氧化铝陶瓷生产工艺中的质量控制

发布时间：2024-11-12

氧化铝

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ＦＯＳＨＡＮＣＥＲＡＭＩＣＳＶｏｌ．１５Ｎｏ．５!ＳｅｒｉａｌＮｏ．１０１"

知识讲座

!!!!!

氧化铝陶瓷生产工艺中的质量控制

付鹏

刘卫东

吴细桂

广州

!华南理工大学材料学院

５１０６４１"

摘要本文综述了氧化铝陶瓷制备过程中各工序对制品可能产生的影响#以及通常会出现的问题氧化铝陶瓷，粉磨，成形，烧结，后加工处理

与相应解决方法%关键词

１前言

α－Ａｌ２Ｏ３三种#它们的结构不同#故其性质也不同%α－Ａｌ２Ｏ３的晶体结构最紧密#其硬度大$耐磨损$高温稳

氧化铝陶瓷是一种以α－Ａｌ２Ｏ３为主晶相的陶瓷材料#通常以配料中氧化铝的含量分为７５$８０$９０$９５$９９瓷等%氧化铝陶瓷具有强度高!机械强度可达１５０ＭＰａ"$硬度高!莫氏硬度达９"$耐磨损$耐腐蚀$耐高温以及导热性好$高绝缘$低介电损耗$电性能稳定等特点%它可以制成集成电路基片$刀具$耐酸碱件$人造骨骼$研磨材料$高级耐火材料以及荧光粉载体等#广泛应用于电子$机械$化工$医药$光电$航空航天等行业%随着科学技术的发展及制造技术的提高#氧化铝陶瓷新品种不断出现#在现代工业和现代科学领域中将会得到越来越广泛的应用%

一般来说#氧化铝陶瓷的制备工艺有以下几个步骤&粉体的制备及处理$成形$烧结和最终产品的后加工%每一步工艺的优劣都将影响最终陶瓷制品的性能%

定#是三种形态中最稳定的晶态#具有良好的机械和电学性能%故α－Ａｌ２Ｏ３通常是制造氧化铝陶瓷最主要$最常用的原料%α－Ａｌ２Ｏ３含量高的陶瓷制品强度高$密度高$耐磨性能好%在生产Ａｌ２Ｏ３含量９９．５％以上高纯氧化铝陶瓷或透明陶瓷时#要求Ａｌ２Ｏ３原料纯度≥９９．９％#还需超细粉碎且粒径分布均匀%

２．２Ａｌ２Ｏ３的预烧

预烧是氧化铝陶瓷生产中重要环节之一%由于工业

Ａｌ２Ｏ３中含有γ－Ａｌ２Ｏ３#它在１２００℃以上将不可逆地转变

为α－Ａｌ２Ｏ３#伴有１４％左右的体积收缩%为消除这种收缩#在制坯前应对工业Ａｌ２Ｏ３进行预烧#Ｎａ２Ｏ$ＣａＯ等会影响

α－Ａｌ２Ｏ３的转化率#使其含量达不到要求%预烧也可以除

去Ｎａ２Ｏ等物质#提高原料的纯度%

预烧方法不同$添加物不同$气氛不同#预烧质量也不

２原料及其加工

一样%工业中预烧氧化铝时#通常要加入适量添加物#如&

Ｈ３ＢＯ４$ＮＨ４Ｆ$ＡｌＦ３等#加入量一般为０．３％～３％#添加物可以

２．１原料

氧化铝陶瓷最重要的原料是Ａｌ２Ｏ３粉#其性能好坏以及含量多少对氧化铝陶瓷有很大影响%目前#已知Ａｌ２Ｏ３有

降低预烧温度$促进晶型转化$排除Ｎａ２Ｏ等杂质%硼酸盐除碱效果好#氟化物可促进晶型转变#且收缩大$活性好

［２］

%还原气氛也有利于排除Ｎａ２Ｏ等杂质%

预烧质量还与预烧温度有关&预烧温度偏低#则不能

１０多种同质多相变体#其中主要是γ－Ａｌ２Ｏ３$β－Ａｌ２Ｏ３$

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完全转变成α－Ａｌ２Ｏ３#且电性能降低$若温度过高#粉料烧结#α－Ａｌ２Ｏ３晶粒异常长大%硬度高#不易粉碎#且烧结活性低［３］#制品难以烧结#不利于形成均匀的结构&一般情况下#Ａｌ２Ｏ３粉体煅烧温度控制在１４００～１４５０℃［１］&

