使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]放電等離子燒結(jié)是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓燒結(jié)法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場(chǎng)擴(kuò)散作用。在放電等離子燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。放電等離子燒結(jié)是有效利用粉末內(nèi)部的自身發(fā)熱作用而進(jìn)行燒結(jié)的。這種放電直接加熱法，熱效率極高，放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質(zhì)、致密、高質(zhì)量的燒結(jié)體。放電等離子燒結(jié)過程可以看作是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個(gè)促進(jìn)燒結(jié)的因素外，在放電等離子燒結(jié)技術(shù)中，顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫，使顆粒表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)(如去除表層氧化物等)和吸附的氣體?，F(xiàn)在關(guān)于該技術(shù)的報(bào)道很多，在制備大塊納米材料、硬質(zhì)合金材料、梯度功能材料，陶瓷材料方面人們展開了大量的研宄工作，取得了很多成果。其具有燒結(jié)時(shí)間短，快速致密化的特點(diǎn)以外可以有效的降低燒結(jié)溫度，有效的抑制晶粒長(zhǎng)大，在制備納米塊體材料領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]助燒劑又稱燒結(jié)助劑，通常在陶瓷燒結(jié)過程中加入的促進(jìn)燒結(jié)致密化的氧化物或非氧化物。加入助燒劑的作用主要在以下四個(gè)方面，(I)與燒結(jié)物形成固溶體，當(dāng)助燒劑能與燒結(jié)物形成固溶體時(shí)，將使晶格畸變而得到活化。故可降低燒結(jié)溫度。(2)阻止晶型轉(zhuǎn)變，有些氧化物在燒結(jié)時(shí)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變并伴有較大體積效應(yīng)，這就會(huì)使燒結(jié)致密化發(fā)生困難，并容易引起坯體開裂。這時(shí)若能選用適宜的燒結(jié)助劑加以抑制，即可促進(jìn)燒結(jié)。(3)抑制晶粒長(zhǎng)大，由于燒結(jié)后期晶粒長(zhǎng)大，對(duì)燒結(jié)致密化有重要作用。但若二次再結(jié)晶或間斷性晶粒長(zhǎng)大過快，又會(huì)因晶粒變粗、晶界變寬而出現(xiàn)反致密化現(xiàn)象并影響制品的顯微織構(gòu)。這時(shí)，可通過加入能抑制晶粒異常長(zhǎng)大的助燒劑，來促進(jìn)致密化進(jìn)程。(4)產(chǎn)生液相，燒結(jié)時(shí)若有適宜的液相，往往會(huì)大大促進(jìn)顆粒重排和傳質(zhì)過程。助燒劑的另一作用機(jī)理，就在于能在較低溫度下產(chǎn)生液相以促進(jìn)燒結(jié)。液相的出現(xiàn)，可能是助燒劑本身熔點(diǎn)較低；也可能與燒結(jié)物形成多元低共熔物?，F(xiàn)在關(guān)于該技術(shù)的報(bào)道也很多，馬立斌，CN201310741490.6 —種用于生產(chǎn)制備高導(dǎo)熱陶瓷基片的三元復(fù)合助燒劑，通過采用A1203、Y20#P CaO三元復(fù)合助燒劑，在較低的燒結(jié)溫度下獲得高的熱導(dǎo)率，降低能耗。尹小林，200510031367.0生料助燒劑，采用主體原料氧化劑或者采用主體原料氧化劑加輔助原料制備而成，該發(fā)明減少或消除化學(xué)不完全燃燒和機(jī)械不完全燃燒，提高能源效率大幅度降低能耗，保護(hù)環(huán)境。現(xiàn)有的助燒劑技術(shù)可以應(yīng)用于放電等離子燒結(jié)，但都不是針對(duì)放電特性及焦耳產(chǎn)熱設(shè)計(jì)的。
