材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第7章

第7章工業(yè)陶瓷及其成型7.1工業(yè)陶瓷簡介7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程

7.1工業(yè)陶瓷簡介

7.1.1陶瓷材料的性能

陶瓷材料的性能主要取決于以下兩個(gè)因素:第一是物質(zhì)結(jié)構(gòu),主要是化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu),它們決定了陶瓷材料本身的性能,如電性能、熱性能、磁性能和耐腐蝕性能等;第二是組織結(jié)構(gòu),包括相分布、晶粒大小和形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等,它們對陶瓷材料的性能影響極大。

1.陶瓷材料的力學(xué)性能

陶瓷材料的彈性模量和硬度是各類材料中最高的,比金屬高若干倍,比有機(jī)高聚物高2~4個(gè)數(shù)量級,這是因?yàn)樘沾刹牧暇哂袕?qiáng)大的化學(xué)鍵。陶瓷材料的塑性變形能力很低,在室溫下幾乎沒有塑性,這是因?yàn)樘沾删w中的滑移系很少,共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性,離子鍵的同號離子接近時(shí)斥力很大,當(dāng)產(chǎn)生滑移時(shí),極易造成鍵的斷裂,再加上有大量氣孔的存在,所以陶瓷材料呈現(xiàn)出很明顯的脆性特征,韌性極低。因?yàn)樘沾蓛?nèi)有氣孔、雜質(zhì)和各種缺陷的存在,所以陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均很低,而抗壓強(qiáng)度非常高,這是由于在受壓時(shí)裂紋不易擴(kuò)展所致。

2.陶瓷材料的物理性能

1)陶瓷材料的熱性能

陶瓷材料的熔點(diǎn)高,大多在2000℃以上,具有比金屬材料高得多的抗氧化性和耐熱性,并且高溫強(qiáng)度好,抗蠕變能力強(qiáng)。此外,它的膨脹系數(shù)低,導(dǎo)熱性差,是優(yōu)良的高溫絕熱材料。但大多數(shù)陶瓷材料的熱穩(wěn)定性差,這是它的主要弱點(diǎn)之一。

2)陶瓷材料的電性能

陶瓷材料的導(dǎo)電性變化范圍很廣。由于離子晶體無自由電子,因此大多數(shù)陶瓷都是良好的絕緣體。但不少陶瓷既是離子導(dǎo)體,又有一定的電子導(dǎo)電性,因而也是重要的半導(dǎo)體材料。此外,近年來出現(xiàn)的超導(dǎo)材料,大多數(shù)也是陶瓷材料。

3.陶瓷材料的化學(xué)性能

陶瓷的組織結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定,這是由于陶瓷以強(qiáng)大的離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合,并且在離子晶體中金屬原子被包圍在非金屬原子的間隙中,從而形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此陶瓷材料具

有良好的抗氧化性和不可燃燒性,即使在1000℃的高溫下也不會(huì)被氧化。此外,陶瓷對酸、堿、鹽等介質(zhì)均具有較強(qiáng)的耐蝕性,與許多金屬熔體也不發(fā)生作用,因而是極好的耐蝕材料和坩堝材料。

7.1.2常用的工業(yè)陶瓷

陶瓷的種類繁多,大致可以分為傳統(tǒng)陶瓷(也叫普通陶瓷)和特種陶瓷(也叫近代工業(yè)陶瓷)兩大類。雖然它們都是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而合成的無機(jī)非金屬材料,但其在所用粉體、成型方法和燒結(jié)制度及加工要求等方面卻有著很大的區(qū)別。兩者的主要區(qū)別見表7-1。

各種陶瓷的性能特點(diǎn)及應(yīng)用見表7-2。

7.2工業(yè)陶瓷的生產(chǎn)過程

工業(yè)陶瓷的品種繁多,生產(chǎn)工藝過程也各不相同,但一般都要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟:坯料制備、成型、坯體干燥、燒結(jié)以及后續(xù)加工,如圖7-1所示。

圖7-1陶瓷的生產(chǎn)工藝過程

7.2.1坯料制備

1.配料

制作陶瓷制品,首先要按瓷料的組成,將所需各種原料進(jìn)行稱量配料,它是陶瓷工藝中最基本的一環(huán)。

2.混合制備坯料

配料后應(yīng)根據(jù)不同的成型方法,混合制備成不同形式的坯料,如用于注漿成型的水懸浮液,用于熱壓注成型的熱塑性料漿,用于擠壓、注射、軋膜和流延成型的含有機(jī)塑化劑的塑性料,用于干壓或等靜壓成型的造粒粉料等。

7.2.2成型

成型是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體。成型技術(shù)與方法對陶瓷制品的性能具有重要意義,由于陶瓷制品品種繁多,性能要求、形狀規(guī)格、大小厚薄不一,產(chǎn)量不同,所

