多元系固相燒結(jié)

1、 多數(shù)粉末冶金材料是由幾種組分多數(shù)粉末冶金材料是由幾種組分(元素或化合物元素或化合物)的粉末燒結(jié)的粉末燒結(jié)而成的。燒結(jié)過(guò)程不出現(xiàn)液相的稱(chēng)為多元系固相燒結(jié)而成的。燒結(jié)過(guò)程不出現(xiàn)液相的稱(chēng)為多元系固相燒結(jié)，包括組分，包括組分間間不不互溶和互溶的兩類(lèi)?；ト芎突ト艿膬深?lèi)。 多元系固相燒結(jié)比單元系燒結(jié)復(fù)雜得多，除了同組元或異組多元系固相燒結(jié)比單元系燒結(jié)復(fù)雜得多，除了同組元或異組元顆粒間的粘結(jié)外，還發(fā)生異組元之間的反應(yīng)、溶解和均勻化等元顆粒間的粘結(jié)外，還發(fā)生異組元之間的反應(yīng)、溶解和均勻化等過(guò)程，而這些都是靠組元在固態(tài)下的互相擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以，過(guò)程，而這些都是靠組元在固態(tài)下的互相擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以，通過(guò)燒結(jié)

2、不僅要達(dá)到致密化，而且要獲得所要求的相或組織組成通過(guò)燒結(jié)不僅要達(dá)到致密化，而且要獲得所要求的相或組織組成物。物。多元系固相燒結(jié)多元系固相燒結(jié)一、互溶系固相饒結(jié)一、互溶系固相饒結(jié) 組分互溶的多元系固相燒結(jié)有三種情況：組分互溶的多元系固相燒結(jié)有三種情況：(1)(1)均勻均勻(單相單相)固溶體粉末的燒結(jié)；固溶體粉末的燒結(jié)；(2)(2)混合粉末的燒結(jié)；混合粉末的燒結(jié)；(3)(3)燒結(jié)過(guò)程固溶體分解。燒結(jié)過(guò)程固溶體分解。 第一種情況屬于單元系燒結(jié)，基本規(guī)律同前一節(jié)講的相同。第三第一種情況屬于單元系燒結(jié)，基本規(guī)律同前一節(jié)講的相同。第三種情況不常有，僅在文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)過(guò)銅汞齊的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在種情況不常有，僅在

3、文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)過(guò)銅汞齊的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在750一一900時(shí)汞齊的分解對(duì)燒結(jié)有促進(jìn)作用。下面只討論混合粉末的燒結(jié)。時(shí)汞齊的分解對(duì)燒結(jié)有促進(jìn)作用。下面只討論混合粉末的燒結(jié)。1 1一般規(guī)律一般規(guī)律 混合粉末燒結(jié)時(shí)在不同組分的顆粒間發(fā)生的擴(kuò)散與合金均勻化過(guò)混合粉末燒結(jié)時(shí)在不同組分的顆粒間發(fā)生的擴(kuò)散與合金均勻化過(guò)程，取決于合金熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。如果組元間能生成合金，則燒結(jié)完程，取決于合金熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。如果組元間能生成合金，則燒結(jié)完成后，其平衡相的成分和數(shù)量大致可根據(jù)相應(yīng)的相圖確定。但由于燒結(jié)組成后，其平衡相的成分和數(shù)量大致可根據(jù)相應(yīng)的相圖確定。但由于燒結(jié)組織不可能在理想的熱力學(xué)平衡條件下獲得，要受固

4、態(tài)下擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的限制，織不可能在理想的熱力學(xué)平衡條件下獲得，要受固態(tài)下擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的限制，而且粉末燒結(jié)的合金化還取決于粉末的形態(tài)、粒度、接觸狀態(tài)以及晶體缺而且粉末燒結(jié)的合金化還取決于粉末的形態(tài)、粒度、接觸狀態(tài)以及晶體缺陷、結(jié)晶取向等因素，所以比熔鑄合金化過(guò)程更復(fù)雜化，也難獲得平衡組陷、結(jié)晶取向等因素，所以比熔鑄合金化過(guò)程更復(fù)雜化，也難獲得平衡組織?？棥Y(jié)合金化中最簡(jiǎn)單的情況是二元系固溶體合金。當(dāng)二元混合粉末燒燒結(jié)合金化中最簡(jiǎn)單的情況是二元系固溶體合金。當(dāng)二元混合粉末燒結(jié)時(shí)，一個(gè)組元通過(guò)顆粒間的聯(lián)結(jié)面擴(kuò)散并溶解到另一組元的顆粒中（如結(jié)時(shí)，一個(gè)組元通過(guò)顆粒間的聯(lián)結(jié)面擴(kuò)散并溶解到另一組元的顆粒中（如

5、FeC材料中石墨溶于鐵中），或者二組元互相溶解材料中石墨溶于鐵中），或者二組元互相溶解(如銅與鎳如銅與鎳)，產(chǎn)生均，產(chǎn)生均勻的固溶體顆粒。勻的固溶體顆粒。 假定有金屬假定有金屬A和和B的混合粉末，燒結(jié)時(shí)在兩種粉末的顆粒接觸面的混合粉末，燒結(jié)時(shí)在兩種粉末的顆粒接觸面上，按相圖反應(yīng)生成平衡相上，按相圖反應(yīng)生成平衡相AxByAxBy，以后的反應(yīng)將取決于，以后的反應(yīng)將取決于A、B組元組元通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)物通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)物AB(形成包覆顆粒表面的殼層形成包覆顆粒表面的殼層)的互擴(kuò)散。如果的互擴(kuò)散。如果A能通過(guò)能通過(guò)AB進(jìn)行擴(kuò)散，而進(jìn)行擴(kuò)散，而B(niǎo)不能，那么不能，那么A原子將通過(guò)原子將通過(guò)AB相擴(kuò)散到相擴(kuò)散到A與與B

