特种陶瓷的成型方法

特种陶瓷的主要成型方法可分为：①压力成型方法，如干压成型、冷等静压成型、干袋式①压力成型方法，如干压成型、冷等静压成型、干袋式等静压成型等。②可塑成型方法，如可塑毛坯挤压、轧膜成型等。③浆料成型方法，如料浆浇注、离心浇注、流延成型、热压铸等。热压铸等。④注射成型。⑤其他成型方法。如压滤法、固体自由成型制备技术、直接凝固注模成型、温度诱导成型、电泳沉积成型等。直接凝固注模成型、温度诱导成型、电泳沉积成型等。第三节成型工艺第三节成型工艺一、压力成型方法所谓压力成型是用粉料，即以固体颗粒为原料在一定的压力下进行成型的方法，也叫模压成型或干压成型。为了减少摩擦和增加强度，粉料中可能含有少量液体、为了减少摩擦和增加强度，粉料中可能含有少量液体、粘结剂包裹在颗粒外面。粘结剂含量较低（一般为7～8％）。（一）干压成型干压成型又称模压成型，是将粉料经过造粒、流动性好，颗粒级配合适的粉料，装入模具内，通过压机的柱塞施以外加压力，使粉料压合适的粉料，装入模具内，通过压机的柱塞施以外加压力，使粉料压成制一定形状的坯体的方法。这是最常用的成型方法之一。由于粉末颗粒之间，粉末与模冲、模壁之间的摩擦，使压制压力损失，造成压颗粒之间，粉末与模冲、模壁之间的摩擦，使压制压力损失，造成压坯密度分布的不均匀。单向压制时，密度沿高度方向降低。单向压制及压坯密度沿高度的分布第三节成型工艺第三节成型工艺为了改善压坯密度的分布，一方面可以改为双向压制(包括用浮动阴模)，另一方面可以在粉末中混入润滑剂，如油酸、用浮动阴模)，另一方面可以在粉末中混入润滑剂，如油酸、硬脂酸锌、硬脂酸镁、石蜡汽油溶液等。陶瓷材料的压制压力一般为40～100MPa，模压成型一般适用于压制高度为03～60mm直径为5～500mm形状简单的制品。0.3～60mm、直径为5～500mm形状简单的制品。双向压制及压坯密度沿高度的分布①干压成型的工艺原理干压成型的实质是在外力作用下，颗粒在模具内相互靠近，并借助内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来，保持一定形状。这种内摩擦力作用在相互靠近的颗粒外围结合剂薄层上。下图表示加压后结构的变化及颗粒接触的情况，图（a）为球形接触，下图表示加压后结构的变化及颗粒接触的情况，图（a）为球形接触，(b)为尖顶接触。当颗粒接触时，R1将大于R2，R2相当于微孔半径或微孔隙，这样由于微孔压力会把各颗粒拉近紧贴，也即通常所说的“粘孔隙，这样由于微孔压力会把各颗粒拉近紧贴，也即通常所说的“粘着力”。颗粒加压后的接触情况随着压力增大，坯料将改变外形，相互滑动，间隙减少，逐步加大接触，相互贴紧。由于颗粒进一步靠近，使胶体分子与颗粒间的作用力加强，触，相互贴紧。由于颗粒进一步靠近，使胶体分子与颗粒间的作用力加强，因而坯体具有一定的机械强度。如果坯料颗粒级配合适，结合剂使用正确，加压方式合理，干压法也可以得到比较理想的坯体密度。②影响干压成型的主要因素：a.粉体粒度分布：合适的粒度分布，可提高素坯充填密度。b.流动性：由喷雾或造粒后的粉体，具有良好流动性，它能在自动成型b.流动性：由喷雾或造粒后的粉体，具有良好流动性，它能在自动成型条件下，快速充填到模具内，避免架桥和死角形成，对获得均匀坯体尤为重要。尤为重要。c.粘结剂和润滑剂：选择合适的润滑剂和粘结剂将有助于降低模壁与粉体以及粉体之间的磨擦，从而使素坯密度保持均匀，也降低了模具的磨损。d.模具设计。很大程度上依赖于工程师们的经验，以及材料烧结收缩率，选择合适的形状和公差，来保证成型工艺的质量和成品率。选择合适的形状和公差，来保证成型工艺的质量和成品率。e.压制力的影响。制品密度随压制力的增大而增加，当压力达e.压制力的影响。制品密度随压制力的增大而增加，当压力达到一定程度，密度的增加已不再明显，如下图A12O3粉体干压时压力—密度关系。此时若继续增大压力，模具的磨损将明显加快，压力—密度关系。