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做结构陶瓷的人都有体会，像碳化硅、氮化硅、氮化硼这些材料，粉末压坯进去用普通无压烧结，温度烧到再高，致密度也卡在某个上不去的坎。原因很简单——这些材料共价键强，原子自扩散慢，光靠表面能驱动，颗粒之间传质不够。热压烧结炉在陶瓷制备里的作用，就是把压力这个变量加进来，让粉末在升温的同时受到轴向压力，颗粒被迫靠拢、重排，传质通道一下子打开，烧结温度降下来，时间也缩短了。东莞市志远工业设备有限公司在陶瓷热压烧结这一块做了不少项目，下面把热压烧结炉在陶瓷制备里到底起什么作用、怎么用，聊一聊。
一、为什么陶瓷非要热压不可
普通陶瓷烧结分两步：先冷压成型，再进炉无压烧结。对于氧化铝、氧化锆这类离子键陶瓷，自扩散系数还可以，无压烧结能烧到足够致密。但到了碳化硅、氮化硅、氮化硼这类共价键陶瓷，自扩散系数低得可怜，无压烧结温度要到两千度以上，保温还要几个小时，即便这样致密度也只能到百分之九十左右，剩下的闭气孔排不出来。
热压的思路是给烧结"加一把劲"。粉末装进石墨模具，一边升温一边在轴向加压，粉末在热塑性状态下形变阻力小，颗粒之间被压得紧密接触，接触面积比冷压大得多。接触面积一大，扩散传质就快，烧结活化能降下来，原来要两千度的材料，一千六百度就烧致密了。温度低了，保温时间也从几小时压到几十分钟，晶粒没来得及长大就致密了，出来的陶瓷晶粒细、强度高。
另外，热压烧结出来的陶瓷形状比较规整，因为模具本身就决定了工件形状，不需要像无压烧结那样留很大的收缩余量。这对尺寸精度要求高的陶瓷刀具、密封环、轴承球这些产品来说，是个实打实的好处。
二、三种加压方式分别适合什么场景
热压烧结不是"一直压着"这么简单，根据加压时机和压力变化，常用的有三种方式。第一种叫恒压法。粉末装模之后，先在室温下预压一下排掉大颗粒之间的空气，然后开始升温，压力一直保持在设定值不变，直到保温结束再随炉冷却卸压。这种方式工艺简单，适合大多数结构陶瓷的常规烧结，操作起来好控制。
第二种叫高温加压法。先在低压下升温，等温度升到烧结温度附近、粉末开始软化的时候，再把压力加上去。这种方式的好处是升温初期粉末还没软化，压力加太大容易把模具撑裂；等粉末软化了再加压，压力利用效率高，模具受力也合理。对于一些硬度高、形变阻力大的陶瓷材料，比如碳化硼、碳化硅，高温加压法用得比较多。
第三种叫分段加压法。整个烧结过程分成几段，每段压力和温度都不一样。比如室温下低压预压排空气，中温段加一段中压让颗粒重排，高温段再加高压促进致密化，冷却到一定温度再逐步卸压。这种方式适合复杂成分的复合材料或者梯度陶瓷，不同阶段需要不同的致密化机制，单段压力解决不了问题。分段加压对设备的PLC和压力控制要求高，压力曲线要能编程，一般在做新材料研发的时候用得多。 类似工况下，真空加压烧结炉能够提供稳定的作业环境。
三、热压烧结炉的关键配置
热压烧结炉和普通真空炉的区别，主要在加压机构和模具。加压机构一般用液压系统，从上面或者下面通过压头把压力传到模具里。压力吨位从几吨到几百吨不等，根据工件面积和所需压力来选。压力控制要能按曲线变化，从预压到高压再到卸压，全程自动。压头要和模具对中，不然偏压会让工件一边厚一边薄，烧结出来翘曲。
模具一般用石墨做，因为石墨耐高温、易加工、有自润滑性。但不同陶瓷材料对模具要求不一样。碳化硅和石墨在高温下会反应生成碳化硅，所以烧碳化硅的时候，石墨模具内壁要涂氮化硼涂层，或者用硬质合金模套隔一下。烧氮化硅相对温和，石墨模具直接用就行，但也要注意气氛保护，防止石墨氧化。
加热系统方面，热压烧结炉一般用石墨发热体或者硅钼棒。石墨发热体能到两千度以上，适合碳化硅、氮化硅这些高温陶瓷；硅钼棒便宜一些，但最高温度一般到一千七百度，适合中低温陶瓷。温场均匀性要求高，工件上下左右温差要控制在五度以内，不然同一炉不同位置的陶瓷致密性不一致。
四、实际生产中要注意什么
热压烧结炉在陶瓷生产里用了几十年，工艺已经很成熟，但实际操作中还是有几个坑要注意。第一是装模要均匀。粉末在模具里倒进去之后要铺平、振动密实，不然加压的时候一边实一边松，烧结出来密度不均。第二是脱模时机。陶瓷烧结完冷却到一定温度才能脱模，温度太高脱模容易把工件碰碎，温度太低模具和工件粘在一起也不好脱。第三是气氛选择。有些陶瓷在真空中会分解，就要充氩气或者氮气保护；有些对气氛敏感，就要严格控制氧含量。
热压烧结炉不是万能的，它适合形状简单、尺寸不大的陶瓷件——因为模具是轴向加压的，形状越复杂，模具越难做，压力分布越不均匀。对于形状复杂的陶瓷零件，还是得走无压烧结或者注射成型烧结。但对于陶瓷刀具、密封环、磨具、轴承球这些形状规则、性能要求高的产品，热压烧结炉依然是主力设备。
东莞市志远工业设备有限公司在给陶瓷厂做热压烧结炉的时候，一般会先问清楚要烧的材料、工件尺寸、年产量，再推荐对应的炉型和加压方式。不同陶瓷材料的工艺窗口差别很大，设备只是载体，工艺摸索还是要靠客户和厂家一起配合。把热压烧结炉用顺了，那些无压烧结搞不定的难烧陶瓷，就有了一条稳定的量产路径。 志远工业设备提供真空加压烧结炉、真空钎焊炉等设备，配套完善的售后技术支持。