冷等静压生产高铝瓷棒类产品工艺控制分析(2)

文章编号：1003-8337（2011）02-0026-04
收稿日期：2010-11-15
作者简介：解广文(1962—)，男，工程师，现从事电瓷产品研发制造工作。

0引言
实心棒类高铝瓷做为结构件具有高强度，高耐磨、硬度大、绝缘性能好，热稳定性好等特点，广
泛应用于电力、电子、通讯、冶金、机械、化工及航空航天等领域。

特别是做为静电除尘器顶部振打件高效且维护方便，既可以传递振打力，又有良好的绝缘作用
[1-2]。

冷等静压生产高铝瓷棒类产品
工艺控制分析
解广文，田壮锋
（铜川电瓷有限责任公司，陕西铜川7270015）
摘要：实心棒类高铝瓷生产过程中的工艺控制是否合理是实物质量及产品合格率高低的关
键，氧化铝是高铝瓷的主要原料，煅烧温度必须达到1450℃，以保证γ-Al 3O 2转化为α-Al 3O 2的转化率达到90%以上，有效降低烧成过程中由于坯体强烈收缩造成开裂和变形问题；等静压型时，对直径和长度比大于5的产品，采用天然橡胶模具及相关工装，可以提高粉料的利用率，降低生产成本；合理的控制烧成温度，特别是1200～1450℃的升温速率，可以减少开裂和变形，提高合格率。

关键词：高铝瓷；工艺控制；等静压
中图分类号：TM216
文献标识码：A
Analysis on the Process Control of High Aluminum
Product with Cold Isostatic Pressing
XIE Guang-wen ，TIAN Zhuang-feng
（Tongchuan Electric Ceramics Co.,Ltd.,Tongchuan 7270015,China ）
Abstract ：The process control during the production process of solid core high aluminum ceramics is the key to the product quality and the product percent of pass;aluminum oxide is the principal raw material of high aluminum ceramics,it must be heated to 1450℃to ensure the conversion rate of γ-Al 3O 2to α-Al 3O 2up to 90%,so as to effectively reduce the crack and distortion problems caused by the strong contraction of body in the firing process;during the isostatic pressing,period for the product of which the ratio of diameter and length greater than 5,by using of natural rubber mold and related tools,the utilization rate of powder material can be enhanced and production cost can be reduced.Rationally control of firing temperature,especially heating rate of 1200-1450℃,will reduce crack and distortion,and improve percent of pass.
Key Words ：high aluminum ceramics;process control;isostatic pressing
2011年第2期（总第240期）
2011年4月
电瓷避雷器
Insulators and Surge Arresters
No2.2011(Ser.№.240)
Apr.2011
1.4球磨制粉
按配方称量各种原料加水装入球磨机，研磨时间大约为68～72h ，料∶球∶水比为1∶2∶0.6，出磨细度控制在5μm 以下（5μ以下颗粒占90％以上）。

然后过筛放入浆池中。

接着用柱塞泵把浆料打到喷雾塔内进行烘干造粒。

造粒料的颗粒要控制在0.1~
0.6mm ，水分要控制在0.6%～1.0%内。

2
等静压成型
成型问题一直是氧化铝瓷棒类产品生产质量的
关键。

近多年来，成型技术有了很大发展，除传统的干压、注浆成，热压注成等方法外，冷等静压成型方法在技术上有了很大提高。

对大件细长的产
品，特别是生坯需要进行机械加工的坯品更为有效。

2.1设备
我们使用的是某公司生产的CIP630/2500-
200S 冷等静压机。

等静压机的主要技术参数：最高工作压力为
200MPa ，工作缸内径为630mm ；工作缸有效高度为2500mm 。

2.2成型模具
等静压压制坯品，一般都是采用橡胶模具。

由于压制坯品的不同，模具所使用橡胶的品种和模具的结构还是有较大的差别。

通常都是用5～8mm 的橡胶制作。

棒类实心产品都用图1所示的模具。

1粉料制备
1.1氧化铝粉煅烧
工业氧化铝粉是高铝瓷的主要原料，占90%以上，它的性能对产品起着关键的作用。

它通常是以碱式法生产的，其主要晶型为γ-Al 2O 3，是低温稳定型。

当加热到1050℃时，γ-Al 2O 3开始转变为
α-Al 2O 3，并放出32.8J /mol 热量。

开始转化很慢，随着温度的升高，转化速度变快，到1500℃转化近于完成，并有14.3%的体积收缩。

转化过程不可逆。

α-Al 2O 3在其熔点以下都是稳定的。

另外氧化铝粉中还含有少量Na 2O 杂质，而Na 2O 杂质往往
使瓷体电性能显著恶化，电阻率降低，介质损耗显著提高。

因此，工业氧化铝粉在使用前必须进行煅烧处理，同时为了去除氧化铝粉中碱金属氧化物，可加入1%~3%H 3BO 3，并在1420~1450℃进行煅烧，此时，碱金属粒子与H 3BO 3反应并挥发掉。

