热压烧结自制

1、第七章第七章 热压烧结热压烧结组员：v热压烧结的发展热压烧结的发展v热压烧结的原理热压烧结的原理v热压烧结工艺热压烧结工艺v热压烧结应用实例热压烧结应用实例7.1热压烧结的发展热压烧结的发展v 18261826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。而热压技术已经有白金。而热压技术已经有7070年的历史，热压是粉末冶金发年的历史，热压是粉末冶金发展和应用较早的一种热成形技术。展和应用较早的一种热成形技术。v 19121912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件的专利。的专利。v 1

2、926192619271927年，德国将热压技术用于制造硬质合金。年，德国将热压技术用于制造硬质合金。v 从从19301930年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。v热压烧结优点热压烧结优点：许多陶瓷粉体许多陶瓷粉体( (或素坯或素坯) )在烧结过在烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结时间的延长，程中，由于烧结温度的提高和烧结时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无压烧结相比，热压烧而导致晶粒长大。与陶瓷无压烧结相比，热压烧结能降低烧结和缩短烧结时间，可获得细晶粒的结能降低

3、烧结和缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料。陶瓷材料。7.2热压烧结的原理热压烧结的原理v7.2.1 热压烧结的概念v7.2.2 热压烧结的原理v7.2.3 热压烧结的适用范围7.2.1热压烧结的概念热压烧结的概念v烧结烧结是陶瓷生坯在高温下的是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象致密化过程和现象的的总称。总称。v 随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙互键联，晶粒长大，空隙( (气孔气孔) )和晶界渐趋减少，和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的只有某种显微结构

4、的多晶烧结体，后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为这种现象称为烧结烧结。烧结是减少成型体中气孔，。烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。v热压热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单袖压力粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单袖压力的烧结过程。的烧结过程。7.2.2热压烧结的原理热压烧结的原理v固体粉末烧结的过程和特点v固体粉末烧结的本征热力学驱动力v固相烧结动力学v热压过程的基本规律固体粉末烧结的过程和特点 一般烧结过程，总伴随着气

5、孔率的降低，颗一般烧结过程，总伴随着气孔率的降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及与其相联系粒总表面积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大等变化，可根据其变化特点来划分烧的晶粒长大等变化，可根据其变化特点来划分烧结阶段。结阶段。烧结初期烧结初期烧结中期烧结中期烧结后期烧结后期烧结初期 粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、具有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中具有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中颗粒间接触有的波此以点接触，有的则相互分开颗粒间接触有的波此以点接触，有的则相互分开，保留着较多的空隙，如图，保留着较多的空隙，如图7.1(a)7

6、.1(a)。图图7.1 7.1 不同烧结阶段晶粒排列过程示意图不同烧结阶段晶粒排列过程示意图 随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。烧结中期 开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固面接触，粒界面积增加，固- -气表面积相

7、应减少，但气孔仍气表面积相应减少，但气孔仍然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向的局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步颗粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化，如图，并不断扩大

8、晶界的面积，使坯体变得致密化，如图7.1(b) (c)7.1(b) (c)。 烧结后期 随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消失，但深入晶粒内部的气孔则排除比较难。烧结体致密失，但深入晶粒内部的气孔则排除比较难。烧结体致密度提高，坯体可以达到理论密度的度提高，坯体可以达到理论密度的95%95%左右。左右。固体粉末烧结的本征热力学驱动力固相烧结动力学热压过程

9、的基本规律（参考课本）7.2.3热压烧结的适用范围热压烧结的适用范围 热压烧结与常压烧结相比，烧结温度要低得多，而且热压烧结与常压烧结相比，烧结温度要低得多，而且烧结体中气孔率低，密度高。由于在较低温度下烧结，就烧结体中气孔率低，密度高。由于在较低温度下烧结，就抑制了晶粒的生长，所得的烧结体晶粒较细，并具有较高抑制了晶粒的生长，所得的烧结体晶粒较细，并具有较高的机械强度。热压烧结广泛地用于在普通无压条件下难致的机械强度。热压烧结广泛地用于在普通无压条件下难致密化的材料的制备及纳米陶瓷的制备。密化的材料的制备及纳米陶瓷的制备。 在现代材料工业中，用粉体原料烧结成型的产业有两在现代材料工业中，用粉

