книги из ГПНТБ / Технология электрокерамики

лением [Л. 5-47], показало значительное преимущество этого метода перед другими. Существуют два промыш­ ленных метода изостатического прессования, отличаю­ щихся только применяемым оборудованием, но позво­ ляющих получать продукцию с одинаковыми свойства­ ми: способы мокрой и сухой формы. Способ мокрой формы применяют для прессо­ вания изделий сложной формы с выгнутыми или выпуклыми гранями. Способ сухой формы используют для прес­ сования изделий простой кон­ фигурации, выемка которых из формы не представляет за­ труднений.

или медленно уменьшать, или выдержать в течение не­ которого времени и осуществить затем декомпрессию медленно или быстро. Выбор соответствующего цикла зависит от трех основных факторов: а) типа порошка, его гранулометрии и способа изготовления; б) способа заполнения формы — вибрации или отсутствия ее; в) степени вакуумирования массы. Этим методом много лет успешно изготовляют свечи для двигателей внутрен­

117

резервуара. Пусть, например, диаметр изделия до уплот­ нения равен 206 мм. Тогда диаметр камеры .прессования должен быть равен:

206+ (2X6) + (2X1,5) + (2X12) =245 мм.

Можно принять его равным 250 мм.

Воздух, находившийся в форме до уплотнения, скап­ ливается в весьма малых пустотах сырца и может там оставаться. Декомпрессию для удаления воздуха из пор следует производить очень медленно, не повреждая сыр­ ца, или вакуумировать' форму перед уплотнением. В большинстве случаев воздух, имеющийся в пресспорошках, при прессовании дефектов не вызывает, од­ нако в этом следует убедиться при предварительных опытах.

При небольших размерах изделий выгоднее прессо­ вать одновременно несколько изделий. Если же в одну камеру помещается более одной формы, то лучше предусмотреть две камеры, независимые одна от дру­ гой, но с общей системой насосов. Цикл самого процес­ са прессования зависит от нескольких факторов: объема камеры, объема формы, коэффициента уплотнения, де­ бита насосов, максимального давления и вида компрес­ сионной жидкости.

Излишний объем, создаваемый за счет сжатия пресс-порошка:

16 468:2=8 234 см3.

Излишний объем, необходимый для заполнения камеры при

119

Однако степень уплотнения массы не всегда возра­ стает пропорционально прилагаемому давлению, и его устанавливают экспериментально, исходя из мощности имеющихся насосов.

5-5. ГОРЯЧЕЕ ПРЕССОВАНИЕ

Относительно небольшие давления прессования в тем­ пературном интервале образования жидкой фазы в ке­ рамических материалах являются действенным техноло­ гическим приемом получения высокоплотных изделий. Совмещение процессов прессования и спекания (так называемое горячее прессование) дает возможность наиболее полно реализовать малую пластичность туго­ плавких соединений [Л. 5-18]. Горячим прессованием может быть осуществлено сваривание керамики с кера­ микой [Л. 5-44].

Процесс спекания при горячем прессовании проте­ кает гораздо быстрее, и для достижения заданной ко­ нечной пористости образца возможно применение более низкой температуры, чем при спекании без давления. Метод горячего прессования позволяет использовать весьма активные и тонкодисперсные исходные материа­ лы без их предварительной обработки (обжига, брике­ тирования и т. п.) и получать изделия с плотностью, близкой к теоретической. Более высокие скорости уплот­ нения при горячем прессовании в отличие от обычного спекания (без внешнего давления) вызваны добавле­ нием внешнего давления к капиллярному, под влиянием которого происходит вязкое или пластическое течение при спекании порошков в твердой фазе. Процесс горя­ чего прессования длится несколько минут, однако весь цикл откачки, нагрева, прессования и охлаждения зани­ мает несколько часов.

Роль давления в процессах спекания сводится к сле­ дующему:

1. Под давлением возрастает общая поверхность контакта между зернами вещества, происходит переме­ щение частиц — диффузия страниц кристалл — кристалл на границы кристалл — пора, что способствует спеканию.

2.Уменьшается необходимая энергия активации (температура) процесса рекристаллизации.

3.Вызываются упругие и пластические деформации

исдвиги по плоскостям спайности, что приводит к дефор-

120

мации кристаллической решетки, т. е. к ускорению про­ цесса рекристаллизации (спеканию).

