如果加熱粉體的同時進(jìn)行加壓,那么燒結(jié)主要取決于塑性流動,而不是擴(kuò)散。對于同一材料而言,壓力燒結(jié)與常壓燒結(jié)相比,燒結(jié)溫度低得多,而且燒結(jié)體中氣孑L率也低。另外,由于在較低的溫度下燒結(jié),就抑制了晶粒成長,所得的燒結(jié)體致密,且具有較高的強(qiáng)度(晶粒細(xì)小的陶瓷,強(qiáng)度較高)。
1.一般熱壓法
一般熱壓法又叫壓力燒結(jié)法,是對較難燒結(jié)的粉料或生坯在模具內(nèi)施加壓力,同時升溫?zé)Y(jié)的工藝。加壓操作有:恒壓法,整個升溫過程中都施加預(yù)定的壓力;高溫加壓法,高溫階段才施加壓力;分段加壓法,低溫時加低壓、高溫時加到預(yù)定的壓力。此外又有真空熱壓燒結(jié)、氣氛熱壓燒結(jié)、連續(xù)加壓燒結(jié)等。其基本結(jié)構(gòu)示于圖1-3-20。圖1-3-21表示出熱壓Mg0粉體的致密化過程。
在熱壓中,最重要的是模型材料的選擇。使用最廣泛的模型材料是石墨,但因目的不同,也有使用氧化鋁和碳化硅的。纖維增強(qiáng)的石墨模型壁薄,可經(jīng)受30—50 MPa的壓力。表1-3-3列出單軸加壓的熱壓模型材料。
表1-3-3單軸加壓昀熱壓模型材料
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┃ 模型材料 ┃最高使用溫度(℃) ┃最高使用壓力(MPa) ┃ 備 注 ┃
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┃ 石墨 ┃ 2500 ┃ 70 ┃ ┃
┃ 氧化鋁 ┃ 1200 ┃ 210 ┃}機(jī)械加工困難,抗熱沖擊性弱,易產(chǎn)生蠕變 ┃
┃ 氧化鋯 ┃ 1180 ┃ ┃ ┃
┃ 氧化鈹 ┃ 1000 ┃ 105 ┃ ┃
┃ 碳化硅 ┃ 1500 ┃ 280 ┃~械加工困難,有反應(yīng)性,價高 ┃
┃ 碳化鉭 ┃ 1200 ┃ 56 ┃ ┃
┃碳化鎢,碳化鈦 ┃ 1400 ┃ 70 ┃ ┃
┃ 二硼化鈦 ┃ 1200 ┃ 105 ┃k械加工困難,價高,易氧化,易產(chǎn)生蠕變 ┃
┃ 鎢 ┃ 1500 ┃ 245 ┃ ┃
┃ 鉬 ┃ 1100 ┃ 21 ┃ ┃
┃耐腐蝕高溫鎳 ┃}1100 ┃ ┃ 蔣變 ┃
┃ 合金不銹鋼 ┃ ┃ ┃ ┃
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加熱方式,幾乎都采用高頻感應(yīng)方法,對于導(dǎo)電性能好的模型,可以采用低電壓、大電流的直接加熱方式。
熱壓法的缺點(diǎn)是加熱、冷卻時間長,而且必須進(jìn)行后加工,生產(chǎn)效率低,只能生產(chǎn)形狀不太復(fù)雜的制品。使用熱壓法可制備強(qiáng)度很高的陶瓷車刀等。就氧化鋁燒結(jié)體而言,常壓燒結(jié)制品的抗折強(qiáng)度約為350 MPa,熱壓制品的抗折強(qiáng)度為700 MPa左右。熱壓法在制備很難燒結(jié)的非氧化物陶瓷材料過程中,也獲得廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)以氮化硅為例介紹熱壓法。在氮化硅粉末中,加入氧化鎂等添加劑,在1700℃下,施以30 MPa的壓力,則可達(dá)到致密化。在這種情況下,因為氮化硅與石墨模型發(fā)生反應(yīng),其表面生成碳化硅,所以在石墨模型內(nèi)涂上一層氮化硼,以防止發(fā)生反應(yīng),并便于脫模。但是,由于BN中含有B2 03,它具有吸濕性,如果在使用過程中急速加熱就會把吸附水分放出,從而容易產(chǎn)生裂縫。因此使用這種脫模劑時,在熱壓時必須注意。另外模型材料與試料的膨脹系數(shù)之差太大時,在冷卻時會產(chǎn)生應(yīng)力,這一點(diǎn)極為重要。
2.高溫等靜壓(high isostatic pressing)法
高溫等靜壓(HIP)法,就受等靜壓作用這一點(diǎn)而言,類似于成型方法中所述的橡皮模加壓成型。高濕等靜壓法中用金屬箔代替橡皮模(加壓成型中的橡膠模具),用氣體代替液體,使金屬箔內(nèi)的粉料均勻受壓。通常所用的氣體為氦氣、氬氣等惰性氣體。模具材料有金屬箔(低碳鋼、鎳、鉬)、玻璃等。也可先在大氣壓下燒成具有一定形狀的非致密體,然后進(jìn)行高溫等靜壓燒結(jié)(可不用金屬箔模具)。
一般在100~300 MPa的氣壓下,將被處理物體升到從幾百至2000℃的高溫下壓縮燒結(jié)。HIP法和一般熱壓法相比,HIP法使物料受到各向同性的壓力,因而陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)均勻。另外HIP法中施加壓力高,
這樣就能使陶瓷坯體在較低的溫度下燒結(jié),使常壓不能燒結(jié)的材料有可能燒結(jié)。
就氧化鋁陶瓷而言,常壓下普通燒結(jié),必須燒至1800℃以上的高溫;熱壓(20 MPa)燒結(jié)需要燒至1500℃左右;而HIP(400 MPa)燒結(jié),在1000℃左右的較低溫度下就已致密化了。
(1)容器法
本方法開始在陶瓷燒結(jié)中應(yīng)用,目的是研究難燒結(jié)物質(zhì)——氮化硅和碳化硅的致密化。該方法的目標(biāo)是盡量減少對高溫材料特性有不利影響的添加劑用量。與熱壓法相比,它可以進(jìn)行復(fù)雜形狀的成型和各向同性的成型。以Si3 N4、SiC為例,用普通玻璃為容器材料,在工藝結(jié)束時特玻璃除掉,進(jìn)行精加工。但要切實注意不使被處理物與玻璃之間產(chǎn)生反應(yīng)。并且溫度的準(zhǔn)確測定是很重要的 問題。
(2)無容器法
一般的燒結(jié)制品都含有百分之幾的氣孔,而且有微小袋陷存在,機(jī)械性能波動很大,容易產(chǎn)生次品。這種情況在大型化、難燒結(jié)物質(zhì)中是經(jīng)常出現(xiàn)的:燒結(jié)體的密度如果達(dá)到90%左右,內(nèi)部氣孔因呈閉塞狀態(tài),所以原成型品用HIP法處理才能取得好的效果。利用這一原理可除掉超硬工具結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘留氣孔,大幅度提高成品率。目前在Si。N;、SiC、鐵氧體等陶瓷材料制造中,HIP法很適用。Mn-Zn鐵氧體的燒結(jié)體中使用HIP法的實例。
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本文“特種陶瓷熱壓燒結(jié)方法”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2015-09-18 15:40:18
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