此时若继续增大压力，模具的磨损将明显加快，机器的负荷也很大，还常常出现模具卡住不能复位的故障。实用中应结合各种因素确定压力，以满足制品要求为前提，不应片面中应结合各种因素确定压力，以满足制品要求为前提，不应片面强调提高压力。压力—密度关系f.加压速度与保压时间。实践表明，加压速度与保压时间，对坯体性能f.加压速度与保压时间。实践表明，加压速度与保压时间，对坯体性能有很大影响，即与压力的传递和气体的排除有很大的关系。如果加压过快，保压时间过短，气体不易排出。同样当压力还未传递到如果加压过快，保压时间过短，气体不易排出。同样当压力还未传递到应有的深度时，外力就已卸掉，显然难以得到较为理想的坯体质量。如果加压速度过慢，保压时间过长，使生产效率降低，也是没有必要的.因此，应根据坯体的大小、厚薄和形状来调整加压速度和保压时间。一般对于大型、壁厚、高度大、形状较为复杂的产品，开始加压宜慢，中间可快，后期宜慢，并有一定的保压时间。这样有利于气体的排除和压力的可快，后期宜慢，并有一定的保压时间。这样有利于气体的排除和压力的传递，如果压力足够大时，保压时间可以短些。否则加压速度不当，排不出气体，会出现鼓泡、夹层和裂纹等。出气体，会出现鼓泡、夹层和裂纹等。第三节成型工艺第三节成型工艺（3）干压成型的优缺点（3）干压成型的优缺点优点：干压成型在特种陶瓷生产中是较常用的成型方法，因为它具有工艺简单，操作方便，周期短，效率高，便因为它具有工艺简单，操作方便，周期短，效率高，便于实行自动化生产。此外，坯体密度大，尺寸精确，收缩小，机械强度高，电性能好。缺点：干压成型对大型坯体生产有困难，模具磨损大、缺点：干压成型对大型坯体生产有困难，模具磨损大、加工复杂、成本高，其次加压只能上下加压，压力分布不均匀，致密度不均匀，收缩不均匀，会产生开裂、分不均匀，致密度不均匀，收缩不均匀，会产生开裂、分层等现象。随着现代化成型方法的发展，达一缺点逐渐为等静压成型所克服。（二）等静压成型（二）等静压成型原理：利用流体（水，油）作为传递介质来获得均匀静压力施原理：利用流体（水，油）作为传递介质来获得均匀静压力施加到材料上的一种方法。即利用液体介质的不可压缩性来均匀传递压力性，从各个方向进行加压，获得制品的成型方法。热等静压成型（HIP）等静压成形冷等静压成型（CIP）湿式冷等静压冷等静压成型（CIP）干式冷等静压操作方法：粉料被包封在与流体隔绝的橡皮膜或塑料粉料被包封在与流体隔绝的橡皮膜或塑料模内，然后将它浸没于加压容器中的液体内。流体可以是甘油、机油、水或者其它内。流体可以是甘油、机油、水或者其它非压缩性液体，通过高压泵将压力通过流体的传递施加在橡皮膜的各个方向，伴随体的传递施加在橡皮膜的各个方向，伴随着橡皮模变形使粉体被均匀加压成型。着橡皮模变形使粉体被均匀加压成型。优点：优点：1、压力从各个方向传递，压坯密度分布均匀，压坯强度高。2、素坯密度高，均匀缺陷少，烧成收缩比一般干压低；能压2、素坯密度高，均匀缺陷少，烧成收缩比般干压低；能压制具有凹形、细长件以及其他复杂形状的零件。3、摩擦损耗小，成型压力较低。4、模具成本低廉。缺点缺点：压坯尺寸和形状不易精确控制，生产率较低，不易实现自动化；1.湿袋法等静压（湿式等静压）将预压好的坯料包封在弹性的橡胶1.湿袋法等静压（湿式等静压）将预压好的坯料包封在弹性的橡胶模或塑料模中，然后置于高压容器中，容器内充满了液体介质。被成中，容器内充满了液体介质。被成型的坯体处于高压液体中，各方受压均匀。因为模具直接打入液体压压均匀。因为模具直接打入液体压力介质，和液体相接触。因此称湿袋等静压法。加压后，既可以释放袋等静压法。加压后，既可以释放压力，打开上盖封头，取出模具，并从模具中取出成型好的坯件。湿式等静压制原理图并从模具中取出成型好的坯件。这种方法可任意改变塑性包套的形状和尺寸。制品灵活性很大。适用于小规模生产。每次都要进行装袋、卸袋操作，大。适用于小规模生产。每次都要进行装袋、卸袋操作，生产效率不高，不能连续进行大规模生产。第三节成型工艺第三节成型工艺2.