10、体原料烧结成型的产业有两类，一个是粉末冶金产业，一个是特种陶瓷产业。类，一个是粉末冶金产业，一个是特种陶瓷产业。 所使用的烧结工艺方法主要有两种，一种是冷压成型所使用的烧结工艺方法主要有两种，一种是冷压成型然后烧结：另一种是热压烧结。然后烧结：另一种是热压烧结。 实验证明实验证明，采用真空热压烧结可以使产品无氧化、低，采用真空热压烧结可以使产品无氧化、低孔隙、少杂质、提高合金化程度，从而提高产品的综合性孔隙、少杂质、提高合金化程度，从而提高产品的综合性能能 采用真空热压烧结是一个技术进步采用真空热压烧结是一个技术进步, ,应有广阔的市场需应有广阔的市场需要，其应用领域有：要，其应用领域有：(1

11、)(1)工具类工具类：金刚石及立方氮化硼制品：硬质合金制品：金刚石及立方氮化硼制品：硬质合金制品; ;金金属陶瓷、粉末高速钢制品。属陶瓷、粉末高速钢制品。(2)(2)电工类电工类：软磁、硬磁、高温磁性材料；铁氧体、电触头：软磁、硬磁、高温磁性材料；铁氧体、电触头材料、金属电热材料、电真空材料。材料、金属电热材料、电真空材料。(3)(3)特种材料类特种材料类：粉末超合金、氧化物弥散强化材料、碳：粉末超合金、氧化物弥散强化材料、碳( (硼、氮硼、氮) )化物弥散强化材料、纤维强化材料、高纯度耐热金化物弥散强化材料、纤维强化材料、高纯度耐热金属属( (钽、铌、钼、钨、铍钽、铌、钼、钨、铍) )与合金

12、、复合金属等。与合金、复合金属等。(4)(4)机械零件类机械零件类：广泛应用于汽车、飞机、轮船、农机、办：广泛应用于汽车、飞机、轮船、农机、办公机械、液压件、机床、家电等领域。特别是耐磨与易损公机械、液压件、机床、家电等领域。特别是耐磨与易损的关键零件。的关键零件。7.3热压烧结工艺热压烧结工艺7.3.1 热压烧结生产工艺种类热压烧结生产工艺种类 真空和气氛蒸压 热等静压法 反应热压烧结真空和气氛热压真空和气氛热压 对于空气中很难烧结的制品对于空气中很难烧结的制品( (如透光体或非氧化物如透光体或非氧化物) )，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛内，为防止其氧化等，研究了气氛烧结方法

13、。即在炉膛内通入一定气体，形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧通入一定气体，形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧结。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。结。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。 先进陶瓷中引人注目的先进陶瓷中引人注目的SiSi3 3N N4 4、SiCSiC等非氧化物，由等非氧化物，由于在高温下易被氧化，因而在氮及惰性气体中进行烧结于在高温下易被氧化，因而在氮及惰性气体中进行烧结。对于在常压下易于气化的材料，可使其在稍高压力下。对于在常压下易于气化的材料，可使其在稍高压力下烧结。烧结。热等静压法热等静压法(hot isostatic pressing)热等静压热等静压 是指对装于包套之中的

14、松散粉末加热的同时是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。 热等静压的压力传递介质为热等静压的压力传递介质为惰性气体惰性气体。热等静压工艺。热等静压工艺是将粉末压坯或装入包套的粉料故人高压容器中，使是将粉末压坯或装入包套的粉料故人高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。 热等静压强化了压制和饶结过程降低烧结温度，消热等静压强化了压制和饶结过程降低烧结温度，消除空隙，避免晶粒长大，可获得高的密度和强度。同热除空隙，避免晶粒长大，可获得高的密度和强度。同热压法

