氣氛燒結

對於空氣中很難燒結的製品(如透光體或非氧化物)，為防止其氧化，可在爐膛內通入一定量的某種氣體，在這種特定氣氛下進行燒結稱為“氣氛燒結”。

基本介紹

• 中文名：氣氛燒結
• 外文名：Sintering
• 燒結對象：透光體或非氧化物等
• 氣氛選擇：氫氣、氮氣、氮氣等
• 套用：特種材料的製備
• 燒結方法：氧化氣氛燒結、中性氣氛燒結等

氣氛燒結的套用範圍

(1)製備透光性陶瓷

以高壓鈉燈用氧化鋁透光燈管為例，為使燒結體具有優異的透光性，必須使燒結體中的氣孔率儘量降低，只有在真空或氫氣中燒結，氣孔內的氣體才能很快地進行擴散而消除。其它如MgO、Y₂O₃、BeO、ZrO₃等透光陶瓷也都應採用氣氛燒結法。

(2)防止非氧化物陶瓷的氧化

氮化矽、碳化矽等非氧化物陶瓷也必須在氮及惰性氣體中進行燒結。對於在常壓下高溫易於氣化的材料，可使其在稍高壓力下燒結。

(3)對易揮發成分進行氣氛控制

在陶瓷的基本成分中，如含有某種揮發性高的物質時，在燒結過程中，它將不斷向大氣擴散，從而使基質中失去準確的化學計量比。因此，如含PbO、Sb₂O₃等的陶瓷的燒結，為了保持必要的成分比，除在配方中適當加重易揮發成分外，還應注意燒成時的氣氛保護。方法可用耐火坩堝蓋燒，含PbO量高的氣氛板夾燒，以及在爐中放PbO粉料等。

氣氛燒結的方法

按照氣氛性質的不同，氣氛燒結技術可以分為：氧化氣氛燒結、還原氣氛燒結、中性氣氛燒結等。以上三種氣氛可分別通氧(O₂能夠降低氣氛中N2的相對濃度，從而有利於材料中N₂逸出)、通氫(H₂有利於維持還原氣氛)、通氮(N₂有利於維持中性氣氛)。

還有一種典型的氣氛燒結法是控制揮發氣氛燒結法。在無機非金屬原料中,有許多化合物(例如PbO，SnO₂，CdO)具有較高的蒸氣分壓，這就意味著這些化合物在較低溫度下就會大量揮發。含有這種化合物的原料，其揮發份較高，所以不能保證配料時的設計組分配比，材料也不易燒結。但是,如果將含有這類化合物的材料密閉在一個容器內，加熱時揮發份將在固定空間內氣化而形成揮發氣氛，當揮發份濃度達到平衡蒸氣分壓後便會停止揮發(溫度越高，平衡蒸氣壓就越大)。但是，如果密閉容器漏氣或者容器壁與揮發物發生化學反應，這時容器內的揮發份蒸氣分壓將會下降，,原來的平衡就被破坏於是揮發份將繼續揮發至新的平衡狀態。

氣氛燒結溫度

對於溫度的主要要求是，在液相燒結過程中能夠保證生成液相。使用高於液相形成的溫度可以提高材料原子的擴散速率、濕潤性和固相在液相中的溶解度，降低液相的黏度和增加液相的數量。在較高的溫度下，界面的偏析也比較低。在持續液相燒結中，所有這些因素都有助於提高緻密化的速度。為了達到最佳緻密化和使顯微組織的粗化程度降低到最低，在實踐中需要將溫度和時間結合起來進行考慮。當燒結溫度提高時，由於材料原子的擴散速率提高和液相數量增加，其最佳燒結時間可以縮短。

氣氛燒結的時間

達到全緻密所需要的時間受幾個因索的影響，但主要的是受液相的含量和燒結溫度的支配。對於高溶解度比系統，在液相體積分數大約為15%的情況下，達到全緻密的時間大約是20min。如圖所示，在燒結溫度為1400℃的情況下，燒結時間對於93% W-5% Ni-2% Cu壓坯燒結密度的影響。由圖可以看出，其緻密化主要是發生在開始的20min以內，大約在超過60min以後僅有少量的緻密化。對於非完全緻密材料，延長燒結時間，由於有利於孔隙的逐漸消除，所以對於製品性能的改善通常是有利的。但燒結時間過長會導致孔隙的長大和顯微組織的粗化，所以，燒結時間的長短應視具體情況的不同而進行選擇。

燒結時間對坯密度的影響