热压烧结技术的研究与应用

热压烧结技术的研究与应用姓名：陈琼毅专业：无机非金属学号：20080800301热压烧结技术的研究与应用陈琼毅无机非金属20080800301摘要：热压烧结是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法,是将粉末装在压模内,在专门的热压机中加压同时把粉末加热到熔点以下,在高温下单向或双向施压成形的过程。热压烧结具有烧结时间短、温度低、晶粒细、产品性能高等优点。关键词：烧结热压热压烧结1热压烧结技术发展背景自20世纪70年代中期以来，除北美外，烧结矿一直是国内外高炉的主要原料。但由于金融危机，钢铁产业的不景气，烧结技术研究发展受到限制。所幸的是随着人们对产品质量和能源节约的重视，烧结技术再一次焕发出新生。1826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉混合制造成致密件的专利。从1930年以后，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。在这个日新月异的新世纪中，有人大胆的将热压烧结技术与纳米材料、超导材料和复合材料等相联系结合，开创了热压烧结技术的新天地。2热压烧结技术的原理2.1烧结定义与特点其宏观定义为：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。其微观定义为：固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗粒粘结，增加强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。烧结的特点有三点：第一，烧结温度远低于熔点温度下，质点发生迁移、扩散、开始烧结温度在0.3-0.5Tm范围内，这样便节省了大量的能源利于环境保护，而且便于制造高熔点物质如钨丝等；第二，同样对于硅酸盐材料，完全烧结温度在0.7-0.8Tm；第三，烧结主要是物理过程，但也伴随有固相反应，烧结前后主晶相不变化。这样便易于控制烧结成品的物象成分。2.2热压定义与优缺点热压的定义：热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。热压的优点：由于热压时粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此其所需的成型压力仅为冷压法的1/10，可以成型大尺寸的A12O3、BeO、BN和TiB2等产品。由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制有高蒸气压成分纳米系统的组成变化，因而容易得到具有良好的机械性能、电学性能的产品，而且能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。热压的缺点:热压法生产工艺复杂生产率低、成本高，不能普及生产工艺。2.3热压烧结定义、过程与特点热压烧结的定义：热压烧结就是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法,是将粉末装在压模内,在专门的热压机中加压同时把粉末加热到熔点以下,在高温下单向或双向施压成形的过程。热压烧结的过程：在烧结过程中,高温高压的交互作用使粉体颗粒的粘性、塑性流动及原子的扩散得以加强；同时颗粒与颗粒间的接触点因有较大的接触电阻,在烧结时的大电流下产生电弧放弧或局部大量发热,而且电磁场的作用进一步加速了原子的扩散,有利于烧结颈的形成和长大,具有催化和活化烧结功效,并有利于坯件的烧成,使烧结温度降低、时间缩短、性能提高。热压烧结的特点：热压烧结的优点是烧结时间短、温度低、晶粒细、产品性能高等；热压烧结的缺点是过程及设备复杂，生产控制要求严，模具材料要求高，能源消耗大，生产效率较低，生产成本高。2.4烧结过程驱动力烧结过程驱动力主要有三个部分组成，分别是：能量差、压力差、空位差。