6、的界面的界面上再與上再與B反應(yīng)，這樣反應(yīng)，這樣AB相就在相就在B顆粒內(nèi)滋生。通常，顆粒內(nèi)滋生。通常，A與與B均能通過(guò)均能通過(guò)AB相互擴(kuò)散，那么反應(yīng)將在相互擴(kuò)散，那么反應(yīng)將在AB相層內(nèi)發(fā)生，并同時(shí)向相層內(nèi)發(fā)生，并同時(shí)向A與與B的顆粒內(nèi)的顆粒內(nèi)擴(kuò)展，直至所有顆粒成為具有同一平均成分的均勻固溶體為止。擴(kuò)展，直至所有顆粒成為具有同一平均成分的均勻固溶體為止。 假若反應(yīng)產(chǎn)物假若反應(yīng)產(chǎn)物AB是能溶解于組元是能溶解于組元A或或B的中間相的中間相(如電子化合如電子化合物物)，那么界面上的反應(yīng)將復(fù)雜化。例如，那么界面上的反應(yīng)將復(fù)雜化。例如AB溶于溶于B形成有限固溶體，形成有限固溶體，只有當(dāng)飽和后，只有當(dāng)飽和后，

7、AB才能通過(guò)成核長(zhǎng)大重新析出，同時(shí)，飽和固溶體才能通過(guò)成核長(zhǎng)大重新析出，同時(shí)，飽和固溶體的區(qū)域也逐漸擴(kuò)大。因此，合金化過(guò)程將取決于反應(yīng)生成相的性質(zhì)、的區(qū)域也逐漸擴(kuò)大。因此，合金化過(guò)程將取決于反應(yīng)生成相的性質(zhì)、生成次序和分布，取決于組元通過(guò)中間相的擴(kuò)散，取決于一系列反應(yīng)生成次序和分布，取決于組元通過(guò)中間相的擴(kuò)散，取決于一系列反應(yīng)層之間的物質(zhì)遷移和析出反應(yīng)。但是，擴(kuò)散總歸是決定合金化的主要層之間的物質(zhì)遷移和析出反應(yīng)。但是，擴(kuò)散總歸是決定合金化的主要?jiǎng)恿W(xué)因素，因而凡是促進(jìn)擴(kuò)散的一切條件，均有利于燒結(jié)過(guò)程及獲動(dòng)力學(xué)因素，因而凡是促進(jìn)擴(kuò)散的一切條件，均有利于燒結(jié)過(guò)程及獲得最好的性能。擴(kuò)散合金化的規(guī)律可

8、以概括為以下幾點(diǎn)：得最好的性能。擴(kuò)散合金化的規(guī)律可以概括為以下幾點(diǎn)： (1)(1)金屬擴(kuò)散的一般規(guī)律是：原子半徑相差越大，或在元素周期金屬擴(kuò)散的一般規(guī)律是：原子半徑相差越大，或在元素周期表中相距越遠(yuǎn)的元素，互擴(kuò)散速度也越大；間隙式固溶的原子，擴(kuò)表中相距越遠(yuǎn)的元素，互擴(kuò)散速度也越大；間隙式固溶的原子，擴(kuò)散速度比替換式固溶的大得多；溫度相同和濃度差別不大時(shí)，散速度比替換式固溶的大得多；溫度相同和濃度差別不大時(shí)，在體在體心立方點(diǎn)陣相中，原子的擴(kuò)散速度比在面心立方點(diǎn)陣相中快幾個(gè)數(shù)心立方點(diǎn)陣相中，原子的擴(kuò)散速度比在面心立方點(diǎn)陣相中快幾個(gè)數(shù)量級(jí)量級(jí)。在金屬中溶解度最小的組元，往往具有最大的擴(kuò)散速度。在金屬

9、中溶解度最小的組元，往往具有最大的擴(kuò)散速度(表表54)。各種元素在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)各種元素在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)(表表55)和溶解度和溶解度(表表56)，對(duì)于燒結(jié)，對(duì)于燒結(jié)鐵基制品中合金元素的選擇有一定參考價(jià)值?？梢钥吹剑涸阼F基制品中合金元素的選擇有一定參考價(jià)值?？梢钥吹剑涸谂c與中溶解度大的元素，擴(kuò)散系數(shù)反而小。中溶解度大的元素，擴(kuò)散系數(shù)反而小。根據(jù)表根據(jù)表55，在，在和和中擴(kuò)散系數(shù)不同的元素可分為四種類(lèi)型：中擴(kuò)散系數(shù)不同的元素可分為四種類(lèi)型：以及以及2)2)硼、碳和氮在鐵中也屬于間隙擴(kuò)散，但其擴(kuò)散系數(shù)較小硼、碳和氮在鐵中也屬于間隙擴(kuò)散，但其擴(kuò)散系數(shù)較小(僅為氫僅為氫的六百分之一的六百分之一)；3)3

10、)鎳、鉆、錳、鑰在鐵中形成替換式固溶體，擴(kuò)散系數(shù)僅為形成鎳、鉆、錳、鑰在鐵中形成替換式固溶體，擴(kuò)散系數(shù)僅為形成間隙固溶體元素的萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一；間隙固溶體元素的萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一；4)4)氧、硅、鋁等元素介于形成間隙式和替換式固溶體之間，由于氧、硅、鋁等元素介于形成間隙式和替換式固溶體之間，由于缺乏擴(kuò)散系數(shù)的可靠數(shù)據(jù)，尚不能作結(jié)論。缺乏擴(kuò)散系數(shù)的可靠數(shù)據(jù)，尚不能作結(jié)論。(2)(2)在多元系中，由于組元的互擴(kuò)散系數(shù)不相等，產(chǎn)生柯肯德?tīng)栐诙嘣抵?，由于組元的互擴(kuò)散系數(shù)不相等，產(chǎn)生柯肯德?tīng)?Kirkendall)效應(yīng)，證明是空位擴(kuò)散機(jī)構(gòu)起作用效應(yīng)，證明是空位擴(kuò)散機(jī)構(gòu)起作用。當(dāng)。當(dāng)A與與B元素互

