一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于陶瓷材料制備成型方法【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法。該方法摒棄了傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)工藝的鋼制模具成型陶瓷坯體工藝，首先將一種模具材料通過凝膠成型工藝制備成所需的具有復(fù)雜形狀的模具，也可采用冷等靜壓先制備上述模具材料坯體，再采用數(shù)控機(jī)床將其加工成所需的復(fù)雜形狀模具，然后將目標(biāo)陶瓷粉體采用先進(jìn)的凝膠成型技術(shù)制備成高固相含量的漿料，注入上述模具內(nèi)形成復(fù)合熱壓坯體。本發(fā)明也可先將目標(biāo)陶瓷粉體通過凝膠注工藝制備成零件坯體，然后通過凝膠注技術(shù)將模具材料漿料注入形成復(fù)合熱壓坯體。熱壓燒結(jié)后去除熱壓模具材料，最終獲得具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高密度、高性能的陶瓷產(chǎn)品。
【專利說明】一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料制備成型方法【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱壓燒結(jié)工藝是陶瓷或粉末冶金行業(yè)常用的燒結(jié)工藝之一，其基本流程是，首先將需要燒結(jié)的陶瓷粉料倒入鋼制模具中，以一定的壓力使之形成一個約35%~40%理論密度的陶瓷坯體，然后將該坯體裝入事先準(zhǔn)備好的高強(qiáng)度石墨模具中，并將其放入熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，通過高強(qiáng)石墨壓頭，一邊加熱一邊加壓，在高溫、高壓下實(shí)現(xiàn)陶瓷粉體的高致密度燒結(jié)，實(shí)際生產(chǎn)中也常將陶瓷粉體直接裝入石墨模具進(jìn)行燒結(jié)，圖1是SiC陶瓷熱壓燒結(jié)示意圖。與普通燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn):①存在明顯的晶界滑移傳質(zhì)和擠壓蠕變傳質(zhì)，燒結(jié)速率加快，燒成時間減少；②可降低燒結(jié)溫度，減小晶粒長大；③最終產(chǎn)品的密度和力學(xué)性能高。表1是不同方法燒結(jié)的SiC陶瓷性能對比，由此可知熱壓燒結(jié)是制備高致密度碳化硅陶瓷的最有效途徑。
[0003]但眾所周知，熱壓燒結(jié)工藝也有明顯的缺點(diǎn)，受工藝方法的影響通常只能燒結(jié)形狀簡單制品，如板狀類、四方形塊狀類、圓柱狀類型的陶瓷產(chǎn)品，因而其應(yīng)用范圍也受到嚴(yán)重制約。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)對高致密度、復(fù)雜形狀陶瓷制品的需求越來越多，采用冷等靜壓成型+機(jī)械加工或凝膠注模等成型技術(shù)和無壓燒結(jié)工藝雖然可以得到復(fù)雜形狀的陶瓷部件，但在很多情況下無法滿足對陶瓷部件高致密度的要求，而且復(fù)雜形狀陶瓷部件的無壓燒結(jié)需要緩慢和精細(xì)的控溫技術(shù)，長時間的高溫?zé)Y(jié)會促使晶粒長大，降低陶瓷零件的力學(xué)性能。如果采用熱等靜壓后處理技術(shù)提高無壓燒結(jié)坯體的密度則會大大增加制造成本。
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高致密、復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓生產(chǎn)方法，通過本發(fā)明的熱壓燒結(jié)陶瓷工藝技術(shù)，可以克服上述傳統(tǒng)熱壓只能制造簡單板狀類的陶瓷產(chǎn)品的現(xiàn)狀，可生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高致密度的陶瓷產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明利用BN陶瓷等模具材料在高溫下不和目標(biāo)陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特性，通過調(diào)整模具材料的配方使模具材料和目標(biāo)陶瓷材料在高溫高壓下實(shí)現(xiàn)同步收縮，確保目標(biāo)陶瓷的復(fù)雜形狀得以保留，這是本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)。