石英陶瓷的真空烧结

石英陶瓷又称熔融石英陶瓷、石英玻璃陶瓷、石英玻璃烧结制品、熔融石英烧结制品,它是采用熔融石英或石英玻璃为原料,经粉碎、成形、烧成等一系列陶瓷工艺制备的制品,于20世纪60年代初最先由美国开发成功并投入批量生产。石英陶瓷具有成本低,高温荷重软化温度高、热膨胀系数小、热稳定性好、耐化学侵蚀性好、介电性高及电阻大等一系列的优良特性,可以制成玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊、浮法玻璃缶用闸板砖﹑浮法玻璃退火炉用空心辊、铸钢用水口、金属带材热处理炉用空心辊、有色金属冶炼用水口、塞棒﹑流槽﹑坩埚﹑焦炉炉门,以及玻璃工业用料碗、匀料筒、搅拌棒﹑料盆、旋转管、雷达天线罩等,广泛应用于宇宙飞船、火箭、导弹、雷达、原子能、电子、钢铁、炼焦、有色金属及玻璃等工业领域。

随着石英陶瓷应用范围的不断扩大,对其制品的制备也提出了越来越高的要求。关于石英陶瓷的制合最重要的2个工序是成形和烧结,每一步工艺的优劣都将影响最终陶瓷制品的性能。

1石英陶瓷的真空烧结

真空烧结是石英陶瓷生产中很重要的一个环节,它对石英陶瓷的物理化学性能有很大的影响。石英陶瓷的烧结可以采用常压烧结,也可以采用热压烧结和热等静压烧结等,日前在实际生产中应用的大都是真空烧结,在真空烧结炉种进行。在真空或惰性气体条件下处理材料,以防止材料被氧化。广泛用于硬质合金、陶瓷材料、碳纤维的石墨化。适用于硬质合金、陶瓷材料、碳纤维石墨化、碳与碳复合材料、碳化硅制品、光电镀膜材料、难熔金属(钨、钼、钨铜合金)等合金材料的真空或气氛高温烧结。

2影响石英陶瓷真空烧结的因素

2.1成形方法的影响

根据需要选择合适的成形方法,可获得显微结构均匀、各相分布均匀的坯体,通过控制和消除成形过程中的缺陷,可有效降低烧结温度及坯体收缩率,加快致密化进程,减少烧结制品的机加工量。

在注浆成形中,硅胶脱水困难以及产生的水蒸气对烧成有不良影响,因此,烧成制度应是低温时缓慢升温,高温时快速升温,使坯体在低温时充分脱水。烧成温度与保温时间的长短,应根据熔融石英原料的纯度与泥浆的粒度情况来决定。熔融石英原料很纯,杂质混入量少,烧成温度可高一点,石英玻璃纯度差,烧成温度可低一点。

在注凝成形中,料浆中含有2% ~5%的有机结合剂,在烧成过程中需除去。因此需对有机物开始热分解的温度、不同温度下的热分解速度以及完全烧除的最高温度等进行研究,从而制定出合理的真空烧除工艺。对于不同尺寸、形状的零件需采用相应的措施,这是保证坯体质量和提高生产率的重要环节。

2.2烧成温度的影响

烧成温度的高低对石英陶瓷性能有很大的影响。烧成温度过低(小于870 ℃)时,制品中会有石英矿物质存在,若温度过高时(大于1470℃),制品的矿物组成为方石英或熔质,由于温度高﹑能耗大,导致制品成本增高,不利于石英陶瓷生产和销售,而且方石英的形成也不是石英陶瓷生产所需要的,因此,石英陶瓷的烧结温度应控制在磷石英形成的温度区( 870 ~ 1470℃),考虑到制品的烧后强度﹑密度及使用温度,实际生产中,一般应控制在1200~ 1350 ℃之间。在此温度范围内,适当提高真空烧结温度,有利于扩散和烧结的进行,使真空烧结速度加快,促进致密化。

在烧成温度大于1300℃时,可以观察到陶瓷的热膨胀系数值增大,而强度却有所降低,这是由于在试样中出现了结晶相所造成的。并且高温时试样保温时间愈长,其中产生方石英的概率就会愈大。试样处于高温作用下的时间愈长,其热膨胀系数值就愈显著增大,在陶瓷其他性能相同的情况下,强度却有所降低。根据资料,可以得出如下结论:经过较高的加热与冷却速度热处理的陶瓷,结晶趋向最小。

由于石英陶瓷具有极好的性能特点——热膨胀系数小、耐热震性高,只要按照技术装备、工程安全方面的技术条件操作,就有可能将之在升温和冷却速度相当高的情况下进行真空烧结。研究表明,在石英陶瓷烧结时升温速度与冷却速度的提高,不会导致其物理机械性能的改变。对于坯体的烧结而言,由于工业设备技术条件的原因,升温速度与冷却速度只限定于500 ~550 ℃/h范围之内。采用快速烧结制度烧结石英陶瓷制品时,烧结炉的生产能力可提高1~~2倍,电能单位消耗则降低0.5~1倍,在这种情况下,制品的物理机械性能仍保持着高水平。

2.3外加剂的影响

作为石英陶瓷致密烧结的添加物应具备2个条件:一是石英陶瓷的最高烧成温度约1200℃,提高烧成温度时有明显的方石英化,故要求形成玻璃的添加物应有尽可能低的熔融温度;二是为了保持石英陶瓷的性能,还要求添加物形成的玻璃相有非常低的能和无定形SiO2相匹配的热膨胀系数。

3结论

真空烧结是石英陶瓷生产中很重要的一个环节,它对石英陶瓷的物理化学性能有很大的影响。真空烧结石英陶瓷中的关键问题是保持材料的非晶态,即防止与杜绝非晶态SiO2在烧结时的方石英化。在实际生产中,应根据石英陶瓷本身所固有的特性来制定合理的真空烧结工艺制度,石英陶瓷制品的真空烧结工序既要保证制品烧结后有足够的强度,又要控制制品的析晶及变形。