能量差为:SVGBGA①粉状物料的表面能sv大于多晶烧结体的晶界能GB，这就是烧结的推动力，即粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的能量差。任何系统降低能量是一种自发趋势、粉体经烧结后，晶界能取代了表面能，这是多晶材料稳定存在的原因。常用GB和sv之比值来衡量烧结的难易，GB/sv愈小，则愈容易烧结。为了促进烧结，必须使svGB。一般Al2O3粉的表面能约为1J/m2，而晶界能为0.4J/m2，两者之差较大，比较易烧结；而Si3N4、SiC和AlN等，GB/sv比值高，烧结推动力小，因而不易烧结。粒度为lμm的材料烧结时所发生的自由焓降低约为8.3J/g。而α-石英转变为β-石英时能量变化约为1.7kJ/mol，通常情况下化学反应前后能量变化大于200kJ/mol。因此烧结推动力与相变和化学反应的能量相比还是极小的。烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体。粉末体紧密堆积以后，颗粒间仍有很多细小气孔通过，在这些弯曲的表面上由于表面张力的作用而造成的压力差为：12Pr（球面）②1211Prr（非球面）③粉体表面张力GVP越大、颗粒越细即颗粒半径越小，则附加压力ΔP越大，自由焓差值ΔG=-VΔP越大，烧结推动力越大。空位差的描述，颗粒表面上的空位浓度一般比内部空位浓度为大，二者之差可以由下式描述：oCRTC3④式④中：ΔC为颗粒内部与表面的空位差；γ为表面能；δ3空位体积；ρ曲率半径；0C为平表面的空位浓度。这一浓度差导致内部质点向表面扩散，推动质点迁移，可以加速烧结。3热压烧结技术生产工艺3.1热压烧结技术的分类热压烧结技术生产工艺十分丰富，分类目前无统一规范和标准。依据现状可以分为真空热压、气氛热压、震动热压、均衡热压、热等静压、反应热压和超高压烧结。3.2热压烧结技术的设备常用的热压机主要由加热炉、加压装置、模具和测温测压装置组成。加热炉以电作热源，加热元件有SiC、MoSi或镍铬丝、白金丝、钼丝等。加压装置要求速度平缓、保压恒定、压力灵活调节，有杠杆式和液压式。根据材料性质的要求，压力气氛可以是空气也可以是还原气氛或惰性气氛。模具要求是高强度、耐高温、抗氧化且不与热压材料黏结，模具热膨胀系数应与热压材料一致或近似。根据产品烧结特征可选用热合金钢、石墨、碳化硅、氧化铝、氧化锆、金属陶瓷等。最广泛使用的是石墨模具，如表1所示。现以氮化硅为例。在氮化硅粉末中，加入氧化镁等烧结辅助剂，1700℃下，施以300kg/cm2的压力，可达到致密化。在这种情况下，因为氮化硅与石墨模型发生反应，其表面生成碳化硅，所以在石墨模型内涂上一层氮化硼，以防止发生反应，并便于脱模。使用这种脱模剂时，在热压情况下须时时注意。另外，模型材料与试料的膨胀系数之差在冷却时会产生应力，这一点极为重要。Si3N4-Y2O3-Al2O3系物质，在热压下也可获得高强度烧结体。图1、热压示意图图2、MgO粉末热压致密过程（1300℃2800kg/cm2）4.热压烧结技术发展趋势热压烧结一直很受瞩目,但它在工业领域的进展却并不显著，只有少数特殊热压制品得以成功，如用于核工业的致密碳化硼，用于军工的氟化镁窗，以及特制的碳化钨、切割工具等。限制热压烧结应用的主要原因是耗资高,烧制一件样品通常需要固定占用一套有压力、升温系统的装置，且样品的几何形状又局限在圆柱状上,但这些原因也同时促进了等静热压烧结,只是目前仍有许多技术问题有待解决，尤其是等静热压模,且初投资大。目前随着社会进步科学技术的发展，热压烧结逐渐趋向于数字模型人工智能自动化方向发展。由于数字模型难以描述机理复杂的烧结过程，进入20世纪80年代以来，日本等钢铁工业发达国家，便开始大力开发基于人工智能原理的烧结生产过程控制系统，并取得了显著的效果，在硬件和软件系统两方面均达到了三级控制的水平。参考文献：[1]唐先觉，李希超，烧结，冶金工业出版社，1984第一版,1-2；[2]傅菊英，姜涛，烧结球体，中南工业大学出版社，1966年，1-2；[3]白鹤纳施一阿松朗，张颖，热压烧结一理解烧结机理的新途径，无机材料学报，1988，（3）4，289-290；[4]范晓慧，王海东，烧结过程数字模型与人工智能，中南大学出版社，2002第一版，3-4；