該發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的鋼制模具成型陶瓷坯體的工藝，通過本發(fā)明，可制備高致密度、復(fù)雜形狀的陶瓷制品。
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法。
[0007]—種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，首先將模具材料通過凝膠成型工藝制備成所需的具有特定形狀的模具，然后將需要燒結(jié)的目標(biāo)陶瓷粉體采用凝膠成型技術(shù)制備成含有固相成分的漿料，注入上述模具內(nèi)形成復(fù)合熱壓坯體；所得復(fù)合熱壓坯體通過熱壓燒結(jié)后去除殘留的模具材料，最終獲得具有特定的結(jié)構(gòu)、密度、性能的目標(biāo)陶瓷制品O
[0008]所述模具材料在燒結(jié)條件下不與目標(biāo)陶瓷材料發(fā)生反應(yīng)、且能夠通過機(jī)械或化學(xué)方法加工去除。
[0009]所述模具材料為BN、BN與SiC的復(fù)合材料、BN與Al2O3的復(fù)合材料、BN與Si3N4的復(fù)合材料、BN與其他陶瓷的復(fù)合材料、石墨或石墨與陶瓷的復(fù)合材料。
[0010]所述將模具材料通過凝膠成型工藝制備成所需的具有特定形狀的模具的具體方法為:將選定的模具材料粉體通過凝膠成型工藝制備成漿料；根據(jù)要燒結(jié)的陶瓷零件的形狀和尺寸，考慮加工余量和熱壓方向的收縮率，采用機(jī)械加工或3D打印技術(shù)制備型芯與零件形狀匹配的塑料或金屬模具；所述塑料或金屬模具內(nèi)腔尺寸應(yīng)和熱壓模具內(nèi)套尺寸相配合；將已配制的模具材料漿料注入已加工的塑料或金屬模具內(nèi)，加熱到60°C~80°C，恒溫一定時間直到其凝膠固化成型，取出模芯獲得所需的具有特定形狀，由模具材料制備的模
亙.N 9
[0011]或采用冷等靜壓方法先制備模具材料坯體，再通過數(shù)控機(jī)床將其加工成所需形狀的模具。
[0012]所述目 標(biāo)陶瓷粉體為SiC、Si3N4、AIN、A10N、氧化鋁或氧化鋯等的陶瓷粉體材料或復(fù)合粉體材料。
[0013]所述復(fù)合熱壓坯體整體熱壓燒結(jié)后，通過噴砂工藝去除殘留的模具材料，最終獲得具有特定結(jié)構(gòu)、密度、性能的目標(biāo)陶瓷制品。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)特征在于:
[0015]a.選擇與需要燒結(jié)的目標(biāo)陶瓷材料在高溫下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的模具材料，該模具材料燒結(jié)后應(yīng)易于通過機(jī)械或化學(xué)方法去除，可選用BN、BN與SiC的復(fù)合材料、BN與Al2O3的復(fù)合材料、BN與Si3N4的復(fù)合材料、石墨或石墨與陶瓷的復(fù)合材料等作為模具材料。
[0016]b.將選定的模具材料粉體通過凝膠成型工藝制備成漿料。
[0017]c.根據(jù)要燒結(jié)的陶瓷零件的形狀和尺寸，考慮一定的加工余量和熱壓方向的收縮率，采用機(jī)械加工或3D打印技術(shù)制備型芯與零件形狀相似的塑料或金屬模具。該塑料或金屬模具內(nèi)腔尺寸應(yīng)和熱壓石墨模具內(nèi)套尺寸相配合。
[0018]d.將步驟b中已配制的模具材料漿料注入步驟c中已加工的塑料或金屬模具內(nèi)，加熱到60°C~80°C，恒溫一定時間使之凝膠固化成型，取出模芯獲得所需的具有復(fù)雜形狀，由模具材料制備的模具。
[0019]e.將需要燒結(jié)的目標(biāo)陶瓷粉體(SiC、Si3N4、氧化鋁或氧化鋯粉體材料等)采用先進(jìn)的凝膠成型技術(shù)制備成高固相含量的漿料，注入上述模具內(nèi)，凝膠固化后形成復(fù)合熱壓坯體。
