第七章熱壓燒結(jié)1

燒結(jié)材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)組成、礦物組成顯微結(jié)構(gòu)晶粒尺寸分布?xì)饪壮叽绶植季Ы珞w積分?jǐn)?shù)改變目的：粉狀物料變成致密體。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高溫材料……現(xiàn)代無(wú)機(jī)材料如：功能瓷：熱、聲、光、電、磁、生物特性。結(jié)構(gòu)瓷：耐磨、彎曲、濕度、韌性……應(yīng)用1概述

一、燒結(jié)的定義及分類

1.定義宏觀定義：粉體原料經(jīng)過(guò)成型、加熱到低于熔點(diǎn)的溫度，發(fā)生固結(jié)、氣孔率下降、收縮加大、致密度提高、晶粒增大，成為堅(jiān)硬的燒結(jié)體，這個(gè)過(guò)程稱為燒結(jié)。微觀定義：固體中分子（原子）間存在相互吸引，通過(guò)加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，使粉末體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程，稱為燒結(jié)?！勰┏尚腕w在低于熔點(diǎn)的高溫作用下，產(chǎn)生顆粒間的粘附，通過(guò)物質(zhì)傳遞遷移，使成型坯體變成具有一定幾何形狀和性能，即有一定強(qiáng)度的致密體的過(guò)程，稱為燒結(jié)。常規(guī)燒結(jié)（是否出現(xiàn)液相）

2.分類固相燒結(jié)：在燒結(jié)溫度下基本上無(wú)液相出現(xiàn)的燒結(jié)，如高純氧化物之間的燒結(jié)過(guò)程液相燒結(jié)：有液相參與下的燒結(jié)，如多組分物系在燒結(jié)溫度下常有液相出現(xiàn)，<45%。反應(yīng)燒結(jié)熱壓燒結(jié)電火花燒結(jié)等靜壓燒結(jié)活化燒結(jié)微波燒結(jié)非常規(guī)燒結(jié)（特種燒結(jié)）二、與燒結(jié)有關(guān)的概念燒成：包括多種物理、化學(xué)變化，如：脫水、坯體內(nèi)氣體分解、多相反應(yīng)和熔融、溶解、燒結(jié)等，其包括范圍寬。燒結(jié)：僅質(zhì)粉料經(jīng)加熱而致密化的簡(jiǎn)單過(guò)程，是燒成過(guò)程的一個(gè)重要部分。1.燒結(jié)與燒成2.燒結(jié)與熔融相同點(diǎn)：都是由原子熱振動(dòng)而引起的不同點(diǎn)：熔融時(shí)全部組元都轉(zhuǎn)變?yōu)橐合酂Y(jié)時(shí)至少有一組元是處于固態(tài)燒結(jié)是在遠(yuǎn)低于固態(tài)物質(zhì)的熔融溫度下進(jìn)行的。

3.燒結(jié)與固相反應(yīng)相同點(diǎn)：均在低于材料熔點(diǎn)或熔融溫度之下進(jìn)行的；過(guò)程自始至終都至少有一相始固態(tài)不同點(diǎn)：固相反應(yīng)至少有兩組元參加，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。燒結(jié)可只有單組元或兩組元參加，但并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)燒結(jié)工藝燒結(jié)基本工藝過(guò)程：粉末壓坯→裝料（裝爐、燒結(jié)前的準(zhǔn)備）→燒結(jié)（預(yù)熱、保溫、冷卻）→出爐→燒結(jié)體一、燒結(jié)前的準(zhǔn)備（一）壓坯的檢查●目的：去除尺寸、單重不合格或有掉邊、掉角、分層、裂紋等缺陷的壓坯，減少燒結(jié)廢品?！穹椒ǎ撼闄z、肉眼觀察、儀器檢測(cè)。SchoolofMaterialsScienceandEngineering(二)裝爐（裝舟及擺料）

推桿式燒結(jié)爐—裝舟；網(wǎng)帶式燒結(jié)爐—-擺料SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.裝爐量

影響生產(chǎn)率;

壓坯之間的接觸影響燒結(jié)時(shí)的粘接和變形;

裝爐量受網(wǎng)帶高溫強(qiáng)度的限制。2.裝爐方式

指壓坯擺放的松緊程度、舟中裝料的深淺、壓坯擺放的方向（橫放、豎放）等。

→影響燒結(jié)爐中的氣氛流動(dòng)、傳熱、燒結(jié)體的變形、表面狀態(tài)等。→某些情況下采用填料裝舟或燒舟密封SchoolofMaterialsScienceandEngineering燒結(jié)工藝參數(shù)：燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、加熱及冷卻速度、燒結(jié)氣氛等1.燒結(jié)溫度

SchoolofMaterialsScienceandEngineering1050-1200oC加熱燒結(jié)保溫水冷時(shí)間，hr空冷溫度℃2.燒結(jié)時(shí)間

●燒結(jié)時(shí)間的選擇主要依據(jù)制品成分

●燒結(jié)時(shí)間與燒結(jié)溫度有關(guān)；

●在連續(xù)爐中，保溫時(shí)間：

t=L/l?n

t—保溫時(shí)間（min）

L—燒結(jié)帶長(zhǎng)度（cm）

l—燒舟或石墨板長(zhǎng)度（cm）

n—推舟間隔（min/舟）SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.升溫及冷卻速度

●升溫速度影響易揮發(fā)組分的揮發(fā)速度；

●冷卻速度影響制品的微觀結(jié)構(gòu)和性能

→SchoolofMaterialsScienceandEngineering冷卻方式鐵銅制品中的含銅量（％）0248A13.1620.328.436.9B13.1618.929.834.5C11.615.320.123D12.518.520.121.7冷卻方式對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響（kgf/mm2）2.燒結(jié)氣氛的分類

