background image

 

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki 

Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

 

 

 
 
 
 
 
 
 

 

 

 
 

 
 
 
 

Laboratorium z Podstaw Inżynierii Materiałów  

 
 
 
 

Ćwiczenie nr 4: 

Spiekanie w fazie stałej – kinetyka spiekania ZnO 

 

III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Nr ćwiczenia 

Temat ćwiczenia

Spiekanie w fazie stałej – kinetyka spiekania 

ZnO 

 

Data wykonania: 

10.12.2011 

Grupa: 

Wykonali: 

 mgr Józef Nawracaj 

Michał Baster 

Prowadzący: 

dr inż.  

Karol Kyzioł 

Ocena: 

 

 

 

background image

Cel ćwiczenia:  

Celem  ćwiczenia  jest  przeprowadzenie  spiekania  w  fazie  stałej  próbki  wykonanej  z 

ZnO i na podstawie dokonywanych pomiarów skurczu liniowego wypraski poznanie kinetyki 

procesu spiekania z wykorzystaniem równań kinetycznych spiekania modelowego Coble`a – 

Kuczyńskiego.  Zmierzoną  wypraskę  umieszcza  się  w  piecu  wyposażonym  w  elektroniczny 

regulator  temperatury.  Następnie  dokonuje  się  pomiarów  zmian  liniowych  do  temperatury 

800 

0

C. Końcowym elementem ćwiczenia jest izotermiczne spiekanie w 800 

0

C. połączone z 

pomiarami skurczu badanej próbki 

 

Wstęp teoretyczny: 

 

Spiekanie jest jednym z kluczowych sposobów otrzymywania gotowych wyrobów  w 

przemyśle  ceramicznym.  W  zasadzie  większość  procesów  technologicznych  zasadza  się  na 

spiekaniu.  Najogólniej  polega  ono  na  termicznej  konsolidacji  zdyspergowanego  materiału  i 

uzyskaniu  litego  polikryształu  o  niskim  stopniu  porowatości.  Zdyspergowany  materiał 

poddaje się wstępnemu formowaniu mechanicznemu np. poprzez prasowanie. Spiekanie jest 

procesem samorzutnym. 

 

W  spiekanym  materiale  zachodzą  zmiany  makro  oraz  mikroskopowe.  Dokonują  się 

dzięki  procesom  przenoszenia  masy.  W  przypadku  spiekania  w  fazie  stałej  jest  to 

przegrupowanie ziarn oraz procesy dyfuzyjne. 

 

Wykonywane 

ć

wiczenie 

pozwala 

na 

obserwację 

zmian 

makroskopowych 

polegających  za  zmianach  wymiarów  zewnętrznych  badanej  wypraski.  Jest  to  powiązane  z 

możliwością  określenia  stopnia  zagęszczenia  materiału  w  funkcji  czasu  i  wyznaczenia 

kinetyki tego procesu. 

 

Spośród  różnych  sposobów  pomiaru  wielkości  zagęszczenia  najłatwiej  mierzyć 

rozmiary liniowe próbki oraz ich zmian w czasie. W przypadku braku anizotropii zachowania 

możemy  wywieść  z  nich  także  miarę  objętościową.  Może  być  ona  wyznaczona  również 

pierwotnie z pomiaru bezpośredniego podobnie jak pomiar gęstości materiału.  

 

W  pomiarach  kinetycznych  posługujemy  się  wielkościami    bezwymiarowymi,  z 

których stosuje się praktycznie względną zmianę rozmiarów czyli skurcz próbki 

L

L

 - liniowy  

V

V

 - objętościowy 

Dla niewielkiej zmiany rozmiarów są one powiązane zależnością: 

L

L

V

V

=

3

 

background image

 

Mając dane takiego rodzaju możemy określić kinetykę czyli postęp spiekania. Zmiany 

w skali makro są rezultatem mian w skali mikro, które polegają na powiększeniem przekroju 

szyjki międzyziarnowej oraz zbliżaniem się środków dwóch ziarn do siebie.  

 

Na tej podstawie sformułowano równania kinetyczne dla spiekania: 

t

R

T

B

t

R

T

A

f

p

m

d

p

n

d

)

(

)

(

=

=

ε

 

gdzie: 

R

r

f

d

=

to stosunek przekroju szyjki r do wyjściowego promienia ziarna R 

h

h

d

=

ε

to względna zmiana odległości geometrycznych środków dwóch sąsiednich ziarn 

t – czas 

A(T), B(T) – stałe zależne od materiału i temperatury 

n,m,p – stałe pozwalające na identyfikację danego mechanizmu przenoszenia masy 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zmiany zewnętrzne wyrobu w kolejnych w toku kolejnych operacji stosowanych w metodzie 

proszkowej. Faza c to wypraska przez spiekaniem, faza d to wypraska po spieczeniu. 

Widoczny wyraźny skurcz wypraski 

background image

Wykonanie ćwiczenia i obliczenia 

I.

 

Pomiar zmian długości kształtki ZnO pod wpływem zmian temperatury. 

 

Pomiar długości początkowej kształtki L

0

 

Pomiar 1 

23,93 mm 

Pomiar 2 

23,95 mm 

Pomiar 3 

23,95 mm 

23,94 mm 

 

Zmiany długości kształtki ZnO pod wpływem zmiany temperatury 

L.p. 

Temperatura 

[

0

C] 

Zmiana długości 

[mm] 

1. 

151 

-0,02 

2. 

171 

-0,015 

3. 

191 

-0,01 

4. 

211 

-0,01 

5. 

231 

-0,01 

6. 

251 

-0,005 

7. 

271 

0,00 

8. 

291 

+0,005 

9. 

311 

+0,005 

10. 

331 

+0,01 

11. 

351 

+0,01 

12. 