11、擴(kuò)散元素互擴(kuò)散時(shí)，只有當(dāng)時(shí)，只有當(dāng)A原子與其鄰近的空位發(fā)生換位的幾率大于原子與其鄰近的空位發(fā)生換位的幾率大于B原子自身的原子自身的換位幾率時(shí)，換位幾率時(shí)，A原子的擴(kuò)散才比原子的擴(kuò)散才比B原子快，因而通過(guò)原子快，因而通過(guò)AB相互擴(kuò)散的相互擴(kuò)散的A和和B原子的互擴(kuò)散系數(shù)不等，在具有較大互擴(kuò)散系數(shù)原子的區(qū)域內(nèi)形原子的互擴(kuò)散系數(shù)不等，在具有較大互擴(kuò)散系數(shù)原子的區(qū)域內(nèi)形成過(guò)?？瘴?，然后聚集成微孔隙，從而使燒結(jié)合金出現(xiàn)膨脹。因此，成過(guò)?？瘴?，然后聚集成微孔隙，從而使燒結(jié)合金出現(xiàn)膨脹。因此，一般說(shuō)在這種合金系中，燒結(jié)的致密化速率要減慢。一般說(shuō)在這種合金系中，燒結(jié)的致密化速率要減慢。1)1)氫在氫在中擴(kuò)散系數(shù)

12、最大，屬于間隙擴(kuò)散；中擴(kuò)散系數(shù)最大，屬于間隙擴(kuò)散；(3)(3)添加第三元素可顯著改變?cè)靥砑拥谌乜娠@著改變?cè)谺在在A中的擴(kuò)散速度。例如在燒結(jié)鐵中的擴(kuò)散速度。例如在燒結(jié)鐵中添加中添加V、Si、Cr、Mo、Ti、W等形成碳化物的元素會(huì)顯著降低碳在鐵等形成碳化物的元素會(huì)顯著降低碳在鐵中的擴(kuò)散速度和增大滲碳層中碳的濃度；添加中的擴(kuò)散速度和增大滲碳層中碳的濃度；添加4Co使碳在使碳在7Fe(1的的碳原子濃度碳原子濃度)中的擴(kuò)散速度提高一倍；而添加中的擴(kuò)散速度提高一倍；而添加3Mo或或1W時(shí)，減小一時(shí)，減小一倍。添加第三元素對(duì)碳在鐵中擴(kuò)散速度的影響，取決于其在周期表中的倍。添加第三元素對(duì)碳在鐵中擴(kuò)散

13、速度的影響，取決于其在周期表中的位置：位置：靠鐵左邊屬于形成碳化物的元素，降低擴(kuò)散速度；而靠右邊屬非靠鐵左邊屬于形成碳化物的元素，降低擴(kuò)散速度；而靠右邊屬非碳化物形成元素，增大擴(kuò)散速度碳化物形成元素，增大擴(kuò)散速度。黃銅中添加。黃銅中添加2Sn，使鋅的擴(kuò)散系數(shù)，使鋅的擴(kuò)散系數(shù)增大九倍；添加增大九倍；添加35Pb時(shí)，增大十四倍；加時(shí)，增大十四倍；加Si、A1、P、S均可增大均可增大擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)。(4)(4)二元合金中，根據(jù)組元、燒結(jié)條件和階段的不同，燒結(jié)速度同兩二元合金中，根據(jù)組元、燒結(jié)條件和階段的不同，燒結(jié)速度同兩組元單獨(dú)燒結(jié)時(shí)相比，可能快也可能饅。例如鐵粉表面包覆一層鎳時(shí)，組元單獨(dú)燒結(jié)時(shí)

14、相比，可能快也可能饅。例如鐵粉表面包覆一層鎳時(shí)，由于柯肯德?tīng)栃?yīng)，燒結(jié)顯著加快。由于柯肯德?tīng)栃?yīng)，燒結(jié)顯著加快。 許多研究表明，許多研究表明，添加過(guò)渡族元素添加過(guò)渡族元素(Fe，Co，Ni)，對(duì)許多氧化物和，對(duì)許多氧化物和鎢粉的燒結(jié)均有明顯促進(jìn)作用，但是，鎢粉的燒結(jié)均有明顯促進(jìn)作用，但是，CuNi系燒結(jié)的速度反而減慢系燒結(jié)的速度反而減慢。因此決定二元合金燒結(jié)過(guò)程的快慢不是由能否形成固溶體來(lái)判斷，而取因此決定二元合金燒結(jié)過(guò)程的快慢不是由能否形成固溶體來(lái)判斷，而取決于組元互擴(kuò)散的差別。如果偏擴(kuò)散所造成的空位能溶解在晶格中，就決于組元互擴(kuò)散的差別。如果偏擴(kuò)散所造成的空位能溶解在晶格中，就能增大擴(kuò)散原