[0020]f.將步驟e中獲得的復(fù)合熱壓坯體裝入熱壓石墨模具內(nèi)，整體熱壓燒結(jié)后，通過噴砂工藝去除前述的模具材料，最終獲得具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高密度、高性能的目標(biāo)陶瓷制品。
[0021]在上述技術(shù)特征中，模具材料也可通過冷等靜壓成型和機(jī)械加工制備步驟d中所述的模具。
[0022]本發(fā)明的技術(shù)特征，也可先配制目標(biāo)陶瓷粉體的凝膠注漿料，按照與步驟c相同的技術(shù)加工塑料或金屬模具，該塑料或金屬模具內(nèi)腔與零件形狀相似。將已配制的目標(biāo)陶瓷粉體凝膠注漿料注入塑料或金屬模具，并凝膠成型；然后以此為型芯將模具材料用凝膠注工藝澆注到外圍，形成步驟e中所述的復(fù)合熱壓坯體。
[0023]本發(fā)明的有益效果為:
[0024]本發(fā)明方法充分利用了凝膠注工藝和熱壓工藝的技術(shù)特點(diǎn)，提供了一種既能制備復(fù)雜形狀，又能穩(wěn)定獲得高致密度陶瓷制品的熱壓生產(chǎn)技術(shù)，是傳統(tǒng)熱壓工藝的創(chuàng)新。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為SiC陶瓷熱壓燒結(jié)示意圖；
[0026]其中圖1中的1-1為耐熱鋼制成的帶水冷結(jié)構(gòu)的上壓頭，起到向熱壓的SiC陶瓷傳遞壓力的作用；1-2為石墨上壓頭，起到直接壓制SiC陶瓷的作用；1-3為收到熱壓的SiC陶瓷；1-4為石墨下壓頭，作用與1-2相同；1_5為石墨外套，起到約束熱壓SiC陶瓷的作用；1-6是石墨發(fā)熱體，起到加熱SiC陶瓷的作用；1-7為耐熱鋼制成的帶水冷結(jié)構(gòu)的下壓頭，作用與1-1相同。
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1凝膠鑄SiC和BN制備工藝流程圖；
[0028]圖3為澆注模具材料和目標(biāo)陶瓷的鋁合金外套結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3a為鋁合金外框的主視圖，圖3b為鋁合金外框的俯視圖；
[0029]圖4為SiC陶瓷上模芯結(jié)構(gòu)示意圖(用于凝膠鑄模目標(biāo)陶瓷成型時使用)，其中圖4a為SiC陶瓷上模芯的主視圖，圖4b為SiC陶瓷上模芯的剖面圖(A-A面，旋轉(zhuǎn)了 180度)；
[0030]圖5為SiC陶瓷下模芯結(jié)構(gòu)示意圖(用于凝膠鑄模目標(biāo)陶瓷成型時使用)，其中圖5a為SiC陶瓷下模芯的俯視圖，圖5b為SiC陶瓷下模芯的主視圖；
[0031]圖6為成型模具材料BN用上壓頭或下壓頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖6a為BN用上壓頭或下壓頭的俯視圖，圖6b為BN用上壓頭或下壓頭的主視圖；
[0032]圖7為凝膠干燥后的SiC和BN復(fù)合凝膠體結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖7a為SiC和BN復(fù)合凝膠體的俯視圖，圖7b為SiC和BN復(fù)合凝膠體主視剖面圖(B-B面)，圖中的7-1為模具材料BN，7-2為目標(biāo)材料SiC，7-3為為模具材料BN ；
[0033]圖8為本發(fā)明實(shí)例中完成的復(fù)雜截面的SiC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖8a為SiC產(chǎn)品的俯視圖，圖8b為SiC產(chǎn)品的主視剖面圖(C-C面)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明提供了一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0035]實(shí)施例1
[0036]凝膠鑄SiC和BN的制備工藝流程如圖2所示:
[0037]制備凝膠鑄SiC陶瓷和BN陶瓷的工藝步驟如下:
[0038](1)配置單體溶液:
