浓度差计算,除表面张力引起烧结颈处的物质向孔隙发生宏观流动外，晶体粉末烧结时，还存在原子扩散的物质迁移。按照近代的晶体缺陷理论，物质扩散是由空位浓度梯度造成化学位的差别所引起的。,94,按统计热力学计算，晶体内的空位热平衡浓度：,张应力,对生成一个空位所需能量的改变应等于该应力对空位体积所作的功，,(,为一个空位的体积,),，负号表示张应力使空位生成能减小。,因此，在应力区域形成一个空位实际所需的能量应是：,理想完整晶体,(,无应力,),中的空位生成能,（,6.3.7,）,（,6.3.6,）,（,6.3.7,）,代入,（,6.3.6,）得：,95,（,6.3.8,）,因为无应力区域的平衡空位浓度：,故,压,应力区空位浓度：,同理，故,张,应力区空位浓度：,又因为，,，故：,（,6.3.9,）,96,在无应力作用的球体积内的平衡空位浓度 ，如果烧结颈的应力仅由表面张力产生，则（,6.3.9,）按式可以计算两处的平衡空位的浓度差,过剩空位浓度：,假定具有过剩空位浓度的区域仅在烧结颈表面下以,为半径的圆内，故当发生空位扩散时，过剩空位浓度的梯度就是：,代入 上式，得：,（,6.3.10,）,（,6.3.11,）,（,6.3.11,）式表明：,过剩空位浓度梯度将引起烧结颈表面下微小区域内的空位向球体内扩散，从而造成原子朝相反方向迁移，使颈得以长大。,因此，（,6.3.11,）式就是烧结动力的热力学表达式，是研究烧结机构制所需应用的基本公式。,97,烧结过程中还可能发生物质由颗粒,表面向空间蒸发,的现象，同样对烧结的致密化和孔隙的变化产生直接的影响。因此，烧结动力也可以从物质蒸发的角度来研究，即用饱和蒸气压的差表示烧结动力，曲面的饱和蒸气压与平面的饱和蒸气压之差，可用吉布斯,凯尔文,(Gibbs,Kelvn),方程计算：,3,、蒸气压差计算,（,6.3.12,）,颈曲面的曲率半径，按下式计算：,因为 代入（,6.3.12,）得：,98,对于球表面，曲率,1/r,2/a,，,(a,为球直径,),，代入,(6.3.13),式得：,（,6.3.14,）,从,(6.3.13),与,(6.3.14),两式可知：,烧结颈表面,(,凹面,),的蒸气压应低于平面的饱和蒸气压,p0,，其差由,(6.3.13),式计算；颗粒表面,(,凸面,),与烧结颈表面（凹面）之间将存在更大的蒸气压力差,用,(6.3.14),式减去,(6.3.13),式计算,，将导致物质向烧结颈迁移。因此，烧结体系内，各处的蒸气压力差就成为烧结通过物质蒸发转移的驱动力。,（,6.3.13,）,99,三、烧结机制,烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的,物质迁移方式及速率,。,烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质,，不需要原子作明显的位移，只涉及颗粒接触面上部分原子排列的改变或位置的调整，过程所需的激活能是很低的。因而，即使在温度较低、时间较短的条件下，粘结也能发生。这是烧结早期的主要特征，此时烧结体的收缩不明显。,其它的物质迁移形式，如扩散、蒸发与凝聚、流动等，因原子移动的距离较长，过程的激活能较大，只有在足够高的温度或外力的作用下才能发生。它们将引起烧结体的收缩使性能发生明显的变化，这是烧结主要过程的基本特征。,100,例子：,把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一起，然后沿纤维长度方向轻轻地相互拉过，即可发现其运动是粘滞的，两根玻璃纤维会互相粘附一段时间，直到玻璃纤维弯曲时才被拉开，这说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。,由此可见，,粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时即发生键合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。,被水膜包裹的两固体球的粘附,101,由图几何关系不难证明，在烧结的任一时刻，颈曲率半径与颈半径的关系是：,(a),，,(b),下面分别按各种可能的物质迁移机构，找出烧结过程的特征速度方程式，并最后对综合作用烧结理论作简单的介绍。,由理论上推导烧结速度方程，可采用如图所示两种基本几何模型：假定两个同质的均匀小球半径为,a,，烧结颈半径为,2,，颈曲面的曲率半径为,。图,(a),为两球相切，球中心距不变，代表烧结时不发生收缩，图,(b),