В [Л. 5-45—5-84] приведены результаты исследова­ ний горячего прессования при высоких температурах образцов из различных керамических материалов, со­ держащих жидкую фазу и без нее при температурах горячего прессования. Горячее прессование осущест­ вляют в основном в графитовых пресс-формах, однако их ограниченная механическая прочность не позволяет поднимать давление свыше 250—300 кгс/см1. Поэтому горячее прессование обычно производят при высоких температурах и относительно низких давлениях. Однако при горячем прессовании в корундовых пресс-формах удельное давление достигает 700—1 400 кгс/см2, что позволяет получать изделия почти с теоретической плот­ ностью при 1 100°С и ниже.

В [Л. 5-57] описаны опыты горячего прессования при весьма высоких давлениях (до 46 000 кгс/см2) и еще более низких температурах, а также при высоких дав­ лениях (1 000—1 100 кгс/см2) и чрезвычайно высоких температурах.

Известны установки горячего прессования на основе гидравлических прессов холодного прессования, в кото­ рых осуществляется прямой нагрев пресс-формы при подводе тока через пуансоны. Верхнюю и нижнюю тра­ версы соединяют четыре колонны, служащие направ­ ляющими для подвижной траверсы, которая прикреп­ лена к верхней части плунжера.

Перемещение плунжера и создание необходимого давления производится путем нагнетания масла от маспяного насоса в цилиндр пресса, который прикреплен к середине нижней траверсы, имеющей отверстие для прохода плунжера. В подвижную траверсу запрессова­ ны четыре втулки, скользящие по колоннам пресса. На верхней и подвижной траверсах установлены охлаждае­ мые водой верхняя и нижняя медные контактные плиты. Подвод тока к ним осуществляется при помощи шин. При горячем прессовании в вакууме удается полностью предотвратить науглероживание (при использовании графитовой формы) внутренних слоев пресс-формы. Науглероживание происходит только в тонком поверх­ ностном слое.

Проведение процесса в вакууме позволяет предотвра­ тить насыщение некоторых материалов газами, а также

1 2 1

на поверхности пресс-формы ниже, чем внутри нее, причем перепад температур по сечению пресс-формы зависит от теплоизоляции, уменьшающей потери тепла лучеиспусканием, размеров и формы сечения, а также от самой температуры спекания.

Таким образом, метод уплотнения горячим прессова­ нием охватывает много качественно различных мате­

температура, которой соответствует максимальная плот­ ность: ниже и выше этой температуры наблюдается снижение плотности [Л. 5-78, 5-79].

При повышении температуры интенсивность уплот­ нения возрастает, и давление, необходимое для получе­

с точки зрения достижения максимального уплотнения параметры горячего прессования — давление, темпера­ тура и длительность выдержки, определяемые экспери­ ментально. Считают, что при прессовании в условиях относительно низких температур ее абсолютная вели­ чина не является решающим фактором, тогда как зна­

в графитовой форме, нагреваемой током высокой часто­ ты до 2 000°С при давлении до 140 кгс/см2, образцов из окислов бериллия, магния, кальция, алюминия, цир­ кония.

122

Спрессованный при таких высоких температурах ма­ териал был непрочен и хрупок, состоял из крупных кристаллов, был загрязнен графитом. Образцы, спрес­ сованные при 1 600 °С, имели белый цвет и не были рекристаллизованными, спрессованные при 1 700°С — были серыми и рекристаллизованными.

и выдержках 10—60 мин в графитовых формах с молиб­ деновыми прокладками (которые рекомендуют приме­ нять во избежание науглероживания) исследовано горячее прессование технического глинозема марки Го, гидрата окиси алюминия (чда), А12 03 (чда), алюмоаммоиийных квасцов (чда) и монокристаллов корунда (А120з более 99,9%) (Л. 5-68]. Относительная плотность 0,99 (кажущаяся плотность 3,96 г/см3) образцов диамет­ ром 15 мм и высотой 5 мм была достигнута для всех

ром 1—3 мкм. наблюдались отдельные зерна, достигаю­ щие 250—300 мкм.

Горячее прессование окиси алюминия (средний раз­ мер частиц 10 мкм) производили в графитовой прессформе, нагреваемой индукционным способом в среде азота под давлением 200 кгс/см2. Выше 1 360°С начи­ нался процесс рекристаллизации, сопровождающийся

123

трем направлениям, характеризуется наиболее низкой относительной температурой спекания (по сравнению с окислами алюминия и бериллия). В характере спека­ ния активной окиси магния до высокой плотности на­ блюдается некоторая аномалия, заключающаяся в том, что этот материал легко спекается до относительной плотности 0,8—0,9, а дальнейшее уплотнение приоста­ навливается, несмотря на повышение температуры об­ жига и интенсивную собирательную рекристаллизацию.

