氧化鋁陶瓷干壓坯體的燒結探討復習過程

氧化鋁陶瓷干壓坯體的燒結探討造粒粉的TG/DTA曲線

含有水份和有機物的干壓坯體與不含水份和有機物的熱壓鑄坯體有什么不同的燒結行為？圖1為氧化鋁陶瓷造粒粉在燒結的低溫區(qū)900℃之前的TG/DTA曲線。DTA（差熱）曲線可見，造粒粉900℃以前一直處于吸熱狀態(tài)，吸熱峰值出現(xiàn)在約100—250℃之間，吸熱速率變化較大發(fā)生在400℃之前。400℃之后，吸熱曲線變?yōu)榫€性上升。與此同時，TG（失重）曲線顯示，粉料在吸熱的同時快速失重，500℃之后不再失重。干壓坯體常用有機物的沸點有機物名稱PVA石蠟硬脂酸DBP甘油沸點/℃（或分解點）200軟化分解300-550383340290分解

表1干壓坯體常用有機物的沸點表1為氧化鋁陶瓷造粒粉常用有機材料的沸點。在沸點之前很大范圍內，物質會因濃度和飽和度等因素進行不同程度的擴散和汽化。表1可見造粒粉中的有機物在400℃之前已基本汽化，水分在100℃汽化，都變?yōu)闅怏w逸出，這就是造粒粉在400℃之前迅速失重的原因。而熱壓鑄坯體因不含水份和有機物，所以不存在內部汽化現(xiàn)象。應高度關注干壓坯體中水分和有機物的排除過程

造粒粉中水份和有機物的迅速汽化應該是干壓坯體燒結出現(xiàn)各種問題的主要原因。造粒粉中所含水份和有機物總量較少，雖然不需要像熱壓鑄坯件一樣需要專門的脫蠟工藝過程，但是必須在燒結之前有一個徹底排除的過程。這個過程不是獨立的，而是在燒成的初始階段完成的。如何把握好這個階段的燒成制度避免種種由此引起的問題的發(fā)生成了干壓坯體成功燒成的關鍵。需要指出的是圖1所示造粒粉TG/DTA曲線中水份、有機物的汽化主要發(fā)生在400℃之前，此測試粉量只有5.4mg，并以自由粉粒狀態(tài)進行。而干壓坯體則是少則數(shù)克，多則數(shù)千克，并經(jīng)高壓壓制成具有2.0—2.5g/cm3密度的各種形狀的致密體。此例中的防彈片坯體密度為2.3g/cm3。坯體中的水份、有機物的汽化受到了致密的坯體的封閉，氣體的排出變得非常困難。一般情況下，水份、有機物汽化要非常緩慢的進行，并要延遲至700-800℃之后才可以完全結束。如果此間升溫過快，坯體內部汽化速度加快，由于氣體排出不暢，會短時間出現(xiàn)坯內高氣壓，從而脹破坯體，即坯體開裂。2.燒結曲線的實踐探索2.1瓷件開裂觀察圖3實測曲線，看到200—700℃升溫速率為7.17℃/min，700—1349℃升溫速率為9.27℃/min，曲線出現(xiàn)陡坡，即溫度突升段。此段升溫速率按經(jīng)驗應在1—4℃/min為宜，可見此段溫升嚴重過速。而此段正處窯爐預熱段，坯體水份蒸發(fā)有機物分解汽化的高速率階段，所以坯體開裂的原因即在于此段溫升過速。鑒于此，我們根據(jù)窯爐情況，擬出了建議曲線。曲線見圖3。建議曲線主要是將入口至①熱電偶處的曲線改為近似斜直線，使升溫變得均勻平緩。

干壓坯體的成瓷溫度一般情況下都小于相同氧化鋁含量的熱壓鑄坯體的成瓷溫度。干壓坯體采用熱壓鑄坯體的燒結溫度，就會過燒。過燒的結果使瓷件變脆，也即瓷晶異常長大，玻璃相增多，陶瓷密度下降，氣孔增多，機電性能變壞。為什么干壓坯體的成瓷溫度會更低一些呢？熱壓鑄工藝中對原料氧化鋁細度的要求在3-5μm，顆粒變細則會出現(xiàn)蠟漿流動性變差，脫蠟時流蠟等現(xiàn)象。而氧化鋁陶瓷的成瓷溫度與原料氧化鋁粉體的細度有關，粉體越細，成瓷溫度越低；粉體越粗，成瓷溫度越高[4]。陶瓷原料越細，不僅會降低成瓷溫度，還會大幅度提高陶瓷的各種機電性能。熱壓鑄使用粉體細度3-5μm，所以成瓷溫度偏高，陶瓷品質的提高受到了限制；而干壓工藝對粉體細度沒有限制。特別是干壓工藝的原料研磨采用濕法工藝，一般采用攪拌磨、砂磨機等高效超細粉碎設備，粉體在液體作分散介質中可以達到充分分散，所以粉體細度可達2-3μm、1-2μm、亞微米，甚至部分納米級。這種超細的粉體材料出現(xiàn)了易燒結特性，使相同含量的氧化鋁陶瓷的燒結溫度降低50-70℃，甚至更多。同時瓷的品質性能達到了質的提升。

