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5.2 烧结过程的热力学基础 一烧结的基本过程
粉末的等温烧结过程，按时间大致可以划分为三个 界限不十分明显的阶段：
（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。在这一阶段中，颗粒内的晶粒不发生变化， 颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增 加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面 增大而有明显增加；
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第五章烧结
1概述 2烧结过程的热力学基础 3烧结机构
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1 概述
一、烧结在粉末冶金生产过程中的重要性 1、烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之
一。粉末冶金从根本上说，是由粉末成形和粉 末毛坯热处理（烧结）这两道基本工序组成的， 在特殊情况下（如粉末松装烧结），成形工序 并不需要，但是烧结工序，或相当于烧结的高 温工序（如热压或热锻）却是不可缺少的。
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5.3烧结机构
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。 烧结机构就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式 及速率的
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2、 烧结也是粉末冶金生产过程的最后一道主要工 序，对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧 结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的，烧结 实际上对产品质量起着“把关”的作用。
3、从另一方面看，烧结是高温操作，而且一般要 经过较长的时间，还需要有适当的保护气氛。因此， 从经济角度考虑，烧结工序的消耗是构成产品成本 的重要部分，改进操作与烧结设备，减少物质与能 量消耗，如降低烧结温度，缩短烧结时间等，在经 济上的意义是很大的。
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所以垂直作用于
＋）
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曲面上的合力为
而作用在面积
上的应力为Байду номын сангаас
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 ）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。
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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：
孔隙的半径
把粉末或粉末毛坯加热到低于其中主要组分熔点
的温度下保温，然后冷却到室温。在这过程中，
发生一系列物理和化学的变化，粉末颗粒的聚集
体变成为晶粒的聚结体，从而获得具有所需物理、
机械性能的制品或材料
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为了反映烧结的主要过程和机构的特点，通常按烧结过程
有无明显的液相出现和烧结系统的组成进行分类：
（1）单元系烧结 纯金属（如难熔金属和纯铁软磁材
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2）有限固溶系 统，如
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在合金状态图中有有限固溶区的系 等；
3）完全不互溶系 组元之间既不互相溶解又不形成化 合物或其他中间相的系统，如 等所谓“假合金”。
（3）多元系液相烧结 以超过系统中低熔组分熔点的 温度进行的烧结过程。由于低熔组分同难熔固相之间互 相溶解或形成合金的性质不同，液相可能消失或始终存 在于全过程，故又分为：
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对烧结过程，特别是早期阶段，作用较大的主要是表 面能。
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。随着烧结的进行，烧结颈处的晶 界可以向两边的颗粒内移动，而且颗粒内原来的晶界也 可能通过再结晶或聚晶长大发生移动并减少。因此晶界 能进一步降低就成为烧结颈形成与长大后烧结继续进行 的主要动力
料）或化合物 （
等），在其熔点
以下的温度进行的固相烧结过程。
（2）多元系固相烧结 由两种或两种以上的组分构成 的烧结体系，在其中低熔组分的熔点温度以下所进行的固 相烧结过程。粉末烧结合金有许多属于这一类。根据系统 的组元之间在烧结温度下有无固相溶解存在，又分为：
1）无限固溶系 如
在合金状态图中有无限固溶区的系统，
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二、烧结的概念与分类
1、烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛
条件下加热所发生的现象或过程。
2、烧结的结果是颗粒之间发生粘结，烧结体的强
度增加，而且多数情况下，密度也提高。如果烧
结条件控制得当，烧结体的密度和其它物理、机
械性能可以接近或达到相同成分的致密材料。
3、从工艺上看，烧结常被看作是一种热处理，即
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（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，颗粒间距离缩小，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。烧结体收缩，密度 和强度增加是这个阶段的主要特征；
（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。在这个阶段，整个烧 结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数 量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是 仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。
烧结过程中不管是否使总孔隙度减低，但孔隙的总表
面积总是减小的。隔离孔隙形成后，在孔隙体积不变
的情况下，表面积减小主要靠孔隙的球化，而球形孔
隙继续收缩和消失也能使总表面积进一步减小，因此，
不论在烧结的第二或第三阶段，孔隙表面自由能的降
低，始终是烧结过程的驱动力
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三、烧结驱动力的计算
但由于 很小
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(a)
(b) (c、d)
图 5-1 球形颗粒的烧结模型 烧结前颗粒的原始接触； 烧结早期的烧结颈长大； 烧结后期的孔隙球化
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二、烧结的热力学问题
烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力，包括 下述几个方面 ： （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和总表面积减小； （3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。
1）稳定液相烧结系统如：
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2）瞬时液相烧结系统如：
合金等。
对烧结过程的分类，目前并不统一。盖彻尔（是把金 属粉的烧结分为1）单相粉末（纯金属、固溶体或金属 化合物）烧结；2） 金属或金属非金属）固相烧结； 3）多相粉末液相烧结；4） 熔浸。他把固溶体和金属 化合物这类合金粉末的烧结看为单相烧结，认为在烧 结时组分之间无再溶解，故不同于组元间有溶解反应 的一般多元系固相烧结。