混合均化#以提高粉料的成形性能和坯体强度&

３．２成形方法３．２．１模压成形

模压成形是利用压力将干粉在模型中压成致密坯体的一种成形方法&模压成形过程简单%缺陷少&由于压力作用#坯体晶粒接触面大#有利于晶界移动#故烧结致密度高#但致密度不均匀&模压成形有时会出现粉体与模壁粘结的现象#可加入１％～２％硬脂酸等润滑剂&

２．３Ａｌ２Ｏ３粉体的制备

由于颗粒细度对制品性能影响很大#预烧过的Ａｌ２Ｏ３

需要粉碎磨细&超细%活性高的Ａｌ２Ｏ３粉体制备是获得细晶而高强氧化铝陶瓷的首要条件&Ａｌ２Ｏ３粉体颗粒越细#缺陷越多#活性也越大#可促进烧结#制成的陶瓷强度也越高&小颗粒还可以分散由于刚玉和玻璃相线膨胀系数不同在晶界处造成的应力集中#减少开裂的危险性$细的晶粒还能妨碍微裂纹的发展［２］#不易造成穿晶断裂#有利于提高断裂韧性#还可提高耐磨性&所以#降低Ａｌ２Ｏ３粉体粒度#有利于制备高性能的Ａｌ２Ｏ３制品&制作氧化铝陶瓷的微粉最佳粒度为０．１～１μｍ#我国目前一般在７μｍ左右#这是国内氧化铝陶瓷质量不如国外产品质量的主要原因&

３．２．２等静压成型

该成型方法所得坯体干燥时收缩均匀#不易开裂%分层#解决了模压成形中的不足&故等静压成形可生产形状复杂%较大的制品&

３．２．３注浆成形

该法的关键是制得性能良好的Ａｌ２Ｏ３浆料&为减少坯体收缩#应尽量使用高密度浆料$浆料要有良好的悬浮性%流动性%稳定性#通常要加入适当的添加剂来改善浆料的性能&此法可以用于复杂形状制品的成形#但不适于成形壁厚悬殊%厚大截面制品#且坯体密度不高#石膏模使用时间长#其尺寸精度会下降#同时制品收缩难以控制&

２．４粉体的团聚

粉磨后粉体间由于重力%粘附力和颗粒间作用力的作用使粉体团聚&团聚会影响烧结质量#通常加入适当的分散剂#增加粉体均匀性#选择适当粉体加工方法#以减弱或消除颗粒间的作用力#从而减弱或消除团聚体［４］&

３．２．４凝胶注模成形

凝胶注模成形是将含有有机单体的低粘度%高固相含量的陶瓷料浆浇注到不吸水的模型中#然后在引发剂和催化剂的作用下#使料浆中的有机单体交链聚合成三维网状结构#从而使浓悬浮体原位固化&它可以使固相体积分数达５０％～６０％&一般情况下#为保证凝胶固体的性能#溶液中有机单体总含量不宜过多#应控制在１５％～２０％范围内#交联单体／凝胶单体比例＜１／１０为宜&

凝胶注模成形坯体气孔分布窄%均匀#为单峰分布#可

２．５颗粒级配

细颗粒含量在一定范围内有利于提高氧化铝陶瓷性能#但是当＜１μｍ颗粒含量大于４０％时易造成重结晶#晶体发育过大#气孔易封闭在晶粒内#使性能变坏&而颗粒粗又易造成难以烧结#当＞５μｍ颗粒含量大于１０％～１５％时#对烧结有明显的妨碍作用［３］#因此#大小颗粒应合理级配&