同时也促进了氧化铝的晶型由γ-Al 2O 3转变为α-
Al 2O 3。

可以有效地降低烧成过程中坯体收缩造成
开裂和变形问题。

1.2高铝瓷的组成和性能
我国目前生产的高铝瓷如95瓷普遍采用CaO 、
MgO 、SiO 2等熔剂类加入物（以粘土，CaCO 3，滑
石，SiO 2等引入），少量MgO 对抑制Al 2O 3晶粒长大，保证Al 2O 3陶瓷具有微晶结构呈现明显的效果，表面经过抛光后具有较高的表面光洁度，MgO 的缺点是高温挥发性明显，处于瓷体表面的MgO 组分在烧结过程中易挥发，使瓷体表面层中晶粒长的较大。

由MgO —Al 2O 3—SiO 2系相图可知，其平衡矿物组成为刚玉，莫来石，尖晶石。

CaO —Al 2O 3—
SiO 2系瓷料的烧成温度较低，但晶粒发育比较大，
抗酸、碱腐蚀能力差，而且在粗大的晶粒中容易包裹未排除的闭气孔，组织结构不够理想。

CaO —
MgO —Al 2O 3—SiO 2系Al 2O 3瓷料具有烧成温度较
低，晶粒较小，组织结构较细密，抗酸、碱腐蚀的能力较强等优点，是比较理想的高铝瓷系统。

含
93%Al 2O 3的CaO —MgO —Al 2O 3—SiO 2系瓷料熔剂组成变动实验结果说明，把瓷料的SiO 2/CaO 比值控制在1.6～0.6的范围内，不仅有利于瓷料的烧
结，而且有利于烧成介质损耗较低的Al 2O 3瓷。

1.3配方和化学组成
选择了CaO-MgO-Al 2O 3-SiO 2系Al 2O 3瓷料的配方，具体配料和化学成分见表1。

配方成分中，SiO 2/CaO 的比值在1.6～0.6范围
内。

配
料
组
成（质量分数，%）
化
学
组
成（质量分数，%）
煅烧Al 2O 3
烧滑石
CaCO 3
苏州土
Al 2O 3CaO MgO SiO 2SiO 2/CaO 9323
2
95.00
1.78
1.35
1.96
1.10
表1
配料组成及化学成分
Tab.1Ingredients composition and chemical composition
2011年第2期冷等静压生产高铝瓷棒类产品工艺控制分析（总第240期）
2011年第2期电瓷避雷器（总第240期）
第一种模具比较造合压制长度和直径比值小于
5的坯品，对于长度和直径比值大于5的坯品容易
产生弯曲现象。

对于长度和直径比值大于5，要想加工出合格的坯品，就要加大毛坯的直径增加加工余量，原料浪费多。

经过仔细分析研究和广泛了解之后，我们对于长度和直径比值大于5的坯品采用第二种结构方式解决了坯品产生弯曲现象的问题，模具采用一定弹性的天然橡胶，模具套在固定桶上。

这种方法可以解决坯品产生弯曲现象，可使粉料的利用率大大提高。

2.3坯体压制
料粉开始受压阶段，大量颗粒产生相对滑动和位移，位置重新排列，孔隙减少，假颗粒碎裂，拱桥破坏，坯体密度增大，而强度并不大，强度主要来源于颗粒之间的机械咬合作用。

在压制的第二段中，坯体中宏观的大量空隙已不存在，颗粒之间的接触由简单的点线或小块面接触发展为较复杂的点、线、面接触。

在压力没达到使固体颗粒变形和断裂的程度以前，不会再出现大量孔隙被填充和颗粒重新排列，因此坯体密度变化很小。

在此过程中强度直线提高，这是由于颗粒接触面积大大增加，出现分子间的相互作用力。

当压力继续增加到使固体颗粒变形和断裂的程度，颗粒的棱角压平，孔隙继续填充，坯体密度进一步提高。

其实这个阶段坯体孔隙和密度变化并不大，强度变化也不明显。

为了得到高密度和高强度的坯体：
(1)要减少粉料装模具时自由堆积的孔隙率，装料前粉料要过20目筛。

①造粒粉的形状尽量要球形的，粒度分布要
合理。

②装料时模具放在振动器上，保证装料的均
匀性。

③料粉装好后抽真空，真空度控制在0.08MPa
以下，以排除粉料间的空气，减少空隙率。

(2)成型压力对坯体的密度和高强度很关键，
但也不是成型压力越高越好。

根据生产试验对比发现，当压力超过120MPa 以后，坯体的密度和高强度的增加就不明显了。

表2是坯体的密度和压力的对应试验结果。

所以我们就把成型压力定在120MPa
(3)线收缩率约为22%；体积收缩率约为61%。

(4)压制过程分为3个阶段：压力由常压增加到120MPa ，为加压阶段。

然后保压大约3min ，最
后是卸压过程，卸压过程分为3级卸压。

整个过程全部由电脑控制。

等静压机加压曲线见图2。

3
车床粗加工
按照图纸进行粗加工。

主要是选择刀具问题，
氧化铝瓷粉料对刀具的磨损比较快，使用合金钢刀具磨损太快，所以我们选用比较耐磨的复合陶瓷刀具，它的耐磨性能比较好，加工后产品表面比较光滑，刀具的使用寿命比较长。

