场活化烧结技术

时间:2017-03-06 16:52 来源:未知 作者:admin 点击:次

  场活化烧结是利用外场的活化作用实现低温快速烧结致密化的一种烧结技术。20世纪80年代以来,脉冲放电对粉体烧结的有效作用得到的广泛的关注,一系列的场活化烧结设备相继开发出来并得到应用。如:日本开发了脉冲放电固结设备(pulseelectrodischargeconsolidation)、电火花/等离子烧结设备(spark/plasmasintering)或称等离子活化烧结设备(plasmaactivatedsintering),韩国开发了电阻/电火花加压烧结设备(resistancesparksinteringunderpressure),俄罗斯研制了脉冲放电加压烧结设备(pulseelectricaldischargeunderpressureapplication),美国开发了高能高速工艺和设备(high-energehigh-rateprocessing,简称HEHR工艺),巴西开发了等离子烧结设备(plasmasintering)。到门前为止,对场活化烧结的机理还不是十分清楚,但一般认为是外场可以清除粉末表面的氧化膜和杂质,促进烧结颈的形成。日本第三代电火花/等离子烧结机(SPS)的开发成功极大地推进了该技术作为一种先进的粉末冶金技术的工业化应用。图10-27显示了电火花/等离子烧结机的工作原理和一般的工艺过程。第三代电火花/等离子烧结机使用的是低电压(约30V)、大脉冲电流(最大电流2000~20000A,脉冲时间一般为1~300ms)和单向压制的设计。一般情况下是在烧结的初始阶段施加一个脉冲电流,使粉末颗粒间产生电火花或等离子弧,在电火花和等离子弧的作用下,粉末表面的氧化膜和杂质被清除,粉末颗粒直接接触并发生烧结形成烧结颈,接着同时施以大电流和一定的压力,使粉体致密化。大电流直接通过粉体或模具产生焦耳热,因此加热速率很快,一般仅为几分钟。因此与传统烧结方法相比可以在较低的温度下或较短的时间内获得高的烧结密度,可以减少烧结过程对粉末微观组观的影响,这对于烧结细晶材料、纳米材料、非晶合金等非平衡材料和易氧化材料是非常重要的。此外,场活化烧结技术可以直接应用于松装粉末,不需要像其他传统粉末冶金成形技术那样添加任何黏结剂或润滑剂,因此,可以消除由黏结剂或润滑剂所带来的脏化,对于生产纯度要求高或者很难冷压预成形的粉术材料非常有利。

  场活化烧结技术在日本已应用于工业化生产软磁和硬磁材料以及切削工具例如,采用等离子活化烧结设备生产高频电力使用的Mn-Zn铁氧体,先通以60s的脉冲电流,然后同时施加2000A的加热电流和49MPa的压力。获得的产品的密度达到99%,晶粒度只有1m,而传统烧结工艺得到的产品的晶粒度为9m。正是由于晶粒度的减小,高频磁芯的损耗从1800kW/m3,降低到了720kW/m3。Nd-Fe-Co-B磁体也是用等离子活化烧结技术生产的。场活化烧结技术应用的实验室研究很多,从金属、金属间化合物到陶瓷和复合材料都有报道。采用场活化烧结技术烧结没有添加助烧剂的AIN陶瓷,在1727℃烧结5min,其密度可以达到3.18~3.24g/cm3(相当密度为97.5%~99.3%),而传统烧结技术在1927℃烧结30h,其密度只有95%,即使添加助烧剂后,采用传统技术在1800~1927℃烧结3~4h,其密度也只有97%~98%。此外,场活化烧结技术在化合物的同步合成/固结、梯度材料制备、金属与陶瓷的扩散焊接等方面的应用也显示出了良好的前景。