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1、第30卷第5期中南工业大学学报Vol.30No.51999年10月J.CENT.SOUTHUNIV.TECHNOL.Oct.1999碳化硼烧结动力学和烧结机制王零森杨义斌张金生樊毅吴芳(中南工业大学粉末冶金研究所,长沙,410083)摘要研究了碳化硼(B4C)压坯烧结时线收缩和密度与烧结温度和烧结时间的关系,根据黄培云综合作用烧结理论,得出了表征密度参数与烧结温度关系的烧结方程以及烧结动力学方程.根据动力学方程的系数,推断碳化硼的主要烧结机制为体扩散,同时有晶界扩散发生.计算了烧结表观活化能.关键词碳化硼;烧结;烧结动力学分类号TF12411;T
2、F12513碳化硼是一种重要的工程材料.其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼,居所有已发现物质中的第3位,是重要的研磨材料;有很高的中子俘获截面,且10-242俘获能谱宽,B的热截面高达3470@10cm,仅次于Gd,Sm,Cd等少数几种元素,是重要的核反应堆材料;有良好的自抛光和自润滑能力,是重要的气体轴承材料;有很强的耐化学腐蚀能力,几乎不与所有的酸、碱作用,是重要的特种耐蚀材料.碳化硼为共价键化合物,用文献[1]介绍的方法计算,其共价键比例高达93194%,远高于常见的其它陶瓷,如SiC(88%),Al2O3(33%),ZrO2(33%)等.即使
3、在接近熔点(2450e)的高温下烧结,也极少有物质流动发1)粒度分布曲线;2)粒度累积曲线生.其制品通常用热压方法制得,限制了它的推广应图1碳化硼粉粒度分布用.因此,研究其在常压下的烧结机制和烧结动力学将有助于寻找烧结活化的途径,从而有助于它的进将上述细粉以水溶液形式加入011%聚乙稀醇一步开发应用.作粘结剂,用模压法成形,压制压力为343MPa,压3坯相对密度为69%(密度为1174g/cm).压坯经干1粉末准备和实验方法燥后在碳管电阻炉中烧结.烧舟的设计使压坯位于碳管中心,以保证各试样受热均匀.装好试样的密封用硼酐碳还原法在碳管炉中制得原粉,
4、平均粒舟经预热后直接推入高温区,达到烧结温度后开始径为28Lm.经搅拌球磨、酸洗得实验所用细粉,用记录保温时间.密度用阿基米德排水法测定,因试样2有孔,表面涂真空油脂成膜,计算时减去油脂的质BET法测定比表面积为8132m/g,沉降法中位径为0142Lm.由此算得的比形状因子f/k=818,粉末应量.为短长条多角形.这一点已得到金相观察结果的证实.粉末粒度分布如图1所示,其化学成分(质量分2结果和讨论数)如下:总碳20174%,游离碳0121%,总硼211烧结坯密度和烧结温度的关系78155%,游离硼0102%,铁0123%,硅0105%,铝结果
5、如表1和图2所示.0104%.经计算,得B4C相含量为95164%.收稿日期1999-01-22第一作者王零森,男,61岁,教授国家/九五0科技攻关计划基金资助项目506中南工业大学学报第30卷表1烧结坯密度和烧结温度的关系(烧结时间为45min)烧结温度H/e线收缩率($L/L)/%烧结坯密度Q/(g#cm-3)相对密度/%190011491182721120002113118573162100219611907515216031561194761922004108119778121)相对密度曲线;2)线收缩率曲线图3综合作用理论烧结方程直线图
6、2烧结坯线收缩率和相对密度与烧结温度的关系的综合作用理论.根据方程(2)算出的密度值Q1与[2]根据黄培云粉末烧结综合作用理论,密度参实验值Q2吻合得很好(见表3).数和温度倒数之间有如下关系:212烧结机制和动力学分析Qm-Q-ln(-ln)W1/H(1)压坯烧结线收缩率与烧结温度、时间的关系如Qm-Q0表4和图4,5所示.在某一定温度,烧结过程的速率式中:Qm,Q,Q0分别为材料的理论密度[3](2152g/cm3)、烧结坯在烧结温度下烧结后的密度和方程可写为:31/n压坯密度(1174g/cm).根据表1和式(1)得表2.$L/L0=A(H
7、)t(3)表2综合作用烧结理论计算参数ln($L/L0)=(1/n)lnt+lnA(H)(4)烧结温度H/e104e/H-ln[-ln(Qm-Q)/(Qm-Q0)]A(H)为与温度H有关的实验常数.式(4)即图4的函190051262122200051001188210041761147216041631122220041551105表2中的数据经回归处理可得如下烧结方程:Qm-Q41-ln(-ln)=-6142+1165@10(2)Qm-Q0H其相关系数为1100.实验值和回归直线如图3所示.由图3可知,实验结果很好地符合了具有直线关系表3烧结
8、方程密度计算值Q1和实验值Q2的对比烧结温度H/eQ-3-31/(g#cm)Q2/(g#cm)190011811182200011861
