A l2O3陶瓷制品燒結(jié)工藝的影響因素探討

周益平

（江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，宜興214221）

0 前言

工業(yè)特種陶瓷中，Al2O3制品以其優(yōu)良的耐酸堿性、耐磨性、耐電性、機(jī)械強(qiáng)度高等，在化工磷復(fù)肥和有色金屬行業(yè)以及其他行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在氧化鋁陶瓷生產(chǎn)過程中，坯體燒結(jié)后的制品顯微結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在性能會(huì)發(fā)生根本變化，也很難通過其他途徑補(bǔ)救。所以研究氧化鋁陶瓷的燒結(jié)工藝，選擇合理的燒成制度，確保氧化鋁陶瓷制品的性能和產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的。本文對(duì)燒結(jié)機(jī)理、影響燒結(jié)性能的因素、添加燒結(jié)助劑進(jìn)行了探討。

1 燒結(jié)機(jī)理和影響燒結(jié)性能的因素

1.1 燒結(jié)機(jī)理

燒結(jié)是坯體由于溫度變化發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，得到了致密、堅(jiān)硬的陶瓷制品的過程。其物理化學(xué)變化包括坯體中殘余拌料水分的排除、物料中化合物結(jié)合水和有機(jī)物分解的排除、氧化鋁同質(zhì)異晶的晶型轉(zhuǎn)變以及固態(tài)物質(zhì)顆粒間的固相反應(yīng)等。固相反應(yīng)在氧化鋁陶瓷的燒結(jié)技術(shù)中占有重要的位置，它是通過物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的遷移擴(kuò)散作用進(jìn)行的，隨著溫度的升高，晶體的熱缺陷不斷增加，質(zhì)點(diǎn)的遷移擴(kuò)散由內(nèi)擴(kuò)散形式到外擴(kuò)散，從而發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新的物質(zhì)。

1.2 影響Al2O3陶瓷燒結(jié)的因素較多，主要表現(xiàn)如下：

1.2.1晶體的結(jié)構(gòu)

化學(xué)鍵強(qiáng)的化合物（晶體）具有較高的晶格能量，晶格結(jié)構(gòu)牢固，即使在較高溫度下，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)遷移也較弱，只有在接近熔點(diǎn)溫度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生顯著的物理化學(xué)反應(yīng)。所以，由這類化合物組成的坯體不易燒結(jié)。而由微細(xì)晶體組成的多晶體相比于單晶體而言，由于前者內(nèi)部晶界面很多，而晶界是缺位缺陷相對(duì)集中和易消除的地方，也是原子和離子擴(kuò)散遷移的快速通道，所以遠(yuǎn)比后者易于燒結(jié)。

1.2.2物料的分散度

物料分散度越高，表面能就越高，所以具有促進(jìn)遷移擴(kuò)散的強(qiáng)大作用，有利于燒結(jié)。物料在充分粉碎的過程中，顆粒內(nèi)部和表面的缺陷增加，可有效地提高質(zhì)點(diǎn)的可遷移性。

1.2.3物料的堆積密度

顆粒緊密接觸，可較大程度縮短高溫下質(zhì)點(diǎn)遷移的距離，加快質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散，增加質(zhì)點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)和相互結(jié)合的能力，從而有利于縮短燒成時(shí)間，保證燒結(jié)體內(nèi)無大氣孔等缺陷。

1.2.4添加燒成助劑

在Al2O3陶瓷配料系統(tǒng)中，引入適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑，促使在較低溫度下產(chǎn)生液相，有利于燒結(jié)。如V2O5的作用可以降低制品燒結(jié)溫度，同時(shí)又是一種優(yōu)良的陶瓷礦化劑，對(duì)促進(jìn)陶瓷中生成莫來石晶相有積極的作用，考慮到成本，也可以少量加入。在添加燒成助劑后，氧化鋁晶格內(nèi)部的空位、缺陷增多，有利于質(zhì)點(diǎn)的遷移擴(kuò)散，加速燒結(jié)過程。比如引入Ti4+可使氧化鋁晶格中的陽離子缺位增加，活化了缺位附近的質(zhì)點(diǎn)，從而有利于質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)遷移。同時(shí)Ti4+在高溫下會(huì)發(fā)生變價(jià)，變化成低價(jià)的Ti3+，進(jìn)一步增加晶格中的陰離子的缺陷，極大地促進(jìn)了燒結(jié)。

試驗(yàn)如下：在 95%Al2O3粉末中加入 1%的 TiO2，并在1 600±10℃條件下完成燒結(jié)，各項(xiàng)性能參數(shù)見表1。

圖1 氧化鋁95瓷性能指標(biāo)

但是引入的添加劑不同，其作用也不同。比如，以燒結(jié)滑石引入少許MgO,可限制燒結(jié)過程的重結(jié)晶現(xiàn)象，使燒結(jié)體具有結(jié)晶組成的微觀結(jié)構(gòu)和較高的機(jī)械強(qiáng)度。如果MgO加入量過大，也會(huì)阻礙燒結(jié)，較理想的加入量約為0.04wt%～0.07wt%.

