压制成型的工艺原理

1、粉料的工艺性质干压法或半干压法都是采用压力将陶瓷粉料压制烦忧一定形状的坯体。

通常将粒径小于1㎜的固体颗粒级成的物料称为粉料，它属于粗分散物系，有一些特殊物理性能。

a.粒度及粒度分布粒度是指粉料的颗粒大小，通常经r表示其半径，d表示其直径。

实际上并非所有粉料颗粒都为球状，一般将非球状颗粒的大小用等效半径来表示。

即将不规则的颗粒换算成和它同体积的球体，以相当的球体半径作为其粒度的量度。

粒度分布是指各种不同大小颗粒所占的百分比。

从生产实践中得知：一定压力下，很细或很粗的粉料被压紧成型的能力较差，亦即在相同压力下坯体的密度和强度相差很大。

此外，细粉加压成型时，颗粒间分布着大量空气会沿着加压方向垂直的平面逸出，产生坯体分层。

而含有不同粒度的粉料成型后密度和强度均高，这可用粉料的堆积性质来说明。

b．粉料的堆积特性由于粉料的形状不规则，表面粗糙，使堆积起来的粉料颗粒间存在大量空隙。

若采用不同大小的球体堆积，则小球可填充在等径球体的空隙中。

因此，采用一定粒度分布的粉粒可减少其孔隙，提高自由堆积的密度。

例如，单一粒度的粉料堆积时的最低孔隙率为40%，若用两种粒度（平均粒径比为10:1）配合，则其堆积密度增大，如图5-26所示。

AB线表示粗细颗粒混合物的真实体积。

CD线表示粗细颗粒未混合前的外观体积（即真实体积与气孔体积之和）。

单一颗粒（即纯粗或纯细颗粒）的总体积为1.4，即孔隙率约40%。

若将粗细颗粒混合则其外观体积按照COD线变化，即粗颗粒约占70%、细颗粒约占30%的混合粉料其总体积约1.25，孔隙率最低约25%。

若采用三级颗粒配合，则可得到更大的堆积密度，图5-27所示为粗颗粒50%、中颗粒10%、细颗粒40%的粉料的孔隙率仅23%。

然而，压制成型粉料的粒度是经过“造粒”工序得到的，由许多小固体组成的粒团，即“假颗粒”。

这些粒团比真实固体颗粒大得多。

如半干压法生产墙地砖时，泥浆细度为万孔筛筛余1%～2%，即固体颗粒大部分小于60μm。

实际压砖时粉料的假颗粒度通过的为0.16～0.24㎜筛网。

c．粉料的拱桥效应（或称桥接）实际粉料颗粒不是理想的球形，加上表面粗糙，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥空间，增大孔隙度，使粉料自由堆积的孔隙率往往比理论计算值大得多，这种现象就称为拱桥效应。

图5-28所示为粉料堆积的拱桥效应示意图。

当粉料颗粒B落在A上进，若粉料B的自重为G，则在接触处产生反作用力，其合力为P，大小与G相等，但方向相反。

若颗粒间附着力较小，则P不足以维持B的自重G，便不会开成拱桥，颗粒B落入空隙中。

因此，粗大而光滑的颗粒堆积在一起时，孔隙率不会很大。

然而，由于细颗粒的自重小，比表面大，颗粒间的附着力大，故易形成拱桥。

例如，气流粉碎的Al2O3粉料，颗粒多为不规则的棱角形，自由堆积时的孔隙比球磨后的Al2O3颗粒要大些。

d．粉料的流动性粉料虽然由固体小颗粒组成，但因其分散度较高，具有一定的流动性。

当堆积到一定高度后，粉料会向四周流动，始终保持圆锥体，其自然安息角（偏角）α保持不变。

当粉料堆的斜度超过其固有的α角时，粉料向四周流泻，直到倾斜角降至α角为止。

因此，可用α角来反映粉料的流动性，一般粉料的自然安息角α约为20°～40°。

如粉料呈球形，表面光滑，易于向四周流动，α角值就小。

粉料的流动性决定于它的内摩擦力。

设P点的颗粒自重为G（如图5-29所示），它可分解为两个力，即沿自然斜面发生的推动力F（F=Gsinα）和垂直斜面的正压力N(N= Gcosα），且当粉料维持安息角α时，颗粒不再流动。