[0004]本發(fā)明的放電等離子助燒劑助燒原理與以上所述的助燒劑有本質(zhì)的不同，主要通過助燒劑在燒結(jié)過程中的放電增強(qiáng)效應(yīng)和增強(qiáng)的焦耳熱作用促進(jìn)燒結(jié)，放電等離子燒結(jié)用助燒劑及相關(guān)技術(shù)尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法，本發(fā)明使用助燒劑對(duì)原料合金粉末顆粒表面進(jìn)行修飾，通過助燒劑在粉末顆粒界面吸附，起到放電間隙調(diào)控和增大界面電阻的作用，增強(qiáng)界面放電效應(yīng)及焦耳熱效率，在更低溫度、更短時(shí)間制備出更致密的高質(zhì)量塊體材料。低溫下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)形成塊體材料的助燒原理如圖1所示，材料樣品的組織結(jié)構(gòu)由低電阻成分構(gòu)成，合金顆粒表面被高電阻率助燒劑所修飾，在燒結(jié)條件下，顆粒間的有效放電及界面焦耳熱可產(chǎn)生局部高溫，使顆粒表面局部熔化，助燒劑進(jìn)一步增強(qiáng)了放電效果，降低燒結(jié)溫度。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]I)助燒劑的選擇
[0008]助燒劑由高電阻的納米粒子構(gòu)成，助燒劑的熔點(diǎn)等于或者高于被燒結(jié)材料，其顆粒尺寸為2?500nm。助燒劑在燒結(jié)過程中起到增強(qiáng)顆粒間放電效果，產(chǎn)生局部高溫，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。
[0009]2)助燒劑的用量和添加
[0010]助燒劑用量為:助燒劑與燒結(jié)粉末顆粒后，助燒劑的質(zhì)量百分比含量為0.001?
0.5%，將助燒劑用機(jī)械、物理或化學(xué)方法修飾待燒結(jié)粉末顆粒的表面，使其均布于待燒結(jié)粉末顆粒表面，之后稱重并放入模具冷壓定型。
[0011]3)放電等離子燒結(jié)致密化
[0012]采用放電等離子燒結(jié)方法，進(jìn)行粉末冷壓坯的致密化燒結(jié)成形，燒結(jié)過程在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度燒結(jié)的同時(shí)達(dá)到致密化。
[0013]本發(fā)明的有益效果
[0014]采用本發(fā)明制備塊體材料，可使燒結(jié)產(chǎn)熱更加集中于顆粒界面，提高燒結(jié)效率。在通常的放電等離子燒結(jié)所具有的燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間短的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，更加突出放電等離子燒結(jié)的獨(dú)特作用。制備的塊體材料界面結(jié)合更加緊密，致密度高，晶粒更加細(xì)小，綜合性能優(yōu)異。
【附圖說明】
[0015]圖1是放電等離子燒結(jié)助燒劑作用原理示意圖。
[0016]圖2是CaF2m米助燒劑修飾Fe_6.5Si粉末顆粒表面SEM像。
[0017]圖3是使用與未使用CaF2納米助燒劑Fe_6.5Si樣品燒結(jié)效果對(duì)比圖。其中:a)使用助燒劑；b未使用助燒劑燒結(jié)樣品的SEM照片。
[0018]圖4是使用與未使用CaF2納米助燒劑Fe_6.5Si樣品燒結(jié)致密化過程參數(shù)對(duì)比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明包括以下步驟:
[0020]I)助燒劑的選擇
[0021]助燒劑由高電阻的納米粒子構(gòu)成，助燒劑的熔點(diǎn)等于或者高于被燒結(jié)材料，其顆粒尺寸為2?500nm。助燒劑在燒結(jié)過程中起到增強(qiáng)顆粒間放電效果，產(chǎn)生局部高溫，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。
[0022]2)助燒劑的用量和添加
[0023]助燒劑用量為:助燒劑與燒結(jié)粉末顆粒后，助燒劑的質(zhì)量百分比含量為0.001?
