熱處理對氧化鋯材料熱膨脹系數的影響

薛志崗 王帥 龐佳敏

摘? 要：以氧化鋯粉料為原料，通過多輪實驗。研究了影響氧化鋯材料熱膨脹系數的因素，總結出相關的結論和規律。研究結果表明：對氧化鋯材料進行熱處理的時間以及熱處理的溫度都將影響材料的熱膨脹系數。

關健詞：熱膨脹系數;熱處理;時間;溫度

1 前言

材料的熱膨脹是影響材料抗熱震性的主要因素。氧化鋯材料的熱膨脹與其相變有著密切的關聯。ZrO2具有三種晶型：低溫的單斜相（m相），中溫的四方相（t相），高溫的立方相（c相）。三種晶型之間可以相互轉變，溫度在1170℃左右時，單斜相向四方相轉變，并伴有7 ～ 9%的體積收縮，是氧化鋯陶瓷高溫下產生破壞的主要原因，因此，采用純單斜相氧化鋯材料來制成的陶瓷材料抗熱震性能不好。

一些研究表明：在一定條件下，氧化鋯材料的t-m相變溫度是可以改變的。如果材料中的氧化鋯晶體隨著溫度上升，有部分晶體發生t-m相變，也就是讓t-m相變分散到不同的溫度發生，就可以提高氧化鋯材料的抗熱震性能。因為t-m相變分散，可以使相變產生的體積變化分散在材料從低溫到高溫的整個過程，避免集中在1170℃左右相變時材料劇烈的體積變化和由此產生的熱損傷，同時分散相變產生的收縮與材料受熱產生的膨脹相抵消，降低了材料受熱升溫過程的熱膨脹，提高了材料的抗熱震性能。

改變氧化鋯材料的t-m相變溫度，通過控制氧化鋯陶瓷材料的相組成和改變氧化鋯陶瓷材料的晶粒尺寸分布來實現。本項研究通過調整坯料組成和對產品熱處理的方法來實現氧化鋯材料t-m相變溫度的改變，提高氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性。

2 實驗原料

2.1 實驗原料

2.2 工藝流程

2.3 熱處理制度

（1）將燒成好的試樣從室溫升溫至1500℃，約10 h;

（2）1500℃保溫，3 ～ 6 h;

（3）降溫至1300℃保溫，3 ～ 6 h;

（4）降溫至1100℃保溫，3 ～ 6 h;

（5）降溫至室溫。

3 結果與討論

3.1 熱處理對熱膨脹系數的影響

如圖2所示1#為未熱處理的試樣，2#為熱處理的試樣。可以發現2#經過熱處理的試樣熱膨脹系數比1#未經過熱處理的試樣熱膨脹系數低。查閱相關文獻分析，熱處理的主要作用在于讓試樣中的單斜相相對增多，單斜相向四方相的轉變溫度為1170℃，并且伴有7 ～ 9%的體積收縮，從而降低高溫階段的體積膨脹，降低膨脹率。

3.2 熱處理時間對熱膨脹系數的影響

實驗結果表明，適當的縮短低溫保溫的時間將影響試樣高溫階段的膨脹率，使得膨脹率能夠相對的降低。如圖3所示，3#和4#為相同的粗細粉配方，具體熱處理制度如上表2所示，依據上圖的曲線，可以發現在1100℃以后，3#試樣的膨脹率比4#試樣的膨脹率高。經分析，由于試樣中氧化鎂分布不均，部分晶粒中不含氧化鎂，部分晶粒中氧化鎂含量較多，在1100℃保溫時，單斜相是占優勢的產物，固溶氧化鎂較多的氧化鋯晶粒會逐漸釋放氧化鎂，但是原本不含氧化鎂的晶粒會逐漸固溶一部分氧化鎂，過長的保溫時間，和試樣中氧化鎂含量偏多，使得固溶氧化鎂的晶粒逐漸增多，而尺寸較小的晶粒，四方相能保持到更低的溫度，甚至保留至常溫。從而在熱膨脹系數測試時，3#單斜相較少，引起的體積收縮較少。

實驗結果表明，適當的延長高溫保溫時間可以總體降低試樣的熱膨脹系數。如圖4所示，5#和6#為同樣的粗細粉配方，熱處理制度如表3。根據上面的曲線可以發現5#曲線膨脹率整體高于6#曲線。分析其原因為5#試樣高溫處理時間比6#試樣時間短，在1500℃時氧化鋯中的立方相轉化為四方相，而5#時間較短，轉化為四方相的晶相也較6#而言少一些，故由此的影響，由四方相轉化為單斜相的晶相也相對較少，所以5#曲線膨脹率高于6#曲線。

3.3 熱處理溫度對熱膨脹系數的影響。

實驗結果表明，選擇適當的熱處理溫度將影響晶相間的相互轉化，相對低的熱處理溫度能降低析出四方相的晶粒尺寸，和增加四方相的生成量。圖5為測試結果，表4為具體熱處理制度。可以看出，7#曲線熱膨脹系數比8#曲線熱膨脹系數高。分析其原因：根據文獻上相圖可知，1400℃以上為四方相與立方相共存的區域，而1240 ～ 1400℃為四方相為主的區域。7#高溫處理溫度為1500℃，所以在處理的過程中無論處理時間長短，總會有一定量的立方相存在，致使轉化不完全，影響熱膨脹系數。而8#熱處理方式為1300℃，處于有利于四方相的溫區，立方相會逐漸析出氧化鎂，轉變為四方相，從而在1100℃保溫時，能生成的單斜相相對較多，熱膨脹系數相對較低。

4 結論

（1）在其他條件不變的情況下，適當的縮短低溫保溫的時間將影響試樣高溫階段的膨脹率，使得膨脹率能夠相對的降低。

（2）適當的延長高溫保溫時間可以降低試樣的熱膨脹系數。

（3） 選擇適當的熱處理溫度將影響晶相間的相互轉化，相對低的熱處理溫度能增加四方相的含量，降低熱膨脹系數。

參考文獻

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