摘要 本文通過(guò)研究在不同壓力下進(jìn)行干壓結(jié)合冷等靜壓成形過(guò)程對(duì)陶瓷素坯體和燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)、性能的影響，得出了最佳的成形工藝條件，即干壓壓力為20T、冷等靜壓壓力為200MPa。

關(guān)鍵詞 干壓，冷等靜壓成形，力學(xué)性能，燒結(jié)體，素坯體

1前言

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，資源在不斷減少，有的甚至接近了枯竭的邊緣，所以需要不斷探求新材料，以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料為典型的耐高溫、高硬度及高耐蝕材料[1]，如碳化硅、氮化硅等。在特種陶瓷制品生產(chǎn)過(guò)程中，成形是塑造制品形體的手段。用戶對(duì)陶瓷制品的性能和質(zhì)量要求各異，這就使陶瓷制品的形狀、大小、厚薄等不同，因此，成形方法是多種多樣的。特種陶瓷的成形方法有多種，如注漿成形法（坯料含水量或含調(diào)和劑量＜38%）、可塑成形法（坯料含水量或含調(diào)和劑量＜26%）、壓制成形法（坯料含水量或含調(diào)和劑量＜3%）等。壓制成形可分為干壓成形（粉料含水量為3%～7%）和等靜壓成形（粉料含水量為3%以下），多用于圓形、片狀、簡(jiǎn)單不規(guī)則形狀部件的生產(chǎn)。

干壓成形時(shí)，由于壓力分布不均勻而造成素坯內(nèi)部密度分布不一致，從而影響制品的各種性能。為了提高素坯的密度，在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用不斷增大壓力的方法。壓力增大，無(wú)疑會(huì)提高素坯的密度，但并不是壓力越大越好，當(dāng)超過(guò)極限壓力時(shí)，壓力反而會(huì)使素坯密度下降，其原因是由于層裂引起的。本文針對(duì)這一問(wèn)題，探討了新的壓制方法——干壓結(jié)合冷等靜壓的成形方法，研究了其對(duì)陶瓷力學(xué)性能的影響。

2實(shí)驗(yàn)

2.1 粉料選擇

本試驗(yàn)選用自制的亞微米α-SiC粉為原料，其平均粒徑為0.6～0.7ｕm，比表面積為15m²/g。以乙醇為介質(zhì)，濕法球磨混合均勻，經(jīng)噴霧干燥過(guò)篩處理后成形。

2.2 粉料檢測(cè)

2.2.1粒度

粉料粒度檢測(cè)采用美國(guó)Honeywell公司的Microtrac X-100激光粒度儀。被測(cè)SiC粉料的粒徑為D50= 0.693ｕm，絕大部分粉料粒徑﹤2ｕm。由此得出該粉料屬亞微米級(jí)范疇，且顆粒級(jí)配適當(dāng)。

2.2.2松裝密度及流動(dòng)性

取一定量的粉料，采用北京鋼鐵研究總院生產(chǎn)的流動(dòng)性及松裝密度檢測(cè)儀，測(cè)得粉體松裝密度為0.91g/cm³，流動(dòng)性為16.35s/30g。

2.2.3顯微分析

由圖1SiC原始粉末的SEM照片看出粉料顆粒細(xì)小，級(jí)配較好，但還有少量團(tuán)聚現(xiàn)象存在。經(jīng)噴霧造粒后的粉料綜合性能得到了明顯改善，其SEM照片如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)方法

干壓成形操作方法方便簡(jiǎn)潔，技術(shù)、資金投入少，但因其有壓制制品形狀簡(jiǎn)單、壓制受力不均、易變形等多種缺點(diǎn)，所以一般與其他成形方法結(jié)合使用[2]。冷等靜壓成形的坯體強(qiáng)度大、密度高而均勻，可以成形長(zhǎng)徑比大、形狀復(fù)雜的零件，尤其可以實(shí)現(xiàn)坯體近、凈尺寸成形，在改善產(chǎn)品性能，減少原料消耗，降低成本等方面，都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)[3]。結(jié)合上述兩種成形方法的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用干壓結(jié)合冷等靜壓的成形方法。取一定量的粉料，將其裝入金屬模具中預(yù)壓制成50mm×50mm×10mm的方塊，分別記為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#，其中1#、2#、3#、4#為干壓10T壓力下成形；5#、6#、7#、8#為干壓16T壓力下成形；9#、10#、11#、12#為干壓20T壓力下成形，將成形脫模后的坯體放入冷等靜壓機(jī)中加壓，其中2#、6#、10#加壓壓力為150MPa；3#、7#、11#為200 MPa；4#、8#、12#為250MPa，取出后測(cè)量其基本數(shù)據(jù)，將檢測(cè)后的素坯體置入真空燒結(jié)爐中，在合理的工藝下燒結(jié)（工藝流程圖如圖3所示），燒結(jié)前后陶瓷的性能見表1所示。

