氧化锆陶瓷刀成型技术

题目氧化锆陶瓷刀成型技术学院化学化工学院专业无机非金属材料班级无机121班姓名王蓓丽学号201246201032015年05月01日氧化锆陶瓷刀成型技术化学化工学院无机121班王蓓丽20124620103刀具是我们生活中密不可分的一部分，以前我们一直使用的都是合金刀具，但近几年一种新型刀具走进我们的生活之中——氧化锆陶瓷刀具。氧化锆陶瓷刀首先由日本京瓷研制成功并投放市场，一经问世就受到人们的青睐和追捧，是近年来的高科技产品。氧化锆陶瓷刀独具玉石般丰润亮泽，时尚典雅，号称“贵族刀”。其刀刃锋利无比，耐磨性比钢刀高几十倍，堪称“永不磨损”。氧化锆陶瓷具有化学稳定性高、耐酸碱腐蚀、易清洗不生锈、切物无异味等特性，是典型的“绿色环保产品”。目前，在日本、美国及欧洲等发达国家已得到广泛应用，国内也有多家企业工业化生产氧化锆陶瓷刀，大量出口并作为贵重礼品相互馈赠。目前，国内外大多数企业都是以化学共沉淀法生产的3%Y2O3-ZrO2造粒粉为原料，采用干压成形法生产氧化锆刀坯。干压成形机械化程度高，因此成本低，生产效率高，但坯体密度低，结构不均匀，烧结时收缩率过大，容易变形、开裂，产品质量较差。为此，对于尺寸较大的刀坯，采用冷等静压工艺提高坯体密度和结构均匀性，以解决上述问题。但是这样无疑会增加设备和工艺成本，并大大降低生产效率。干压成形后，即使经过冷等静压，陶瓷坯体气孔分布一般在不同程度上仍会表现为多峰分布，坯体中难免会存在气孔缺陷，影响陶瓷刀的质量。采用水基料注凝成形法制备氧化锆陶瓷刀，凝胶注模成形是上世纪90年代发展起来的一种近净尺寸成形工艺，最早由美国橡树岭国家实验室Omatete等人提出。该工艺可成形形状复杂、微观结构均匀、强度高、密度高的坯体，能直接进行机加工，明显优于其它复杂形状部件的成形工艺，已在工程陶瓷领域得到广泛应用。注凝成形的机理是通过外加有机单体和交联剂的聚合反应形成高分子网络结构而将陶瓷粉体原位固化定型。在此过程中，并不发生溶剂介质的散失，其体积基本不发生收缩变化，凝胶坯体的初始体积密度基本保持料浆本身的体积密度，是一种生产高质量的氧化锆陶瓷刀的理想工艺。一、常用陶瓷成型简介（一）陶瓷成型的概念：成型是将制备好的坯料，用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯体（生坯）的过程。（二）陶瓷成型的分类：从工艺上讲，根据坯料的性能和含水量的不同，陶瓷的成型方法可分为三类：注浆成型、可塑成型、压制成型。1、注浆成型——常见的有普通注浆、高压注浆，适用范围广，常用于制作空心坯体、异型坯体。2、可塑成型——常见的有滚压、旋压、挤压、辊压、塑压、拉坯、印模、轧模、雕塑，成型方法多，多用于制作回旋体、扁平状坯体，也可用于制作大型或异型产品。3、压制成型——常见的有干压成型、等静压成型，日用陶瓷常用于制作盘、碟类产品，建筑陶瓷常用于制作平板状陶瓷砖。4、热压注成型——一般用于特种陶瓷的成型工艺。（三）成型需满足的要求：由于不同的成形方法对坯料的工艺性能要求不同，成形应满足烧成所要求的生坯干燥强度、坯体致密度、生坯入窑水分、器形规整等性能，因此成形工序应满足下列要求：1．坯体应符合产品所要求的生坯形状和尺寸（应考虑收缩）。2．坯体应具有相当的机械强度，以便于后续工序的操作。3．坯体结构均匀，具有一定的致密度。4．成型过程适合于多、快、好、省的组织生产。（四）成形方法的选择依据选择陶瓷成型方法最基本的依据是：产品的器型、产量和品质要求，坯料的性能及经济效益，通常具体要求考虑以下几个方面：1.