特种陶瓷热压烧结方法

    如果加热粉体的同时进行加压，那么烧结主要取决于塑性流动，而不是扩散。对于同一材料而言，压力烧结与常压烧结相比，烧结温度低得多，而且烧结体中气孑L率也低。另外，由于在较低的温度下烧结，就抑制了晶粒成长，所得的烧结体致密，且具有较高的强度（晶粒细小的陶瓷，强度较高）。
    1．一般热压法
    一般热压法又叫压力烧结法，是对较难烧结的粉料或生坯在模具内施加压力，同时升温烧结的工艺。加压操作有：恒压法，整个升温过程中都施加预定的压力；高温加压法，高温阶段才施加压力；分段加压法，低温时加低压、高温时加到预定的压力。此外又有真空热压烧结、气氛热压烧结、连续加压烧结等。其基本结构示于图1-3-20。图1-3-21表示出热压Mg0粉体的致密化过程。

    在热压中，最重要的是模型材料的选择。使用最广泛的模型材料是石墨，但因目的不同，也有使用氧化铝和碳化硅的。纤维增强的石墨模型壁薄，可经受30—50 MPa的压力。表1-3-3列出单轴加压的热压模型材料。
表1-3-3单轴加压昀热压模型材料
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┃  模型材料      ┃最高使用温度(℃)  ┃最高使用压力(MPa) ┃    备  注                              ┃
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┃    石墨        ┃ 2500             ┃           70     ┃                                        ┃
┃    氧化铝      ┃ 1200             ┃           210    ┃}机械加工困难，抗热冲击性弱，易产生蠕变 ┃
┃    氧化锆      ┃ 1180             ┃                  ┃                                        ┃
┃    氧化铍      ┃ 1000             ┃           105    ┃                                        ┃
┃    碳化硅      ┃ 1500             ┃           280    ┃~械加工困难，有反应性，价高             ┃
┃    碳化钽      ┃ 1200             ┃           56     ┃                                        ┃
┃碳化钨，碳化钛  ┃ 1400             ┃           70     ┃                                        ┃
┃  二硼化钛      ┃ 1200             ┃           105    ┃k械加工困难，价高，易氧化，易产生蠕变   ┃
┃    钨          ┃ 1500             ┃           245    ┃                                        ┃
┃    钼          ┃ 1100             ┃           21     ┃                                        ┃
┃耐腐蚀高温镍    ┃}1100             ┃                  ┃    蒋变                                ┃
┃  合金不锈钢    ┃                  ┃                  ┃                                        ┃
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    加热方式，几乎都采用高频感应方法，对于导电性能好的模型，可以采用低电压、大电流的直接加热方式。
    热压法的缺点是加热、冷却时间长，而且必须进行后加工，生产效率低，只能生产形状不太复杂的制品。使用热压法可制备强度很高的陶瓷车刀等。就氧化铝烧结体而言，常压烧结制品的抗折强度约为350 MPa，热压制品的抗折强度为700 MPa左右。热压法在制备很难烧结的非氧化物陶瓷材料过程中，也获得广泛的应用。
    现以氮化硅为例介绍热压法。在氮化硅粉末中，加入氧化镁等添加剂，在1700℃下，施以30 MPa的压力，则可达到致密化。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。但是，由于BN中含有B2 03，它具有吸湿性，如果在使用过程中急速加热就会把吸附水分放出，从而容易产生裂缝。因此使用这种脱模剂时，在热压时必须注意。另外模型材料与试料的膨胀系数之差太大时，在冷却时会产生应力，这一点极为重要。
    2．高温等静压(high isostatic pressing)法
    高温等静压(HIP)法，就受等静压作用这一点而言，类似于成型方法中所述的橡皮模加压成型。高湿等静压法中用金属箔代替橡皮模（加压成型中的橡胶模具），用气体代替液体，使金属箔内的粉料均匀受压。通常所用的气体为氦气、氩气等惰性气体。模具材料有金属箔（低碳钢、镍、钼）、玻璃等。也可先在大气压下烧成具有一定形状的非致密体，然后进行高温等静压烧结（可不用金属箔模具）。
    一般在100～300 MPa的气压下，将被处理物体升到从几百至2000℃的高温下压缩烧结。HIP法和一般热压法相比，HIP法使物料受到各向同性的压力，因而陶瓷的显微结构均匀。另外HIP法中施加压力高，
    这样就能使陶瓷坯体在较低的温度下烧结，使常压不能烧结的材料有可能烧结。
    就氧化铝陶瓷而言，常压下普通烧结，必须烧至1800℃以上的高温；热压(20 MPa)烧结需要烧至1500℃左右；而HIP(400 MPa)烧结，在1000℃左右的较低温度下就已致密化了。
    (1)容器法
    本方法开始在陶瓷烧结中应用，目的是研究难烧结物质——氮化硅和碳化硅的致密化。该方法的目标是尽量减少对高温材料特性有不利影响的添加剂用量。与热压法相比，它可以进行复杂形状的成型和各向同性的成型。以Si3 N4、SiC为例，用普通玻璃为容器材料，在工艺结束时特玻璃除掉，进行精加工。但要切实注意不使被处理物与玻璃之间产生反应。并且温度的准确测定是很重要的 问题。
    (2)无容器法
    一般的烧结制品都含有百分之几的气孔，而且有微小袋陷存在，机械性能波动很大，容易产生次品。这种情况在大型化、难烧结物质中是经常出现的：烧结体的密度如果达到90%左右，内部气孔因呈闭塞状态，所以原成型品用HIP法处理才能取得好的效果。利用这一原理可除掉超硬工具结构内部的残留气孔，大幅度提高成品率。目前在Si。N；、SiC、铁氧体等陶瓷材料制造中，HIP法很适用。Mn-Zn铁氧体的烧结体中使用HIP法的实例。