粉末冶金

1.9.1 燒結

燒結是利用高溫造成原子彼此移動，使粉末間的距離改變，造成相接合、產生緻密 化的現象。燒結的方式可分為三類：固相燒結(solid phase sintering)、液相燒結(liquid phase sintering)、熱壓燒結(hot press sintering)。固、液相燒結是先利用冷均壓將粉末成型後在 進行燒結，唯一的差別是母材在熔點上或下進行燒結的動作；而熱壓燒結是成型和燒結 同一步驟完成，而本研究之粉末冶金製程就是以熱壓燒結方式進行。

1.9.2 燒結的機制

因為粒子表面有多餘的表面能，因此當粒子顆粒互相接觸的時候，由本來單一顆粒 的表面擁有氣–固界面表面能，會因此趨向表面能較小的固–固界面，其過程可分為幾下 列方式[34,35]：

1. 表面擴散(Surface diffusion)：在顆粒表面的原子比在晶體內部原子擁有較少的臨近原 子，粒子的表面不是完美的晶格，表面有較多的空孔，而空孔的移動將導致表面的 擴散，物質從粒子的表面擴散至頸部(如圖 1-12 所示中路徑 1)。

2. 晶格擴散(Lattice diffusion)：利用晶格可自粒子表面或顆粒邊界傳送至頸部，物質的 來源有粒子表面、晶粒邊界、差排(如圖 1-12 所示中路徑 2、5、6)。

3. 蒸發凝結(Evaporation–condensation)：粒子表面的蒸氣壓大於頸部曲率的蒸氣壓，藉 此蒸氣壓差，使得粒子表面的物質蒸發凝結在頸部(如圖 1-12 所示中路徑 3)。

4. 晶粒邊界擴散(Grain boundary diffusion)：晶粒是因為晶格排列不一致所導致，在晶粒 邊界含有的能量較高，而且在此區域擴散的速度較快。物質即是由晶粒邊界往頸部 遷移(如圖 1-12 所示中路徑 4)。

1.9.3 緻密化

有些機制將導致粉末系統的密度增加，稱為緻密化機制(densifying mechanism)。其 它的機制則不會造成密度增加或收縮，稱為非緻密化機制(non-densifying mechanism)。

從表 1-7 物質從顆粒邊界或排列位置錯亂的區域被遷移至頸部則系統會產生緻密化，但 如果物質是從自由表面被遷移至頸部則不會產生緻密化。

燒結過程通常不是由單一機制控制，通常可大概分為三個階段[34,36]：

1. 初始階段：為粒子間以相當快的速度進行頸部成長的階段，且初始階段通常一直維 持到粒子頸部間的半徑以達到粒子半徑的 0.4-0.5。而對於初始密度約為 0.5-0.6 倍理

論密度的粉末系統而言，這粒子間頸部的半徑達到粒子半徑的 0.4-0.5 倍就相當於密 度收縮約 3~5%。

2. 中間階段：當孔洞達到它平衡形狀也就是中間階段的開始，而孔洞的平衡形狀是指在 粒子邊界與孔洞相交點上其表面張力及粒子邊界張力達到平衡時所呈現出來的形 狀。而後隨著燒結的進行，孔洞會繼續收縮；中間階段通常包含燒結過程的主要部 分，當達到 0.9 的理論密度時就是此階段的結束。

3. 最後階段：孔洞因燒結程序的持續進行成不穩態，且繼續收縮而只留下獨立的圓形小 孔洞(pinhole)時即為最終階段的開始。然而這些孔洞將繼續收縮，最後則通通消失。

粉末冶金的重要因子：粉末尺寸、體積分率、強化物的分佈、形狀等。Zhang等人[37]

研究以粉末冶金來研究粉末尺寸、體積分率、擠型比及強化物的分佈情況的關係，是以 Al粉添加不同體積分率及尺寸SiCp探討強化物的分佈情況，假設一個理想化的模式如圖 1-13 所示。

( )

3

6

dr dr V

= +

λ

π

, (11)

其中dr為強化物尺寸大小，λ為強化顆粒間距是假設強化顆粒均勻分佈在母材裡，而Vf為 強化物在母材裡所佔的體積分率。假設經由擠型後的強化物均勻分佈，且會造成晶粒細 化導致強化顆粒間距(λ)大於擠型後的晶粒尺寸。則可得到下列關係式

λ≧df,      (12)

對於擠型比 R 與原橫斷面母材粉末尺寸(dm)及擠型後的橫斷面粉末尺寸(df)之關係式為

df R

dm =

由公式(11)(12)(13)改寫成

1 6 1

3 1

−

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

⎟ −

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

≥

V

dr dm π

, (14)

此關係式說明當強化物要均勻分佈時，則強化物尺寸(dr)必須大於 dc，dc 為臨界顆粒尺 寸。

V R dc dm

f ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

⎟ −

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

= 6 1

3 1

π

, (15)

並將一些文獻上的相關資料匯整如表 1-8 所示，發現若符合此原則會有較好分佈。