氧化锆陶瓷粉末性能与烧结组织的研究
陈晓军 陶立 杨波 胡会南 韩冰 柳秉毅
科技创新导报
摘 要：研究了两种不同粒度的氧化锆粉末以及由它们级配组成的混合粉体的振实密度和流动性等方面的性能，同时还考察了这几种氧化锆陶瓷粉体压制烧结后的组织和性能，并对实验的结果进行了一些分析和探讨。
关键词：氧化锆 粉末性能 烧结 陶瓷组织
氧化锆陶瓷材料由于具有十分优异的物理、化学性能，不仅成为材料研究领域的热点之一，而且不少产品已经获得了工业化生产，具有良好的经济效益和应用前景。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，热膨胀系数与钢相近，因此被广泛用作结构陶瓷，用于制造如磨球、喷嘴、球阀球座、模具型腔、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、表壳及表带以及其它室温耐磨零器件等。由于其良好的耐高温性能和热稳定性，还适于制作感应加热管、耐火材料、发热元件、陶瓷涂层等。此外，氧化锆还可用作为陶瓷颜料和固体介电材料等[1-2]。
氧化锆陶瓷制品生产中的主要工艺如成型和烧结等，都与氧化锆粉末的性能有很大的关系。本文选取了两种不同粒度的氧化锆粉末并按一定比例进行级配，测试其相关的粉末特性，并且对其烧结组织加以考察研究，旨在探索氧化锆粉末性能对陶瓷生产工艺及质量的影响，以达到优化制造工艺，降低生产成本，获得良好效益的目的。
1 实验条件与方法
压坯在 GSL-1600X 真空烧结炉中进行烧结。为了防止试件产生应力开裂，将试样先以10℃/min 的速率加热至 800℃和 1200℃分别保温 30min，再继续加热至烧结温度后保温 1h，冷却过程采用炉冷。
用 J S M-6360LV 扫 描 电 子 显 微 镜（SME）观察了实验用粉末的形貌和烧结试样的微观组织，并用 X 射线能谱仪分析了试样的成分。用 H VS-1000 维氏硬度计对试样进行了硬度测试。
2 实验结果与分析
2.1 粉末性能
粉体粒度分布测定结果显示，F1 粉体由平均粒径不同的两部分粉末组成，一部分是占总量 10% 的平均粒径约 1.5μm 的粉末，其粒度组成在 0.5μm～2.5μm 粒径范围内呈正态分布；另一部分是占总量 90% 的平均粒径约 22μm 的粉末，其粒度组成在 10μm～34μm 粒径范围内呈正态分布。F2 粉体则主要由平均粒径约 1.0μm 的粉末组成，其粒度组成在 0.3μm～2.6μm 粒径范围内。
从 对 F1 和 F2 这两 种 氧化锆 粉 体的SM E 形貌（如图 1 所示）的观察中可以发现其中均存在非常明显的团聚现象，因此，上述的粒度分布结果在很大程度上反映出的是两种粉末的团聚体的尺度分布状况。对 F1 和 F2 两种氧化锆粉体及其级配后的两种混合粉体的有关性能测试结果见表 1。
在表 1 中所列的测试项目中，振实密度是指粉体填装在特定容器后，对容器进行振动，从而破坏粉体中的空隙，使粉体处于较紧密填充状态后的密度。粉体堆积的自由表面在静平衡状态下，与水平形成的最大角度为休止角。休止角越小，粉体的流动性一般越好。给测量休止角的堆积粉体以一定的冲击，使其表面崩溃后圆锥体的底角称为崩溃角。通过上述测量结果，可以计算出差角与压缩度。差角是休止角与崩溃角之差，差角越大，粉体的流动性与喷流性越强。压缩度是同一试样的振实密度和松装密度之差与振实密度的比值，压缩度越小，粉体的流动性通常越好。这些特性对粉体加工、输送等具有重要意义[3]。
