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二次烧结工艺对结构陶瓷的性能影响分析

内容导读:结构陶瓷 经过烧结后具有高硬度和高强度的特点,普通的刀具无法对其进行加工,只能使用金刚砂刀具进行加工,但是也需要非常长的时间进行加工,造成了结构陶瓷的生产成本非常高
结构陶瓷经过烧结后具有高硬度和高强度的特点,普通的刀具无法对其进行加工,只能使用金刚砂刀具进行加工,但是也需要非常长的时间进行加工,造成了结构陶瓷的生产成本非常高。为了解决这个问题,我们科众工业陶瓷厂的技术人员思考是否可以通过二次烧结的工艺来提高生产效率和降低生产成本。二次烧结工艺是指先将陶瓷坯体成型并进行初步烧结,然后再进行机加工,再将陶瓷烧结进行致密烧结。由于初步烧结时陶瓷并没有致密化,所以相对硬度和强度都不会很高,进行机加工就更加容易,可以大大降低陶瓷的生产时长和成本,但是使用二次烧结工艺对结构陶瓷的性能有什么影响呢?今天科众工业陶瓷厂在这里用氧化锆陶瓷来做实验分析二次烧结工艺对陶瓷性能的影响。
二次烧结工艺对结构陶瓷的性能影响分析
二次烧结工艺对结构陶瓷的性能影响分析

由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢等优点,因此被广泛应用于结构陶瓷领域。但是由于致密烧结的氧化锆陶瓷由于硬度高、强度大,只能用金刚砂刀具进行加工,加工成本高、时间长。为解决上述问题,现在多采用氧化锆陶瓷的两次烧结工艺,在陶瓷坯体成型及初步烧结后,经过机加工,再烧结到终烧结温度使材料完全致密。那么一次烧结和两次烧结过程对氧化锆陶瓷各项性能的影响是否存在差异,两次烧结是否会造成材料机械性能的下降,关于这方面的研究较少,本实验对氧化锆陶瓷的两次烧结性能进行了研究。
 
根据实验氧化锆陶瓷一次和两次烧结后的烧结体密度不同烧结方式和烧结温度下氧化锆陶瓷的相对密度随着烧结温度的升高,氧化锆陶瓷的相对密度呈上升的趋势,达到一个最高点后出现下降。一次烧结时最大对密度出现在1400℃,相对密度为99.98%;两次烧结时最大相对密度出现在900℃/1450℃,相对密度为98.49%。一次烧结的相对密度略高于两次烧结。
 
根据实验氧化锆陶瓷两次烧结后的机械性能与一次烧结相比,两次烧结后氧化锆陶瓷的机械性能发生了改变。两次烧结后三点挠曲强度明显下降,一次烧结后的三点挠曲强度最高为1536.37MPa±85.49MPa,两次烧结后的三点挠曲强度最高为1059.08MPa±75.24MPa,两者之间有统计学差异(P<0.01)。两次烧结后材料的维氏硬度值与一次烧结1400℃时的维氏硬度值之间有统计学差异(P<0.01)。900℃/1450℃烧结时的断裂韧性与一次烧结1400℃时的断裂韧性之间有统计学差异(P<0.01)
 
根据实验氧化锆陶瓷一次烧结和两次烧结后的显微结构氧化锆陶瓷在900℃/1450℃烧结温度下烧结体呈致密的多晶结构,有极少量孔隙,晶粒尺寸大约在300nm,有个别晶粒较大,超过400nm。断裂模式主要为沿晶断裂,未见到有穿晶断裂模式。氧化锆陶瓷在1400℃烧结温度下烧结体呈致密的多晶结构,无孔隙,晶粒大小均匀,晶粒尺寸为300 ̄400nm。断裂模式为混合型断裂,可见沿晶断裂和穿晶断裂同时存在。
 
讨论两次烧结工艺改变了氧化锆陶瓷的烧结动力学,对氧化锆陶瓷的烧结密度、机械性能及显微结构均会造成一定的影响。致密烧结的可切削氧化锆陶瓷较两次烧结的可切削氧化锆陶瓷机械性能好。
 
对两次烧结氧化锆陶瓷和一次烧结氧化锆陶瓷的性能进行比较,发现一次烧结氧化锆陶瓷的机械性能明显好于两次烧结氧化锆陶瓷,一次烧结氧化锆陶瓷的双轴弯曲强度和断裂韧性分别为840MPa和7.4MPa・m1/2,两次烧结氧化锆陶瓷的双轴弯曲强度和断裂韧性分别为680MPa和5.5MPa・m1/2,一次烧结氧化锆陶瓷的断裂模式为穿晶/沿晶复合型,裂纹走向较直;两次烧结氧化锆陶瓷的断裂模式主要为沿晶断裂,裂纹走向较曲折[2]。复合型断裂模式的材料性能好于单纯的沿晶断裂模式。另外,两次烧结氧化锆陶瓷的孔隙率为9%,一次烧结氧化锆陶瓷的孔隙率小于1%,烧结体更致密。研究两次烧结对氧化锆陶瓷性能的影响,发现在相同烧结温度下,一次烧结的晶粒尺寸较小,平均粒径为1.1μm,而两次烧结的晶粒尺寸较大,达到1.5μm;晶粒尺寸还与烧结温度密切相关,烧结温度为1923K时的平均晶粒尺寸为1.5μm,烧结温度为1823K时的平均晶粒尺寸为0.67μm。在研究中发现,一次烧结时氧化锆陶瓷的最大相对密度出现在1400℃,在两次烧结时氧化锆陶瓷的最大相对密度出现在900℃/1450℃,两次烧结较一次烧结时的温度提高了50℃,相对密度也略有下降。两次烧结的最佳机械性能出现在900℃/1450℃烧结温度,但与一次烧结时1400℃烧结温度相比,三点挠曲强度和断裂韧性明显下降,维氏硬度增大,说明两次热处理过程可使氧化锆陶瓷的硬度及脆性增大,韧性及强度下降。尽管如此,两次烧结后氧化锆陶瓷的三点挠曲强度仍高于1000MPa,断裂韧性接近6MPa・m1/2,远高于热压铸造陶瓷和粉浆涂塑陶瓷,是一种很有希望的全瓷修复材料。900℃/1450℃两次烧结试件的断面可以说明两次烧结材料机械性能下降的原因,其主要与烧结体内少量孔隙的存在及晶粒大小不均匀相关。与一次烧结1400℃试件的断面相比,两次烧结体内有少许孔隙存在,有一些晶粒明显长大,大于400nm。两次热处理过程会对材料内部气孔的排出及晶粒的长大有影响。在初烧结后,部分气孔被包裹在坯体内,两次烧结时不易排出,从而造成烧结体密度下降及结构缺陷。同时由于烧结温度的升高,部分晶粒异常长大,形成了二次再结晶。有一部分晶粒超过了室温临界相变尺寸,而由四方相转变为单斜相。单斜相的含量迅速增加,其亚稳态四方相向单斜相转变的相变增韧作用减弱,同时由于相变伴随的热膨胀使试样表面产生裂纹也削弱了强度,出现机械性能的下降。另外,两次热处理后材料断裂模式也发生了转变,从一次烧结时的穿晶/沿晶复合断裂型变成两次烧结时的单纯沿晶断裂型。两次烧结使氧化锆陶瓷晶界强度下降,导致机械性能下降。

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