用坯料性能各異,因此可以采用多種不同的成型方法。陶瓷的成型方法大致分為濕塑成型、注漿成型、模壓成型、注射成型、熱壓鑄成型、等靜壓成型以及塑性成型、帶式成型等

其他方法。

1.濕塑成型

濕塑成型是在外力作用下,使可塑坯料發(fā)生塑性變形而制成坯體的方法,包括刀壓、滾壓、擠壓和手捏等。這是最傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝,在日用瓷和工藝瓷中應(yīng)用最多。

2.注漿成型

注漿成型是將陶瓷懸浮料漿注入石膏?；蚨嗫踪|(zhì)模型內(nèi),借助模型的吸水能力將料漿中的水吸出,從而在模型內(nèi)形成坯體。

3.模壓成型

模壓成型也叫干壓成型,是將造粒工序制備的團(tuán)粒(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于6%)松散裝入模具內(nèi),在壓機(jī)柱塞施加的外壓力作用下,團(tuán)粒產(chǎn)生移動(dòng)、變形、粉碎而逐漸靠攏,所含氣體同時(shí)被擠壓排出,形成較致密的具有一定形狀、尺寸的壓坯,然后卸模脫出坯體的過程。

4.注射成型

注射成型是將陶瓷粉和有機(jī)黏結(jié)劑混合后,加熱混煉并制成粒狀粉料,經(jīng)注射成型機(jī),在130~300℃溫度下注射到金屬模腔內(nèi),冷卻后黏結(jié)劑固化成型,脫模取出坯體。

5.熱壓鑄成型

熱壓鑄成型利用蠟類材料熱熔冷固的特點(diǎn),將用配料混合后的陶瓷細(xì)粉與熔化的蠟料黏結(jié)劑加熱攪拌成具有流動(dòng)性與熱塑性的蠟漿,在熱壓注機(jī)中用壓縮空氣將熱熔蠟漿注滿金屬?？涨?蠟漿在模腔內(nèi)冷凝形成坯體,再進(jìn)行脫模取件。

6.等靜壓成型

等靜壓成型是利用液體或氣體介質(zhì)均勻傳遞壓力的性能,把陶瓷粒狀粉料置于有彈性的軟模中,使其受到液體或氣體介質(zhì)傳遞的均衡壓力而被壓實(shí)成型的一種新型壓制成型方法。

等靜壓成型的特點(diǎn)是坯體密度高且均勻,燒結(jié)收縮小,不易變形,制品強(qiáng)度高、質(zhì)量好,適于形狀復(fù)雜、較大且細(xì)長制品的制造;但等靜壓成型設(shè)備成本高。

等靜壓成型可分為濕式等靜壓成型與干式等靜壓成型兩種。

1)濕式等靜壓成型

如圖7-2(a)所示,將配好的粒狀粉料裝入塑料或橡膠做成的彈性模具內(nèi),密封后置于高壓容器內(nèi),注入液體到壓力傳遞介質(zhì)(壓力通常在100MPa以上),此時(shí)模具與高壓液體直接接觸,壓力傳遞至彈性模具對坯料加壓成型,然后釋放壓力取出模具,并從模具中取出成型好的坯體。濕式等靜壓容器內(nèi)可同時(shí)放入幾個(gè)模具,壓制不同形狀的坯體,該法生產(chǎn)效率不高,主要適用于成型多品種、形狀較復(fù)雜、產(chǎn)量小的大型制品。

圖7-2等靜壓成型示意圖

2)干式等靜壓成型

如圖7-2(b)所示,在高壓容器內(nèi)封緊一個(gè)加壓橡皮袋,加料后的模具送入橡皮袋中加壓,壓成后又從橡皮袋中退出脫模;也可將模具直接固定在容器橡皮袋中。此法的坯料添加和坯件取出都在干態(tài)下進(jìn)行,模具也不與高壓液體直接接觸。而且,干式等靜壓成型模具的兩頭(垂直方向)并不加壓,適于壓制長型、薄壁、管狀制品。

7.其他成型方法

1)塑性成型

塑性成型包括擠制成型與軋膜成型。這類成型方法的共同特點(diǎn)是要求泥料必須具有充分的可塑性,故其中所含有機(jī)黏結(jié)劑和水分比干壓成型時(shí)多。

擠制成型是指將煉好并通過真空除氣的泥料置于擠制筒內(nèi),在壓力的作用下,通過擠嘴擠出各種形狀的坯體,如棒狀、管狀等。

2)帶式成型方法

對于0.08mm以下的坯體,如獨(dú)石電容片等,用軋膜法難以成型,帶式成型法就應(yīng)運(yùn)而生了。此類成型方法包括刮刀工藝、紙帶澆注工藝和滾筒工藝。其中,以刮刀法(流延法)應(yīng)用最為廣泛,用于制造50μm以下的膜材,見圖7-3。