15、子的活性，促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)行；相反，如空位聚集成微孔，反能增大擴(kuò)散原子的活性，促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)行；相反，如空位聚集成微孔，反將阻礙燒結(jié)過(guò)程。將阻礙燒結(jié)過(guò)程。 (5) (5)燒結(jié)工藝條件燒結(jié)工藝條件(溫度、時(shí)間、粉末粒度及須合金粉末的使用溫度、時(shí)間、粉末粒度及須合金粉末的使用)的影響將在下一段說(shuō)明。的影響將在下一段說(shuō)明。2 2無(wú)限互溶系無(wú)限互溶系 屬于這類(lèi)的有屬于這類(lèi)的有CuCuNi、CoCoNi、CuAu、AgAu、WMo、FeFeNi等。對(duì)其中的等。對(duì)其中的CuCuNi系研究得最成熟，現(xiàn)討論如下：系研究得最成熟，現(xiàn)討論如下： CuCuNi具有無(wú)限互溶的簡(jiǎn)單相圖。用混合粉燒結(jié)具有無(wú)限互溶的簡(jiǎn)單相圖。用混合

16、粉燒結(jié)(等溫等溫)，在一，在一定階段發(fā)生體積增大現(xiàn)象，燒結(jié)收縮隨時(shí)間的變化，主要取決于合金定階段發(fā)生體積增大現(xiàn)象，燒結(jié)收縮隨時(shí)間的變化，主要取決于合金均勻化的程度。均勻化的程度。圖圖536的燒結(jié)收縮曲線表明：純的燒結(jié)收縮曲線表明：純Cu粉或純粉或純Ni粉單獨(dú)燒結(jié)時(shí)，收粉單獨(dú)燒結(jié)時(shí)，收縮在很短時(shí)間內(nèi)就完成；而它們的混合粉末燒結(jié)時(shí)，縮在很短時(shí)間內(nèi)就完成；而它們的混合粉末燒結(jié)時(shí)，未合金化之前，未合金化之前，也產(chǎn)生較大收縮，但是隨著合金均勻化的進(jìn)行，燒結(jié)反出現(xiàn)膨脹，也產(chǎn)生較大收縮，但是隨著合金均勻化的進(jìn)行，燒結(jié)反出現(xiàn)膨脹，而且膨脹與燒結(jié)時(shí)間的方根而且膨脹與燒結(jié)時(shí)間的方根() )成正比，使曲線直線上升，

17、到合金化完成后才又轉(zhuǎn)為水平成正比，使曲線直線上升，到合金化完成后才又轉(zhuǎn)為水平。因。因?yàn)榭驴线_(dá)爾效應(yīng)符合這種關(guān)系，所以，膨脹是由偏擴(kuò)散引起的。為柯肯達(dá)爾效應(yīng)符合這種關(guān)系，所以，膨脹是由偏擴(kuò)散引起的。 圖圖537為為CuNi混合粉燒結(jié)收縮與合金化程度的關(guān)系曲線?；旌戏蹮Y(jié)收縮與合金化程度的關(guān)系曲線?？梢圆捎么判詼y(cè)量、可以采用磁性測(cè)量、X光光衍射和顯微光譜分析等方衍射和顯微光譜分析等方法來(lái)研究粉末燒結(jié)的合金法來(lái)研究粉末燒結(jié)的合金化過(guò)程。圖化過(guò)程。圖538是用是用X光衍射法測(cè)定的光衍射法測(cè)定的CuNi燒結(jié)合金的衍射光強(qiáng)度分燒結(jié)合金的衍射光強(qiáng)度分布圖，分布愈寬的曲線布圖，分布愈寬的曲線(1)表明合金成分

18、愈不均勻。表明合金成分愈不均勻。根據(jù)衍射光強(qiáng)度與衍射角根據(jù)衍射光強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系，可以計(jì)算合金的的關(guān)系，可以計(jì)算合金的濃度分布濃度分布許多人通過(guò)測(cè)定激活能數(shù)據(jù)許多人通過(guò)測(cè)定激活能數(shù)據(jù)(43.1108.8kJmol)證明，證明，CuCuNi合金燒結(jié)的均勻化機(jī)構(gòu)是以晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散為主合金燒結(jié)的均勻化機(jī)構(gòu)是以晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散為主。FeFeNi合合金燒結(jié)也是表面擴(kuò)散的作用大于體積擴(kuò)散金燒結(jié)也是表面擴(kuò)散的作用大于體積擴(kuò)散。隨著燒結(jié)溫度升高和隨著燒結(jié)溫度升高和進(jìn)入燒結(jié)的后期，激活能升高；但是有偏擴(kuò)散存在和出現(xiàn)大量擴(kuò)進(jìn)入燒結(jié)的后期，激活能升高；但是有偏擴(kuò)散存在和出現(xiàn)大量擴(kuò)散空位時(shí)，體積擴(kuò)散的激活能也

19、不可能太高散空位時(shí)，體積擴(kuò)散的激活能也不可能太高。因此，均勻化也同。因此，均勻化也同燒結(jié)過(guò)程的物質(zhì)遷移那樣，也應(yīng)該看作是由幾種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)同時(shí)起燒結(jié)過(guò)程的物質(zhì)遷移那樣，也應(yīng)該看作是由幾種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)同時(shí)起作用。作用。 描述合金化程度，可采用所謂的均勻化程度因素描述合金化程度，可采用所謂的均勻化程度因素：tFm m式中式中在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)，通過(guò)界面的物質(zhì)遷移量；內(nèi)，通過(guò)界面的物質(zhì)遷移量； 當(dāng)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)界面的物質(zhì)遷移量。當(dāng)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)界面的物質(zhì)遷移量。F F值在值在01之間變化，之間變化，F(xiàn)=1相當(dāng)于完全均勻化。相當(dāng)于完全均勻化。表表57列舉了列舉了CuNi粉末燒結(jié)合金在不同工藝條件下測(cè)定的

