La sinterización por prensado en caliente (HP) es un método de sinterización presurizado mecánicamente. Este método consiste en colocarcerámicopolvo en la cavidad de un molde y calentar el polvo a la temperatura de sinterización mientras se presuriza. Dado que la fuerza motriz se complementa con presión externa, se puede lograr la densificación en un tiempo relativamente corto y se puede obtener una microestructura con granos finos y uniformes. Por lo tanto, para materiales cerámicos de alta temperatura (como Si3N4, B, C, SiC, TiB2, ZrB2) que son difíciles de sinterizar con enlaces covalentes, la sinterización por prensado en caliente es una tecnología de densificación eficaz. La sinterización por prensado en caliente puede obtener productos cerámicos con una densidad cercana a la densidad teórica a una temperatura ligeramente más baja de 100 ℃ ~ 200 ℃ por debajo de la temperatura de sinterización a presión normal; La sinterización por prensado en caliente también puede mejorar el rendimiento del producto, como la transparencia, la conductividad, las propiedades mecánicas y la fiabilidad de uso.
Sin embargo, la sinterización por prensado en caliente normalmente solo puede producir productos con una única forma y, en muchos casos, el posprocesamiento aumentará considerablemente el costo de fabricación. Sin embargo, después de más de 40 años de desarrollo, la sinterización por prensado en caliente ha evolucionado desde una simple investigación de laboratorio hasta una aplicación industrial generalizada y se ha convertido en un proceso de sinterización maduro e importante.
Materiales de moldes y hornos de prensado en caliente:
Generalmente se colocan polvos o piezas preformadas en el molde, se calientan y se presionan al mismo tiempo. Dependiendo de la aplicación, la temperatura de trabajo puede alcanzar los 2500 °C y la presión de trabajo suele ser de 10 a 75 MPa. En la sinterización por prensado en caliente, la presión máxima que se puede aplicar está limitada por la resistencia del molde. Para los moldes de grafito de uso común, la presión generalmente puede alcanzar los 40 MPa.
Utilizando moldes especiales de grafito o moldes más caros de metal de alta temperatura (como la aleación Nimonic) o de cerámica de alta temperatura (como Al2O3, SiC), la presión se puede aumentar a 75 MPa. Para materiales de molde como Al2O3 y SiC, debido a las limitaciones de la tecnología de preparación y el costo, solo se pueden usar para fabricar moldes de tamaño pequeño (como 5 cm de diámetro); el espacio entre el molde y el cabezal de presión debe ser ligeramente mayor cuando se usa, y también se requiere un recubrimiento para evitar la sinterización o soldadura entre el cabezal de presión y el molde.
Otro factor limitante es que las trazas de impurezas (como el SiO2) causarán una fluencia severa en dichos moldes. Por lo general, un 0,1 % de impurezas reducirá en gran medida la presión y la temperatura de uso, por lo que la alúmina pura al 99 % no es adecuada para moldes de prensado en caliente. Los moldes de SiC prensados en caliente se han utilizado comercialmente para prensar piezas de ferrita en caliente en aire u otras atmósferas (debido a que la atmósfera reductora de los moldes de grafito no se puede utilizar para fabricar ferritas).
El grafito es el material de molde más utilizado porque es relativamente barato, fácil de procesar y tiene muy buena resistencia a la fluencia a altas temperaturas. El grafito se oxida lentamente por debajo de los 1200°C y puede colocarse en una atmósfera oxidante durante un breve periodo de tiempo. Por encima de 1200°C se debe utilizar en atmósfera inerte o reductora. Debido a que el grafito puede reaccionar con muestras cerámicas a altas temperaturas, causando erosión de la superficie de contacto o que la muestra se pegue a la pared del molde, generalmente se recubre nitruro de boro en la pared del molde de grafito para evitar la reacción y facilitar el desmolde de la muestra después de la sinterización.
Proceso de sinterización por prensado en caliente:
Aunque la sinterización por prensado en caliente aumenta la fuerza impulsora de la densificación mediante la aplicación de presión, también se requieren ayudas para la sinterización en algunos casos difíciles de sinterizar.materiales cerámicos, especialmente aquellos con fuertes enlaces covalentes y pequeños coeficientes de autoexpansión.
Los auxiliares de sinterización pueden proporcionar canales de alta tasa de difusión (como la fase líquida en los límites de los granos) en relaciones de temperatura de sinterización, promoviendo así la densificación. Sin embargo, dado que la aplicación de presión aumenta la fuerza impulsora de la densificación, la cantidad de ayuda para la sinterización requerida es menor que la de la sinterización a presión normal.
Al igual que con el método de sinterización sin presión, el tamaño y la uniformidad de las partículas del polvo también tienen un efecto significativo en la tasa de densificación del prensado en caliente. El tamaño de partícula del polvo de sinterización prensado en caliente debe ser submicrónico (<1 μm), con una distribución de tamaño de partícula estrecha y sin aglomerados duros.
La fricción de la pared del molde puede reducir la tasa de densificación y provocar una densificación desigual. Para ello, la fricción se puede reducir de las dos formas siguientes:
① Reduzca la reacción de alta temperatura entre la muestra y la pared de la placa. Se puede recubrir la superficie de contacto del molde con nitruro de boro;
② Intente prensar en caliente muestras planas (como discos u hojas). De hecho, la sinterización por prensado en caliente es más adecuada para preparar productos planos. El efecto de la presión aplicada sobre las partículas de polvo durante la sinterización por prensado en caliente.
El cambio de forma de una unidad de polvo representativa (tal como tres granos) es similar al de todo el compacto de polvo. Los granos se vuelven planos en la dirección de la presión aplicada, lo que también provoca la posible formación de sinterización por prensado en caliente. Textura (es decir, la orientación preferida de los granos o el crecimiento selectivo en una dirección específica). Normalmente, la orientación preferida o dirección de crecimiento selectivo de los granos prensados en caliente es perpendicular a la dirección de presión aplicada. Para obtener muestras de alta densidad, es necesario seleccionar un sistema de aumento de presión y temperatura adecuado. Generalmente, el molde se calienta y el polvo en la cavidad del molde se calienta gradualmente hasta la temperatura de prensado en caliente o por debajo de la temperatura de prensado en caliente bajo la acción de una presión uniaxial. El sistema de presurización real varía según los diferentes polvos y el objetivo principal es eliminar por completo los poros del material en bruto. El tiempo de permanencia a la temperatura de prensado en caliente varía dependiendo de las características del polvo, desde unos pocos minutos hasta unas pocas horas, generalmente de 0, 5 a 2 h. La presión de prensado en caliente generalmente se libera cuando se alcanza la densidad predeterminada (generalmente densificación completa), y la presión se libera a la temperatura de sinterización de prensado en caliente o justo cuando comienza el enfriamiento, porque aparecerán grietas en el producto durante el proceso de enfriamiento. La temperatura de sinterización por prensado en caliente es 100~200C más baja que la temperatura de sinterización a presión normal. La temperatura de sinterización por prensado en caliente de materiales de óxido convencionales se muestra en la Tabla 4-5. Además, la temperatura de sinterización por prensado en caliente de los boruros, carburos y nitruros convencionales resistentes a altas temperaturas es generalmente de 1700 a 1900 grados cuando se utilizan auxiliares de sinterización.