3試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)所測(cè)坯體的素坯密度、燒后密度與其抗彎強(qiáng)度測(cè)量數(shù)值，分析比較各種組合下的綜合性能，找出最優(yōu)組合。

3.1 干壓壓力對(duì)陶瓷力學(xué)性能的影響

由表1可以看出，只在干壓成形方式下，素坯體密度分別為1.66g/cm³、1.71g/cm³、1.80g/cm³；燒結(jié)體密度分別為3.012g/cm³、3.111g/cm³、3.093g/cm³；抗彎強(qiáng)度分別為241.10MPa、348.47MPa、400.33MPa，由此可以得出隨著壓力的增加；陶瓷的基本力學(xué)性能呈上升趨勢(shì)。

3.2 冷等靜壓壓力對(duì)陶瓷力學(xué)性能的影響

表1顯示，在10T干壓壓力下的1#、2#、3#、4#樣品，16T壓力下的5#、6#、7#、8#樣品與20T壓力下的9#、10#、11#、12#樣品的素坯體密度值都逐步增大，即干壓壓力相同時(shí)，素坯體密度隨冷等靜壓壓力的增大而增大。從表1還可以看出，8#樣品的素坯體密度值最高為1.96g/cm³，即在干壓壓力16T、冷等靜壓250MPa時(shí)素坯體密度最大，而且燒結(jié)密度亦為最大值3.122g/cm³，但此樣品的抗彎強(qiáng)度僅有341.31MPa，說(shuō)明干壓壓力與冷等靜壓壓力對(duì)素坯體密度有很大影響，但冷等靜壓壓力過(guò)大反而不利于提高陶瓷的綜合力學(xué)性能。

3.3 最佳工藝條件的確定

總之，燒結(jié)體的抗彎強(qiáng)度隨壓制壓力的增大而增大，但4#、8#、12#坯體的抗彎強(qiáng)度分別較同組干壓壓力下坯體的抗彎強(qiáng)度有所下降，說(shuō)明冷等靜壓壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致坯體內(nèi)部發(fā)生層裂，雖然對(duì)坯體的密度、燒結(jié)體密度等影響不是很明顯，但對(duì)坯體的抗彎強(qiáng)度會(huì)有顯著影響。由表1可以看出坯體抗彎強(qiáng)度最大值為11#樣品，即壓制壓力為20T干壓壓力結(jié)合200MPa冷等靜壓壓力下制成的素坯體在合理的燒結(jié)工藝下會(huì)得到最佳的力學(xué)性能。而在16T干壓壓力、250MPa冷等靜壓壓力下制成的8#樣品的素坯體密度和燒結(jié)體密度雖然最高，但其抗彎強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于11#，結(jié)合燒結(jié)體斷裂面的顯微照片圖4和圖5可以很清楚地看出，11#樣品（圖5）的斷口形貌特征明顯優(yōu)于8#樣品（圖4），這與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是相符的。

4結(jié) 論

（1） 只干壓成形時(shí)，素坯體和燒結(jié)體密度隨干壓壓力增大而增大。

（2） 干壓結(jié)合冷等靜壓成形的素坯體和燒結(jié)體密度隨冷等靜壓壓力的增大而增大。

（3） 綜合試驗(yàn)結(jié)果，干壓（20T）+冷等靜壓（200MPa）壓力下的陶瓷綜合性能最好，其抗彎強(qiáng)度最佳值為443.72MPa，為最優(yōu)組合。

（4） 冷等靜壓壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致陶瓷坯體內(nèi)部組織發(fā)生層裂而使陶瓷的力學(xué)性能有所下降，僅通過(guò)陶瓷的素坯體密度、燒結(jié)體密度是無(wú)法判斷的，應(yīng)該綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

1 楊忠敏.新型陶瓷的性能及應(yīng)用前景[J].金屬世界，2006，1：45

2 董紹明，陳忠明，譚壽洪.高溫等靜壓后處理液相燒結(jié)SiC陶瓷的強(qiáng)化與增韌機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1998，26(6):10

3 劉小瀛等.水分和粘接劑含量對(duì)坯體冷等靜壓成形和性能的影響[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2006，6：27～29