第九章 烧结分析

习题1．烧结推动力是什么? 它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理? 2．烧结过程是怎样产生的，各阶段的特征是什么?3．下列过程中哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明之。

(a)蒸发冷凝；(b)体积扩散；(c)粘性流动；(d)表面扩散；(e)溶解沉淀4．某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm2，烧结后晶界能是550 erg/cm2，今用粒径为1μm的粉料(假定为立方体)压成1cm3的压块进行烧结，试计算烧结时的推动力。

5．试就(a)推动力来源；(b)推动力大小；(c)在陶瓷系统的重要性来区别初次再结晶，晶粒长大和二次再全结晶。

6．有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行．为什么了？7．假如直径为5μm的气封闭在表而张力为280达因／厘米的玻璃内，气孔内氮气压力是0.8大气压，当气体压力与表面张力产生的负压平衡时，气孔尺寸是多少?8. 在1500℃，MgO正常的晶粒长大期间．观察到晶体在1小时内从直径从1μm 长大到10μm，在此条件下，要得到直径20μm的晶粒，需烧结多长时间?如已知晶界扩散活化能为60KCal／mol，试计算在1600℃下4小时后晶粒的大小，为抑制晶粒长大，加入少量杂质，在1600℃下保温4小时，晶粒大小又是多少?9．假定NiCr2O4的表面能为600erg／cm2，由半径0.5μm的NiO和Cr2O3粉末合成尖晶石。

在1200℃和1400℃时Ni2+和Cr3+离子的扩散系数分别为：Ni2+在NiO中D1473=1×10-11；D1673=3×10-10cm2/s；Cr3+在Cr2O3中D1473=7×10-11；D1673=10-9cm2/s，求在1200℃和1400℃烧结时，开始1秒的线收缩率是多少？（假定扩散粒子的半径为0.59Å) 10．材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺上应如何控制烧结过程以达到此目的?11．试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应?12．特种烧结和常规烧结有什么区别?试举例说明。

第九章一、判断正误1、烧结中始终可以只有一相是固态。

2、液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。

3、二次再结晶对坯体致密化有利。

4、扩散传质中压应力区空位浓度<无应力区空位浓度<张应力区空位浓度。

5、晶粒长大源于小晶体的相互粘结。

6、一般来说，晶界是气孔通向烧结体外的主要扩散通道。

一般来说，晶界是杂质的富集之地。

二、填空烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质_四种，这四种传质过程的坯体线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为ΔL/L=0、ΔL/L～t2/5、ΔL/L～t和ΔL/L～t1/3。

三、选择1、在烧结过程中，只改变气孔形状不引起坯体收缩的传质方式是（）。

a．表面扩散b．流动传质c．蒸发-凝聚d．晶界扩散2、在烧结过程中只改变坯体中气孔的形状而不引起坯体致密化的传质方式是（）。

a. 流动传质b. 蒸发—凝聚传质c. 溶解—沉淀d. 扩散传质四、问答题1、典型的传质过程有哪些？各采用什么烧结模型？分析产生的原因是什么？典型的传质过程有：固相烧结的蒸发-凝聚传质、扩散传质，液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质。

固相烧结的蒸发-凝聚传质过程采用中心距不变的双球模型。

固相烧结的扩散传质、液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质过程采用中心距缩短的双球模型。

2、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力。

并比较两者的大小？解：烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即γsv>γgb。

晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。

烧结的推动力较大，约为4~20J/g。

晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。

3、在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192 G2-G02=192*2 G≈20μm(2) G3-G03=kt k=1984 G3 –8=1984*2 G≈15.84μm4、在烧结期间，晶粒长大能促进胚体致密化吗？晶粒长大能够影响烧结速率吗？试说明之解：晶粒生长是界面移动的结果，并不是原子定向向颈部迁移得传质过程，因而不能促进胚体致密化。

1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：(1) w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？(2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分为多少？(3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分为多少？(4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为：0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃）设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。

3．根据A-B 二元相图(1) 写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线；(2) 平衡凝固时，计算A-25B(weight%)合金（y ’y 线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量；(3) 画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。

4．根据如图所示的二元共晶相图（1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线；（2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？（3）如果希望得到共晶组织加上5％的 初的合金，求该合金的成分。

（4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？5．指出下列相图中的错误：6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点?(a) (b)(c) (d)1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：(1) w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？(2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分约为多少？(3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？(4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?第1题答案2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为：0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃）设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。

烧结指标报告分析1. 引言烧结是一种重要的冶金过程，用于将粉末颗粒熔结在一起形成固体块状材料。

烧结指标报告分析是对烧结过程中的关键指标进行系统评估和分析，以便为优化烧结工艺和提高产品质量提供指导。

本文将对烧结指标报告进行详细分析，包括烧结温度、烧结时间、烧结效率等关键指标的测量结果和评估。

通过这些指标的分析，我们可以了解烧结过程中的问题和潜在风险，从而采取相应的措施来改善烧结工艺和提高产品质量。

2. 烧结温度分析烧结温度是影响烧结质量的重要因素之一。

在烧结过程中，温度的高低直接影响到烧结颗粒的熔结程度和结晶度。

通过对烧结温度的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的温度控制是否稳定以及是否存在温度异常。

