La sinterizzazione con pressatura a caldo (HP) è un metodo di sinterizzazione pressurizzato meccanicamente. Questo metodo è posizionareceramicapolvere in una cavità dello stampo e riscaldare la polvere alla temperatura di sinterizzazione durante la pressurizzazione. Poiché la forza motrice è integrata dalla pressione esterna, la densificazione può essere ottenuta in un tempo relativamente breve e si può ottenere una microstruttura con grani fini e uniformi. Pertanto, per i materiali ceramici ad alta temperatura (come Si3N4, B, C, SiC, TiB2, ZrB2) difficili da sinterizzare con legami covalenti, la sinterizzazione con pressatura a caldo è un'efficace tecnologia di densificazione. La sinterizzazione con pressatura a caldo può ottenere prodotti ceramici con una densità vicina alla densità teorica a una temperatura leggermente inferiore di 100℃~200℃ al di sotto della normale temperatura di sinterizzazione a pressione; la sinterizzazione con pressatura a caldo può inoltre migliorare le prestazioni del prodotto, quali trasparenza, conduttività, proprietà meccaniche e affidabilità d'uso.
Tuttavia, la sinterizzazione con pressatura a caldo di solito può produrre solo prodotti con un’unica forma e, in molti casi, la post-elaborazione aumenterà notevolmente i costi di produzione. Tuttavia, dopo oltre 40 anni di sviluppo, la sinterizzazione mediante pressatura a caldo si è evoluta da semplice ricerca di laboratorio ad ampia applicazione industriale ed è diventata un processo di sinterizzazione maturo e importante.
Forno per stampaggio a caldo e materiali per stampi:
Le polveri o i grezzi preformati vengono solitamente posti nello stampo, riscaldati e pressati allo stesso tempo. A seconda dell'applicazione, la temperatura di esercizio può arrivare fino a 2500°C e la pressione di esercizio è solitamente di 10~75 MPa. Nella sinterizzazione con pressatura a caldo, la pressione massima che può essere applicata è limitata dalla resistenza dello stampo. Per gli stampi in grafite comunemente utilizzati, la pressione può generalmente raggiungere i 40 MPa.
Utilizzando stampi speciali in grafite o stampi in metallo ad alta temperatura più costosi (come la lega Nimonic) o in ceramica ad alta temperatura (come Al2O3, SiC), la pressione può essere aumentata fino a 75 MPa. Per i materiali per stampi come Al2O3 e SiC, a causa delle limitazioni della tecnologia di preparazione e dei costi, possono essere utilizzati solo per realizzare stampi di piccole dimensioni (come 5 cm di diametro); lo spazio tra lo stampo e la testa di pressione dovrebbe essere leggermente più grande quando lo si utilizza ed è inoltre necessario un rivestimento per evitare la sinterizzazione o la saldatura tra la testa di pressione e lo stampo.
Un altro fattore limitante è che tracce di impurità (come SiO2) causeranno un grave scorrimento in tali stampi. Solitamente lo 0,1% di impurità riduce notevolmente la pressione e la temperatura di utilizzo, quindi l'allumina pura al 99% non è adatta per gli stampi per pressatura a caldo. Gli stampi SiC pressati a caldo sono stati utilizzati commercialmente per pressare a caldo parti in ferrite in aria o in altre atmosfere (perché l'atmosfera riducente degli stampi in grafite non può essere utilizzata per produrre ferriti).
La grafite è il materiale per stampi più comunemente utilizzato perché è relativamente economico, facile da lavorare e ha un'ottima resistenza allo scorrimento alle alte temperature. La grafite si ossida lentamente al di sotto dei 1200°C e può essere posta in un'atmosfera ossidante per un breve periodo. Al di sopra dei 1200°C deve essere utilizzato in atmosfera inerte o riducente. Poiché la grafite può reagire con i campioni ceramici ad alte temperature, causando l'erosione della superficie di contatto o l'adesione del campione alla parete dello stampo, il nitruro di boro viene solitamente rivestito sulla parete dello stampo in grafite per evitare reazioni e facilitare la sformatura del campione dopo la sinterizzazione.