1.2.5燒成溫度和保溫時(shí)間，過燒和燒成溫度范圍

通常將坯體的氣孔率、致密度及機(jī)械強(qiáng)度等性能參數(shù)變化趨于穩(wěn)定時(shí)的溫度稱為燒成溫度，將在溫度最高點(diǎn)的保溫時(shí)間稱為保溫時(shí)間。

當(dāng)環(huán)境溫度值超過某一數(shù)量限，坯體的體積密度和機(jī)械強(qiáng)度不增反降，稱之為過燒。常將上述溫度區(qū)限稱為燒成溫度范圍。

環(huán)境溫度和高溫下的保溫時(shí)間是坯體能否完全燒結(jié)的重要外因條件。伴隨環(huán)境溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移擴(kuò)散充分，坯體就會(huì)不斷收縮、體積密度就不斷提高。

一般來說，當(dāng)燒成溫度不到，保溫時(shí)間再長也會(huì)生燒，燒成溫度過高或在燒成溫度點(diǎn)過分延長保溫時(shí)間會(huì)引起晶粒粗大，體積密度下降等過燒現(xiàn)象，使燒結(jié)體的機(jī)械強(qiáng)度降低，所以在穩(wěn)定配料的情況下，確定氧化鋁制品的燒成溫度和保溫時(shí)間的燒成曲線很重要。圖1是95%氧化鋁陶瓷燒成曲線。

圖1 95%氧化鋁陶瓷燒成曲線

1.2.6燒成氣氛對(duì)燒結(jié)的影響

燒結(jié)是系統(tǒng)總能量減少的過程，坯件粉料有很大的比表面積，表面原子具有比內(nèi)部原子高得多的能量。同時(shí)，在成型過程中，坯件粉料內(nèi)部也存在各種晶格缺陷。任何體系都有向最低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，這就是燒結(jié)過程的動(dòng)力。即由壓坯轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)坯是系統(tǒng)由介穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。但燒結(jié)一般不能自動(dòng)進(jìn)行，因?yàn)樗旧砭哂械哪芰侩y以克服能壘，必須升高到一定的溫度才能進(jìn)行。不同的燒結(jié)氣氛對(duì)氧化鋁瓷的燒結(jié)過程會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，可能促進(jìn)燒結(jié)，也可能阻礙燒結(jié)。圖2是氧化鋁瓷在各種燒結(jié)氣氛下的燒結(jié)情況。

從圖2中可以看出，選擇一氧化碳和氫氣混合氣氛，最容易燒結(jié)和得到最致密的燒結(jié)體。其次是純氫氣氛，因?yàn)槭褂肅O+H2氣氛，在燒結(jié)過程中，氧化鋁晶格中的氧離子會(huì)比較容易地失去，形成空位，加速陽離子的擴(kuò)散，有效地促進(jìn)燒結(jié)。我們從試驗(yàn)看出，氣氛中的氧離子的分壓愈低，愈有利于氧化鋁燒結(jié)。在燒結(jié)氣氛中，如含有大量的CO2和水蒸汽（H2O）氣氛進(jìn)行燒結(jié)，就可以在比較低的溫度下完成燒結(jié)，并得到很好的致密度。

1.2.7燒結(jié)壓力

圖2 氣氛對(duì)氧化鋁瓷燒結(jié)的影響

在燒結(jié)過程中，如果質(zhì)點(diǎn)或者空位缺陷遷移方向適當(dāng)，速度及效率越大，越利于燒結(jié)。這種能夠促進(jìn)質(zhì)點(diǎn)或者空位的遷移擴(kuò)散效率的作用稱作遷移驅(qū)動(dòng)力，它包括表面能、環(huán)境壓力及晶界自由能等。比如等靜壓燒結(jié)法就是通過增加燒結(jié)過程的環(huán)境壓力，有效地促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)程，降低了燒結(jié)過程的能耗，提高了燒結(jié)體的致密度，能夠勝任常溫條件下無法完成的坯體燒結(jié)，并為氧化鋁陶瓷的低溫?zé)晒に囂峁┝嗽O(shè)備條件。

2 結(jié)論

上面敘述的影響燒結(jié)性能的因素，在燒結(jié)過程中要視不同的條件，起主導(dǎo)作用也是不一樣的。要進(jìn)行具體分析，有方向性的選擇，設(shè)計(jì)出最好的工藝路線和設(shè)備條件，制定科學(xué)的燒成制度。

（1）成型的原料顆粒尺寸最好相近或相對(duì)集中，晶界最好是平面的。這就要求粉碎后的粉料具有很好的顆粒分布曲線，從原料開始就不允許混入大顆粒或聚合粒子。

（2）在原料處理和成型過程中，不能摻入大顆粒添加劑或雜質(zhì)，即使是可燃有機(jī)物也不行，以免產(chǎn)生低溫熔洞、針眼及大氣孔。

（3）根據(jù)坯體的形狀規(guī)格，有選擇地增減燒成要素，嚴(yán)格燒成記錄，注意分析、不斷完善。

（4）燒結(jié)過程是不可逆的，要認(rèn)真抓好過程控制，不合格產(chǎn)品不能進(jìn)窯爐。不允許有分層、開裂的坯體進(jìn)窯，否則會(huì)引起炸裂、廢次品以及倒窯事故，必需加強(qiáng)進(jìn)窯前的產(chǎn)品檢驗(yàn)。

[1]李世普.特種陶瓷工藝學(xué)[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社.1990.

[2][日]宗宮重行編.池文俊立譯.近代陶瓷[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.1988.

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