A l2O3陶瓷制品燒結工藝的影響因素探討

周益平

（江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，宜興214221）

0 前言

工業特種陶瓷中，Al2O3制品以其優良的耐酸堿性、耐磨性、耐電性、機械強度高等，在化工磷復肥和有色金屬行業以及其他行業得到了廣泛的應用。在氧化鋁陶瓷生產過程中，坯體燒結后的制品顯微結構及其內在性能會發生根本變化，也很難通過其他途徑補救。所以研究氧化鋁陶瓷的燒結工藝，選擇合理的燒成制度，確保氧化鋁陶瓷制品的性能和產品質量是十分必要的。本文對燒結機理、影響燒結性能的因素、添加燒結助劑進行了探討。

1 燒結機理和影響燒結性能的因素

1.1 燒結機理

燒結是坯體由于溫度變化發生的物理化學反應，得到了致密、堅硬的陶瓷制品的過程。其物理化學變化包括坯體中殘余拌料水分的排除、物料中化合物結合水和有機物分解的排除、氧化鋁同質異晶的晶型轉變以及固態物質顆粒間的固相反應等。固相反應在氧化鋁陶瓷的燒結技術中占有重要的位置，它是通過物質質點的遷移擴散作用進行的，隨著溫度的升高，晶體的熱缺陷不斷增加，質點的遷移擴散由內擴散形式到外擴散，從而發生反應產生新的物質。

1.2 影響Al2O3陶瓷燒結的因素較多，主要表現如下：

1.2.1晶體的結構

化學鍵強的化合物（晶體）具有較高的晶格能量，晶格結構牢固，即使在較高溫度下，質點的振動遷移也較弱，只有在接近熔點溫度時，才會產生顯著的物理化學反應。所以，由這類化合物組成的坯體不易燒結。而由微細晶體組成的多晶體相比于單晶體而言，由于前者內部晶界面很多，而晶界是缺位缺陷相對集中和易消除的地方，也是原子和離子擴散遷移的快速通道，所以遠比后者易于燒結。

1.2.2物料的分散度

物料分散度越高，表面能就越高，所以具有促進遷移擴散的強大作用，有利于燒結。物料在充分粉碎的過程中，顆粒內部和表面的缺陷增加，可有效地提高質點的可遷移性。

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點遷移的距離，加快質點擴散，增加質點相對移動和相互結合的能力，從而有利于縮短燒成時間，保證燒結體內無大氣孔等缺陷。

1.2.4添加燒成助劑

在Al2O3陶瓷配料系統中，引入適當的燒結助劑，促使在較低溫度下產生液相，有利于燒結。如V2O5的作用可以降低制品燒結溫度，同時又是一種優良的陶瓷礦化劑，對促進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，氧化鋁晶格內部的空位、缺陷增多，有利于質點的遷移擴散，加速燒結過程。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點，從而有利于質點的振動遷移。同時Ti4+在高溫下會發生變價，變化成低價的Ti3+，進一步增加晶格中的陰離子的缺陷，極大地促進了燒結。

試驗如下：在 95%Al2O3粉末中加入 1%的 TiO2，并在1 600±10℃條件下完成燒結，各項性能參數見表1。

圖1 氧化鋁95瓷性能指標

但是引入的添加劑不同，其作用也不同。比如，以燒結滑石引入少許MgO,可限制燒結過程的重結晶現象，使燒結體具有結晶組成的微觀結構和較高的機械強度。如果MgO加入量過大，也會阻礙燒結，較理想的加入量約為0.04wt%～0.07wt%.

1.2.5燒成溫度和保溫時間，過燒和燒成溫度范圍

通常將坯體的氣孔率、致密度及機械強度等性能參數變化趨于穩定時的溫度稱為燒成溫度，將在溫度最高點的保溫時間稱為保溫時間。

當環境溫度值超過某一數量限，坯體的體積密度和機械強度不增反降，稱之為過燒。常將上述溫度區限稱為燒成溫度范圍。

環境溫度和高溫下的保溫時間是坯體能否完全燒結的重要外因條件。伴隨環境溫度的升高和保溫時間的延長，物質質點遷移擴散充分，坯體就會不斷收縮、體積密度就不斷提高。

一般來說，當燒成溫度不到，保溫時間再長也會生燒，燒成溫度過高或在燒成溫度點過分延長保溫時間會引起晶粒粗大，體積密度下降等過燒現象，使燒結體的機械強度降低，所以在穩定配料的情況下，確定氧化鋁制品的燒成溫度和保溫時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燒成氣氛對燒結的影響

燒結是系統總能量減少的過程，坯件粉料有很大的比表面積，表面原子具有比內部原子高得多的能量。同時，在成型過程中，坯件粉料內部也存在各種晶格缺陷。任何體系都有向最低能量狀態轉變的趨勢，這就是燒結過程的動力。即由壓坯轉變為燒結坯是系統由介穩狀態向穩定狀態轉變的過程。但燒結一般不能自動進行，因為它本身具有的能量難以克服能壘，必須升高到一定的溫度才能進行。不同的燒結氣氛對氧化鋁瓷的燒結過程會產生不同程度的影響，可能促進燒結，也可能阻礙燒結。圖2是氧化鋁瓷在各種燒結氣氛下的燒結情況。

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

1.2.7燒結壓力

圖2 氣氛對氧化鋁瓷燒結的影響

在燒結過程中，如果質點或者空位缺陷遷移方向適當，速度及效率越大，越利于燒結。這種能夠促進質點或者空位的遷移擴散效率的作用稱作遷移驅動力，它包括表面能、環境壓力及晶界自由能等。比如等靜壓燒結法就是通過增加燒結過程的環境壓力，有效地促進燒結進程，降低了燒結過程的能耗，提高了燒結體的致密度，能夠勝任常溫條件下無法完成的坯體燒結，并為氧化鋁陶瓷的低溫燒成工藝提供了設備條件。

2 結論

上面敘述的影響燒結性能的因素，在燒結過程中要視不同的條件，起主導作用也是不一樣的。要進行具體分析，有方向性的選擇，設計出最好的工藝路線和設備條件，制定科學的燒成制度。

（1）成型的原料顆粒尺寸最好相近或相對集中，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，即使是可燃有機物也不行，以免產生低溫熔洞、針眼及大氣孔。

（3）根據坯體的形狀規格，有選擇地增減燒成要素，嚴格燒成記錄，注意分析、不斷完善。

（4）燒結過程是不可逆的，要認真抓好過程控制，不合格產品不能進窯爐。不允許有分層、開裂的坯體進窯，否則會引起炸裂、廢次品以及倒窯事故，必需加強進窯前的產品檢驗。

[1]李世普.特種陶瓷工藝學[M].武漢工業大學出版社.1990.

[2][日]宗宮重行編.池文俊立譯.近代陶瓷[M].同濟大學出版社.1988.

[3]葉瑞倫,方永漢,陸佩文.無機材料物理化學[M].中國建筑工業出版社.1986.

[4]王久華等.新產品試驗與可靠性技術[M].北京:國防工業出版社.1990.

[5]葉大倫等.無機熱力學數據手冊[M].北京:冶金工業出版社.1981.