20、粉末燒結(jié)合金在不同工藝條件下測(cè)定的F值，從中可以看出影響值，從中可以看出影響CuCuNi混合粉壓坯的合金化過(guò)程的因素有：混合粉壓坯的合金化過(guò)程的因素有：(1)(1)燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 是影響合金化最重要的因素。因?yàn)樵踊U(kuò)散系數(shù)是隨是影響合金化最重要的因素。因?yàn)樵踊U(kuò)散系數(shù)是隨溫度的升高而顯著增大的，如表中數(shù)據(jù)表明，燒結(jié)溫度由溫度的升高而顯著增大的，如表中數(shù)據(jù)表明，燒結(jié)溫度由950升至升至1050，即提高，即提高10，F(xiàn)值提高值提高20一一40。 (2)(2)燒結(jié)時(shí)間燒結(jié)時(shí)間 在相同溫度下，燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散越充分，合金在相同溫度下，燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散越充分，合金化程度就越高，但時(shí)間的影響沒(méi)有

21、溫度大。如表中數(shù)據(jù)表明，如化程度就越高，但時(shí)間的影響沒(méi)有溫度大。如表中數(shù)據(jù)表明，如F由由0.5提高到提高到1，時(shí)間需增加，時(shí)間需增加500倍。倍。 (3)(3)粉末粒度粉末粒度 合金化的速度隨著粒度減小而增加。因?yàn)樵谄渌鼦l合金化的速度隨著粒度減小而增加。因?yàn)樵谄渌鼦l件相同時(shí)，減小粉末粒度意味著增加顆粒間的擴(kuò)散界面并且縮短擴(kuò)散路件相同時(shí)，減小粉末粒度意味著增加顆粒間的擴(kuò)散界面并且縮短擴(kuò)散路程，從而增加單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散原子的數(shù)量。程，從而增加單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散原子的數(shù)量。 (4)(4)壓坯密度壓坯密度 增大壓制壓力，將使粉末顆粒間接觸面增大，擴(kuò)散增大壓制壓力，將使粉末顆粒間接觸面增大，擴(kuò)散界面增大，加快

22、合金化過(guò)程，但作用并不十分顯著，如壓力提高界面增大，加快合金化過(guò)程，但作用并不十分顯著，如壓力提高20倍，倍，F(xiàn)值僅增加值僅增加40。 (5)(5)粉末原料粉末原料 采用一定數(shù)量的預(yù)合金粉或復(fù)合粉同完全使用混合采用一定數(shù)量的預(yù)合金粉或復(fù)合粉同完全使用混合粉比較，達(dá)到相同的均勻化程度所需的時(shí)間將縮短，因?yàn)檫@時(shí)擴(kuò)散路程粉比較，達(dá)到相同的均勻化程度所需的時(shí)間將縮短，因?yàn)檫@時(shí)擴(kuò)散路程縮短，并可減少要遷移的原子數(shù)量。縮短，并可減少要遷移的原子數(shù)量。 (6)(6)雜質(zhì)雜質(zhì) 如表如表57所示，所示，Si、Mn等雜質(zhì)阻礙合金化，因?yàn)榇嬖谟诘入s質(zhì)阻礙合金化，因?yàn)榇嬖谟诜勰┍砻婊蛟跓Y(jié)過(guò)程形成的粉末表面或在燒結(jié)過(guò)

23、程形成的MnOMnO、雜質(zhì)阻礙顆粒間的擴(kuò)散進(jìn)行。雜質(zhì)阻礙顆粒間的擴(kuò)散進(jìn)行。燒結(jié)燒結(jié)CuNi合金的物理合金的物理機(jī)械性能隨燒結(jié)時(shí)間的變化如圖機(jī)械性能隨燒結(jié)時(shí)間的變化如圖540所示。所示。燒結(jié)尺寸變化燒結(jié)尺寸變化的曲線表明，燒結(jié)體的密度，比其它性能更早地趨于穩(wěn)定；硬度在燒的曲線表明，燒結(jié)體的密度，比其它性能更早地趨于穩(wěn)定；硬度在燒結(jié)一段時(shí)間內(nèi)有所降低，以后又逐漸增高；強(qiáng)度、延伸率與電阻的變結(jié)一段時(shí)間內(nèi)有所降低，以后又逐漸增高；強(qiáng)度、延伸率與電阻的變化可以延續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。化可以延續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。3 3有限互溶系有限互溶系 有限互溶系的燒結(jié)合金有有限互溶系的燒結(jié)合金有FeC、FeCu等燒結(jié)鋼，等燒結(jié)鋼，

24、WNi、AgNi等合金，它們與等合金，它們與CuNi無(wú)限互溶合金不同，燒結(jié)后得到無(wú)限互溶合金不同，燒結(jié)后得到的是多相合金，其中有代表性的燒結(jié)鋼。它是用鐵粉與石墨粉混的是多相合金，其中有代表性的燒結(jié)鋼。它是用鐵粉與石墨粉混合，壓制成零件，在燒結(jié)時(shí)，碳原子不斷向鐵粉中擴(kuò)散，合，壓制成零件，在燒結(jié)時(shí)，碳原子不斷向鐵粉中擴(kuò)散，在高溫在高溫中形成中形成FeC有限固溶體有限固溶體() )，冷卻下來(lái)后，形成主要由，冷卻下來(lái)后，形成主要由與與兩種相成分的多相合金，它比燒結(jié)純鐵有更高的硬度和強(qiáng)度兩種相成分的多相合金，它比燒結(jié)純鐵有更高的硬度和強(qiáng)度 中有相當(dāng)大的溶解度，擴(kuò)散系數(shù)也比其它合金元素大，中有相當(dāng)大的溶解

