王 東

（國家陶瓷與耐火材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心，山東 淄博 255063）

0 引言

燒結(jié)是制備陶瓷材料至關(guān)重要的一道工序，燒結(jié)條件的設(shè)定對(duì)材料的物理化學(xué)性能有很大的影響。采用熱壓燒結(jié)工藝制備材料時(shí)，一般來講提高燒結(jié)溫度、延長保溫保壓的時(shí)間，能夠促使材料晶體的晶格能變大，離子結(jié)合更加緊密，從而提高材料的力學(xué)性能。但是，如果僅僅靠提高燒結(jié)溫度和熱壓壓力、延長燒成時(shí)間，也不是最佳的途徑，這樣做不但提高了燒成成本，還容易促使材料的二次再結(jié)晶，從而導(dǎo)致力學(xué)性能變差，甚至造成材料變形。因此，探索在最有效率的燒結(jié)條件下制備出性能優(yōu)良的材料，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一種陶瓷基摩擦材料，材料制備主要原料包括活性氧化鋁粉末、六鈦酸鉀晶須、硼酸、二氧化硅、氧化鎂等。鈦酸鉀晶須制成懸浮液（質(zhì)量濃度為10%），加入分散劑（主要成分為聚甲基丙烯酸胺），分散劑加入量為氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5‰，超聲分散15分鐘后加入氧化鋁粉末，繼續(xù)超聲分散，攪拌5分鐘后進(jìn)行抽濾，然后將粉體在烘箱中烘干，烘干后取出研磨，在快速磨中球磨1小時(shí)，過80目篩，在烘箱中再次徹底干燥。粉料放入石墨模具中，在熱壓氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。

1.2 燒結(jié)條件

對(duì)于熱壓燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和保溫時(shí)間是影響較大的三個(gè)因素。在保持配方不變的條件下，改變上述三個(gè)燒結(jié)條件得到不同的試驗(yàn)材料，以此來研究燒結(jié)條件對(duì)材料性能的影響（見表1）。

表1 配方不變，分別改變燒結(jié)條件得到的試驗(yàn)材料

1.3 材料測試

測試所制備材料的力學(xué)性能，主要包括抗彎強(qiáng)度和磨損率。抗彎強(qiáng)度使用三點(diǎn)彎曲法，采用電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測定。磨損率采用磨損試驗(yàn)機(jī)測定，對(duì)偶件為直徑40 mm的磨輪，材質(zhì)為高速鋼。試驗(yàn)前應(yīng)確定試驗(yàn)載荷和試驗(yàn)周期，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)模擬工況環(huán)境，將試樣固定在夾具上，設(shè)定對(duì)偶磨輪的轉(zhuǎn)速，具有一定速度的干滑動(dòng)摩擦在試樣與磨輪之間形成，用分析天平測量材料試驗(yàn)前后的質(zhì)量差，計(jì)算材料的磨損率。

提高燒結(jié)溫度，增大燒結(jié)壓力，提高了材料的抗彎強(qiáng)度性能。從試驗(yàn)結(jié)果來看，燒結(jié)溫度的影響比壓力的影響要明顯，材料的抗彎強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長先呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，然后又隨著保溫時(shí)間的延長出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，見圖1、圖2、圖3。

圖1 抗彎強(qiáng)度與燒結(jié)溫度的變化關(guān)系

圖2 抗彎強(qiáng)度與燒結(jié)壓力的變化關(guān)系

圖3 抗彎強(qiáng)度與保溫時(shí)間的變化關(guān)系

燒結(jié)條件對(duì)材料摩擦性能的影響見圖4。隨著燒結(jié)溫度的升高，施加壓力的增大，材料的體積磨損量變小，隨著保溫時(shí)間的延長，材料的體積磨損量先變小后變大。

圖4 磨損率與燒結(jié)條件的變化關(guān)系

2 分析討論

2.1 燒結(jié)條件對(duì)材料抗彎強(qiáng)度的影響

試樣的抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力的提高而升高，依照Griffith理論學(xué)說，材料強(qiáng)度的提高得益于內(nèi)部缺陷尺寸的減小。依照Coble理論學(xué)說，在材料進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，材料的原子擴(kuò)散可以影響材料的致密化。原子擴(kuò)散加快，燒結(jié)速度加快，材料就越容易出現(xiàn)高致密度。對(duì)于同一種材料來說，提高燒結(jié)溫度導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)變大，材料的致密化程度越高，材料的致密化程度越高意味著材料內(nèi)部缺陷越小，由此可知，提高燒結(jié)溫度能夠增大材料的密度，提高材料的強(qiáng)度。圖5是不同燒結(jié)溫度條件下制備出的試樣的掃描電鏡圖片，圖5(a)和圖5(b)分別是在1100 ℃和1200 ℃下制備的試樣，從圖中可以明顯的看出材料存在很多孔洞，晶界也不是很明顯，可見燒結(jié)溫度過低導(dǎo)致晶界的移動(dòng)未完全形成，內(nèi)部氣體沒有全部排出。在1300 ℃下燒結(jié)后制備的試樣見圖5(c)，從圖中可以看出晶界清晰明顯，致密化程度高，氣孔量較少。