[0039]將丙烯酰胺(AM)單體和交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)按一定比例配制溶于去離子水中配制好單體溶液；其中單體溶液中含AM為11.4wt%、含MBAM為lwt%、含純凈水87.6wt%。將配好的單體溶液溶解充分，用濾紙過濾后密閉在玻璃容器中待用。
[0040](2)配置分散劑溶液:[0041]按10g檸檬酸氨(DAC) +90g水的比例將檸檬酸氨(DAC)和水混合溶解充分后,將配好的分散劑液溶解充分，用濾紙過濾后密閉在玻璃容器中待用。
[0042](3)混料:
[0043]a.用天平稱取5kg氧化鋯磨球，氧化鋯球的直徑為Φ 6mm，放入容積為5L的立式攪拌磨中；
[0044]b.用天平和移液管量取兩份720g單體溶液；
[0045]c.用天平和滴管量取兩份40ml分散劑；
[0046]d.加入極少量除泡劑；(加入占單體溶液重量的0.05%除泡劑，本例中加入的是二
甲基硅油水乳液，其含油量為30%)
[0047]e.分別稱量2.304kg SiC粉體和1.584kg BN粉體，分別加入到先前配制好的不同720g的單體液中。此時SiC和BN單體溶液的體積濃度都是50vol%。(2304/3.2=720cm3)(1.584/2.2=720cm3)。其中SiC陶瓷的理論密度是P SiC=3.2 (g/cm3)，BN陶瓷的理論密度是 P bn=2.2 (g/cm3)；
[0048]f.對SiC和BN單體漿料分別進(jìn)行攪拌球磨4h，使?jié){料分散均勻。
[0049](4)料漿處理:
[0050]把攪拌均勻的單體漿料(SiC單體漿料或BN單體漿料)分別用150目篩網(wǎng)過濾掉磨介及雜質(zhì)，用塑料瓶或玻璃瓶密封后保存在0°c的冰箱里面待用。
[0051](5)鑄模模具準(zhǔn)備:
[0052]采用鑄鋁做為漿料的模鑄工具，包括外套(見圖3)、上下模芯(見圖4，5，6)，其中模芯分為兩套，一套是完成復(fù)雜截面模芯，通過機(jī)械加工或3D打印技術(shù)完成，另一套是平板模芯，采用機(jī)械加工完成，來保證成型膠體的受壓面平整。
[0053](6)澆鑄SiC漿液的處理:
[0054]除漿料中的空氣，壓入的上模芯直到漿料中無氣體排出，與漿料完全接觸；將SiC單體漿液從冰箱里取出400g，加入過硫酸銨3g~4g，用磁力攪拌器攪拌均勻后(根據(jù)漿料的多少，盡量控制時間和溫度，避免漿料在注入模具之前，發(fā)生凝膠反應(yīng))倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的鑄鋁模具中，其中上下模芯采用帶有復(fù)雜截面的模芯(見圖4，5)，先將帶復(fù)雜截面的下模芯(圖5)放入鑄鋁模套(圖3)中，然后倒入帶引發(fā)劑——過硫酸銨的SiC單體漿料，將帶復(fù)雜截面的上模芯(圖4)用手動的方式，輕輕壓入鑄鋁模套(圖3)中，上模芯帶有排氣結(jié)構(gòu)通道，便于排除模具中的氣體。
[0055](7) SiC漿料的凝膠處理:
[0056]將鋁模中的SiC漿料鑄鋁模具一同放入80°C的烘干箱中，在80°C溫度下，放置30min后，取出鑄鋁模具，拿出上模芯(圖4)，檢查SiC漿料的凝膠狀態(tài)，用手指輕觸SiC膠體，如果已經(jīng)具有彈性且不發(fā)生變形即可。
[0057](8) BN單體漿料的處理和鑄模:
[0058]重復(fù)第(6)操作步驟，把SiC漿料換成BN漿料，把上下模芯更換成平板模芯(圖6)，將BN漿料100g，注入鑄鋁模具中，使BN漿料充滿已凝膠的SiC膠體上，將平板上下模芯(圖6)依次壓入鑄鋁模套(圖3)中，直到平板模芯(圖6)接觸到BN漿料為止。再放入烘干箱(烘干箱的溫度設(shè)置在60~80°C )中做BN漿料的凝膠化處理30min。
[0059](9)烘干處理:[0060]將已經(jīng)凝膠好的SiC和BN復(fù)合凝膠體，從鑄鋁模具中脫出，放在室內(nèi)無陽光直射的地方陰干，室溫溫度控制在10~25°C范圍內(nèi)，過高的溫度可能引起坯體開裂，陰干好的復(fù)合坯體，即可裝入下一步的熱壓工序。
[0061]熱壓燒結(jié)工藝步驟:
[0062](I)把干燥后的SiC和BN復(fù)合凝膠體(見圖7)，采用常規(guī)的SiC熱壓工藝，裝入石墨模具中，即可完成SiC和BN復(fù)合凝膠體的燒結(jié)。
[0063](2) SiC和BN復(fù)合凝膠體的熱壓燒結(jié)與單一的SiC熱壓燒結(jié)所不同的是，SiC是所需要的產(chǎn)品材料，BN是保證SiC最終產(chǎn)品的形狀需要，兩種材料在熱壓燒結(jié)過程中，保持著同步燒結(jié)收縮狀態(tài)。
