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    二次燒結工藝對結構陶瓷的性能影響分析

    內容導讀:結構陶瓷 經過燒結后具有高硬度和高強度的特點,普通的刀具無法對其進行加工,只能使用金剛砂刀具進行加工,但是也需要非常長的時間進行加工,造成了結構陶瓷的生產成本非常高
    結構陶瓷經過燒結后具有高硬度和高強度的特點,普通的刀具無法對其進行加工,只能使用金剛砂刀具進行加工,但是也需要非常長的時間進行加工,造成了結構陶瓷的生產成本非常高。為了解決這個問題,我們科眾工業陶瓷廠的技術人員思考是否可以通過二次燒結的工藝來提高生產效率和降低生產成本。二次燒結工藝是指先將陶瓷坯體成型并進行初步燒結,然后再進行機加工,再將陶瓷燒結進行致密燒結。由于初步燒結時陶瓷并沒有致密化,所以相對硬度和強度都不會很高,進行機加工就更加容易,可以大大降低陶瓷的生產時長和成本,但是使用二次燒結工藝對結構陶瓷的性能有什么影響呢?今天科眾工業陶瓷廠在這里用氧化鋯陶瓷來做實驗分析二次燒結工藝對陶瓷性能的影響。

    二次燒結工藝對結構陶瓷的性能影響分析
    二次燒結工藝對結構陶瓷的性能影響分析

    由于氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度和高耐磨性,優異的隔熱性能,熱膨脹系數接近于鋼等優點,因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。但是由于致密燒結的氧化鋯陶瓷由于硬度高、強度大,只能用金剛砂刀具進行加工,加工成本高、時間長。為解決上述問題,現在多采用氧化鋯陶瓷的兩次燒結工藝,在陶瓷坯體成型及初步燒結后,經過機加工,再燒結到終燒結溫度使材料完全致密。那么一次燒結和兩次燒結過程對氧化鋯陶瓷各項性能的影響是否存在差異,兩次燒結是否會造成材料機械性能的下降,關于這方面的研究較少,本實驗對氧化鋯陶瓷的兩次燒結性能進行了研究。
     
    根據實驗氧化鋯陶瓷一次和兩次燒結后的燒結體密度不同燒結方式和燒結溫度下氧化鋯陶瓷的相對密度隨著燒結溫度的升高,氧化鋯陶瓷的相對密度呈上升的趨勢,達到一個最高點后出現下降。一次燒結時最大對密度出現在1400℃,相對密度為99.98%;兩次燒結時最大相對密度出現在900℃/1450℃,相對密度為98.49%。一次燒結的相對密度略高于兩次燒結。
     
    根據實驗氧化鋯陶瓷兩次燒結后的機械性能與一次燒結相比,兩次燒結后氧化鋯陶瓷的機械性能發生了改變。兩次燒結后三點撓曲強度明顯下降,一次燒結后的三點撓曲強度最高為1536.37MPa±85.49MPa,兩次燒結后的三點撓曲強度最高為1059.08MPa±75.24MPa,兩者之間有統計學差異(P<0.01)。兩次燒結后材料的維氏硬度值與一次燒結1400℃時的維氏硬度值之間有統計學差異(P<0.01)。900℃/1450℃燒結時的斷裂韌性與一次燒結1400℃時的斷裂韌性之間有統計學差異(P<0.01)
     
    根據實驗氧化鋯陶瓷一次燒結和兩次燒結后的顯微結構氧化鋯陶瓷在900℃/1450℃燒結溫度下燒結體呈致密的多晶結構,有極少量孔隙,晶粒尺寸大約在300nm,有個別晶粒較大,超過400nm。斷裂模式主要為沿晶斷裂,未見到有穿晶斷裂模式。氧化鋯陶瓷在1400℃燒結溫度下燒結體呈致密的多晶結構,無孔隙,晶粒大小均勻,晶粒尺寸為300 ̄400nm。斷裂模式為混合型斷裂,可見沿晶斷裂和穿晶斷裂同時存在。
     
