[科普中国]-固相烧结

单元系烧结

单元系烧结是指单一成分的粉末或者单一成分粉末压坯的烧结。所谓单一成分有如下几种情况：

①纯金属粉末，如纯铁、纯铜、纯钼粉等；

②合金粉末，如不锈钢粉、青铜粉、黄铜粉等；

③化合物粉末，如WC、MoSi2、Al2O3等。

单元系烧结的特点是在烧结中只发生颗粒之间的冶单元系烧结的特点是在烧结中只发生颗粒之间的冶金结合，没有化学成分和相组织的变化，这类烧结通常是在其熔点的2/3~4/5温度下进行。

影响烧结过程的因素单元系的烧结性能主要由密度、强度、延性和导电性来衡量。影响这些性能的因素可以归纳为如下几个方面：

1、材料的性质

如材料的表面能、扩散系数、黏性系数、临界剪切应力、蒸气压和蒸发速率，这些因素都会影响到烧结驱动力和烧结颈的长大速度。

2、粉末性质

包括粉末颗粒大小、表面活性（表面活性与表面是否存在氧化膜以及表面的结构完善程度有关，当晶体表面存在大量位错和空位时其活性很高）、晶格活性（晶格缺陷和晶格畸变）和外来物质（杂质、氧化物、吸附气体和烧结气氛）。1

烧结过程单元系固相烧结过程大致分3个阶段：

1、低温阶段

T烧=0.25T熔，主要发生金属的回复、吸附气体和水分的挥发、压坯内成形剂的分解和排除。由于回复时消除了压制时的弹性应力，粉末颗粒间接触面积反而相对减少，加上挥发物的排除，烧结体收缩不明显，甚至略有膨胀。此阶段内烧结体密度基本保持不变。

2、中温阶段

T烧=（0.4~0.55）T熔，开始发生再结晶、粉末颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒接触界面形成烧结颈，烧结体强度明显提高，而密度增加较慢。

3、高温阶段

T烧=（0.5~0.85）T熔，这是单元系固相烧结的主要阶段。扩散和流动充分进行并接近完成，烧结体内的大量闭孔逐渐缩小，孔隙数量减少，烧结体密度明显增加。保温一定时间后，所有性能均达到稳定不变。

粉末冶金零件生产中所指的烧结温度一般是指高温烧结阶段的温度，其具体温度的确定要根据烧结零件的熔点高低、密度和孔隙度的要求以及力学性能和物理性能的要求。烧结温度越高，原子的扩散速度越大，结果对烧结颈的长大、烧结体的收缩、孔隙的球化越有利，烧结零件的性能也越高。

多元系固相烧结多元系固相烧结是指两种组元以上的粉末体系在其中低熔组元的熔点以下温度进行的粉末烧结。多元系固相烧结除发生单元系固相烧结所发生的现象外，还由于组元之间的相互影响和作用，发生一些其他现象。对于组元不相互固溶的多元系，其烧结行为主要由混合粉末中含量较多的粉末所决定。如铜一石墨混合粉末的烧结主要是铜粉之间的烧结，石墨粉阻碍铜粉间的接触而影响收缩，对烧结体的强度、韧性等都有一定影响。对于能形成固溶体或化合物的多元系固相烧结，除发生同组元之间的烧结外，还发生异组元之间的互溶或化学反应。

烧结体因组元体系不同有的发生收缩，有的出现膨胀。异扩散对合金的形成和合金均匀化具有决定作用，一切有利于异扩散进行的因素，都能促进多元系固相烧结过程。如采用较细的粉末，提高粉末混合均匀性、采用部分预合金化粉末、提高烧结温度、消除粉末颗粒表面的吸附气体和氧化膜等。在决定烧结体性能方面，多元系固相烧结时的合金均匀化比烧结体的致密化更为重要。多元系粉末固相烧结后既可得单相组织的合金，也可得多相组织的合金，这可根据烧结体系合金状态图来判断。

固相烧结动力学固相烧结动力学是指研究固态物质间烧结机理及相应的动力学规律的学科。在没有液相存在的条件下，当温度高于同体物质的泰曼温度时，质点就具有显著的可动性。因此烧结中扩散传质往往是普遍和重要的。对于高熔点氧化物烧结，体积扩散则可能是最重要的机理。但采用延长烧结时间的方式提高致密度是无效的，而控制颗粒尺寸对烧结才是最重要的。

当烧结温度和时间给定时，收缩率或烧结速度主要取决于物料粒径r。通过测定烧结收缩率和颈部增长率与粒径的数据，同样可以推断烧结过程的机理。在烧结初期，颗粒和空隙形状不发生明显变化，线收缩小于6%。进入烧结中期，空隙进一步变形和缩小，但仍然是连通的，构成一种隧道系统。到了烧结末期，多数空隙已变成孤立的闭气孔，坯体密度一般也已达到95%以上的理论密度。2