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5.2烧结.ppt

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烧 结 第一节 概述 第二节 烧结过程及机理 第三节 再结晶和晶粒长大 第四节 影响烧结的因素,,第一节 概述 烧结过程是一门古老的工艺。现在,烧结过程在许多工业部门得到广泛应用,如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。,烧结的定义 烧结分类 烧结温度和熔点的关系,一、烧结的定义,压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递、气孔排除、体积收缩、强度提高,逐渐变成具有一定的几何形状和坚固整个的过程。通常用烧结收缩、强度、容重、气孔率等物理指标来衡量物料烧结质量的好坏。,二、烧结分类,按照烧结时是否出现液相,可将烧结分为两类:固相烧结和液相烧结。固相烧结是指烧结温度下基本上无液相出现的烧结,如高纯氧化物之间的烧结过程。液相烧结是指有液相参与下的烧结,如多组分物系在烧结温度下常有液相出现。近年来,在研制特种结构材料和功材料的同时,产生了一些新型烧结方法。如热压烧结,电火花烧结,无包套热等静压烧结,微波烧结等。,三、烧结温度和熔点的关系,泰曼指出,纯物质的烧结温度Ts与其溶点Tm有如下近似关系:金属粉末Ts≈(0.3—0.4)Tm无机盐类Ts≈0.57Tm硅酸盐类Ts≈(0.8—0.9)Tm 实验表明,物料开始烧结温度常与其质点开始明显迁移的温度一致。,第二节 烧结过程及机理,,,烧结过程 烧结推动力 烧结机理,一、烧结过程 首先从烧结体的宏观性质随温度的变化上来认识烧结过程。(一)烧结温度对烧结体性质的影响 图1是新鲜的电解铜粉(用氢还原的),经高压成型后,在氢气气氛中于不同温度下烧结2小时,然后测其宏观性质:密度、比电导、抗拉强度,并对温度作图,以考察温度对烧结进程的影响。,图1 烧结温度对烧结体性质的影响 l一比电导 2一拉力 3一密度,结果与讨论: 曲线表明,在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前),颗粒接触处就已产生某种键合,使得电子可以沿着键合的地方传递,故比电导和抗拉强度增大。 随烧结温度的升高,比电导和抗拉强度增加。 温度继续升高,物质开始向空隙传递,密度增大。当密度达到理论密度的90~95%后,其增加速度显著减小,且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。,(二)烧结过程的模型示意图根据烧结性质随温度的变化,我们可以把烧结过程用图2的模型来表示,以增强我们对烧结过程的感性认识。,图2 粉状成型体的烧结过程示意图,,,,,,,根据上面讨论,烧结过程可以分为三个阶段:烧结初期、中期和后期。 (1)烧结初期: 坯体中颗粒重排,接触处产生键合,空隙变形、缩小(即大气孔消失),固-气总表面积没有变化。 (2)烧结中期: 传质开始,粒界增大,空隙进一步变形、缩小,但仍然连通,形如隧道。 (3)烧结后期: 传质继续进行,粒子长大,气孔变成孤立闭气孔,密度达到95%以上,制品强度提高。,二、烧结推动力,粉体颗料尺寸很小,比表面积大,具有较高的表面能,即使在加压成型体中,颗料间接面积也很小,总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理,它将自发地向最低能量状态变化,使系统的表面能减少。烧结是一个自发的不可逆过程,系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。,表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平面表面处的蒸气压Po,并可以用开尔文本公式表达: 对于球形表面 (1)对于非球形表面 (2)表面凹凸不平的固体颗粒,其凸处呈正压,凹处呈负压,故存在着使物质自凸处向凹处迁移。,如果固体在高温下有较高蒸气压,则可以通过气相导致物质从凸表面向凹表面处传递。此外若以固体表面的空位浓度C或固体溶解度L分别代替式2中的蒸气压P,则对于空位浓度和溶解度也都有类似于式 2的关系,并能推动物质的扩散传递。可见,作为烧结动力的表面张力可以通过流动、扩散和液相或气相传递等方式推动物质的迁移。,三、烧结机理,,(一)颗粒的粘附作用(二)物质的传递,(一)颗粒的粘附作用 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。水膜的例子,见图3因此,粘附作用是烧结初始阶段,导致粉体颗粒间产生键合、靠拢和重排.并开始形成接触区的一个原因。,图3 被水膜包裹的两固体球的粘附,(二)物质的传递在烧结过程中物质传递的途径是多样的,相应
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