３氧化铝陶瓷的成形工艺

克服烧结时的不均匀收缩#提高氧化铝陶瓷制品的可靠性#制备的陶瓷生坯可以加工#使加工成本降低#工件烧结

３．１混料及添加剂

由于氧化铝陶瓷成形料是以瘠性料为主#常需要加入聚乙烯醇%石蜡等粘结剂和醋酸乙烯酯%羟甲基纤维素等塑化剂#基于亲水%疏水两种粘结剂优势互补的原理#使用复合粘结剂使干燥坯体强度大大增加&成形前将其与原料

后就可以使用［７］#且工艺过程短#所用设备低廉#制作成本低#加上模具多次重复使用仍能保持精度#这对要求密度均匀%精度好%形状复杂%尺寸大的陶瓷件的制作尤为有利&

３．２．５热压铸成形

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此工艺适合制造形状较复杂#精度要求高的中小型产品$该设备简单#操作方便#生产效率高#模具磨损少#寿命长$但工序复杂#耗能大#工期长#由于不易充满模腔#不宜制备壁薄的大而长的制品$

５．１．４其它烧结方法

!１"气氛烧结$即对于空气中很难烧结的制品#为了防止其氧化#在炉膛内通入一定气体#形成所要求的气氛#在此气氛下进行烧结$

!２"电场烧结$即陶瓷坯体在直流电场作用下的烧结$

４生坯的干燥与素烧

水分及添加剂的排除易使坯体产生缺陷%变形甚至倒

!３"超高压烧结$即在几十万个大气压以上的压力下进行烧结$

５．２影响氧化铝陶瓷烧结的因素５．２．１成形方法的影响

根据需要#选择合适的成形方法#可获得显微结构均匀%各相分布均匀的坯体#通过控制和消除成形过程中的缺陷#可有效降低烧结温度及坯体收缩率#加快致密化进程#减少烧结制品的机加工量$

塌#所以在坯体干燥和素烧过程中#要严格控制升温速度#否则会因温度不均匀产生热应力使坯体开裂$如&在热压铸成形坯体排蜡升温过程中#要特别注意２００～６００℃温区#在这个温区#石蜡要从坯体中排除并$因此升温要缓慢#否则会造成变形和开裂$素烧的温度太低不能完全排除其中的添加剂和水分#素坯强度低’温度太高会使坯体烧结难以加工处理$

５．２．２烧结制度的影响

适当提高烧结温度#有利于扩散和烧结的进行#使烧结速度加快#促进致密化$

５烧结

升温速度的控制对氧化铝陶瓷烧结是很重要的#通常在６００℃以下应缓慢#在１０００～１５００℃中温阶段要严格

烧结是氧化铝陶瓷生产中很重要的一环#它对氧化铝陶瓷的物理化学性能有很大的影响$

控制并尽量慢一些’在１５００℃以上升温速度可以加快#防止粗晶出现［３］$

压力也促进粉粒间的间隙减少#扩散距离缩小$

５．１烧结方法５．１．１常压烧结法

即在大气条件下将坯体烧结的过程$此法烧结温度较高#对窑炉要求也较高#能源浪费大$

５．２．３烧结气氛的影响

气氛对氧化铝陶瓷烧结影响很大#合适的气氛有助于致密化$一般来说#气氛中的氧离子分压越低#越有利于氧化铝的烧结［９］$在氢气气氛下烧结#由于氢原子半径很小%易于扩散而有利于消除闭气孔#可得到近于理论密度的烧结体$ＣＯ－Ｈ２气氛可以使氧化铝晶格中的氧离子较易失去#形成空位#加速阳离子扩散#从而有效地促进烧结#并获得很好的致密度#比氢气气氛更容易烧结$

５．１．２热压烧结和热等静压烧结

热压烧结比常温烧结温度低得多#烧成的制品理论密度可达９９％［８］#热压烧结采用预成型或将粉料直接装入模内#工艺简单$但它不宜生产过高%过厚%形状复杂制品#生产规模小#成本高$热等静压可以避免热压烧结压力的不均匀#使制品的结构更加均匀#性能更加稳定#适用于形状复杂制品的生产$