15、比较，热等静压温度低，制品密度提高。压法比较，热等静压温度低，制品密度提高。反应热压烧结反应热压烧结 这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学反应过程。因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。也就是指程。因势利导，加以利用的一种热压烧结工艺。也就是指在烧结传质过程中，除利用表面自由能下降和机械作用力在烧结传质过程中，除利用表面自由能下降和机械作用力推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能。以推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能。以降低烧结温度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。降低烧结温度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。 从化学反

16、应的角度看，可分为相变热压烧结、分解从化学反应的角度看，可分为相变热压烧结、分解热压烧结，以及分解合成热压烧结三种类型。从能量及热压烧结，以及分解合成热压烧结三种类型。从能量及结构转变的过程看，在多晶转变或煅烧分解过程中，通结构转变的过程看，在多晶转变或煅烧分解过程中，通常都有明显的热效应，质点都处于一种高能、介稳和接常都有明显的热效应，质点都处于一种高能、介稳和接收调整的超可塑状态。此时，促使质点足够的机械应力收调整的超可塑状态。此时，促使质点足够的机械应力，以诱导、触发、促进其转变，质点便可能顺利地从一，以诱导、触发、促进其转变，质点便可能顺利地从一种高能介稳状态，转变到另一种低能稳定状态

17、，可降低种高能介稳状态，转变到另一种低能稳定状态，可降低工艺难度、完成陶瓷的致密烧结。其特点是工艺难度、完成陶瓷的致密烧结。其特点是热能、机械热能、机械能、化学能能、化学能三者缺一不可，紧密配合促使转变完成。三者缺一不可，紧密配合促使转变完成。7.3.2 热压烧结生产设备热压烧结生产设备 热压机的结构是按加热和加压方法所采用的气氛热压机的结构是按加热和加压方法所采用的气氛以及其他因素来划分的。以及其他因素来划分的。在热压过程中通常利用电加热。最普通的方法有：在热压过程中通常利用电加热。最普通的方法有：对压模或烧成料通电直接加热；对压模或烧成料通电直接加热；将压模放在电炉中对其进行间模加热；将压

18、模放在电炉中对其进行间模加热；对导电压模进行直接感应加热；对导电压模进行直接感应加热；把非导电压模放在导电管中进行感应加热把非导电压模放在导电管中进行感应加热图图7.6 7.6 各种加热方式热压示意图各种加热方式热压示意图a-a-在电阻炉中间接加热在电阻炉中间接加热；b-b-阳模直接通电流加阳模直接通电流加热；热；c-c-阴模通电直接加阴模通电直接加热；热；d-d-导电（石墨）阴导电（石墨）阴模感应加热；模感应加热；e-e-粉料在粉料在不导电（陶瓷）压模中不导电（陶瓷）压模中感应加热感应加热1-1-加热装置；加热装置；2-2-阴模；阴模；3-3-制品；制品；4 4、5-5-阳模；阳模；6-6-

19、绝缘；绝缘；7 7、8-8-石墨的或铜石墨的或铜的（水冷）导体此外，的（水冷）导体此外，也可以采用超声波先进也可以采用超声波先进技术技术( (见图见图8.78.7）。）。图图7.7 7.7 超声波热压示意图超声波热压示意图1-1-压机框；压机框；2-2-压铜；压铜；3-3-粉料；粉料；4-4-炉子；炉子；5-5-连接悬臂；连接悬臂；6-6-变换器；变换器；7-7-液压机液压机 图图7.87.8试模装置能在保护性和还原性分质中以及在温度达到试模装置能在保护性和还原性分质中以及在温度达到25002500和压力达和压力达2kN2kN的真空中进行热压，并且能连续地对致密化的真空中进行热压，并且能连续地