由表 1 中振实密度的数据可见，平均粒度小的 F2 粉末体其振实密度也较小，这是因为细粉末堆积时容易产生搭桥现象，而且相对移动阻力更大；粗粉末和细粉末适当的搭配能够非常有效地提高粉体的振实密度，这是因为粗粉末颗粒之间存在较大的间隙，较细的粉末可以对其进行填充，使得振实密度提高。从与粉体流动性有关的几个实验数据上看，F2 粉末体的流动性显得比较好，F1粉末体的流动性较差，这可能与它们的形貌和表面状态有较大关系。从图 1 可见，F1 粉末呈较复杂的不规则多边形块状且表面较粗糙，流动阻力较大，而 F2 粉末为形状简单的团球状且表面较圆滑，流动阻力较小。从实验结果可以看出，当往 F1 粉中加入 F2 粉形成混合粉体之后，粉末的流动性有相应的提高。考虑到细粉的价格比粗粉昂贵许多，通过将粗、细粉末适当级配形成综合性能良好的混合粉末，这对于提高氧化锆陶瓷制品生产的经济效益是具有现实意义的。
2.2 烧结组织
烧结的目的是使粉末颗粒之间由压制成型时的机械啮合转变成原子之间的晶界结合。主要的烧结工艺参数包括烧结温度、烧结时间和烧结气氛等。本文主要考察烧结温度和粉体特性对烧结组织的影响。根据不同的粉体类型，实验中选用了 1400℃、1450℃、1500℃和 1550℃四种烧结温度，氧化锆陶瓷在此温度范围为单组分固相烧结，既能使烧成试样中的氧化锆保持为四方相，又能使得坯体致密化较快地进行。当保温时间相同时，随着烧结温度的提高，原子扩散能力加强，烧结颈的形成和长大速度加快，颗粒之间的结合面增多，同时孔隙也趋于减少并球化。在烧结过程中，晶粒长大主要通过表面扩散，而致密化主要通过体扩散方式进行。因此，烧结温度对烧结过程的影响体现在，较低温度下以晶粒长大起主导作用，而在较高的温度下以致密化起主导作用。粒度较大的粉体往往需要较高的烧结温度。[4]图 2 所示为本实验中氧化锆粉末烧结试样断口组织的 SME 形貌。图 2a 是 F1 粉末烧结试样的断口组织，由于粉末颗粒较大，粉末颗粒间接触面积小，故烧结性能差。尽管烧结温度达到 1550℃，但试样断面组织仍显得较为疏松 ,气孔率较大 , 烧结体内部存在大量空隙或孔洞；晶粒的生长形状不规则 ,晶体间界面虽已广泛形成 , 但晶界仍相对孤立而未形成连续的网络，因而烧结后晶体之间结合力很差 , 烧结试样的强度和硬度都较低。图 2b 是 80%F1+20%F2 粉末烧结试样的断口组织，烧结温度为 1500℃。由于不同粒度的粗、细粉末组成的混合粉在压制时细粉末可以对粗粉末颗粒间的较大间隙进行充填，增加粉末颗粒间的接触面和机械啮合力，压坯致密度和强度提高，这对于促进烧结的进行也较为有利。试样的断口显示，结晶体较为均匀紧密，小孔隙的数量明显减少，但仍然存在一部分较大的间隙，这是由于细粉的比例还比较少，对粗粉末颗粒间隙的充填还不够充分。一般来说，小尺寸的孔隙在烧结中比较容易被消除，而大尺寸的孔隙即使在较高的温度下也较难消除。
因此，适当增加细粉末的比例，更加充分地充填粗粉末颗粒的间隙，在一定程度上就将粗粉末（或团聚体）间的大尺寸孔隙转化为细粉末间的小尺寸孔隙，从而有利于提高烧结体的致密度。图 2c 和图 2d 为 F2 粉末烧结试样的断口组织，因为细粉末颗粒间接触面积大，故烧结性能好。当烧结温度为1400℃时 , 从试样断面的微观形貌看 , 此时烧结体致密化基本完成，孔隙率较低 , 但内部结构因为没有完全达到致密而显得不够紧密 ( 图 2c)。
当烧结温度达到 1450℃时, 试样达到了完全烧结，空隙或孔洞基本消除 , 微观组织均匀紧密 ( 图 2d)，晶界结合力显著增强，试样的强度和硬度最高，说明该陶瓷在 1450℃左右为最佳烧结温度。如果烧结温度过高，将会出现过烧现象 , 导致晶粒粗大 , 晶界弱化直至消失 , 进而致使材料的强度和硬度等性能下降[5]。
3 结语
（1）氧化锆粉末的粒度和颗粒形貌对其振实密度和流动性等性能有很大影响。对粗、细粉末进行合理的级配能够显著地改善这些性能，制得的混合粉末可以具有较好的综合性能。
（2）细粒度的氧化锆粉末易于获得良好的烧结组织。与细粉末相比，粗粒度的氧化锆粉末烧结性能较差，不仅需要更高的烧结温度，而且烧结体的致密化程度也较低。通过粗、细粉末的适度级配，可使烧结温度有所降低，并改善烧结体的组织。
参考文献略
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