圖5 在不同燒結(jié)溫度下樣品燒結(jié)的SEM照片

材料的抗彎強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的增加先增加而后減小，根據(jù)燒結(jié)機(jī)理理論，低溫階段主要是表面擴(kuò)散，體積擴(kuò)散在高溫階段較為活躍。發(fā)生表面擴(kuò)散時(shí)，氣孔的形狀發(fā)生了改變，但是不能引起顆粒中心距的靠近，體積擴(kuò)散才是提高材料致密化的最主要原因。在燒結(jié)過程中，如果低溫階段的保溫時(shí)間較長，材料的力學(xué)性能將會(huì)降低。如果縮短高溫階段的保溫時(shí)間，材料的晶粒生長不充分，延長保溫時(shí)間則會(huì)促使晶粒過度長大，更不利于材料的力學(xué)性能。晶界的移動(dòng)速率不變，延長燒結(jié)時(shí)的保溫時(shí)間，晶界移動(dòng)的距離將會(huì)變長，晶間孔隙不斷縮小，相應(yīng)的材料的氣孔率減小，密度將會(huì)變大，從而使材料的有效承載面積加大，抗彎強(qiáng)度性能更好。但是，當(dāng)保溫時(shí)間超過一定值時(shí)，隨著晶界的移動(dòng)，大晶粒與小晶粒融為一體，導(dǎo)致晶粒過度生長，材料的晶粒變大。對(duì)于氧化鋁基陶瓷而言，其晶界相對(duì)脆弱，理論上一般視其為微裂紋，晶粒的過度生長相當(dāng)于增大微裂紋，從而降低了材料的抗彎強(qiáng)度。

圖6為燒結(jié)溫度為1300 ℃，保溫0.5 h至1.5 h時(shí)試樣的SEM照片，從圖6（a）中可以觀察到明顯的孔洞存在，并且觀察不到晶界的存在，應(yīng)該是由于保溫時(shí)間過短，排氣不夠充分，體積擴(kuò)散不夠，導(dǎo)致氣體沒有完全排出，晶粒沒有形成，故致密化程度較低；當(dāng)保溫時(shí)間分別為1 h和1.5 h時(shí)，觀察圖6（b），氧化鋁基體的晶粒已經(jīng)基本長成，晶界相對(duì)明顯，晶粒的尺寸分布較為合理，由此可知燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的選擇合理；觀察圖（c），存在明顯的晶粒異常生長，晶粒的尺寸呈不均勻分布，孔洞清晰可見，此種結(jié)構(gòu)破壞了材料的力學(xué)性能。

圖6 不同保溫時(shí)間下試樣的SEM照片

2.2 燒結(jié)條件對(duì)材料磨損率的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，施加壓力的增大，材料的體積磨損量都變小。隨著保溫時(shí)間的延長，材料的體積磨損量先變小后變大。

燒結(jié)溫度提高，燒結(jié)壓力增大，導(dǎo)致材料致密度變好，氣孔率也變小。在室溫下，陶瓷的表面形成穩(wěn)定的膜，所以材料的磨損性能優(yōu)秀；當(dāng)氣孔率變大時(shí)，材料易發(fā)生晶間斷裂，表面膜發(fā)生剝離，由此引起磨粒磨損，加大了磨損率。氣孔之間在摩擦應(yīng)力作用下發(fā)生聯(lián)通，從而形成裂紋源。

如圖7所示，大量氣孔出現(xiàn)在材料表面，在摩擦應(yīng)力作用下，表面的氣孔逐漸變大，有的甚至?xí)l(fā)生聯(lián)通，導(dǎo)致小氣孔變成大氣孔。同時(shí)，由于磨輪與材料相互作用產(chǎn)生大量磨屑，這些磨屑掉入氣孔內(nèi)更加加劇了材料的磨損，造成材料大面積成片脫落的現(xiàn)象，形成嚴(yán)重磨損。

圖7 材料磨損表面的顯微圖片（×3500）

如果材料的保溫時(shí)間較短，材料內(nèi)部的晶粒生長不充分，結(jié)合力不夠強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致材料的性能下降。保溫時(shí)間過長造成晶粒異常長大，弱化了晶粒之間的結(jié)合力，使晶粒容易發(fā)生穿晶斷裂，同樣也會(huì)造成磨損率變大。只有保證晶粒充分生長，才能得到均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才會(huì)使材料的磨損性能得到提高。

3 結(jié)論

（1）提高燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力，所制得的陶瓷基摩擦材料的力學(xué)性能得到提升。

（2）隨著保溫時(shí)間的延長，材料的性能呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

（3）綜合看來，材料的燒結(jié)溫度應(yīng)定在1300 ℃，燒結(jié)壓力為30 kN，保溫時(shí)間為1 h，在此條件下燒結(jié)得到的材料的性能最好。