Processo di sinterizzazione con pressatura a caldo:
Sebbene la sinterizzazione con pressatura a caldo aumenti la forza motrice della densificazione applicando pressione, sono necessari anche ausili per la sinterizzazione per alcuni materiali difficili da sinterizzazionemateriali ceramici, specialmente quelli con forti legami covalenti e piccoli coefficienti di autoespansione.
Gli adiuvanti di sinterizzazione possono fornire canali ad alta velocità di diffusione (come la fase liquida sui bordi dei grani) a rapporti di temperatura di sinterizzazione, promuovendo così la densificazione. Tuttavia, poiché l'applicazione della pressione aumenta la forza motrice della densificazione, la quantità di ausilio alla sinterizzazione richiesta è inferiore a quella della normale sinterizzazione a pressione.
Come nel caso del metodo di sinterizzazione senza pressione, anche la dimensione e l'uniformità delle particelle di polvere hanno un effetto significativo sul tasso di densificazione della pressatura a caldo. La dimensione delle particelle della polvere per sinterizzazione per pressatura a caldo deve essere inferiore al micron (<1 μm), con una distribuzione granulometrica stretta e senza agglomerati duri.
L'attrito della parete dello stampo può ridurre la velocità di densificazione e portare a una densificazione non uniforme. A tal fine, l’attrito può essere ridotto nei due modi seguenti:
① Ridurre la reazione ad alta temperatura tra il campione e la parete della piastra. Il nitruro di boro può essere rivestito sulla superficie di contatto dello stampo;
② Prova a pressare a caldo campioni piatti (come dischi o fogli). Infatti, la sinterizzazione con pressatura a caldo è la più adatta per la preparazione di prodotti piani. L'effetto della pressione applicata sulle particelle di polvere durante la sinterizzazione con pressatura a caldo.
Il cambiamento di forma di un'unità di polvere rappresentativa (ad esempio tre grani) è simile a quello dell'intero portacipria. I grani si appiattiscono nella direzione della pressione applicata, che è anche la possibile formazione di sinterizzazione a caldo. Tessitura (ovvero, l'orientamento preferito dei grani o la crescita selettiva in una direzione specifica). Di solito, l'orientamento preferito o la direzione di crescita selettiva dei grani pressati a caldo è perpendicolare alla direzione della pressione applicata. Per ottenere campioni ad alta densità, è necessario selezionare un sistema di aumento di pressione e temperatura appropriato. Generalmente, lo stampo viene riscaldato e la polvere nella cavità dello stampo viene gradualmente riscaldata fino alla temperatura di pressatura a caldo o al di sotto della temperatura di pressatura a caldo sotto l'azione della pressione uniassiale. L'effettivo sistema di pressurizzazione varia a seconda delle diverse polveri e lo scopo principale è quello di eliminare completamente i pori nel grezzo. Il tempo di mantenimento alla temperatura di pressatura a caldo varia a seconda delle caratteristiche della polvere, da pochi minuti ad alcune ore, generalmente 0,5~2 ore. La pressione di pressatura a caldo viene generalmente rilasciata quando viene raggiunta la densità predeterminata (di solito una densificazione completa) e la pressione viene rilasciata alla temperatura di sinterizzazione della pressatura a caldo o proprio quando inizia il raffreddamento, poiché durante il processo di raffreddamento appariranno delle crepe nel prodotto. La temperatura di sinterizzazione della pressatura a caldo è inferiore di 100~200°C rispetto alla temperatura della sinterizzazione a pressione normale. La temperatura di sinterizzazione della pressatura a caldo dei materiali a base di ossido convenzionali è mostrata nella Tabella 4-5. Inoltre, la temperatura di sinterizzazione mediante pressatura a caldo di boruri, carburi e nitruri convenzionali resistenti alle alte temperature è generalmente di 1700-1900 gradi quando vengono utilizzati ausiliari di sinterizzazione.
