氧化铝陶瓷干压坯体的烧结探讨复习过程

氧化铝陶瓷干压坯体的烧结探讨造粒粉的TG/DTA曲线

含有水份和有机物的干压坯体与不含水份和有机物的热压铸坯体有什么不同的烧结行为？图1为氧化铝陶瓷造粒粉在烧结的低温区900℃之前的TG/DTA曲线。DTA（差热）曲线可见，造粒粉900℃以前一直处于吸热状态，吸热峰值出现在约100—250℃之间，吸热速率变化较大发生在400℃之前。400℃之后，吸热曲线变为线性上升。与此同时，TG（失重）曲线显示，粉料在吸热的同时快速失重，500℃之后不再失重。干压坯体常用有机物的沸点有机物名称PVA石蜡硬脂酸DBP甘油沸点/℃（或分解点）200软化分解300-550383340290分解

表1干压坯体常用有机物的沸点表1为氧化铝陶瓷造粒粉常用有机材料的沸点。在沸点之前很大范围内，物质会因浓度和饱和度等因素进行不同程度的扩散和汽化。表1可见造粒粉中的有机物在400℃之前已基本汽化，水分在100℃汽化，都变为气体逸出，这就是造粒粉在400℃之前迅速失重的原因。而热压铸坯体因不含水份和有机物，所以不存在内部汽化现象。应高度关注干压坯体中水分和有机物的排除过程

造粒粉中水份和有机物的迅速汽化应该是干压坯体烧结出现各种问题的主要原因。造粒粉中所含水份和有机物总量较少，虽然不需要像热压铸坯件一样需要专门的脱蜡工艺过程，但是必须在烧结之前有一个彻底排除的过程。这个过程不是独立的，而是在烧成的初始阶段完成的。如何把握好这个阶段的烧成制度避免种种由此引起的问题的发生成了干压坯体成功烧成的关键。需要指出的是图1所示造粒粉TG/DTA曲线中水份、有机物的汽化主要发生在400℃之前，此测试粉量只有5.4mg，并以自由粉粒状态进行。而干压坯体则是少则数克，多则数千克，并经高压压制成具有2.0—2.5g/cm3密度的各种形状的致密体。此例中的防弹片坯体密度为2.3g/cm3。坯体中的水份、有机物的汽化受到了致密的坯体的封闭，气体的排出变得非常困难。一般情况下，水份、有机物汽化要非常缓慢的进行，并要延迟至700-800℃之后才可以完全结束。如果此间升温过快，坯体内部汽化速度加快，由于气体排出不畅，会短时间出现坯内高气压，从而胀破坯体，即坯体开裂。2.烧结曲线的实践探索2.1瓷件开裂观察图3实测曲线，看到200—700℃升温速率为7.17℃/min，700—1349℃升温速率为9.27℃/min，曲线出现陡坡，即温度突升段。此段升温速率按经验应在1—4℃/min为宜，可见此段温升严重过速。而此段正处窑炉预热段，坯体水份蒸发有机物分解汽化的高速率阶段，所以坯体开裂的原因即在于此段温升过速。鉴于此，我们根据窑炉情况，拟出了建议曲线。曲线见图3。建议曲线主要是将入口至①热电偶处的曲线改为近似斜直线，使升温变得均匀平缓。

干压坯体的成瓷温度一般情况下都小于相同氧化铝含量的热压铸坯体的成瓷温度。干压坯体采用热压铸坯体的烧结温度，就会过烧。过烧的结果使瓷件变脆，也即瓷晶异常长大，玻璃相增多，陶瓷密度下降，气孔增多，机电性能变坏。为什么干压坯体的成瓷温度会更低一些呢？热压铸工艺中对原料氧化铝细度的要求在3-5μm，颗粒变细则会出现蜡浆流动性变差，脱蜡时流蜡等现象。而氧化铝陶瓷的成瓷温度与原料氧化铝粉体的细度有关，粉体越细，成瓷温度越低；粉体越粗，成瓷温度越高[4]。陶瓷原料越细，不仅会降低成瓷温度，还会大幅度提高陶瓷的各种机电性能。热压铸使用粉体细度3-5μm，所以成瓷温度偏高，陶瓷品质的提高受到了限制；而干压工艺对粉体细度没有限制。特别是干压工艺的原料研磨采用湿法工艺，一般采用搅拌磨、砂磨机等高效超细粉碎设备，粉体在液体作分散介质中可以达到充分分散，所以粉体细度可达2-3μm、1-2μm、亚微米，甚至部分纳米级。这种超细的粉体材料出现了易烧结特性，使相同含量的氧化铝陶瓷的烧结温度降低50-70℃，甚至更多。同时瓷的品质性能达到了质的提升。