[0064]后期SiC和BN復(fù)合燒結(jié)體的處理:
[0065](I)將熱壓燒結(jié)好的SiC和BN復(fù)合體，通過平面磨床磨出兩個大面，也就是說，將燒結(jié)過程中附著在燒結(jié)體上面的碳紙磨掉，露出兩端的BN材質(zhì)。
[0066](2)將完成步驟(1)的SiC和BN復(fù)合燒結(jié)體，用壓力0.2Mpa~IMpa的噴砂機(jī)噴槍，以80-150目的SiC鋼砂為主，用水做載體，對其進(jìn)行去除BN的處理，由于BN和SiC在高溫?zé)釅簾Y(jié)中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此很容易就可也從復(fù)合體中清除。SiC復(fù)雜截面的熱壓燒結(jié)體如圖8所示。
[0067](3)將完成步驟(2)的只剩下呈現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SiC熱壓燒結(jié)材料，可根據(jù)需要進(jìn)行必要的機(jī)械加工，一個符合要求的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的致密的SiC熱壓燒結(jié)的陶瓷產(chǎn)品，就生產(chǎn)出來了。
[0068]表1不同燒結(jié)方法的碳化硅陶瓷材料物理性質(zhì)數(shù)據(jù)表
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于:首先將模具材料通過凝膠成型工藝制備成所需的具有特定形狀的模具，然后將需要燒結(jié)的目標(biāo)陶瓷粉體采用凝膠成型技術(shù)制備成含有固相成分的漿料，注入上述模具內(nèi)形成復(fù)合熱壓坯體；所得復(fù)合熱壓坯體通過熱壓燒結(jié)后去除殘留的模具材料，最終獲得具有特定的結(jié)構(gòu)、密度、性能的目標(biāo)陶瓷制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于:所述模具材料在燒結(jié)條件下不與目標(biāo)陶瓷材料發(fā)生反應(yīng)、且能夠通過機(jī)械或化學(xué)方法加工去除。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于:所述模具材料為BN、BN與SiC的復(fù)合材料、BN與Al2O3的復(fù)合材料、BN與Si3N4的復(fù)合材料、石墨或石墨與陶瓷的復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于，所述將模具材料通過凝膠成型工藝制備成所需的具有特定形狀的模具的具體方法為:將選定的模具材料粉體通過凝膠成型工藝制備成漿料；根據(jù)要燒結(jié)的陶瓷零件的形狀和尺寸，考慮加工余量和熱壓方向的收縮率，采用機(jī)械加工或3D打印技術(shù)制備型芯與零件形狀匹配的塑料或金屬模具；所述塑料或金屬模具內(nèi)腔尺寸應(yīng)和熱壓模具內(nèi)套尺寸相配合；將已配制的模具材料漿料注入已加工的塑料或金屬模具內(nèi)，加熱到60°C~80°C，恒溫一定時間直到其凝膠固化成型，取出模芯獲得所需的具有特定形狀，由模具材料制備的模具； 或采用冷等靜壓方法先制備模具材料坯體，再通過數(shù)控機(jī)床將其加工成所需形狀的模具。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于:所述目標(biāo)陶瓷粉體為SiC、Si3N4、AIN、A10N、氧化招或氧化錯的陶瓷粉體材料或復(fù)合粉體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高致密度復(fù)雜形狀陶瓷制品的熱壓燒結(jié)方法，其特征在于:所述復(fù)合熱壓坯體整體熱壓燒結(jié)后，通過噴砂工藝去除殘留的模具材料，最終獲得具有特定結(jié)構(gòu)、密度、性能的目標(biāo)陶瓷制品。
【文檔編號】C04B35/624GK103896601SQ201410081618
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月6日
【發(fā)明者】齊龍浩, 葉志強(qiáng), 潘偉 申請人:清華大學(xué)