这时必然产生与F力大小相等、方向相反的摩擦力f才能维持平衡。

F=μN，μ为分类料的内摩擦系数。

由此可见，μ=tanα，粉料的流动与其粒度分布、颗粒的形状、大小、表面状态等诸多因素有关。

在生产中粉料的流动性决定着它在模型中的充填速度和充填程度。

流动性差的粉料难以在短时间内充满模型，影响压制的产量和质量。

为此，往往向粉料中加入润滑剂来提高其流动性。

e．粉料的含水率及水分均匀程度在相同的压力下，粉料水分大小直接影响坯体的密度。

粉料含水率很低，加压成型时，颗粒相互移动摩擦阻力就大，所以要使坯体达到很致密不太容易；浆水分逐渐增加时，由于水的润滑作用，坯料容易密实。

成型压力达到一定值，对于含水量合适的坯料可得到极小孔隙率的坯体；含水量高于适当值时，在同样压力下成型之坯体致密度反而降低，图5-30示出了粉料含水率与在一定压力下成型的坯体密度间的关系。

采用较高压力压制时，只要稍微降低粉料的含水率便能保证在获得一定坯体强度的同时减少粘膜，不易出现结构不匀和夹层的现象。

粉料水分不匀，局部过干或过湿都会使压制成型出现困难，且成型后的坯体在随后干燥和烧成中产生开裂和变形。

f．粉料的容重单位容积的粉料质量称为容重，用来表示粉料的堆积密度。

在制备压制成型用粉料时，都力图提高粉料的容重，以减少堆积时的气孔率，从而降低成型时的压缩比。

轮碾造粒所得坯粉的容重为0.90～1.10g/㎝3，采用喷雾干燥制备的坯粉容重稍低为0.75～0.90g/㎝3。

2、压制过程坯体的变化压制成型中，随着压力增加，松散的粉料中的气体被排出，固体颗粒被压缩靠拢，粉料形成球体。

此时密度和强度的增加呈现出一定规律。

由于坯体中不同的部位受到压力不同，因此各部位的密度也存在差异。

a．坯体密度的变化压制过程中，随着压力的增大，松散的粉料很快成坯体，其相对密度有规律地发生变化。

若以成型压力为横坐标，以坯体的相对密度为纵坐标作图，可以定性地得到如图5-31所示的关系曲线。

图示表明，加压的第一阶段随着成型压力的增大，坯体的密度急剧增加；第二阶段的压力继续增加时，坯体密度增加缓慢，后期几乎无变化；第三阶段中压力超过某一数值（极限变形应力）后，坯体的密度又随压力增高而加大。