５．２．４添加剂的影响

由于氧化铝陶瓷坯料熔点很高#较难烧结#若加入某种添加物#则可改善烧结性能#促进烧结$

５．１．３液相烧结法

该法用低熔助剂促进材料烧结#助剂的引入一般会产生良好效果$常加入ＣａＯ%ＭｇＯ%ＳｉＯ２%ＢａＯ等作为熔剂$液相烧结由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生#及颗粒重排和传质过程#降低烧结温度#有效加速烧结$

５．２．５烧结方法的影响

正确选择烧结方法#是使氧化铝陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键$合适的烧结方法可有效降低烧结温度$Ａｌ２Ｏ３陶瓷常压烧结在１８００℃以上#热压!２０ＭＰａ"烧结

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在１５００℃左右就能获得接近于理论密度的制品，而高温等静压烧结!４００ＭＰａ"在１０００℃左右就已达到致密化［１１］$

合理的粉体&优选与改进成形方法&选择合适的烧结方法与气氛&制定合理的烧结温度和采取必要的后加工处理等%这样才可制备出优质的氧化铝陶瓷制品$

６氧化铝陶瓷的后加工处理

在烧结冷却后%有些产品还达不到应用的要求%所以

要进行必要的加工处理%如修正尺寸&抛光等$为了增加氧化铝陶瓷产品表面的致密性%一般用比氧化铝还要硬的金刚石&ＳｉＣ&Ｂ４Ｃ等由粗到细逐级进行研磨%最终使氧化铝陶瓷表面抛光%使陶瓷表面更加致密&光滑%可大大提高氧化铝陶瓷使用性能$还常采用Ａｌ２Ｏ３微粉或金刚石磨膏进行研磨抛光%此外%激光加工以及超声波加工研磨及抛光的方法也有采用［５］$当需要特别光滑的表面时%需要用施釉的方法$

还有人用离子注入法对材料表面进行加工%离子注入陶瓷是对现有增韧机理的补充%是对制备好的陶瓷产品的深加工$例如#用镍离子对陶瓷产品进行镍粒子注入处理后%机械强度&韧性会大大增强$现在Ａｌ２Ｏ３陶瓷的金属化也得到了迅速发展%它使陶瓷和金属粘结在一起%便于陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷间的钎焊封接$

参考文献

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现代技术陶瓷%２００１%４#３５～３８

２江崇经．影响高铝陶瓷性能的主要因素［Ｊ］．电瓷避雷器%１９９８%５#２０～２３

３李世普．特种陶瓷工艺学［Ｍ］．武汉工业大学出版社%１９９７４刘大成．Ａｌ２Ｏ３陶瓷及其烧结［Ｊ］．中国陶瓷%１９９８%３４!５"#１３～１５５刘志国．浅谈Ａｌ２Ｏ３陶瓷成型制作工艺［Ｊ］．佛山陶瓷%２００２%１２!８"#３４～３５

６施江澜．复杂形状陶瓷件的凝胶注模成型［Ｊ］．中国陶瓷工业%２００３%１０!４"#６～９

７杨金龙等．α－Ａｌ２Ｏ３悬浮液的流变性剂凝胶注模成型工艺的研

究［Ｊ］．硅酸盐学报%１９９８%２!１"#４１～４３

７结语

８刘志国．特种陶瓷烧结技术［Ｊ］．佛山陶瓷%２００２%１２!９"#３７～３８９刘国祥．影响氧化铝陶瓷烧结的因素分析［Ｊ］．江苏陶瓷%

由于氧化铝陶瓷本身的特性%其生产制备需要经过原材料的优选与加工&成形&生坯的干燥与素烧&烧结和后加工处理等冗长的工艺过程$所以必须严格控制原材料%尤其是氧化铝的纯度与稳定性%制备超细度且颗粒级配