25、度，擴(kuò)散系數(shù)也比其它合金元素大，的第二相的第二相() )在在中的形態(tài)和分布，因而得到不同的組織。通過(guò)燒結(jié)后的熱處理還可進(jìn)中的形態(tài)和分布，因而得到不同的組織。通過(guò)燒結(jié)后的熱處理還可進(jìn)一步調(diào)整燒結(jié)鋼的組織，以得到好的綜合性能一步調(diào)整燒結(jié)鋼的組織，以得到好的綜合性能。同時(shí)，其它合金元素。同時(shí)，其它合金元素(Mo、Ni、Cu、Mn、Si等等)也影響碳在鐵中的擴(kuò)散速度、溶解度與分也影響碳在鐵中的擴(kuò)散速度、溶解度與分布，因此，同時(shí)添加碳和其它合金元素，可以獲得性能更好的燒結(jié)合布，因此，同時(shí)添加碳和其它合金元素，可以獲得性能更好的燒結(jié)合金鋼。金鋼。碳在是燒結(jié)鋼中使用得最廣而又經(jīng)濟(jì)的合金元素。是燒結(jié)鋼中使用得

26、最廣而又經(jīng)濟(jì)的合金元素。隨冷卻速度不同，將隨冷卻速度不同，將改變含碳改變含碳下面對(duì)下面對(duì)FeC混合粉末的燒結(jié)以及冷卻后的組織與性能作概括性說(shuō)混合粉末的燒結(jié)以及冷卻后的組織與性能作概括性說(shuō)明明。 (1)Fe(1)FeC混合粉末碳含量一般不超過(guò)混合粉末碳含量一般不超過(guò)1，故同純鐵粉的單元，故同純鐵粉的單元系一樣，燒結(jié)時(shí)主要發(fā)生鐵顆粒間的粘結(jié)和收縮。但隨著碳在鐵顆粒系一樣，燒結(jié)時(shí)主要發(fā)生鐵顆粒間的粘結(jié)和收縮。但隨著碳在鐵顆粒內(nèi)溶解，兩相區(qū)溫度降低，燒結(jié)過(guò)程加快。內(nèi)溶解，兩相區(qū)溫度降低，燒結(jié)過(guò)程加快。 (2)(2)碳在鐵中通過(guò)擴(kuò)散形成奧氏體，擴(kuò)散得很快，碳在鐵中通過(guò)擴(kuò)散形成奧氏體，擴(kuò)散得很快，10一一

27、20min內(nèi)就溶解完全內(nèi)就溶解完全(圖圖541)。石墨粉的粒度和粉末混合的均勻程度對(duì)這。石墨粉的粒度和粉末混合的均勻程度對(duì)這一過(guò)程的影響很大。當(dāng)石墨粉完全溶解后，留下孔隙；由于一過(guò)程的影響很大。當(dāng)石墨粉完全溶解后，留下孔隙；由于C向向中繼續(xù)溶解，使鐵晶體點(diǎn)陣常數(shù)增大，鐵粉顆粒脹大，使石墨留下的孔中繼續(xù)溶解，使鐵晶體點(diǎn)陣常數(shù)增大，鐵粉顆粒脹大，使石墨留下的孔隙縮小。當(dāng)鐵粉全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，碳在其中的濃度分布仍不均勻，隙縮小。當(dāng)鐵粉全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，碳在其中的濃度分布仍不均勻，繼續(xù)提高溫度或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，發(fā)生繼續(xù)提高溫度或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，發(fā)生的均勻化，晶粒明顯長(zhǎng)大。的均勻化，晶粒明顯長(zhǎng)大。的相變

28、進(jìn)行得充分與否，溫度低，燒結(jié)后將殘留大量游離石墨，當(dāng)?shù)偷南嘧冞M(jìn)行得充分與否，溫度低，燒結(jié)后將殘留大量游離石墨，當(dāng)?shù)陀谟?50時(shí)，甚至不發(fā)生碳向奧氏體的溶解，如圖時(shí)，甚至不發(fā)生碳向奧氏體的溶解，如圖542所示。所示。燒結(jié)溫度決定了燒結(jié)溫度決定了( (3)3)燒結(jié)充分保溫后冷卻，奧氏體分解，形成以珠光體為主要組織組燒結(jié)充分保溫后冷卻，奧氏體分解，形成以珠光體為主要組織組成物的多相結(jié)構(gòu)。珠光體的數(shù)量和形態(tài)取決于冷卻速度，冷卻愈快，成物的多相結(jié)構(gòu)。珠光體的數(shù)量和形態(tài)取決于冷卻速度，冷卻愈快，珠光體彌散度愈大，硬度與強(qiáng)度也愈高。珠光體彌散度愈大，硬度與強(qiáng)度也愈高。如果緩慢冷卻，由于孔隙與如果緩慢冷卻，由

29、于孔隙與殘留石墨的作用，有可能加速石墨化過(guò)程。殘留石墨的作用，有可能加速石墨化過(guò)程。 石墨化與兩方面團(tuán)素有關(guān)：石墨化與兩方面團(tuán)素有關(guān)：石墨的生長(zhǎng)速度與分布形態(tài)將不取決于碳原子擴(kuò)散，而取決于比較緩石墨的生長(zhǎng)速度與分布形態(tài)將不取決于碳原子擴(kuò)散，而取決于比較緩慢的鐵原子擴(kuò)散。所以在致密鋼中，冷卻階段的石墨化是相當(dāng)困難的；慢的鐵原子擴(kuò)散。所以在致密鋼中，冷卻階段的石墨化是相當(dāng)困難的；但在燒結(jié)鋼中，由于在孔隙中石墨的生長(zhǎng)與鐵原子的擴(kuò)散無(wú)關(guān)，因此石但在燒結(jié)鋼中，由于在孔隙中石墨的生長(zhǎng)與鐵原子的擴(kuò)散無(wú)關(guān)，因此石墨的生長(zhǎng)加快。墨的生長(zhǎng)加快。在燒結(jié)過(guò)共析鋼中，為避免和消除二次網(wǎng)狀滲碳體，一般可在在燒結(jié)過(guò)共析鋼中