0.5%，將助燒劑用機(jī)械、物理或化學(xué)方法修飾待燒結(jié)粉末顆粒的表面，使其均布于待燒結(jié)粉末顆粒表面，之后稱重并放入模具冷壓定型。
[0024]3)放電等離子燒結(jié)致密化
[0025]采用放電等離子燒結(jié)方法，進(jìn)行粉末冷壓坯的致密化燒結(jié)成形，燒結(jié)過程在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度燒結(jié)的同時(shí)達(dá)到致密化。
[0026]所述的助燒劑為CaF2。
[0027]具體實(shí)例:
[0028]采用市售氣霧化Fe-6.5Si粉末為燒結(jié)原料，市售的CaF2m米粉為放電等離子燒結(jié)助燒劑，采用物理化學(xué)法將CaF2納米粉均勻修飾于Fe-6.5Si粉末顆粒表面，修飾效果如圖2所示，修飾后粉末冷壓制胚后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。放電等離子燒結(jié)試驗(yàn)在DR.SINTERSPS-625型放電等離子燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行，使用硬質(zhì)合金模具，陰模內(nèi)徑直徑15mm。陰模與陽(yáng)模之間以及陽(yáng)模與樣品之間放有石墨紙，預(yù)緊后使電偶測(cè)溫孔與樣品中心位于同一高度，保證測(cè)溫真實(shí)可靠。升溫速率為150°C/min，升至600°C。陽(yáng)模的縱向單軸壓力為600MPa，保持于整個(gè)燒結(jié)過程。圖3為使用與未使用CaF2納米助燒劑Fe-6.5Si樣品燒結(jié)效果對(duì)比圖，通過對(duì)比明顯看出加入助劑燒結(jié)后的塊體材料組織更致密，經(jīng)測(cè)定兩塊體致密度分別為96.4%和99%，可見助燒效果顯著。圖4為使用與未使用CaF2納米助燒劑Fe_6.5Si樣品燒結(jié)致密化過程參數(shù)對(duì)比曲線，燒結(jié)過程Z軸位移曲線代表燒結(jié)致密化進(jìn)程，從圖4中可以看出，未加助燒劑的樣品燒結(jié)過程從128s開始到216s完成，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的溫度分別為319°C、532°C，而加入助燒劑的燒結(jié)過程從104s開始到194s結(jié)束，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的溫度分別為280°C、478°C，比較可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，加入助燒劑后起始、終止燒結(jié)溫度分別降低39°C、54°C，燒結(jié)用時(shí)縮短22s。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法，該方法包括以下步驟: 1)助燒劑的選擇 助燒劑由高電阻的納米粒子構(gòu)成，助燒劑的熔點(diǎn)等于或者高于被燒結(jié)材料，其顆粒尺寸為2?500nm ;助燒劑在燒結(jié)過程中起到增強(qiáng)顆粒間放電效果，產(chǎn)生局部高溫，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用； 2)助燒劑的用量和添加 助燒劑用量為:助燒劑與燒結(jié)粉末顆粒后，助燒劑的質(zhì)量百分比含量為0.0Ol?0.5%，將助燒劑用機(jī)械、物理或化學(xué)方法修飾待燒結(jié)粉末顆粒的表面，使其均布于待燒結(jié)粉末顆粒表面，之后稱重并放入模具冷壓定型； 3)放電等離子燒結(jié)致密化 采用放電等離子燒結(jié)方法，進(jìn)行粉末冷壓坯的致密化燒結(jié)成形，燒結(jié)過程在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度燒結(jié)的同時(shí)達(dá)到致密化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法，其特征在于:所述的助燒劑為CaF2。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用助燒劑對(duì)合金粉末顆粒進(jìn)行放電等離子燒結(jié)的方法，該方法使用助燒劑對(duì)原料合金粉末顆粒表面進(jìn)行修飾，通過助燒劑在粉末顆粒界面吸附，起到放電間隙調(diào)控和增大界面電阻的作用，增強(qiáng)界面放電效應(yīng)及焦耳熱效率。本發(fā)明可使燒結(jié)產(chǎn)熱更加集中于顆粒界面，提高燒結(jié)效率。本發(fā)明在通常的放電等離子燒結(jié)所具有的燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間短的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，更加突出放電等離子燒結(jié)的獨(dú)特作用。制備的塊體材料界面結(jié)合更加緊密，致密度高，晶粒更加細(xì)小，綜合性能優(yōu)異。
【IPC分類】C22C1/05, B22F3/105
【公開號(hào)】CN104942289
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510411864
【發(fā)明人】王明罡, 李好峰, 趙占奎
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年7月14日