Образовавшаяся при высокотемпературном спекании окиси магния закрытая пористость сохраняется, поры локализуются преимущественно внутри кристаллов периклаза и по границам зерен. Быстро растущие кри­ сталлы пернклаза захватывают пограничные поры, не исчезающие при обычных условиях спекания. В случае высокотемпературного спекания с одновременным 'При­ ложением внешнего давления (горячее прессование) можно получить практически беспористые изделия из окиси магния с плотностью, близкой к теоретической.

При прессовании окиси магния, содержащей 99,2% MgO, образцы с кажущейся плотностью 3,4 г/см3, были получены при температуре прессования 1 500°С, причем благоприятное влияние на плотность спрессованных образцов оказывает температура предварительного об­

чены только при 1 800°С. Скорость уплотнения при спе­

тате горячего прессования MgO чистотой 99,8% при

с плотностью 0,95—0,98 были получены при давлении 1400 кгс/см1 и выдержке 15—20 мин уже при 750— 800"С. Структура керамики была однородной, очень

По другим данным плотные тонкозернистые образцы окиси магния указанной чистоты были получены мето­ дом горячего прессования в графитовой форме при тем-

124

пературе около 1350°С. Образцы имели почти теорети­ ческую плотность при среднем размере зерен от 1 до 3 мкм.

Образцы из спектрально чистой окиси магния отли­ чались высокой просвечиваемостью в видимой части спектра, их 'плотность составляла 3,581 г/см3. После горячего прессования образцы приобретали серую окраску, но после двухстадийной термообработки на воздухе структура их не изменялась. Химический ана­ лиз образцов показал, что в процессе горячего прессова­ ния в них внедряется 0,03—0,07 мае. % углерода, а в процессе вышеописанной термообработки углерод почти полностью удаляется и образцы становятся мо­ лочно-белыми. Средний диаметр зерен в образцах со­ ставлял 4—5 мкм.

Применение пресс-форм из высокоплотного глино­ зема вместо графита позволяет избежать загрязнения образцов (Л. 5-56]. Горячим прессованием получены образцы из окиси магния следующих максимальных размеров: диаметр 178 и длина 12,7 мм.

Механизм уплотнения порошка MgO при горячем прессовании окончательно не установлен, но предпола­ гается, что на начальных стадиях спекания имеет место скольжение по границам зерен, а затем диффузионный крип на контакте зерен. Сопоставление данных по вы­ численным значениям коэффициента диффузии с энер­ гией активации позволило сделать вывод, что для тем­ ператур 1 150—1 425 °С и давлений 280—700 кгс/см2 уплотнение является диффузионно контролируемым про­ цессом. На уплотнение MgO горячим прессованием решающее значение оказывает поверхностная актив­ ность частиц порошка.

плотность образцов из различных порошков не превыша­ ла 0,97. При горячем прессовании в графитовых формах выше 1600°С образцы науглероживались, а при более низких температурах они сохраняли белый цвет. Полу-

125

3 мкм наблюдались отдельные зерна, достигающие 250—

300 мкм [Л. 5-70].

Сравнительное исследование процессов спекания бри­ кетов из окиси бериллия состава 97,37% ВеО, 1,16% АЬОз, 0,71% Si02 , полученных шлпкерпым литьем, и спекания порошка ВеО горячим прессованием в графи­ товых пресс-формах при 1 600, 1 700 и 1 800°С 'под дав­ лением 170 кгс/см2 показало, что наряду с высокой плотностью горячепрессовапиые изделия из ВеО обла­ дают более высокими механическими свойствами и более высокой стойкостью к термоударам. Кроме того, они от­ личаются мелкозернистой структурой.

Изготовление изделий из окиси бериллия с плот­ ностью 2,75 г/см3 производится методом горячего прес­ сования в графитовых пресс-формах при температуре около 1 800 °С под давлением 18—20 кгс/см2. Более плот­ ные изделия (2,9 г/см3) изготовляют горячим прессова­ нием в вакууме (10 мм рт. ст.) при температуре 1 850—

В [Л. 5-68—5-79] имеются данные о горячем прессова­ нии изделий из окиси бериллия, двуокиси тория, окис­ лов редкоземельных элементов — самария, диспрозия, гадолиния и европия, шпинели MgQ,-Al2 03, тнтанатов

лов: шамота, хромомагнезита, магнезита и высокоглииоземистых.

Таким образом, многочисленные данные свидетель­

126