部分由于對干壓坯體的燒結特性缺乏認識，部分由于長期形成的熱壓鑄高溫燒結的習慣，部分由于產品和窯爐條件的限制，現(xiàn)在江浙一帶我們經(jīng)常接到用戶由于過燒使瓷的性能指標出現(xiàn)波動的報告。我們的建議是在條件具備的情況下，干壓坯件要單獨窯爐燒成。這樣可以制定更加合適的燒成制度。在陶瓷品質提升的同時，生產線的高溫窯爐降低50℃甚至更多時運行，會顯著延長缽具窯爐壽命。特別是能耗會降低30—40%，有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。在高度重視節(jié)能降耗的今天，這點尤為重要，尤其值得提倡。2.2陶瓷機械性能下降

表3、表4所列數(shù)據(jù)系公司實驗室測定從表3中可以看出，當陶瓷達到成瓷溫度之后，燒結溫度仍繼續(xù)升高，陶瓷密度會迅速下降。

從表4可以看出，9603瓷有較寬的燒結溫度范圍1580-1630℃，但升至1650℃時，僅20℃之差，其硬度、抗彎強度急劇下降。

表3燒結溫度與成瓷密度

表4燒結溫度與陶瓷硬度、抗彎強度陶瓷牌號95微黃99白95咖啡色燒結溫度℃160016301650160016301650158016001630成瓷密度g/cm33.7373.7233.7023.863.873.813.7573.7213.701陶瓷牌號9603燒結溫度℃1580160016301650硬度Hv1282133012371095抗彎強度Mpa3323323283182.3瓷件陰斑

圖4瓷件陰斑

圖4所示瓷件上出現(xiàn)圓團狀、不規(guī)則云塊狀、或煙絲狀等變色的斑，俗稱陰斑，是陶瓷生產中時常遇到的現(xiàn)象。其產生的原因可能是高嶺土、方解石等礦物中的雜質與某種元素的反應物在瓷件表面的沉淀；也可能有有機物在氧化氣氛不足的情況下碳化物的殘留，確切原因不詳。但是干壓瓷件出現(xiàn)陰斑的幾率明顯增加了。

今年初，某新建陶瓷企業(yè)出現(xiàn)了嚴重的瓷件陰斑情況。窯爐為推板窯。肉眼觀察到窯爐內灰蒙蒙，看不見光亮的燒成帶。后加大煙囪抽力，在煙道上加風扇抽風，爐內逐漸變得清亮。可以看到坯體釋放的煙氣順利地被煙囪抽出。瓷件陰斑逐漸變輕，大部分瓷件陰斑消失。說明加大通風不僅保證了窯爐內完全的氧化氣氛，防止有機物碳化，同時將煙氣排出，防止煙氣中的有機物質的分解物、化合物在瓷件表面的沉淀。3.結論①干壓坯體由于含有1.5—4%的水分、有機物，所以在燒結的初始階段，升溫速度要緩慢、平滑，要避免出現(xiàn)溫度的突升段（點）。否則急劇的水分蒸發(fā)和有機物分解形成的坯內高氣壓會使坯體發(fā)生開裂。②干壓坯體由于構成其的粉料很細，出現(xiàn)易燒結特性，所以要在較低溫度燒結；高溫過燒，會使瓷件變壞。③由于①所述同樣的原因，干壓坯體在水氣蒸發(fā)有機物分解時所釋放的氣體必須順利抽出，防止其在瓷件內和表面沉淀、碳化造成瓷件陰斑。所以要加強通風，保持窯內完全的氧化氣氛。精品課件！精品課件！4.燒成曲線的建議對表5作如下說明：①300℃以前主要是水份蒸發(fā)峰值期；750℃以前有有機物分解、揮發(fā)的峰值期；緩慢升溫，可防止坯內分解氣體形成的高氣壓使坯體開裂。750℃以后可提高升溫速度，但要根據(jù)坯件大小，考慮坯體內部的溫度梯度和熱傳導速率，而采用不同的升溫速度。溫度在坯體內分布越均勻一致，其各部收縮才會一致。收縮不一致時，會引起瓷