371 

+0,01 

13. 

391 

+0,01 

14. 

411 

+0,01 

15. 

431 

+0,01 

16. 

451 

+0,015 

17. 

471 

+0,015 

18. 

491 

+0,015 

19. 

511 

+0,015 

20. 

531 

+0,015 

21. 

551 

+0,02 

22. 

571 

+0,02 

23. 

591 

+0,02 

24. 

611 

+0,02 

25. 

631 

+0,02 

26. 

651 

+0,02 

27. 

671 

+0,025 

28. 

691 

+0,02 

29. 

711 

+0,01 

30. 

731 

+0,005 

31. 

751 

-0,02 

32. 

771 

-0,06 

33. 

791 

-0,11 

34. 

800 

-0,48 

 

background image

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temperatura [0C

]

Z

m

ia

n

a

 d

łu

g

o

śc

L

 [

m

m

]

 

Wykres 1. Zależność zmian długości próbki w funkcji temperatury L = f(T) 

 

Wniosek:  Wyraźny  skurcz  liniowy  badanej  próbki  zaczyna  się  w  temperaturze  

ok. 750 

0

C. Zmiana wymiarów próbki jest makroskopową cechą procesu spiekania, więc 

w zarejestrowanej temperaturze należy wyznaczyć jego początek. 

 

 

II.

 

Pomiar zmian długości kształtki w czasie w stałej temperaturze.  

Temperatura 

[

0

C] 

Czas 

 

 

 [min] 

Zmiana długości 

[mm] 

800 

-0,48 

800 

-0,60 

800 

-0,70 

800 

-0,79 

800 

12 

-0,87 

800 

15 

-0,94 

800 

18 

-1,00 

800 

21 

-1,05 

800 

24 

-1,10 

800 

27 

-1,15 

800 

30 

-1,19 

 

Pomiar  skurczu  prowadzono  co  3  minuty  przez  okres  30  minut  zgodnie  z 

zaleceniem  prowadzącego  zajęcia.  Znak  „-”  przy  wartościach  zmiany  długości 

oznacza skurcz próbki. 

 

background image

Czas 

[min] 

0

t

t

 





0

lg

t

t

 

0

L

L

 





 ∆

0

lg

L

L

 

0,025 

-1,60 

0,30 

0,029 

-1,53 

0,48 

0,033 

-1,48 

12 

0,60 

0,036 

-1,44 

15 

0,70 

0,039 

-1,41 

18 

0,79 

0,042 

-1,38 

21 

0,85 

0,044 

-1,36 

24 

0,90 

0,046 

-1,34 

27 

0,95 

0,048 

-1,32 

30 

10 

0,050 

-1,30 

 

t

0 – 

wartość skalująca, przyjęto 3 min 

 

Wykres 2. Zależność 





=





 ∆

0

0

lg

lg

t

t

f

L

L

 

 

Współczynniki kierunkowe obliczono przy pomocy programu Microsoft Excel. Wynoszą one 

odpowiednio: 

a= 0,3029 

b= -1,615 

Dopasowanie punktów do prostej R

2

 wynosi 0,9918,  a więc jest bardzo wysokie. 

 

 

y = 0,3029x - 1,615

R

2

 = 0,9918

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2





0

lg

t

t





 ∆

0

lg

L

L

background image

Określenie dominujących mechanizmów przenoszenia masy: 

Wykorzystuję  drugie  równanie  kinetyki  spiekania  w  modelu  Coble-Kuczyńskiego, 

które przekształcam w następujący sposób: 

t

m

R

T

B

m

m

t

R

T

B

m

t

R

T

B

t

R

T

B

t

R

T

B

p

m

d

p

m

d

p

m

d

p

m

d

p

m

d

lg

1

)

(

lg

1

lg

:

/

lg

)

(

lg

lg

)

(

lg

)

lg(

lg

/*

)

(

)

(

+

=

+

=

=

=

=

ε

ε

ε

ε

ε

Odnosząc to do wzoru funkcji liniowej otrzymanej na wykresie: y = ax+b i możliwość 

wprowadzenia zamiast 

m

d

ε

jako zmiennej 

L

L

[

L

L

m

d

=

ε

=

=

=

=

p

m

d

R

T

B

m

b

t

x

m

a

y

)

(

lg

1

lg

1

lg

ε

 

Wiec: 

30

.

3

3029

.

0

1

1

1

=

=

=

=

m

a

m

m

a

 

Przy  m  =  3.30  dominującym  mechanizmem  przenoszenia  masy  jest  dyfuzja  po  granicach 

międzyziarnowych. 

 

Wnioski: 

Przebieg  ćwiczenia  oraz  uzyskane  wyniki  pomiarów  wykazały  wyraźną  zmianę 

wymiarów  zewnętrznych  próbki.  Początkowy  wzrost  jej  wymiarów  powiązany  jest  ze 

zjawiskiem  rozszerzalności  cieplnej.  Od  temperatury  około  750 

0

C  obserwujemy  początek 

wyraźnego zmniejszania się długości liniowej. Jest to wynik procesu przegrupowania ziarn i 

tworzenia  się  pierwszych  nie  punktowych  połączeń  między  nimi  czyli  szyjek 

międzyziarnowych.  Przegrupowaniu  ziaren  towarzyszył  także  dyfuzja  po  granicach 

międzyziarnowych,  która  okazała  się  dominującym  mechanizmem  przenoszenia  masy. 

Odchyłka  współczynnika  m  od  tabelarycznej  wartości  „3”  była  wynikiem  niedokładności 

background image

pomiarowych.  Pomimo  ustalenia  temperatury  na  stałym  poziomie  wymiary  liniowe  badanej 

wypraski dalej malały co jest empirycznym dowodem na samorzutność procesu spiekania.