氧化鋁陶瓷制作及強(qiáng)化工藝

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氧化鋁陶瓷制作工藝

　　氧化鋁陶瓷目前分為高純型與普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷系A(chǔ)l₂O₃含量在99.9％以上的陶瓷材料，由于其燒結(jié)溫度高達(dá)1650-1990℃，透射波長為1～6μm，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝：利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管；在電子工業(yè)中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷系按Al₂O₃含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時Al₂O₃含量在80％或75％者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機(jī)械強(qiáng)度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。其制作工藝如下：

　　一、粉體制備：

　　將入廠的氧化鋁粉按照不同的產(chǎn)品要求與不同成型工藝制備成粉體材料。粉體粒度在1μm微米以下，若制造高純氧化鋁陶瓷制品除氧化鋁純度在99.99％外，還需超細(xì)粉碎且使其粒徑分布均勻。采用擠壓成型或注射成型時，粉料中需引入粘結(jié)劑與可塑劑，一般為重量比在10—30％的熱塑性塑膠或樹脂？有機(jī)粘結(jié)劑應(yīng)與氧化鋁粉體在150—200℃溫度下均勻混合，以利于成型操作。采用熱壓工藝成型的粉體原料則不需加入粘結(jié)劑。若采用半自動或全自動干壓成型，對粉體有特別的工藝要求，需要采用噴霧造粒法對粉體進(jìn)行處理、使其呈現(xiàn)圓球狀，以利于提高粉體流動性便于成型中自動充填模壁。此外，為減少粉料與模壁的摩擦，還需添加1～2％的潤滑劑？如硬脂酸？及粘結(jié)劑PVA.

　　欲干壓成型時需對粉體噴霧造粒，其中引入聚乙烯醇作為粘結(jié)劑。近年來上海某研究所開發(fā)一種水溶性石蠟用作Al2O3噴霧造粒的粘結(jié)劑，在加熱情況下有很好的流動性。噴霧造粒后的粉體必須具備流動性好、密度松散，流動角摩擦溫度小于30℃。顆粒級配比理想等條件，以獲得較大素坯密度。

　　二、成型方法：

　　氧化鋁陶瓷制品成型方法有干壓、注漿、擠壓、冷等靜壓、注射、流延、熱壓與熱等靜壓成型等多種方法。近幾年來國內(nèi)外又開發(fā)出壓濾成型、直接凝固注模成型、凝膠注成型、離心注漿成型與固體自由成型等成型技術(shù)方法。不同的產(chǎn)品形狀、尺寸、復(fù)雜造型與精度的產(chǎn)品需要不同的成型方法。摘其常用成型介紹：

　　1干壓成型：氧化鋁陶瓷干壓成型技術(shù)僅限于形狀單純且內(nèi)壁厚度超過1mm，長度與直徑之比不大于4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機(jī)有液壓式、機(jī)械式兩種，可呈半自動或全自動成型方式。壓機(jī)最大壓力為200Mpa.產(chǎn)量每分鐘可達(dá)15～50件。由于液壓式壓機(jī)沖程壓力均勻，故在粉料充填有差異時壓制件高度不同。而機(jī)械式壓機(jī)施加壓力大小因粉體充填多少而變化，易導(dǎo)致燒結(jié)后尺寸收縮產(chǎn)生差異，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此干壓過程中粉體顆粒均勻分布對模具充填非常重要。充填量準(zhǔn)確與否對制造的氧化鋁陶瓷零件尺寸精度控制影響很大。粉體顆粒以大于60μm、介于60～200目之間可獲最大自由流動效果，取得最好壓力成型效果。

　　2注漿成型法：注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形復(fù)雜的部件。注漿成型的關(guān)鍵是氧化鋁漿料的制備。通常以水為熔劑介質(zhì)，再加入解膠劑與粘結(jié)劑，充分研磨之后排氣，然后倒注入石膏模內(nèi)。由于石膏模毛細(xì)管對水分的吸附，漿料遂固化在模內(nèi)。空心注漿時，在模壁吸附漿料達(dá)要求厚度時，還需將多余漿料倒出。為減少坯體收縮量、應(yīng)盡量使用高濃度漿料。

　　氧化鋁陶瓷漿料中還需加入有機(jī)添加劑以使料漿顆粒表面形成雙電層使料漿穩(wěn)定懸浮不沉淀。此外還需加入乙烯醇、甲基纖維素、海藻酸胺等粘結(jié)劑及聚丙烯胺、阿拉伯樹膠等分散劑，目的均在于使?jié){料適宜注漿成型操作。

　　三、燒成技術(shù)：

　　將顆粒狀陶瓷坯體致密化并形成固體材料的技術(shù)方法叫燒結(jié)。燒結(jié)即將坯體內(nèi)顆粒間空洞排除，將少量氣體及雜質(zhì)有機(jī)物排除，使顆粒之間相互生長結(jié)合，形成新的物質(zhì)的方法。

　　燒成使用的加熱裝置最廣泛使用電爐。除了常壓燒結(jié)？即無壓燒結(jié)外，還有熱壓燒結(jié)及熱等靜壓燒結(jié)等。連續(xù)熱壓燒結(jié)雖然提高產(chǎn)量，但設(shè)備和模具費用太高，此外由于屬軸向受熱，制品長度受到限制。熱等靜壓燒成采用高溫高壓氣體作壓力傳遞介質(zhì)，具有各向均勻受熱之優(yōu)點，很適合形狀復(fù)雜制品的燒結(jié)。由于結(jié)構(gòu)均勻，材料性能比冷壓燒結(jié)提高30～50％。比一般熱壓燒結(jié)提高10～15％。因此，目前一些高附加值氧化鋁陶瓷產(chǎn)品或國防軍工需用的特殊零部件、如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等制品、場采用熱等靜壓燒成方法。

　　此外，微波燒結(jié)法、電弧等離子燒結(jié)法、自蔓延燒結(jié)技術(shù)亦正在開發(fā)研究中。

　　四、精加工與封裝工序：

　　有些氧化鋁陶瓷材料在完成燒結(jié)后，尚需進(jìn)行精加工。如可用作人工骨的制品要求表面有很高的光潔度、如鏡面一樣，以增加潤滑性。由于氧化鋁陶瓷材料硬度較高，需用更硬的研磨拋光磚材料對其作精加工。如SiC、B4C或金剛鉆等。通常采用由粗到細(xì)磨料逐級磨削，最終表面拋光。一般可采用＜1μm微米的Al₂O₃微粉或金剛鉆膏進(jìn)行研磨拋光。此外激光加工及超聲波加工研磨及拋光的方法亦可采用。有些氧化鋁陶瓷零件需與其它材料作封裝處理。

　　氧化鋁陶瓷強(qiáng)化工藝

　　為了增強(qiáng)氧化鋁陶瓷，顯著提高其力學(xué)強(qiáng)度，國外新推一種氧化鋁陶瓷強(qiáng)化工藝。該工藝新穎簡單，所采取的技術(shù)手段是在氧化鋁陶瓷表面，采用電子射線真空鍍膜、濺射真空鍍膜或化學(xué)氣相蒸鍍方法，鍍上一層硅化合物薄膜，在1200℃～1580℃的加熱處理，使氧化鋁陶瓷鋼化。

　　經(jīng)強(qiáng)化的氧化鋁陶瓷的力學(xué)強(qiáng)度可在原基礎(chǔ)上大幅度增長，獲得具有超高強(qiáng)度的氧化鋁陶瓷。