根据烧结指标报告，我们可以获得不同时间段内的烧结温度数据。

通过对这些数据的分析，我们可以发现温度的波动情况、峰值温度以及温度变化趋势。

同时，我们还可以与烧结工艺参数进行对比，以确定温度异常的原因，并采取相应的措施进行调整。

3. 烧结时间分析烧结时间是指将颗粒物料放置在高温环境中进行加热和熔结的时间。

烧结时间的长短直接影响到烧结颗粒的熔结程度和结晶度。

通过对烧结时间的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的时间控制是否合理以及是否存在时间不足或过长的情况。

烧结指标报告中提供了不同烧结时间下的烧结效果数据。

通过对这些数据的分析，我们可以比较不同烧结时间下的烧结结果，找出最佳的烧结时间范围。

同时，我们还可以结合其他指标数据，如烧结温度和烧结压力，综合评估烧结时间对产品质量的影响。

4. 烧结效率分析烧结效率是指烧结过程中原料的转化率和产品的质量利用率。

烧结效率直接影响到产品的成品率和质量稳定性。

通过对烧结效率的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的能源利用效率和原料利用效率。

烧结指标报告中包含了不同烧结工艺条件下的烧结效果数据。

通过对这些数据的分析，我们可以比较不同工艺条件下的烧结效率，找出最佳的工艺参数组合。

同时，我们还可以结合其他指标数据，如烧结温度和烧结时间，综合评估烧结效率对产品质量的影响。

第九章烧结§9-1 概述本节主要内容有：1）烧结定义；2）与烧结有关的一些概念；3）烧结过程推动力；4）烧结模型一、烧结定义如下图9.1所示，为烧结过程中坯体所发生的变化。

由图可见，在烧结过程中，体系发生如下物理化学过程：颗粒间由点接触开始（图9.1a）→接触面积扩大→颗粒聚集→颗粒中心距逼近（图9.1b）→逐渐形成晶界→气孔形状发生变化→体积缩小，连通的气孔变成各自孤立的气孔→大部分气孔从晶体中排除。

这些物理过程随烧结温度的升高而逐渐推进。

图9-1烧结过程中坯体所发生的变化1.定义：根据烧结过程中所出现的宏观变化可以认为：一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、粘土…）粉末经过成型，在加热到一定温度后气孔排除、体积收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。

2、烧结程度衡量指标：在烧结过程中，宏观上出现体积收缩、致密度提高和强度增加。

通常采用坯体收缩率、气孔率、吸水率、烧结体密度与理论密度之比（相对密度）等指标来衡量。

如下图9-2所示。

二、与烧结有关的一些概念1、烧结与烧成：烧成包括多种物理或化学变化，如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。

而烧成仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程。

因此，烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。

2、烧结与熔融：烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。

烧结与熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时全部组元均转变为液相，而烧结时至少有一组元是固态。

3、烧结与固态反应：这两个过程均在低于材料熔点或熔融温度之下进行，并且在过程的自始至终至少有一相是固态。

在固相反应的过程中，组分间在高温下发生化学反应，但在烧结过程中，组分间并不发生化学反应。

三、烧结过程推动力：1、推动力：近代烧结理论认为，粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧结的推动力。

粉体经烧结后，晶界能取代了表面能，这就是多晶材料稳定存在的原因。

2、表面能来源：粉料在粉碎与研磨的过程中消耗的机械能，以表面能形式贮存在粉体中；粉碎引起晶格缺陷，使内能增加。

烧结原理所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定温度（烧结温度）并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下来，从而得到所需性能的材料，这种热处理工艺叫做烧结。

烧结使多孔的粉末压坯变为具有一定组织和性能的制品，尽管制品性能与烧结前的许多工艺因素有关，但是在许多情况下，烧结工艺对最终制品组织和性能有着重大的甚至是决定性的影响。

硬质合金的烧结过程是比较复杂的，但是这些基本知识又是必须掌握的。

4.1 烧结过程的分类烧结过程的分类方法很多，按烧结制品组元的多少可以分为单元系烧结和多元系烧结，如钨、钼条烧结属于单元系烧结，硬质合金绕结则属于多元系烧结。

按烧结时组元中相的状态分为固相烧结和液相烧结，如钨钼的烧结过程中不出现液相，属于固相烧结，硬质合金制品在烧结过程中会出现液相，属于液相烧结。

按工艺特征来分，可分为氢气烧结、真空烧结、活化烧结、热等静压烧结等。

许多烧结方法都能用于硬质合金的烧结。

此外，还可以依烧结材料的名称来分，如硬质合金烧结，钼顶头烧结。

从学习烧结过程的实质来说，将烧结过程分为固相烧结和液相烧结两大类是比较合理的，但在生产中多按烧结工艺特点来进行分类。

4.2 烧结过程的基本变化硬质合金压坯经过烧结后，最容易观察到的变化是压块体积收缩变小，强度急剧增大，压块孔隙度一般为50%，而烧结后制品已接近理论密度，其孔隙一般应小于0.2%，压块强度的变化就更大了，烧结前压坯强度低到无法用一般方法来测定，压坯只承受生产过程中转移时所必备的强度，而烧结后制品却能达到满足各种苛刻工作条件所需要的强度值,显然制品强度提高的幅度较之密度的提高要大得多。

