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氧化锆陶瓷是如何制备与氧化锆陶瓷烧结中常见问题及原因分析

发布日期:2019-09-12 点击次数:204
氧化锆陶瓷具有强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀等优良的性能,被广泛应用于各个领域,如刀具、模具、阀门材料、氧传感器、固体燃料电池等。
近年来,随着人们对装饰品需求的不断提高,彩色氧化锆陶瓷以其优异的性能、鲜艳的颜色、金属光泽及无过敏作用等特点,成为表链、手链、纽扣等高档装饰材料的新宠,那么,彩色氧化锆陶瓷是如何制备出来的呢?
固相混合法
固相混合法制备彩色氧化锆陶瓷工艺流程
优点:工艺简单成本低廉、操作方便、易工业化等优点。目前,彩色氧化锆的合成基本上采用此法。
缺点:无法克服纳米颗粒团聚,着色相和基体纳米颗粒混合不均匀,且球磨时间长,球磨介质或大气对粉体有可能造成严重的污染。
化学共沉淀法
化学共沉淀法制备彩色氧化锆陶瓷工艺流程
优点:获得的粉末纯度高、性能优良。
缺点:由于彩色氧化锆共沉淀离子复杂,导致后期烧结过程中反应复杂,氧化锆稳定剂有可能与着色离子发生不可预期的反应,从而大量消耗。最终会影响彩色氧化锆制品的性能,同时也影响着色离子的显色光学性能。
液相浸渗法
液相浸渗法制备彩色氧化锆陶瓷工艺流程
特点:与传统制备工艺相比,液相浸渗法在工艺上更加简便,且制备出的彩色氧化锆陶瓷在颜色均一性和物理性能上都具有明显的优势。此外,液相浸渗法能充分利用注射成型能制得各种形状复杂的氧化锆坯体,从而制得各种复杂形状的彩色氧化锆陶瓷。
其他方法
钟伟等开发了一种新工艺,将氧化锆陶瓷加工成坯后,进行正常的脱脂、脱蜡,在低温不保护气氛素烧处理,然后再将处理后的氧化锆生坯在真空保护条件下进行高温烧结。在烧结时摆放工件采用石墨坩埚,并且在工件表面放置石墨纸。利用石墨在高温下对氧化锆表面的渗入来实现对氧化锆陶瓷的黑色着色。
缺点:该方法对设备要求高,需要真空环境;着色只是停留在氧化锆制品的表面,不利于后期的深加工;黑色不够亮丽,在使用的过程中有渐渐淡化的可能。
陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的,坯体中存在大量气孔,气孔率一般为35%~60%(即素坯相对密度为40%~65%),具体数值取决于粉料自身特征和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时,素坯中的颗粒发生物质迁移,达到某一温度后坯体发生收缩,出现晶粒长大,伴随气孔排除,最终在低于熔点的温度下(一般在熔点的0.5~0.7倍)素坯变成致密的多晶陶瓷材料,这种过程称为烧结。
烧结是陶瓷坯体成型的最后一道工艺,陶瓷产品的性能优劣很大一部分因素是由烧结来决定的。氧化锆陶瓷要烧结地致密度高、均匀,不仅前一道加工工序脱脂环节至关重要,还受粉体、添加剂、烧结温度及时间、压力及烧结气氛等因素的影响。
在具体烧结过程中,氧化锆陶瓷坯体可能出现变形、开裂、晶粒异常长大等问题,其原因可能是哪些?下面我们就根据具体问题具体分析一下。
一、变形
氧化锆陶瓷在烧结过程中发生变形,原因可能是粉体粒径分布过宽;粉体中添加剂的选择和添加量不合理;陶瓷的收缩不一致等。
而陶瓷的收缩不一致,有以下三方面原因:
①炉温不均匀,陶瓷坯体发生不一致的收缩;
②升温速度快,温度传导产生梯度,陶瓷坯体越靠近表层收缩越快,越中心收缩越慢。
③有密度梯度,在成型时,因为压力及填料等因素,导致坯体内部收缩比不一致。
二、破裂
烧结后的陶瓷坯体发生破裂的主要原因在于陶瓷坯体内部有缺陷,同时也与坯体收缩有关,而坯体收缩不一致的原因参见烧结变形原因分析。
当收缩不一致时,如果存在缺陷(孔洞、暗裂等),其缺陷成为断裂源,裂纹扩散导致坯体开裂。
三、晶粒异常长大
当晶粒出现异常长大时,这些过大的晶粒内往往还有大量的气孔难以再由晶粒内抵达晶界而排出,就会使陶瓷材料难以达到较高的密度,材料的许多性能恶化,特别是力学性能(断裂韧性、抗弯强度等)。
导致晶粒异常长大的主要原因有以下三点:
①原始粉料颗粒尺寸分布范围太宽,即粉料中最大颗粒大于或远大于平均颗粒晶粒尺寸的2倍;
②成型时坯体密度不均(粉体团聚、素坯压制压力有梯度、添加剂不匀),烧结发生了不均匀的致密化;
③过高的烧结温度与过长的保温时间。