Спекание горячим прессованием (HP) — это метод спекания под механическим давлением. Этот метод заключается в размещениикерамическийПоместите порошок в полость формы и нагрейте порошок до температуры спекания при повышении давления. Поскольку движущая сила дополняется внешним давлением, уплотнение может быть достигнуто за относительно короткое время и получена микроструктура с мелкими и однородными зернами. Поэтому для высокотемпературных керамических материалов (таких как Si3N4, B, C, SiC, TiB2, ZrB2), которые трудно спекать с ковалентными связями, эффективной технологией уплотнения является спекание горячим прессованием. Спекание горячим прессованием позволяет получить керамические изделия с плотностью, близкой к теоретической плотности, при немного более низкой температуре на 100 ℃ ~ 200 ℃ ниже температуры спекания при нормальном давлении; Спекание горячим прессованием также может улучшить характеристики продукта, такие как прозрачность, проводимость, механические свойства и надежность использования.
Однако спекание горячим прессованием обычно позволяет производить изделия только одной формы, и во многих случаях последующая обработка значительно увеличивает производственные затраты. Тем не менее, после более чем 40 лет развития, спекание горячим прессованием превратилось из простых лабораторных исследований в широкое промышленное применение и стало зрелым и важным процессом спекания.
Печь горячего прессования и материалы пресс-форм:
Порошки или предварительно отформованные заготовки обычно помещают в форму, нагревают и одновременно подвергают давлению. В зависимости от применения рабочая температура может достигать 2500°С, а рабочее давление обычно составляет 10–75 МПа. При спекании горячим прессованием максимальное давление, которое можно приложить, ограничено прочностью формы. Для обычно используемых графитовых форм давление обычно может достигать 40 МПа.
Используя специальные графитовые формы или более дорогие жаропрочные металлические (например, сплав Нимоник) или высокотемпературные керамические (например, Al2O3, SiC) формы, давление можно увеличить до 75 МПа. Что касается материалов для форм, таких как Al2O3 и SiC, из-за ограничений технологии приготовления и стоимости их можно использовать только для изготовления форм небольшого размера (например, 5 см в диаметре); при ее использовании зазор между формой и напорной головкой должен быть немного больше, а также необходимо покрытие, предотвращающее спекание или сварку между напорной головкой и формой.
Еще одним ограничивающим фактором является то, что следы примесей (таких как SiO2) вызывают сильную ползучесть таких форм. Обычно 0,1% примесей значительно снижают давление и температуру использования, поэтому оксид алюминия с чистотой 99% не подходит для форм для горячего прессования. Формы для горячего прессования SiC коммерчески использовались для горячего прессования ферритовых деталей на воздухе или в других атмосферах (поскольку восстановительная атмосфера графитовых форм не может использоваться для изготовления ферритов).
Графит является наиболее часто используемым материалом для форм, поскольку он относительно дешев, прост в обработке и обладает очень хорошим сопротивлением ползучести при высоких температурах. Графит медленно окисляется при температуре ниже 1200°C и его можно на короткое время поместить в окислительную атмосферу. При температуре выше 1200°C его необходимо использовать в инертной или восстановительной атмосфере. Поскольку графит может вступать в реакцию с керамическим образцом при высоких температурах, вызывая эрозию контактной поверхности или прилипание образца к стенке формы, на стенку графитовой формы обычно наносится нитрид бора, чтобы избежать реакции и облегчить извлечение образца после спекания.
Процесс горячего прессования спекания:
Хотя спекание горячим прессованием увеличивает движущую силу уплотнения за счет приложения давления, вспомогательные средства для спекания также необходимы для некоторых трудно поддающихся спеканию материалов.керамические материалы, особенно те, которые имеют прочные ковалентные связи и малые коэффициенты саморасширения.
Вспомогательные вещества для спекания могут создавать каналы с высокой скоростью диффузии (например, жидкая фаза на границах зерен) при соотношениях температур спекания, тем самым способствуя уплотнению. Однако, поскольку приложение давления увеличивает движущую силу уплотнения, необходимое количество вспомогательного средства для спекания меньше, чем при обычном спекании под давлением.
Как и в случае метода спекания без давления, размер и однородность частиц порошка также оказывают существенное влияние на скорость уплотнения при горячем прессовании. Размер частиц спекающего порошка горячего прессования должен быть субмикронным (<1 мкм), с узким гранулометрическим составом и без твердых агломератов.
Трение стенок формы может снизить скорость уплотнения и привести к неравномерному уплотнению. С этой целью трение можно уменьшить следующими двумя способами:
① Уменьшите высокотемпературную реакцию между образцом и стенками пластины. Нитрид бора может быть нанесен на контактную поверхность формы;
② Попробуйте подвергнуть горячему прессованию плоские образцы (например, диски или листы). Фактически, спекание горячим прессованием наиболее подходит для изготовления плоских изделий. Влияние приложенного давления на частицы порошка при спекании горячим прессованием.
Изменение формы типичной единицы порошка (например, трех зерен) аналогично изменению формы всей прессовки порошка. Зерна становятся плоскими в направлении приложенного давления, что также возможно при образовании горячего прессования спеканием. Текстура (т.е. предпочтительная ориентация зерен или избирательный рост в определенном направлении). Обычно предпочтительная ориентация или направление избирательного роста зерен горячего прессования перпендикулярно направлению приложенного давления. Для получения образцов высокой плотности необходимо выбрать подходящую систему повышения давления и температуры. Обычно форма нагревается, и порошок в полости формы постепенно нагревается до температуры горячего прессования или ниже температуры горячего прессования под действием одноосного давления. Фактическая система давления варьируется в зависимости от разных порошков, и основная цель — полностью устранить поры в заготовке. Время выдержки при температуре горячего прессования варьируется в зависимости от характеристик порошка и составляет от нескольких минут до нескольких часов, обычно 0,5–2 часа. Давление горячего прессования обычно сбрасывают при достижении заданной плотности (обычно полного уплотнения), а давление сбрасывают при температуре спекания горячего прессования или только тогда, когда начинается охлаждение, поскольку в процессе охлаждения в изделии появляются трещины. Температура спекания при горячем прессовании на 100–200°C ниже, чем температура спекания при нормальном давлении. Температура спекания обычных оксидных материалов при горячем прессовании показана в Таблице 4-5. Кроме того, температура спекания при горячем прессовании обычных жаропрочных боридов, карбидов и нитридов обычно составляет 1700-1900 градусов при использовании вспомогательных средств для спекания.