30、，為避免和消除二次網(wǎng)狀滲碳體，一般可在850900保溫一段時(shí)間后快冷，即采用相當(dāng)于正火的工藝，這樣靠近共析保溫一段時(shí)間后快冷，即采用相當(dāng)于正火的工藝，這樣靠近共析成分的過(guò)共析鋼快冷可得到偽共析鋼組織。對(duì)于高碳成分的過(guò)共析鋼快冷可得到偽共析鋼組織。對(duì)于高碳(2)的燒結(jié)鐵碳的燒結(jié)鐵碳合金，可添加微量硫合金，可添加微量硫(0.3一一0.6)以控制過(guò)共析鋼中化合碳的含量和二以控制過(guò)共析鋼中化合碳的含量和二次網(wǎng)狀次網(wǎng)狀的析出。的析出。由于基體中由于基體中內(nèi)的碳原子擴(kuò)散而轉(zhuǎn)化為石墨，鐵原子由石墨形核并長(zhǎng)大的地方內(nèi)的碳原子擴(kuò)散而轉(zhuǎn)化為石墨，鐵原子由石墨形核并長(zhǎng)大的地方 (4)(4)燒結(jié)碳鋼的機(jī)械性能與合金組

31、織中化合碳的含量有關(guān)。一般說(shuō)，當(dāng)燒結(jié)碳鋼的機(jī)械性能與合金組織中化合碳的含量有關(guān)。一般說(shuō)，當(dāng)接近共析鋼接近共析鋼(0.8C)成分時(shí)，強(qiáng)度最高，而延伸率總是隨碳含量提高成分時(shí)，強(qiáng)度最高，而延伸率總是隨碳含量提高而降低，詳見(jiàn)圖而降低，詳見(jiàn)圖543和圖和圖544。但是，當(dāng)化合碳含量繼續(xù)增高，冷。但是，當(dāng)化合碳含量繼續(xù)增高，冷卻后析出二次網(wǎng)狀滲碳體，達(dá)到卻后析出二次網(wǎng)狀滲碳體，達(dá)到1.1化合碳時(shí)，滲碳體連成網(wǎng)絡(luò)，使化合碳時(shí)，滲碳體連成網(wǎng)絡(luò)，使強(qiáng)度急劇降低。強(qiáng)度急劇降低。二、互不溶系固相饒結(jié)二、互不溶系固相饒結(jié) 粉末燒結(jié)法能夠制造熔鑄法所不能得到的粉末燒結(jié)法能夠制造熔鑄法所不能得到的“假合金假合金”，即，

32、即組元間不組元間不互溶且無(wú)反應(yīng)的合金互溶且無(wú)反應(yīng)的合金。粉末固相燒結(jié)或液相燒結(jié)可以獲得的假合金包括。粉末固相燒結(jié)或液相燒結(jié)可以獲得的假合金包括金屬金屬金屬、金屬金屬、金屬非金屬、金屬非金屬、金屬氧化物、金屬氧化物、金屬化合物等，最典型化合物等，最典型的是電觸頭合金的是電觸頭合金(CuW、AgW、CuC、AgCdO等等)。 1 1燒結(jié)熱力學(xué)燒結(jié)熱力學(xué) 互不溶的兩種粉末能否燒結(jié)取決于系統(tǒng)的熱力學(xué)條件，而且同單元互不溶的兩種粉末能否燒結(jié)取決于系統(tǒng)的熱力學(xué)條件，而且同單元系或互溶多元系燒結(jié)一樣，也與表面自由能的減小有關(guān)。皮涅斯認(rèn)為，系或互溶多元系燒結(jié)一樣，也與表面自由能的減小有關(guān)。皮涅斯認(rèn)為，互不溶系

33、的燒結(jié)服從不等式互不溶系的燒結(jié)服從不等式ABAB即即AB的的比界面能比界面能必須小于必須小于A、B單獨(dú)存在的單獨(dú)存在的比表面能比表面能之和。如果之和。如果ABAB雖然在雖然在AA或或BB之間可以燒結(jié)，但在之間可以燒結(jié)，但在AB之間卻不能。之間卻不能。在滿(mǎn)足上式的前提下，如果在滿(mǎn)足上式的前提下，如果A BAB 那么在兩組元的顆粒間形成燒結(jié)頸的那么在兩組元的顆粒間形成燒結(jié)頸的，則開(kāi)始時(shí)通過(guò)表面擴(kuò)散，比表面能低的組元覆蓋在另一組元的顆粒表，則開(kāi)始時(shí)通過(guò)表面擴(kuò)散，比表面能低的組元覆蓋在另一組元的顆粒表面，然后同單元系燒結(jié)一樣，在類(lèi)似面，然后同單元系燒結(jié)一樣，在類(lèi)似復(fù)合粉末的顆粒復(fù)合粉末的顆粒間形成燒結(jié)

34、頸。只間形成燒結(jié)頸。只要燒結(jié)時(shí)間足夠長(zhǎng)，充分燒結(jié)是可能的，這時(shí)得到的合金組織是一種成要燒結(jié)時(shí)間足夠長(zhǎng)，充分燒結(jié)是可能的，這時(shí)得到的合金組織是一種成分均勻包裹在另一成分的顆粒表面。不論是上述情況中的哪一種，分均勻包裹在另一成分的顆粒表面。不論是上述情況中的哪一種，同時(shí)，它們可互相靠攏至某一臨界值；如果同時(shí)，它們可互相靠攏至某一臨界值；如果只有只有愈小，燒結(jié)的動(dòng)力就愈大。愈小，燒結(jié)的動(dòng)力就愈大。2 2性能性能成分的關(guān)系成分的關(guān)系 皮涅斯和古狄遜皮涅斯和古狄遜(Goodison)的研究表明，互不溶系固相燒結(jié)合金的的研究表明，互不溶系固相燒結(jié)合金的性能與組元體積含量之間存在著二次方函數(shù)關(guān)系；燒結(jié)體系內(nèi)

