特種陶瓷熱壓燒結(jié)方法

    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。