部分由于对干压坯体的烧结特性缺乏认识，部分由于长期形成的热压铸高温烧结的习惯，部分由于产品和窑炉条件的限制，现在江浙一带我们经常接到用户由于过烧使瓷的性能指标出现波动的报告。我们的建议是在条件具备的情况下，干压坯件要单独窑炉烧成。这样可以制定更加合适的烧成制度。在陶瓷品质提升的同时，生产线的高温窑炉降低50℃甚至更多时运行，会显著延长钵具窑炉寿命。特别是能耗会降低30—40%，有良好的经济效益和环境效益。在高度重视节能降耗的今天，这点尤为重要，尤其值得提倡。2.2陶瓷机械性能下降

表3、表4所列数据系公司实验室测定从表3中可以看出，当陶瓷达到成瓷温度之后，烧结温度仍继续升高，陶瓷密度会迅速下降。

从表4可以看出，9603瓷有较宽的烧结温度范围1580-1630℃，但升至1650℃时，仅20℃之差，其硬度、抗弯强度急剧下降。

表3烧结温度与成瓷密度

表4烧结温度与陶瓷硬度、抗弯强度陶瓷牌号95微黄99白95咖啡色烧结温度℃160016301650160016301650158016001630成瓷密度g/cm33.7373.7233.7023.863.873.813.7573.7213.701陶瓷牌号9603烧结温度℃1580160016301650硬度Hv1282133012371095抗弯强度Mpa3323323283182.3瓷件阴斑

图4瓷件阴斑

图4所示瓷件上出现圆团状、不规则云块状、或烟丝状等变色的斑，俗称阴斑，是陶瓷生产中时常遇到的现象。其产生的原因可能是高岭土、方解石等矿物中的杂质与某种元素的反应物在瓷件表面的沉淀；也可能有有机物在氧化气氛不足的情况下碳化物的残留，确切原因不详。但是干压瓷件出现阴斑的几率明显增加了。

今年初，某新建陶瓷企业出现了严重的瓷件阴斑情况。窑炉为推板窑。肉眼观察到窑炉内灰蒙蒙，看不见光亮的烧成带。后加大烟囱抽力，在烟道上加风扇抽风，炉内逐渐变得清亮。可以看到坯体释放的烟气顺利地被烟囱抽出。瓷件阴斑逐渐变轻，大部分瓷件阴斑消失。说明加大通风不仅保证了窑炉内完全的氧化气氛，防止有机物碳化，同时将烟气排出，防止烟气中的有机物质的分解物、化合物在瓷件表面的沉淀。3.结论①干压坯体由于含有1.5—4%的水分、有机物，所以在烧结的初始阶段，升温速度要缓慢、平滑，要避免出现温度的突升段（点）。否则急剧的水分蒸发和有机物分解形成的坯内高气压会使坯体发生开裂。②干压坯体由于构成其的粉料很细，出现易烧结特性，所以要在较低温度烧结；高温过烧，会使瓷件变坏。③由于①所述同样的原因，干压坯体在水气蒸发有机物分解时所释放的气体必须顺利抽出，防止其在瓷件内和表面沉淀、碳化造成瓷件阴斑。所以要加强通风，保持窑内完全的氧化气氛。精品课件！精品课件！4.烧成曲线的建议对表5作如下说明：①300℃以前主要是水份蒸发峰值期；750℃以前有有机物分解、挥发的峰值期；缓慢升温，可防止坯内分解气体形成的高气压使坯体开裂。750℃以后可提高升温速度，但要根据坯件大小，考虑坯体内部的温度梯度和热传导速率，而采用不同的升温速度。温度在坯体内分布越均匀一致，其各部收缩才会一致。收缩不一致时，会引起瓷