    討論兩次燒結工藝改變了氧化鋯陶瓷的燒結動力學,對氧化鋯陶瓷的燒結密度、機械性能及顯微結構均會造成一定的影響。致密燒結的可切削氧化鋯陶瓷較兩次燒結的可切削氧化鋯陶瓷機械性能好。
     
    對兩次燒結氧化鋯陶瓷和一次燒結氧化鋯陶瓷的性能進行比較,發現一次燒結氧化鋯陶瓷的機械性能明顯好于兩次燒結氧化鋯陶瓷,一次燒結氧化鋯陶瓷的雙軸彎曲強度和斷裂韌性分別為840MPa和7.4MPa?m1/2,兩次燒結氧化鋯陶瓷的雙軸彎曲強度和斷裂韌性分別為680MPa和5.5MPa?m1/2,一次燒結氧化鋯陶瓷的斷裂模式為穿晶/沿晶復合型,裂紋走向較直;兩次燒結氧化鋯陶瓷的斷裂模式主要為沿晶斷裂,裂紋走向較曲折[2]。復合型斷裂模式的材料性能好于單純的沿晶斷裂模式。另外,兩次燒結氧化鋯陶瓷的孔隙率為9%,一次燒結氧化鋯陶瓷的孔隙率小于1%,燒結體更致密。研究兩次燒結對氧化鋯陶瓷性能的影響,發現在相同燒結溫度下,一次燒結的晶粒尺寸較小,平均粒徑為1.1μm,而兩次燒結的晶粒尺寸較大,達到1.5μm;晶粒尺寸還與燒結溫度密切相關,燒結溫度為1923K時的平均晶粒尺寸為1.5μm,燒結溫度為1823K時的平均晶粒尺寸為0.67μm。在研究中發現,一次燒結時氧化鋯陶瓷的最大相對密度出現在1400℃,在兩次燒結時氧化鋯陶瓷的最大相對密度出現在900℃/1450℃,兩次燒結較一次燒結時的溫度提高了50℃,相對密度也略有下降。兩次燒結的最佳機械性能出現在900℃/1450℃燒結溫度,但與一次燒結時1400℃燒結溫度相比,三點撓曲強度和斷裂韌性明顯下降,維氏硬度增大,說明兩次熱處理過程可使氧化鋯陶瓷的硬度及脆性增大,韌性及強度下降。盡管如此,兩次燒結后氧化鋯陶瓷的三點撓曲強度仍高于1000MPa,斷裂韌性接近6MPa?m1/2,遠高于熱壓鑄造陶瓷和粉漿涂塑陶瓷,是一種很有希望的全瓷修復材料。900℃/1450℃兩次燒結試件的斷面可以說明兩次燒結材料機械性能下降的原因,其主要與燒結體內少量孔隙的存在及晶粒大小不均勻相關。與一次燒結1400℃試件的斷面相比,兩次燒結體內有少許孔隙存在,有一些晶粒明顯長大,大于400nm。兩次熱處理過程會對材料內部氣孔的排出及晶粒的長大有影響。在初燒結后,部分氣孔被包裹在坯體內,兩次燒結時不易排出,從而造成燒結體密度下降及結構缺陷。同時由于燒結溫度的升高,部分晶粒異常長大,形成了二次再結晶。有一部分晶粒超過了室溫臨界相變尺寸,而由四方相轉變為單斜相。單斜相的含量迅速增加,其亞穩態四方相向單斜相轉變的相變增韌作用減弱,同時由于相變伴隨的熱膨脹使試樣表面產生裂紋也削弱了強度,出現機械性能的下降。另外,兩次熱處理后材料斷裂模式也發生了轉變,從一次燒結時的穿晶/沿晶復合斷裂型變成兩次燒結時的單純沿晶斷裂型。兩次燒結使氧化鋯陶瓷晶界強度下降,導致機械性能下降。

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