产品的形状、大小、厚薄等；2.产品的工艺性能；3.产品质量及品质要求；4.成形设备容易操作，操作强度小，操作条件好，并便于与前工序联动或自动化；5.技术指标高，经济效益好，劳动强度低。二、氧化锆陶瓷刀制备现在采用注凝成形工艺制备氧化锆陶瓷刀。以超细氧化锆粉为原料，加入丙烯酰胺（单体）、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）、过硫酸铵（引发剂）、四甲基乙二胺（催化剂）、JA-281分散剂及氨水制备出了固相含量52%的氧化锆基陶瓷悬浮体，经注凝成形，1500℃烧结。文中比较了不同规格的锆粉，并确认了较适用于注凝成形的锆粉。同时，检测了注凝干燥坯体及烧结样品的相关理化性能，并将其与干压冷等静压成形坯体进行对比。结果表明，悬浮体固化后颗粒仍保持原有的位置，坯体光滑致密无气孔。生坯抗弯曲强度为24.19MPa，高于干压冷等静压的15.24MPa，注凝坯体经1500℃烧结，样品吸水率为0%、体积密度为6.13g/cm3、抗弯强度为929.70MPa。三、氧化锆陶瓷刀注浆技术（一）注浆成型技术1、注浆成型传统的定义：在石膏模的毛细管力作用下，含有一定水分的粘土泥浆脱水硬化、成型的过程。目前：将所有基于坯料具有一定液态流动性的成型方法统归为注浆成型。2、工艺特点：（1）适于成型各种产品，形状复杂、不规则、薄、体积较大而且尺寸要求不严的器物，如花瓶、汤碗、椭圆形盘、茶壶等。（2）坯体结构均匀，但含水量大且不均匀，干燥与烧成收缩大。（二）注浆成型的工艺过程将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆在贴近模壁的一侧被模子吸水而形成一均匀的泥层，并随时间的延长而加厚，当达到所需厚度时，将多余的泥浆倾出，最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型取出后即为毛坯。（三）普通注浆成型方法1、空心注浆法（单面注浆）。2、实心注浆(双面注浆)。(四)强化注浆方法1、离心注浆法使模型在旋转情况下进浆，料浆在离心力的作用下紧靠模壁形成致密的坯体。气泡较轻，易集中在中间最后破裂排出，故可提高吸浆速度与制品质量。要求：泥浆中的颗粒分布范围窄，否则大颗粒集中在靠近模型的坯体表面，而小颗粒集中在坯体内面，造成坯体组织不均匀，收缩不一致。2、真空注浆在模型外抽真空，或将加固后的石膏模放在真空室中负压操作，以增大石膏模内外压，提高注浆成型时的推动力，提高吸浆速度，缩短坯体形成时间，提高坯体致密度和强度，同时减少坯体的气孔和针孔。3、压力注浆通过提高泥浆压力来增大注浆过程推动力，加速水分的扩散，不仅可缩短注浆时间，还可减少坯体的干燥收缩和脱模后坯体的水分。四、氧化锆陶瓷刀制作工艺（一）原料本实验所采用的原料有超细二氧化锆粉料、丙烯酰胺（CH2CONH2，AM）为有机单体、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺[（CH2CONH）2CH2，MBAM]为交联剂、JA-281为分散剂、采用过硫酸铵[（NH4）2S2O8，APS]作引发剂、N，N-四甲基乙二铵（TEMED）作催化剂、用氨水调节料浆pH值。（二）过程按照（一）的实验配方，将有机单体AM、交联剂MBAM和分散剂混合得到预混液，和陶瓷原料粉末一起搅拌，球磨得到高固相、低粘度的浆料，在有机物和陶瓷颗粒得到均匀的混合后加入催化剂TEMED和引发剂APS，快速搅拌后注入模具，使悬浮体中的有机单体聚合交联形成三维网络结构，从而使液态浆料转变成固态坯体，在50℃浆料固化形成凝胶。