第六章粉体成型工艺

第六章粉体成型工艺

无机非金属材料生产工艺总体上讲可以分为三个阶段：即制粉、成型和焙烧。只是根据材料品种的不同可以有不同的排列顺序。陶瓷和耐火材料生产工艺通常为：制粉→成型→烧成。陶瓷成型在工艺上具有特殊重要的地位。因陶瓷坯体是一种粉末的集合体，它只有在烧成之后才能得到所期望的性能。为了得到所期望的结构和性能，一种理想的粉末原料和均匀的混合是前提条件。可以说，粉末制备己对最终产品起作用，只有理想的粉体和正确的成型才能保证产品质量。粉体成型是通过外力，把粉末或其聚集体制作成具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品。通常又与最佳均匀化，致密化等联系在一起。粉体成型方法众多，产品的形状、尺寸以及用途和技术经济指标决定了成型方法的选择。耐火粉料借助于外力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程叫成型。压制和成型是耐火材料生产工艺过程中的重要环节。耐火材料成型方法很多，包括特殊耐火材料在内有数十种之多。按坯体含水量的多少，成型方法可分为如下三种：

半干法—坯料水份5%左右；

可塑法—坯料水份15%左右；

注浆法—坯料水份40%左右。

对于一般耐火制品，大多采用半干法成型。至于采用什么成型方法，主要取决于坯料性质、制品的形状、尺寸以及工艺要求。可塑法有时用来制造大的异形制品；注浆法主要用来生产中空薄壁的高级耐火制品及特种耐火制品，如氧化物，熔融莫来石、石英陶瓷制品、含锆莫来石制品、纯镁质制品等。除上述方法外，还有振动成型，500℃~1500℃的热压成型，等静压成型等等。

第一节压制成型

压制成型是陶瓷中的重要成型方法之一，是通常耐火制品的最主要成型方法。这时，压力连续地或多次地通过压头传递到在模型中的粉末体上。在高压下粉末体致密化而形成具有一定形状、尺寸和强度的坯体。而在等静压成型中，液体压力通过柔性模传递到粉体上。等静压成型只是一种特殊的压制成型。压制成型中，通过泥料(粉末团聚体)内摩擦，与模壁的摩擦及质点和桥接的弹性变形，塑性变形，以及颗粒的再破碎等等消耗能量(功)。成型坯体的致密度和消耗能量主要受泥料性质和机械的压力—时间过程的影响。

压制成型通常可分为干法、半干法和湿法压制。目前尚无统一的分类标准。在粉体(团聚体)方法技术中一般采用下列标准：

1、干法压制：泥料含0~5%的水(包括润滑界质和其它液态加入物)；

2、半干法压制：泥料含水5~8%；

3、湿法压制：泥料含水8~18%。

在英、美的标准解释中，则只将压制区分为干法和湿法压制两类。也有人认为，对于不同性质的泥料，划分干法和湿法压制的含水量应是不同的。视泥料种类不同，对应于某一压力，能达到坯体的最大致密化所对应的水份含量是不同的。

另外，压制成型中还包括加热压制，即粉体在加热下压制。通常分为：热压制，即焦油，沥青，石腊或合成结合剂，包括硅酸盐熔体相在加热，粘度降低下压制而达到更好的致密化；高温压制，即对SiC，Si3N4等特种材料，难以烧结，通过高温和压力同时作用在粉体上，增加固体的烧结反应，而达到更致密化或具有更合理的显微结构。捣打成型和压力振动成型也属于压制成型。在耐火材料制品大多数采用干法或半干法压制成型，这是由干法或半干法压制的特点决定的。(1)干法或半干法压制的模具成本高，只有大量生产同一品种时才是经济的；(2)干法或半干法压制最适宜于成型几何尺寸不太大，长宽尺寸相差也不太大，形状不太复杂的制品。形状太复杂使模具结构复杂，成本高；尺寸大时要求高压的压机。受压方向尺寸大会引起坯体密度相差太大。(3)为了达到最佳的压制性能对泥料的颗粒组成和颗粒形状有一定的要求。(4)由于坯体含水量少，干燥工艺可以简化或去掉，干燥废品少，工艺简单。(5)坯体致密度大，强度大，烧成收缩(或膨胀)通常较小，易于控制成品尺寸。

一、压制粉料的工艺性质

压制过程中，松散的泥料在压力作用下发生颗粒重新排布，弹性形变和破碎，排出空气，颗粒结合成具有一定形状和尺寸的坯体。泥料是固体粉料，水和空气的三相系统。粉料是固体颗粒的集合体，属于粗分散物系。压制粉料的工艺性质主要是：

1 、粒度和粒度分布及颗粒形状

从生产实践中可知，很细或很粗的粉料，在一定压力下被挤压成型的能力较差。另外，细粉加压成型时，分布在颗粒间的大量空气会沿着与加压方向垂直的平面逸出，产生层裂。

粉料的颗粒形状主要是由物料的性质和破碎设备有关，通常片状颗粒对压制成型不利，有棱角的等尺寸颗粒较为理想。

含有不同粒度的粉料成型后密度和强度均高，这可由下述粉料的堆积性质来说明。

2 、粉料的堆积特征

由于粉料的形状不规则，表面粗糙使堆积起来的粉体颗粒间存在着大量的空隙。粉料颗粒的堆积密度与堆积形式和粒度分布有关。显然，堆积密度越大，则在坯体的密实过程中，需要填充的空隙或需要排出的空气就越少，故在其它条件相同的情况下，可望获得质量更高的坯体。因此，只有符合紧密堆积的颗粒组成，才有得到致密坯体的可能。

生产实际中，粗颗粒和细粉混合后，其填充容积如图6-1所示，单一粗颗粒的充填容积为C ，单一细粉的填充容积为F ，固体部分的真体积为DE ，如果只是粗颗粒和细颗粒堆积体的容积置换，则混合体的总容积沿CRF 变化。由于实际上存在细颗粒充填粗颗粒间隙，所以实际容积沿CAF 曲线变化。

图6-1两种粒度混合物填充容积图6-2理想的紧密填充

实际生产中往往采用粗颗粒，中颗粒和细粉三种颗粒的粉料。这时理想的堆积应该是：粗颗粒构成框架，中颗粒填充于粗颗粒构成的空隙中，细粉再填充于中颗粒与粗颗粒构成的空隙中，如图6-2所示。虽然理想的堆积是难以实现的，但三组分粉料的较为理想的堆积己为实验和生产所证实，如图6-3和6-4所示。通常堆积密度最大的粒度组成为：粗颗粒55~65%；中颗粒10~30%；细粉15~30%。必须强调的一点是，粗，中，细颗粒的尺寸相差越大越好，一般相差4~5倍以上方能有显著效果。在耐火材料制品生产中，以在可能的条件下增加临界颗粒尺寸来增加颗粒尺寸级差。

粉料按最紧密堆积理论进行堆积，在工艺上主要是用来满足气孔率，热震稳定性的透气性的要求，但实际应用中，除考虑最紧密堆积原理外，还须根据原料性质，颗粒形状，制品的成型压力，烧成条件和使用要求全面考虑。根据耐火制品的性质要求，粒度组成可以进行适当的调整。例如为使制品烧后的气孔率低，强度高，在粒度配合中可以适当增加细粉量以提高烧结强度。图

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