[发明专利]一种陶瓷材料烧结炉及等静压场控等离子烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬耐磨陶瓷材料制造技术领域，具体涉及一种陶瓷材料的烧结工艺与技术设备，特别涉及一种陶瓷材料烧结炉及等静压场控等离子烧结方法。

背景技术

随着近年来电子工业与航天工业的飞速发展，陶瓷零部件的生产厂家也越来越多。特别是超硬耐磨陶瓷材料发展的更快，然而超硬耐磨陶瓷材料的原辅料配方、制作工艺、成型与烧结方法，对超硬耐磨陶瓷材料的品质和性能起着非常关键的作用。依据产品结构、规格、精度及性能不同，现有技术常用成型方法有：压制成型、轧制成型、挤压成型、注浆成型、热压注成型、注射成型和静压法等成型方法。近年来发展起来的新成型技术：原位凝固成型技术、快速成型技术以及纳米材料成型技术；现有技术常用的烧结方法有：无压烧结、液相烧结、反应烧结、爆炸烧结法、热等静压烧结、微波烧结法、激光烧结法、放电等离子烧结法。

陶瓷的烧结必须具备两个基本条件：（1）存在物质迁移的机会；（2）有一种能量，如热能，促进和维持物质的迁移。现有的固相烧结、液相烧结、反应烧结等技术，所利用的材料结构与烧结的驱动力各不相同，各有特色；主要的烧结机理是液相烧结与固相烧结；传统陶瓷的烧结和绝大部分的电子陶瓷烧结依赖于液相烧结、粘滞流动和溶解再沉积过程；高强度结构陶瓷的烧结则以固相烧结为主，通过晶界扩散或点阵扩散进行物质迁移，实现烧结。

现有技术中，成型方法与烧结方法，在物质的迁移方面，使用的是外力作用或内部微观扩散；所选择的能量方式为热能、光能、极化能、电能；所提供的外部压力，以等静压技术为最佳选择；所提供的能量方式则以等离子放电技术为最佳选择；而内部的晶界与点阵的扩散基本相同；其能量与外力的作用都受到传导、方向性、作用效率的限制而不能完全发挥出效果，这就是现有成型和烧结技术发展的缺陷所在。传统方法往往会造成材料内部均匀性差、成型精度低，机加工量大等问题，导致陶瓷材料缺陷多，可靠性低、制造成本高，严重阻碍了高性能陶瓷产业化及应用。

烧结是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程；坯体在高温烧成过程中的宏观与微观作用机理与变化规律，是提高产品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益的必要条件；烧结驱动力就是总界面能的减少，陶瓷材料的致密化、晶粒长大、界面能的降低。

无压烧结：单纯的高温烧结方法，缺点是没有外力的作用，单纯的坯体内热能对陶瓷材料中宏观与微观影响；缺点是：拉出气体与晶格、晶界重排致密化不够。

热压烧结：热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。热压技术已有数十年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的制备，现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生产；缺点是：机械方式施加压力，所施加的压力具有方向性，宏观的压力方向性导致微观的结构压力不均匀，使得烧结体性能均一性不良。

热等静压烧结是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。以气体或液体作为压力介质，使材料（粉料、坯体或烧结体）在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化；缺点是：通过气体或液体对工件施加压力，所述气体或液体的压力是各向同性相等的，但所述的气体或液体是将相同的压力作用于工件的表面之上，随着工件结构与厚度的变化，工件内部各处、不同结构形状之处所感受到的压力是完全不同的，这就是说工件表面受到了相同的压力作用，但是在工件内部或不同的深度处，表面相同的压力所产生的内部或微观压强是完全不同的，所以单纯的热等静压，是在相同的外部压力和相同的外部热力作用下的烧结；必然会造成烧结体内部微观形态的非均一性，也就会导致陶瓷材料性能上的缺陷。

放电等离子体烧结是近年来发展起来的一种新型材料制备工艺方法。又被称为脉冲电流烧结。该技术的主要特点是利用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结；缺点是：烧结后的产品沿电流电场方向会出现性能分布不均匀，由于电场磁力线分布会对陶瓷材料产生区域性差异；利用微观等离子加热，微观结构缺少压力作用；所施加的放电或脉冲电流具有强烈的方向性或极性，在坯体中会形成电流通道或闪路现象，使得整体烧结体微观结构的均匀性不良，导致烧结体整体性能差异或方向性差异。