A sinterização por prensagem a quente (HP) é um método de sinterização mecanicamente pressurizada. Este método consiste em colocarcerâmicapó em uma cavidade de molde e aqueça o pó até a temperatura de sinterização enquanto pressuriza. Como a força motriz é complementada pela pressão externa, a densificação pode ser alcançada em um tempo relativamente curto e uma microestrutura com grãos finos e uniformes pode ser obtida. Portanto, para materiais cerâmicos de alta temperatura (como Si3N4, B, C, SiC, TiB2, ZrB2) que são difíceis de sinterizar com ligações covalentes, a sinterização por prensagem a quente é uma tecnologia de densificação eficaz. A sinterização por prensagem a quente pode obter produtos cerâmicos com densidade próxima à densidade teórica a uma temperatura ligeiramente inferior de 100 ℃ ~ 200 ℃ abaixo da temperatura de sinterização de pressão normal; a sinterização por prensagem a quente também pode melhorar o desempenho do produto, como transparência, condutividade, propriedades mecânicas e confiabilidade de uso.
No entanto, a sinterização por prensagem a quente geralmente só pode produzir produtos com um único formato e, em muitos casos, o pós-processamento aumentará muito o custo de fabricação. No entanto, após mais de 40 anos de desenvolvimento, a sinterização por prensagem a quente evoluiu de uma simples pesquisa laboratorial para uma aplicação industrial generalizada e tornou-se um processo de sinterização maduro e importante.
Forno de prensagem a quente e materiais de molde:
Os pós ou peças pré-formadas são geralmente colocados no molde, aquecidos e pressionados ao mesmo tempo. Dependendo da aplicação, a temperatura de trabalho pode chegar a 2.500 ° C e a pressão de trabalho é geralmente de 10 ~ 75 MPa. Na sinterização por prensagem a quente, a pressão máxima que pode ser aplicada é limitada pela resistência do molde. Para moldes de grafite comumente usados, a pressão geralmente pode atingir 40 MPa.
Usando moldes especiais de grafite ou moldes de metal de alta temperatura mais caros (como liga Nimonic) ou de cerâmica de alta temperatura (como Al2O3, SiC), a pressão pode ser aumentada para 75MPa. Para materiais de molde como Al2O3 e SiC, devido às limitações da tecnologia de preparação e custo, eles só podem ser utilizados para fazer moldes de pequeno porte (como 5cm de diâmetro); a folga entre o molde e a cabeça de pressão deve ser um pouco maior ao usá-lo, e também é necessário um revestimento para evitar sinterização ou soldagem entre a cabeça de pressão e o molde.
Outro fator limitante é que vestígios de impurezas (como SiO2) causarão fluência severa em tais moldes. Normalmente, 0,1% de impurezas reduzirão bastante a pressão e a temperatura de uso, portanto, a alumina 99% pura não é adequada para moldes de prensagem a quente. Os moldes de SiC prensados a quente têm sido usados comercialmente para prensar peças de ferrite a quente no ar ou em outras atmosferas (porque a atmosfera redutora dos moldes de grafite não pode ser usada para fazer ferritas).
A grafite é o material de molde mais comumente usado porque é relativamente barato, fácil de processar e tem uma resistência muito boa à fluência em altas temperaturas. A grafite oxida lentamente abaixo de 1200°C e pode ser colocada em uma atmosfera oxidante por um curto período de tempo. Acima de 1200°C deve ser utilizado em atmosfera inerte ou redutora. Como a grafite pode reagir com amostras cerâmicas em altas temperaturas, causando erosão da superfície de contato ou aderência da amostra à parede do molde, o nitreto de boro é geralmente revestido na parede do molde de grafite para evitar reação e facilitar a desmoldagem da amostra após a sinterização.
Processo de sinterização por prensagem a quente:
Embora a sinterização por prensagem a quente aumente a força motriz de densificação através da aplicação de pressão, auxiliares de sinterização também são necessários para alguns processos difíceis de sinterizar.materiais cerâmicos, especialmente aqueles com fortes ligações covalentes e pequenos coeficientes de autoexpansão.
Os auxiliares de sinterização podem fornecer canais de alta taxa de difusão (como a fase líquida nos limites dos grãos) em proporções de temperatura de sinterização, promovendo assim a densificação. Contudo, uma vez que a aplicação de pressão aumenta a força motriz de densificação, a quantidade de auxiliar de sinterização necessária é menor do que a da sinterização sob pressão normal.
Tal como acontece com o método de sinterização sem pressão, o tamanho e a uniformidade das partículas do pó também têm um efeito significativo na taxa de densificação da prensagem a quente. O tamanho de partícula do pó de sinterização por prensagem a quente deve ser submícron (<1 μm), com uma distribuição estreita de tamanho de partícula e sem aglomerados duros.
A fricção da parede do molde pode reduzir a taxa de densificação e levar a uma densificação irregular. Para este fim, o atrito pode ser reduzido de duas maneiras:
① Reduza a reação de alta temperatura entre a amostra e a parede da placa. O nitreto de boro pode ser revestido na superfície de contato do molde;
② Tente prensar a quente amostras planas (como discos ou folhas). Na verdade, a sinterização por prensagem a quente é mais adequada para a preparação de produtos planos. O efeito da pressão aplicada nas partículas de pó durante a sinterização por prensagem a quente.
A mudança de forma de uma unidade de pó representativa (tal como três grãos) é semelhante à de todo o pó compacto. Os grãos tornam-se planos na direção da pressão aplicada, o que também é possível na formação de sinterização por prensagem a quente. Textura (ou seja, a orientação preferida dos grãos ou o crescimento seletivo numa direção específica). Normalmente, a orientação preferida ou direção de crescimento seletivo dos grãos prensados a quente é perpendicular à direção da pressão aplicada. Para obter amostras de alta densidade, é necessário selecionar um sistema adequado de aumento de pressão e temperatura. Geralmente, o molde é aquecido e o pó na cavidade do molde é gradualmente aquecido até a temperatura de prensagem a quente ou abaixo da temperatura de prensagem a quente sob a ação da pressão uniaxial. O sistema de pressurização real varia dependendo dos diferentes pós, e o objetivo principal é eliminar totalmente os poros do branco. O tempo de retenção na temperatura de prensagem a quente varia dependendo das características do pó, variando de alguns minutos a algumas horas, geralmente de 0,5 a 2h. A pressão de prensagem a quente é geralmente liberada quando a densidade predeterminada (geralmente densificação completa) é atingida, e a pressão é liberada na temperatura de sinterização por prensagem a quente ou apenas quando o resfriamento começa, pois aparecerão rachaduras no produto durante o processo de resfriamento. A temperatura de sinterização por prensagem a quente é 100 ~ 200 ° C inferior à temperatura de sinterização por pressão normal. A temperatura de sinterização por prensagem a quente de materiais de óxido convencionais é mostrada na Tabela 4-5. Além disso, a temperatura de sinterização por prensagem a quente de boretos, carbonetos e nitretos resistentes a altas temperaturas convencionais é geralmente de 1700-1900 graus quando são usados auxiliares de sinterização.
