特种陶瓷的成型方法

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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 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 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 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。
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, 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 强调提高压力。
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
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。 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。
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 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。
(3)挤压法的优点: 污染小,操作易于自动化,可连续生产,效率高。
第三节 成型工艺
(二) 挤压成型 挤压是利用液压机推动活塞,将已塑化的坯料从挤压
嘴挤出。由于挤压嘴的内型逐渐缩小,从而使活塞对泥团 产生很大的挤压力,使坯料致密并成型。
挤压被广泛用于生产砖、地砖、管子、棒以及具有等 截面的长形部件。截面形状非常复杂的部件也可采用挤压, 最具代表性的是大量用于汽车尾气排放的蜂窝陶瓷的生产, 目前国内制造陶瓷蜂窝体均采用此方法 。也可用于生产热 交换器的蜂窝结构。
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、 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 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 坯密度分布的不均匀。单向压制时,密度沿高度方向降低。
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 以电荷密度最高,吸引力也最大,从而可塑性也最大,原料颗粒吸附不 同的阳离子时,其可塑性的顺序和阳离子交换的顺序是相同的,即:
H+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+ (3)溶剂的影响。最常用的溶剂(分散介质)是水,只有含有适当水分时, 泥团才有最大的可塑性,一般来说,水膜厚度为0.2μm时泥团的可塑性 最高。
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, 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 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 离子次之,一价阳离子最小。
(1)挤压进程参数的影响
①挤压嘴锥角α。 α过小,则挤压压力小,坯体不致密,强度低。 α过大,则阻力大,不易挤出。 当挤压件直径d<10mm 时,α为12°~13°为宜; 当挤压件d>10mm时,α=17°~20°为宜。 挤压更大的坯件时,α可增大至20°~30°。
挤压嘴各部分尺寸
②挤压件直径与挤压筒直径之比d/D。
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
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
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
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
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
第三节 成型工艺
(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 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、 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 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。
单向压制及压坯密度沿高度的分布
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、 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40~100 MPa,模压成型一般适用于压制高度为 0.3~60 mm、直径为 5~500 mm形状简单的制品。
(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 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
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 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 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 着橡皮模变形使粉体被均匀加压成型。
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。
第三节 成型工艺
二、可塑成型方法
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:
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。
挤压成型时将真空练制的泥 料放入挤制机内,这种挤制 机一头可以对泥料施加压力, 另一头装有机嘴即成型模具。 通过更换机嘴,能挤出各种 形状的坯体。也有将挤制嘴 直接安装在真空练泥机上, 成为真空练泥挤压机,挤出 的制品性能更好。
棒和管材的挤压成型
Á 挤压机适合挤制棒状、管状(外形可以是圆形成多 角形,但上下尺寸大小一致)的坯体,然后待晾干 后,可以再切割成所需长度的制品。一般常用挤 制φl~30 mm的管、棒及壁厚可小至0.2mm左右细 管等。随着粉料质量和泥料可塑性的提高,也用 来挤制长100~200mm,厚0.2~3mm片状坯膜,半 干后再冲制成不同形状的片状制品,或用来挤制 100~200孔/cm2的蜂窝状或筛格式穿孔瓷制品。
3 4~ 12 14 17 18 20 25 30 40 50 10
0. 0.3 0.4 0.5 0.6 1.0 2.0 2.5 3.5 5.5 7.5 2
第三节 成型工艺
(2)挤压法成型对泥料的要求: ①粉料细度和形状:细度要求较细,外形圆润,以长时 间小磨球球磨的粉料为好。 ②溶剂、增塑剂、粘结剂等:用量要适当,同时必须使 泥料高度均匀,否则挤压的坯体质量不好。
一般d/D取1/1.6~l/2,为了使坯件表面光滑,密度均 匀,坯件从挤压嘴出来后要经过一定长度的定型段L。一般 取L=(2~2.5)d。
③当挤压管件时,管壁的厚度必须能承受自身的质量。下 表的数据可作为选择壁厚的参考。
第三节 成型工艺
挤压管 外径
管壁最 小厚度
推荐的挤压管外径与壁厚尺寸
单位:mm
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, (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 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, 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
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 加,也可增加阳离子交换能力。
干式等静压制原理图
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。
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。 通常所用的气体为氦气、氩气等惰性气体。一般 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。
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
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 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; 9坯料的添加和坯件的 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。
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。 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。
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Fra Baidu bibliotek少,烧成收缩比一般干压低;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: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)
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