烧结条件对陶瓷基摩擦材料力学性能的影响

王 东

（国家陶瓷与耐火材料产品质量检验检测中心，山东 淄博 255063）

0 引言

烧结是制备陶瓷材料至关重要的一道工序，烧结条件的设定对材料的物理化学性能有很大的影响。采用热压烧结工艺制备材料时，一般来讲提高烧结温度、延长保温保压的时间，能够促使材料晶体的晶格能变大，离子结合更加紧密，从而提高材料的力学性能。但是，如果仅仅靠提高烧结温度和热压压力、延长烧成时间，也不是最佳的途径，这样做不但提高了烧成成本，还容易促使材料的二次再结晶，从而导致力学性能变差，甚至造成材料变形。因此，探索在最有效率的烧结条件下制备出性能优良的材料，具有十分重要的现实意义。

1 实验部分

1.1 材料制备

实验对象为一种陶瓷基摩擦材料，材料制备主要原料包括活性氧化铝粉末、六钛酸钾晶须、硼酸、二氧化硅、氧化镁等。钛酸钾晶须制成悬浮液（质量浓度为10%），加入分散剂（主要成分为聚甲基丙烯酸胺），分散剂加入量为氧化铝质量分数的5‰，超声分散15分钟后加入氧化铝粉末，继续超声分散，搅拌5分钟后进行抽滤，然后将粉体在烘箱中烘干，烘干后取出研磨，在快速磨中球磨1小时，过80目筛，在烘箱中再次彻底干燥。粉料放入石墨模具中，在热压气氛烧结炉中进行热压烧结。

1.2 烧结条件

对于热压烧结工艺，烧结温度、烧结压力和保温时间是影响较大的三个因素。在保持配方不变的条件下，改变上述三个烧结条件得到不同的试验材料，以此来研究烧结条件对材料性能的影响（见表1）。

表1 配方不变，分别改变烧结条件得到的试验材料

1.3 材料测试

测试所制备材料的力学性能，主要包括抗弯强度和磨损率。抗弯强度使用三点弯曲法，采用电子万能实验机测定。磨损率采用磨损试验机测定，对偶件为直径40 mm的磨轮，材质为高速钢。试验前应确定试验载荷和试验周期，试验进行时模拟工况环境，将试样固定在夹具上，设定对偶磨轮的转速，具有一定速度的干滑动摩擦在试样与磨轮之间形成，用分析天平测量材料试验前后的质量差，计算材料的磨损率。

提高烧结温度，增大烧结压力，提高了材料的抗弯强度性能。从试验结果来看，烧结温度的影响比压力的影响要明显，材料的抗弯强度随着保温时间的延长先呈现上升趋势，然后又随着保温时间的延长出现了下降现象，见图1、图2、图3。

图1 抗弯强度与烧结温度的变化关系

图2 抗弯强度与烧结压力的变化关系

图3 抗弯强度与保温时间的变化关系

烧结条件对材料摩擦性能的影响见图4。随着烧结温度的升高，施加压力的增大，材料的体积磨损量变小，随着保温时间的延长，材料的体积磨损量先变小后变大。

图4 磨损率与烧结条件的变化关系

2 分析讨论

2.1 烧结条件对材料抗弯强度的影响

试样的抗弯强度随烧结温度和烧结压力的提高而升高，依照Griffith理论学说，材料强度的提高得益于内部缺陷尺寸的减小。依照Coble理论学说，在材料进行烧结时，材料的原子扩散可以影响材料的致密化。原子扩散加快，烧结速度加快，材料就越容易出现高致密度。对于同一种材料来说，提高烧结温度导致扩散系数变大，材料的致密化程度越高，材料的致密化程度越高意味着材料内部缺陷越小，由此可知，提高烧结温度能够增大材料的密度，提高材料的强度。图5是不同烧结温度条件下制备出的试样的扫描电镜图片，图5(a)和图5(b)分别是在1100 ℃和1200 ℃下制备的试样，从图中可以明显的看出材料存在很多孔洞，晶界也不是很明显，可见烧结温度过低导致晶界的移动未完全形成，内部气体没有全部排出。在1300 ℃下烧结后制备的试样见图5(c)，从图中可以看出晶界清晰明显，致密化程度高，气孔量较少。

