干壓結合冷等靜壓成形對陶瓷力學性能的影響

摘要 本文通過研究在不同壓力下進行干壓結合冷等靜壓成形過程對陶瓷素坯體和燒結體的結構、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。

關鍵詞 干壓，冷等靜壓成形，力學性能，燒結體，素坯體

1前言

近年來，隨著科技的進步和經濟的飛速發展，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，以滿足可持續發展的要求。新型結構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過程中，成形是塑造制品形體的手段。用戶對陶瓷制品的性能和質量要求各異，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（坯料含水量或含調和劑量＜38%）、可塑成形法（坯料含水量或含調和劑量＜26%）、壓制成形法（坯料含水量或含調和劑量＜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、簡單不規則形狀部件的生產。

干壓成形時，由于壓力分布不均勻而造成素坯內部密度分布不一致，從而影響制品的各種性能。為了提高素坯的密度，在實際生產中，常采用不斷增大壓力的方法。壓力增大，無疑會提高素坯的密度，但并不是壓力越大越好，當超過極限壓力時，壓力反而會使素坯密度下降，其原因是由于層裂引起的。本文針對這一問題，探討了新的壓制方法——干壓結合冷等靜壓的成形方法，研究了其對陶瓷力學性能的影響。

2實驗

2.1 粉料選擇

本試驗選用自制的亞微米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，濕法球磨混合均勻，經噴霧干燥過篩處理后成形。

2.2 粉料檢測

2.2.1粒度

粉料粒度檢測采用美國Honeywell公司的Microtrac X-100激光粒度儀。被測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范疇，且顆粒級配適當。

2.2.2松裝密度及流動性

取一定量的粉料，采用北京鋼鐵研究總院生產的流動性及松裝密度檢測儀，測得粉體松裝密度為0.91g/cm³，流動性為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小，級配較好，但還有少量團聚現象存在。經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 試驗方法

干壓成形操作方法方便簡潔，技術、資金投入少，但因其有壓制制品形狀簡單、壓制受力不均、易變形等多種缺點，所以一般與其他成形方法結合使用[2]。冷等靜壓成形的坯體強度大、密度高而均勻，可以成形長徑比大、形狀復雜的零件，尤其可以實現坯體近、凈尺寸成形，在改善產品性能，減少原料消耗，降低成本等方面，都具有顯著的優點[3]。結合上述兩種成形方法的優點，本實驗采用干壓結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，取出后測量其基本數據，將檢測后的素坯體置入真空燒結爐中，在合理的工藝下燒結（工藝流程圖如圖3所示），燒結前后陶瓷的性能見表1所示。

3試驗結果討論

根據所測坯體的素坯密度、燒后密度與其抗彎強度測量數值，分析比較各種組合下的綜合性能，找出最優組合。

3.1 干壓壓力對陶瓷力學性能的影響

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；燒結體密度分別為3.012g/cm³、3.111g/cm³、3.093g/cm³；抗彎強度分別為241.10MPa、348.47MPa、400.33MPa，由此可以得出隨著壓力的增加；陶瓷的基本力學性能呈上升趨勢。

3.2 冷等靜壓壓力對陶瓷力學性能的影響

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，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時素坯體密度最大，而且燒結密度亦為最大值3.122g/cm³，但此樣品的抗彎強度僅有341.31MPa，說明干壓壓力與冷等靜壓壓力對素坯體密度有很大影響，但冷等靜壓壓力過大反而不利于提高陶瓷的綜合力學性能。

3.3 最佳工藝條件的確定

總之，燒結體的抗彎強度隨壓制壓力的增大而增大，但4#、8#、12#坯體的抗彎強度分別較同組干壓壓力下坯體的抗彎強度有所下降，說明冷等靜壓壓力過大會導致坯體內部發生層裂，雖然對坯體的密度、燒結體密度等影響不是很明顯，但對坯體的抗彎強度會有顯著影響。由表1可以看出坯體抗彎強度最大值為11#樣品，即壓制壓力為20T干壓壓力結合200MPa冷等靜壓壓力下制成的素坯體在合理的燒結工藝下會得到最佳的力學性能。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體密度雖然最高，但其抗彎強度卻遠遠低于11#，結合燒結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于8#樣品（圖4），這與實測數據是相符的。

4結 論

（1） 只干壓成形時，素坯體和燒結體密度隨干壓壓力增大而增大。

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

（3） 綜合試驗結果，干壓（20T）+冷等靜壓（200MPa）壓力下的陶瓷綜合性能最好，其抗彎強度最佳值為443.72MPa，為最優組合。

（4） 冷等靜壓壓力過大會導致陶瓷坯體內部組織發生層裂而使陶瓷的力學性能有所下降，僅通過陶瓷的素坯體密度、燒結體密度是無法判斷的，應該綜合考慮。

參考文獻

1 楊忠敏.新型陶瓷的性能及應用前景[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SiC陶瓷的強化與增韌機理[J].硅酸鹽學報，1998，26(6):10

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