加工后的产品必须放在干燥处，不能产生二次受潮现象，不然在烧成中容易产生开裂现象。

4产品烧成
产品烧成我们采用的是4m 3的的燃气梭式窑。

使用的烧咀是高速恒温烧咀，窑炉温差小，窑内热量分布均匀，最高烧成温度可达1750℃。

4.1产品的装窑
我们所使用的燃料是洁净的天然气，所以产品
(a)普通橡胶模具
图1
模具示意图
Fig.1Mould schemes
压力/MPa 80100120140160密度/g ·cm -3
1.99
2.095
2.109
2.110
2.112
表2密度随压力变化情况
Tab.2Density changes with pressure
图2
等静压机加压曲线图
Fig.2Isostatic pressing machine pressure curve
(b)天然橡胶模具
明焰烧成。

可采用直接将产品放在窑车面上立烧、下面垫一层氧化铝粉。

或放在重结晶炭化硅支架的棚板上平烧，也可以用炭化硅支架吊烧。

立烧不用窑具，成本低。

但是长度和直径比值大于5的产品易产生弯曲变形和产品倾到现象。

放在炭化硅棚板上平烧，园度不能保证易变形，接近炭化硅板的地方易吸附炭化硅高温分解的产物而使产品表面变色污染。

虽然吊烧成本较高，但可以保证产品的垂直度和园度，也不容易产生落渣现象。

4.2烧成制度
(1)300℃以前主要是吸附水蒸发和粘结剂的挥发期。

300℃以前主要是排除坯体中的机械吸附水，这部分水分很少，只有1%左右。

同时还有粘结剂聚乙烯醇加热分解。

聚乙烯醇系白色固体，可在80～90℃水中溶解。

其水溶液有很好的粘接性和成膜性；能耐油类、润滑剂和烃类等大多数有机溶剂；具有长链多元醇酯化、醚化、缩醛化等化学性质。

聚乙烯醇的相对密度(25℃/4℃)1.27～1.31(固体)、1.02(10％溶液)，熔点230℃，玻璃化温度75～85℃，在空气中加热至100℃以上慢慢变色、脆化。

加热至160～170℃脱水醚化，失去溶解性，加热到200℃开始分解。

超过250℃变成含有共轭双键的聚合物。

(2)780℃以前还有少量的有机物分解、少量粘土中结晶水的排出；可缓慢升温，防止坯体内分解气体形成的高气压使坯体开裂。

750℃以后可提高升温速度，但要根据坯件大小，考虑坯体内部的温度梯度和热传导速率，而采用不同的升温速度。

温度在坯体内分布越均匀一致，其各部收缩才会一致。

收缩不一致时，会引起瓷件开裂或变形。

(3)1200～1250℃保温2h，因为到1200℃时坯体开始明显收缩，同时氧化铝粉料中煅烧不彻底的γ-Al
2
O3开始转变为α-Al2O3，加剧了坯体的收缩，控制不好很容易产生产品的开裂现象。

(4)从1250℃到1600℃是瓷体致密化和形成微晶，出现液相并增多及烧结期晶粒长大时，应慢速升温以便排出气体。

为促进充分烧结使其均匀，强化组织结构。

(5)1600～1620℃应高火保温2h。

(6)停火后快冷对形成微晶也有很大的作用。

产品从塑态冷却至固态时（1050~850℃），要快速冷却。

但也不能冷却太快，温度降到300℃后，关闭风机自然冷却。

冷却过快会使产品存在余应力而降低性能。

烧成曲线见图3。

5磨切清理包装
出窑后的产品经检验合格后，按照要求的尺寸公差上磨床进行精加工，多余部分切掉。

最后把产品表面清理干净。

用纸箱包装入库。

6结论
经过一年多的实际生产调试，证明合理控制工艺控制参数，是生产稳定的关键，特别是要控制好以下几点。

(1)高铝瓷是以氧化铝料为主要原料，所以氧化铝的煅烧就成为原料控制的关键，煅烧温度达到1450℃时γ-Al2O3转变为α-Al2O3的转化率可达90%以上，因此氧化铝的煅烧必须达到1450℃，以减少烧成过程中的收缩变形。

(2)等静压成型时，对于长度和直径比小于5的可以采用普通模具，对于比值大于5的采用天然橡胶模具，可以比普通模具提高粉料利用率15%以上，降低生产成本。

(3)等静压成型压力控制在120MPa左右是经济合理和可行的。

(4)制定合理的烧成曲线是提高烧成质量的关键，特别要控制好1200～1450℃的升温速率不要超过50℃/h，避免这个阶段剩余γ-Al
2
O3转变为α-Al2O3的体积变化而造成开裂和变形。

参考文献：
［1］华南理工学院，南京工学院，武汉建筑工业学院.陶瓷工艺学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1981.［2］尹衍升，张景德.氧化铝陶瓷及其复合材料［M］.北京：化学工业出版社，2011.
图3烧成曲线
Fig.3Firing curve
2011年第2期冷等静压生产高铝瓷棒类产品工艺控制分析（总第240期）。