●氧化性氣氛：如純Ag或Ag-氧化物復(fù)合材料及氧化物陶瓷的燒結(jié)：空氣

●還原性氣氛：含有H2或CO組份的燒結(jié)氣氛：硬質(zhì)合金燒結(jié)用氫氣氛，鐵基、銅基粉末冶金零件的含氫氣氛（氨分解氣）

●惰性或中性氣氛：Ar、He、N2、真空

●滲碳?xì)夥眨汉休^高的導(dǎo)致燒結(jié)體滲碳的組元，如

CO，CH4，碳?xì)浠衔餁怏w

●氮基氣氛：含氮量很高的燒結(jié)氣氛：

10%H2+N2三、燒結(jié)過(guò)程及推動(dòng)力（一）燒結(jié)過(guò)程1.燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)體性質(zhì)的影響當(dāng)密度達(dá)到理論密度的90～95％后，其增加速度顯著減小，且常規(guī)條件下很難達(dá)到完全致密。說(shuō)明坯體中的空隙(氣孔)完全排除是很難的。1）隨T↑，電阻↓（電導(dǎo)率↑）、強(qiáng)度↑，表明：在顆?？障侗惶畛渲?即氣孔率顯著下降以前)，顆粒接觸處就已產(chǎn)生某種鍵合，使得電子可以沿著鍵合的地方傳遞，故電導(dǎo)率和強(qiáng)度增大2）隨T繼續(xù)↑，物質(zhì)開(kāi)始向空隙傳遞，密度↑燒結(jié)初期：坯體中顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮?。创髿饪紫В?，固-氣總表面積沒(méi)有變化。燒結(jié)中期：傳質(zhì)開(kāi)始，粒界增大，空隙進(jìn)一步變形、縮小，但仍然連通，形如隧道。燒結(jié)后期：傳質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行，粒子長(zhǎng)大，氣孔變成孤立閉氣孔，密度達(dá)到95%以上，制品強(qiáng)度提高。燒結(jié)過(guò)程可以分為三個(gè)階段：燒結(jié)初期、中期和后期。2.燒結(jié)過(guò)程的模型示意圖（二）燒結(jié)推動(dòng)力近代燒結(jié)理論認(rèn)為：粉狀物料的表面能大于多晶燒結(jié)體的晶界能，這就是燒的推動(dòng)力。燒結(jié)的推動(dòng)力與相變、固相反應(yīng)相比，還是極小的如：粒度為1μm的材料燒結(jié)后，△G↓8.3J/g；

α-石英與β-石英之間的多晶轉(zhuǎn)變時(shí)，△G1.7KJ/mol；一般化學(xué)反應(yīng)前后能量變化超過(guò)200KJ/mol.∴燒結(jié)不能自發(fā)進(jìn)行，必須對(duì)粉體加以高溫，才能促使粉末體轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體燒結(jié)的難易以γGB晶界能/γSV表面能比值來(lái)衡量：γGB/γSV↑，燒結(jié)越困難例：Al2O3:兩者差別較大，易燒結(jié)；共價(jià)化合物如Si3N4、SiC、AlN難燒結(jié)。*推動(dòng)力與顆粒細(xì)度的關(guān)系：

顆粒堆積后，有很多細(xì)小氣孔彎曲表面由于表面張力而產(chǎn)生壓力差，

結(jié)論：粉料愈細(xì)，由曲率而引起的燒結(jié)推動(dòng)力愈大!!晶界移動(dòng)：∵凸面界面能>凹面界面能∴晶界向凸面曲率中心移動(dòng)則，小于6條邊的晶粒縮?。ɑ蛳В笥?條邊的晶粒長(zhǎng)大

影響燒結(jié)的因素一、燒結(jié)溫度和時(shí)間的影響

1、燒結(jié)溫度2、燒結(jié)時(shí)間T↑，P蒸↑，D擴(kuò)↑，η↓，促進(jìn)燒結(jié)T過(guò)高：1）浪費(fèi)燃料，不經(jīng)濟(jì)；2）促使二次再結(jié)晶，使制品性能惡化；3）液相量增多，η急劇下降，使制品變形。延長(zhǎng)t↑，會(huì)不同程度的促進(jìn)燒結(jié)的完成；但是，在燒結(jié)后期，不合理的延長(zhǎng)t↑↑，會(huì)加劇二次再結(jié)晶的作用，得不到致密的制品。3、燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間的關(guān)系燒結(jié)高T階段：以體積擴(kuò)散為主，導(dǎo)致坯體致密化燒結(jié)低T階段：以表面擴(kuò)散為主，只改變氣孔形狀，不致密化如在低溫階段保溫t過(guò)長(zhǎng)，不僅不引起致密化，反而因表面擴(kuò)散改變氣孔形狀而給制品性能帶來(lái)危害。剛玉坯體燒結(jié)程度與細(xì)度的關(guān)系：二、原始粉料粒度的影響

1、物料粒度r↓，總表面能，則：

1）燒結(jié)推動(dòng)力↑；2）原子擴(kuò)散距離↓；3）液相中的溶解度↑。使燒結(jié)過(guò)程加速粒度r由2μm→0.5μm，燒結(jié)速率，↑64倍，相當(dāng)于燒結(jié)溫度降低了150～300℃。例如：2、物料原始粒徑細(xì)且均勻，可防止二次再結(jié)晶粉末最適宜粒度：0.05～0.5μm3、物料粒度不同，燒結(jié)機(jī)理不同粗顆粒→按體積擴(kuò)散機(jī)理燒結(jié)細(xì)顆