脱模后干燥，600℃脱脂，在硅钼棒高温电炉内1500℃保温2h烧结致密化后得到陶瓷样品。混磨料浆振动除气滴加催化剂和引发剂注摸-凝胶化脱模脱水干燥修胚烧结磨端面刀具（三）制备结果讨论1、不同粒径氧化锆粉对陶瓷刀性能的影响以不同规格参数的锆粉为原料，采用固相含量相同，以及有机单体、交联剂、催化剂及引发剂的加入量均相同的注凝成形工艺制备氧化锆陶瓷刀，其品分别为A1、A2、A3。比较各样品的性能，选取较适合注凝成形所适用的锆粉。2、锆刀密度均在6.0g/cm3以上，吸水率、显气孔率均为0%，则说明锆刀均可于1500℃烧结致密化。随着氧化锆粉粒径的增加，锆刀的密度有所增加。由于在固相含量相同的条件下，随着锆粉粒度的减小，其浆料的稳定性及陶瓷粉料的分散性变差，导致料浆内气体含量升高，成形后坯体中的气孔增多导致坯体的烧结密度略微有所降低。固相含量相同，烧成收缩不同，可能是由于粉体本身的特性有关。而影响抗弯强度的主要因素有配方组成、烧成温度、晶粒尺寸和分布、玻璃相的分布、气孔的大小和分布等。由于配方组成、烧成温度一致，主要区别是粉体粒径。按理论而言，粉体粒径越细，成品烧结越致密，缺陷越少，抗弯强度越高。但是氧化锆存在相变，如果锆粉性能不稳定，可能导致烧成后的四方相氧化锆不稳定，在抗压过程中也许会导致氧化锆相变而使得抗弯强度减小。同时，回收废料的抗弯强度不比新粉低，这主要是由于废料回收重新球磨，粉体颗粒同样可均匀分散，锆刀烧结致密，缺陷少。虽然采用回收废料制备锆刀性能不差，但是刀抛光后表面会存在斑点，影响美观，因此回收废料不适用于生产锆刀。2、不同成形方法对氧化锆刀性能的影响采用干压冷等静压与注凝成形两种不同成形工艺制备氧化锆刀的性能测试，注凝成形的生坯抗弯强度要比干压冷等静压的生坯抗弯强度大很多，这是由于注凝成形是在低粘度、高固相含量的粉体-溶剂悬浮液体系中加入少量的有机单体，然后利用催化剂和引发剂，使悬浮体中的有机单体交联形成三维网状结构，是液态浆料原位固化成形，从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的高强度坯体。由于注凝成形所制备的浆料通过真空搅拌除气，注凝出的坯体致密度更高，注凝出的坯体缺陷少，烧成后的抗弯强度较干压冷等静压所得制品要高。五、结论（1）注凝成形氧化锆刀比冷等静压成形生坯强度高2倍，烧成后强度提高15%以上，抛光后成品强度高15%以上。所以，注凝成形比冷等静压要好。（2）不同粒径的锆粉烧成后抗弯强度有细微区别，规律性不强，以0.2μm粒径成形制品各项性能最佳。（3）由于注凝法可以满足器件形状多样化、复杂化的要求，目前注凝成形工艺的应用正处于一个研究的热潮中。注：水基料浆凝胶注模法制备氧化锆陶瓷刀具的性能项目单位实测值体积密度g／cm6．O3抗弯强度MPa1005．6断裂韧性MPa·m10．2显微硬度GPa14．51，℃(20—500℃19．8×10线膨胀系数1／℃(20—800℃10．2×104参考文献[1]陈大明.先进陶瓷材料的注凝技术与应用[M].北京：国防工业出版社，120-121.[2]刘开琪，宋慎泰，洪彦若.凝胶注模成形工艺的研究[J].耐火材料，2004，38（5）：343～346.[3]王刚，阎逢元，石雷.精密陶瓷凝胶注模成形工艺评述[J].材料科学与工程学报，2003，21（4）：602～606.[4]宴伯武.凝胶注模成形工艺的研究[J].中国陶瓷，2006，42（2）：8～11.