塑性物料组成的粉料压制时，第二阶段不明显，第一、三阶段直接衔接，只有瘠性物料组成的粉料第二阶段才明显表现出来。

b．坯体强度的变化坯体强度与成型压力的关系如力5-32所示。

图示曲线形状可分为三段：第一段的压力较低，虽由于粉料颗粒位移填充孔隙，坯体孔隙减小，但颗粒间接触面积仍小，所以坯体强度并不大。

第二段是成型压力增加，颗粒位移填充孔隙继续进行，而且可使颗粒发生弹-塑性变形，颗粒间接触面积大大增加，出现原子间力的相互作用，因此强度直线提高。

压力继续增大至第三段，坯体密度及孔隙变化不明显，强度亦较平坦。

c．坯体中压力的分布压制成型中的主要问题是坯体中压力分布不均匀，坯体各部位受到的压力不等，因而导致坯体各部分的密度出现差别。

此现象产生的原因是颗粒移动和重新排列时，颗粒之间产生内摩擦力；颗粒与模壁之间产生外摩擦力。

摩擦力妨碍着压力的传递。

单压成型时，坯体内部距离加压面越远则受的压力也越小。

如图5-33所示）。

摩擦力对坯体中压力及密度分布的影响随坯体厚度（或高度）与宽度的比值（H/D）不同而不同；H/D越大，不均匀分布现象越严重。

因此，高而细的产品不宜采用压制成型。

由于坯体各部位密度不同，烧成时收缩也不同，容易引起产品变形与开裂。

施加压力的中心线应与坯体和模型的中心对正，如产生错位，会导致压力分布更加不均匀。

3、加压制度对坯体质量的影响a.成型压力的影响在压制成型中，作用于粉料上的压力主要消耗在以下两个方面，一是克服粉料的阻力P1，称为净压力。

它包括颗粒相对位移时所需克服的内摩擦力及使粉料颗粒变形所需要的力。

二是克服粉料颗粒对模壁摩擦所消耗力P2，称为消耗压力。

所以压制过程中的总压力P= P1+ P2，这也就是成型压力。

它与粉料的组成和性质有关，与模型和粉料的摩擦面积有关，同时与坯体的大小及形状也有关。

当坯体截面不变而高度增加或形状复杂时，则压力损耗增大。

若高度不变，而横截面尺寸增加，则压力损耗减小。

对某种坯体来说，为获得致密度一定的坯体所需要施加的单位面积上的压力是一定值，而压制不同尺寸坯体所需的总压力等于单位压力乘以受压面积。

一般工业陶瓷的成型压力约为40～100Mpa，而塑性较好的坯料则可用较低的压力（一般为10～60Mpa）。

b．加压方式的影响单面加压时，坯体中的压力分布是不均匀的，不但有低压区，还有死角[图5-34（a）所示]，为使坯体致密度均匀一致，宜采用双面加压。

当双面同时加压时，可消除底部的低压区及死角，但坯体中部的密度较低，其压力分布情况如图5-34（b）所示。

若两面先后加压，由于二次加压之间有时间间歇，故利于空气排出，因而整个坯休中的压力与密度分布都较均匀，如图5-34（c）所示。

如在粉料各个方向同进施压（也就是等静压成型）则坯体密度最均匀，如图5-34（d）所示。

c．加压速度的影响开始加压时，压力应小些，以利于空气排出，然后短时间内释放此压力，使受压气体逸出。

初压时坯体疏松，空气易排出。

可稍快加压。

当用高压使颗粒紧密靠拢后，必须缓缓加压，以免残余气体无法排出。

否则，当释放后，气体将发生膨胀，回弹产生层裂。

当坯体较厚时，也就是H/D值较大时，或粉料颗粒较细、流动性较差时，则宜减慢加压速度，延长施压时间。

为提高压力的均匀性，通常可采用多次加压，如用液压机压制墙地砖时，通常回压2～4次。

压力逐次加大，这样不致封闭空气排出的通路。

最后一次提起上模时较轻、缓些，防止残留空气急速膨胀产生裂纹。

这也就是“一轻、二重、慢提起”的操作方法。

当坯体密度要求非常均匀时，可在某一固定压力下多次加压，或多次换向加压。

如能采用振动成型，则效果会更好。

4、添加剂的选用在压制成型的粉末中,往往要加入一定种类和数量的添加剂，促进成型过程的顺利进行，提高坯体的密度和强度,减少密度分布不均的现象。

添加剂有如下几个主要作用。

①减少粉料颗粒之间及粉料与模壁间的摩擦，因此所加入的添加剂叫润滑剂。

②增加粉料颗粒之间的黏结作用，这类添加剂又叫黏合剂。

③促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，这类添加剂属表面活性物质。

添加剂与粉料混合后，它吸附在颗粒表面及模壁上，减少颗粒表面的粗糙程度，并可使模具润滑，因而可减少颗粒的内、外摩擦，降低成型时的压力损失，从而提高坯体强度及均匀性。

如果添加剂是表面活性物时，它不仅吸附在粉料颗粒表面上，而且可渗透到颗粒的微孔和微裂纹中，产生巨大的劈裂应力，促使粉料在低压下即可滑动或碎裂，使坯体的密度、强度得以提高。

若加入黏性溶液，将瘠性颗粒黏结在一起，自然可提高坯体强度。

压制成型中采用的添加剂，最好是在烧成过程中尽可能地烧掉，故不会影响产品的性能；添加剂与粉料最好不发生化学反应；添加剂的分散性要好，少量使用能得到良好效果。