干袋式等静压：将弹性模具半固定，不浸泡在液体介质2.干袋式等静压：将弹性模具半固定，不浸泡在液体介质中，而是通过上下活塞密封。压力泵将液体介质注入到高压缸和加压橡皮之间，通过液体和加压橡皮将压力传递使压缸和加压橡皮之间，通过液体和加压橡皮将压力传递使坯体受压成型。9模具并不都是处于液体之中，而是半固定式的的；9坯料的添加和坯件的取出，都是在干燥状态取出，都是在干燥状态下操作,与液体不相接触。因此称为干袋法。干式等静压制原理图等静成¾干压等静压成型的特点：¾干式等静压更适合于生产形状简单的长形、壁薄、管状制品。¾这种方法可连续操作，操作周期短，适用于成批生产。但产品规格受限制，因为加压塑性模不能经常更换。目前大量使用的主要是湿袋法。目前大量使用的主要是湿袋法。3.热等静压成型热等静压也称为高温等静压，是用金属箔代替橡皮模用气体代替液体使金属箔内的粉料均匀受压模，用气体代替液体，使金属箔内的粉料均匀受压。通常所用的气体为氦气、氩气等惰性气体。一般100300MPa气压温度从几百度到2000℃实100～300MPa气压，温度从几百度到2000℃，实现高温下的压制成型并烧结。¾设备：热等静压成型机；¾气体介质：氦气、氩气；¾金属箔第三节成型工艺等静压成型可大大提高坯体密度的均匀性。但是，等静压成型可大大提高坯体密度的均匀性。但是，等静压成型需要用柔性材料，如橡胶、塑料等做模等静压成型需要用柔性材料，如橡胶、塑料等做模具，除了球形、圆柱形等简单形状之外，无法保证形状和尺寸的准确性，同样也不能成型出复杂形状的制品。的制品。第三节成型工艺第三节成型工艺二、可塑成型方法二、可塑成型方法可塑成型法是利用模具或刀具等运动所造成的压力、剪力、可塑成型法是利用模具或刀具等运动所造成的压力、剪力、挤压等外力对具有可塑性的坯料进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成坯体的方法，又称为挤压成型。可塑成型法所用泥料含水量高，干燥热耗大(需要蒸发大量可塑成型法所用泥料含水量高，干燥热耗大(需要蒸发大量水分)，变形开裂等缺陷较多，对泥料要求较苛刻。但是，可塑成型所用坯料制备比较方便，对泥料加工所用外力不大，对模具强度要求不算很高，操作也比较容易掌握。对模具强度要求不算很高，操作也比较容易掌握。第三节成型工艺第三节成型工艺（一)泥团可塑性的原理可塑泥团是由固相、液相、气相组成的塑性-粘性系统，由粉料、粘结剂、增塑剂和溶剂组成，可塑泥团与料浆的重要差别在于固液比不同：可塑泥团含水一般为19％～26％，而料浆含水高达30％～35％。泥团颗粒间存在着两种力：粒间存在着两种力：①吸力，主要有范德华力、静电引力和毛细管力。吸力作用范围约2nm。毛细管力是泥团颗粒间引力的主要来源。2nm。毛细管力是泥团颗粒间引力的主要来源。②斥力，在水介质中，斥力作用范围约20nm。当系统中水含量高，颗粒相距较远，表现出以斥力为主。当水含量低时，颗粒接近，表现出以吸力为主，成为泥团。影响泥团可塑性的主要因素有：（1）陶瓷原料的性质和组成。a.阳离子交换力强的原料，一方面可使粒子表面形成水膜，增加可塑性；另一方面由于粒子表面带有电荷，不会聚集，降低粒度。比表面积增另一方面由于粒子表面带有电荷，不会聚集，降低粒度。比表面积增加，也可增加阳离子交换能力。b.细颗粒原料形成水膜所需的水量多、毛细管力大，塑性好。b.细颗粒原料形成水膜所需的水量多、毛细管力大，塑性好。粘土粒度愈细，含水量愈多，粘土粒度愈细，含水量愈多，可加工性愈好。粘土泥团塑性与颗粒度尺寸的关系（2）吸附离子的影响。从被吸附的阳离子价数来考虑，三价阳离子价数（2）吸附离子的影响。从被吸附的阳离子价数来考虑，三价阳离子价数高，和带负电荷的粒子吸引力大，大部分进入胶团的吸附层中，整个胶粒电荷降低，因而斥力减小、引力增加，所以泥团可塑性增加。二价阳粒电荷降低，因而斥力减小、引力增加，所以泥团可塑性增加。二价阳离子次之，一价阳离子最小。在一价阳离子中，氢是一个例外。因为它实际上是一个原子核，所以电