第九章烧结

2024年烧结系统安全技术操作规程第一章总则第一条为了保障烧结系统的运行安全，保护人身、设备和财产安全，提高烧结工艺的生产效率和质量，制定本操作规程。

第二条本规程适用于2024年烧结系统的操作，包括烧结机、烟气处理系统、除尘系统、废气处理系统等。

第三条本规程的操作人员包括烧结生产工人、操作人员，以及负责安全管理的技术人员。

第四条本规程的操作人员应具备相关的工作经验和技能，并接受专门的培训，熟悉本规程的内容。

第五条本规程的要求应加强操作人员的安全意识和质量意识，确保操作过程中不发生事故和质量问题。

第六条运行人员应按照本规程的要求进行操作，如需变更操作规程应提前申请并得到相关负责人批准。

第七条本规程的内容应随着科技进步和实际生产环境的变化不断完善和更新。

第二章安全操作要求第八条操作人员应佩戴齐全的个人防护装备，包括安全帽、防护服、防护眼镜、耳塞等。

第九条操作人员应保证操作场所的整洁和通风良好，杂物应及时清理，避免阻塞通道和风道。

第十条操作人员应熟悉烧结设备的结构和工作原理，了解各种安全设备的作用和使用方法。

第十一条操作人员应按照烧结设备的正常运行参数进行操作，严禁随意调整参数和操作设备。

第十二条烧结设备的运行前，应进行安全检查，确保各部件和设备处于正常运行状态。

第十三条烧结设备的操作人员应及时清理设备和系统中的积尘、杂物，保持设备的清洁。

第十四条烧结设备的异常情况应及时上报相关负责人，遇到紧急情况应采取应急措施。

第十五条烧结设备的操作人员应遵守相关安全操作规程，不得违章作业和超负荷操作。

第十六条烧结设备的操作人员应定期参加安全培训和考核，提高自身的操作能力和安全意识。

第十七条烧结设备的操作人员应定期检修设备，保养设备，确保设备的正常运行和安全性。

第十八条烧结设备的操作人员应遵守相关环保规定，合理使用和处理烟气和废气，保护环境。

第十九条烧结设备的操作人员应定期进行安全和质量检查，发现问题及时整改，确保生产质量。

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10~1Pa，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0L。

∆L=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。

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）常压烧结：又称无压烧结。

属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。

在无外加动力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点０．５－０．８即可。

在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散，液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。

常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。

合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象，提高成品率。

（２）热压烧结与热等静压烧结：热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流动、重排与致密化。

采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低１００ºC左右，主要根据不同制品及有无液相生成而异。

热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内，工艺方法较简单。

该烧结法制品密度高，理论密度可达９９％，制品性能优良。

不过此烧结法不易生产形状复杂制品，烧结生产规模较小，成本高。

作为陶瓷烧结手段，利用来自于表面能的表面应力而达到致密化的常压烧结法虽是一般常用的方法，但是，不依赖于表面应力，而在高温下借助于外压的方法，也是可以采用的。

这就是称为热压法的烧结方法。

广义来说，在加压下进行烧结的方法包括所有这类方法，超高压烧结和热等静压（HIP）烧结也属于这类方法。

不过，一般都作为在高温下施加单轴压力进行烧结的方法来理解。

其基本结构示于图1。

首先，制备粉体试料，置于模型中，在规定温度下加热、加压，获得烧结体。

由于下述原因而采用这种方法：（1）烧结温度降低；（2）烧结速度提高；（3）使难烧结物质达到致密化。

因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，可获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。

图2所示，是热压对陶瓷致密化影响效果之一例。

将热压作为制造制品的手段而加以利用的实例有：氧化铝、铁氧体、碳化硼、氮化硼等工程陶瓷。

连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。

热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。