35、、相同組元性能與組元體積含量之間存在著二次方函數(shù)關(guān)系；燒結(jié)體系內(nèi)、相同組元顆粒間的接觸顆粒間的接觸(AA，BB)同同AB接觸的相對(duì)大小決定了系統(tǒng)的性質(zhì)。接觸的相對(duì)大小決定了系統(tǒng)的性質(zhì)。若二組元的體積含量相等，而且顆粒大小與形狀也相同，則均勻混合后按若二組元的體積含量相等，而且顆粒大小與形狀也相同，則均勻混合后按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，AB顆粒接觸的機(jī)會(huì)是最多的，因而對(duì)燒結(jié)體性能的影響顆粒接觸的機(jī)會(huì)是最多的，因而對(duì)燒結(jié)體性能的影響也最大。止涅斯用下式表示燒結(jié)體的收縮值：也最大。止涅斯用下式表示燒結(jié)體的收縮值：222A AB BAB A Bcccc 而而式中式中 、組元在相同條件下單獨(dú)燒結(jié)時(shí)的

36、收縮值，分別為組元在相同條件下單獨(dú)燒結(jié)時(shí)的收縮值，分別為與與平方的函數(shù)；平方的函數(shù)； 全部為全部為AB接觸時(shí)的收縮值；接觸時(shí)的收縮值； 、A、B的體積濃度。的體積濃度。 如果如果 12ABAB則燒結(jié)體的總收縮服從線性關(guān)系；如果則燒結(jié)體的總收縮服從線性關(guān)系；如果12ABAB為凹向下拋物線關(guān)系，這時(shí)混合粉末燒結(jié)的收縮大；為凹向下拋物線關(guān)系，這時(shí)混合粉末燒結(jié)的收縮大；而如果而如果12A BAB得到的是凹向上拋物線關(guān)系，這時(shí)燒結(jié)的收縮小。因此，滿(mǎn)足得到的是凹向上拋物線關(guān)系，這時(shí)燒結(jié)的收縮小。因此，滿(mǎn)足12ABAB式條件的體系處于最理想的混合狀態(tài)。式條件的體系處于最理想的混合狀態(tài)。222A AB BA

37、B A Bcccc 式所代表的二次函數(shù)關(guān)系也同樣適用于燒結(jié)體式所代表的二次函數(shù)關(guān)系也同樣適用于燒結(jié)體的強(qiáng)度性能的強(qiáng)度性能，這已被，這已被CuW、CMMo、CuFe等系的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這種關(guān)系，甚等系的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這種關(guān)系，甚至可以推廣到三元系。至可以推廣到三元系。 如果系統(tǒng)中如果系統(tǒng)中B為非活性組元，不與為非活性組元，不與A起任何起任何反應(yīng)，并且在燒結(jié)溫度下本身幾乎也不產(chǎn)生燒反應(yīng)，并且在燒結(jié)溫度下本身幾乎也不產(chǎn)生燒結(jié)，那么結(jié)，那么和和將等于零。這時(shí)當(dāng)該組元的含量增加時(shí)，用性將等于零。這時(shí)當(dāng)該組元的含量增加時(shí)，用性能變化曲線外延至孔隙度為零的方法求強(qiáng)度，能變化曲線外延至孔隙度為零的方法求強(qiáng)

38、度，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度值降低。圖于發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度值降低。圖于545為為CuW(或或Mo)系假合金的抗拉強(qiáng)度與成分、孔隙度的關(guān)系曲系假合金的抗拉強(qiáng)度與成分、孔隙度的關(guān)系曲線?？梢钥吹诫S著合金中非活性組元線?？梢钥吹诫S著合金中非活性組元W(或或Mo)的含量增加的含量增加(從直線從直線1至至4)，強(qiáng)度值降低，并，強(qiáng)度值降低，并巳孔隙度愈低，強(qiáng)度降低的程度也愈大。巳孔隙度愈低，強(qiáng)度降低的程度也愈大。3 3燒結(jié)過(guò)程的特點(diǎn)燒結(jié)過(guò)程的特點(diǎn)(1)(1)互不溶系因相燒結(jié)幾乎包括了用粉末冶金方法制造的一切典型的復(fù)互不溶系因相燒結(jié)幾乎包括了用粉末冶金方法制造的一切典型的復(fù)合材料一一基體強(qiáng)化合材料一一基體強(qiáng)化(彌散強(qiáng)化或纖維強(qiáng)化彌散強(qiáng)化或纖維強(qiáng)化)材料和利用組合效果的金屬材料和利用組合效果的金屬陶瓷材料陶瓷材料(電觸頭合金、金屬電觸頭合金、金屬塑料塑料)。它們是以熔點(diǎn)低、塑性。它們是以熔點(diǎn)低、塑性(韌性韌性)好、好、導(dǎo)熱導(dǎo)熱(電電)性強(qiáng)而燒結(jié)性好的成分性強(qiáng)而燒結(jié)性好的成分(純金屬或單相合金純金屬或單相合金)為粘結(jié)相，同熔點(diǎn)和為粘結(jié)相，同熔點(diǎn)和硬度高、高溫性能好的成分硬度高、高溫性能好的成分(難熔金屬或化合物難熔金屬或化合物)組成的一種機(jī)械混合物，組成的一種機(jī)械混合物，因而兼有兩種不同成分的性質(zhì)，常常具有良好的綜合性