制品强度及其他物理机械能的突变说明在烧结过程中压块发生了质的变化。

在压制过程中，虽然由于外力的作用能增加粉末体的接触面,而颗粒中表面原子和分子还是杂乱无章的，甚至还存在有内应力，颗粒间的联结力是很弱的，但烧结后颗粒表面接触状态发生了质的变化，这是由于粉末接触表面原子﹑分子进行化学反应，以及扩散、流动、晶粒长大等物理化学变化，使颗粒间接触紧密，内应力消除，制品形成了一个强的整体，从而使其性能大大提高。

第九章烧结内容提要：本章叙述了烧结定义、推动力和基本模型；分析在纯固态和有液相参与的烧结过程中，四种基本传质产生的原因、条件、特点和动力学方程，介绍了烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制和影响烧结的众多因素。

简介了特种烧结原理。

烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料等部门的一个重要工序，烧结的目的是把粉状物料转变为致密体。

烧结过程的宏观定义是：一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、粘土等）粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。

为了揭示烧结的微观本质又可认为：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

近代烧结理论的研究认为：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这是烧结过程的推动力，粉体经烧结后，晶界能取代了表面能，这是烧结后多晶材料稳定存在的原因。

G• C• Kuczynski首先提出粉末压块用两个等径球体作为烧结模型。

随着烧结的进行，各接触点处开始形成颈部，并逐渐扩大，最后烧结成一个整体。

由于各颈部所处环境和几何条件相同，所以只需确定二个颗粒颈部成长速率就基本代表粉体烧结初期的动力学关系。

双球模型的中心距可以有二种情况：一种中心距不变；另一种中心距缩短。

固态烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚和扩散传质。

蒸发-凝聚传质产生的原因是粉末体球形颗粒凸面与颗粒接触点颈部之间的蒸汽压差。

物质将从蒸汽压高的凸面蒸发，通过气相传递而凝聚到蒸汽压低的凹形颈部，从而使颈部逐渐被填充。

蒸发-凝聚传质发生的条件是几微米的粉末体，蒸汽压最低为io~iPa显示出传质效果。

这种传质的特点是烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变，因此由蒸发-凝聚单一传质发生烧结，坯体不发生收缩，即「丄L = 0。

扩散传质是大多数固体材料烧结传质的主要形式。

产生扩散传质的原因是颗粒不同部位空位浓度差。

第九章烧结动力学模型及其机理烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料和金属陶瓷等生产过程的一个重要工序。

任何粉体经成型后必须烧结才能赋予材料各种特殊的性能。

陶瓷烧结体是一种多晶材料。

材料性能不仅与材料组成有关，而且还与材料的显微结构有密切关系。

当配方、原料粒度、成型等工序完成以后，烧结是使材料获得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。

因此了解粉末烧结过程及机理，了解烧结过程动力学对控制和改进材料性能有着十分重要的意义。

9.1 烧结的定义烧结通常是指在高温作用下粉体颗粒集合体表面积减少、气孔率降低、颗粒间接触面加大以及机械强度提高的过程。

烧结是一复杂的物理化学过程，除物理变化外，有的还伴随有化学变化，如固相反应。

这种由固相反应促进的烧结，又称反应烧结。

高纯物质通常在烧结温度下基本上无液相出现；而多组分物系在烧结温度下常有液相存在。

有无液相参加其烧结机理有原则区别，所以将烧结分为无液相参加的烧结（或称纯固相烧结），及有液相参加的烧结（或称液相烧结）两类。

另外还有一些烧结过程，如热压烧结等，其烧结机理有其特殊性。

陶瓷粉料成型后变成具有一定外形的坯体，坯体内一般包含着百分之几十的气孔（约25-60%），而颗粒之间只有点接触，如图9.1(a)所示。

在高温下所发生的主要变化是：颗粒间接触界面扩大，逐渐形成晶界；气孔的形状变化，如图(b)，体积缩小，从连通的气孔变成各自孤立的气孔并逐渐缩小，如图(c)，以致最后大部分甚至全部气孔从坯体中排除。

这就是烧结所包含的主要物理过程。

图9.1 气孔形状及尺寸的变化示意图烧结必须在高温下进行，但烧结温度及烧结温度范围，因原料种类、制品要求及工艺条件不同而异。

纯物质的烧结温度与其熔点间有一近似关系，如金属的开始烧结温度约为0.3-0.4T M（熔点），无机盐类约为0.57T M，硅酸盐类约为0.8-0.9T M。

由此可见，开始烧结温度都低于其熔融温度。

实验证明，物料开始烧结温度，常与其质点开始迁移的温度一致。