图5 在不同烧结温度下样品烧结的SEM照片

材料的抗弯强度随保温时间的增加先增加而后减小，根据烧结机理理论，低温阶段主要是表面扩散，体积扩散在高温阶段较为活跃。发生表面扩散时，气孔的形状发生了改变，但是不能引起颗粒中心距的靠近，体积扩散才是提高材料致密化的最主要原因。在烧结过程中，如果低温阶段的保温时间较长，材料的力学性能将会降低。如果缩短高温阶段的保温时间，材料的晶粒生长不充分，延长保温时间则会促使晶粒过度长大，更不利于材料的力学性能。晶界的移动速率不变，延长烧结时的保温时间，晶界移动的距离将会变长，晶间孔隙不断缩小，相应的材料的气孔率减小，密度将会变大，从而使材料的有效承载面积加大，抗弯强度性能更好。但是，当保温时间超过一定值时，随着晶界的移动，大晶粒与小晶粒融为一体，导致晶粒过度生长，材料的晶粒变大。对于氧化铝基陶瓷而言，其晶界相对脆弱，理论上一般视其为微裂纹，晶粒的过度生长相当于增大微裂纹，从而降低了材料的抗弯强度。

图6为烧结温度为1300 ℃，保温0.5 h至1.5 h时试样的SEM照片，从图6（a）中可以观察到明显的孔洞存在，并且观察不到晶界的存在，应该是由于保温时间过短，排气不够充分，体积扩散不够，导致气体没有完全排出，晶粒没有形成，故致密化程度较低；当保温时间分别为1 h和1.5 h时，观察图6（b），氧化铝基体的晶粒已经基本长成，晶界相对明显，晶粒的尺寸分布较为合理，由此可知烧结温度和保温时间的选择合理；观察图（c），存在明显的晶粒异常生长，晶粒的尺寸呈不均匀分布，孔洞清晰可见，此种结构破坏了材料的力学性能。

图6 不同保温时间下试样的SEM照片

2.2 烧结条件对材料磨损率的影响

由试验数据可知，随着烧结温度的升高，施加压力的增大，材料的体积磨损量都变小。随着保温时间的延长，材料的体积磨损量先变小后变大。

烧结温度提高，烧结压力增大，导致材料致密度变好，气孔率也变小。在室温下，陶瓷的表面形成稳定的膜，所以材料的磨损性能优秀；当气孔率变大时，材料易发生晶间断裂，表面膜发生剥离，由此引起磨粒磨损，加大了磨损率。气孔之间在摩擦应力作用下发生联通，从而形成裂纹源。

如图7所示，大量气孔出现在材料表面，在摩擦应力作用下，表面的气孔逐渐变大，有的甚至会发生联通，导致小气孔变成大气孔。同时，由于磨轮与材料相互作用产生大量磨屑，这些磨屑掉入气孔内更加加剧了材料的磨损，造成材料大面积成片脱落的现象，形成严重磨损。

图7 材料磨损表面的显微图片（×3500）

如果材料的保温时间较短，材料内部的晶粒生长不充分，结合力不够强，则会导致材料的性能下降。保温时间过长造成晶粒异常长大，弱化了晶粒之间的结合力，使晶粒容易发生穿晶断裂，同样也会造成磨损率变大。只有保证晶粒充分生长，才能得到均匀的内部结构，才会使材料的磨损性能得到提高。

3 结论

（1）提高烧结温度和烧结压力，所制得的陶瓷基摩擦材料的力学性能得到提升。

（2）随着保温时间的延长，材料的性能呈现先升高后下降的趋势。

（3）综合看来，材料的烧结温度应定在1300 ℃，烧结压力为30 kN，保温时间为1 h，在此条件下烧结得到的材料的性能最好。