圖7-3流延成型

7.2.3坯體干燥

生坯內(nèi)的水分有三種:一是化學(xué)結(jié)合水,是坯料組分物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分;二是吸附水,是坯料顆粒所構(gòu)成的毛細(xì)管中吸附的水分,吸附水膜厚度相當(dāng)于幾個(gè)到十幾個(gè)水分子,并受坯料組成和環(huán)境的影響;三是游離水,處于坯料顆粒之間,基本符合水的一般物理性質(zhì)。

生坯干燥時(shí),游離水很容易排出。

生坯的干燥形式有外部供熱式和內(nèi)熱式。

7.2.4燒結(jié)

燒結(jié)是對成型坯體進(jìn)行低于熔點(diǎn)的高溫加熱,使其內(nèi)的粉體間產(chǎn)生顆粒黏結(jié),經(jīng)過物質(zhì)遷移導(dǎo)致致密化和高強(qiáng)度的過程。只有經(jīng)過燒結(jié),成型坯體才能成為堅(jiān)硬的具有某種顯

微結(jié)構(gòu)的陶瓷制品(多晶燒結(jié)體),燒結(jié)對陶瓷制品的顯微組織結(jié)構(gòu)及性能有著直接的影響。

燒結(jié)的方法很多,如常壓燒結(jié)法、壓力燒結(jié)法(熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法)、反應(yīng)燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、電弧等離子燒結(jié)法、自蔓延燒結(jié)法和微波燒結(jié)法等,以下對部分方法進(jìn)行簡要介紹。

1.常壓燒結(jié)法

普通燒結(jié)有時(shí)也稱常壓燒結(jié),是指在通常的大氣壓下進(jìn)行燒結(jié)的方法。傳統(tǒng)陶瓷大多都是在隧道窯中進(jìn)行燒結(jié)的,而特種陶瓷大都在電窯中燒成。普通燒結(jié)因無需加壓,故成

本較低。

2.壓力燒結(jié)法

壓力燒結(jié)法可以分為普通熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法和超高壓燒結(jié)法。

1)熱壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)是將干燥粉料充填入石墨或氧化鋁模型內(nèi),再從單軸方向邊加壓邊加熱,使成型與燒結(jié)同時(shí)完成,如圖7-4所示。圖7-4熱壓(成型)燒結(jié)示意圖

2)熱等靜壓燒結(jié)法

熱等靜壓(HIP)燒結(jié)方法是借助于氣體壓力而施加等靜壓的方法。除SiC、Si3N4使用該法外,Al2O3、超硬合金等也使用該法,它是很有希望的新燒結(jié)技術(shù)之一。熱等靜壓燒結(jié)法可克服普通熱壓燒結(jié)的缺點(diǎn),適合形狀復(fù)雜制品的生產(chǎn)。目前一些高科技制品,如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等,也可采用此種燒結(jié)工藝。

3)超高壓燒結(jié)法

超高壓燒結(jié)法與合成金剛石的方法相同,在燒結(jié)金剛石和立方氮化硼時(shí)常采用這種方法;在其他難燒結(jié)物質(zhì)的制備中也可采用此法。

3.反應(yīng)燒結(jié)法

反應(yīng)燒結(jié)法是通過氣相或液相與基體材料相互反應(yīng)而對材料進(jìn)行燒結(jié)的方法。最典型的代表性產(chǎn)品是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制品。此種燒結(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡

單,制品可稍微加工或不加工,也可制備形狀復(fù)雜制品;缺點(diǎn)是制品中最終有殘余未反應(yīng)產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)不易控制,太厚制品不易完全反應(yīng)燒結(jié)。

4.液相燒結(jié)法

許多氧化物陶瓷采用低熔點(diǎn)助劑促進(jìn)材料燒結(jié)。助劑的加入一般不會(huì)影響材料的性能或反而為某種功能產(chǎn)生良好的影響。作為高溫結(jié)構(gòu)使用的添加劑,要注意晶界玻璃是造成

高溫力學(xué)性能下降的主要因素。這可通過選擇有很高的熔點(diǎn)或黏度的液相,或者選擇合適的液相組成,然后作高溫?zé)崽幚?使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕變能力。

5.電弧等離子燒結(jié)法

電弧等離子燒結(jié)加熱方法與熱壓不同,它在施加應(yīng)力的同時(shí),還在制品上施加一個(gè)脈沖電源,材料被韌化的同時(shí)也致密化。7.2.5后續(xù)加工

1.表面施釉

陶瓷的施釉是指通過高溫方法在瓷件表面燒附一層玻璃狀物質(zhì),使其表面具有光亮、美觀、致密、絕緣、不吸水、不透水及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能的一種工藝方法。

2.加工