20、对致密化动力曲线进行记录。压模由石墨加热器加热或用直接通入电流动力曲线进行记录。压模由石墨加热器加热或用直接通入电流的办法加热。温度由热电偶或光学高温计测定。热电偶的热端的办法加热。温度由热电偶或光学高温计测定。热电偶的热端直接放在所压试样附近，这样测定的加热温度的模度为直接放在所压试样附近，这样测定的加热温度的模度为1010。1-1-外壳；外壳；2-2-上盖；上盖；3-3-压机杆压机杆；4-4-保护性气体引入管；保护性气体引入管；5-5-汽汽- -接泵连接短管；接泵连接短管；6-6-压接；压接；7-7-加热管；加热管；8-8-下盖；下盖；9-9-电流电流输入线；输入线；10-10-热电偶；热

21、电偶；11-11-保保护性气体引出口接头；护性气体引出口接头；12-12-检检查孔查孔图图7.9 7.9 研究用热压机的试验室验置系统图研究用热压机的试验室验置系统图1-1-压机上横梁；压机上横梁；2-2-上阳模；上阳模；3 3、10-10-水冷触点；水冷触点；4-4-铜轴套；铜轴套；5-5-压模；压模；6-6-管箍；管箍；7-7-热压件；热压件；8-8-下阳模；下阳模；9-9-石棉热绝缘；石棉热绝缘；11-11-校准弹簧；校准弹簧；12-12-记录环；记录环；13-13-绝缘板；绝缘板；14-14-测压仪；测压仪；15-15-压机下横梁；压机下横梁；16-16-光物镜；光物镜；17-17-光

22、晶体管；光晶体管；18-18-协调块；协调块；19-19-动力动力变压器；变压器；20-20-电位计；电位计；21-21-可控硅电压调节器可控硅电压调节器7.3.3热压烧结的过程、工艺参数及控制过程热压烧结的过程、工艺参数及控制过程工艺制度影响热压烧结的因素最高烧结温度最高烧结温度 保温时间保温时间 降温方式降温方式 气氛的控制气氛的控制烧结温度烧结温度时间时间物料粒度物料粒度7.4 热压烧结应用实例热压烧结应用实例热压TiCx/Al混合粉体合成Ti3AlC27.4.1 热压热压TiCx/Al混合粉体合成混合粉体合成Ti3AlC2 Ti Ti和石墨按摩尔比和石墨按摩尔比3:1.83:1.8在在

23、SPEXTMSPEXTM中氩气保护球磨混合中氩气保护球磨混合3030分钟；然后放入圆柱形容器中，在单轴压力分钟；然后放入圆柱形容器中，在单轴压力20MPa20MPa下加压下加压，并在，并在40MPa40MPa下冷等静压。下冷等静压。Ti/Ti/石墨混合物在真空石墨混合物在真空1 11010-2-2托托、15501550条件下热处理条件下热处理3 3小时，形成块体小时，形成块体TiCxTiCx。合成的。合成的TiCxTiCx置于氩气气氛中，并筛选出置于氩气气氛中，并筛选出45um45um以下的粉体。以下的粉体。 然后将合成的然后将合成的TiCxTiCx和商用和商用AlAl粉按摩尔比粉按摩尔比3

24、3：1.11.1在氩气中在氩气中球磨混合球磨混合1010分钟。混合粉体再放入喷涂有分钟。混合粉体再放入喷涂有BNBN的石墨磨具中的石墨磨具中。最后经氩气保护，在。最后经氩气保护，在800-1600800-1600范围内，范围内，25MPa25MPa热压制备热压制备TiTi3 3AlCAlC2 2。图图7.14 在在25MPa，60分钟下，热压不同时间得到产物的分钟下，热压不同时间得到产物的XRD图谱图谱(a)800,(b)1000,(c)1250,(d)1300,(e)1500和和(f)1600(a)800 (b)1000 (a)800,(b)1000 (c)1250,(d)1300 (e)1500 (f)1600 样品密度随热压温度变化，如图样品密度随热压温度变化，如图7.167.16所示。随着温度所示。随着温度升高到升高到13001300，样品密度升高，